Топка котла

За сравнительно небольшую историю производства котлов человечество разработало немало интересных конструкций котлов, которые постоянно совершенствуются. За большим разнообразием прячется один общий конструктив и набор элементов без которых работа котла была бы затруднительна или вообще невозможна.
Экономичность котла зависит от полноты сгорания топлива для чего требуется строго определенное количество воздуха. Если воздуха будет больше требуемого, то он просто отберет лишнее тепло, нагреется и вылетит в трубу, а вот если воздуха будет меньше, то горение будет не полным из трубы вылетает черный дым, который представляет собой ни, что иное как несгоревшие углеводороды. Топка котла должна быть так рассчитана, чтобы была пропорция топлива и воздуха и было место для горения. И если в газовых и жидкотопливных котлах подачу воздуха можно отрегулировать один раз и навсегда, то в твердотопливных котлах это сделать сложно, потому, что твердое топливо, а особенно дрова по своему химическому составу весьма неоднородны. Так же в дровах присутствует и влага, содержание которой варьируется в широких пределах и зависит от породы древесины и времени сушки. С начала дрова начинают нагреваться и из них выпаривается влага. Следом идет пиролиз различных органических соединений при нагреве эти молекулярные цепочки распадаются на более простые, то есть на простейшие спирты, эфиры и газы, которые начинают выходить из древесины горит пламенем. При нагреве древесины до 800 градусов все летучие вещества выходят и остается обычный древесный уголь излучающий жар.

Протекает реакция:

С+О2=СО2
Выделяется огромное количество тепла и развивается высокая температура (до 1400 градусов по Цельсию). Топливо на колосниках имеет свободный доступ кислорода и весь кислород прореагирует с образованием углекислого газа СО2. Далее углекислый газ вступает в реакцию с углеродом более верхних слоев топлива:
СО2+С=2СО
Это реакция восстановления и идет с поглощением 60% ранее полученной теплоты. В итоге мы опять имеем неполное сгорание. В этот момент в самый раз подать дополнительный воздух в топку и дожечь СО. То есть получить реакцию
2СО+О2=2СО2.
Или конструировать топку так, чтоб толщина слоя, участвующего в горении была постоянна, а колосники большие по площади. Поэтому существуют топки:

Слоевая .
Шахтная.
Топка газогенераторных котлов.
Верхнего горения .

Топку фигурально можно разделить на зоны:

В окислительных зонах происходит горение углерода.
В восстановительной зоне происходит восстановление СО2 в СО.
В зоне выхода летучих из топлива выходят летучие вещества и сгорают.
В зоне подсушки топливо нагревается и их него испаряется влага.
В зоне вторичного дожига идет сжигание СО с окислением до СО2. Все это мы уже рассмотрели выше.

Слоевые топки не отличаются своей экономичностью и эффективностью. Получить полное сгорание всех компонентов в ней практически невозможно, вследствие чего КПД котлов со слоевыми топками весьма низок. Если взять анализ состава уходящих газов из слоевой топки, то можно обнаружить в нем довольно таки высокое содержание горючих компонентов, таких как СО, Н2 и прочие.
Газогенераторные котлы очень чувствительны к влажности топлива и на сырых или плохо высушенных дровах такие котлы практически не работают. Происходит это потому, что горючие газы обильно разбавляются водяными парами, что в первую очередь снижает концентрацию горючих газов и создаются неблагоприятные условия для их дожига. Испарение влаги из топлива требует затрат тепла, что приводит к снижению температуры газов и опять же к невозможности их дожечь.

Шахтная топка по конструкции имеет много общего со слоевой, однако газы пройдя зону окисления, далее не идут через весь слой топлива, а уходят через газовое окно. Такая конструкция топки позволяет ликвидировать зону восстановления. Подвод же вторичного воздуха за газовым окном позволяет добиться полного сгорания всех компонентов. В котлах этого типа можно добиться довольно-таки хороших показателей по длительности горения, экономичности и диапазону изменения мощностей без потери КПД. В отличии от газогенераторных котлов шахтные котлы конструктивно проще и дешевле.

Сжигая топливо, мы получаем тепло, которое несут раскаленные газы. Следующей задачей котла является отбор этого тепла от газов и отдача его теплоносителю. За эту задачу отвечает теплообменник. Теплообменник должен обладать достаточной площадью, чтоб в полной мере отобрать от газов тепло, быть компактным, ремонтопригодным и легко прочищаться. По организации движения газов он может быть как одноходовым, так и многоходовым. В бытовых котлах роль теплообменника так же могут выполнять стенки водяной рубашки, однако обеспечить достаточный теплосъем с такой конструкции весьма затруднительно. По конструктивному исполнению теплообменники могут быть:

Жаротрубными - это когда газы идут по трубам, которые омывает теплоноситель.
Водотрубными - когда по трубам идет теплоноситель, а газы их омывают.

Важным параметром при работе котла является температура уходящих газов, что напрямую связано с его КПД. При высокой температуре уходящих лишнее тепло покидает котел и вести речь об экономичности такого котла нет смысла. При низкой температуре уходящих в теплообменнике начинается конденсация содержащихся в газах водяных паров и котел в буквальном смысле начинает истекать черным и зловонным конденсатом. Поэтому температура газов на выходе из котла должна быть ненамного выше точки росы, которая составляет для дров 140-160*С, для угля 120-140*С и для торфа 80-100*С.