Ракетный котел своими руками

Описание автора:
Год назад возникла необходимость перехода с газового на твердотопливное отопление.
"Посмотрел, что предлагается в магазинах, что и как у людей работает, какие проблемы возникают.
Предполагалось 2 варианта решения задачи:
1. Купить готовый котел с нужными мне характеристиками.
2. Скопировать такой котел, если покупка окажется слишком затратной или невозможной по каким-либо причинам".
Вопрос перехода с газового на твердотопливное отопление стал для меня актуальным примерно год тому назад. Спешить было некуда, та зима была довольно теплой, и с задачей обогрева жилища кое-как справлялись электродный котел (примерно 7 кВт) в паре с кондиционером в режиме обогрева. Разве что при -20 и ниже включал газовый котел. Впрочем, в доме было, так сказать, прохладненько... но терпимо.
Я и раньше думал перейти на дрова, но газ был настолько дешев, что такой переход оказывался не очень выгодным и по начальным и по эксплуатационным затратам. Ждал, пока газ подорожает. Дождался.
Так как спешить особо было некуда (к монтажу я мог приступить только в теплое время), начал не с покупки чего-то под названием "твердотопливный котел", а с изучения предмета. Посмотрел, что предлагается в магазинах, что и как у людей работает, какие проблемы возникают, затем начал мелким гребнем прочесывать Интернет с теми же вопросами.
Предполагалось 2 варианта решения задачи:
1. Купить готовый котел с нужными мне характеристиками.
2. Скопировать такой котел, если покупка окажется слишком затратной или невозможной по каким-либо причинам.
Одновременно составлялся список требований, который я предъявлял к своему потенциальному приобретению:
1. Стабильная работа на мощностях от минимальной (2-5 кВт) до максимальной в 16-20 кВт. У нас такие зимы, что может месяц держаться температура "около нуля", а может и под -25-30 недельку продержаться. Да и в межсезонье, когда во дворе от +5 до +10, тоже нужно греться.
2. Нетребовательность к топливу: должно гореть все, что способно гореть - любые дрова, брикеты, уголь, различные отходы...
3. Нетребовательность к влажности топлива.
4. Нетребовательность к размеру дров, чтобы можно было жечь не колотые поленья разумного размера (до 20 см в диаметре).
5. Время горения на одной закладке - ночь до утра. Максимум 3 полных закладки в сутки при сильном морозе.
6. Независимость от электричества. Электричество у нас, бывает, пропадает - то линии где порвет, то еще что-то. Насос для прокачки теплоносителя в системе - единственное необходимое "зло", но с этим можно бороться.
7. Отсутствие необходимости установки высокого и дорогого дымохода, желательно.
8. Возможность работы в экономичном режиме.
9. Отсутствие необходимости в периодической чистке от сажи и прочих, уменьшающих эффективность котла, отложений.
10. Возможность догрузки топлива в процессе работы.
11. Полная "непрогораемость" любых узлов котла.
12. Приемлемые габариты и безопасность в работе (предполагалась установка в жилом помещении).
13. Бюджет в пределах 500 долларов включая все трубы и дымоход, без стоимости работы. Желательно)
14. Работа без теплоаккумулятора...
Был еще и ряд мелких, не принципиальных пожеланий.
Если бегло просмотреть список требований, то окажется, что я хотел получить нечто, работающее как газовый котел, но только на твердом топливе.
В общем, приступил к поискам. Это была почти детективная история, когда, например, производитель пиролизников говорит "Да, да, именно то, что ты хочешь!", а от знакомого этого производителя узнаю, что немного не так все гладко: и на влажных дровах не работает, и на малой мощности не работает, и температура воды должна быть строго выше 60 градусов все время... и длинный список других условий, которые должны быть соблюдены для стабильной работы котла.
Вообще-то смотрел очень хорошие котлы, и долгогорящие, и всякие... но чувства "вот это именно хочу!" не возникало.
Короче говоря, вариант "купить" вычеркнул. Остался вариант "скопировать". Полез в дебри теории, потом по Ютубам и форумам... увидел практически все то же самое по конструктиву, что предлагалось в продаже, и ряд уж слишком для меня экзотичных проектов. Сутками пересматривал, перечитывал... жгучего желания скопировать что-то не возникло. Хотя было очень интересно и познавательно. Но список пожеланий оставался не удовлетворенным.
А потом случайно наткнулся на то, что почти полностью соответствовало моим требованиям. Хотя и из другой оперы, а не из темы котлов. Ракетная печка.
Дымоход не нужен, тяга бешеная без всяких вентиляторов, качественный высокотемпературный дожиг печных газов, эффективная работа на разных мощностях... ну почти все, что моя душа желала, кроме того, что это печка, а не котел. Да и по времени работы, и по "калибру" дровишек существовали ограничения. Но с этим уже можно было работать!
Осталось сделать из печки котел.
Появился энтузиазм, появились эскизы, появились надежды...
Из первоначального списка требований остался не выполненным только пункт №10 - догружать топливо можно не в любое время работы котла, а только после того, как все топливо перейдет в состояние углей. Все остальное соответствует поставленным задачам. Даже бюджет проекта, несмотря на то, что вся внутренняя часть котла сделана исключительно из нержавейки и керамических деталей.
Теоретическая часть, касающаяся "ракетности", прекрасно изложена в книге американских авторов "Ракетные печи" и рекомендуется к прочтению - написано вдохновенно, легко и понятно: http://vk.com/doc-37846452_344053799?dl=010529034c5b6516d1 Собственно, в этой книге и приведены рабочие пропорции главной детали ракетной печи или моего котла, так называемой "J-трубы", полученные на основе эмпирических данных и множества проб-ошибок. Благодарочка американцам, которые освободили нас от длительных и затратных экспериментов, а сразу подали результат в готовом виде, пригодном к использованию.
Чем хороша ракетная печка, так это тем, что в ней мы не мешаем топливу гореть, а наоборот, создаем наилучшие условия для горения. Мы не отбираем температуру до самого конца процесса полного сгорания топлива и печных газов, а сохраняем, защищаем температуру от рассеивания. И уже после того, как все реакции завершены, используем полученное тепло любым желаемым нам способом.
Никаких водяных рубашек, никаких передающих тепло в помещение радиаторов и прочего до тех пор, пока все не закончит гореть.
Наоборот, дополнительное утепление зоны горения, увеличение зоны горения - длинный вертикальный утепленный канал, проходя по которому, печные газы успевают качественно смешаться с нагретым же воздухом и приобрести температуру, достаточную для сжигания практически всего, что способно сгореть в печном газе. Включая, само собой, любой углерод, способный после откладываться в виде сажи.
Дополнительный бонус - большой перепад температур на входе и выходе канала создает мощную естественную тягу, что освобождает от необходимости в высоком дымоходе... да и вообще, в дымоходе, как источнике тяги.
В общем, отличный реактор, да еще и сам себе дымосос.
Мне осталось только рассчитать его размеры под желаемую мощность, подобрать хороший материал для изготовления... и изготовить. А затем выстроить весь котел вокруг того, что получится)
Долго искал как считать, а потом взял размер пиролизной щели для котлов на 20 кВт, поставил этот размер как исходный для входа в трубу, а дальше уже было проще. Проверял на практике - вроде не ошибся.
Одно, что я сделал не по американскому "букварю", так это добавил что-то типа форсунки для ввода вторичного воздуха внутрь вертикальной части трубы, и сделал это часть трубы немного длиннее, чем рекомендовалось.
Дальше пришла очередь теплообменника. Мне нужно было 2 квадратных метра активной поверхности теплообмена и минимальный объем теплоносителя в котле.
Как раз один полный лист нержавейки 2х1 метр.
Как видно на эскизе в первом посте, работает все так: горячий газ из "ракетной" трубы опускается вдоль внутренней части теплообменника, а потом поднимается вдоль наружной, нагревая теплоноситель с обеих сторон. Расстояние между стенками теплообменника около 2 см - нагрев происходит очень быстро.
Жидкость подается насосом снизу, забирается сверху, а в пути между горячих стенок легко набирает +30 и более градусов за один проход. Так показала практика.
Самым конструктивно сложным блоком котла является нижний блок, который совмещает в себе:
- воздухопроводы первичного и вторичного воздуха с регулировочными заслонками,
- короб-дно отсека теплообменника,
- канал для горизонтального участки "ракетной" трубы,
- рамку-основание теплообменника,
- зольник с дверкой,
- вентилируемые трубчатые колосники,
- дно топливного отсека,
- упоры для нижних рядов кирпичной футеровки.
Блок изготовлен полностью из нержавеющего листа толщиной 2мм и нержавеющих труб (колосники).
У меня получается такой режим работы, считая с момента розжига:
2-5 минут сила тяги превышает скорость газации, в бункере есть открытое пламя,
затем скорость газации превышает силу тяги, так как повышается температура, а подача первичного воздуха ограничена. При этом, естественно, пламя исчезает, и температура в бункере начинает понижаться, газа производится меньше - система приходит в сбалансированное состояние.
Затем несколько часов в бункере при недостатке кислорода идет термическое разложение топлива, без пламени, а в трубе, куда подается вторичный воздух, пламя присутствует - горит образовавшийся в бункере газ.
Выработка газа стабилизируется в зависимости от подачи первичного воздуха: больше воздуха=активнее тление=больше газа и наоборот. Этой же самой подачей регулируется и скорость потока в трубе, так как бункер условно герметичен, и трубе неоткуда больше втягивать газ, как только через подачу первичного воздуха + продукты пиролиза.
Короче говоря, регулируем заслонкой первичного воздуха, а дальше все процессы сами по себе регулируются - и тяга, и газация. Приходят в какой-то баланс. Впрочем, ничего нового - так и должен работать любой котел вменяемой конструкции.
Был вариант делать бункер без теплоизоляции, а то и вообще, с водяной рубашкой. Тогда бы там все время красиво горел огонь, как на всех видео о ракетных печках. Можно было бы даже стекло в дверку вмонтировать, чтобы любоваться. Но у меня бы тогда возникли классические для "ракет" проблемы с крупными дровами, а я желал сжигать бревна максимально впихуемого размера, без колки. Лень возиться с щепками.
Вчера, кстати, проверял - нашел не поддающееся легкому раскалыванию узловатое бревнышко от какого-то плодового дерева, как раз такое, что впритык в дверку прошло. Сгорело за милую душу.
На стенках бункера образуется углеродный осадок, но потом он выгорает самостоятельно.