Казалось бы, что может быть проще? Подсоединил к котлу подачу и обратку системы, установил расширительный бак, в лучшем случае врезал циркуляционный насос и пользуйся отоплением. Но обвязка твердотопливного котла по такой схеме имеет ряд недостатков, снижающих безопасность эксплуатации и уменьшающих рабочий ресурс котельного оборудования.
Содержание
Основные проблемы обычной обвязки твердотопливного котла
Выделим два главных фактора:
- При работе оборудования в режимах, близких к максимальной тепловой мощности, даже автоматическое закрытие регулирующей задвижки или отключение вентилятора не уменьшает интенсивность горения топлива. Это связано с большой инертностью твердотопливных котлов. В результате теплоноситель закипает, что вызывает обильное парообразование. Повышающееся давление в системе может привести к порывам на потенциально слабых участках.
- При большом контуре системы отопления температура в обратке может опускаться до 30°C и ниже. По этой причине на поверхности теплообменника начинают конденсироваться продукты сгорания дров или угля. Большое количество конденсата активизирует коррозионные процессы и оборудование выходит из строя на 5-7 лет раньше установленного эксплуатационного срока.
Избежать таких последствий можно, смонтировав обвязку твердотопливного котла по более прогрессивной схеме.
Эффективная и безопасная обвязка твердотопливного котельного оборудования
Приведенная схема отличается применением трехходового смесительного клапана с терморегулятором и группы безопасности. Благодаря этому удается избежать озвученных проблем.
- Группа безопасности укомплектована контрольным манометром, показывающим давление в системе, регулируемым предохранительным клапаном, сбрасывающим теплоноситель при превышении установленного предела, и автоматическим воздухоотводчиком, стравливающим образующийся пар. Благодаря этому устройству обеспечивается безопасная эксплуатация системы даже при закипании теплоносителя.
- Трехходовой клапан позволяет решить проблему появления конденсата. При снижении температуры теплоносителя в обратной магистрали ниже установленного значения (обычно около 50°C), выносной термодатчик дает управляющий сигнал. Открывающийся клапан обеспечивает подогрев воды за счет разбавления горячей рабочей жидкостью, поступающей по малому контуру из подающей ветви системы. В результате решается проблема образования конденсата, а для нагрева очередной порции теплоносителя потребуется меньше энергии.
Отдельно отметим целесообразность установки циркуляционного насоса именно на обратке. Это наиболее безопасное место для монтажа, так как оборудование этого типа не способно выдерживать резкое повышение температуры. При монтаже на подающей магистрали насос гораздо чаще выходит из строя.
Реализация такого решения не требует значительных финансовых вложений. А увеличенный срок службы котла и обеспечение безопасности позволяют окупить установку дополнительных устройств за 1-2 сезона. Рекомендуем применять подобную схему для приобретенного у нас котельных твердотопливных агрегатов.
Обвязка котла с теплоаккумулирующей емкостью.
Преимущества теплоаккумулятора: накопление избыточного тепла и дальнейший его постепенный расход. Теплоаккумулятор позволяет сделать систему отопления более экономичной, автономной, выровнять температурные нагрузки.
Теплоаккумулятор имеет подключение к котлу – малый круг, и отопительной системе – большой круг.
• Малый круг. Принцип работы аккумулирующей емкости основан на отборе из нижней части бака остывшей воды в котел и подачи горячей воды в верх емкости, при этом не происходит интенсивного смешивания воды, так как удельный вес горячей воды меньше холодной. Циркуляционный насос отбирает остывшую часть теплоносителя, пока бак не заполнится горячей водой. Для осуществления контроля поступления и температуры теплоносителя используется смесительный узел.
• Большой круг заключается в подаче теплоносителя к радиаторам. Циркуляционный насос, расположенный на обратной линии, подает остывший теплоноситель из системы отопления, вытесняя горячую воду. Данный контур работает пока в помещении не наберется конкретная заданная температура (температуру регулирует комнатный термостат).
Обвязка 2 котлов в одну систему.
В связи с нестабильностью цен на коммунальные услуги многие домовладельцы устанавливают нескольько отопительных источников:
- Газовый и электрокотел.
- Газовый и твердотопливный котел.
- Твердотопливный и электрический котел.
Цель гибридной системы — может быть как основной нагрев котлом на твердом топливе, а дополнительный источник тепла направлен на поддержание режима, так и переменная работа в зависимости от времени суток или сезона. Например, при нулевой температуре выгоднее использовать электро или газовый вариант, при низких температурах на улице — ТТК.
Выбрать твердотопливный котел и комплектующие к нему предлагаем по странице ссылке. Мы осуществляем и продажу и монтаж.
Самый простой способ это обвязка твердотопливного котла отопления – схема с естественной циркуляцией. Она не требует наличия электропитания. Циркуляция воды осуществляется посредством силы гравитации. Именно поэтому ее еще называют гравитационной.
Фото 2: Схема обвязки гравитационного типа
Твердотопливный котел располагается в самой нижней точке контура, а отопительный прибор (например радиатор) – в верхней. Котел нагревает воду которая по трубам поднимается до радиатора, где отдает часть своего тепла помещению и при этом охлаждается. Остывший теплоноситель спускается вниз и круг замыкается. Удельный вес охлажденного теплоносителя больше чем горячего, поэтому он стремится вниз. Таким образом появляется напор и осуществляется круговорот воды в системе отопления.
Чем больше различаются температуры в прямой и обратной линии тем выше скорость движения воды по контуру. Но к сожалению большой разницы сложно добиться так как в подающей и обратной линиях температуры ограничены техническими характеристиками твердотопливного котла «Дон» 16, а также безопасными условиями его эксплуатации. Поэтому для обеспечения лучшей циркуляции применяются трубы большего диаметра.
Для защиты от перегрева используется специальный контур, который обеспечивает обращение теплоносителя и потребления тепла в любом случае.
Защиту от образования избыточного давления обеспечивает расширительный бак. Их существует два вида: открытого и мембранного типа. Недостаток применения открытых баков в том, что вода в нем обогащается кислородом, что в свою очередь вызывает коррозию стальных частей твердотопливного котла. Именно поэтому, чаще всего открытые баки применяются совместно с чугунными котлами и радиаторами. При использовании мембранного бака, появляется необходимость подключения дополнительного оборудования, такого как: воздухоотводчик, сбросной клапан и манометр для контроля за давлением.
Фото 3: Самостоятельная обвязка твердотопливного котла
Для обеспечения горячего водоснабжения, применяется нагревательный бак. По соображениям безопасности, на выходе из него горячей воды он должен быть оборудован термостатическим смесителем. Функция смесителя заключается в доведении температуры воды до исключающих ожоги значений. Требования к расположению нагревателя такие же как и к другим отопительным приборам – т.е. выше уровня твердотопливного котла.
Основными достоинствам такой схемы являются простота ее конструкции и энергонезависимость. Основным минусом является то, что во время холодного старта, пока вся вода в контуре полностью не прогреется, температура в обратной линии будет ниже допустимой. Это негативно сказывается на сроке службы, к примеру, стальных отопительных котлов на твердом топливе «Сибирь» КВО. Также к недостаткам стоит отнести плохую управляемость и низкую энергоэффективность.
| ← Сопротивление течению жидкости | Теплопередача → |
Содержание раздела
Устойчивая функциональная работа котла возможна только при непрерывном охлаждении водой или паром его теплопередающих поверхностей. В экономайзерных и пароперегревательных поверхностях движение воды и пара происходит под действием насоса или разности давлений пара в барабане и пароперегревателе. В испарительных поверхностях нагрева движение воды и пароводяной смеси происходит под действием питательного насоса или за счет естественной циркуляции.
Естественная циркуляция
Естественной циркуляцией называют движение воды и пароводяной смеси в трубах котла, вызванное разностью их плотностей, вследствие более интенсивного обогрева одной из труб, рис. 7.11.
Рис.7.11. Схема естественной циркуляции: 1 – верхний барабан; 2 – нижний барабан; 3 – тепловоспринимающие поверхности
Трубы, в которых вода и пароводяная смесь опускаются, называют опускными трубами, а трубы, в которых вода и пароводяная смесь поднимаются – подъемными.
Под действием разности плотностей в опускных и подъемных трубах создается непрерывное движение воды или циркуляция. Эту разность плотностей называют движущим напором циркуляционного контура.
Циркуляционные контуры котлоагрегатов делят на простые и сложные. В простых циркуляционных контурах (рис. 7.12.) вода (пароводяная смесь) проходит последовательно по всем участкам контура. Сложные (рис. 7.13) состоят из нескольких самостоятельных контуров, а некоторые участки являются общими для всех контуров. Обычно это опускные трубы.
Рис. 7.12. Схема простого контура
Рис. 7.13. Схема сложного циркуляционного контура: 1 – верхний барабан; 2 – подъемные трубы; 3 – нижний барабан; 4 – отпускные трубы
При движении воды по опускным трубам давление возрастает на величину давления столба воды от уровня в барабане до рассматриваемого сечения.
Часть подъемной трубы, в которой отсутствует кипение, называют экономайзерным участком – Нэк, а участок, по которому движется пароводяная смесь, называют паросодержащим участком – Нпар (рис. 7.14). Полезной высотой – Нпол называют ту ее часть, которая создает циркуляцию воды в котлоагрегате.
Рис. 7.14. Схема естественной циркуляции: 1 – барабан; 2 – трубы водоподводящие; 3 – коллектор; 4 – участок обогреваемых труб; 5 – участок пароотводящих необогреваемых труб
В любом сечении паросодержащей части имеется часть воды – Gв и часть пара Gп, сумма количеств которых на основании закона сплошности равна количеству воды, поступающей в контур из барабана Go, т.е. справедливо равенство:
Gв+Gп = Go.
Расход воды через любой циркуляционный контур превышает количество образующегося в нем пара. Отношение количества воды Go, вошедшей в контур, к количеству образующегося в нем пара Gп называют кратностью циркуляции – Кц, т.е.
Кц = Go /Gn
Эта величина изменяется в широких пределах Кц = 5 ÷ 50 для котла в целом и доходит до 200 и более для отдельных контуров или для котлов низкого давления. Только для прямоточных котлов Кц = 1.
Величина кратности циркуцяции зависит от давления пара, интенсивности обогрева труб, их конфигурации и высоты циркуляционного контура. Определение этой величины и есть одна из задач расчета циркуляции. Методически этот расчет выполняется аналогично гидравлическому расчету тепловой сети с той лишь разницей, что движение создается гравитационным напором в контуре, а не насосом, и что в нем по отдельным участкам движется двухфазная жидкость переменного состава.
Важное значение для надежного охлаждения испарительных поверхностей нагрева при естественной циркуляции имеет характер движения пароводяной смеси в трубах. Различают четыре основных режима движения пароводяной смесив в вертикальных трубах (рис. 7.15).
Рис. 7.15. Основные режимы движения пароводяной смеси в вертикальных трубах: а – пузырьковый; б – снарядный; в – стержневой; г – эмульсионный
При естественной циркуляции «снарядный» режим движения практически маловероятен (при 3,0 МПа «снарядный» режим переходит в смешанный «снарядно-пузырьковый»). При «стержневом» режиме движения пароводяной смеси тонкая водяная пленка вдоль стенок трубы легко разрушается из-за увеличения в потоке пара отдельных капель.
В горизонтальных трубах, а также в трубах, незначительно наклоненных к горизонту, происходит полное расслоение потока пароводяной смеси. При таком движении верхняя часть сечения трубы, омываемая паром, вследствие ухудшения отвода теплоты, может нагреться до опасных пределов. С повышением давления возможность расслоения увеличивается, и для ее устранения необходимо обеспечить высокие скорости движения пароводяной смеси. Угол наклона труб к горизонту выше 15° предотвращает расслоение.
Надежная работа котельных труб в контуре с естественной циркуляцией лучше всего обеспечивается при «эмульсионном» движении, при котором стенки труб непрерывно охлаждаются водяной пленкой.
Опасным режимом для опускной части контура является парообразование в опускных трубах, которое может возникнуть как следствие падения давления во входном сечении трубы (явление кавитации). Это явление наступает, если высота уровня воды в барабане до входа в опускные трубы меньше потерь напора при входе в опускные трубы. Чтобы исключить режим кавитации в них, необходимо соблюдать условие:
hвх ⋅ ρсред > 1,5 W2oп ⋅ ρсред/2 , Па, где: hвх – высота уровня над входом в опускные трубы в м; ñсред – плотность среды в кг/м3; Wоп – скорость движения среды в опускных трубах в м/с.
Опасными режимами для подъемной части контура являются:
— образование застоя среды в подъемных трубах;
— «опрокидывание» циркуляции;
— расслоение потока пароводяной смеси;
— режим предельной кратности циркуляции.
Застой среды в подъемных трубах происходит из-за неравномерности их обогрева. Неравномерный обогрев подъемных труб возникает вследствие:
— конструктивных особенностей циркуляционных контуров;
— условий эксплуатации.
Конструктивные особенности обусловлены различной длиной обогреваемых участков, необходимостью обвода экранных труб вокруг амбразур и горелок и пр.
Эксплуатационными факторами являются: шлакование экранов и конвективных пучков, заносы поверхностей нагрева летучей золой, резкое изменение режима топки и т.п.
Из конструктивных мероприятий, способствующих повышению надежности циркуляции, основными являются:
— увеличение сечения опускных труб;
— секционирование экранов.
Увеличение сечений опускных труб приводит к увеличению расхода воды через все трубы циркуляционного контура, в том числе и через слабо обогреваемые трубы. Увеличение сечений опускных труб снижает полезный напор и делает маловероятным образование застоя среды (образование свободного уровня) в подъемных трубах.
Разбивка топочных экранов на ряд секций обеспечивает более равномерное тепловосприятие подъемных труб.
Опрокидывание циркуляции, под которым понимают переход от подъемного движения воды и пароводяной смеси к опускному, имеет место в трубах, выведенных в водяное пространство барабана. При этом неизбежны образование свободного уровня и связанная с ним опасность пережога труб.
Расслоение потока пароводяной смеси в подъемных трубах возможно только в горизонтальных и слабонаклонных трубах при малой массовой скорости потока. Поэтому в циркуляционных контурах котлов с естественной циркуляцией применение таких труб не рекомендуют.
Режим предельной кратности циркуляции в подъемных трубах – такой режим, при котором кратность циркуляции близка к единице. При этом происходит значительное выпаривание воды в трубах и образование на поверхности труб накипи. Поэтому в котлах с естественной циркуляций рекомендуется не снижать среднюю кратность циркуляции ниже трех (для барабанных котлов высокого давления).
Принудительная циркуляция
Принудительной циркуляцией называют движение воды и пароводяной смеси в трубах котла и в других поверхностях теплопередачи котла, вызванное действием насоса или разностей давлений пара в барабане и пароперегревателе.
Поверхность нагрева паровых котлов состоит из большого числа параллельно работающих труб, из которых многие из-за неравномерности обогрева и неодинаковости гидравлического сопротивления имеют различные тепловые и гидродинамические характеристики. Распределение воды по таким трубам не может быть равномерным, вследствие этого энтальпия рабочего тела на выходе из отдельных витков может значительно отличаться от среднего значения.
Отношение наибольшего приращения энтальпии в каком-либо витке ∆hв к среднему приращению энтальпии по всей поверхности нагрева ∆hср называют тепловой разверкой:
i = ∆hв / hср
Величина тепловой разверки является оценкой как тепловой, так и гидравлической неравномерности.
Тепловая неравномерность параллельно включенных труб обусловлена неодинаковыми условиями их обогрева, зависящими от эксплуатационных факторов (зашлаковывание отдельных групп витков, смещение ядра факела и возникновение температурных перекосов в топке и газоходах и пр.) и от конструктивных особенностей и компоновки отдельных элементов котельного агрегата (топочной камеры, горелочных устройств и пр.).
Гидравлическая неравномерность обусловлена неодинаковыми гидравлическими сопротивлениями вследствие различной степени шероховатости стенок труб, неодинаковой их длины, конфигурации и изменением их тепловой нагрузки по эксплуатационным причинам.
Для надежной работы котла необходимо сделать характеристику трубных пучков устойчивой. Для этого используют дополнительное сопротивление в виде дроссельных шайб, устанавливаемых на входе в трубы. Гидравлическое сопротивление шайбы суммируется с сопротивлением витка и гидродинамическая характеристика его становится устойчивой. Влияние установки шайб на изменение гидродинамической характеристики показано на рис. 7.16.
Рис. 7.16. Влияние установки шайб на изменение гидродинамической характеристики трубы.: 1 – обогреваемая труба без шайбы; 2 – обогреваемая труба при установке шайбы, d = 10 мм; 3 – то же d = 7 мм; 4 – то же d = 5 мм
Дроссельные шайбы устраняют также пульсацию потока, вызывающую образование кольцевых трещин в трубах. Для устранения пульсации потока применяют большее дросселирование по сравнению с тем, которое требуется для стабилизации гидродинамической характеристики витка.