УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ВОЗДУХА В ОТОПИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ ВЕРХНЕГО ГОРЕНИЯ
AIR SUPPLY DEVICE IN UPPER COMBUSTION HEATERS

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к твердотопливным отопительным приборам, и может быть использовано в отопительных приборах верхнего горения.
Известно устройство подачи воздуха в зону горения в отопительном котле верхнего горения /1/, в котором реализован способ сжигания твердого топлива сверху вниз. При этом устройство подачи воздуха содержит входную камеру, саморегулирующийся по высоте телескопический воздуховод и распределитель воздуха с механизмом подъема. Указанное устройство обеспечивает подачу воздушных газов через регулируемое по сечению, в зависимости от температуры, отверстие в верхней поверхности корпуса, входную камеру, саморегулирующийся по высоте телескопический воздуховод и распределитель воздуха, опирающийся на топливо в процессе его сжигания. Недостатком описанного устройства является большой объем (около 30%), занимаемый им относительно объема отопительного прибора. Следствием этого являются увеличенные габариты, материалоемкость и стоимость отопительных приборов описанной конструкции. Кроме того, в описанном устройстве из-за большой массы воздуховода и распределителя воздуха для его подъема требуется большое усилие, которое к тому же зависит от высоты подъема, что создает неудобство в эксплуатации.
Известно устройство подачи воздуха в зону горения в отопительном приборе верхнего горения /2/, выбранное в качестве прототипа. При этом устройство подачи воздуха содержит гибкий гофрированный воздуховод и распределитель воздуха с механизмом его подъема. Однако из-за ограниченного коэффициента сжатия гофрированного воздуховода не удается уменьшить объем, занимаемый устройством подачи воздуха в поднятом состоянии, меньше 15-20%. Это объясняется тем, что с увеличением коэффициента сжатия воздуховода сокращается срок его службы. При изготовлении воздуховода из металла коэффициент сжатия ограничивается величиной упругой деформации металла, а при изготовлении из кремнеземного полотна из-за уменьшения радиуса изгиба полотна меньше допустимого, а также ускоренного износа силиконового или полиуретанового покрытия полотна. Кроме того, в устройстве подачи воздуха на основе сжатия гофрированного воздуховода усилие подъема распределителя воздуха существенно зависит от высоты его подъема, что создает неудобство в процессе эксплуатации отопительного прибора.
Целью изобретения является увеличение полезного объема в отопительных приборах верхнего горения за счет уменьшения объема занимаемого устройством подачи воздуха в поднятом состоянии. Это позволяет при равных с прототипом и другими аналогами габаритах отопительного прибора за счет увеличения объема камеры сгорания увеличить объем загружаемого топлива и, как следствие, время горения.
Указанная цель достигается тем, что устройство подачи воздуха в отопительных приборах верхнего горения содержит гибкий воздуховод, подсоединенный одним концом к патрубку воздухозаборного отверстия, а другим через полую муфту к патрубку распределителя воздуха так, что обеспечивается возможность поворота конца воздуховода по трем осям при его сворачивании в спираль и разворачивании из нее в процессе подъема и опускания распределителя воздуха, к центру тяжести распределителя воздуха и муфты подсоединен гибкий элемент механизма перемещения, при этом гибкий элемент выполнен из жаропрочной проволоки, патрубок воздухозаборного отверстия установлен в верхней части боковой поверхности отопительного прибора, причем в муфте выполнено отверстие, закрываемое сверху поворачивающейся, с возможностью фиксации положения, пластиной.
В одном из вариантов полая муфта содержит вертикальный и горизонтальный патрубки, заглушенные с одной стороны и имеющие поперечные отводы, при этом к отводу вертикального патрубка подвижно крепится горизонтальный патрубок, к отводу которого подвижно подсоединен воздуховод, а к вертикальному патрубку подвижно крепится патрубок распределителя воздуха, при этом на заглушенной стороне вертикального патрубка выполнено отверстие. Распределитель воздуха содержит пластину с отверстием в центре и прикрепленный к ней над отверстием патрубок.
Сущность изобретения для простоты поясняется на примере устройства подачи воздуха для печи верхнего горения, хотя приведенное ниже описание будет справедливо в отношении котла.
На фиг. 1 показан вид печи сбоку с разрезом части боковой поверхности, а на фиг. 2 - ее вид сверху. На фиг. 1 и 2 обозначено: корпус печи 1, загрузочная дверца 2, зольная дверца 3, патрубок вывода дымовых газов 4, гибкий воздуховод 5, патрубок воздухозаборного отверстия 6, переходной патрубок 7, вертикальный патрубок 8 трехкоординатной муфты, отвод вертикального патрубка 9, горизонтальный патрубок 10, отвод горизонтального патрубка 11, отверстие 12 в заглушенной поверхности вертикального патрубка, пластина 13, патрубок 14 распределителя воздуха, пластина 15 распределителя воздуха, гибкий элемент 16 механизма перемещения, приводная петля 17, направляющая трубка 18, топливо 19.
Корпус печи 1, загрузочная 2 и зольная 3 дверцы, патрубок вывода дымовых газов 4 в состав устройства подачи воздуха не входят и обозначены для упрощения описания его работы в печи. Гибкий воздуховод 5 может быть выполнен из жаропрочной стали с повышенной упругостью в виде гофрированной гибкой трубы. Внутри воздуховода может размещаться рукав из высокотемпературного теплоизолирующего материала. Внутренний диаметр воздуховода с теплоизолирующим рукавом выбирается равным внутреннему диаметру воздухозаборного патрубка 6, диаметр которого в свою очередь выбирается, исходя из максимальной тепловой мощности печи. Воздуховод 5 также может быть выполнен в виде рукава из высокотемпературной ткани с герметизирующим силиконовым или полиуретановым покрытием. Патрубок 6 устанавливается в верхней части боковой поверхности печи. В зависимости от конструкции терморегулятора и привода заслонки воздухозаборного отверстия она может перекрывать воздухозаборное отверстие непосредственно сбоку в корпусе печи или через переходной патрубок 7. Трехкоординатная муфта состоит из вертикального 8 и горизонтального 10 патрубков с отводами 9 и 11 соответственно. Патрубки 8 и 10 с одного конца выполняются открытыми, а с другого - заглушенными плоскими пластинами. Открытым концом патрубок 10 соединяется с отводом 9 патрубка 8 с возможностью взаимного вращения. Аналогично соединяются вертикальный патрубок 8 и патрубок 14 распределителя воздуха, а также отвод 11 патрубка 10 с воздуховодом 5. Такая конструкция обеспечивает возможность поворота конца воздуховода 5 по трем осям при его сворачивании в спираль и разворачивании из нее в процессе подъема и опускания распределителя воздуха. Тем самым обеспечивается минимально возможная деформация воздуховода 5 в пределах его упругой деформации. В заглушенной стороне вертикального патрубка 8 выполнено отверстие (или несколько отверстий) 12, площадь которого составляет около 40% от площади отверстия в пластине 15 распределителя воздуха. Пластина 13, размещаемая сверху вертикального воздуховода 8, поворачивается относительно оси, проходящей через центр тяжести распределителя воздуха и трехкоординатной муфты, с возможностью перекрытия около 20% площади отверстия 12 или его полного открытия. Для фиксации положения пластины 13 относительно патрубка 8 в ней могут быть выполнено несколько небольших отверстий, под штырек, который закрепляется на патрубке 8. Изменением положения пластины 13 изменяется площадь открытой части отверстия 12 и, соответственно, объем дополнительного воздуха, поступающего в камеру сгорания. Элементы трех координатной муфты выполняются из металла с необходимой жаростойкостью в зависимости от требуемого срока эксплуатации отопительного прибора. В простейшем случае распределитель воздуха содержит пластину 15 с отверстием в центре, над которым установлен патрубок 14. Пластина 15 может выполняться круглой, прямоугольной или квадратной формы (с учетом формы корпуса отопительного прибора). Кроме основного назначения распределителя воздуха, подачи воздуха на топливо под пластину 15, в предлагаемом устройстве пластина 15 также ограничивает возможность опускания воздуховода 5 ниже ее уровня и закрывает воздуховод 5 от воздействия радиационного излучения пламени и от газов с наибольшей температурой. Пластина 15 и патрубок 14 выполняются из жаростойкого металла, например из чугуна. Гибкий элемент 16 выполнен из тонкой, жаростойкой проволоки и крепится к патрубку 8 в центре тяжести распределителя воздуха и трехкоординатной муфты. Гибкий элемент 16 проходит через направляющую трубку 18 и заканчивается приводной петлей 17.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
Для загрузки топлива 19 в отопительный прибор с помощью приводной петли 17 осуществляется подъем распределителя воздуха в верхнее положение, и петля фиксируется за соответствующий крючок на корпусе отопительного прибора. При этом воздуховод 5 сворачивается в плоскую спираль. После загрузки и розжига топлива 19 распределитель воздуха опускается на топливо, и загрузочная дверца 2 закрывается. После этого воздух в камеру сгорания поступает через воздухозаборное отверстие (парубки 7 и 6), воздуховод 5, патрубки 10, 8 и 14. Основная часть воздуха (около 60-80%) поступает под пластину 15 распределителя воздуха и используется в реакции окисления топлива. Другая часть воздуха (около 20-40%) через отверстия 12 поступает в камеру сгорания над пластиной 15 и используется до дожига горючих газов, образующихся в процессе газификации топлива 19. В зависимости от вида топлива и его влажности объем дополнительно воздуха может меняться от 20 до 40% относительно объема воздуха, поступающего через воздуховод 5, изменением положения пластины 13 относительно отверстия 12. По мере выгорания топлива 19 распределитель воздуха опускается на его место. При этом воздуховод 5 разворачивается из плоской спирали в растянутую. По мере разворачивания воздуховода 5 его конец через патрубки 10 и 8 поворачивается по трем координатам относительно патрубка 14. За счет этого обеспечивается минимальная деформация воздуховода (в основном в пределах упругой деформации металла, если воздуховод металлический) и тем самым достигается продолжительный срок его службы. Если в процессе горения топлива внутри него будут встречаться места с повышенной влажностью или плотностью, то в этом месте замедляется выгорание топлива. Поскольку пластина 15 свободно лежит на топливе и имеет возможность наклона в двух плоскостях, то, опираясь на эту не сгоревшую часть топлива, она наклоняется больше в сторону лучше выгорающей части топлива. Нагретый воздух при своем движении под пластиной 15 стремится к верху, и под вышерасположенную часть наклоненного диска 15 начинает поступать больше воздуха, а под нижерасположенную часть меньше. За счет этого ускоряется выгорание вышерасположенной части более влажного или плотного участка топлива, после чего происходит почти полное выравнивание пластины 16. Тем самым обеспечивается более равномерное (без провалов распределителя воздуха и скачков тепловой мощности) горение топлива, имеющего различные неоднородности. За счет этого осуществляется расширение функциональных возможностей отопительных приборов верхнего горения.
Как следует из описания конструкции и принципа функционирования, предлагаемое устройство подачи воздуха в сложенном состоянии занимает (в зависимости от высоты и тепловой мощности отопительного прибора) от 5 до 8% камеры сгорания, что в 2,5-3 раза меньше чем в прототипе. Это позволяет на 10-13% увеличить полезный объем камеры сгорания, объем загружаемого топлива и, как следствие, продолжительность горения, либо при той же продолжительности горения отопительного прибора уменьшить металлоемкость изделия и в целом его стоимость. Кроме того, в предлагаемом устройстве подачи воздуха усилие подъема распределителя воздуха существенно меньше, чем в прототипе и других аналогичных технических решениях, и не превышает нескольких килограмм, поскольку осуществляется подъем сравнительно легкого распределителя воздуха с трехкоординатной муфтой и одного конца воздуховода, который весит еще меньше. При этом усилие подъема не существенно зависит от высоты подъема распределителя воздуха. За счет этого повышается удобство и облегчается эксплуатация отопительного прибора.
Уровень разработки находится в стадии ресурсных испытаний устройства подачи воздуха в печи верхнего горения.
Источники информации
1. Евразийский патент №005303 от 30.12.2004 г.
2. Патент РФ №2459145 от 25.03.2011 г.