Forno com circuito de água para aquecimento doméstico: características do aquecimento a forno + escolha da opção ideal

Lenha e carvão continuam sendo, em muitas regiões, os tipos de combustível mais acessíveis com os quais são aquecidas casas particulares. No entanto, o aquecimento por fogão é escolhido não apenas pelo baixo custo e ampla disponibilidade do energético, mas também pelo baixo preço de sua instalação.

Além disso, apesar de muitas vantagens, o fogão com circuito de água para aquecimento da casa também tem muitos contras. Nem sempre essa opção é a ideal. Vamos tentar entender as nuances desse sistema de aquecimento.

Características do aquecimento baseado em fogão

O aquecimento a fogão é a norma nas aldeias russas, cuja confiabilidade e praticidade foram testadas por séculos. E hoje em muitas casas rurais existem fogões com fogão para cozinhar e forno para assar pão.

Alguns deles são equipados com circuito de água do sistema de aquecimento, outros não. Mas os proprietários de residências rurais não têm pressa em descartá-los e trocá-los por caldeiras modernas. Ainda não foi inventada uma forma de aquecimento mais confiável e sem problemas.

Sem um circuito de água pela casa, o fogão a lenha consegue aquecer apenas um pequeno espaço ao seu redor. Para aquecer um ou dois cômodos, essa opção é aceitável, mas para uma grande casa de campo já não.

Como combustível em tais fogões rurais, queima-se:

• carvão;
• turfa;
• lenha;
• briquetes (lenha ecológica).

Não há diferença fundamental entre esses tipos de combustível do ponto de vista da estrutura interna do fogão e da distribuição do sistema de aquecimento de água pela casa particular. Alguns dão mais calor, outros queimam por mais tempo. Mas a construção da fornalha e o esquema de distribuição dos tubos com fluido térmico pelos cômodos são iguais em todos os casos.

Ao escolher o aquecimento a fogão, não se deve esquecer das normas de segurança contra incêndio para a construção de fogões de tijolo – somente a sua observância rigorosa permitirá minimizar o risco de incêndio.

Entre as vantagens do aquecimento a fogão estão:

• ausência de dependência da presença de eletricidade na rede;
• custo relativamente baixo da instalação do sistema de aquecimento;
• baixo custo do combustível sólido e possibilidade de usar diferentes tipos;
• extrema simplicidade de operação;
• longa liberação de calor (para construções de tijolo);
• Versatilidade – adequado tanto para aquecimento quanto para cozinhar.

Se uma casa particular não puder ser conectada ao gás de rede, um fogão a lenha será a melhor escolha para o seu aquecimento.

A única exceção é quando o carvão ou a lenha não estão disponíveis em uma determinada região. Mas essa situação na Rússia é mais uma exceção do que uma norma.

As duas principais desvantagens dos fogões com circuito de água são a impossibilidade de automatização do funcionamento e a dificuldade de regular a transferência de calor em cômodos individuais.

Também é necessário mencionar as desvantagens do aquecimento por fogão:

• longo aquecimento do sistema até o início da transferência de calor;
• perda de muito espaço útil na casa devido à massa do fogão;
• grande peso da estrutura do fogão de tijolos;
• baixa eficiência devido à perda de uma quantidade significativa de calor pela chaminé;
• alto risco de incêndio se usado incorretamente.

Um fogão de tijolos para aquecimento e cozinha em uma casa particular com aquecimento a água, dependendo do design e do número de fileiras, pode pesar de 1,5 a 10 toneladas. Além disso, adiciona-se o peso da chaminé.

A fundação para essa massa precisa ser robusta e cara, o que também pode ser considerado uma desvantagem dos sistemas de aquecimento em questão.

Estrutura do aquecimento de água por fogão

O fogão para o sistema de aquecimento em questão, idealmente, deve ser projetado e construído ao mesmo tempo que a casa. Se a construção residencial já foi erguida, instalar um fogão de tijolos será difícil. E muitas vezes é impossível devido à necessidade de fazer uma fundação sólida e reconstruir o sistema de vigas.

Um fogão para aquecimento a água em uma casa particular pode ser feito não apenas de tijolos, mas também de aço, na forma de um fogão de metal com tubos de troca de calor ao redor da fornalha para aquecer o fluido de transferência de calor.

O aquecimento a água baseado em fogão consiste em:

• o próprio fogão (metálico ou de tijolos);
• trocador de calor dentro ou ao redor da fornalha do fogão, bem como na forma de uma serpentina ao redor da chaminé;
• circuito distribuído pela casa com fluido de transferência de calor e tanque de expansão no sótão.

Também em alguns casos, este sistema de aquecimento é complementado por uma bomba de circulação e um acumulador hidráulico. No entanto, essa versão expandida é usada muito raramente, pois requer alimentação elétrica ininterrupta e aumenta o custo de todo o sistema.

E a principal vantagem do aquecimento a água por fogão é o baixo custo do dispositivo. Não vale a pena complementá-lo com elementos caros e propensos a quebras.

Esquema de circulação de água no circuito

O sistema de aquecimento a água em residências é construído com circulação natural (gravitacional) ou forçada do fluido de transferência de calor. Se for baseado em um fogão a lenha, o melhor é dar preferência à primeira opção.

O esquema de distribuição com circulação natural de água é mais barato em comparação com o análogo forçado e, ao contrário deste, não requer fornecimento de eletricidade.

Recomenda-se instalar aquecimento a fogão a água apenas em casas térreas com área de até 150 m². Nesse caso, pode-se torná-lo gravitacional sem bombas adicionais.

Se for necessário aquecer uma casa com dois ou mais andares, é melhor fazê-lo com base em uma caldeira mais potente. O fogão para tais construções teria que ser construído simplesmente enorme, o que é caro de implementar. Além disso, seria necessário colocar grandes quantidades de combustível nele a cada vez. E fazer isso é altamente desaconselhável devido ao aumento dos riscos de incêndio.

O sistema clássico de aquecimento a fogão com circulação natural de água consiste em:

• trocador de calor no interior do fogão;
• circuito de tubulação metálica;
• radiadores (geralmente substituídos por tubos grossos nos cômodos);
• tanque de expansão.

Se você decidir fazer o aquecimento a água em uma casa de campo você mesmo, é melhor projetá-lo exatamente de acordo com este esquema. A instalação e o cálculo desta opção são mais fáceis de realizar do que com circulação forçada de água.

O sistema com bomba de circulação é mais adequado para caldeiras; baseado em um fogão, ele perde sua maior eficiência de transferência de calor.

Se a caldeira é automatizada e aquece a água constantemente conforme necessário, o fogão a lenha é aceso uma ou duas vezes por dia. É nesses momentos que o fluido térmico na fornalha do fogão é aquecido para liberar calor nos ambientes. Depois disso, fazê-lo circular pela bomba através dos tubos do circuito é inútil. A água não será aquecida por nada na fornalha fria.

Ao optar por um fogão a lenha ou carvão, os proprietários de casas particulares geralmente esperam obter um sistema de aquecimento autônomo. Se você instalar nele equipamento de bombeamento que requer energia elétrica para funcionar, será difícil falar em autonomia.

Fogão – de tijolo ou metal

O fogão de tijolo demora mais para aquecer, mas também libera calor por mais tempo ao espaço ao redor. O análogo de aço, ao contrário, aquece rápido e também esfria rapidamente após a queima do combustível. Esse problema é parcialmente resolvido pela presença de grandes volumes de fluido térmico no circuito de água.

No entanto, quanto mais água é necessário armazenar no sistema, mais cara ela fica em termos de materiais.

O fogão metálico tipo 'burzhuyka' com serpentina de água para o circuito de aquecimento em casas particulares pode ser colocado diretamente sobre o piso de madeira sem a construção de uma fundação especial.

Fogão de aço para aquecimento a água com potência de 5–15 kW – sem combustível e água, é uma estrutura de 100–300 kg. Esse tipo de fogão 'burzhuyka' pode ser colocado sem preocupação sobre vigas reforçadas. As fundações para fogões precisam ser concretadas quando o fogão pesa mais de 700–800 kg. Agora, se for de tijolo, não há como evitar trabalhos de concreto.

Em comparação com a metálica, a fornalha de tijolo pesa mais, custa mais caro e é mais complexa de instalar. No entanto, tem maior eficiência e menores riscos de congelamento do circuito com ruptura de tubos devido à formação de gelo interior. Se a decisão for fazer uma instalação definitiva para você e para residência permanente, a recomendação é optar pela versão de tijolo.

Tubos – aço inoxidável ou metal-plástico

Se o sistema de aquecimento é baseado em uma caldeira de água quente, a sua tubulação pode ser feita não apenas com tubos de aço, mas também com tubos de metal-plástico e polipropileno. No entanto, se a água for aquecida por uma fornalha a lenha, o circuito com o fluido de transferência de calor deve ser construído apenas com aço inoxidável.

Com uma grande carga de lenha, a água no serpentino da fornalha pode aquecer rapidamente até 100 graus e ferver. Apenas o aço é capaz de suportar tais temperaturas por um longo período.

O metal-plástico é projetado para funcionar com fluido de transferência de calor aquecido a 90–95 °C. Temporariamente, ele pode suportar aquecimento até 110–120 °C. No entanto, os controles automáticos das caldeiras e aquecedores de água já não permitem o aquecimento da água a esses graus. Para pisos aquecidos, a água é aquecida a 30–45 °C, e para radiadores, a 60–65 °C.

No entanto, no caso de uma fornalha a lenha, temperaturas próximas a cem graus não são apenas possíveis, mas bastante frequentes. Não é recomendado arriscar e jogar roleta-russa ao fazer a tubulação dessa fornalha com tubos de metal-plástico. O melhor é preferir o aço inoxidável mais confiável.

Além disso, os tubos que saem da fornalha do serpentino para conectar os tubos do circuito certamente aquecerão a temperaturas extremamente altas. Eles estão a menos de meio metro do fogo aberto. Conectar quaisquer tubos plásticos a eles é perigoso devido ao risco de derretimento destes.

Transferência de calor – radiadores ou registo

O fornecimento de calor da fornalha para o circuito de aquecimento ocorre em porções de várias horas, enquanto a lenha ou o carvão queimam na fornalha. Se houver pouca água no sistema de aquecimento, a casa esfriará rapidamente. Por isso, nas áreas rurais, esse tipo de aquecimento geralmente é feito com tubos de aço grossos, e não com radiadores mais comuns para os citadinos. O registro de aquecimento para fornalhas a lenha é simplesmente ideal.

O esquema clássico de aquecimento a água por fornalha com circulação natural pressupõe contato direto da água com a atmosfera através de um tanque de expansão, mas o ar no fluido de transferência de calor é contraindicado para radiadores comuns.

Um tubo de aço inoxidável de 80–120 mm de diâmetro instalado pela casa é um registro de aquecimento, composto pela alimentação da fornalha e pelo retorno a ela. Na sala mais distante da fornalha, essas linhas são unidas, e nos demais cômodos são dispostas como duas tubulações ao longo das paredes externas.

O registro não parece tão estético quanto o radiador. No entanto, a primeira opção é muito mais barata e mais fácil de fazer você mesmo do que a segunda. Para implementá-lo, você só precisa ter experiência com um aparelho de solda.

A área de transferência de calor para tal circuito é calculada multiplicando o número PI pelo diâmetro e comprimento do tubo. Além disso, nos cálculos, você deve levar em consideração a pressão térmica na alimentação e no retorno, bem como a distância vertical entre as tubulações.

No entanto, muitas vezes esses cálculos não são realizados, mas sim um tubo com diâmetro de 80–100 mm é colocado ao redor do perímetro de todo o edifício residencial, com um laço na sala mais distante. Nesse caso, o ajuste da transferência de calor é feito 'a olho' e empiricamente, colocando uma certa quantidade de combustível na fornalha.

Não é à toa que os circuitos feitos de registros juntamente com fogões a água são tão comuns. Eles nem precisam ser calculados, basta pegar um tubo adequado e soldá-lo.

Selecionando o trocador de calor para a fornalha

O trocador de calor para o fogão pode ser feito de cobre, aço ou ferro fundido. A opção de cobre deve ser descartada imediatamente devido ao alto preço. É extremamente problemático soldar esse dispositivo você mesmo.

As baterias de ferro fundido devem ser instaladas dentro da fornalha com cuidado – devido ao choque térmico, seções individuais podem se desprender dos elementos adjacentes.

O ferro fundido supera o aço em parâmetros técnicos. No entanto, fazer você mesmo um trocador de calor para um fogão a lenha parece problemático. Você pode apenas pegar uma bateria velha para isso. Mas é preciso considerar que o selante entre suas seções queimará na fornalha. E isso é um caminho direto para a perda de estanqueidade e a entrada de água na câmara de combustão.

Se você decidir fazer um trocador de calor a partir de uma bateria de ferro fundido, o melhor é usar os modelos MS-110-300 ou MS-90-300. Eles são pequenos e caberão facilmente na fornalha. A área de superfície de aquecimento para cada aleta será de aproximadamente 0,14–0,16 m².

Com base nesses números, você pode estimar quantas seções serão necessárias para um circuito específico. Para cada 10 metros quadrados de área da casa, é necessário 1 kW, que será aproximadamente igual a 0,1 m² de área de aquecimento do trocador de calor de ferro fundido.

As aletas de um radiador de ferro fundido são geralmente conectadas usando juntas de borracha resistente ao calor. Em uma fornalha de fogão, esse selante de borracha queimará, devendo ser substituído por um cordão de amianto.

Outro ponto do uso de uma bateria de ferro fundido como trocador de calor é a dificuldade de limpá-la da fuligem dentro da fornalha. De vez em quando, a câmara de combustão precisa ser limpa, e as aletas relevo do 'ferro fundido' atrapalharão muito isso.

A opção mais ideal para um trocador de calor é o aço na forma de:

• serpentina de vários tubos;
• camisa de chapa de aço.

Eles são feitos de aço de baixo carbono St10…St20 com espessura de 4–5 mm. Se forem tubos, com diâmetro de 30–50 mm.

Fazer um trocador de calor de aço é mais simples com chapa de aço – porém, apenas a superfície voltada para o interior da fornalha, para o fogo, participará da troca de calor.

A versão tubular é mais eficiente em termos de troca de calor, mas também é mais trabalhosa de fabricar.

Para o cálculo do trocador de calor, deve-se usar a fórmula:

Qy=K*(Tcp-Tk)

onde:

• K – coeficiente de transferência de calor do material (para aços de baixo carbono, adota-se 15–20, e para ferro fundido cinzento, 50);
• Tcp – temperatura média do meio de aquecimento na fornalha (Tmax+Tmin)/2;
• Tk – temperatura média do fluido térmico (Talimentação+Tretorno)/2.

Se na estufa forem queimadas lenha, então Tcp=(700+300)/2=500 °C e Tk=(80+60)/2=70 °C. No final, Qy=15*(500-70)=6450 kcal/h. Ou seja, por metro quadrado de superfície do trocador de calor voltada para o fogo, resultará aproximadamente 7,5 kW/h.

Para carvão, os cálculos são os seguintes – Tcp=(1000+600)/2=800 °C e Tk=70 °C. Qy=15*(800-70)=10 950 kcal/h=12 734 W/h. O metro quadrado de superfície do trocador de calor fornecerá cerca de 12,7 kW/h.

Em seguida, dividimos a potência necessária para aquecer uma casa específica pelo valor calculado, dependendo dos planos de uso de um ou outro tipo de combustível.

Por exemplo, para uma casa de 150 m², são necessários cerca de 15 kW. Se for aquecida a lenha, será necessário um trocador de calor com área de troca de 15/7,5=2 m². Esta é a superfície voltada para a chama e que é aquecida.

Se for escolhida uma serpentina tubular, seu comprimento é calculado pela fórmula:

S=2*3,14*D*L

onde:

S – área calculada;

D – diâmetro dos tubos;

L – comprimento necessário.

Os parâmetros da camisa de chapa de aço são ainda mais fáceis de calcular. Geralmente, ela consiste em dois retângulos nas laterais da câmara de combustão.

Escolha da opção mais ideal

Em uma casa já construída, será difícil instalar um fogão maciço de tijolos. Nesse caso, o melhor é organizar o aquecimento de água com base em um fogão de metal, que pode ser colocado sobre um piso de madeira reforçado sem a necessidade de concretagem da fundação.

No entanto, se houver a possibilidade de fazer uma base de fundação adequada, deve-se dar preferência a uma construção de fogão de tijolos mais confiável.

O circuito de água pela casa para um fogão a lenha deve ser feito, de preferência, com tubos de aço espessos e com circulação natural do fluido térmico.

A instalação de uma bomba de circulação e/ou acumulador hidráulico no circuito de aquecimento em questão é um desperdício de dinheiro e não traz nenhum benefício adicional. Eles apenas complicarão a instalação do sistema. E, em caso de corte de energia, esses dispositivos criarão ainda mais problemas. Enquanto a opção de aquecimento sem eles, em caso de problemas na rede elétrica, continuará aquecendo a casa tranquilamente.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Escolha da forma do trocador de calor para o fogão a lenha:

Visão geral do fogão de tijolos para aquecimento de água em casa de campo:

Estrutura de um fogão de tijolos para aquecimento e cozinha com análise da disposição das fiadas:

É difícil considerar o aquecimento a água baseado em um fogão a lenha como ideal e altamente eficiente. Mas esta opção de aquecimento para residências particulares é a mais confiável, além de barata e simples de implementar. Só que não é necessário complementar esse circuito com bomba de circulação e automação. Eles funcionam da rede elétrica e tornam todo o sistema não autônomo, anulando uma de suas principais vantagens.