Использование тепла отходящих газов.

Результаты эксплуатации в отопительный период 2003-2004/2005 года четырех котлов на подворье Монастыря на Ганиной яме показали, что котлы могут без напряжения нагреть воду до 90 градусов, даже при использовании сырых только что заготовленных дров. Котлы были сконструированы и построены с учетом теории изложенной в статье "Основы конструирования котлов..", поэтому в данной статье даются ссылки на некоторые положения и рисунки из неё. На Fig.5 показано горение сырого топлива в одном из котлов. При этом котлы топят только днем. В ночное время в котлах используется режим тлеющего горения в стадии догорания топлива, при полностью закрытой поддувальной дверке (или дверке калорифера регенератора, так как один котел построен с этим устройством). При эксплуатации в таком режиме температура выходящих газов оказалась очень высокой и требуется дополнительное устройство для использования этого тепла.

Газы в котле не могут охладиться до температуры воды, а вода у поверхности нагрева кипит или близка к температуре кипения. Поэтому газы уходят из котла с довольно высокой температурой, примерно в 250-300°, и выше. Газы с такой температурой уносят много теплоты, если их выпускать сразу в трубу. Что бы использовать эту теплоту, в уходящие газы ставят прибор называемый экономайзером. Его используют для подогрева возвращаемой в к отел воды.

Конструктивное исполнение экономайзера может быть различным. Общим для всех типов является то, что движение воды в экономайзере должно происходить навстречу тепловому потоку. То есть наиболее холодная вода контактирует с наиболее холодными газами. Далее, при движении по экономайзеру вода нагревается и контактирует с все более нагретыми газами. Этому условию удовлетворяет наиболее полно конструктивное исполнение экономайзера в виде колпака, в котором в каждом вышележащем сечении повышается температура. При таком встречном движении воды и газов (тепловых потоков), между ними сохраняется разность температур, необходимая для передачи теплоты, а так же снижается вероятность выпадения водяных паров, из-за которых происходит ржавление труб. Это особенно важно, если топливом являются дрова, содержащие много водяных паров. Такое движение воды и газов называют противотоком. Следует отметить, что в системе свободного движения газов (при размещении регистров котла или экономайзера в колпаке), при правильно сконструированных и обвязанных регистрах, это условие выполняется за счет естественных сил природы, не требует внешнего воздействия, а значит естественно и оптимально.

Устройство и подключение водяных регистров котла и экономайзера должно быть выполнено так, что бы движения воды и тепловых потоков было противоточным. Обвязка экономайзера должна обеспечивать возможность периодического слива воды из него в систему водяного отопления. Это необходимо для периодического выжигания сухих труб экономайзера от сажи через специальную герметичную дверку в колпаке, где установлен экономайзер. В связи с тем, что температура газов поступающих в экономайзер значительно меньше температуры в конвективной системе котла, регистр экономайзера должен иметь большую тепловоспринимающую поверхность. В целях унификации конструктивных элементов котла, регистры котла и экономайзера следует применять одинаковыми. Ту же самую операцию мы рекомендуем делать для регистров котла. Для этих целей на входящей и выходящей трубе необходимо установить отключающие задвижки, а так же кран слива теплоносителя из регистров.

Установку экономайзера необходимо выполнить во втором, по ходу движения газов колпаке, в схеме «двух горизонтальных последовательных колпаков» приведенной на Fig.4.

С левой стороны оси Е, показана конвективная система котла постоянного действия Fig.2, с регистрами, обозначенная буквой С ("Основы конструирования котлов.."). С правой стороны показан "колпак", с регистрами экономайзера. Обозначения на схеме следующие: 1- выход отработанных газов, 2- экономайзер в колпаке, 3- канал прямого хода, 4- задвижка прямого хода, 5- датчик температуры, 6- датчик состава выходящих через трубу газов, 7-.труба, 8- переточной канал.

Принцип работы этой схемы следующий: Датчик 6 (Fig.4), в зависимости состава выходящих газов, воздействует на исполнительный механизм калорифера системы регенерации 6 (Fig.1 и 2) и оптимизирует подачу воздуха, необходимого для горения. Датчик 5, в зависимости от температуры выходящих из трубы газов, воздействует на исполнительный механизм задвижки 4, открывая или закрывая её. При повышенной температуре выходящих газов задвижка 4 закрывается, и горячие газы из котла через отверстие 1, поступают в экономайзер, где отработав, выходят в трубу 7, через переточной канал 8. При понижении температуры ниже допустимой задвижка 4 приоткрывается, и часть горячих газов поступает через канал 3 в трубу. Конечно, схема может работать и без применения автоматики.

Регистры выполняются с равновеликими путями движения воды. Такая конструкция обеспечивает минимальное силовое воздействие на строительные конструкции котла от температурного удлинения труб регистров, а также малое сопротивление движению воды, хороший напор и легкую их замену. При заполнении системы водой, в регистрах не возникают воздушные пробки, если они установлены с уклоном для стока вода в обратную трубу. Пунктирными линиями и стрелками показана условная схема обвязки котла и экономайзера (с естественной циркуляцией) и направление движения воды.

Мне пишут люди из разных стран мира, в том из США, Канады, Австралии, Испании, Литвы, Латвии, Эстонии, Украины, Белоруссии, Уганды, Хорватии, Словакии, Чехии, Южной Африки, Польши, Швеции, Финляндии и других. Просят проекты котлов и другое. Я начал публиковать на сайте чертежи некоторых дровяных котлов, используя кирпич и печные приборы, которые можно купить в России. В различных странах используются кирпич и печные приборы других размеров. Из них так же можно конструировать и строить котлы, используя публикуемые чертежи. Для этого ниже приводятся некоторые пояснения.

Для кладки котлов используются кирпичи стандартных размеров российского производства. Красный полнотелый печной размером 250х120х65 мм марки 150 и огнеупорный ША8 (ШБ8) размером 250х123х65 мм. Может использоваться так же, в небольших количествах, огнеупорный кирпич других размеров. Исходя из этого, наружные размеры котлов, внутренние размеры топливника и колпака (колпаков) в плане приняты кратными 13 см. Ширина колпака (колпаков) может быть 13 см при размещении в нем одного регистра или 26 см, при размещении в нем двух регистров. Возможна и другая ширина, кратная 13 см. Минимальный размер колпака в плане 13х13 см. В него (в минимальную ячейку) может быть вставлена одна вертикальная труба регистра диаметром 60 мм, что составляет 16,7% от площади ячейки. Количество вертикальных труб принимается равным количеству минимальных ячеек. Высота одного ряда со швом принята 7 см. Высота котлов принята 30 рядов, то есть 210 см. Может быть принята и другая высота котлов.

При использовании кирпичей других размеров, размеры котлов должны быть кратными половине длины кирпича со швом. Диаметр труб регистра должен быть не более 16,7 % площади минимальной ячейки.

Котел с экономайзером может работать, так же как и котел без экономайзера, в режиме регулирования подачи тепла в систему водяного отопления, за счет перераспределения пути движения газового потока, без снижения КПД.

Избыток тепла можно аккумулировать по схеме приведенной на Fig.3. С левой стороны оси Е, показан котел постоянного действия с экономайзером Fig.2, обозначенный буквой С. С правой стороны показана система по схеме "одно-двухъярусный колпак" D, использующая избыток тепла. Цифрой 2 показано тело воспринимающее избыток тепла.

По такой схеме можно решить вопрос горячего водоснабжения (ГВС) в твердотопливных котлах постоянного действия по закрытой схеме. В этом случае, системой D может быть печь с бойлером (водоподогревателем) горячего водоснабжения (ГВС), в которой цифрой 2 обозначен водоподогреватель ГВС. Эта печь работает на одну трубу с котлом и может конструктивно располагаться так же над котлом отопления. Горячая вода в любой период года требуется одной температуры, тогда как для отопления этого не нужно, а летом котел не используется. При работе котла отопления, используются избыток тепла отходящих газов, для ГВС. Если котел летом не работает, или тепла отходящих газов от котла не хватает для получения горячей воды требуемой температуры, то тогда можно будет топить печь ГВС отдельно.

Правила обвязки котлов.

Движение теплоносителя в регистре должно происходить навстречу тепловому потоку. То есть наиболее холодная вода контактирует с наиболее холодными газами. Далее, при движении по регистру вода нагревается и контактирует с все более нагретыми газами. При таком встречном движении теплоносителя и газов (тепловых потоков), между ними сохраняется разность температур, необходимая для передачи теплоты, а так же снижается вероятность выпадения водяных паров, из-за которых происходит ржавление труб. Это особенно важно, если топливом являются дрова, содержащие много водяных паров. Такое движение теплоносителя и газов называют противотоком. Следует отметить, что в системе свободного движения газов (при размещении регистров котла в колпаке), при правильно сконструированных и обвязанных регистрах, и естественном движении теплоносителя (без насоса) это условие выполняется за счет естественных сил природы, не требует внешнего воздействия, а значит естественно и оптимально. При принудительной циркуляции теплоносителя за счет насоса, скорость теплоносителя нужно принимать минимально возможной.

Обвязка должна обеспечивать возможность периодического слива теплоносителя из регистров без слива системы. Это необходимо для периодического выжигания сухих труб регистра от сажи, в том числе через чистку в колпаке, http://stove.ru/index.php?lng=0&rs=123. В котлах необходимо устанавливать автоматику регулирования температуры нагрева воды на выходе. Смысл её состоит в организации движения воды по малому кругу (прямая - обратная труба) до достижения температуры нагрева воды на выходе до значения 45-55 градусов оС, после чего вода направляется по большому кругу. В противном случае возможно выпадение на регистрах конденсата и ухудшения работы котла, http://stove.ru/index.php?lng=0&rs=109. При отсутствии приборов автоматики можно закольцевать по малому кругу прямую и обратную трубу перемычкой из трубы Д=1 дюйм с регулировочным вентилем. Затапливают котел с открытым вентилем. По достижению температуры теплоносителя до указанных пределов вентиль постепенно закрывают, не допуская повышения его температуры выше верхнего предела. При применении в котле двух и более регистров, выходы их объединяют в одну трубу.

При естественной циркуляции теплоносителя и устройстве теплых полов необходимо предусматривать устройство на обводной обратной трубе шунтирующего насоса с малой скоростью теплоносителя. При этом на трубе предусматривать установку отключающих вентилей. Проектирование и монтаж систем водяного отопления должны выполнять специализированные проектные и монтажные организации.

И.В. Кузнецов.

16/01/2005 © Igor Kuznetsov "Kuznetsov's stoves"

 

Испытания тепловизором.

Всё началось со знакомства с одним из главных руководителей программы "Энергосбережение" в Свердловской области, "политическим менеджером", профессором Даниловым Н.И. Он глава администрации Губернатора Свердловской области Росселя Э.Э. и заведующий кафедрой "Энергосбережение" Уральского государственного технического университета – УПИ. На заседании кафедры было выражено желание испытать некоторые наши печи и котлы. Присутствующий на заседании, начальник отдела энергоэффективности Федерального Государственного учреждения "Управление Госэнергонадзора по Свердловской области" Клюкин А.М любезно согласился провести испытания характера нагрева печей тепловизором.

Испытания были проведены 24.02.04 г инженером выше указанной организации Кошманом В.С. тел. 7 (343) 3776923 с моим участием.

Специальной предварительной подготовки к испытаниям не было, как не было и выбора конкретной печи. Мы приехали в «Монастырь в честь Святых Царственных Страстотерпцев», г. Екатеринбург, и взяли для испытания одну из печей (1) в "Храме Державный" (2), в котором не было в это время службы.

Храм отапливается двумя одинаковыми печами. Испытания проводились через 20 часов после окончания топки печи, портативным компьютерным термографом IRTIS 200 (тепловизором) Российского производства. Печь объёмом 10 м3 располагается в углу помещения, облицована рельефной керамической плиткой полой внутри. В связи с тем, что заполнение полости плитки раствором могло быть некачественным, измерение температуры проводилось на её стыках.

В объектив термографа не входила вся печь, поэтому общие термаграммы получились составными (4 и 5).

На этих термаграммах показана длинная сторона печи со стороны топки. На них можно проследить характер изменения температур как по высоте (5), так и ширине печи (4). Некоторое расхождение в значениях температур на термаграммах в одинаковых точках, возникает при обработке термаграмм.

На термаграмме (5) видно, что низ печи греется лучше верха. В правом верхнем углу, выше задвижки, заметно снижение температуры. В этом месте выполнена дымовая камера, необходимая для смещения трубы в проектное положение. На термаграмме (4) видно, что нагрев левой части печи слабее на 5-12 градусов. Это объясняется влиянием сквозняков, воздействующих на сторону печи, выходящую в проход, и охлаждающих печь. Температура нагрева топочной дверки 82,8 градусов.

На термаграмме 6 показан торец печи. Низ печи прогревается лучше верха, то есть теплоотдача нижнего колпака выше верхнего. Правая крайняя часть нижнего колпака печи в месте переточного канала имеет меньшую температуру, что говорит о высокой теплоаккумулирующей способности колпака.

Следует отметить низкое качество конопатки бревенчатых стен храма в углах, изготовления и монтажа окон, что видно на термаграммах 7 и 8. Температура в некоторых точках около 3 градусов. При этом средняя температура стен на уровне 2 метров составляет 17 градусов. То есть печи обеспечивают требуемый температурный режим в Храме.

Попутно, была снята термаграмма 9 кирпичной печи в бане, без отделки. Интересно отметить, что швы кладки, прогреваются примерно на 20 градусов больше чем массив кирпича, а углы печи на 20-30 градусов меньше.

И.В. Кузнецов