Cамодельная автоматика пеллетной горелки на базе Arduino nano
Всем привет, дорогие друзья. Данная статья не ориентирована на ярых программистов, крутых схемотехников и радиоэлектронщиков, поэтому и прошу сильно не критиковать за результаты.
Предыстория
Живу я в ПГТ, относительно недавно обустраиваемся в новом месте жительства. И вот, как бы начинается зима, а мы по старинке отапливаем дом дровами. На самоделку меня сподвигло не мое желание, так как мне и так неплохо было, а отец. Он решил сделать гранульную факельную горелку. Все бы ничего, да когда корпус был уже сварен, гранулы куплены, остаётся вопрос, как это все завести. Принято радикальное решение: шнек подачи движется благодаря моторчику дворника от ВАЗ, коих у нас много, ибо занимаемся ремонтом/разборкой авто, в случае чего можно заменить на такой же, не потеряв характеристики. А вот раздув осуществлён центробежным вентилятором печки от какого-то Ниссана, поломки которого боятся точно не стоит. Собрали, запустили, а управлять то как?
базовая схема для управления горением котла
Тут уже подключился я, который вроде как даже по диплому «программист», но к сожалению, забил болт на учебу, и естественно, являюсь обычным любителем всякой электроники и не более. Сходу и без разбора заказал реле времени для шнека и ШИМ-регулятор для вентилятора. Подключил, подобрал тайминги работы, но из-за столь простой «автоматики» начались бессонные ночи. А вдруг закипит, прорвет трубу, что дальше делать? А схема была действительно опасна, т.к. КПД котла получилось очень большим для нашей горелки, поэтому температура воды либо 60+, либо котел тухнет. Поэтому отец исправил сваркой систему воздухоснабжения, тем самым снизив минимальный порог температуры. Но теперь, фиг его знает, достаточно ли мощности для нужной температуры, или наоборот, а не закипит ли?
Температура, которую выдает сие изделие
И тут я вспомнил, что когда-то игрался с Ардуинкой. Ровно с того момента я подумал, а почему бы не запилить автоматику на ее базе? Да, я знаю, что доверять столь опасную приблуду ардуине — идея плохая. Но выбора у меня нет, ибо бюджет в зиму немного жмёт, да и заводская автоматика не столь прекрасна ( у друга моего отца именно такая, долго он с ней игрался). Как только я сообщил о этой идее отцу, сразу был поставлен ультиматум: тыжпрограммист, давай делай, иначе будешь сам ночами сидеть у котла и крутить настроечки котла, дабы не спалить все к чертям.
Схема, сборка, код и запуск
Задача поставлена, надо двигаться. Главный плюс в том, что моторы работают от 12В, как и ардуино с драйвером двигателя. Заказываю я Ардуину, реле с высоким порогом нагрузки (оказывается, моторчик дворника жрет ток, как голодная собака, 20 А блок не с самой большой лёгкостью переваривал ее), ну и ШИМ-контроллер моторчика L298N на 2 А, вентилятор печки не такой уж и прожорливый, к счастью(я так думал до реальных тестов). Датчик температуры взял ds18b20, не знаю почему. Приехали ко мне комплектушки, решил я поиграться, а оказывается, датчику температуры резистор нужен. Я расстроился и забыл на пару дней. Т.к. живу я в пригороде, магазинов радиоэлектроники у меня нет, а в город не особо нужно было, забыл я о проекте на недели две. Но вот, купил я наконец резисторы, собрал поигрался, в качестве индикатора работы прицепил компьютерный вентилятор к ШИМ, а к реле ничего не цеплял, т.к. у него есть индикатор работы в виде светодиода. Обрадовался, бегу хвастаться отцу, но случайно соприкоснув ардуино к чему-то металлическому, закоротил ее. Но я не отчаился, заказал ещё две штуки, и в нагрузку докупил дисплей 1602, а то как-то не по-боярски выходит, автоматика и без дисплея.
все нужные компоненты Список конкретных комплектующих:
В моем случае — Arduino Nano
Датчик температуры L298N
Резистор 4.7кОм для датчика
Твердотельное Реле SSR 40 DA
Дисплей 1602 с I2C переходником
Кучка беспаечных проводов (паять я не умею, поэтому собрал все на фишках и клеммах)
Сначала была взята коробка от роутера, а потом большая электрическая доза
И вот приехала ко мне пачка ардуин и дисплей — я принялся «кодить». Код к вечеру был готов, в качестве DIY коробки выбрал корпус от старого роутера, но не рассчитав высоту радиатора ШИМ-контроллера, удалил часть крышки, дабы она закрылась. С того момента было решено, что коробка тестовая, так как уже изуродована и я особо не старался над внешним видом.
Схема, сделанная моими кривыми ручками
По факту написания статьи долго игрался с ШИМ, а точнее с устранением шума, издаваемого с ардуино. Решил все библиотекой Gyver, которая увеличивает частоту ШИМ-сигнала. И раз уж полез менять код, который работает на трёхслойных матах и кривых руках, то решил сразу найти библиотеку, которая добавит русские символы в мой и так никудышний дисплей. спустя полчаса рысканий по просторам интернета, нашел подходящую библиотеку, которая подошла к моему I2C адаптеру дисплея.
Вот такие дела, народ, ну а теперь — выводы:
В итоге, что у меня есть: кнопка отдельной подачи пеллеты для розжига (над идеей авторозжига я думаю ещё), режим «разгона» температурного режима, путем быстрой подачи пеллет и высоких оборотов раздува, ну и температурные пороги в виде 60 и 80 градусов, в которых автоматика и работает. Если конкретней, то от 60 до 80 горелка работает в быстром режиме. Как только доходит до 80, то вплоть до 60 градусов снижает свою мощность, и все это до бесконечности: вверх-вниз. В качестве отсекателя всей электроники поставлю реле инкубатора, а то не доверяю своему коду. Естественно, все это отображается на дисплее, а именно: текущее состояние подачи( ожидание/подача), режим работы( разжигательный, нагрев, охлаждение), ну и конечно, температура, которая по ощущениям обновляется раз в 0.7-0.8 секунд. Один нюанс, подача реализована через delay(), из-за чего, во время подачи (6-8 секунд) ничего не происходит, кроме подачи, вплоть до вычисления температуры. Не думаю, что это столь критическая проблема, так как когда котел работает в режиме, за эти 6-8 секунд он даже 0,2 градуса не наберёт/скинет. А на этом всё, если вам тема будет интересна, то попробую реализовать систему авторозжига и систему тушения (путем прекращения подачи и продувки на максимальной мощности). Да и вообще, голове куча идей, нужна только мотивация и хоть какой-то бюджет, для их реализации. Благо, ещё одна ардуина осталась, можно что-то да придумать.
Источник
Как сделать пеллетный котел
Из всех водогрейных отопительных установок, сжигающих различные виды твердого топлива, самым совершенным по праву считается пеллетный котел. И неудивительно, ведь эффективность сжигания пеллет очень высока, а степень автоматизации агрегата позволяет не вмешиваться в его работу неделями, только бы хватало объема загрузочного бункера. Но все эти достоинства оборачиваются и другой стороной – приличной стоимостью оборудования, в число которого входит не только сам отопитель, но и топливный бункер со шнековым конвейером. Однако, есть возможность стать счастливым обладателем столь высокотехнологичного агрегата, заплатив за него вдвое дешевле. Для этого придется сделать пеллетный котел своими руками, эту тему мы и разберем в данном материале.
Устройство и принцип работы пеллетных котлов
Чтобы смонтировать самостоятельно подобную твердотопливную установку, нужно будет хорошо потрудиться, а для начала разобраться, как она работает и из чего состоит. Сердцем пеллетного агрегата является горелочное устройство, что выполняет практически все основные функции и связано с контроллером котла, действуя по его командам. Горелки, предназначенные для сжигания пеллет, бывают двух типов:
Разница между ними заключается в следующем. Ретортная пеллетная горелка представляет собой чашу (реторту), наполняемую снизу топливом посредством шнека, а воздух в зону горения подается вентилятором через отверстия, расположенные по бокам чаши. При работе столб пламени направлен вверх, что должна учитывать конструкция котла.
Факельное горелочное устройство – это труба, она же – камера сгорания, где с одного торца происходит шнековая подача пеллет, а из другого выходит мощный факел пламени, направленный горизонтально. Это достигается нагнетанием воздуха в камеру с той же стороны, что и топлива.
Примечание. Горелки факельного типа применяются чаще ретортных, так как у последних случаются проблемы с подачей пеллет низкого качества. Для сборки котельной установки своими руками также предпочтительнее использование факельного горелочного устройства, ниже мы обоснуем почему.
В дальнейшем мы будем рассматривать работу агрегата с факельной горелкой, поскольку для нашей цели данная конструкция подходит лучше. Итак, камера сгорания в виде трубы находится внутри котла, а наружная часть горелки состоит из корпуса с подающим шнеком и вентилятором для нагнетания воздуха. Для функционирования электрического розжига и поддержания пламени в конструкцию также входит плата управления, фотодатчик и элемент накаливания. В верхней части корпуса находится патрубок топливоподачи.
Процесс происходит так: по команде контроллера шнек подает в камеру небольшое количество пеллет и останавливается. Включается элемент накаливания и одновременно с ним вентилятор, вызывая возгорание топлива. Появление устойчивого пламени фиксирует фотодатчик, и извещает об этом блок управления, а тот выключает элемент накаливания. Дальше начинается работа в обычном режиме, шнековый конвейер возобновляет подачу, а вентилятор нагнетает требуемое количество воздуха. По команде того же контроллера в горелку через патрубок насыпаются пеллеты, перемещаемые туда из загрузочного бункера внешним шнековым конвейером.
Примечание. Многие производители используют топливный бункер, закрепленный прямо над патрубком горелки, что позволяет пеллетам самостоятельно ссыпаться в него без дополнительного конвейера.
Теперь стоит рассмотреть устройство пеллетного котла в целом. Конструкция корпуса агрегата типична для всех твердотопливных установок, она представляет собой внутреннюю камеру из стали либо чугуна, заключенную во внешний кожух, заполненный водой, — водяную рубашку. Для отбора теплоты у дымовых газов конструкцией может быть предусмотрено 2 типа теплообменников:
В водотрубном теплообменнике теплоноситель протекает через трубы, омываемые продуктами горения и передающие ему свое тепло. Но такое устройство нечасто встречается в твердотопливных котлах, обычно в них все наоборот: дымовые газы проходят сквозь трубы, отдавая энергию горения водяной рубашке, это и есть жаротрубный теплообменник. Чтобы работа котла была эффективной, теплообменник делается двух – или трехходовым. Это значит, что дымовые газы, проходя по жаровым трубам, дважды или трижды меняют свое направление на противоположное, делая 2 или 3 хода. Это позволяет отдать им максимум тепла водяной рубашке, а на выходе в дымоход получить температуру не более 150 ºС.
Рабочий процесс происходит так: горелка сжигает топливо и нагревает стенки камеры, а те прогревают теплоноситель. В свою очередь, продукты горения под воздействием естественной тяги и работы вентилятора проходят сквозь жаровые трубы, также отдавая теплоту водяной рубашке, и выбрасываются в дымоход. Интенсивность горения управляется контроллером по сигналу датчика температуры, погруженного в теплоноситель на выходе из агрегата. В том и заключается принцип работы пеллетных котлов, чтобы автоматически регулировать процесс сжигания и по необходимости увеличивать или уменьшать подачу топлива и воздуха в горелку.
Рекомендации по изготовлению котла
Первое, что следует сделать – это выбрать конструкцию агрегата. Здесь рекомендации следующие: не усложнять себе работу и подобрать устройство котла с учетом перспективы. Простыми словами, стоит отделить те элементы, что можно изготовить самостоятельно от других, которые придется приобрести. К последним относится горелочное устройство с набором автоматики.
Некоторые мастера-умельцы предлагают делать и горелку своими руками, но этот узел достаточно сложен, на него можно потратить массу времени и усилий, а в результате функционирование и расход пеллетного котла будут непредсказуемыми. Наверняка проще купить готовое изделие и поставить его в самодельный агрегат, но этот вопрос каждый решает для себя сам.
Чтобы подобрать конструкцию с учетом перспективы, нужно сделать ее универсальной. То есть, предлагается изготовить самодельный пеллетный котел по образу обычного твердотопливного агрегата, в котором есть возможность сжигать дрова и уголь. В сущности, теплообменные процессы, происходящие в обоих видах отопителей, идентичны, отличается лишь топливо и способ его сжигания, что показано на рисунке:
Итак, смело принимаем конструкцию традиционного твердотопливного котла с возможностью встраивания вместо загрузочной дверцы горелочного устройства на монтажной пластине. Это даст следующие преимущества:
- Поскольку изготовление пеллет пока не очень распространено в нашей стране и с топливом возможны перебои, то можно в любой момент снять пеллетную горелку и обогревать жилище с помощью дров или угля.
- Появится возможность использовать природный газ или солярку, поставив вместо пеллетной горелки газовую или дизельную.
Для топки котла лучше всего взять жаропрочную сталь толщиной 5 мм. Идеальный вариант – сталь, легированная хромом и молибденом (нержавейка), но она достаточно дорога, а для ее сваривания требуются особые навыки. По этой причине пеллетные котлы изготавливают из обычной углеродистой стали Ст20, а для кожуха водяной рубашки подойдет марка Ст3 толщиной 3 мм. Из такого же металла, что и камера сгорания, предпочтительнее взять заготовки для дверец и жаровые трубы для теплообменника. Колосниковую решетку вырезают из стали толщиной 10 мм или просто покупают готовую. Ну и для патрубков дымохода и теплоносителя понадобятся отрезки труб соответствующих диаметров.
Сборка производится посредством сварки, используя чертежи пеллетного котла. Особое внимание следует уделить ужесточению стенок водяной рубашки отрезками стальной полосы или уголка, а также съемной конструкции загрузочной дверцы. По окончании сварные швы нужно обязательно испытать на проницаемость и устранить недостатки.
Обвязка пеллетного котла
На практике монтаж пеллетного котла мало чем отличается от установки других твердотопливных «собратьев». Тут основная задача – правильно разместить все оборудование вместе с устройствами топливоподачи. Помните, что между блоками агрегатов требуется соблюдать проходы шириной не менее 700 мм, а перед лицевой панелью агрегата должно быть пространство 2 м.
Если при розжиге любого твердотопливного котла после остановки внутрь подавать теплоноситель из системы отопления, то на внутренних стенках топки образуется токсичный конденсат вперемешку с золой и сажей. Чтобы не допустить этого процесса, со временем разрушающего металл, при монтаже используются схемы обвязки пеллетных котлов со смесительным узлом.
Здесь главную роль играет трехходовой клапан, чьей задачей является не допустить попадания в рубашку агрегата теплоносителя из системы до тех пор, пока он не прогреется. В это время вода, побуждаемая насосом, циркулирует по малому кругу из подающего трубопровода прямо в обратный через трехходовой клапан. Как только она достигнет установленной температуры, клапан начнет подмешивать в обратку воду из системы, в конце концов перекрыв движение по малому кругу. При этом обвязка котла, работающего на пеллетах, должна предусматривать установку насоса на обратном, а не подающем трубопроводе. Не следует забывать и о группе безопасности с предохранительным клапаном и манометром, которую нужно ставить на выходном патрубке отопителя.
Заключение
Как показывает практика, самодельные котлы, работающие на пеллетах, по своему КПД уступают установкам заводского изготовления, зато превосходят их доступной стоимостью и надежностью. Последняя достигается толщиной конструктивных элементов из металла.
Источник