Пеллетная горелка своими руками: чертежи с размерами

Автор: Колесников Юрий Фёдорович, инженер-теплоэнергетик

Пеллетное топливо, или просто пеллет, как известно, представляет собой прессованные при повышенной температуре и гранулированные отходы обработки древесины или сельхозпроизводства (солома, шелуха и пр.). Себестоимость отопления пеллетами и в странах, обладающих природными энергоносителями в избытке, может быть ниже, чем углем (исключая места, непосредственно прилегающие к угледобывающим регионам). Пеллеты не источают вредных испарений, как жидкое топливо, взрывобезопасны, пачкают не более дров, но не требуют заготовок древесины на топливо.

Вместе с тем пеллеты энергоноситель довольно-таки капризный, при неправильном использовании пожароопасный, а в поиске на тему пеллетной горелки своими руками полезной информации крайне мало; покажут бьющий из сопла факел, и все тут. Или дают схему керамической горелки с наддувом к невнятному описанию гравитационной энергонезависимой горелки, или что-то еще в таком роде. Настоящая статья призвана до некоторой степени восполнить этот пробел.

Топливные пеллеты и отопительные котлы с пеллетными горелками

Почему горелка?

Пеллеты можно загрузить в обычную печку и поджечь, они сгорят. Также сгорят и в печи либо котле длительного горения. Но зольность составит в лучшем случае 20%, а может быть и все 60% (!). Поэтому при сжигании пеллет широко применяется предварительный пиролиз массы топлива; в таком случае зольность будет 2-5%. Но загружать пеллет в пиролизную печь или котел смысла нет: в устройстве со сжиганием пиролизных газов в отдельной камере они закоксуются, спекутся, и отход топлива будет еще больше, плюс внеплановая чистка и/или ремонт котла. Поэтому пеллеты сжигают в специальных горелках, где зоны пиролиза и формирования факела горящих газов частично перекрываются. Конструкция горелки выходит в принципе несложная. Как сделать простейшую пеллетную горелку, см. напр. видео:

Видео: простая самодельная пеллетная горелка

Однако у мало-мальски технически грамотного человека тут уже возникнет очевидный вопрос: температура пламени факела достигает 1000 градусов и более. Надолго ли хватит обычной конструкционной стали в непосредственном контакте с ним? Есть и другие, не менее важные нюансы, поэтому ставить простую горелку на пеллетах в свой домовый котел рано. Между прочим, сгореть можно, см. далее. Сначала нужно разобраться, как правильно сделать пеллетную горелку, пригодную хотя бы в качестве запасной, на случай нехватки или недоступности основного топлива.

А стоит ли?

Экономически самостоятельное изготовление запасной пеллетной горелки имеет полный смысл, т.к. цены достаточно надежных брендовых изделий начинаются где-то от $500, если речь идет о полуавтоматической горелке, требующей ежедневного ухода; такая будет пригодна в качестве запасной. А за автоматизированный комплект оборудования для отопления пеллетами, требующий похода к нему раз в неделю для догрузки топлива, придется выложить от $3000.

Разновидности пеллетных горелок

На сегодняшний день можно выбрать одну из следующих разновидностей горелок:

Объемного горения. Распространенные модели, которые отличаются высокой эффективностью. При этом стоит учитывать, что в оборудовании с большим углом наклона скапливается чрезмерное количество шлака, что может привести в остановке шнека.
Факельные. Такие горелки имеют небольшой размер, что дает возможность разместить оборудование на котел с небольшой топочной камерой. Факельные горелки отличаются надежностью и простотой в использовании. При этом оборудование имеет небольшую мощность.
Каминная. Как можно догадаться из названия, устройства устанавливаются в камины. Также пеллетные горелки могут использоваться в ряде моделей пиролизных котлов. Оборудование чаще всего используется в быту. Это обусловлено небольшими габаритами и особенностями настройки.

Также горелки делятся на оборудование с неподвижными и подвижными колосниками. Первая разновидность разработана для использования высококачественных пеллет, изготовленных из твердых сортов древесины. В оборудовании с подвижными колосниками может использоваться топливо с высоким уровнем зольности и влажности.

Пеллеты как топливо

Пеллет достаточно энергоемкое топливо: его 1 кг выделяет ок. 5 кВт/ч тепла. Т.е. для отопления дома средних размеров в средних широтах в горелке должно сгорать прим. 2 кг пеллета в час; по объему это где-то с полведра. Пеллет в бункер (см. далее) нужно досыпать 1-2 раза в сутки и одновременно вытряхивать зольник котла; зола вполне пригодна на удобрение. Чистить хорошую фирменную горелку нужно не чаще раза в неделю (требующие чистки раз в сезон стоят от $5000); самодельную придется прочищать раз в 3-4 дня.

Но, во-первых, пеллеты хорошо горят и просто так, хоть и дают много золы. Болезнь всех без исключения существующих пеллетных горелок – возможность т. наз. обратного горения, когда зона пиролиза проникает в топливный бункер, и тогда – дым, вонь (ядовитая), пожар. Во-вторых, пеллетные горелки критичны к подаче воздуха: если его слишком много, пеллеты могут быть сдуты с горелки и дадут много золы; мало – опять много золы и закоксовывание. Потребность в воздухе горящей массы пеллет достаточно сильно зависит от режима горения. Как следствие, правильный режим горения пеллет выставить не так-то просто. В целом разжигается пеллетная горелка поэтапно след. образом:

Поджиг – осуществляется специальной зажигалкой, представляющей собой керамический стержень, нагреваемый до 900-1100 градусов. Самодельную горелку можно разжигать лучиной, но ни в коем случае не ЛВЖ! Горение сразу же проскочит в бункер!
Запуск – подачу воздуха регулируют (см. далее) до образования стабильного факела пламени;
Разгон (выход на рабочий режим) – также воздухом (возможно, совместно с подачей топлива) добиваются бездымного пламени (возможно, с контролем его температуры) и сдувания золы с горелки без выдувания пеллет;
Работа в дежурном режиме – воздух прикрывают до получения заданной температуры теплоносителя в обратке;
Останов – подачу топлива отсекают, а воздух подают по п. 3, пока полностью не сгорит остаток.

Системы с принудительной подачей топлива

Именно способ подачи топлива определяет пожаробезопасность котла с пеллетной горелкой. Пеллеты в горелку в общем можно подавать принудительно или гравитационным способом, когда они сами сыплются из бункера. Наиболее безопасен принудительный способ. Однако это как раз тот случай, когда за безопасность и удобство надо платить: горелки с принудительной подачей это те самые, которые стоят от $3000.

Пеллетные котлы с принудительной подачей топлива и горелки для них

Принудительная пеллеты к котлу из бункера может быть пневмолифтовой (поз. 1 на рис. и шнековой (поз. 2 и см. ниже). Общее у них то, что в тракте подачи топлива есть восходящая ветвь. Если огонь выйдет из горелки, то ему, чтобы попасть в бункер, нужно будет спуститься вниз, что маловероятно. Пневмоподача совершенно исключает проскок горения в бункер, т.к. сплошной массы пеллеты в топливопроводе нет, да еще и воздух дует навстречу возможному пути огня, поэтому питать котлы с пневмоподачей можно из открытого бункера, который загружается раз в месяц. Однако в том и другом случае горелка нужна чашечная (объемная, см. ниже) со шнековой подачей пеллеты из питателя, поз. 3 и 4; она технически сложна, а ее стоимость составляет не менее 1/3 всей системы питания котла.

В системах со шнековой подачей используются 2 отдельных механических узла (слева и в центре на рис.): забирающий шнек поднимает пеллету из бункера. Затем топливо падает в питатель (приемный бункер) горелки, где другой шнек толкает топливо в зону горения. Как ни странно, проскок горения в бункер при этом не исключен совершенно, т.к. в восходящей ветви топливопровода пеллета лежит сплошной массой, поэтому нисходящий участок топливопровода делают из плавкого (но не горючего!) либо термоусаживающегося материала. Если питатель загорится, он расплавится или оторвется и прервет путь огня. Система со свободным падением пеллеты в питатель (справа) используется реже вследствие меньшей пожаробезопасности, но зато может быть применена для питания гравитационных горелок, см. далее.

Примечание: иногда ради компактности топливный бункер водружают на котел, см. рис. справа. При этом система с принудительной подачей теряет свойство пожаробезопасности, т.к. восходящая ветвь топливопровода из тракта подачи исключается.

Серьезный недостаток систем с принудительной подачей пеллеты – их энергозависимость: нужно крутить 2 электромотора. Но тогда имеет смысл и горелку применить с принудительным наддувом, это повышает КПД котла на 3-7 процентных пункта, и подключить управляющую автоматику, см. далее. В холодных странах, греющихся привозным топливом или собственными отходами, экономия на отоплении за сезон в таком случае может составить сумму, окупающую стоимость горелки с котлом.

Горелки в системах с принудительной подачей используются шнековые объемные, т.е. пеллета в них также принудительно выдавливается в пиролизную камеру, а пиролизные газы сгорают в топке котла. Горелки с пламенной чашей (поз. 1 на рис.) постепенно выходят из употребления: при сбое автоматики (см. ниже) топливо в чаше коксуется, что означает внеочередную чистку или ремонт котла, а проскок огня в питатель не такое уж редкое явление и в моделях лучших производителей. Чистить горелку с чашей от остатков золы нужно, при питании штатным (рекомендованным производителем) топливом, раз в неделю.

Способы подачи топлива из питателя в пеллетную горелку

Горелки с подачей вторичного воздуха в дожигатель (поз. 2) или с ретортой, формирующей первичный и вторичный потоки непосредственно в чаше (поз. 3) лишены большинства этих недостатков. Горелка с дожигателем практически никогда не закоксовывается, но чистить ее вручную нужно все равно раз в неделю, а горелке с ретортой чистка нужна ежемесячная, да и то по результатам осмотра.

Примечание: по схеме с ретортой строятся также т. наз. каминные горелки с гравитационной подачей топлива для котлов и печей до 5 кВт, поз. 4 на рис.

Об автоматике

Горелки систем с принудительной подачей пеллеты не образцы для повторения начинающими не только из-за сложной механики. Все свои достоинства, в т.ч. безопасность, они показывают только под управлением микропроцессора, действующего от целого набора датчиков:

В дымоходе – дает не только наличие, но и величину тяги.
В топке – показывает температуру факела.
В системе отопления – дает температуру обратки.
В горелке, в зоне сжигания – показывает наличие и уровень топлива.
В питателе – то же.
В бункере – то же.

Микропроцессор, руководствуясь данными с датчиков, регулирует подачу и топлива, и воздуха по заданной пользователем с пульта программе, напр. «Зима», «Весна/осень», «Нижний уровень комфорта», «Дом пустует» и др. Именно одновременная согласованная регулировка подачи воздуха и топлива обеспечивает максимально возможный КПД котла на любых доступных пеллетах, это серьезное достоинство систем с принудительной подачей.

Гравитационные горелки

Гравитационная пеллетная горелка может быть выполнена энергонезависимой, т.к. топливо в ней сыплется прямо в пиролизную камеру, а наддув возможно обеспечить за счет тяги в дымоходе. Ввести гравитационную горелку в рабочий режим также возможно вручную, манипулируя всего лишь заслонкой на горелке и шибером (регулятором тяги в дымоходе). Однако стоит это несколько меньшего КПД котла и большей пожароопасности. Поэтому любая гравитационная горелка требует квалифицированного обслуживания. Будем надеяться, что данная статья поможет читателю и в этом.

Пеллетные горелки с гравитационной подачей топлива

Энергонезависимые гравитационные горелки с ручным управлением промышленностью не выпускаются: при неграмотном пользовании они чрезвычайно опасны. В продажу под названием гравитационных поступают полуавтоматические горелки с подачей топлива «самосыпом». Для предотвращения проскока огня в бункер либо ставят шлюз (слева на рис.) из термореактивных, т.е. расширяющихся при нагревании элементов, либо применяют схему с двойным колосником, справа. Подвижный колосник периодически отходит назад, берет порцию топлива и переносит ее в зону сжигания, одновременно выталкивая золу в зольник котла. Сложная горелка со шнеком в таком случае не нужна, но плоха эта схема тем, что зазор между колосниками быстро забивается остатками золы. Если подвижный колосник застрянет в заднем положении, проскок огня в бункер практически неизбежен, поэтому огневой шлюз в горелке с двойным колосником также необходим.

Без электричества

Самодельная пеллетная горелка может быть выполнена энергонезависимой, если ее сделать по корзиночно-факельной схеме:

Топливо сыплется непосредственно в пиролизную камеру, представляющую собой стальную перфорированную корзину. Корзину делают съемной, т.к. под каждый калибр (диаметр) пеллет нужна отдельная корзина.
Немедленный проскок огня в бункер до определенной степени предотвращает «третичный» воздух, подсасываемый через отверстия в питалеле.
Первичный воздух обеспечивает пиролиз топлива в корзине.
Пиролизные газы и вторичный воздух поступают в камеру сгорания, где и происходит основное горение.
Из камеры сгорания вырывается факел раскаленных газов, греющий котел.

Примечание: по описанной схеме строятся и некоторые фабричные горелки, в т.ч. хорошо себя зарекомендовавшие Пеллетроны. Но они ни в коем случае не энергонезависимы, т.к. снабжены встроенной автоматикой. ИБП (источник бесперебойного питания) для Пеллетронов можно приобрести опционально или использовать компьютерный.

Посматривая на Пеллетроны

Схема работы энергонезависимой пеллетной горелки с котлом дана слева на рис., а схема ее устройства и описание принципа действия – справа там же:

Устройство гравитационной пеллетной горелки

Непременное условие успешной эксплуатации – шибер в дымоходе с заведомо избыточной тягой. В режим такая горелка вводится довольно просто:

Полностью открывают шибер и воздушную заслонку горелки.
Открывают заслонку подачи топлива на бункере (она должна быть обязательно!)
Поджигают пеллету, немедленно прикрывают заслонку на горелке.
Наблюдая сквозь смотровое окошко котла (тоже обязательно), плавно и медленно открывают заслонку горелки, пока факел не разгорится и не появится облачко золы. Выдувания пеллет не допускать!
Шибером по термодатчику котла (или по виду факела) вводят горелку в рабочий режим.

Останов горелки также несложен:

По окончании цикла топки перекрывают подачу топлива на бункере.
Шибер открывают полностью.
Немедленно по открытии шибера (лучше – синхронно с ним) заслонку горелки прикрывают прим. на 3/4.
К профилактическим работам на горелке (если надо) приступают не ранее чем через 10 мин по исчезновении последних признаков горения.

Детали и размеры

Самая ответственная часть горелки – корзина. Ахиллесова пята самодельных корзин – застревание и закоксовывание пеллет в наклонной задней стенке, отчего пиролизный процесс нарушается и огонь идет в бункер. Чтобы избежать этого, прорези в задней стенке нужно делать не сплошные, а так, как показано на врезке справа вверху на рис. Размеры прорезей – на 2-3 мм меньше размера пеллет в плане. Зазор между задней стенкой и днищем корзины на 2 мм меньше калибра пеллеты, но не менее 6 мм. А вот прорези в передней стенке, отделяющей пиролизную часть от камеры сгорания, нужны как раз сплошные. Лучше даже, если они будут открыты снизу. Высота канала вторичного воздуха под днищем корзины для горелки на 15 кВт 28-30 мм. Наклон задней стенки 45 градусов. Такая корзина с лотком размерами в плане 130х130 мм и глубиной 100-120 мм как раз и сожжет 2-3 кг пеллет в час.

Чертежи гравитационной пеллетной горелки и бункера для нее

Не менее ответственная часть – бункер. Как раз в бункеры произвольной конструкции чаще всего и происходит проскок огня. К счастью, здесь мудрить не надо: бункеры от Пеллетронов, чертежи которых даны слева на рис., отлично себя показали. С горелкой на 15 кВт 34 кг бункер средней зимой в средней полосе обеспечивает суточную топку, а 17 кг полусуточную.

Размеры камеры сгорания можно взять от Пеллетрона 15 (выделено цветом справа на рис. Канал вторичного воздуха лучше сделать Г-образным с изломом вверх, это обеспечит активное его смешивание с пиролизными газами и немного больший КПД котла.

Камеру сгорания нужно делать из жаропрочной стали толщиной от 2 мм. Поскольку жаровая сталь варится плохо, надо вычертить развертку камеры, свернуть ее и стыки проклепать или проварить точечной сваркой. Кстати, настольный аппарат для точечной сварки тоже можно сделать своими руками в домашних условиях.

Примечание: еще об одном варианте самодельной гравитационной пеллетной горелки см. след. ролик:

Видео: гравитационная пеллетная горелка своими руками

Способ регулировки наддува пеллетной горелки

Возможные усовершенствования

Намного упростит запуск горелки и сделает ее безопаснее вследствие меньшей реакции на тягу в дымоходе наддув. Для 15 кВт горелки достаточно вентилятора на 20 Вт. Проще всего регулировать наддув от вентилятора-улитки, как показано на рис. справа.

Примечание: на форумах по пеллетному отоплению, напр. американском: donkey32.proboards.com, можно найти идеи поставить в котле элементы Пельтье и запустить от них для наддува 12 В компьютерный вентилятор. Во-первых, элементы Пельтье мигом сгорят и в дымоходе. Во-вторых, мощность компьютерного вентилятора на порядок меньше требуемой. В-третьих, без управляющей электроники, работающей от термопары в топке, система пойдет враскачку, т.к. получится – сильнее разгорелось, сильнее наддув, а надо наоборот.

Можно также таскать ведра с пеллетами не раз-два в сутки, а еженедельно или даже ежемесячно. Непременное условие, по правилам пожарной безопасности – котел должен находиться в отдельной несгораемой котельной. Тогда ставим большой бункер с долговременным запасом топлива, шнеком и свободным падением пеллет (см. выше), но не в питатель горелки, а в расходный бункер. В последнем – 2 датчика уровня топлива, верхний и нижний (лучше – оптопары). Мало топлива – мотор закрутил шнек, посыпал. Наполнился расходник – стоп! Ну, а если электричество пропало, придется уж таскать ведрами.

Делаем горелку своими руками

А как сделать пеллетную горелку? Камера сгорания делается из стальной трубы. Толщина стенок – 4 мм не меньше. Сталь жаропрочная и выдержит большую температуру. Прикрепление к корпусу котельной установки выполняется посредством фланцевой пластинки. Для изготовления потребуется сталь 3 мм. Конвейер для подачи пеллет лучше купить или использовать шнек.

Чтобы вращать механизм, нужны подшипники, низкооборотный двигатель (электрический) и редуктор. Вентилятор для подачи воздуха можно купить в магазине. Он закрепляется на пластике, в которой уже подготовлено место. Пластину делают на основе чертежа. Конфигурация зависит от самой дверки котла. Чертеж горелки можно увидеть на этом фото.

Обязательный шаг – отрегулировать количество поступающих пеллет и воздуха. Без этого устройство будет работать нестабильно или же постоянно на полной мощности. Чтобы менять интенсивность работы вентилятора и шнека можно установить ручной регулятор. В таком случае придется постоянно смотреть и настраивать горелку, с учетом температуры теплоносителя и воздуха.

Важно, чтобы при различных процессах работы, топливо и воздух были правильно подобраны. Только тогда факел будет ровным и устойчивым. Для этого не обойтись без автоматизированного устройства. Понадобится блок управления. Контроллер для горелки обладает свободными управляющими контактами, к которым и присоединяется электродвигатель от шнека и вентилятора.

Для автоматизации розжига пеллет и контролирования пламени, не обойтись без фотодатчика и электрического элемента накаливания. Фотодатчик следит за появлением устойчивого пламени и оповещает контроллер. Он вырубит элемент накаливания. А вот элемент накаливания нужен для поджига пеллет. Подающий патрубок оборудуется датчиком заполнения. Он прекращает подачу пеллет, когда шнек и верхний патрубок заполнен.