В предыдущих статьях мы рассмотрели различные виды организации сгорания топлива. Также мы рассказали, как оптимизировать его расход и контролировать температуру газов. Весь процесс отопления можно условно разделить на четыре этапа:

  1. Создание выброса тепловой энергии. Это и есть сжигание топлива, при котором происходит термохимическая реакция с выделением тепла.
  2. Теплообмен. На этом этапе тепловая энергия, стремясь к равновесию, переходит от избыточного состояния к стабильному. Проще говоря — тепло передаётся от разогретого носителя к охлаждённому.
  3. Перенос. Агент (жидкость или воздух) переносит тепловую энергию к потребителю (радиатор), который находится в отдалённом от реактора месте. Непрерывная циркуляция агента в замкнутой системе обеспечивает его возврат к реактору в охлаждённом состоянии, затем цикл повторяется.
  4. Теплоотдача. Потребитель (по сути, теплообменник) за счёт свойств теплопроводности отдаёт тепловую энергию окружающей среде (воздуху), выравнивая её температуру.

Результат процесса в пункте 1 предсказуем — по размеру топки, её типу и топливу мы можем судить о режиме работы, мощности и производительности реактора. Но без эффективного теплообмена (пункт 2) большая часть энергии окажется избыточной и будет удалена вместе с первичным носителем в виде раскалённого газа. Проще говоря — вылетит в трубу в прямом смысле слова. Чтобы этого не произошло, нужно правильно подобрать и организовать теплообменник.

Разнообразие свойств различных материалов и сред даёт широкие возможности выбора, но мы остановимся на самых доступных — воздух и жидкость.

Теплообменник решает всего одну, но ключевую задачу — охлаждения первичного теплоносителя. Строго говоря, он является системой охлаждения реактора. Решающий фактор эффективности его работы — теплоёмкость и теплопроводность среды (агента). Как известно, вода и воздух имеют взаимоисключающие свойства, но при этом выполняют одну работу. Невозможно оспорить превосходящие физические свойства жидкости, которая плотнее воздуха. Однако она требует устройства герметичной замкнутой системы, без чего воздух вполне может обойтись.

Воздушный теплообменник

В случае, когда первичным теплообменником служит топка (стальные буржуйки, печи длительного горения — ПДГ, печи на отработанном масле — ПОМ), можно принять следующие меры для повышения эффективности «сухой» теплоотдачи.

Сквозные вертикальные и горизонтальные прямые каналы (трубы)

Стальные трубы навариваются прямо на топку. Лучше устанавливать их вертикально — это улучшит проходимость воздуха. Подходит при наличии подручного материала — обрезков труб (форма сечения не имеет значения). Диаметр 50–200 мм. Оригинальным решением топки будет сварить стенки из равных отрезков трубы.

Изогнутые и закруглённые каналы

Идеальный вариант — «обернуть» в 1–2 витка всю топку. Для этого потребуется навык и время, но эффект будет гораздо выше, чем от простых прямых каналов. Чем больше разница уровней забора и выхода воздуха, тем лучше будет работать канал. Если вывести забор на улицу, эффект будет максимальным, т. к. при разогретой топке за счёт разницы температур возникнет тяга, которая обеспечит постоянный поток в «автоматическом» режиме.

Лабиринты с переборками в ёмкости

Для реализации такого теплообменника нужно устроить на верхней стенке дополнительный стальной короб высотой около 100 мм и толстыми стенками. В этом коробе следует расположить стальные 5–8 мм переборки таким образом, чтобы получился «лабиринт». В начале и конце его должны располагаться входные отверстия под сечение воздуховода. Сверху «лабиринт» также накрывается крышкой. В этом варианте теплообменником служит пространство между стенкой топки и стенками короба. Такие теплообменники можно устроить и на боковых стенках стального реактора.

Сквозные каналы в реакторе, интегрированные в топку

Такие каналы закладываются в проект при создании печи, затем ввариваются в стенки. Они могут быть расположены рядом в верхней части топки. Диаметр от 50 мм.

В любом из видов ВТ используется явление конвекции*, однако в большинстве случаев из-за высокой температуры в реакторе естественного движения воздуха недостаточно и его нагнетают принудительно — вентиляторами. Этот способ ещё называют инжектирование.

* Конвекция — способ передачи тепла потоками или струями.

Инжектирование можно производить любым доступным способом — встраивая воздушный насос в канал или просто направляя его на теплообменник. «Сухие» теплообменники — самые простые и доступные устройства отопления.

Достоинства воздушных теплообменников:

  1. Не требуется герметичность соединений.
  2. Может работать без инжекторов.
  3. Простота монтажа и доступность подручного материала.

Недостатки воздушных теплообменников (ТО):

  1. Требуется значительный (от 100 мм) диаметр воздуховода.
  2. Низкая теплоёмкость среды (воздуха).
  3. Малая дальность переноса температуры.

Жидкостный теплообменник

Любая жидкость значительно превосходит атмосферный воздух по теплоёмкости, а значит, способна перенести тепло на гораздо большее расстояние от реактора. При этом она требует к себе большего внимания — герметичность всей системы (кроме гравитационной). Также отличительным свойством является бóльшая масса, а это значит, что эффект естественной конвекции возможен только при значительном диаметре канала (от 75 мм), либо требуется инжектор — нагнетатель среды.

Все жидкостные теплообменники можно условно разделить на два типа — ёмкостные и магистральные.

Ёмкостные ТО, или теплообменные баки, представляют собой ёмкости, интегрированные в реактор. В других случаях реактор может быть интегрирован в ёмкость. Теплообмен производится в жидкой среде, которая находится в баке. Он (бак) имеет каналы подачи (в верхней части) и «обратки» (в нижней). При диаметре труб меньше 75 мм обязательно наличие нагнетателя на «обратке», иначе температурное расширение не сможет протолкнуть воду по каналу.

Другой тип жидкостного ТО выполнен в виде цилиндрического бака с прямым сквозным каналом внутри. Канал может выполнять функцию дымохода и во многих случаях такой бак устанавливают прямо на буржуйку. Вода в нём снимает температуру отработанных газов и переносит её при помощи принудительной циркуляции. Такой ТО ещё называют трубным котлом.

Описанный принцип — основа для всех современных видов котлов, работающих на сжигании топлива. В современном исполнении они служат основой замкнутой герметичной системы с трубами малого диаметра (16–32 мм) и радиаторами. Работа такой системы невозможна без электричества для насоса. Однако есть вариант, при котором вода циркулирует под действием гравитации. В этом случае теплообменником служит сплошная стальная труба, заполненная водой. Это труба закольцована с котлом и расположена всегда под уклоном, что позволяет воде самотёком проходить путь от подачи до «обратки».

Магистральные ТО или змеевики представляют собой сплошную трубку 16–25 мм значительной длины (от 15 м), обёрнутую вокруг реактора, дымохода или теплообменного бака с водой. Постоянная циркуляция воды по трубке позволяет агенту (воде) набирать максимальную температуру до 120 °С. Такой эффект делает возможным устройство парового отопления. Однако он требует термоизоляции для того, чтобы удержать температуру.

Чтобы собрать такой котёл, нам потребуется следующее:

  1. Две бочки или бочковидных бака с разницей диаметров 50–100 мм и разницей по высоте от 100 мм.
  2. Сплошная медная трубка 16 мм — 50 м.
  3. Шамотная глина.
  4. Вибратор.
  5. Циркуляционный насос.
  6. Материал для установки котла — ножки, дверца, дымоход и т. д.

Порядок работы:

  1. Наматываем медную трубку на бочку малого диаметра
  1. Выводим концы на сторону дна бочки с торца.
  2. Прорезаем в большой бочке отверстия под выводы подачи и «обратки».
  3. Устанавливаем малую бочку с трубками в большую.
  4. Укрепляем булаву вибратора на стенке большой бочки.
  5. Заливаем пазуху жидким раствором шамотной глины, периодически включая вибратор.
  6. Внутри малой бочки устраиваем камин (при горизонтальном расположении) или поршневую ПДГ типа «Бубафоня» (при вертикальном расположении).

Ещё одна интересная идея — симбиоз каменной печи и жидкостного котла.

Видео: водяной контур в кирпичной печи

В этом случае из труб 75–85 мм варится объёмный герметичный регистр в форме куба или составной фигуры (куб + треугольник). С виду она напоминает дом с двускатной крышей. Регистр также имеет подачу и «обратку». Вся конструкция устанавливается на фундамент и обкладывается шамотным кирпичом.

Это самый трудоёмкий вариант. Он будет рентабельным в случае свободного доступа к материалу и возможности транспортировки изделия. Вес регистра составляет 200–300 кг.

Теплообменник может иметь произвольную конструкцию — необходимо только соблюсти основной его принцип — передача тепла от реактора к скоплению или потоку агента. Затем агент разносит тепло по потребителям. Форма, размеры и особенности этого элемента определяются лишь вашими потребностями и фантазией.