Інтеграція печі з водяним контуром в систему опалення (ч.3)

Піч з водяним контуром і система опалення

Головне, що потрібно знати, якщо ви вирішите будувати піч з водяним контуром самі: для повного згоряння палива в топці печі і досягнення нею високої теплової ефективності температура під склепінням топки, де догоряють піролізні гази, повинна становити не менше 1100 градусів. У той же час для піролізу, який повністю «висмоктує» з палива летючі компоненти, оптимальна температура 400-600 градусів, а для загоряння залишкового аморфного вуглецю – 600-800. Температура зовнішньої поверхні теплообмінника в принципі потрібна вище, це дозволяє виконати його менших розмірів. Для сталевого не більше 400 градусів, а чавунного не більше 600 (при тиску в системі, що дорівнює атмосферному), щоб виключити кипіння теплоносія. Типовий розмір теплообмінника, що встановлюється в топці печі – 0,3-0,5 м; встановленого в димових каналах – 1-2 м. Ще одне: якщо температура в димових каналах впаде нижче 200 градусів, висока ймовірність випадання в печі кислотного осаду. Якщо піч топиться відходним (некондиційним) паливом, воно ніколи повністю не згорає – буде також посилене осадження сажі в печі і димарі.

Знаючи ці обставини можливо успішно побудувати піч з водяним контуром для опалення будинку. Завдання таке: вбудувати в піч теплообмінник, який приймає достатню кількість тепла, але не збиває температуру в місці установки нижче допустимої. Піч для цього проектується з свідомо завищеною потужністю: на 10-15% більше, ніж потрібно для обігріву будинку. Ці 10-15% треба віддати на підтримку правильного ходу (режиму роботи) печі з урахуванням тепловіддачі на сторону. Завдяки більш рівномірному розподілу тепла в будинку його тепловтрати, які залежать від різниці температур всередині і зовні, падають, і економія палива за сезон складе 20-25%; до 30% в комбінованій СО. Чистий виграш за витратами на паливо за сезон – 10-20%, а програш порівняно з опаленням від котла на твердому паливі – 5-10%.

Примітка: піч з опалювальним контуром дозволяє побудувати відносно недорогу і доступну для монтажу своїми силами гравітаційну СО в будинку без підвалу. Котел для гравітаційної системи опалення обов’язково повинен стояти в підвалі, а якщо його немає – потрібна енергозалежна СО з примусовою циркуляцією.

Ще про складнощі з цеглою

У цегляної печі є одна  якість: їх теплові постійні часу (це те, що зазвичай називають тепловою інерцією) приблизно рівні. Теплова інерція металевої печі на порядок менше, ніж у СО. Якщо система вийде з режиму, «увігнати» її туди назад можливо оперативним регулюванням ходу печі. З цегляної грубкою так вийде далеко не завжди: все воно разом може «зациклитися» на неекономічному і навіть аварійному режимі (висловлюючись «по-розумному» – опинитися в метастабільному стані). Тоді доведеться або мерзнути, чекаючи наступної топки, або навіть терміново гасити піч. Щоб виключити «зациклення» – потрібно топити піч 3 рази на добу з проміжком 7-9 годину (спозаранку, в середині дня і на ніч), а в самі морози – 4 рази з проміжком 6 годину.

Про печі на тлінні

Якщо пошукати в каталогах продукції опалювальні печі тривалого горіння з водяним контуром, то таких не знайдеться. Роки 3-4 тому рекламувалась така вугільна піч, але зараз і її не видно. І це неспроста.

Піч тривалого горіння «витягує» тепло з палива повільно і поступово. З іншого боку, ці печі критичні до температури газів над масою палива; для різних конструкцій вона коливається в межах 600-1000 градусів. Трохи нижче – піч гасне і спечену масу з неї дуже важко виколупати. Вище – переходить на полум’яне горіння, для неї аварійне, а господарям загрожує великою бідою. Полум’яна піч в тому і в іншому випадку просто з’їсть більше палива.

Іншими словами, тепловий баланс в печі тривалого горіння повинен підтримуватися набагато точніше, ніж в полум’яної. «Зайвого» тепла (придатного для використання) піч «на тлінні» або дає недостатньо для підтримки мінімально необхідної температури обратки в системі опалення, або спалахує. Тому печі тривалого горіння з водяним контуром і ручним регулюванням режиму придатні як водогрійні для ГВП. А щоб пристосувати піч тривалого горіння для опалення, її потрібно забезпечити хоча б найпростішої автоматикою, яка буде оперативно регулювати подачу повітря. А це … котел тривалого горіння. Такі давно вже випускаються промисловістю і успішно експлуатуються. Н варто ламати ні голову, як зробити піч з водяним контуром тривалого горіння.

Як будувати піч

Братися самому за будівництво печі з опалювальним контуром має сенс, якщо у вас в достатку дешевих або дармових дров. На більш енергетичному паливі (наприклад, на вугіллі) піч придбає властивості, близькі до печі тривалого горіння. Щоб вона працювала правильно, проект потрібно ретельно розрахувати, промоделювати, довести на дослідному зразку і піддати всебічним випробуванням. Крім того, піч на дровах з водяним контуром потрібно будувати цегляну. Її велика теплова інерція зробить конструкцію не настільки чутливою до узгодження параметрів теплообмінника і будови печі. Далі ми розглянемо особливості виготовлення того чи іншого, облік яких дозволить спростити розрахунки або побудувати піч без них за відомим зразком.

Регістр

Серце печі – теплообмінний регістр або просто регістр. Перше, з чого починається його виготовлення – розрахунок площі теплового контакту. Потім вибирається конфігурація регістра, його матеріал і місце розташування в печі. Потім під регістр проектуються або топка, або канальна система, а вже по ній вся піч. В останньому випадку порушується загальноприйнята схема проектування печі – від топки до труби, тому може знадобитися перерахунок на стадії проектування.

Площа теплового контакту

Регістр повинен прийняти від печі стільки тепла, скільки необхідно за розрахунком для опалення будинку, виключаючи кімнату з піччю. Тепловий потік в регістр визначається на перший погляд нескладно: Q = kS (ΔT), де:

• Q – тепловий потік, Вт / с;

k – коефіцієнт теплопередачі для матеріалу теплообмінника заданої товщини;
S – площа теплового контакту регістра з тепловіддаючою зоною печі;
ΔT – ефективна різниця температур тепловіддаючої зони і теплоносія в регістрі.

Останній параметр найкаверзніший, тому що ΔT є складна функція залежностей зміни температури як в просторі, зайнятому регістром, так і в часі протягом топки і подальшої тепловіддачі печі. З достатньою в нашому випадку точністю можна вважати при розташуванні регістра в топці ΔT = 800 градусів, при його розміщенні в ковпаку ковпакової печі ΔT = 550 градусів і в димових каналах канальної ΔT = 350 градусів. Тоді 1 кв. м регістра зі сталі товщиною 3 мм передасть теплоносія 12, 8,25 і 5,25 кВт відповідно, а чавунний зі стінками в 4 мм – вдвічі менше.

Матеріал і форма

У топці печі мало місця – там розміщують регістр з добре теплопровідної сталі. Підійде звичайна конструкційна товщиною 3-4 мм; в зоні, де вище 1000 градусів, правильно сконструйований теплообмінник не опиниться. В канали потрібно ставити кислотостійкі чавунні регістри. Ковпакові печі з опалювальним контуром без точного розрахунку будувати не треба: циркуляція газів під ковпаком справа тонка. Якщо навмання зроблений регістр її зіб’є, ККД печі сильно впаде і чистити її доведеться дуже часто.

Дахоподібний регістр-«будиночок» (див. вище) має найбільшу відносно його розмірів і витрати матеріалу на приймаючу тепло поверхню. Топка під нього потрібна висока, щоб «гарячий» колектор подачі не охолоджував зону догорання піролізних газів. При проектуванні печі з таким регістром за рівень зводу топки приймають уявну площину, січне місце перелому вертикальних гілок труб в місці сходження. Величина приймаючої поверхні регістра-будиночка вважається рівною геометричній площі його зовнішньої поверхні.

Регістр, зварений із сталевого листа (як вище) – не варіант. Його теплоприймальна поверхня майже вдвічі менше геометричної, а термічні напруги з великих  площин перейдуть на шви і швидко виведуть регістр з ладу.

У низьку топку потрібно ставити більш металомісткий коробчатий регістр, причому від його верху до зводу топки повинно залишитися не менше 15 см. Креслення коробчатого регістра «на всі випадки життя» дано на малюнку нижче. При його технічному проектуванні розрахункову величину приймаючої поверхні множать на 1,25.

В якості чавунного регістра підійде стара чавунна батарея МС. Величина поверхні, що випромінює одна секція чавунної батарї (в даному застосуванні – приймаючої тепло) є в довідниках з теплотехніки та комунальному господарству. Будь-пошуковик видасть дані відразу, потрібно тільки прорахувати вашу і визначитися з таблиці, якого вона типорозміру. А по поверхні однієї секції знаходиться або необхідне їх число, або загальна площа наявної батареї.

Вище схеми печей з водяним контуром і перемиканням ходу зима-літо для опалення дачі і житлового будинку.