СПОСОБ НАГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ТВЁРДОТОПЛИВНОМ ОТОПИТЕЛЬНОМ ПРИБОРЕ
METHOD FOR HEAT CARRIER HEATING IN SOLID-FUEL HEATING DEVICE

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных приборов с расширенной функциональностью.
Известны отопительные котлы, в которых теплопередача от дымовых газов к теплоносителю осуществляется либо через корпус камеры сгорания теплоносителю вокруг нее, либо через стенки газоходных труб, размещаемых в емкости с теплоносителем (патенты РФ №№2080523, 2293253, 2319909, 2363888, патент США №4524319, патент Франции №2748556). Недостатком известных конструкций является необходимость поддержания температуры теплоносителя выше "точки росы" (около 40°С) во избежание выпадения конденсата на корпусе и как следствие его ускоренного разрушения, а также необходимость минимизировать время и площадь поверхности корпуса с температурой ниже "точки росы". Наличие такого явления обусловлено тем, что при сжигании углеводородного топлива, например дров, при соединении водорода с кислородом происходит образование воды, которая увеличивает влажность дымовых газов. Кроме того, при сгорании дров происходит испарение влаги, содержащейся в них, что также увеличивает влажность дымовых газов, которая может достигать 85% и выше. При этом агрессивное действие влаги дымовых газов на металл корпуса отопительного прибора усиливают растворенные в ней кислотные соединения, также образующиеся при сгорании топлива. Наличие такого явления, сокращающего срок службы котла, приводит к необходимости использования более толстого и стойкого к коррозии металла, что увеличивает стоимость отопительного прибора. Кроме того, указанные котлы не могут быть непосредственно (без дополнительного оборудования) использованы в системе отопления теплый пол, где требуется температура теплоносителя 30-40°С.
Известен отопительный котел с верхним горением (Евразийский патент №005303 от 30.12.2004 г.), выбранный в качестве прототипа, в котором сжигание топлива осуществляется сверху вниз, а передача тепла от дымовых газов теплоносителю осуществляется через стенку корпуса камеры сгорания "рубашке" с теплоносителем. В указанном отопительном котле вследствие специфики его функционирования нагрев теплоносителя начинается с верхней части корпуса, при этом без принятия дополнительных мер, нижняя часть корпуса с теплоносителем сравнительно продолжительное время остается холодной (ниже "точки росы"). Для сокращения времени выпадения конденсата на холодной части корпуса, котел приходится оснащать дополнительным оборудованием, обеспечивающим принудительную циркуляцию теплоносителя в коротком контуре котла без выдачи тепловой энергии в систему отопления. Это существенно удорожает систему отопления, ухудшает ее функциональные возможности и снижает надежность.
Техническим результатом является уменьшение температуры выпадения конденсата в отопительном котле, увеличение его долговечности и надежности, расширение функциональных возможностей, снижение стоимости и повышение технологичности изготовления.
Технический результат достигается тем, что в способе нагрева теплоносителя в твердотопливном отопительном приборе формируют горячие дымовые газы путем сжигания топлива, передают тепловую энергию дымовых газов через стенку корпуса воздуху, в воздушной полости между корпусом и теплоизолированном кожухом, а от воздуха воздушной полости через корпус бака с теплоносителем тепловую энергию передают теплоносителю.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1, где показан упрощенный вариант (без указания вспомогательных элементов) отопительного прибора. На фиг. 1 обозначено: корпус 1, бак 2, кожух 3, теплоизоляция 4, воздушная полость 5, теплоноситель 6, верхний люк 7 и нижний люк 8. Корпус 1 может быть выполнен в различных вариантах построения отопительного прибора: с верхним горением, с верхней загрузкой, с реализацией газогенераторного режима горения и т.д. Требования к толщине металла и его жаростойкости определяются требованиями к отопительному прибору (при выбранной тепловой мощности) по долговечности. Требования по коррозионной стойкости металла корпуса могут быть значительно снижены, поскольку на нем практически исключено выпадение конденсата вследствие сравнительно быстрого прогрева корпуса выше 40°С. Для увеличения теплосъема с поверхности корпуса он может быть снабжен оребрением. Бак 2 для теплоносителя 6 в зависимости от конструкции корпуса 1 может быть выполнен с различной конфигурацией или состоять из нескольких панелей, размещаемых на нескольких поверхностях корпуса. На фиг. 1 показан пример бака 2 Г-образного исполнения, когда он сопрягается с боковой и верхней поверхностью корпуса 1. Для других вариантов конструкции корпуса 1 бак 2 может быть П-образным и сопрягаться с тремя боковыми поверхностями корпуса 1 или Г-образным, но сопрягающимся с двумя боковыми поверхностями корпуса 1 и т.д. Бак 2 может устанавливаться непосредственно на корпус 1, поскольку образующийся из-за неровностей поверхностей корпуса 1 и бака 2 тонкий слой воздуха увеличивает тепловое сопротивление между дымовыми газами внутри корпуса 1 и теплоносителем 6 бака 2. В случае если указанное тепловое сопротивление окажется недостаточным (при небольшой толщине металла корпуса и бака и плотном соприкосновении поверхностей), то бак 2 устанавливается на корпус 1 с воздушным зазором. Требования по жаростойкости и коррозионной стойкости металла бака 2 значительно ниже, чем в известных отопительных приборах, поскольку он работает в более благоприятных условиях. Требования к толщине металла бака 2 зависят от его размеров и величины избыточного давления в системе отопления, с учетом агрессивности используемого теплоносителя. В нижней части бака 2 устанавливается патрубок (не показан на рисунке) для подвода теплоносителя, а в верней части патрубок для отвода теплоносителя 6. Внутри бака 2 может быть размещен теплообменник с входным и выходным патрубками контура горячего водоснабжения. Для увеличения теплообменной поверхности поверхность бак 2 может быть снабжена оребрением. Кожух 3 размещается вокруг корпуса 1 и бака 2 с воздушным зазором в несколько сантиметров. Кожух 3 может быть выполнен из тонкого металлического листа, а для увеличения жесткости профилирован в соответствующей плоскости. В кожухе 3 в верхней и нижней его части могут быть выполнены люки 7 и 8, которые позволяют использовать отопительный прибор не только в режиме котла, но и в режиме котла-печи. Вместо люка 8 кожух 3 в нижней части может быть выполнен негерметичным, т.е. иметь сквозные отверстия или щели. Кожух 3 изнутри покрыт слоем теплоизоляции 4, например, из фольгированного стекловойлока. Теплоизоляция 4 фольгированным слоем обращена в сторону корпуса 1, что позволяет уменьшить тепловой поток через нее за счет отражения радиационного излучения корпуса 1. Между корпусом 1 и кожухом 3 с теплоизоляцией 4 образована воздушная полость 5, воздух в которой выполняет функцию промежуточного теплоносителя. В зависимости от условий эксплуатации в качестве теплоносителя 6 может быть использована вода или антифриз.
Работает отопительный прибор, реализующий предлагаемый способ, следующим образом. После розжига топлива внутри корпуса 1 в нем образуются дымовые газы, нагретые до высокой температуры. При соприкосновении дымовых газов с поверхностью корпуса 1 он сравнительно быстро нагревается, поскольку имеет небольшую теплоемкость. Практически одновременно от корпуса 1 происходит нагрев воздуха в полости 5 до температуры в несколько сот градусов. При этом воздух в полости 5 при нагреве расширяется и вытесняет менее нагретый воздух через нижнюю часть кожуха, выполненную негерметично. В свою очередь от нагретого в полости 5 воздуха будет происходить постепенный нагрев теплоносителя в баке 2. Вследствие того что поверхность бака значительно холоднее, чем воздух в полости 5, соприкасающийся с ней воздух будет быстро остывать и опускаться вниз. А на его место будет поступать горячий воздух с противоположной стороны полости 5. Таким образом будет обеспечиваться циркуляция горячего воздуха внутри полости 5 и осуществляться интенсивный нагрев теплоносителя 6. Поверхности бака, примыкающие к корпусу 1, будут нагреваться непосредственно от него. Тем самым обеспечивается нагрев бака 2 практически по всей его поверхности, что ускоряет нагрев теплоносителя. При необходимости увеличения площади теплообменной поверхности она может быть повышена за счет более сложной конфигурации бака 2 или путем его оребрения. Если в процессе работы отопительного прибора открыть люки 7 и 8, то часть нагретого воздуха в полости 5 будет поступать непосредственно в отапливаемое помещение, ускоряя его прогрев.
Воздух в полости 5 имеет влажность, близкую к влажности воздуха в помещении, которая в отопительный период обычно ниже, чем в наружном (за пределами помещения) воздухе. При нагреве воздуха в полости 5 его влажность еще больше уменьшается, "точка росы" для него существенно снижается и становится значительно ниже комнатной температуры. А поскольку температура теплоносителя 6 перед началом работы отопительного прибора близка к комнатной температуре или чуть ниже ее, то на баке 2 с такой температурой не может конденсироваться влага из воздуха в полости 5. Кроме того, даже если температура теплоносителя окажется существенно ниже нуля и сложатся условия для конденсации влаги из воздуха полости 5, то, поскольку в нем не содержатся кислотные соединения, имеющиеся в дымовых газах, негативное воздействие влаги на металл бака 2 будет несущественным.
Таким образом, реализация в твердотопливных отопительных приборах предлагаемого способа позволяет расширить их функциональность за счет возможности осуществления режима одновременно прямого и косвенного нагрева воздуха в помещении, а также возможности непосредственно (без дополнительного оборудования) использования отопительного прибора в системе отопления теплый пол. При этом расширяется диапазон генерируемых отопительным прибором тепловых мощностей. Кроме того, реализация предлагаемого способа по сравнению с прототипом позволяет снизить стоимость системы отопления за счет исключения дополнительного оборудования для ускорения прогрева и поддержания температуры теплоносителя. Повышается технологичность изготовления отопительного прибора, поскольку он собирается из отдельных более простых элементов. Повышается также долговечность отопительных приборов, поскольку практически исключается негативное влияние конденсата на металл корпуса, и ремонтопригодность, так как появляется возможность замены не всего отопительного прибора, а отдельных его элементов при выходе их из строя.
Уровень разработки находится в стадии изготовления чертежей для отопительного прибора с верхним горением и верхней загрузкой топлива.