Ракетный котел

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Возможно, кому-то будет интересен мой опыт по проектированию и созданию котла на основе принципа ракетной печки.
Заранее прошу извинить за многобукв...

Итак, предистория:
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...


Вот такая принципиальная схема котла нарисовалась в начале декабря прошлого года и, забегая наперед, скажу, была успешно воплощена через несколько месяцев поисков, расчетов, экспериментов и три месяца непосредственно работы по созданию готового аппарата. Да, почти год прошел с момента старта.

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.

Дальше буду писать теоретическую часть и подробную поэтапную историю строительства с иллюстрациями, а пока вот немного видео. Прошу прощения за состояние краски на наружных поверхностях котла - эксперимент с огнестойкой краской домашнего приготовления еще не завершен. Будет исправлено в скором времени.
Вверху видео есть хронометр, по нему видно, что котел вышел на рабочий режим примерно за 15 минут от момента розжига.

 

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.

Вот такая форсуночка с наклонными отверстиями для создания завихрения в трубе:

Однако, первой задачей было найти материал для самой трубы, который был бы способен работать при температурах близких к 1000 градусов, не прогорать, не иметь высокой теплопроводности и больших внешних габаритов в готовом изделии (можно бы и из огнеупорного кирпича сложить, но тогда получится огромный теплообменник, и вообще все дальше плюсуется, плюсуется... в неприемлемо монстрообразные размеры).
Поискал что-то такое в продаже, не нашел. Трубы какие-то для дымоходов есть, но совсем не то, да и температуры отнюдь не дымоходные.
В одном определился - только керамика. Даже котловая нержавейка (есть такая, жаро-огнестойкая) не прокатит, не выдержит долго.

Пришлось взяться за эксперименты, за подбор состава керамики. Занимался этим уже летом, по теплу. Смешивал, искал компоненты, отливал, проверял, выбрасывал... Пока не получил состав, в котором плавились железные гвозди и застывали лужицей без всяких последствий для материала.

Самое сложное было даже не сделать "высокотемпературный" состав, а еще и такой состав, который можно отливать в форму, и чтобы трещин не дал при формовке. Позже я узнал у технолога одной фирмы по керамике, что они там пару месяцев пытались сделать подобный состав, но успеха не достигли. Состав с каолином у них намертво прилипал к гипсовой форме и изделие разрывало...

Ну да ладно, это долгая история. Если кому интересно будет, расскажу подробно позже.
А не подробно, то в составе шамот разных фракций, каолин, серая жирная глина и дефлокулянты- кальцинированная сода с жидким стеклом.

Сделал модели, отлил гипсовые формы (вертикальную трубу пришлось разделить на две части, так как форма получилась бы вообще неподъемная что по весу, что по габаритам)
, ну и приступил к отработке технологии литья крупных объектов.

На выходе получались вот такие отливки:

В собранном виде вся труба выглядит вот так:

Нижняя часть:

Обжигали при температуре 1100 градусов. При обжиге усадка отсутствовала по причине высокого содержания шамота, видимо. А так, белая, звенящая керамика, правда, довольно толстостенная.
Так как использована технология шликерного литья, то зерна шамота немного выступают на внутренней поверхности деталей и могут работать как катализатор горения (есть такое мнение, не мое).
На отливку каждой детали уходило примерно 3 дня времени - от заливки до разборки формы. И несколько дней сушки потом, перед обжигом.

Продолжение следует)

 

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.

Обе трубки выведены вверх для удобства монтажа и возможного обслуживания.

Варилось все аргоном, а вот кто согнет мне 2мм толщины нержавейку, я так и не нашел, поэтому пришлось самому делать гибочное приспособление:

Вот так выглядит теплообменник, установленный в котел:

Да, стенки теплообменника не плоские, это видно на фото, так меньше деформаций от давления воды.

О материале: нержавейка, конечно, гораздо дороже "черной" стали, и в работе посложнее, но... В общем, в этом котле все поверхности, имеющие контакт с огнем или печными газами (то есть все, кроме внешней обшивки), сделаны или из керамики, или из нержавейки. Без всяких исключений.

 

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).
На фото блок еще в процессе изготовления:

Вот готовый блок при окончательном монтаже:

 

@Perelesnik, а как обстоит дело с чисткой котла, насколько часто надо и насколько удобно?

 

@weldcut,
Если позволите, я сначала закончу описание конструкции и сборки котла, затем буду рассказывать истории, тогда тема получится более связной и читабельной.
А о составе кратко можно:
40% шамот (впрочем, чем больше получится, тем лучше для наших целей),
50% глина (советуйтесь с местными керамистами, нужна достаточно жирная и с температурой обжига не менее 1100 градусов),
10% каолин (если после второй отливки все еще прилипает к форме, уменьшить).
Дефлокулянта там доли процента, смотрю по текучести шликера. У меня на большое строительное ведро шло примерно столовая ложка соды и с полторы ложки жидкого стекла. Смотрим, чтобы шамот не выпадал в осадок, а на поверхности шликера не стояла вода. Если пересыпать добавок, то шликер становится похожим на студень - уже не очень годится для литья. Нужно получить консистенцию такую, как у клея ПВА примерно. После пары часов отстаивания ничего не должно расслаиваться в шликере - ни оседать, ни всплывать.

Зольник и наклонное дно "бункера" чистить по мере наполнения золой. Пока у меня раз в 3-4 дня получается. Открыл дверку бункера, смел все на колосники, затем выгреб из зольника - не сложно.
То, что накапливается на кирпичных стенках бункера, само обгорает при следующем розжиге - чистить не нужно.
В теплообменный отсек не заглядывал - не возникало необходимости, дымоход внутри чистый.

 

Корпус отсека теплообменника состоит из рамы, сваренной из труб 40х40. Все внутренние полости труб соединены, образуя общее пространство, в которое подсасывается воздух с улицы и, нагреваясь, поступает в помещение. Это сделано для того, чтобы в помещении поддерживалось небольшое избыточное давление.

Вот выходные отверстия (через облицовку):

Три боковые стальные панели приварены к раме, передняя панель и крышка съемные, на винтах, для удобства монтажа и возможности обслуживания.

Материал - сталь 2мм. Серое покрытие - результат применения "преобразователя ржавчины". Преобразователь применял для очистки поверхности металла от черного налета, который остается после прокатки листа на заводе и чтобы не прилипали брызги металла от сварки.

 

@Perelesnik, Какая толщина отливки критична для обжига?

 

Не имею таких данных. Максимум, что обжигал - около 1 см толщины. Но на основе того, что при обжиге усадки не происходит, смею предположить, что толщина может быть вообще не критична.
Естественно, при условии, что в стенках отливки нет свободной влаги и обжиг производится без резких температурных перепадов. Возможно, при увеличении толщины придется сделать более плавным первый этап обжига, при котором выходит связанная влага.

 

Бункер для топлива - просто короб из 2мм стали с двумя дверками и крышкой на винтах. Дверки, естественно, с уплотнительным шнуром, теплоизоляцией и нержавеющим защитным экраном на шпильках.

Крышка сборная - нержавеющая рамка, дальше кирпич, потом огнеупорный фетр и стальной лист на винтах.

Вот уже на окончательной сборке:

Верхняя часть теплообменного отсека сделана таким же "бутербродом".

 

Внутренние поверхности обеих отсеков утеплены: теплообменный минеральной ватой двух видов - жесткой и мягкой (там температура не очень высокая), а бункер - еще и огнеупорным фетром (внутренний огнезащитный слой).

также утеплен "фундамент" котла:

"фундамент" имеет резиновые ножки, чтобы не портить половую плитку.

 

Кирпичная футеровка отсеков (всего 120 плиток из огнеупорного кирпича):

Топливный отсек также имеет наклонный кирпичный пол с наклоном в сторону колосников.

Кроме того, проемы дверок защищены нержавеющей накладкой, тоже с огнеупорным фетром.

 

Крышка непосредственно теплообменника сделана из 3мм нержавейки. Между пластинами - несколько слоев огнеупорного фетра. Также в крышке есть клапан для розжига (по факту не пригодился)
В верхнюю рамку вварен выход под дымоход 120мм.
Монтаж "ракетной" трубы:

Утеплитель трубы - фетр МКРФ-100, закреплял никелевой проволокой.

 

Стабилизатор трубы:

Завершение футеровки отсека:

Да, в трубу вставлена форсунка подачи вторично воздуха при монтаже, в первых постах фото выкладывал.

 

Всякая нужная мелочь на верхней крышке:

Манометр с ходу потек изнутри - заменил, но следы потоков остались. Впрочем, этот отсек с теплообменником можно было красить обычной краской - температура поверхностей оказалась по факту просто теплой, даже при высокой мощности.
Что еще показать? Вот выход каналов через стену на улицу (позже сделаю какую-то накладку с сеточкой сверху),

Назначение каналов снизу вверх:
-первичный воздух
-вторичный воздух
- подсос воздуха в помещение.
Все каналы оснащены лепестковыми регулировочными клапанами, управление находится в нижней части котла:

Простейший дымоход: трубы 120мм из нержавейки 0,5 мм, обмотаны минватой и алюминиевой фольгой с армировкой.

По конструкции вроде все.