Caldaia a pirolisi fai-da-te: struttura, schemi, principio di funzionamento

Il termine 'pirolisi' indica un processo in cui avviene una combustione lenta del combustibile solido con produzione di un ambiente gassoso. Nonostante il nome 'accademico' del dispositivo, realizzare una caldaia a pirolisi fai-da-te è relativamente semplice, e le realizzazioni fai-da-te si incontrano abbastanza spesso nella pratica.

La spiegazione è semplice: una caldaia a gasogeno a legna è più facile da manutenere, spesso più efficiente ed economica rispetto ad altre apparecchiature simili. Analizziamo insieme come funziona tale apparecchiatura e cosa sarà necessario per la sua costruzione.

Principio di funzionamento delle caldaie a pirolisi

Le caldaie per sistemi di riscaldamento che utilizzano combustibili solidi come carburante, oltre ai modelli classici, includono anche i modelli a pirolisi. Di solito vengono chiamate caldaie a gasogeno.

Per comprendere meglio il principio di funzionamento di una caldaia a pirolisi domestica, è opportuno esaminare attentamente la struttura di tale apparecchiatura. Iniziamo dalle caratteristiche del focolare come parte principale della struttura riscaldante. In sostanza, l'area operativa della camera di combustione delle caldaie a pirolisi è suddivisa in due camere separate.

Struttura della caldaia a pirolisi in sezione: 1 – camera di carico (passiva), dove avviene il processo di pirolisi (combustione incompleta); 2 – camera di combustione del gas (attiva), che si forma durante la pirolisi

Una di queste camere viene caricata con combustibile solido – legna, pellet, bricchetti, ecc. Qui inizia il processo primario di combustione del combustibile solido con apporto d'aria limitato. In questo stato il combustibile non brucia, ma cova. I gas rilasciati durante la combustione lenta entrano in un'altra area della camera – attiva, dove, con un maggiore apporto d'aria, bruciano intensamente.

Tecnicamente, un simile processo di combustione viene realizzato in modo semplice. Le sottoaree della camera comune sono semplicemente separate da una griglia e da un ugello. La parte superiore della camera è il focolare passivo, la parte inferiore è il focolare attivo. Va considerata una caratteristica costruttiva: l'alimentazione d'aria superiore nella camera di combustione (tiraggio superiore).

In effetti, è in questo che la struttura della caldaia a gasogeno differisce dal classico progetto monocamera, dove viene utilizzata l'alimentazione inferiore.

Classico design di una pompa ad aria (spesso chiamata ventilatore, ma tecnicamente è un nome errato) utilizzata nello schema della caldaia a pirolisi. Questo è un componente importante che garantisce l'efficienza del funzionamento dell'apparecchiatura.

Dal punto di vista tecnologico, per le caldaie a pirolisi è caratteristica anche l'organizzazione del tiraggio forzato. Il design della camera di combustione a due stadi presenta una resistenza aerodinamica elevata. Pertanto, è indispensabile installare una pompa ad aria.

Come funziona la caldaia nella pratica?

L'applicazione pratica dell'apparecchiatura può essere esaminata comodamente tramite un processo passo-passo:

1. Caricamento della legna – posizionamento sulla griglia della parte superiore della camera.
2. Accensione del combustibile e avvio della pompa dei fumi.
3. Formazione del gas di legna a temperature di 250-850 °C.
4. Passaggio del gas di legna nella zona inferiore della camera di combustione.
5. Combustione del gas di legna con apporto aggiuntivo di aria.

Successivamente, il calore ottenuto nella zona inferiore della camera di combustione viene utilizzato per riscaldare il fluido termovettore. Il fluido termovettore può essere sia acqua che aria.

1 – camera attiva; 2 – ingresso acqua; 3 – aria secondaria; 4 – camino; 5 – tubo di uscita; 6 – valvola a farfalla; 7 – uscita acqua; 8, 9 – sensori; 10 – termoregolatore; 11 – porta della camera passiva; 12 – aria primaria; 13 – camera passiva; 14 – pompa ad aria; 15 – circuito dello scambiatore di calore; 16 – ugello; 17 – porta della camera attiva

Se si presta attenzione a tutte le costruzioni esistenti di caldaie domestiche a combustibile solido, la principale alternativa alla caldaia a pirolisi è la costruzione di tipo tradizionale.

Si tratta di una variante simile di caldaia a legna, in cui opera un unico focolare non diviso e si applica il principio dell'immissione dell'aria dal basso nella camera di combustione. Ma questo sistema è considerato meno efficiente e poco economico a causa della rapida combustione del combustibile.

La caldaia a pirolisi è in grado di raggiungere un rendimento del 85-95% con un carico al 100%. Tuttavia, il rendimento diminuisce drasticamente se il carico è inferiore al 50%. Per questo motivo, i produttori di apparecchiature a pirolisi raccomandano agli utenti di utilizzare l'apparecchiatura al massimo carico.

Un approccio analogo vale anche per le costruzioni fai-da-te, a condizione che corrispondano completamente allo schema classico di pirolisi e ai requisiti di funzionamento.

Per la «pirolisi», va notato, i requisiti di funzionamento sono piuttosto severi:

• dotazione obbligatoria di una pompa ad aria;
• umidità consentita del combustibile non superiore al 25-35%;
• carico dell'apparecchiatura non inferiore al 50%;
• temperatura del fluido termovettore di ritorno non inferiore a 60 °C;
• caricamento solo con pezzi di combustibile di grandi dimensioni.

Si deve anche notare il costo elevato dei sistemi di pirolisi di fabbricazione industriale. Probabilmente per questo motivo è molto popolare l'opzione “fai da te”.

Caldaia a pirolisi fatta in casa

Generalmente, per la realizzazione fai-da-te di un simile impianto di riscaldamento, si prende come base il popolare schema Beljaev. Non si può dire che si tratti di una soluzione semplice che consenta di costruire un riscaldatore senza problemi, ma è probabilmente una di quelle soluzioni che si possono davvero mettere in pratica.

Schema tridimensionale di una caldaia a pirolisi per la produzione fai-da-te. È una delle varianti schematiche più semplici che si possono realizzare autonomamente in condizioni domestiche.

Per la produzione dell'attrezzatura secondo questo schema, il tecnico avrà bisogno di:

• tubo metallico (d = 32; 57; 159 mm);
• tubo profilato (s = 60x30; 80x40; 20x20 mm);
• nastro d'acciaio (20x4; 30x4; 80x5 mm);
• mattone refrattario;
• lamiera metallica;
• pompa ad aria;
• sensore di temperatura.

È inoltre necessario disporre di un set completo di utensili da fabbro, oltre a una saldatrice (e competenze da saldatore, rispettivamente). Il lavoro di costruzione di una caldaia a pirolisi fai da te non può chiaramente essere svolto da una sola persona. Come minimo è necessario un assistente.

Per prima cosa, in base allo schema scelto, è necessario preparare i componenti in lamiera della struttura. Si consiglia di predisporre i pannelli in lamiera tagliandoli a misura con attrezzature professionali di precisione.

L'uso di utensili manuali come la «smerigliatrice angolare» per il taglio richiede anche alcune competenze e l'osservanza delle norme di sicurezza durante il lavoro, ma non garantisce la precisione del taglio, che successivamente influisce sulla qualità della saldatura. Questo aspetto va considerato. Una soluzione ragionevole per il taglio delle lamiere è ordinarlo in un'officina meccanica.

Assemblaggio delle parti interne dell'apparecchiatura

Con una parte delle lamiere metalliche bisogna realizzare la camera di combustione. A tale scopo, il materiale, in base ai parametri dello schema, viene unito e saldato. Si deve ottenere una struttura a due camere, che va completata con condotti d'aria.

Questi elementi della camera di combustione sono realizzati in profilato metallico a C oppure si utilizza un tubo profilato. Sull'intera superficie del lato frontale del condotto d'aria vengono praticati dei fori.

Canali d'aria all'interno della camera di combustione. Attraverso questi canali l'aria viene fornita tramite la pompa ad aria. Per distribuire uniformemente il flusso d'aria lungo l'intera lunghezza del canale, vengono praticati dei fori.

Più in basso, nella zona attiva della camera di combustione, sulla parete posta perpendicolarmente ai condotti d'aria, viene inserito un tubo metallico (secondaria alimentazione d'aria). Quindi si inizia a lavorare con i tubi, perché è il momento di assemblare lo scambiatore di calore a tubi.

Questa parte del sistema di pirolisi è realizzata con tubi metallici d=57 mm:

1. Si prendono due lamiere metalliche delle dimensioni del disegno e si traccia la marcatura.
2. In base alla marcatura per la posizione dei tubi, si tagliano fori di diametro 60 mm sulla lamiera.
3. Si tagliano i tubi di diametro 57 mm alla lunghezza appropriata.
4. Le estremità dei tubi vengono inserite nei fori di una lamiera e saldate.
5. Si ripete l'operazione con l'altra lamiera.

Il risultato finale deve essere uno scambiatore di calore finito, che viene fissato al corpo della caldaia dove indicato nello schema.

Esempio di realizzazione di uno scambiatore di calore con due lamiere d'acciaio e tubi tagliati a misura. Qui è necessaria una saldatura di qualità per evitare problemi futuri durante il funzionamento della caldaia.

Accanto allo scambiatore di calore (a livello superiore) viene installata una serranda di regolazione. Questo componente è dotato di maniglia e viene saldato alla struttura. La parte terminale del corpo della serranda viene chiusa con un pezzo di lamiera con un raccordo per il camino.

Successivamente, resta solo da saldare il pannello frontale della camera di combustione con finestre per le porte di ciascuna delle due sezioni e il modulo per la pompa dell'aria.

Scambiatore di calore installato e parte della struttura della serranda di regolazione. Variante del meccanismo di regolazione a leva manuale con possibilità di fissare la serranda in qualsiasi posizione.

Prima di installare il pannello frontale, la parte interna delle camere di combustione deve essere rinforzata con mattoni refrattari. Questo materiale viene tagliato a misura, in parte ad angolo. I mattoni vengono levigati e adattati al punto di posa.

Entrambe le sezioni operative della camera di combustione della caldaia vengono rivestite con mattoni refrattari. Con cura vengono rivestite le aree delle serrande dei tubi di scarico (o aspirazione) dell'aria. Dopo la posa dei mattoni, viene installato il pannello frontale.

Esempio di rivestimento con mattoni refrattari dell'area interna della camera di combustione. Il rivestimento in mattoni protegge le pareti della camera della caldaia a pirolisi da eventuali bruciature durante il funzionamento a lungo termine.

In sostanza, l'assemblaggio principale della caldaia a pirolisi può considerarsi completato in questa fase. La struttura assemblata deve essere trattata: rimuovere le scorie di saldatura, pulire le saldature, livellare eventuali piccole irregolarità.

Nella fase successiva, la struttura assemblata viene racchiusa in un involucro ermetico. Questa parte della struttura è anch'essa realizzata in lamiere metalliche. Tuttavia, prima è necessaria una prova di tenuta.

Test e assemblaggio finale della struttura

La struttura assemblata deve essere testata. Azioni obbligatorie: verifica della tenuta stagna dell'area della caldaia in cui deve circolare il fluido termovettore. Per eseguire la prova di tenuta dello scambiatore di calore, vengono temporaneamente installati tappi sui tubi di mandata e di ritorno del fluido termovettore.

Quindi lo scambiatore di calore viene riempito d'acqua. Si consiglia di utilizzare acqua calda proveniente dalla rete di riscaldamento o dall'acqua calda sanitaria, per poter verificare le saldature in condizioni di dilatazione termica del metallo.

La parte anteriore della struttura quasi completata con i condotti di uscita per l'alimentazione dell'aria nelle camere di lavoro. Le finestre delle sezioni della camera di combustibile sono ancora senza sportelli. Questa struttura sarà rivestita con lamiere della carrozzeria.

In assenza di perdite lungo le saldature dello scambiatore di calore, l'acqua viene scaricata e si procede alla cornice della struttura della caldaia a pirolisi con pannelli metallici esterni. Inoltre, in questa fase, vengono realizzate e montate le porte delle finestre delle sezioni della camera di combustione.

Le porte dell'impianto di pirolisi devono essere realizzate tenendo conto delle condizioni operative ad alta temperatura. Pertanto, questi elementi strutturali vengono realizzati (o utilizzati già pronti) solitamente in ghisa con un ulteriore rinforzo termico in mattoni refrattari di chamotte.

Esempio di costruzione della porta di una delle sezioni della camera di combustibile della caldaia a pirolisi. Per rafforzare la protezione dall'alta temperatura del processo di combustione, oltre al metallo viene utilizzato il mattone refrattario di chamotte.

La fase finale è l'installazione della caldaia a pirolisi nel luogo della sua futura operatività. Il montaggio della struttura viene effettuato su una fondazione o su una soletta in cemento. Si consiglia di mantenere l'altezza della fondazione (soletta) rispetto al livello del suolo non inferiore a 100 mm.

Dopo l'installazione e il bilanciamento dei livelli, la parte inferiore della caldaia viene fissata alla fondazione. Resterà da collegare il camino, installare la pompa dell'aria e collegare le linee di ingresso/uscita del fluido termovettore.

Caldaia a pirolisi completamente chiusa in un corpo metallico e pronta per l'installazione nel luogo di lavoro. Come elementi di supporto per il fissaggio, sul corpo sono saldati ganci angolari.

Realizzare autonomamente la struttura della caldaia a pirolisi è un lavoro che richiede un notevole investimento di forze. Naturalmente, non si può fare a meno di spese generali in termini di risorse finanziarie.

Possibilmente, per l'acquisto di materiali e per il ricorso a servizi esterni, i costi potrebbero essere inferiori rispetto al prezzo delle apparecchiature di produzione industriale. Tuttavia, la differenza molto probabilmente non sarà così significativa. Ma la questione principale non è il denaro.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Sulla realizzazione autonoma della caldaia a pirolisi:

Tecnicamente, la produzione autonoma di caldaie a pirolisi senza disporre di una base adeguata è un processo estremamente complesso. Sono inoltre necessarie competenze professionali nella lavorazione dei metalli, una chiara comprensione degli schemi ingegneristici e delle sottigliezze tecnologiche della produzione di apparecchiature per caldaie. Senza tutto ciò, non vale nemmeno la pena intraprendere il lavoro.

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