Обвязка котла
Материал из ТеплоВики - энциклопедия отоплении
Система с естественной циркуляцией
Каким бы простым ни казался дровяной котел, но и он требует обдуманного и квалифицированного подхода к монтажу и эксплуатации. В противном случае срок службы котла может оказаться обидно коротким, он также может не дать владельцу даже тот минимальный комфорт, которого от него ожидали. Поскольку работающий котел -устройство потенциально опасное, его изготовитель в сопроводительной документации всегда указывает максимально допустимые значения давления в котле и температуры котловой воды, Кроме того, обычно указывается минимальная температура воды в котле или в обратной линии - условие, как мы уже знаем, не требующее постоянного неукоснительного соблюдения, но влияющее на срок жизни котла. Для того чтобы, работая строго в указанных рамках, котел обеспечивал максимально доступный комфорт своему хозяину, и нужен некоторый набор правильно соединенных между собой дополнительных устройств, в просторечии называемый обвязкой.
Рассмотрим варианты обвязки, начиная с простейшего типа системы отопления - системы с естественной циркуляцией или, как ее еще называют, гравитационного типа. Кроме дешевизны, такая система отопления привлекательна еще и тем, что для ее работы не требуется электроэнергии, ведь силой, заставляющей теплоноситель циркулировать в отопительном контуре, выступает гравитация. В самом деле: если мы рассмотрим замкнутый отопительный контур (рис. 5), в нижней точке которого расположен котел, нагревающий воду до температуры θп, а на высоте h над ним - отопительный прибор, в котором вода охлаждается до температуры θο, то в итоге «на весах» оказываются два водяных столба одинаковой высоты, но разного веса. Удельный вес воды ρ при ее нагревании в котле уменьшается, поэтому более холодный столб в обратной линии «перевешивает», и таким образом в контуре создается напор:
заставляющий воду циркулировать от котла к отопительным приборам и обратно.
Чем выше скорость движения воды по отопительному контуру, тем большее сопротивление оказывают этому движению стенки труб, котла и всех остальных элементов контура. Состояние динамического равновесия, т.е. постоянная скорость циркуляции достигается тогда, когда гидравлическое сопротивление сравнивается с напором, как показано на рис. 6.
Из графиков видно, что единственное условие возникновения циркуляции воды в системе отопления - это расположение приборов, потребляющих тепло, на некоторой высоте над котлом. Очевидно также, что чем больше высота h - тем лучше, однако если дом одноэтажный, то особо и не разгонишься. Минимальное же значение высоты h, встречающееся в инструкциях, -это полметра между средними уровнями котла и отопительного прибора.
Мощность котла может быть выражена через объемный поток теплоносителя ν и разность между температурами на выходе и входе ∆θ следующим образом:
где:
С - теплоёмкость воды.
Таким образом, при одной и той же мощности, чем меньше объемный поток, тем больше должна быть разность температур между подающей и обратной линиями котла. Однако, как мы помним, эта разность не может быть сколь угодно большой, поскольку температура подающей линии ограничена сверху, а обратной линии - снизу. Из этого следует, что слишком медленная циркуляция теплоносителя может ограничивать мощность котла. Чтобы такого не происходило, в системе отопления гравитационного типа обычно применяют трубы увеличенного диаметра и избегают использовать регулирующую арматуру с высоким гидравлическим сопротивлением, что, в свою очередь, ограничивает возможности создания комфорта.
Несмотря на скудный арсенал средств, система отопления гравитационного типа может содержать все необходимое для безопасной эксплуатации котла.Защита его от перегрева обеспечивается наличием в системе хотя бы одной ветви, циркуляция теплоносителя и потребление тепла в которой при работающем котле не прерывается ни в коем случае.
Избежать превышения допустимого давления в котле позволяет расширительный бак, при этом он может быть как открытого типа, как на рис. 7, так и мембранным, как на рис. 8. Поскольку расширительный бак открытого типа устанавливается в наивысшей точке отопительной системы, высота его расположения относительно котла Н и определяет давление в котле. Заметим, что расширительный бак открытого типа - это также источник поступления в теплоноситель кислорода из воздуха. Это мало чем грозит чугунному котлу, но кислородная коррозия может существенно сократить срок жизни котлу стальному, а также стальным радиаторам и -в меньшей степени - трубам. Поэтому гравитационная система отопления открытого типа - это традиционно чугунный котел, чугунные радиаторы и двухдюймовые трубы.
Применение мембранного расширительного бака в отопительной системе превращает ее в замкнутый объем и, как следствие, требует установки предохранительного сбросного клапана (рис. 8).В дополнение к нему нужен еще и манометр для визуального контроля давления в котле, но у большинства изготовителей манометр входит в основной комплект поставки. Еще одно следствие замены открытого расширительного бака на мембранный - необходимость установки в системе воздухоотводчиков.
Для производства бытовой горячей воды в одной из ветвей гравитационной системы отопления может быть расположен бак-водонагреватель, требования к расположению которого по отношению к котлу такие же, как и для отопительных приборов. Процесс нагрева в баке - саморегулирующийся: вода нагревается до температуры подачи котла, и по исчезновении разницы температур между подачей и обратной линией циркуляция через контур прекращается. Она возобновляется, когда температура в баке понижается вследствие разбора горячей воды и замещения ее холодной водой из водопровода. Если предположить, что температура подачи котла 90 °С, а температура холодной воды 15 °С, то количество тепла, необходимое для разового прогрева бака емкостью V [л] из холодного состояния, будет равно:
Важно помнить, что в соответствии с требованиями безопасности необходимым элементом такой схемы приготовления горячей воды является термостатический смеситель на выходе горячей воды из бака-водонагревателя, ведь вода в баке может нагреваться до грозящей ожогом температуры 90 °С. Смеситель же доводит температуру горячей воды до заданного безопасного значения, подмешивая в нее холодную воду из водопровода.
где:
ВН — бак-водонагреватель;
ВО — воздухоотводчик;
ТС — термостатический смеситель;
ОП — отопительный прибор;
ПК — предохранительный клапан;
РБ — расширительный бак;
КВ — колпачковый вентиль.
Как мы помним, во избежание конденсации влаги из дымовых газов, сокращающей срок службы котла, необходимо следить за тем, чтобы температура котловой воды не опускалась ниже установленного изготовителем минимума - 50 ÷ 65 °С. Иногда это условие формулируется как ограничение минимальной температуры воды в обратной линии уровнем 45 ÷ 50 °С. Возможно ли соблюдение этого условия для твердотопливного котла в случае применения системы отопления гравитационного типа?
Рассмотрим два состояния котла: холодный старт и работу в стационарном режиме. В применении к первому состоянию проблема обычно состоит в том, чтобы сократить промежуток времени, когда температура котловой воды ниже допустимой. С одной стороны, сам по себе котел прогревается достаточно быстро, поскольку скорость циркуляции в системе на этой стадии пренебрежимо мала, ведь она зависит не только от разницы температур, но и от высоты, на которую поднялась в системе горячая вода из котла. С другой стороны, по мере роста скорости циркуляции возрастает поток холодной воды из непрогретой системы в котел. Очевидно, что это будет продолжаться до тех пор, пока вся холодная вода в системе отопления не окажется замещена теплой водой из котла. Таким образом, в силу инерционности гравитационной системы отопления котел после холодного старта значительное время работает в нежелательном режиме, что может отрицательно сказаться на сроке его службы.
В стационарном режиме температура воды в обратной линии котла определяется ее температурой в линии подачи и тем, насколько охлаждается вода в отопительных приборах. Если температуру в линии подачи можно в определенных пределах изменять при помощи регулятора горения, то степень охлаждения воды в батареях зависит от теплоотдачи батарей и от объемного потока через них -и то и другое определяется раз и навсегда при проектировании и монтаже системы отопления. Получается, что температуру обратной линии можно поддерживать на должном уровне, если это позволяет система отопления: она рассчитана и сконструирована так, что обеспечивает достаточный объемный расход -за счет большой разницы высот расположения котла и теплопо-требляющих приборов и за счет применения труб, арматуры и отопительных приборов с минимально возможным гидравлическим сопротивлением.
Итак, можно заключить, что в рамках системы отопления гравитационного типа возможно обеспечить рабочие условия котла, по крайней мере в стационарном режиме работы. Вместе с тем следует отметить, что такая система отопления предоставляет мало возможностей для создания комфорта. Ее достоинства - видимая простота и независимость от электроснабжения, к очевидным же минусам можно отнести слабую управляемость и, как следствие, необходимость в частых дозагрузках котла и неэкономный расход топлива.
Система с принудительной циркуляцией
Гораздо более широкие возможности как обеспечения рабочих условий котла, так и создания комфорта предоставляет система отопления с принудительной циркуляцией. Во-первых, проблема поддержания минимальной температуры котловой воды решается хорошо известным способом - путем подмеса в обратную линию воды из линии подачи, как показано на рис. 9, где:
ПЛ- подающая линия;
ОЛ- обратная линия;
ЦН- циркуляционный насос;
ВН- бак-водонагреватель;
ВО- воздухоотводчик;
ТС- термостатический смеситель;
ОП- отопительный прибор;
РБ- расширительный бак;
КВ- колпачковый вентиль.
Подмес производится с помощью трехходового вентиля с температурным регулятором, настроенным на минимально допустимую температуру обратного потока. При повышении температуры обратного потока байпасмежду подающей и обратной линиями закрывается, и подмес прекращается.
Поскольку в системе отопления с принудительной циркуляцией отсутствуют ограничения на гидравлическое сопротивление трубопроводов и арматуры, с ее применением становится возможным регулирование теплоотдачи отопительных приборов с помощью термостатических вентилей и, таким образом, повышение комфортности отопления. Однако последствием такого регулирования может стать перегрев котла из-за превышения его текущей производительности над потреблением тепла системой отопления. Кроме того, в условиях нестабильного электроснабжения также существует угроза перегрева котла и выхода его из строя из-за остановки циркуляционного насоса.
Во избежание такой неприятности изготовители часто снабжают твердотопливный котел встроенным аварийным теплообменником, либо предлагают такой теплообменник вместе с необходимой запорно-регулирующей арматурой как дополнительное оборудование. На рис. 10 показана схема подсоединений встроенного (А) и внешнего (Б) аварийных теплообменников. Принцип действия теплообменника прост: по достижении температурой котловой воды предельного допустимого значения срабатывает настроенный на эту температуру термоклапан и открывает проток через теплообменник холодной воды, которая, отобрав «лишнее» тепло от котловой воды (либо воды в линии подачи), отправляется в канализацию.
Разумеется, обходиться так с теплом, которое стоит денег, неразумно, но что можно сделать, чтобы и безопасность обеспечить, и тепло не выбрасывать? Одним из вариантов может быть установка бака-водонагревателя с естественной циркуляцией, как показано на рис. 9 (пунктир). Если циркуляционный насос работает, он запирает естественную циркуляцию через теплообменник бака-водонагревателя посредством обратного клапана, установленного на выходе теплообменника. Вы-ключение насоса при разогретом котле открывает путь естественной циркуляции и сбросу тепла из котла в бак-водонагреватель. Необходимый объем бака для обеспечения функции аварийного аккумулятора тепла рассчитывается по формуле:
где:
Wн - номинальная мощность котла, кВт;
n - количество часов горения одной загрузки топлива на номинальной мощности;
θп- температура подачи,°С;
θх- температура холодной воды °С.
бак-водонагреватель не может быть основным средством приготовления горячей воды в доме. Кроме того, контур с естественной циркуляцией не включается и не отводит лишнее тепло в ситуации, когда циркуляционный насос работает, однако котел производит больше тепла, чем потребляет отопительный контур.
Мы видим, что возможность регулирования теплоотдачи отопительного контура, иными словами - возможность создания комфорта ограничена управляемостью котла, а с этим делом, как уже было замечено, у твердотопливного котла - не очень: загрузить и разжечь котел можно только вручную, и, начавшись, процесс горения может быть только приглушен, а остановлен быть не может. Но не все потеряно: жесткую связь между текущей производительностью котла и потреблением тепла системой отопления можно устранить при помощи бака-аккумулятора, способного сохранить все тепло от сгорания топлива в котле, чтобы затем оно расходовалось по мере необходимости.
Первое, что бросается в глаза -это возможность применения котла большей мощности, чем требуется для отопления дома. В самом деле, при выборе котла обычно руководствуются расчетными теплопотерями дома во время самой холодной пятидневки года. Однако, как известно, действительные теплопотери в течение отопительного сезона могут быть в несколько раз ниже, производительность же твердотопливного котла можно уменьшить только наполовину - изготовители, как правило, не рекомендуют эксплуатировать котел на мощности ниже, чем 50% от номинальной, т.к. это приводит к отложению смол на теплообменнике и ухудшению характеристик котла. Это также повышает риск образования угарного газа.
Если у вас есть, где хранить выработанное тепло, вы можете эксплуатировать котел исключительно на номинальной мощности, когда его КПД максимален. Более того, вы можете установить котел существенно большей мощности, чем требуется для отопления дома в самое холодное время года - в результате загружать и топить его придется реже. Это - существенный плюс, с точки зрения удобства эксплуатации. Ну и, разумеется, огромный плюс с точки зрения создания комфорта - это возможность регулировать потребление тепла системой отопления без оглядки на условия эксплуатации котла.
Примерная схема обвязки твердотопливного котла с баком-аккумулятором показана на рис. 11. Важно, что как вход горячей воды от котла в бак, так и выход горячей воды в систему отопления расположены в верхней части бака, поэтому степень его заполнения теплом (горячей водой) практически не влияет на готовность системы отопления. Важно также, чтобы циркуляционный насос котлового контура автоматически отключался всякий раз, когда дрова в котле прогорали и он остывал. Дело в том, что тяга в котле есть практически всегда, и если не выключать насос при холодном котле, тепло из бака-накопителя будет расходоваться на подогрев котла и воздуха в нем, короче говоря - тепло будет вылетать в трубу.
где:
ПЛ — подающая линия;
0Л — обратная линия;
ЦНК — циркуляционный насос котла;
БА — бак-аккумулятор;
ВО — воздухоотводчик;
ТС — термостатический смеситель;
ТВ — термостатический вентиль;
КТ — комнатный термостат;
ЦНО — циркуляционный насос отопительного контура;
0П — отопительный прибор;
ПК — предохранительный клапан;
РБ — расширительный бак;
КВ — колпачковый вентиль.
Необходимый объем бака-аккумулятора можно найти по формуле:
где:
V - объем бака, л;
qт - удельная теплота сгорания топлива, кДж/кг;
mт - масса единовременной загрузки топлива в котел;
η - коэффициент использования котла;
ρв - плотность воды, кг/л;
Св - теплоемкость воды, кДж/кг • К;
θв и θн - соответственно верхний и нижний пределы температуры воды в баке, К.
Положимn θв равной максимальной рабочей температуре котла, например, 90 °С. За нижний предел θн надо принять ту температуру теплоносителя, при которой теплоотдача отопительных приборов пренебрежительно мала, и дальнейшего снижения температуры в баке без нового поступления тепла не происходит. Видимо, не будет большой ошибкой принять эту величину равной 30 °С. Приняв удельную теплоту сгорания древесины равной 13000 кДж/кг, а коэффициент использования -равным 0,8, получаем объем бака при сжигании дров равным
а при сжигании угля (удельная теплота сгорания 28000 кДж/кг)
Проблема, однако, кроется в том, что изготовители котлов не указывают в документации массу единовременно загружаемого топлива, поэтому ее придется оценивать приблизительно, отталкиваясь от доступной информации о котле. Практически всегда в документации на котел указывается объем камеры сгорания. Чтобы оценить массу загружаемой древесины в килограммах, необходимо данный объем, выраженный в литрах, умножить на 0,33, а для угля этот множитель будет равен 0,52. Возьмем для примера котел Sime Solida 7 (номинальная мощность на угле -35 кВт). Объем его топки -51 л, тогда необходимый объем бака-аккумулятора при сжигании дров будет равен 698 л, а при сжигании каменного угля -целых 2370 л! Этот объем немного ошарашивает, однако предположим, что номинальная мощность котла соответствует теплопотерям дома для самой холодной пятидневки в московском регионе. Тогда использование бака-аккумулятора позволит топить котел в среднем не чаще чем через каждые 6 часов в январе и феврале и через 7,5 часов в марте.
Разумеется, если вы приняли решение приобрести твердотопливный котел, руководствуясь главным образом его невысокой стоимостью, вы вряд ли будете готовы платить сумму, равноценную стоимости котла, за дополнительное оборудование. Однако взвесьте еще раз все «за» и «против», и вы обнаружите, что, кроме дополнительных затрат, аргументов «против» нет, зато «за» - и более высокий комфорт, и большая эффективность работы котла, и его долговечность.
Два котла
Представьте себе ситуацию: глубокая ночь, на улице - неожиданно крепкий мороз, дрова в котле давно прогорели, и котел, а за ним и вся отопительная система неотвратимо остывают. Если не выбраться из теплой постели и не подбросить дров в котел, маячит перспектива льда в чайнике утром. А вот бы иметь на такой случай запасной котел, пусть даже на дорогом электричестве (которое по ночам не такое уж и дорогое), или на сжиженном газе! Идея хорошая и, что самое приятное, -осуществимая!
На рис. 12 показана схема двухкотельной установки, в которой роль основного выполняет котел на твердом топливе, а роль резервного - настенный газовый котел или электрический котел (и в том, и в другом случае в состав котла входит циркуляционный насос).
ПК - твердотопливный котел;
РК - резервный котел;
ВА - бак-аккумулятор;
ГС - гидравлическая стрелка;
ОК - отопительный контур;
ПЛ - подающая линия;
ОЛ - обратная линия;
3-ХВ - трехходовой вентиль с электроприводом;
ТР - термореле;
КГ - комнатный термостат.
Основной котел работает на загрузку бака-аккумулятора, тепло из которого потребляется по мере надобности отопительным контуром. Когда же тепло в баке-аккумуляторе кончается, т.е. температура воды в нем опускается до уровня, когда теплоотдача ото-пительных приборов становится недостаточной, на термореле ТР замыкаются контакты запуска резервного котла и переключения трехходового вентиля с ветви 1 на ветвь 2. Гидравлическая увязка контура резервного котла с отопительным контуром происходит с помощью гидравлической стрелки.
Если резервный котел - напольный, у которого обычно нет встроенного циркуляционного насоса, задача только упрощается (рис. 13), поскольку не требуется гидравлической увязки двух контуров со своими насосами. Здесь точно так же, как и в предыдущем случае, отопительный контур отбирает тепло из бака-аккумулятора, пока оно там есть.
ПК - твердотопливный котел;
РК - резервный котел;
БА - бак-аккумулятор;
ОК - отопительный контур;
ПЛ - подающая линия;
ОН - обратная линия;
3-ХВ - трехходовой вентиль с электроприводом;
ТР - термореле;
КТ - комнатный термостат.
Когда запас тепла в баке иссякает, на температурном реле замыкаются контакты запуска резервного котла и включения электропривода трехходового вентиля, который переключает циркуляцию теплоносителя с бака-аккумулятора на резервный котел. Обратное переключение на потребление тепла из бака-аккумулятора произойдет только после того, как вновь разожженный твердотопливный котел прогреет воду в баке.
Комбинация котла, работающего на солярке или даже на природном газе, с котлом на твердом топливе - это притча во языцех в западноевропейской отопительной индустрии последние несколько лет. Причин две: идеологическая и экономическая. Идеология состоит в сокращении расходования невосполняемых энергоносителей за счет восполняемых, каким является, например, древесина. Экономическая причина тоже понятна: отопление на дровах там, как и у нас, дешевле отопления на солярке. Но попробуем разобраться, насколько быстро эта экономия на топливе позволит в наших условиях окупить затраты на дополнительное оборудование и его монтаж.
Возьмем 7-секционный чугунный котел с объемом топки 50 л. Согласно информации изготовителя, номинальная мощность котла при сжигании дров составляет 30 кВт, и полная загрузка прогорает за 2 часа. Таким образом, одна загрузка котла дает 60 кВт · ч тепла. Исходя из цен на топливо, и учитывая коэффициенты использования (75% - для дровяного котла, 90% - для котла на солярке), экономия от сжигания дров по сравнению с соляркой составляет 1 руб. 36 коп. на кВт · час, т.е. каждая загрузка дровяного котла дает нам 81 руб. 60 коп. экономии. Рыночная стоимость такого котла колеблется сейчас вокруг цифры 75 000 руб., и мы не сильно ошибемся, удвоив эту сумму, чтобы учесть стоимость дополнительного оборудования - бака-аккумулятора, насоса, арматуры и т.п., а также монтажных работ. Понесенные 150 000 руб. капитальных затрат окупятся примерно за 1840 полных загрузок котла. Если вы собираетесь загружать его не чаще двух раз в сутки, утром и вечером, то срок окупаемости составит чуть больше 30 месяцев или 2,5 года.
