Зависимость эффективности котла от поверхности нагрева

При проектировании загородного дома или дачи заранее следует задуматься о том, каким образом осуществить во всех помещениях комфортные температурные условия, то есть предусмотреть оборудование системы отопления. Обычные печи постепенно уходят в прошлое, их вытесняют паровые котлы, рассчитанные на более экономичное для данного населенного пункта топливо. Чтобы разумно, с минимальными потерями, использовать покупаемое топливо, необходимо вооружиться некоторыми знаниями об устройстве приборов отопления и о влиянии на эффективность теплоотдачи площади поверхности нагрева котлов, независимо от вида применяемого в них топлива.

Схема нагревательных котлов.

Для этого придется рассмотреть, за счет чего в паровых котлах происходит процесс получения пара, приводящего в движение горячую воду в системе отопления, когда она правильно рассчитана и смонтирована.

Что считается поверхностями нагрева котлов?

Система, расположенная непосредственно в корпусе котла, над топкой и по ее сторонам и представляющая собой, в большинстве случаев, конструкцию из металлических трубок, по которым проходит теплоноситель (вода), представляет собой основную рабочую зону паровых котлов. Наружная площадь поверхности трубок, омываемых горячими газами, представляет собой поверхность нагрева паровых котлов.

Чем больше суммарная нагреваемая поверхность, тем эффективнее происходит нагрев теплоносителя (воды) до необходимой температуры в паровых котлах.

Схема нагрева поверхности котла.

Более привычное неспециалисту название этой системы – теплообменник, так как именно благодаря ее устройству осуществляется непосредственная передача тепла от горящего топлива к воде.

Почему считаются поверхности, а не объем воды, находящейся в теплообменнике паровых котлов? При достаточной температуре горения топлива 1 л воды быстрее достигнет точки кипения, если нагревать его не в одном сосуде, а в нескольких, вокруг стенок каждого из которых проходят горячие газы. Таким образом, объем теплоносителя, разделенный на более узкие потоки, благодаря тому что в конструкции применены трубы малого диаметра, прогреется быстрее, что существенно повышает коэффициент полезного действия котла и способствует экономному расходу топлива. Кроме того, трубы малого диаметра можно использовать при довольно значительном повышении давления, которое может быть достигнуто в паровых котлах.

В паровых котлах в качестве теплообменника, разделяющего воду (теплоноситель) и нагревающие ее газы и одновременно, почти без потерь, передающего через стенки металлических трубок жар от топки к воде, используются трубы малого диаметра. Изготавливаются эти трубы из чугуна, стали, нержавеющей стали или меди. Материалы приведены в порядке возрастания стоимости и относительного увеличения срока службы котла, за исключением первых двух позиций (чугунные трубы долговечнее, но более хрупкие, боятся ударов, а стальные трубы боятся коррозии).

Конвективные и экранные поверхности нагрева

Схема нагрева конвективной поверхности котла.

Наиболее распространена в котлах небольшой мощности конструкция теплообменника, когда парообразование происходит благодаря горячим газам, поднимающимся вверх и прогревающим воду. Расположенные над топкой системы трубок (в простейших конструкциях паровых котлов это цельная емкость) представляют собой конвективную (обдуваемую) поверхность нагрева.

Экранные поверхности нагрева получают тепло непосредственно в топке, располагаясь в ее правой, левой и задней части. Их нагрев происходит за счет теплового излучения во время горения топлива. На изготовление экранных поверхностей нагрева котлов, как и конвективных, используются чугунные, стальные или медные (почти вечные) трубы.

В самодельных котлах (основные принципы их изготовления приведены ниже) экранные поверхности нагрева представлены стороной емкости или теплообменника в виде бака, расположенной в зоне топки, так как, кроме восходящих потоков разогретого воздуха, ее нагрев обеспечивается тепловым излучением самой топки, температура в которой может достигать нескольких сотен градусов.

Схема нагрева экранной поверхности котла.

В котлах на твердом или жидком топливе, а также в комбинированных, поверхности нагрева, как экранные, так и конвективные, со временем могут подвергаться зольным отложениям, что снижает эффективность котла. Поверхности нагрева в твердотопливных паровых котлах требует большего внимания при эксплуатации. Так как эти поверхности составляют трубы, очень важно следить за тем, чтобы между ними свободно проходили потоки горячего воздуха.

При выборе котла следует обратить внимание на тот момент, что в паспортных характеристиках на отдельные типы котлов приводится не площадь поверхности нагрева, а объем теплообменника в литрах. Остается доверять производителю, который должен был этот приводимый в паспорте объем грамотно распределить в трубках и боковых экранах (где они есть). Лишь условно можно согласиться с тем, что между общей площадью поверхностей нагрева котла и объемом теплообменника существует прямая зависимость.

Промышленные котлы имеют поверхности нагрева от 25 квадратных метров, бытовые – значительно меньшие, например, котлы мощностью 18 кВт имеют площадь поверхности нагрева чуть более одного квадратного метра, что позволяет обеспечить теплом дом площадью около 100 квадратных метров.

Некоторые принципы сооружения самодельного котла

Схема сооружения самодельного нагревательного котла.

Используя теоретические знания о влиянии площади поверхностей нагрева на коэффициент полезного действия котла, можно добиться максимально возможной теплоотдачи и при устройстве отопительного котла, совмещенного с уже имеющейся печью, с целью устройства парового отопления в доме.

Простейший котел для отопления или подачи горячей воды, сооруженный на основе печки, можно сделать двумя способами: монтирование тела котла вокруг дымохода или установка теплообменника непосредственно над (или за) топочным отсеком. Проще в осуществлении первый вариант – сооружение цилиндрического резервуара над топкой с пропущенным через его центральную часть дымоходом. Разумеется, в этом случае часть дымохода, отводящую от топки продукты горения, нужно сделать из чугунной или стальной (с толстой стенкой) трубы. То есть переоборудование буржуйки в котел, “сидящий” на ее трубе, – дело вполне осуществимое.

Во втором случае прямо в печи устраивается место под теплообменник. Теоретически добиться максимальной теплоотдачи на нагрев воды для системы отопления можно, если разместить резервуар теплообменника таким образом, чтобы восходящие горячие потоки омывали его со всех сторон, но для этого придется произвести реконструкцию печки. Неплохо, если это будет не куб, сваренный из листов металла, а некое сооружение из отрезков трубы: на прогрев системы отопления потребуется гораздо меньше времени.

Кроме расположения труб или куба над топкой, часть из них можно расположить по боковым стенкам топки, организовав таким образом экранные поверхности, которые послужат повышению эффективности системы.