Для того, чтобы использовать печь для водяного отопления дома в ее конструкцию включают печной котел или теплообменник, с помощью которого тепловая энергия сгорания твердого топлива передается теплоносителю системы.
Они могут быть самых разных конструкций. В этой статье мы рассмотрим некоторые из них, а также то, как можно изготовить печной котел или теплообменник для печи своими руками.
Эффективность теплообменника для печи
Для того, чтобы определиться, какой теплообменник для печи выбрать и какая конструкция эффективнее, необходимо, первоначально, выяснить что же на его эффективность влияет.
Можно выделить такие основные факторы, влияющие на его теплопередающую способность:
- площадь его поверхности, чем она больше, тем большее количество энергии передается;
- теплопроводность материала, из которого он изготовлен;
- разница температур – чем она больше, тем больше передается энергии.
На основании этого можно сделать следующие выводы:
- Конструкция печного котла или теплообменника для печи должна быть такой, чтобы площадь его соприкосновения со средой с высокой температурой (пламенем или горячими газами) была максимальной. Исходя из этого, можно заключить, что конструкции котлов тех же размеров, изготовленные из труб будут более эффективными, чем такие же – из листового металла. Хотя здесь имеет значение и частота расположения труб и их диаметр. Чтобы не гадать, необходимо просто подсчитать суммарную площадь поверхности теплообменника, которая будет контактировать с горячей средой – чем она получится больше, тем лучше. Сделать это сможет даже школьник.
- Для изготовления теплообменников необходимо использовать материалы обладающих хорошей теплопередающей способностью. Но кроме этого, они должны выдерживать температуру и агрессивность той среды, из которой он будет забирать тепло (топливник или дымоход). Из доступных материалов, это может быть сталь или чугун. Хотя чаще всего используется именно сталь: в виде труб или листовая. Это объясняется, как наличие широкого ассортимента ее профилей и толщины, так и относительной простотой работы с ней: ее несложно сваривать или изгибать для получения конструкции выбранной формы. С другой стороны, чугун более устойчив к агрессивной среде, но это хрупкий материал, не терпит ударов и резких изменений температуры, поэтому для изготовления теплообменника могут использоваться только готовые отлитые секции. Одним из примеров такого теплообменника может быть его конструкция, изготовленная из секций обычного чугунного радиатора, рассмотренная ниже.
- Для обеспечения надежной естественной циркуляции теплоносителя имеет значение разница температуры теплоносителя на его входе и выходе, чем она больше, тем лучше будет циркуляция. Поэтому входной патрубок, подающий «холодную» воду (обратка) и выходной, с нагретой водой, должны располагаться на разных уровнях: первый у основания, а второй – в верхней части камеры, где происходит теплообмен (топливник, дымоход, колпак печи). При использовании циркуляционного насоса и принудительной циркуляции это может быть не так важно, но и в этом случае для печных котлов необходимо обеспечивать максимальную естественную циркуляцию. Так как в отопительных устройствах использующих твердое топливо, к которым относятся и печи, практически никогда принудительная циркуляция не применяется в чистом виде, а только совместно с естественной, с возможностью переключения с одного режима на другой в случае отсутствия электроэнергии (используя байпас). Да и при наличии условий для нормальной циркуляции циркуляционному насосу легче создавать принудительную.
Теперь рассмотрим несколько конструкций печных котлов или теплообменников для печи с водяным контуром, из разных материалов, разной сложности, но которые вполне можно изготовить своими руками, если иметь некоторые навыки работы с металлом и умение проводить сварочные работы.
В крайнем случае, можно выбрать компромиссный вариант: подобрать наиболее подходящую конструкцию, подготовить материалы: листовой металл или трубы необходимых размеров и толщины, а сварочные работы поручить опытному сварщику.
Конструкции теплообменников для отопительных печей
Особенностью теплообменника для отопительной печи, располагаемого в топливнике, является то, что в его верхняя часть обычно закрыта полкой из листового металла или трубами.
Так как максимальная температура пламени в его верхней части, таким образом, достигается максимально эффективный забор тепла и передача его теплоносителю. Его конструкция и размеры должны быть такими, чтобы обеспечивать максимальную эффективность водяного контура, но при этом не препятствовать загрузке и нормальному горению топлива.
Такие печные котлы могут быть изготовлены из листового металла толщиной 4-5 мм, круглых труб диаметром 32-57 мм, или труб прямоугольного сечения 30-40х50-60 мм. Лучше всего, если используемые для этого трубы будут бесшовными.
В противном же случае, линии швов необходимо расположить в сторону кирпичной кладки и предварительно проварить сваркой.
В зависимости от формы перекрытия топливника такие теплообменники могут вверху быть ровными (при перекрытии плоскими чугунными плитами) или дугообразными (при арочном кирпичном перекрытии).
Ниже представлен один из вариантов теплообменника для отопительной печи с плоским перекрытием топливника:
Кроме того, возможны вариант с комбинированием листового железа и труб, как на фото слева. Здесь верхняя сплошная полка заменена рядом из круглых труб. При этом, как в первом варианте, так и во втором «обратка» и подающая труба могут привариваться сбоку (с одной стороны или с разных) или сзади, в зависимости от расположения печи и схемы разводки труб водяного отопления.
Возможен также вариант, когда и боковые стенки такого теплообменника также будут заменены трубами, круглого или прямоугольного профиля, при этом они могут быть расположены и вертикально и горизонтально.
Для отопительной печи с арочным перекрытием топливника возможен такой вариант котла из труб:
Такой формы регистр можно использовать даже для устройства водяного контура в русской печи. В этом случае кривизна изгиба труб должна соответствовать своду ее варочной камеры.
Конструкции котлов для отопительно-варочных печей
Теплообменники для отопительно-варочных печей или кухонных плит отличает то, что их верхняя поверхность должна быть полностью или частично открытой, для доступа пламени к варочной плите.
Боковые же поверхности таких печных котлов могут быть также изготовлены из листовой стали («книжка») или труб.
В случае расположения теплообменника вне топливника, его конструкция для отопительных и отопительно-варочных труб может быть одинаковой. Здесь уже большее значение имеет вид, конструкция и размер места, где теплообменные регистры будут устанавливаться, то есть, дымовых каналов или при их отсутствии (колпаковые печи), размеры колпака.
Для отопительно-варочных печей или кухонных плит возможны такие конструкции из листового железа и труб (фото или рис. 2 ниже).
Возможен также вариант только из труб круглого и прямоугольного профиля (рис.3).
Рис. 3 Вариант регистра из труб: 1 — трубы прямоугольного профиля 40х60х4 мм; 2 — круглые бесшовные трубы наружным диаметром 40 или 50 мм и толщиной стенки 4-5 мм; 3 — круглые трубы диаметром 32 или 40 мм; 4 — труба, подающая нагретую воду в систему водяного отопления диаметром 50 мм; 5 — «обратка» диаметром 50 мм; а, б, в, г — размеры, которые расчитываются в зависимости от требуемой мощности котла (см. ниже), а также принимаются в соответствии с размерами топливника и топочной дверки.
Также возможен другой вариант из труб круглого сечения для отопительно-варочной печи или кухонной плиты в виде двух горизонтальных контуров, соединяемых вертикальными трубками. Возможен также еще и такой вариант теплообменника (котла, регистра) из круглых труб для отопительно-варочной печи или плиты:
Место установки: возможные варианты
Чаще всего, печные котлы устанавливаются в топливнике отопительных, отопительно-варочных печей или кухонных плит. Если в случае с кухонной плитой другого варианта, практически нет, то для печей возможно и другое его расположение и, по мнению некоторых специалистов, более эффективное – вне топливника.
Потому что при традиционном расположении теплообменника в топливнике, циркулирующая в нем вода снижает в нем температуру и, таким образом, ухудшает условия сгорания топлива, что приводит к его неполному сгоранию, увеличению количества сажи и снижению КПД печи.
А максимальный эффект получается, когда вода в контуре теплообменника двигается навстречу тепловому потоку, то есть более холодная ее часть должна контактировать с печными газами, имеющими более низкую температуру, а более нагретая ее часть – с более горячими. Кроме того в этом случае уменьшается количество конденсата на поверхности теплообменника, что снижает его коррозию. При размещении печного котла в топливнике обеспечить такие условия сложно.
Решением может быть расположение теплообменника в колпаковом дымоходе печи или ее вертикальных дымооборотах (в зависимости от конструкции). Особенно привлекательно выглядит, с этой точки зрения, колпаковый дымоход. Горячие газы задерживаются в нем вплоть до остывания печи.
Внутри него можно просто разместить теплообменник большого объема и площади соприкосновения с горячими газами, сваренный из труб, причем возможны разные его конструкции.
Горячие газы в колпаке сначала поднимаются вверх, а потом опускаются вниз к выходу в дымовую трубу, по пути отдавая свою тепловую энергию печному котлу.
Таким же образом можно продумать размещение регистра в вертикальных дымооборотах с движением дымовых газов вниз. Но при этом необходимо учесть, что их сечение должно быть достаточным, чтобы обеспечивать хорошую тягу.
Хотя в каждом конкретном случае, выбор варианта расположения необходимо рассматривать в зависимости от вида печи, ее конструкции и формы, а также вида и конструкции самого используемого теплообменника.
Как рассчитать мощность и размеры теплообменника для печи
Мощность теплообменника водяного контура печи, которая необходима для отопления помещений дома зависит от их площади (объема) и степени утепления ограждающих конструкций: самих стен, перекрытий, окон и дверей.
Как средний показатель можно ориентироваться на 1-1,2 кВт на каждые 10 м2 при высоте потолка 2,5-2,7 м. То есть для дома площадью 100 м2 в среднем может понадобиться печной котел тепловой мощностью 10-12 кВт.
Мощность самого теплообменника зависит от площади поверхности соприкосновения с горячей средой (огнем или горячими газами).
В среднем, считается что его удельная тепловая мощность составляет от 5 до 10 кВт с 1 м2 площади соприкосновения такого котла, в зависимости от температуры омывающих его горячих газов и температуры воды на его входе и выходе, которые во многом зависят от вида топлива и режима топки. Чтобы узнать полную мощность необходимо полезную площадь теплообменника умножить на удельную мощность:
Qобщ=SQу
Рассчитать удельную мощность можно по формуле:
Qу=k(Tm-tm), ккал/час, где:
K=12 ккал/час на 1оС – коэффициент теплопередачи от нагревающей среды к теплоносителю через стальную поверхность;
Тm— средняя температура нагревающей среды (макс.+мин./2),оС;
tm-средняя температура теплоносителя в регистре (входящая+выходящая/2),оС.
Если печь будет работать постоянно, например, на угле, тогда:
Tm=1000+600/2=800оС.
tm=80+60/2=70оС.
Qу=12(800-70)=8760 ккал/час или 10,2 кВт.
Если печь дровяная и будет работать периодически (около 2 часов), то и температура горячей среды будет ниже (максимум: 700 и 300 соответственно) и при той же температуре теплоносителя получим:
Qу=12(500-70)=5160 ккал/час или 6 кВт – максимум, что можно получить с 1 м2 его поверхности.
Площадь регистра вычисляется в зависимости от его вида. Если он изготовлен из листового металла, то подсчитывается общая площадь, которая соприкасается с горячей средой. В случае использования теплообменника из круглых труб, их диаметр (в м) умножается на 3,14 и общую длину труб, соприкасающихся с горячими газами.
Если трубы прямоугольные, берется периметр их сечения и также умножается на их длину. Если котел комбинированный, состоит из разных труб и листового металла, то по отдельности вычисляется их площадь, а потом суммируется.
Если известна общая требуемая мощность теплообменника, вид топлива и режим топки (а значит и удельная мощность), то легко можно определить требуемую полезную площадь будущего котла и его размеры, в зависимости из каких материалов он будет изготавливаться (труб или листовой стали):
S=Qобщ/Qу, м2.
Теплообменник для печи из чугунного радиатора
Теплообменник для печи или котла можно также изготовить своими руками из секций чугунных радиаторов, даже б/У. Если будут для этого использоваться секции старого радиатора, то перед сборкой их необходимо изнутри промыть слабым раствором соляной кислоты (6-7%), а затем чистой теплой водой, чтобы очистить их внутреннюю поверхность от всех отложений.
Кроме этого, необходимо с помощью специального ключа разобрать радиатор на секции (даже новый) и заменить резиновые или картонные прокладки между ними асбестовыми нитями, пропитанными графитовой смазкой. После этого, рассчитав необходимое количество секций для теплообменника (площадь каждой около 0,25 м2) они соединяются в одну конструкцию.
Такой регистр может состоять из одного или двух рядов секций. Подсоединение труб системы отопления к такой конструкции осуществляется с помощью резьбовых соединение и соответствующих переходников, уголков и сгонов, также, как и при монтаже чугунных радиаторов, но для уплотнения резьбовых соединений, которые будут находиться под воздействием высокой температуры, необходимо также использовать асбестовые нити, а не паклю, как обычно.
После изготовления такого теплообменника, еще до установки в печь, необходимо проверить его герметичность, а для этого необходимо залить в него воду и убедиться в отсутствии протечек.
Такой теплообменник будет иметь довольно большие габариты, поэтому эго лучше устанавливать не в топливнике, а в дымоходе или печном колпаке.
Тем более, что чугун не терпит резких температурных скачков и при воздействии на него с одной стороны пламени, а с другой – холодной воды, он может дать трещину.
