Теплообменник для котла: функция, виды, принцип работы, производители

Из всей отопительной техники, которую используют сегодня в быту, наиболее давно известны твердотопливные котлы. Благодаря простоте конструкции и принципа работы, доступности топлива агрегаты этого типа получили широкое распространение. Сегодня для многих жителей частных домов в сельской местности подобная техника стала своеобразной «палочкой-выручалочкой». Постоянно растущая цена бытового газа, сложности с получением разрешений на установку газового автономного отопителя способствуют тому, что твердотопливный котел сегодня, как минимум, не утратил своей востребованности у населения, проживающего недалеко от лесных массивов — источником дров.

Твёрдотопливные котлы отопления: слева — смонтированный и действующий, справа — без подключения к контуру, на стадии монтажа.

На сегодняшний день существует два варианта решить проблему автономного отопления на твердом топливе: купить готовое заводское изделие или изготовить твердотопливный котел своими руками. Стоимость современного высокотехнологичного отопительного агрегата достаточно высока, но диапазон цен широк — от 3-х до нескольких десятков тысяч рублей, что делает прибор доступным широкому кругу потребителей.

При наличии определенной технической подготовки твердотопливный котел можно собрать и самостоятельно, используя схемы и рекомендации по изготовлению моделей этих устройств, наиболее популярных при монтировании своими руками.

Основная функция теплообменника для котла

В теплообменнике происходит нагревание воды, которая циркулирует в системе и передает тепло радиаторам
На горелку котла подают газ и воздух для сжигания. Газ горит, выделяя тепло, продукты сгорания выводятся вовне. Источник тепла в этом случае – элемент неподвижный.

Теплоноситель – вода или антифриз – поступает в теплообменник. Это устройство, которое обеспечивает теплообмен между двумя средами с разной температурой. Последний размещается в камере сгорания над горелкой. Вода, двигаясь по теплообменнику, нагревается и подается в трубы отопления. Чаще всего устройство имеет вид набора пластин или трубок. Чем больше его рабочая поверхность, тем лучше и быстрее нагревается вода.

Простой котел длительного горения чертеж

На рис. 1 представлен чертеж простого котла с нижним расположением топки. Для изготовления прямоугольного корпуса и теплообменника используется листовая низкоуглеродистая сталь. Теплообменник устроен по типу «водяной рубашки». Коэффициент теплоотдачи (КПД) увеличен за счет конструкции выступов внутри котла, отражающих пламя и нагревающийся газ.

Рис. 1 Котел с «водяной рубашкой»

На рис. 2 представлен комбинированный теплообменник типа «водяной рубашки» (2), образующейся вокруг камеры сгорания плюс щелевой регистр (3) из стального листа. Продукты горения выходят через дымовой патрубок (1). Твердое топливо (5) сгорает в нижней части камеры. Под ней находится регулятор подачи воздуха (8).

Рис. 2 Котел с щелевым регистром

Котел с верхним горением

Чертеж камеры представлен на рис.3. Котел в форме цилиндра выполняется из разных по диаметру труб. Воздух подается через движущуюся трубу, которая выдвигается вверх для освобождения топливника, когда необходимо загрузить топливо. При сжигании оно начинает уменьшаться в объеме и вместе с ним труба также опускается плавно вниз под тяжестью своего веса. Равномерная подача топлива достигается с помощью диска, приваренного к основанию трубы.

Теплообменник выполнен по типу «водяной рубашки», обволакивающей камеру сгорания. Прогрев воздуха происходит в верхней части котла.

Рис. 3. Котел с верхним горением

Материал изготовления

Изготавливают теплообменник для котла из материалов прочных, хорошо проводящих тепло, не склонных к коррозии и достаточно устойчивых к давлению. Поскольку приходится учитывать и стоимость материала, выбор невелик.

Сталь

Стальной теплообменник дешевле в цене, но менее долговечный
Это самый доступный материал. Сталь очень прочная, но хорошо поддается обработке. Цена невелика. Плюс такого варианта – стойкость к высокой температуре. Сталь пластична и при нагреве не покрывается трещинами, не деформируется даже на участках, контактирующих с горелкой.

Стальной теплообменник на твердотопливный или газовый котел склонен к коррозии. Вода внутри трубок и продукты сгорания в камере котла разрушительно действуют на материал. Это сказывается на долговечности. Модель из стали много весит, это приводит к дополнительному расходу топлива на прогрев самого элемента.

Теплообменник из нержавеющей стали устойчив к коррозии и служит не менее 50 лет.

Чугун

Материал гораздо устойчивее к коррозии чем сталь, не боится ржавчины и действия кислотных ангидридов. Срок эксплуатации достигает 50 лет. Однако чугун – сплав хрупкий, под действием температуры может растрескиваться. Чтобы избежать повреждений, чугунный трубчатый теплообменник необходимо промывать: если используется обычная вода, то 1 раз в год; если антифриз – то 1 раз в 2 года; если дистиллированная жидкость – 1 раз в 4 года.

Вес элемента из чугуна еще больше, поэтому на нагрев приходится тратить больше топлива и времени.

Медь

Медь – благородный металл, не подверженный никаким видам коррозии. Она химически инертна, отлично переносит давление. Медь лучше проводит тепло, поэтому для нагрева самого элемента и протекающей жидкости требуется меньше топлива. Вес медной модели невелик, размеры компактны при очень развитой рабочей поверхности.

Недостаток – высокая цена. Также медный теплообменник слишком чувствителен к нагреву до высоких температур. Чаще встречается у котлов от зарубежных изготовителей.

Медный

Чугунный

Поэтапное изготовление котла на твердом топливе. Тонкости и нюансы

Самый экономичный самодельный твердотопливный котел сделать вам не удастся, однако создать вполне пригодный для обогрева и горячего водоснабжения отопительный аппарат можно. Дело в том, что сборка промышленных изделий выполняется на высокоточном промышленном оборудовании из специально подобранных материалов с соблюдением технологических параметров. В основе каждой заводской модели котла лежат точные тепловые расчеты. Возможности работы в домашних условия несоизмеримо скромнее производственных, поэтому при выборе модели, подлежащей изготовлению, надо исходить из существующих реалий, в том числе, своего личного потенциала как монтажника.

Инструментарий и материалы

Имея чертеж и спецификацию обогревательного агрегата, можно определиться с перечнем необходимого инструмента. Хотите ли вы сделать большой котел или планируете собрать маленький отопительный прибор для дачи на твердом топливе своими руками, список приспособлений будет приблизительно одинаков.

Комплект инструмента для самостоятельного изготовления твёрдотопливного обогревательного агрегата

Для работы потребуется следующий инструмент и приспособления:

сварочный аппарат;
малая болгарка с отрезным и шлифовочным дисками (защитные очки);
электродрель со свёрлами по металлу;
газовые ключи №№1,2;
молоток;
набор рожковых или накидных ключей и отвёрток;
пассатижи;
угольник на 90 град.

Основной материал при изготовлении — сталь, толщина которой для котла должна быть не меньше 5 мм, для колосников — от 7 мм.

Кроме того, понадобятся:

стальной уголок 50х50 — для каркаса котла;
листовая нержавеющая сталь — при наличии в конструкции накопительной ёмкости;
стальные толстостенные трубы диаметром 32- 50 мм — для изготовления теплообменника-змеевика.

Полный перечень материалов и их расход составляется предварительно на основании технических чертежей.

Изготовление корпуса и теплообменника

Корпус котла, зачастую выполняющий и роль топочной камеры, является основой всей конструкции. Для снижения деформаций стенок под воздействием высокой температуры, ограждающие конструкции топки изготавливаются двухслойными с засыпкой между слоями сухого просеянного песка, играющего роль фиксатора геометрии. Наружные и внутренние оболочки топки выполняются каркасными, что также повышает жёсткость конструкции. Кроме того, для увеличения прочности стенки камеры сгорания снаружи можно обшить стальным уголком или профилем в виде рёбер жёсткости.

Изготовление корпуса твёрдотопливного котла сваркой заготовок из листовой стали

На передней стенке болгаркой или газовым резаком согласно чертежа вырезаются два проёма — для дверцы бункера и подзольника.

Совет! Перед резкой листовой стали необходимо мелком произвести разметку будущих проёмов с выполнением отверстий малого диаметра (3-4 мм) по углам.отверстий — это позволит выполнить резку с большей точностью.

После окончания резки заготовок из листовой стали и профиля для корпуса можно приступать к созданию теплообменника. Используем нарезанные водопроводные трубы, которые путем сварки соединяются в единый герметичный контур. Главная задача — создать герметичный проточный фрагмент максимальной протяжённости для увеличения площади нагрева трубы.

Как сделать теплообменник, правильно расположить трубы и выполнить сварку, рассказывает предлагаемое вашему вниманию видео.

Сборка

По готовности всех элементов конструкции приступают к сборке, которую лучше выполнять по месту монтажа агрегата — иногда габариты и вес готового устройства не позволяют переместить его со сборочной площадки на место окончательного размещения.

Чаще всего установка котла производится на специально сооружённый бетонный фундамент с креплением агрегата сваркой к закладным деталям — анкерам. Монтаж начинают с установки каркаса, после чего выполняют его оборудование комплектующими и листами обшивки. Все сварные соединения выполняются с устройством фасок и обработкой сварных швов — удаление шлака и шлифовка.

На заметку: После сборки корпуса выполняют тщательную визуальную проверку его герметичности, по результатам которой производится дополнительная проварка швов.

В готовый корпус устанавливаются колосники (стальная решетка) и теплообменник, который сваркой подключают к контуру отопления Во время монтажа змеевика важно выполнить проектный угол его наклона, иначе будут созданы препятствия естественной циркуляции теплоносителя в контуре.

Корпус твёрдотопливного котла на стадии устройства наружных рёбер жёсткости

Важно! Изготовление накопительной ёмкости из нержавеющей стали с врезкой её в контур лучше доверить профессионалам, так как работа с этим материалом требует специального оборудования и практических навыков.

По окончании сборки котёл для защиты от коррозии окрашивается двумя слоями жаростойкой краски с предварительной подготовкой поверхности.

Термостойкая краска Ecoterra для покрытия поверхностей, работающих в условиях высоких температур

Изготовленный самостоятельно обогревательный котёл отличается долговечностью и простотой ухода, которая заключается в периодической очистке от золы топки и уходе за дымоходом.

Классификация теплообменников

Первичный теплообменник для контура отопления в виде змеевика с пластинами
Газовые котлы могут выполнять несколько функций. Главная – обогрев жилища. Однако двухконтурные модели также нагревают воду для разных бытовых нужд: от мытья посуды до ванной. По этому признаку и различают теплообменники.

Первичные

Обслуживает систему отопления. Представляет собой трубу с довольно большим диаметром, изогнутую в виде змеевика в одной плоскости. Чтобы увеличить рабочую поверхность устройства, здесь же размещают пластины разного размера.

Первичный теплообменник подвергается самым высоким нагрузкам. Извне на него действуют продукты сгорания – копоть, грязь, кислотные ангидриды, изнутри – соли, растворенные в теплоносителе. Чтобы снизить износ, деталь покрывают краской и обрабатывают антикоррозийными составами.

Лучший вариант – теплообменник из нержавейки или меди, так как он не подвержен ржавлению и не боится отложения солей.

Вторичные

Вторичный теплообменник для ГВС
Такой теплообменник нагревает жидкость для горячего водоснабжения. Температура его нагрева меньше, но и нагревать воду для бытовых нужд выше +60 С не стоит. Чаще всего это пластинчатая конструкция: собирается из множества пластин с выдавленными ходами, по которым циркулирует водопроводная вода. Многоходовые модели более эффектны, так как в пределах одной пластины жидкость несколько раз меняет направление, то есть находится в ней дольше и прогревается лучше. Изготавливают его из стали, меди, алюминия.

Битермические

Битермические теплообменники при засорении необходимо менять на новые
Представляет собой вставленные друг в друга 2 трубы. По внутренней перемещается теплоноситель, по внешней – вода для ГВС. Жидкость для отопления нагревается в камере сгорания и частично отдает тепло воде для бытовых нужд.

Конструкция гораздо дешевле. Но хотя вода здесь нагревается быстрее, ее объем ограничен. Кроме того, битермический теплообменник очень чувствителен к качеству воды и намного быстрее загрязняется. Чистить прибор недостаточно. Чтобы предотвратить быстрое засорение и вывод из строя, необходимо установить на входе фильтры для воды.

Очистить совмещенный теплообменник как обычный отдельный не удается. При больших отложениях соли или засорении элемент придется поменять.

Что нужно для работы?

В первую очередь мастерская, то есть место, где вы будете заниматься изготовлением основных узлов и сборкой агрегата. Кроме того, вам понадобится довольно обширный список инструментов, в который можно смело включать:

сварочная маска, краги и спецодежда;
бытовой инверторный сварочный аппарат и электроды;
дисковая пила с набором дисков для резки металла;
электродрель с набором свёрл по металлу;
рулетка, угольники, строительный уровень.

Для сборки котла на твердом топливе понадобятся следующие материалы:

листы стали толщиной от 5 мм;
металлические уголки;
чугунная колосниковая решётка;
стальные водопроводные трубы различного диаметра;
дверцы для зольной и топочной камеры;
дроссельные заслонки печного типа.

Перед тем, как приступать к изготовлению элементов и узлов котла, необходимо выполнить конструктивные расчёты, определиться с принципиальной схемой и нарисовать чертёж котла, не забыв указать все его конструктивные составляющие и их главные параметры.

Дымоотвод твердотопливного котла: внутри и снаружи здания

И самое главное: соблюдайте технику безопасности как в процессе работы, так и по отношению к качеству исполнения твердотопливного котла. Малейшая оплошность с вашей стороны может стать причиной серьёзных проблем, в т.ч. повышенного риска возникновения пожара.

Критерии выбора

Главный параметр теплообменника — его мощность
При выборе устройства учитывают назначение – в данном случае это нагрев теплоносителя, и тип среды – пар, воду, антифриз. Газовый котел обычно работает с водой, но бывают исключения.

Остальные критерии выбора:

Температура теплоносителя на входе и выходе – необходимо рассчитать, какое количество тепла должен получать потребитель. Исходя из этих данных вычисляют мощность теплообменника.
Допустимые потери по давлению – давление воды во время прохождения по теплообменнику снижается. Если оно падает слишком низко, не удается создать столб горячей воды достаточной высоты.
Максимальная рабочая температура – на горелке достигает 600–700 С. Такую температуру выдерживает чугунный и стальной теплообменник, медный с некоторым трудом. Алюминиевую модель использовать запрещается.
Максимальное рабочее давление – не ограничивает выбор конструкции или материала.

Значимым параметром оказываются габариты. При одинаковой эффективности кожухотрубный теплообменник занимает площадь в 3–4 раза больше, чем пластинчатый.

Как подключить отопительное оборудование

Эффективность работы самодельного дровяного оборудования обеспечивается хорошей естественной тягой из дымохода. Чтобы рабочая тяга была достаточной, труба должна иметь высоту не менее 5 – 6 м, а диаметр патрубка в корпусе котла примерно 150 мм в диаметре. Для упрощения розжига в камере сжигания, в обход теплообменника, на наружной боковой стенке делается канал прямой тяги с рукояткой и заслонкой.

При эксплуатации немаловажная роль отводится правильной обвязке отопительного прибора. При работе гравитационной системы отопления, для которой нет необходимости в электричестве, проблем никаких не будет. И все же лучше, если при разгоне котла, во избежание образования конденсата на внутренних стенках топки, холодная вода из системы не попадет в рубашку.

Конденсат, смешиваясь с золой, оседает на поверхности и образует плохо счищающийся черный налет. Поэтому будет лучше, если на выходе теплоносителя из агрегата сделать байпас с трехходовым термостатическим клапаном, настроенным на 55 или 60 градусов. В таком случае циркуляция теплоносителя происходит по малому кругу, до температуры нагрева 60⁰. После этого термостат начнет добавлять из системы холодную воду.

Если отопительная система в частном доме функционирует с насосом, то возникает опасность, что при отключении электричества котел закипит. Чтобы его защитить, нужно выполнить ряд мероприятий:

Врезать в водяную рубашку предохранительный клапан, с помощью которого при превышении давления будет сбрасываться пар.
Для дальнейшей работы насоса потребуется источник бесперебойного питания и дизельная электростанция. Аккумулятор может работать непродолжительное время, поэтому без электрического генератора не обойтись.
Для естественной циркуляции воды из бака в котел и предупреждения закипания потребуется установить теплоаккумулирующую емкость. Она поддержит тепло в доме после сгорания дров.

Правильная эксплуатация

Промывку теплообменника проводят в зависимости от жесткости воды
Транспортировка, монтаж и эксплуатация теплообменного устройства подробно описаны в инструкции:

Теплообменник в аппарате размещают так, чтобы к нему был свободный доступ для осмотра и ремонта.
Запуск выполняют при стабильных показателях давления и температуры. Нельзя повышать температуру быстрее, чем на 10 градусов в минуту или увеличивать давление больше, чем на 10 бар в час.
При заполнении водой воздушные клапаны и вентили за теплообменником остаются открытыми. После запуска насоса их закрывают. Таким образом добиваются стабильного давления.
Изменять параметры нагрева нужно плавно. Чем медленнее это происходит, тем дольше прослужат уплотнители и сам теплообменник.
Периодически устройство нужно чистить. Пластинчатый очищают прямо в раме, затем вынимают пластины и промывают. Возможен другой метод: сначала изъятие, а затем очистка пластин. Кожухотрубные чистить не рекомендуют. При сложных засорениях мастер ставит заглушку.
Перед повторным пуском проверяют состояние всех прокладок. Давление и температуру устанавливают как при 1 запуске.

Чтобы избежать отложения солей, на водопроводную трубу перед входом котел ставят фильтр.

Полезные советы по изготовлению ТТ котла

Труба из легированной стали для котла

Можно значительно сократить расход на строительство агрегата, если взять бесшовную стальную трубу 20 марки.

Прежде чем устанавливать котел на место, которое определено под этот агрегат, проведите первую растопку на улице, оборудовав котел временным дымоходом. Так вы убедитесь в надежности конструкции и увидите, правильно ли собрали корпус. Если в качестве основной камеры вы будет использовать газовый баллон, то учитывайте, что такой агрегат вам обеспечит горение на 10-12 часов из-за небольшого количества закладываемого топлива. Итак небольшой объем пропанового баллона уменьшится после срезания крышки и зольника. Чтобы увеличить объем и обеспечить большее время горения, необходимо использовать два баллона. Тогда объема топочной камеры точно хватит на обогрев большого помещения, и не нужно будет закладывать дрова каждые 4-5 часов. Чтобы дверца зольника плотно закрывалась, не давая доступа воздуху, нужно ее хорошо герметизировать. Для этого по периметру дверцы проложите асбестовый шнур.

Если вы будет выполнять в котле дополнительную дверцу, которая позволяет «дозагружать» топливо не снимая крышки, ее тоже нужно плотно герметизировать с помощью асбестового шнура.

Для эксплуатации ТТ котла, схему которого мы прилагаем ниже подходит любое твердое топливо:

каменный и бурый уголь;
антрацит;
дрова;
древесные пеллеты;
брикеты;
опилки;
сланцы с торфом.

По качеству топлива особых указаний нет – подойдет любое. Но учитывайте, что при большой влажности топлива, котел не даст большой коэффициент полезного действия.

Возможные неисправности

Стальные изделия подвергаются коррозии и подлежат замене
Большинство неполадок требует вмешательства специалистов. Некоторые может устранить и пользователь:

Снижение давления – если вызвано загрязнением, достаточно почистить теплообменник. При неправильном подключении к сети нужно сверить подсоединение с чертежом в инструкции.
Снижение КПД – при механическом загрязнении устройство промывают. Если причина в накоплении масла, некондиционных газов, устанавливают дополнительные устройства для их вывода.
Протечка – чаще всего вызвана разложением уплотнителей. Их заменяют.
Смешение рабочих сред – возникает при коррозии пластин или трубок. Пластины можно заменить частично, кожухотрубный теплообменник придется ставить новый.

Пока действует гарантия, запрещается самостоятельно вскрывать теплообменник и выполнять какой-либо ремонт.

Выбираем тип твердотопливного котла

Как понять, какой котёл будет оптимальным для обслуживания конкретной системы отопления? Очевидно, следует определиться с видом топлива, требуемой мощностью агрегата и особенностями его конструкции, процесса монтажа и последующей эксплуатации, а также с особенностями подключаемой системы отопления.

Самодельный котёл на твёрдом топливе

Среди материалов, которые можно использовать в качестве твёрдого топлива, наиболее широкое распространение получили:

уголь;
торфяные брикеты;
пеллеты;
дрова;
опилки и другие горючие отходы производства.

Виды твёрдого топлива для котлов отопления на фото

Торфяные брикеты Дрова для твердотопливного котла Древесный уголь для твердотопливных отопительных котлов Топливные гранулы для отопительных котлов Древесные топливные брикеты для котлов на твёрдом топливе Евродрова (топливные брикеты для пикника) Брикеты из переработанного мусора Древесные опилки для котлов отопления

С целью повышения рентабельности и эффективности системы отопления можно изготовить универсальный агрегат, который сможет работать с различными видами топлива.

Выбор типа и конструктивного исполнения отопительного котла напрямую зависит от того, каким топливом вы собираетесь пользоваться, требуемой производительности системы отопления, а также места, где он будет установлен. Для самостоятельного изготовления подходят следующие модификации твердотопливных отопительных агрегатов:

Классические

Оснащаются стальным или чугунным теплообменником, могут использоваться и для отопления, и для целей горячего водоснабжения. КПД таких котлов составляет около 85%.

Классический котёл на твёрдом топливе

Пиролизные

Обеспечивают раздельное сгорание топлива и выделяемых при этом летучих газов, благодаря чему существенно повышается эффективность и, следовательно, экономичность отопительной системы.

Схема пиролизного котла на твердом топливе

Пеллетные

Эффективность этой разновидности котлов отопления достигает 90%. Главным их достоинством является высокая степень автоматизации рабочих процессов, а недостатком – сложность конструкции.

Принцип работы пеллетного котла

Длительного горения

Способны непрерывно работать на протяжении всего отопительного сезона, требуя загрузки топлива 1 раз в несколько суток, что выгодно отличает их от классических твердотопливных котлов.

Компоновка твердотопливного котла длительного горения