Печь с водяным контуром для отопления дома

У сидящего перед камином или печью человека вряд ли возникнет мысль, что у этих отопительных устройств низкий КПД. Созерцание огня и ощущения от живого тепла не заменит никакой современнейший котел, у которого пламя горелки скрыто в его недрах и не видно глазу, а каждый киловатт тепловой энергии тщательно отбирается и передается теплоносителю. Но, оказывается, существует красивое, даже изящное компромиссное решение – это печь с водяным контуром для отопления дома.

Печное отопление

Содержание статьи

1 Печное отопление
2 Почему отопление с теплоносителем выигрывает у печного?
3 Краткий обзор промышленно выпускаемых печей с водяным контуром для отопления
- 3.1 Каминная топка с водяным контуром «Аквариус»
- 3.2 Твердотопливный отопительный котел «Armada 20»
- 3.3 Видео: Обзор печей с водяным контуром
4 Водяной контур для отопления в кирпичной печи
- 4.1 Виды теплообменников и места их расположения в кирпичной печи
- 4.2 Из чего изготавливать теплообменник?
- 4.3 Расчет мощности и размеров теплообменника печи
- 4.4 Монтаж водяного контура в кирпичную печь
- 4.5 Правила эксплуатации печи с водяным контуром
- 4.6 Сооружение отопительно-варочной печи с водяным контуром своими руками
  - 4.6.1 Список необходимых материалов и приборов
  - 4.6.2 Порядок проведения работ
  - 4.6.3 Порядовка кладки печи с водяным контуром
  - 4.6.4 Видео: Отопительно-варочная печь с водяным контуром
5 Подводные камни водяных контуров печей
6 Идеальное место печи с водяным контуром с точки зрения инженерной науки
7 Заключение

Печь всегда была своеобразным «сердцем» дома. Она всегда традиционно стояла в центре, и вся жизнь кипела возле нее. В печи готовили пищу, возле нее обогревались зимой. Хорошо натопленная печь накапливала столько энергии, что даже после того, как угасал огонь, она еще долго дарила тепло всем домочадцам, распространяя его как солнышко во все стороны от своих массивных стен. А топлива для печи – обычных дров в России всегда было много, главное, не полениться и запастись ими летом.

Печное отопление имеет ряд неоспоримых преимуществ:

Во-первых, печам не требуется подключение к газовым и электрическим сетям, они используют в качестве топлива в основном дрова, которые являются возобновляемым видом топлива, их на большинстве территории России будет всегда много по разумным ценам, а иногда и совершенно бесплатно.

Дрова еще долго будут использоваться на территории России в качестве топлива

Во-вторых, в печах реализовано наиболее комфортное лучистое отопление, когда массивные стенки печи излучают тепло, передавая его окружающим предметам и воздуху.
В-третьих, печь может совмещать сразу несколько функций: собственно само отопление, приготовление пищи, нагрев воды.

Современная многофункциональная печь-камин

В-четвертых, созерцание открытого огня в каминах (а они, по сути, являются печами) создает комфортную атмосферу.
В-пятых, массивная конструкция печи в холодное время года способна накопить огромное количество тепловой энергии, которую она будет постепенно отдавать. В летнее же время все происходит наоборот: печь, которая всегда строится на отдельном фундаменте «сбрасывает» излишек тепловой энергии в землю от знойного воздуха, то есть является своеобразным кондиционером.
И, наконец, печное отопление не приносит вреда окружающей среде, если в нем используется природное топливо, ведь процессы сгорания в природе происходят постоянно.

Добавим немножко дёгтя в бочку с мёдом и перечислим недостатки печного отопления:

Печное отопление требует постоянного участия человека: закладка дров, чистка зольника и дымохода, регулировка тяги и другие операции, хотя для дачного домика периодического проживания это скорее плюс, чем минус.

Топка печей требует постоянного участия человека

Чем большую мощность имеет печь, тем больше должны быть ее геометрические размеры, а это «съедает» полезную площадь дома.
Печь может отопить только те помещения, с которыми непосредственно соприкасается. В удаленных помещениях придется сооружать или устанавливать еще одну печь, как это делалось в старых домах.
Традиционная кирпичная русская печь из-за своей инерционности очень долго выходит на рабочий режим. Частично этого недостатка лишены современные камины, печи буржуйки и Булерьяны.
Печное отопление имеет низкий КПД – не более 40% и обычно имеют избыточную мощность. Когда печь входит в рабочий режим и прогревается, то рядом с ней стоять практически невозможно, но потом, остывая, она постепенно отдает тепло. При этом очень много энергии просто вылетает в атмосферу через дымоход.
Процессом горения топлива в печи управлять сложнее, чем в котлах. Погасить печь моментально практически невозможно, что повышает уровень пожарной опасности.
Печи требуют дымоходов с хорошей тягой, чтобы горение происходило интенсивно, а дымовые газы уходили в атмосферу и не проникали в помещения. Дымоходы необходимо изолировать от сгораемых строительных конструкций.
Для печи требуется постоянно хранить солидный запас топлива, который надо периодически пополнять, а шлак и зола требуют утилизации.

Если подытожить все вышесказанное, то, можно сказать, что печи имеют право на существование, но по многим показателям они все равно проигрывают другим видам отопления. В общем, хлопотное это дело – печи. Если в условиях дачного домика, где человек появляется периодически – это приятные хлопоты, то в домах постоянного проживания эксплуатация печи превращается в рутину и является чаще всего вынужденной мерой, когда, например, нет возможности организовать другую систему отопления из-за отсутствия магистрального газа.

Почему отопление с теплоносителем выигрывает у печного?

Как уже отмечалось ранее, одной из главных проблем печей является невозможность обогреть удаленные от них помещения. В современных моделях печей и каминов производители постарались решить эту проблему, снабдив свои отопительные приборы конвекционными воздушными каналами, к которым можно подключать воздуховоды. Теплый воздух от печи разносится по комнатам, отапливая их. Очень хорошее решение, которое, кстати, прекрасно работает в некоторых домах.

Пример камина с конвекционными воздушными каналами

Воздух в таких печах выполняет функцию теплоносителя, то есть такого вещества, которое способно принять тепловую энергию от печи, а затем транспортироваться к месту назначения и отдать ее удаленному помещению. Для этого надо только соорудить систему воздуховодов, что не лишено недостатков и связано с определенными трудностями:

Во-первых, воздуховоды имеют большие габариты их часто невозможно скрыть за строительными конструкциями.
Во-вторых, воздуховоды оказывают сильное сопротивление движению нагретого воздуха, особенно если имеют много поворотов. Поэтому имеются ограничения по их длине.
В-третьих, воздух имеет низкую удельную теплоемкость, поэтому чтобы передать определенное количество тепловой энергии для удаленной от печи комнаты требуется большое количество нагретого воздуха. Для этого надо либо сооружать воздуховоды большего размера, либо принудительно подавать нагретый воздух вентилятором.
И, наконец, по воздуховодам передается большое количество пыли, сажи и других загрязнений, которых возле печи всегда предостаточно.

Загрязненный воздушный канал

Лучшим и самым распространенным теплоносителем, используемым в системах отопления домов, является вода в силу своих достоинств:

Вода имеет очень большую удельную теплоемкость ( С =4,187 кДж / (кг*° К )) по сравнению с сухим воздухом ( С =1,005 кДж / (кг*° К )), поэтому может принимать и передавать большое количество тепловой энергии на значительные расстояния.
Нагретую воду легко транспортировать в нужное место по трубопроводам, имеющим малые габариты.

Трубопроводы системы отопления

Вода абсолютно безвредна, нетоксична и не горит.
Вода всегда доступна, можно сказать, что она почти бесплатна.

Главный недостаток воды – это ее высокая температура замерзания – 0°C, при этом она расширяется в объеме и повреждает приборы системы отопления. Вдобавок у воды в сочетании с кислородом воздуха высокая коррозийная активность к черным металлам. Жесткая вода — с высоким содержанием солей кальция и магния приводит к образованию накипи на внутренней поверхности труб, теплообменников и радиаторов, что резко снижает их характеристики. Все это требует специальных мер:

В домах круглогодичного проживания, в опасное для воды зимнее время, системе отопления ничего не грозит, так как она постоянно находится в работе. Современные газовые и электрические котлы имеют функцию защиты, которая не даст упасть температуре теплоносителя ниже +5 °С.
В домах, где человек в зимнее время не появляется, воду из системы можно просто слить, но в этом случае будет идти ускоренная коррозия стальных деталей системы отопления. Еще одним выходом является применение специальных антифризов, снижающих температуру замерзания, но они совместимы не со всеми котлами и радиаторами, стоят недешево и со временем стареют.
Очень часто в системах отопления, где теплоносителем является вода, ставят «на страже» резервный электрический котел, задача которого поддерживать температуру в доме, а, значит, и теплоносителя, на определенном минимальном уровне. Когда появляются хозяева, запускается котел, растапливаются печи или камины и температуру поднимают до нужной. После уезда «на пост» опять заступает «стражник».

Резервный электрический котел

Чтобы снизить коррозийную активность воды в нее добавляют специальные присадки или делают систему закрытой. Тогда атмосферный кислород не проникает в систему отопления и коррозия прекращается либо идет очень медленно и не сказывается на общем сроке службы приборов системы отопления.

Конечно, возникает вопрос – возможно ли объединить прелести печного отопления с достоинствами систем, где теплоносителем выступает вода. И при этом постараться уйти от недостатков и одних и других. Полностью решить эту задачу не удалось, но существуют довольно неплохие технические решения как промышленно производимые, так и реализованные домашними Кулибиными. Рассмотрим их, и после этого можно будет делать определенные выводы.

Краткий обзор промышленно выпускаемых печей с водяным контуром для отопления

Среди всех вариантов реализации печи с водяным контуром надо выбирать те, которые уже применяются и успешно эксплуатируются. И в первую очередь нужно обратить внимание на уже готовые изделия, которые выпускает промышленность. И вот почему:

В подавляющем большинстве случаев уже готовая печь обойдется дешевле, чем самостоятельно сделанная или построенная.
Над созданием готовых печей работают целые коллективы высококлассных специалистов, имеющих богатый опыт, которые рассчитывают конструкцию, разрабатывают технологию производства и правила эксплуатации.
При изготовлении используются специальные жаростойкие сорта стали и чугуна, которые недоступны простому обывателю на металлобазах.
Качество промышленно изготовленных печей выше, чем сделанных кустарным способом, так как применяется технологическое оборудование высокого уровня.

Современные отопительно-варочные печи с водяным контуром

Все печи, поступающие в продажу от производителей, проходят долгий и мучительный процесс испытаний и оформления пакета документов у разрешительных и контролирующих органов.
Промышленно изготовленные печи имеют гарантию от производителя, могут быть обеспечены запасными частями, их легче устанавливать, к ним легко подобрать дымоход, они снабжаются набором уже готовых типовых проектов по созданию системы отопления или интегрированию в уже имеющуюся.

В настоящее время на рынке печного оборудования работает много именитых и не очень производителей: ABX(Чехия), NordFlam (Польша), EdilKamin (Италия), MBS (Сербия), Термофор (Россия), Romotop (Чехия), Chazelles (Франция), Invicta (Франция), Vira (Россия), Panadero(Испания), Storh (Германия) и множество других. В качестве примера мы решили показать две модели печей с водяным контуром: каминная топка «Аквариус» от компаниии Термофор и печь «Армада 20» выпускаемая под торговой маркой Vira. Обе эти модели мы намерено представляем от отечественных производителей, так как при равенстве технических характеристик некоторые западные «собратья» стоят либо неприлично, либо просто бессовестно дорого.

Каминная топка с водяным контуром «Аквариус»

Очень известная на рынке компания «Термофор» выпускает каминную топку «Аквариус», которая может быть снабжена водяным контуром теплообменника именно для целей отопления. Для топки может сооружаться любой понравившийся портал, чтобы она стала гармоничной частью интерьера дома. Выпускается это изделие в двух модификациях, как с теплообменником для воды, так и без него. Мы специально указали в таблице технические характеристики обеих моделей для сравнения.

Модели Аквариус Аквариус ТО

Мощность каминной топки, кВт 12 12 Объем отапливаемого помещения (максимальный), куб. м 200 200 Габаритные размеры, Ш*Г*В, мм 690*515*930 690*515*930 Размер проема дверцы топки, мм 315*535 315*535 Масса, кг 68 77 Объем камеры сгорания, л 70.7 62.5 Максимальный объем загрузки, л 56 52 Максимальный размер полена, мм 545 545 Диаметр дымохода, мм 200 200 Минимальная высота дымохода, м 5 5 Объем теплообменника, л - 11.6 Мощность теплообменника (максимальная), кВт - 6 Максимальное рабочее давление, кгс/кв. см - 0.5

Особенностями конструкции данной модели каминной топки являются:

Большое жаростойкое стекло дверцы топки защищено от оседания сажи и позволяет наблюдать за огнем.
Солидный объем топливника обеспечивает долгое горение.
Топка дополнительно защищена шамотным камнем, что продлевает срок ее службы.
Габаритные размеры позволяют подобрать стандартную облицовку для каминов или сделать свою.
Каминная топка с теплообменником «Аквариус ТО» может подключаться только в системы отопления открытого типа.

Из технических характеристик на этот прибор видно, что через водяной теплообменник топка может передать воде до 6 кВт тепловой энергии, значит, площадь отапливаемых помещений может быть порядка 50—60 м2 при высоте потолков 2,5 метра. Оставшиеся 6 кВт мощности можно направить на обогрев того помещения, где установлен камин, поэтому при сооружении портала следует организовать конвекционные потоки возле топки с выходом теплого воздуха сверху камина.

Этот камин, как, в принципе, и любую печь с водяным контуром категорически запрещено разжигать без воды в теплообменнике, это приведет к быстрому выходу его из строя. Вариант подключения «Аквариус ТО» в открытую систему отопления с естественной циркуляцией представлен на следующей схеме:

Схема подключения камина в открытую систему отопления с естественной циркуляцией

Таким образом, помимо своей декоративной функции камин может отапливать небольшой дом. Для того, чтобы теплообмен проходил более интенсивно, можно на обратной линии поставить циркуляционный насос с байпасной линией. При отсутствии электричества будет происходить естественная циркуляция воды, а при наличии будет включаться насос. Существуют модели каминов, которые могут включаться в систему отопления закрытого типа, но в рамках этой статьи мы их рассматривать не будем.

Твердотопливный отопительный котел « Armada 20 »

Этот котел производится в России на заводе «Бермаш» в городе Березовском. Читателю может показаться, что авторы ушли от темы статьи, ведь она о печах с контуром для отопления, а речь вдруг пошла о котлах. Так вот котел «Армада» это не что иное, как печь того же производителя под названием «Легион» в которую вместо конвекционных труб нагрева воздуха поместили водяной контур из труб. Перестал ли этот агрегат быть печью? Конечно, нет! Просто поменялся теплоноситель.

Печами традиционно принято называть такие теплогенераторы, которые греют непосредственно в своем присутствии лучевым теплом (ИК излучением), а также нагревающие воздух. Котлы же призваны нагревать воду, которая в дальнейшем будет транспортироваться к различным приборам отопления: радиаторам, конвекторам, теплым полам и другим. Главная задача котла нагреть теплоноситель, а печи обогреть все вокруг себя. Но не будем отступать от заявленного производителем названия и расскажем о котле «Армада 20». Его технические характеристики представим в виде таблицы:

Технические характеристики котла ARMADA 20

Мощность котла (теплопроизводительность), кВт 20 Отапливаемая площадь (h=2,5 м), кв. м До 200 Габаритные размеры (Ш*Г*В), мм 390*660*750 Глубина топки/размер полена, мм 510/480 Масса (ез топлива и воды), кг 115 Объем камеры сгорания, л 90 Масса загрузки топлива (максимальная), кг 12 Рекомендуемая загрузка для оптимального горения, кг 4.8 Размеры проемы дверцы топки, мм 190*292 Присоединительная резьба для прямой и обратной магистрали отопления G 1 ?“ Объем воды в контуре, л 28 Рабочее давление в системе, Мпа 0.3 Мощность блока ТЭНов, кВт 3*2=6 Диаметр дымохода, мм 120 Высота дымохода (минимальная), м 6 Максимальная выходная температура теплоносителя, °C 95 Минимальная входная температура теплоносителя, °C 60-80

Эта печь (котел) имеет некоторые конструктивные особенности, о которых надо обязательно упомянуть.

Теплообменник имеет большое количество труб, поэтому площадь теплосъема по отношению к объему воды внутри теплообменника максимальна. Этим достигается большая тепловая отдача.
Дверца снабжена прозрачным экраном из закаленного стекла, что позволяет визуально наблюдать за горением топлива.
Сверху котла расположена варочная панель. Это позволяет разогревать или готовить пищу.
В верхней части топки перегородка имеет съемную конструкцию, что позволяет чистить котел и дымоход от сажи.
Наружные части теплообменника являются заодно и воздушным конвектором, который закрыт панелями, окрашенными термостойкой порошковой краской.
Котел предназначен для сжигания дров (предпочтительно лиственных пород), топливных брикетов (евродров), пеллет, а также и бурого угля с величиной фракции не менее 4 см.
Без воды в теплообменнике котел эксплуатировать нельзя – это приведет к его быстрому выходу из строя.
В конструкции котла предусмотрены технологические отверстия для установки ТЭНа, что позволит без растопки зимой поддерживать температуру теплоносителя в безопасном диапазоне.
Котел может работать как в открытой, так и закрытой системе отопления с рабочим давлением теплоносителя не более 3 МПа.

Примеры обвязки котла для закрытой системы отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя, а также в открытой с естественной циркуляцией показаны на рисунках:

Схема обвязки печи в открытой системе отопления

Схема обвызки печи в закрытой системе отопления

Таким образом, котел (печь с водяным контуром) «Армада 20» может уже отапливать достаточно большой дом и при этом он еще может использоваться для приготовления пищи и частично или полностью отапливать то помещение, где он установлен. Хотя основной теплосъем идет в пользу воды, все равно этот котел не перестал быть печью. Или, наоборот, — эта печь так и не стала абсолютно полноценным твердотопливным котлом.

Видео: Обзор печей с водяным контуром

Водяной контур для отопления в кирпичной печи

Очень заманчиво поместить теплообменник системы отопления в кирпичную печь, учитывая, что просто громадное количество энергии сгорания топлива уходит на разогрев массивной конструкции. И на самом деле печи со встроенным котлом существуют, и успешно эксплуатируются. И такая конструкция имеет массу преимуществ:

Вследствие своей большой массы и способности накапливать тепло, кирпичные печи являются определенным буфером-термоаккумулятором, который примет на себя излишнее тепло и, в случае необходимости передаст его тому, кому его недостает.
В большой кирпичной печи успешно уживаются и варочная поверхность, и камин, и водяной контур отопления, причем для всех этих устройств не надо сооружать отдельных дымоходов.
Передача тепла на поверхности и в массиве печи происходит равномерно, поэтому тепло на водяной контур будет передаваться с наибольшей эффективностью.
Даже после полного угасания огня в топке, кирпичная печь может в течение нескольких часов «делиться» теплом с теплообменником водяного контура. Но здесь все зависит от конструкции и массы печи.

Пример хорошо реализованного проекта кирпичной печи с водяным контуром

Главный недостаток такой конструкции – это сложность реализации. Лучше всего, когда использовать печь в качестве котла отопления задумывается еще до начала ее строительства или перед реконструкцией. В любом другом случае придется окунуться в очень хлопотные работы по разборке печи и сборке ее заново. И цена ошибки здесь очень высока, исправить что-то очень трудно.

Если хозяин решился на такой ответственный шаг, как организацию водяного контура в кирпичной печи, то здесь без специалистов никак не обойтись. Печами должны заниматься печники, а разрабатывать — инженеры совместно с теми же печниками. Никому же в голову не придет идти лечить зубы к автослесарю, почему же некоторые домовладельцы надеются на собственные силы или полагаются на «богатый опыт» соседа, кума, свата, брата. Именно поэтому лучше всего заказывать проект печи с водяным контуром у специалистов или воспользоваться готовыми техническими решениями, которые можно получить за символические деньги или совершенно бесплатно через интернет. Как говорится, Гугл и Яндекс вам в помощь.

Любое некорректное вмешательство в уже готовую печь нарушает ее работу, способствует быстрому ее разрушению, снижает КПД и создает опасность для здоровья и жизни людей. Перечислим типичные ошибки при установке водяного контура в кирпичную печь:

Теплообменник встроили в топливник кирпичной печи, поэтому его объем резко уменьшился, что сказывается на мощности, объеме закладки и КПД, причем в худшую сторону. Если по нему будет активно циркулировать теплоноситель, охлаждая топливник, то это приведет к снижению температуры, образованию большого количества сажи и химически агрессивного конденсата, который быстро «съест» теплообменник, если он не будет сделан из нержавеющей стали.

Водяной контур может сильно снизить объем топливника печи

Теплообменник встроили в дымовые каналы печи, чем нарушили их пропускную способность. В итоге часть угарных газов возвращается в помещение топочной, а это может привести к очень плачевным результатам.
Теплообменник вмуровали в кладку. При его нагреве происходит линейное расширение металлов, которое приводит к разрушению печи, образованию трещин.
Теплообменник неоправданно большой мощности встроили в дымоход. Циркулирующая вода снижает температуру дымовых газов, это приводит к лавинообразному образованию конденсата, который разрушает и дымоход, и теплообменник.

Разрушение дымохода конденсатом

И подобных ошибок с непредсказуемыми последствиями может быть еще очень много. Это еще раз доказывает то, что лучше воспользоваться готовым техническим решением и привлечь профессионалов для кладки и монтажа, так как за деньги, потраченные на хороший теплообменник из нержавеющей стали и работу печника уже можно купить отличный твердотопливный котел от известных «брендовых» производителей.

Виды теплообменников и места их расположения в кирпичной печи

Прежде всего, необходимо определиться с тем, из какого материала будет сделан теплообменник, который будет помещен в кирпичную печь. Существуют несколько вариантов, рассмотрим каждый из них:

Медные теплообменники очень эффективны, так как теплопроводность меди одна из самых лучших, но внутри кирпичных печей их применять категорически нельзя. Почему? Дело в том, что температура плавления меди 1083 °C, а в топке она может повышаться до 1200 °C. При постоянно циркулирующем теплоносителе температура трубы, конечно же, не поднимется до таких значений, но кто может гарантировать то, что не возникнут нештатные ситуации. Вдобавок медь очень боится агрессивных химических соединений, которыми изобилует конденсат.

Медный теплообменник требует постоянно циркулирующего теплоносителя

Чугунные теплообменники выгодно отличаются тем, что имеют очень высокую коррозийную стойкость. Главный их недостаток – это хрупкость и боязнь резких перепадов температур. Если в горячий чугунный теплообменник запустить порцию холодной воды, то температурные деформации приводят к образованию трещин и выходу его из строя. Чугун тяжело обрабатывается и выпускается в виде литых деталей, которые затем собираются резьбовыми элементами через уплотнители, что снижает их надежность. Некоторые умельцы в качестве теплообменника используют чугунные радиаторы, но эффективность их мала, разве что посуду помыть или принять душ.

Теплообменник из чугунного радиатора

Стальные теплообменники распространены больше всего, так как сталь – это доступный и легкообрабатываемый материал. Для теплообменника печи рекомендуется применять жаропрочную сталь с толщиной стенки не менее 3 мм, а лучше 4—5 мм. Трубы лучше выбирать бесшовные. К сожалению, сталь подвержена коррозии, поэтому нужно топить печь в таких режимах, которые менее всего способствуют образованию конденсата, а также никогда не сливать теплоноситель из водяной рубашки.

Теплообменники из нержавеющей стали – самые лучшие, но и самые дорогие. Наиболее распространенная марка стали — AISI 304. Лучше эти детали не делать самому, а заказать их изготовление на предприятиях, где есть оборудование для лазерной резки металлов и сварки в среде аргона. Тогда качество швов будет максимально приближено к материалу самой трубы.

Из чего изготавливать теплообменник?

Теплообменники могут изготавливаться из металлического листа, круглых или профильных прямоугольных труб и их сочетаний. Рассмотрим основные их виды.

Теплообменник из листовой стали обычно располагают в самом жарком месте — прямо в топке печи, он облегает стенки и потолок и при этом в нем есть отверстия для загрузки дров и выхода дымовых газов. Изготавливают его из листа 3—4 мм толщиной, а сверху и снизу вваривают отрезки труб с диаметром 40—50 мм для подающей и обратной магистрали. Внутренний зазор в теплообменнике не должен быть менее 3 см – для предотвращения закипания воды. При этом надо строго следить за тем, чтобы верхняя подающая труба была в самой верхней точке теплообменника, иначе в нем могут образовываться паровые пробки, которые при выходе в систему отопления грозят гидравлическим ударом, способным повредить трубы или радиаторы.

Теплообменник из листовой стали

Теплообменники из труб тоже чаще всего располагают в топке. Для изготовления таких теплообменников берут трубы диаметром 40—50 мм или профильные прямоугольные трубы 40*60 мм, 60*60 мм. Из них сваривается пространственная конструкция, которая в каждой отдельно взятой печи будет разная. Главное, чтоб теплообменник не загораживал дверцу загрузки, колосники и дымовые каналы.

Теплообменник из стальных толстостенных труб

Если печь используется для приготовления пищи и имеет варочную поверхность, то в верхней части топки теплообменники не делают, в этом случае они должны облегать боковые поверхности.

Теплообменник для печи с варочной поверхностью

Очень часто теплообменники из труб в виде плоских регистров располагают в колпаке печи или в дымооборотных каналах. Тепла они в этих местах могут снять меньше, поэтому обычно они внушительных размеров, но работают они в более мягких условиях, поэтому и прослужить могут больше. Главное условие – они не должны препятствовать выходу дымовых газов. Именно поэтому конструкция их просчитывается заранее. Ставить такие теплообменники в уже готовую печь категорически запрещено.

Плоский трубчатый регистр в дымооборотном канале

Расчет мощности и размеров теплообменника печи

Естественно, что для целей отопления мощность теплообменника должна быть рассчитана. Неправильно рассчитанный водяной контур либо не будет обеспечивать нужный температурный режим в помещениях, либо, наоборот, при избыточной мощности в комнатах будет как в пустыне Сахара и уменьшить температуру будет очень трудно, так как управлять пламенем в кирпичной печи очень сложно. Как это сделать правильно?

Отопление должно компенсировать теплопотери дома, поэтому их оценка – это первое что надо сделать. Такие расчеты делают инженеры-теплотехники. Методика расчета имеет довольно сложный алгоритм и требует большого количества исходных данных. Самостоятельно сделать такие расчеты довольно непросто, но практика показывает, что в большинстве случаев на каждые 10 м2 площади дома требуется от 1 до 1,2 кВт мощности системы отопления. При этом высота потолков должна быть от 2,5 до 2,7 м.

После расчета теплопотерь можно переходить к расчету мощности самого водяного контура (теплообменника), которая зависит от того в какой среде с какой температурой он находится и от его площади соприкосновения с этой средой. Практика говорит о том, что с каждого квадратного метра теплообменника можно «снять» в среднем 5—10 кВт тепловой энергии. Но примерные показатели нас не могут устраивать, поэтому будем подсчитывать точнее.

Очевидно, что мощность всего теплообменника будет зависеть от его площади S и некоего показателя – удельной мощности Q у , которая отражает сколько тепловой энергии может дать теплообменник единичной площади в 1 м2: Q= S* Q у .

Удельная мощность также величина расчетная и ее можно вычислить по простой формуле:

Q у = k*( Tm— tm), ккал/час, где:

k – коэффициент теплопередачи материала в расчете на 1 °С. Для стали, которая используется в теплообменниках k=12 ккал/час .
Tm – температура нагревающей среды (средняя), которая является средним арифметическим между максимальной и минимальной температурами. Tm= (Tmax +Tmin )/2.
t m – среднее арифметическое температуры в водяном контуре. tm=( t под + t обр )/2, где t под – температура теплоносителя на выходе (подаче) из теплообменника, а t обр – температура на входе (обратке) .

Допустим, что печь работает на угле, тогда средняя температура в топке будет: Tm=(1000° C+600° C)/2=800° C. Температуру теплоносителя примем: tm=(80° C+60° C)/2=70° C. Тогда удельная мощность теплообменника будет: Q у =12*(800—70)=8760 ккал/час. Переведем калории в ватты: 1 Ватт=859,85 кал, значит, Qу=8760000 ккал/859,85=10187,82 Ватт ?10,2 кВт. Получается, что с одного квадратного метра теплообменника теоретически можно снять 10 кВт тепловой энергии.

Если вместо угля будут использоваться дрова, то, естественно, что их теплотворная способность ниже. Максимальная и минимальная температуры в топливнике будут: Tmax=700 ° С , Tmin=300 ° С , значит Q у =12*(500—70)=5160 ккал/час, что в ваттах составляет 5160000/859,85=6001,05 ?6 кВт. Получается, что при топке печи дровами можно с 1 м2 площади теплообменника, расположенного в топливнике, снять около 6 кВт тепловой энергии.

В зависимости от потребности в количестве тепловой энергии можно вычислить необходимую площадь теплообменника: S = Q/ Q у . Допустим, что для отопления дома необходимо 15 кВт тепловой энергии, значит, площадь теплообменника, которая соприкасается с горячей средой в топочной камере должна быть 15/6=2,5 м 2. Если теплообменник будет сделан из стального листа, то площадь его вычислить несложно, а если из круглых труб, то площадь каждой трубы вычисляется: Sтр=2*?* D* l, где D – диаметр тр убы, а l – длина трубы. Площадь прямоугольных труб вычисляется как их периметр, помноженный на длину. Именно так можно рассчитать такой теплообменник, который удовлетворит потребности в отоплении дома.

Монтаж водяного контура в кирпичную печь

Отметим важные особенности монтажа теплообменников в кирпичную печь:

Теплообменник должен монтироваться только в специально предназначенную для этого печь. При реконструкции старых печей необходимо обращаться к специалистам, они сделают нужные расчеты и предложат такую конструкцию теплообменника, которая не будет нарушать нормальную работу печи.
После изготовления теплообменника его обязательно нужно опрессовать давлением 6 бар как до установки в печь, так и после того, как он будет смонтирован.

Опрессовочный насос

Обычно теплообменники монтируют сразу после обустройства фундамента печи, а уже потом производят кладку.
Для компенсации тепловых расширений необходимо при монтаже теплообменника оставлять зазор между ним и стенками печи не менее 10—15 мм. Вмуровывать теплообменник в тело печи категорически запрещено.
Места выхода труб теплообменника не надо замуровывать строительными растворами. Для труб следует оставлять зазор 5 мм, в который помещается жаропрочный уплотнитель, например, асбестовый шнур. Выход труб из печи должен быть не менее 10—15 см, чтобы была возможность повторного нарезания резьбы при ее повреждении.
Соединение теплообменника с трубами системы отопления необходимо делать только с жаропрочными уплотнителями.

Правила эксплуатации печи с водяным контуром

Мало того, что расчеты и сам монтаж теплообменника в печь – это довольно трудоемкие и ответственные операции, для нормальной работы отопления еще и требуется соблюдения набора правил:

Ни в коем случае нельзя эксплуатировать печь с пустыми теплообменниками, это приведет к их быстрому прогоранию.
Запрещается отсекать теплообменник от системы отопления при работающей печи. При нагреве воды, она расширяется в объеме, повышается давление, что может привести даже к взрыву. Лучше не ставить никакую запорную арматуру на выходах теплообменника.

Последствия взрыва водяного контура печи

Нельзя подавать холодную воду в теплообменник при разогретой печи. Температурные деформации могут вывести его из строя. Самое слабое место – это сварные швы.
Для повышения эффективности системы отопления лучше использовать циркуляционный насос соответствующей производительности с байпасом.

Циркуляционный насос с байпасной линией

В системе отопления необходимо обязательно предусмотреть в самой нижней точке кран для слива воды из системы.
При необходимости в водном контуре печи можно использовать специальные антифризы.

Сооружение отопительно-варочной печи с водяным контуром своими руками

Как уже было рекомендовано авторами статьи, лучше воспользоваться готовой и испытанной временем конструкцией печи, которая подробно описана в известной книге Я. Г. Порфирьева «Печные работы». Это обогревательное устройство занимает площадь в основании 1020*1160 мм и имеет высоту в 2380 мм. Теплообменник водяного контура имеет размеры (750*500*350 мм) изготовлен из листовой стали и расположен в топливнике, поэтому варочная поверхность используется только для разогрева пищи. По словам автора конструкции теплоотдача в водяной контур примерно 5,5 кВт при топке два раза в сутки, а при усиленной может достигать 18 кВт, что позволяет отопить помещения общей площадью до 180—200 м2.

Список необходимых материалов и приборов Изображение Описание материалов (печных приборов) Количество, шт Кирпич красный полнотелый (без учета дымохода) 710 Кирпич шамотный огнеупорный ША-8 71 Топочная дверца 210*250 мм 1 Поддувальная дверца 140*250 мм 1 Дверца чистки зольника 140*140 мм 7 Колосниковая решетка 250*300 мм 2 Чугунная плита 710*410 мм 1 Теплообменник из листовой стали 750*500*350 мм 1 Задвижка печная 130*250 мм 1 Задвижка для варочной камеры 130*130 мм 1 Полоса стальная: 50*5*400 мм 1 50*5*980 мм 2 Стальной уголок 50*50*5*980 2 Предтопочный лист 500*1000 мм 1 Порядок проведения работ

Прежде чем начинать работы по строительству печи с водяным контуром, необходимо тщательно изучить конструкцию печи, посмотреть ее общий вид и то, как она выглядит в разрезах. Это все представлено на трех последующих рисунках.

Общий вид отопительно-варочной печи

Разрезы печи с водяным контуром

Разрез печи с противоположной стороны

После этого надо изготовить теплообменник водяного контура печи, чертеж которого представлен на следующем рисунке.

Чертеж теплообменника

Что следует учесть при изготовлении теплообменника?

Стенки, обращенные к огню, изготавливаются из листовой стали 5 мм.
Наружные стенки, которые несут меньшую тепловую нагрузку допустимо изготавливать из стали 3 мм.
С задней стороны должна быть оставлена щель шириной не менее 50 мм для выхода газов из топливника.
Выход теплообменника (подача) изготавливается из бесшовной стальной трубы диаметром 40 мм, причем она должна быть вварена в самой верхней точке.
Другой выход (обратка) делается из такой же трубы и вваривается в самой нижней точке теплообменника.

Порядовка кладки печи с водяным контуром

Перед кладкой печи необходимо соорудить под нее соответствующий фундамент, но в этой статье мы рассматривать этот вопрос не будем, а перейдем к порядовке. Перед этим ознакомимся с условными обозначениями, которые будут встречаться в дальнейшем.

Условные обозначения на порядовке

Чертеж Объемный вид Дополнительный вид Выкладывается сплошной 1 ряд кирпичей. Очень важно соблюсти горизонтальность и прямоугольность, так как от этого многое потом будет зависеть. В этом ряду задействовано 36 красных кирпичей. На кладке 2 ряда начинается формирование основания зольной камеры. Устанавливается дверца размером 140*250 мм. Задействуется 31 целый красный кирпич и одна половинка. Кладется по схеме 3 ряд. Количество кирпичей как и в предыдущем – 31 красный целый и половинка. На 4 ряду начинается формирование топливника, поэтому уже используется 11 шамотных кирпичей и 21 красного. Для установки колосников в кирпиче ША-8 делаются вырезы. На этапе формирования 4 ряда, в вырезанные пазы укладываются решетки. Для компенсации тепловых расширений оставляется зазор около 5 мм. На дно топливника устанавливается теплообменник (котел) При кладке 5 ряда оставляется зазор 5—6 мм - для термического расширения теплообменника. За ним оставляется свободное пространство, соединяющееся с горизонтальным каналом. На этом же этапе устанавливаются 2 дверки 140*140 мм – для чистки канала. Используются 14 красных и 3 шамотных кирпича. 6 ряд. Горизонтальный канал отделяется канала за котлом, о оставленное в предыдущем ряду отверстие будет увеличивать тягу печи. На этом же ряду устанавливается дверца топки. Используются 15 целых красных кирпича и одна половинка, а также 1 шамотный. По схеме выкладывается 7 ряд. Используется 15 и ? красных и 2 шамотных кирпича. При кладке 8 ряда перекрывается дверца топки котла. Для этого используется полоса 50*5*400 мм. В ряду выложено 11 и ? красных кирпичей и 6 шамотных. В 9 ряду выпускается труба подачи котла. Половинки шамотного кирпича над дверцей топливника срезаются наискосок. На две равные части делится горизонтальный канал. Используется 12 и ? красного кирпича и 7 шамотного. На том же 9 ряду над дверкой топки устанавливается подрезанная наискосок вниз ? часть шамотного кирпича. На 10 ряду кирпичи выпускают вовнутрь, поэтому пространство над котлом сужается. Используются 3 красных и 18 ? шамотных кирпича. 11 ряд. Кирпичи уже с торцов печи также выпускаются вовнутрь. В кирпичах делаются вырезы для укладки чугунной варочной плиты. Учитывается, что тепловой зазор должен быть не менее 5 мм. Количество используемых кирпичей: 10 красного и 16 ? шамотного. На 11 ряду устанавливается чугунная плита. В том месте, где будет проем в варочную камеру, устанавливается уголок 50*50*980 мм. На 12 ряду начинает формироваться варочная камера. Следует обратить внимание на то, чтобы варочная чугунная поверхность была съемной – приподнималась за переднюю часть и вынималась. Используется 12 красных и 5 шамотных кирпичей. Выкладывается по схеме 13 ряд, в котором используется 16 ? красного кирпича. В 14 ряду вертикальный канал увеличивается на всю доступную ширину. Для его чистки монтируется дверца 140*140 мм. Используется 14 ? красного кирпича. 15 ряд выкладывается аналогично с предыдущим по схеме, что обеспечивает перевязку швов. Используется 14 ? красного кирпича. В 16 ряду перекрывается фасад варочной камеры при помощи стальной полосы 50*5*980 мм и уголок 50*50*5*980. Используется 15 красных кирпичей. 17 ряд завершает перекрытие фасада варочной камеры, для этого используется 18 ? красных кирпичей. 18 ряд. Для полного перекрытия самой варочной камеры монтируются две полосы из стали 50*5*980 мм, и выкладывается 19 красных кирпичей согласно чертежа. 19 ряд завершает перекрытие всей варочной камеры. Оставленный проход в половину кирпича нужен для вытяжки. В проходе вырезаются углубления для задвижки. Используется 32 красных кирпича. 19 ряд завершает установка малой задвижки камеры 140*140 мм. 20 ряд формирует основание верхних газоходов. Для этого по чертежу выкладываются половинки, которые будут основой последующих перегородок. Для прочистки и ревизии монтируются 4 дверцы 140*140 мм. Для укладки этого ряда требуется 18 красных кирпичей. 21 ряд продолжает формирование перегородок. Для него требуется 17 ? красных кирпичей. 22 ряд. Для него требуется 21 красный кирпич. В 23 ряду верхние газоходы разделяются на 4 канала. Один из них (левый нижний на чертеже) в дальнейшем будет основным дымоходом, а остальные выполняют функцию общего колпака, разделенного перегородками. Используется 24 красных кирпичей. Для укладки 24 ряда требуется 24 красных кирпичей. Для укладки 25 ряда требуется 23 ? красных кирпичей. Для укладки 26 ряда требуется 23 ? красных кирпичей. Для укладки 27 ряда требуется 23 ? красных кирпичей. Для укладки 28 ряда требуется 23 ? красных кирпичей. Для укладки 29 ряда требуется 23 ? красных кирпичей. В 30 ряду начинается объединение всех дымооборотных каналов, кроме основного. Используется 20 красных кирпичей. 31 ряд продолжает объединение вертикальных каналов. Для него требуется 21 ? красных кирпичей. 32 ряд подготавливает перекрытие печи. Используется 25 ? красных кирпичей. 33 ряд перекрывает печь. Оставляется основной канал размером 130*260 мм, используется 35 красных кирпичей. 34 ряд перекрывает второй раз печь. Для этого нужно 37красных кирпичей. Для установки основной дымовой задвижки вырезаются пазы. Устанавливается и подгоняется по месту дымовая задвижка. 35 ряд завершает кладку тела печи. Делается основание для насадной трубы дымохода. Для этого нужно 5 красных кирпичей.

На этом сооружение печи можно считать законченным. Дымоход реализуется уже абсолютно индивидуально, так как при этом должно учитываться и этажность дома, и тип перекрытия, и вид стропильной системы, и покрытие крыши, и многие другие факторы.

Видео: Отопительно-варочная печь с водяным контуром

Подводные камни водяных контуров печей

Столь соблазнительное занятие, как обустройство водяного контура в печи не так безупречно, как хотелось бы, так как в этом с первого взгляда правильном мероприятии есть свои подводные камни. И тема была бы не раскрыта полностью, если авторы умолчали об этом. Итак, что же может ожидать обладателя печи с водяным контуром для отопления?

Прежде всего, такие печи нельзя эксплуатировать с пустым водяным контуром, как уже отмечалось ранее. Представим ситуацию, когда семья на выходные решает посетить дачный домик зимой и растопить печь или камин. Предусмотрительный хозяин, конечно, слил осенью всю воду из системы отопления, поэтому ее надо заполнять заново. Неудобство? Конечно, да! Не факт, что на даче есть водопровод, а хороший антифриз на основе пропиленгликоля, залитый в систему, стоит немало и может вести себя в печах непредсказуемо. Температурное объемное расширение антифризов гораздо выше, чем простой воды, поэтому и рост давления происходит лавинообразно.
Другим подводным камнем эксплуатации печей с водяным контуром является то, что в теплое время года, растопив печь для приготовления пищи или камин, хозяева будут вынуждены мириться с тем, что батареи тоже будут горячими, ведь без воды эксплуатировать печь нельзя, а лишнее тепло летом совершенно не нужно. Как быть? Возможным вариантом решения этой проблемы является установка теплоаккумулятора, который стоит гораздо дороже даже очень хорошего твердотопливного котла. Еще одним решением может явиться установка радиаторов отопления где-нибудь на чердаке или в подвале и в летнее время просто переключать водяной контур на них, сбрасывая лишнее тепло и внося свой малый вклад в глобальное потепление и таяние льдов Арктики. Но опять же это лишние заботы и расходы.
Практически все современные системы отопления делают с принудительной циркуляцией теплоносителя, для чего применяют специальные насосы. Это позволяет более эффективно передавать тепло и использовать трубопроводы меньших диаметров. И ничто не мешает оснастить водяной контур печи еще и циркуляционным насосом, группой безопасности, расширительным баком и другими обязательными компонентами системы. Но стоит ли это делать – большой вопрос. Современные котлы имеют продуманную с точки зрения безопасности конструкцию, испытаны высоким давлением, имеют защиту. Возникновение опасной нештатной ситуации в случаях котлами, в том числе и твердотопливными, крайне маловероятно, чего нельзя сказать о самодельных конструкциях печей с водяным контуром. Слишком велико в них влияние человеческого фактора.

Итак, какие же можно сделать выводы. Станет ли печь с водяным контуром полноценным котлом? Никогда в жизни! Да, это больше чем просто печь, но еще не котел. И наоборот – котел вряд ли станет печью. У этих устройств отличные друг от друга функции и пересечение их может быть и экономически необоснованно, а также трудно реализуемо и в некоторых случаях просто-напросто опасно. Дешевле и лучше иметь отдельно печь и котел, тогда каждое из этих устройств реализуются во всей красе, не мешая друг другу.

Идеальное место печи с водяным контуром с точки зрения инженерной науки

Существует ли такое идеальное место, где печь или камин с водяным контуром реализуются во всей своей красе? Безусловно, да. Посмотрим на рисунок, где приведена схема энергоэффективного дома.

Один из вариантом энергоэффективного дома

Видно, что одним из главных компонентов общей системы отопления и горячего водоснабжения дома является теплоаккумулятор, называемый еще буферной емкостью, установленный в котельной цокольного этажа. Он представляет собой емкость большого объема (обычно не менее 500 литров) в которой находятся змеевики теплообменников от различных источников тепла. Это может быть газовый или твердотопливный котел, панели солнечных коллекторов, и, как видно из вышеприведенного рисунка, нашлось место и камину с водяным контуром. Разбор теплоносителя для различных целей (радиаторное отопление, теплые полы) идет из этой емкости. За всеми «запросами» следят датчики с контроллерами и насосные группы.

Теплоаккумулятор в разрезе

Горячее водоснабжение осуществляется из внутреннего бака, герметично отделенного от основной емкости. Нагрев воды идет через металлические стенки. При необходимости, через специальные фланцы во внутренний бак с горячей водой может быть установлен ТЭН, «помогающий» в ночное время, когда действуют сниженные тарифы на электроэнергию. Корпус буферной емкости заключен в мощную теплоизоляцию из пенополистирола толщиной не менее 100 мм, что обеспечивает минимальные потери тепла.

Системы отопления на основе буферных емкостей имеют несомненные преимущества:

Теплоаккумулятор большого объема принимает на себя излишнее тепло, которое может вырабатываться твердотопливными котлами, а также печами с водяным контуром или гелиосистемами. Это предотвращает перегрев и продлевает срок службы оборудования.
Система отопления с буферной емкостью работает стабильнее, так как нет зависимости только от одного источника тепла.
Применение теплоаккумулятора позволяет экономить до 30% энергоресурсов.

Главными недостатками систем с буферной емкостью являются их энергозависимость и очень высокая цена на оборудование. Поэтому безупречное с точки зрения инженерной науки применение печи с водяным контуром может стать абсолютно не обоснованным с точки зрения здравого смысла. Хотя, безусловно, за подобными системами будущее. В развитых странах, где государство субсидирует использование различных альтернативных источников энергии, такие системы уже применяются достаточно широко.

Заключение

Подводя итоги статьи можно заключить, что печи с водяным контуром вполне могут использоваться для отопления дома, но со многими оговорками:

Лучше всего использовать промышленно изготовленные печи и камины, которые специально приспособлены для водяного отопления.
При использовании кирпичной печи в целях подогрева теплоносителя лучше всего строить с нуля специально приспособленную и рассчитанною именно для этих целей конструкцию.
Реализация печи и котла в одной конструкции – труднореализуемая задача, имеющая свои подводные камни.
Идеальное место для печей с водяным контуром – это система отопления с буферной емкостью.