Pirolityczny kocioł własnymi rękami: budowa, schematy, zasada działania

Termin «piroliza» oznacza proces, w którym zachodzi powolne spalanie paliwa stałego z otrzymywaniem gazu. Pomimo «profesorskiej» nazwy urządzenia, wykonanie kotła pirolitycznego samodzielnie jest stosunkowo łatwe, a samodzielne konstrukcje spotykane są w praktyce dość często.

Wyjaśnienie jest proste – kocioł gazogeneratorowy na drewno jest prostszy w obsłudze, często wydajniejszy i ekonomiczniejszy niż inne podobne urządzenia. Zastanówmy się wspólnie, jak działa takie urządzenie i co będzie potrzebne do jego wykonania.

Zasada działania kotłów pirolitycznych

Kotły systemów grzewczych, w których jako paliwo stosuje się stałe materiały palne, oprócz klasycznych, należą również do konstrukcji pirolitycznych. Zwykle nazywa się je kotłami gazogeneratorowymi.

Aby lepiej zrozumieć zasadę działania domowego kotła pirolitycznego, warto dokładnie przyjrzeć się budowie takiego urządzenia. Zacznijmy od cech paleniska jako głównej części konstrukcji grzewczej. W istocie obszar roboczy komory paliwowej kotłów pirolitycznych dzieli się na dwie oddzielne komory.

Budowa kotła pirolitycznego w przekroju: 1 – komora załadowcza (pasywna), w której zachodzi proces pirolizy (niepełnego spalania); 2 – komora spalania gazu (aktywna), powstającego w procesie pirolizy

Jedna z takich komór jest napełniana stałym paliwem – drewnem, pelletem, brykietami itp. Rozpoczyna się tam pierwotny proces spalania stałego paliwa przy ograniczonym dopływie powietrza. W takim stanie paliwo nie płonie, ale się tli. Gazy wydzielające się podczas powolnego spalania trafiają do innego obszaru komory – aktywnego, gdzie przy zwiększonym dopływie powietrza intensywnie się spalają.

Technicznie podobny proces spalania realizuje się w prosty sposób. Podobszary wspólnej komory są po prostu oddzielone rusztem i dyszą. Górna część komory – palenisko pasywne, dolna część komory – palenisko aktywne. Należy przy tym uwzględnić cechę konstrukcyjną – górny dopływ powietrza do komory paliwowej (górne nadmuch).

Właśnie tym różni się konstrukcja kotła gazogeneratorowego od klasycznej jednokomorowej konstrukcji, w której stosuje się dolny dopływ.

Klasyczna konstrukcja pompy powietrznej (często nazywana wentylatorem, ale technicznie jest to błędna nazwa), która jest stosowana w schemacie kotła pirolitycznego. Jest to ważny element zapewniający efektywność pracy urządzenia.

Technologicznie dla urządzeń kotłów pirolitycznych charakterystycznym momentem jest również organizacja wymuszonego ciągu. Konstrukcja dwustopniowej komory paleniskowej posiada podwyższony opór aerodynamiczny. Dlatego w tym przypadku nie można obejść się bez zainstalowania pompy powietrznej.

Jak działa kocioł w praktyce?

Praktyczne zastosowanie urządzenia wygodnie jest rozpatrzyć jako proces krok po kroku:

1. Załadunek drewna – ułożenie na ruszcie górnej części komory.
2. Podpalenie paliwa i uruchomienie pompy spalin.
3. Powstawanie gazu drzewnego w temperaturze 250-850 °C.
4. Przejście gazu drzewnego do dolnej części komory paleniskowej.
5. Spalanie gazu drzewnego przy dodatkowym dopływie powietrza.

Następnie uzyskane w dolnej części komory paliwowej ciepło jest wykorzystywane do podgrzewania czynnika grzewczego. Czynnikiem grzewczym może być zarówno woda, jak i powietrze.

1 – komora aktywna; 2 – wlot wody; 3 – powietrze wtórne; 4 – przewód kominowy; 5 – króciec wylotowy; 6 – przepustnica; 7 – wylot wody; 8, 9 – czujniki; 10 – termoregulator; 11 – drzwi komory pasywnej; 12 – powietrze pierwotne; 13 – komora pasywna; 14 – pompa powietrzna; 15 – obieg wymiennika ciepła; 16 – dysza; 17 – drzwi komory aktywnej

Jeśli zwrócić uwagę na wszystkie istniejące konstrukcje domowych kotłów na paliwo stałe, główną alternatywą dla kotła pirolitycznego jest konstrukcja tradycyjna.

Jest to podobny wariant kotła na drewno, w którym działa jedna niepodzielona komora paleniskowa oraz zasada dolnego doprowadzania powietrza do komory spalania. Jednak taki system jest uważany za mniej wydajny i nieekonomiczny ze względu na szybkie spalanie paliwa.

Kocioł pirolityczny jest w stanie osiągnąć sprawność na poziomie 85-95% przy 100% obciążeniu. Jednak sprawność gwałtownie spada, jeśli obciążenie wynosi mniej niż 50%. Dlatego producenci urządzeń pirolitycznych zalecają użytkownikom eksploatację urządzenia przy maksymalnym obciążeniu.

Podobne podejście jest słuszne również w przypadku konstrukcji domowej roboty, pod warunkiem ich pełnej zgodności z klasycznym schematem pirolitycznym i wymaganiami eksploatacyjnymi.

Należy zauważyć, że wymagania eksploatacyjne dla «pirolizy» są dość rygorystyczne:

• obowiązkowe wyposażenie w pompę powietrzną;
• dopuszczalna wilgotność paliwa nie wyższa niż 25-35%;
• obciążenie urządzenia nie niższe niż 50%;
• temperatura powrotu czynnika grzewczego nie niższa niż 60 °C;
• załadunek tylko dużym wsadem paliwowym.

Należy również odnotować wysoką cenę systemów pirolitycznych produkowanych przemysłowo. Prawdopodobnie dlatego cieszy się dużą popularnością opcja “zrób to sam”.

Kocioł pirolityczny własnej roboty

Zazwyczaj przy wykonywaniu podobnych urządzeń grzewczych własnymi rękami za podstawę przyjmuje się popularny schemat Bielajewa. Nie można powiedzieć, że jest to proste rozwiązanie, które pozwala na wykonanie nagrzewnicy bez problemów. Jest to jednak prawdopodobnie jedno z tych rozwiązań, które rzeczywiście można zrealizować.

Trójwymiarowy schemat kotła pirolitycznego do wykonania własnymi rękami. Jest to jedna z prostych wariantów schematu, którą można wykonać w warunkach domowych samodzielnie.

Do wykonania urządzenia według tego schematu potrzebne będą:

• rura metalowa (d = 32; 57; 159 mm);
• rura profilowa (s = 60x30; 80x40; 20x20 mm);
• stalowa taśma (20x4; 30x4; 80x5 mm);
• cegła szamotowa;
• blacha metalowa;
• pompa powietrza;
• czujnik temperatury.

Ponadto niezbędny jest pełny zestaw narzędzi ślusarskich, plus spawarka (i umiejętności spawacza, odpowiednio). Pracy związanej z wykonaniem kotła pirolitycznego własnymi rękami z pewnością nie można wykonać w pojedynkę. Potrzebny jest co najmniej jeden pomocnik.

Przede wszystkim, zgodnie z wybranym schematem, należy przygotować blaszane elementy konstrukcji. Zaleca się przygotowanie paneli blaszanych, przycinając je na wymiar profesjonalnym, precyzyjnym sprzętem.

Użycie do cięcia narzędzi ręcznych typu „szlifierka kątowa” również wymaga pewnych umiejętności i przestrzegania zasad bezpieczeństwa podczas pracy, ale nie zapewnia precyzji cięcia, co później wpływa na jakość wykonania spoiny. Należy wziąć to pod uwagę. Rozsądnym rozwiązaniem w kwestii cięcia blach jest zlecenie tego w warsztacie mechanicznym.

Montaż elementów wewnętrznych urządzenia

Z jednej części blach metalowych należy wykonać komorę paliwową. W tym celu materiał, o wymiarach zgodnych z parametrami schematu, łączy się i spawa. Powinna powstać konstrukcja dwukomorowa, którą należy uzupełnić kanałami powietrznymi.

Te elementy komory paliwowej wykonuje się z ceownika metalowego lub do ich wykonania stosuje się rurę profilową. Na całej powierzchni czołowej strony kanału powietrznego wierci się otwory.

Kanały powietrzne wewnątrz komory paleniskowej. Tymi kanałami dostarczane jest powietrze za pomocą pompy powietrza. W celu równomiernego rozprowadzenia strumienia powietrza na całej długości kanału wierci się otwory.

Poniżej poziomu, w obszarze aktywnej komory paleniskowej, na ścianie umieszczonej w poprzek kanałów powietrznych, wcina się rurę metalową (dopływ powietrza wtórnego). Następnie rozpoczyna się praca z rurami, ponieważ przyszła kolej na montaż rurowego wymiennika ciepła.

Tę część systemu pirolitycznego wykonuje się z rur metalowych d=57 mm:

1. Bierze się dwa arkusze blachy w wymiarach zgodnych z rysunkiem i wykonuje się oznaczenia.
2. Na podstawie oznaczeń pod lokalizację rur w arkuszu wycina się otwory d=60 mm.
3. Przycina się rury d=57 mm na wymaganą długość.
4. Końce rur wkłada się w otwory jednego arkusza i obwarza.
5. Powtarza się operację z drugim arkuszem.

Na wyjściu powinien powstać gotowy wymiennik ciepła, który jest łączony z korpusem kotła w miejscu wskazanym na schemacie.

Przykład wykonania wymiennika ciepła z dwóch blach stalowych i rur przyciętych na wymiar. Wymagane jest tu spawanie wysokiej jakości, aby w przyszłości podczas eksploatacji kotła nie było problemów.

Obok wymiennika ciepła (na górnym poziomie) montuje się przepustnicę. Ten element jest wyposażony w uchwyt i również przyspawany do konstrukcji. Czołowa część korpusu przepustnicy jest zamykana kawałkiem blachy z króćcem do rury dymowej.

Następnie pozostaje tylko zespawać przedni panel komory paliwowej z otworami na drzwi dla każdej z dwóch sekcji oraz modułem dla pompy powietrza.

Zamontowany wymiennik ciepła i część konstrukcji przepustnicy. Wariant mechanizmu regulacyjnego w postaci dźwigni ręcznej z możliwością zablokowania przepustnicy w dowolnym położeniu.

Przed montażem panelu przedniego wewnętrzną część komór spalania należy wzmocnić cegłą szamotową. Ten materiał jest cięty na wymiar, część pod kątem. Cegła jest szlifowana i dopasowywana na miejscu układania.

Oba robocze sekcje komory paliwowej kotła są obrabiane cegłą szamotową. Przy tym ostrożnie obkłada się miejsca w obszarze przepustnic rur odpowietrzających (doprowadzających). Po wyłożeniu cegłą montuje się panel przedni.

Przykład wyłożenia cegłą szamotową wewnętrznej części komory paliwowej. Obłożenie cegłą chroni ściany komory kotła pirolitycznego przed możliwym przepaleniem podczas długotrwałej eksploatacji.

W zasadzie główny montaż kotła pirolitycznego na tym etapie można uznać za zakończony. Złożoną konstrukcję należy obrobić – usunąć zgorzelinę spawalniczą, wyczyścić spoiny, wyrównać, jeśli gdzieś występują drobne nierówności.

W następnym etapie – zamknięcie złożonej konstrukcji w szczelnej obudowie. Ta część konstrukcji również jest wykonana z blach stalowych. Jednak wcześniej potrzebne jest ciśnieniowe testowanie szczelności.

Testowanie i ostateczny montaż konstrukcji

Złożoną konstrukcję należy przetestować. Obowiązkowe czynności – sprawdzenie szczelności obszaru kotła, w którym powinien krążyć czynnik grzewczy. Do przeprowadzenia próby ciśnieniowej wymiennika ciepła tymczasowo montuje się zaślepki na króćcach zasilania i powrotu czynnika grzewczego.

Następnie wymiennik ciepła napełnia się wodą. Wskazane jest użycie gorącej wody z sieci grzewczej lub ciepłej wody użytkowej, aby móc sprawdzić spoiny spawalnicze w warunkach rozszerzalności cieplnej metalu.

Przednia część prawie gotowej konstrukcji z wyprowadzonymi króćcami do dostarczania powietrza do wnętrza komór roboczych. Okna sekcji komory paliwowej są na razie bez drzwi. Konstrukcja ta zostanie obłożona blachami osłonowymi.

Pod warunkiem braku nieszczelności na złączach wymiennika ciepła, woda jest spuszczana i przystępuje się do obramowania konstrukcji kotła pirolitycznego zewnętrznymi panelami metalowymi. Na tym etapie wykonywane i montowane są również drzwi okien sekcji komory spalania.

Drzwi instalacji pirolitycznej wymagają wykonania z uwzględnieniem warunków eksploatacji w wysokiej temperaturze. Dlatego te elementy konstrukcyjne są zwykle wykonane (lub stosuje się gotowe) z żeliwa z dodatkowym wzmocnieniem termicznym cegłą szamotową.

Przykład konstrukcji drzwi jednej z sekcji komory paliwowej kotła pirolitycznego. Do wzmocnienia ochrony przed wpływem wysokiej temperatury procesu spalania, oprócz metalu, stosuje się cegłę szamotową.

Etap końcowy – montaż kotła pirolitycznego w miejscu jego przyszłej eksploatacji. Konstrukcja montowana jest na fundamencie lub płycie betonowej. Zaleca się, aby wysokość fundamentu (płyty) względem poziomu gruntu wynosiła co najmniej 100 mm.

Po zamontowaniu i wyważeniu w poziomie, dolna część kotła jest mocowana do fundamentu. Pozostaje podłączyć komin, zamontować pompę powietrza oraz podłączyć przewody doprowadzenia/odprowadzenia czynnika grzewczego.

Kocioł pirolityczny całkowicie zamknięty w metalowej obudowie i gotowy do montażu na miejscu pracy. Jako elementy wsporcze mocowania do obudowy przyspawano zaczepy kątowe.

Samodzielne wykonanie konstrukcji kotła pirolitycznego to praca wymagająca dużego wysiłku. Oczywiście nie obejdzie się również bez kosztów dodatkowych pod względem finansowym.

Być może zakup materiału i korzystanie z usług zewnętrznych będą tańsze niż koszt urządzeń produkcji przemysłowej. Jednak różnica najprawdopodobniej nie będzie znacząca. Ale główne pytanie nie dotyczy pieniędzy.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

O samodzielnym wykonaniu kotła pirolitycznego:

Technicznie samodzielna produkcja kotłów pirolitycznych bez odpowiedniej bazy jest procesem niezwykle skomplikowanym. Wymagane są również profesjonalne umiejętności obróbki metali, jasne zrozumienie schematów inżynieryjnych oraz technologicznych niuansów produkcji urządzeń kotłowych. Bez tego nie warto nawet podejmować się pracy.

Jeśli posiada Pan/Pani niezbędną wiedzę i umiejętności oraz może udzielić cennych porad dotyczących montażu kotła pirolitycznego innym odwiedzającym witrynę – proszę zostawić swoje komentarze, podzielić się tajnikami warsztatu, zadać pytania w bloku pod artykułem.