Достоинства и недостатки твёрдотопливных котлов

28 января 2019

Преимущества твердотопливных котлов

Несмотря на то, что твёрдотопливные котлы имеют довольно обширный список недостатков они остаются востребованными на потребительском рынке, поскольку имеют ряд преимуществ перед другими тепловыми генераторами. К числу таких преимуществ относятся:

доступность и низкая стоимость топлива, в частности дров во многих регионах России. Следствием этого является наиболее низкие затраты на эксплуатацию системы отопления;
автономность использования, т.е. независимость от количества и качества поставок энергоносителей (электроэнергии, топлива) сторонними организациями,
высокая пожарная безопасность и взрывобезопасность (при условии правильной эксплуатации);
не требуется разрешения на установку котла;
сравнительная простота конструкции обеспечивает высокую надёжность и длительный срок эксплуатации;
широкий выбор по техническим и эксплуатационным характеристикам, а также стоимости различных марок котлов, позволяет подобрать наиболее подходящий и приемлемый для конкретных условий эксплуатации котёл.

Недостатки твердотопливных котлов

Однако, как и любое устройство, твёрдотопливные котлы имеют недостатки, ограничивающие их более широкое использование. Эти недостатки в значительной степени являются следствием специфики агрегатного состояния энергоносителя (твёрдого топлива), который используется в данном типе котлов. К числу недостатков твёрдотопливных котлов можно отнести:

невозможность или сложностьорганизации постоянной или периодической порционной подачи топлива в топку;
обратная зависимость КПД от генерируемой мощности, так как чем больше мощность, тем выше потери за счёт роста температуры дымовых газов;
сравнительно узкий диапазон генерируемых мощностей;
для обеспечения приемлемой продолжительности горения необходимо ограничивать объём поступающего в котёл воздуха, что приводит к росту потерь от химического недожога и как следствие к уменьшению экономичности котла;
необходимость работы котла в режиме сдерживания интенсивности горения большого объёма дров повышает требования к точности управления этим процессом, поскольку, чем больше объём одновременно горящего топлива, тем выше вероятность перехода котла в неуправляемый режим с выделением избыточной тепловой энергии, которая может привести к аварийной ситуации;
невозможность или сложность (для бытовых маломощных котлов) обеспечить во всём объёме топки требуемую для сжигания углерода и смол температуру, что приводит к росту отложений сажи, смол вперемешку с золой, которые снижают мощность котла и которые необходимо периодически удалять для восстановления его характеристик;
зависимость экономичности котла от качества и влажности топлива.

Благодаря острой конкуренции на рынке отопительного оборудования, в том числе и в нашей стране, в современных конструкциях твёрдотопливных котлов удалось в какой-то степени нивелировать их недостатки и существенно улучшить те или иные характеристики. Так, например, на рынке появились модели бытовых котлов шахтного типа, пеллетные котлы, в которых удалось существенно увеличить продолжительность горения от одной загрузки топлива, но появились другие недостатки, характерные для этих типов конструкций.

Технические решения в твердотопливных котлах «Суворов»

Некоторые производители пошли по пути совершенствования классической конструкции твёрдотопливных котлов. Так, например, в ООО «Тройка» разработана конструкция твёрдотопливного котла «Суворов-М», в которой удалось в значительной степени снизить влияние недостатков на характеристики котла. Рассмотрим более подробно какие новые технические решения использованы в этих котлах и что они в итоге позволяют получить.

Увеличение КПД горения

Известно, что горение, в предельно упрощённом виде, это химическая реакция, при которой из одних простых веществ, при соединении с кислородом, образуются другие вещества с выделением тепла. Если в качестве окислителя используется воздух, то при самой правильной организации процесса горения, в результате химической реакции образуются углекислый газ и пары воды. Однако с кислородом в тепловой агрегат поступает по объёму в четыре раза больше азота, который не участвует в химической реакции. Но на нагрев которого тратится тепловая энергия. А если учесть, что из-за не полного перемешивания кислорода с горючими газами, для уменьшения химического недожога, приходится увеличивать объём входного воздуха в 1,5 – 2 раза, то тепловые потери от избытка кислорода и азота ещё больше увеличиваются. К этим газам следует прибавить пары воды, которые испаряются из топлива и образуются в процессе его горения. В тепловых агрегатах эти газы фактически являются балластными, участие которых в тепловом процессе приводит к потерям тепловой энергии и снижению потенциально достижимого КПД извлечения тепловой энергии, содержащейся в топливе. Этот КПД является составной частью общего КПД теплового генератора, второй составной частью является КПД использования полученной тепловой энергии.

Каким же образом можно увеличить коэффициент извлечения тепловой энергии? Из краткого анализа процессов протекающих в твёрдотопливных котлах следует, что улучшить условия сгорания топлива в топке можно если из неё удалить балластные газы. Однако в газовых трактах с принудительным движением газов это практически невозможно сделать. Продукты сгорания вместе с балластными газами смешиваются в единый поток, уменьшая его температуру и как следствие ухудшая условия сгорания горючих компонентов топлива, что выражается в росте в дымовых газах объёма оксида углерода, чистого углерода в виде сажи и других компонентов в различных фазовых состояниях.

Для того, чтобы селекция балластных газов могла состояться, газовый тракт в котлах должен быть устроен по-другому. В топке и газовом тракте котла должно быть организовано преимущественно не принудительное, а свободное движение газов. В этом случае газы, участвующие в химической реакции и имеющие высокую температуру, естественным образом поднимаются вверх, а газы с более низкой температурой остаются внизу и могут выходить в дымоход без нагрева. К ним добавляются остывшие после контакта с теплообменной поверхностью дымовые газы. За счёт этого удаётся заметно повысить температуру в топке котла и улучшить условия сгорания топлива. В котлах «Суворов-М» газовый тракт выполнен по схеме, обеспечивающей преимущественно свободное движение дымовых газов при их образовании и постепенном движении к дымоходу. При таком движении горячих газов одновременно решается задача более полного их охлаждения за счёт увеличения времени контакта горячих газов с теплообменной поверхностью, а не за счёт увеличения её площади. В тоже время в котле, в нижней части топки, выполнена отверстие обеспечивающее прохождение холодных балластных и дымовых газов непосредственно в дымоход. Тем самым достигается снижение влияния балластных газов на процесс сгорания топлива. За счёт этого обеспечивается повышение температуры дымовых газов и дополнительное увеличение теплопередачи от них к теплообменной поверхности.

В целом за счёт этого технического решения удалось повысить коэффициент извлечения тепловой энергии из топлива и в целом КПД котла.

Увеличение КПД использования тепловой энергии

Не меньший резерв по повышению общего КПД тепловых генераторов имеет КПД использования тепловой энергии. Дело в том, что площадь теплообменной поверхности газового тракта котлов выбирается такой, чтобы на минимальной мощности обеспечить охлаждение дымовых газов до температуры, при которой в дымоходе не образуется конденсат и не происходит ускоренный процесс образования отложений сажи. При увеличении генерируемой тепловой мощности неизбежно растёт температура дымовых газов и соответственно потери тепловой энергии, поскольку площадь теплообменной поверхности остаётся постоянной, а рост теплопередачи за счёт увеличения разности температур между газами и теплообменной поверхностью не приводит к полному поглощению дополнительной тепловой энергии. Из-за снижения коэффициента использования тепловой энергии на больших мощностях общий КПД тепловых генераторов может снижаться на десятки процентов, что приводит к эквивалентному росту расхода топлива.

Для решения этой проблемы в котлах «Суворов-М» установлена система управления температурой дымовых газов, которая позволяет поддерживать заданную минимально допустимую температуру дымовых газов в широком диапазоне генерируемых мощностей. Работа такой системы основана на формировании двух потоков дымовых газов – горячего и холодного, которые затем смешиваются в требуемом для получения заданной температуры соотношении. Управление заданной температурой на выходе котла осуществляется путём изменения объёма горячих дымовых газов, добавляемых к холодным. Управление может осуществляться в ручном режиме или с помощью электронного блока. Однако поскольку температура как холодного, так и горячего потоков дымовых газов может меняться в довольно широких пределах, в зависимости от генерируемой мощности, то, безусловно, управление с помощью электронного блока позволяет значительно точнее стабилизировать заданное значение температуры дымовых газов в широком диапазоне генерируемых мощностей.

Тем самым обеспечивается поддержание коэффициента использования тепловой энергии и как следствие общего КПД котла на предельно высоком уровне в широком диапазоне генерируемых мощностей за весь отопительный период, что в итоге приводит к существенной экономии топлива.

Кроме перечисленных технических решений в котлах «Суворов – М» используется система управления входным воздухом повышенной точности, что позволяет обеспечить более стабильную работу котла в автономном режиме. Топка котлов футерована специальным материалом, что позволяет улучшить сжигание топлива в ней и сокращает площадь теплообменной поверхности, нуждающейся в периодической очистке от отложений.

Таким образом, в котлах «Суворов – М» за счёт новых технических решений удалось снизить влияние недостатков на их технические и эксплуатационные характеристики. В частности, увеличена продолжительность горения, расширен диапазон генерируемых мощностей, повышена устойчивость и стабильность работы системы управления котлом, увеличен интегральный КПД и соответственно уменьшен расход топлива на единицу вырабатываемой тепловой энергии, увеличена периодичность обслуживания (чистки) котла.