ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Техническое решение относится к устройствам для воздушного обогрева малоэтажных зданий и может найти применение в быту и строительстве при использовании таких видом твердого топлива, как каменный и бурый уголь, дрова, пеллеты, торф и т.п.
Известно отопительное устройство по патенту РФ №2242679, кл. F24B 5/06, 7/02, опубл. в БИ №35 за 2004 г., содержащее корпус, имеющий боковые, заднюю и переднюю стенки, крышку, колосниковую решетку в днище, зольник и дымоход. В корпусе вдоль боковых стенок герметично закреплены в днище и в отверстиях на противоположных боковых стенках перекрещивающиеся вверху конвективные трубы, образующие топочную камеру, состоящую из расположенной внизу топки с дверцей и верхней зоны, и установлены трубки для подачи вторичного воздуха в верхнюю зону, причем указанные конвективные трубы имеют открытые торцы, сообщенные с окружающим воздухом. Верхняя часть корпуса с передней стенкой выполнена выступающей вперед над дверцей топки, а в топочной камере топка и верхняя зона образуют единое пространство. Вдоль передней и задней стенок герметично закреплены в крышке и соответственно в дне выступающей вперед верхней части корпуса и в его днище экранирующие топочную камеру конвективные трубы, имеющие открытые торцы, сообщенные с окружающим воздухом. На наклонных частях перекрещивающихся вверху конвективных труб установлены сверху нижние и верхние газонаправляющие щитки, образующие с ними соответственно нижние и верхние газоходы. Верхние газонаправляющие щитки соединены между собой, образуя двугранный угол, а трубки для подачи вторичного воздуха установлены перед входом в нижние газоходы, изогнуты навстречу потоку воздуха в экранирующих топочную камеру конвективных трубах и закреплены на них.
Это устройство имеет следующие недостатки.
Несмотря на «утепленный» золой колосник, выделившиеся в тлеющем режиме генераторные газы, не встретив своевременно вторичный воздух, который подается не в топку, а под нижние газоходы, успевают отдать тепло через теплообменные поверхности, вследствие чего сгорание их носит эпизодический характер (отдельные вспышки). Кроме того, концентрация вредных веществ на выходе устройства в тлеющем режиме часто превышает предельно допустимые значения (ПДК). При форсировании же режима горения (увеличении подачи первичного воздуха под колосник) вредные выбросы через дымовую трубу снижаются до значения ниже ПДК, но при этом температура стенок конвективных труб, окружающих топку, может достигать и даже превышать температуру окалинообразования (для труб из относительно недорогих сталей ВГП - до ≈400°С), что существенно сокращает срок службы устройства. К тому же, при форсированном режиме может вырабатываться избыточное количество тепла, а время работы на одной закладке топлива сокращается. Это приведет к увеличенному перепаду температуры воздуха отапливаемого помещения, создающему дискомфорт.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является отопительное устройство по патенту РФ №2429421, кл. F24B 7/02, опубл. 20.09.2011 г., содержащее корпус, размещенные в нем конвективные трубы, топку и устройство подачи вторичного воздуха, непосредственно сообщенное с топкой, которая изолирована в топочном пространстве кожухом с отверстиями, имеющим теплоизоляцию.
Недостатками известного отопительного устройства являются ненадежность его работы и повышенная металлоемкость, связанные со сложностью конструкции из-за использования большего количество конвективных труб. По этой же причине конструкция нетехнологична, так как требует большего объема монтажно-сборочных работ, в том числе большого количества сварных швов. Кроме того, конструкция устройства имеет повышенную пожароопасность и не обеспечивает личную безопасность потребителя из-за высокой температуры корпуса, что не позволяет устанавливать устройство к деревянным перегородкам и может стать причиной ожогов. Из-за повышенного теплоизлучения и отсутствия ограждения стенок устройства при эксплуатации потребитель испытывает дискомфорт, так как не может долго находиться вблизи устройства. Из-за ненадежности работы устройства средний предполагаемый срок его службы - 10 лет.
Техническими задачами предлагаемого решения являются повышение надежности работы устройства и, как следствие - повышение срока его службы, снижение металлоемкости и повышение технологичности за счет упрощения конструкции путей создания модульного устройства и использования материалов, соответствующих условиям длительной эксплуатации устройства, при повышении эффективности его работы за счет повышения КПД устройства путем повышения теплоотдачи, снижения пожароопасности, повышения личной безопасности потребителя, создания комфортных условий для него при эксплуатации устройства и расширения его возможностей.
Поставленные задачи решаются тем, что в отопительном устройства, содержащем теплоизолированную топку с устройством подачи вторичного воздуха, непосредственно соединенную с газоходом, связанным с дымовой трубой, согласно техническому решению газоход имеет вертикальное ограждение, а внутри газохода установлен распределитель газового потока из топки по газоходным каналам газохода, образованным между стенками указанных распределителя и вертикального ограждения газохода.
Указанная совокупность признаков обеспечивает создание модульной конструкции устройства, состоящей из модулей - топки, газохода с конфузором, конденсатоотводчика и дымовой трубы. Это упрощает конструкцию. Она легко монтируется и демонтируется и проста в эксплуатации.
Наличие в газоходе указанного распределителя обеспечивает расположение газоходных каналов непосредственно у стенок вертикального ограждения газохода, куда и направляется газовый поток из топки. Это увеличивает теплоотдачу этого ограждения, повышая КПД устройства. Указанные газоходные каналы позволяют отказаться от использования конвективных труб прототипа, что также упрощает конструкцию, снижает ее металлоемкость и повышает технологичность. В результате повышается надежность работы устройства и, как следствие, срок его службы.
Целесообразно вертикальное ограждение газохода выполнить гофрированным, что позволит увеличить его поверхность в 1,5 раза, повышая теплообмен газохода.
Целесообразно также, чтобы указанный распределитель был выполнен полым, вверху открыт, а снизу снабжен клапаном. Это позволяет без проблем производить прочистку дымовой трубы через открытый клапан.
Целесообразно указанный распределитель выполнить в виде водогрейного котла, имеющего закрытую емкость для воды с патрубками и сквозной канал, снабженный снизу клапаном. Такое исполнение устройства позволяет одновременно с направлением газового потока в газоходные каналы газохода нагревать воду для нужд потребителя, в том числе для системы водяного отопления верхнего этажа здания и удаленных помещений. Через сквозной канал водогрейного котла возможна прочистка дымовой трубы при открытом клапане. Это расширяет возможности отопительного устройства.
Целесообразно теплоизоляцию топки выполнить в виде вертикального ограждения с теплоизоляцией. При таком исполнении топки газовый поток достигает указанного распределителя без препятствий и обеспечивает поступление его в газоходные каналы газохода с минимальными потерями, что повышает теплоотдачу вертикального ограждения газохода, а значит, повышает КПД устройства и, как следствие, эффективность его работы.
Теплоизолирование топки может быть выполнено в виде кожуха с теплоизоляцией и отверстиями в его крышке. Такая конструкция предпочтительна при выполнении указанного распределителя в виде водогрейного котла для обеспечения равномерного нагрева воды в нем без закипания воды, которое возможно при теплоизолировании вертикальным ограждением, не имеющим крышки.
Целесообразно при этом отверстия в крышке кожуха выполнить непосредственно под входом в упомянутые газоходные каналы газохода, что позволяет сконцентрировать газовый поток и направить его весь в эти газоходные каналы. В результате усиливается теплоотдача вертикального ограждения газохода, что также повышает КПД и, как следствие, эффективность работы устройства.
Целесообразно устройство подачи вторичного воздуха выполнить в виде вертикального воздуховода с фурмой, при этом вертикальный воздуховод непосредственно сообщить стенкой с топкой, а фурму разместить горизонтально в верхней зоне топки, вытянуть вперед, причем выход вторичного воздуха из фурмы предусмотреть вдоль нее.
Выбранная конструкция устройства подачи вторичного воздуха и его монтаж позволяют создать большую поверхность теплообмена между топкой и вторичным воздухом, так как площадь стенки вертикального воздуховода, контактирующей с топкой, может быть выбрана максимальной для данной конструкции. Тем самым создаются условия для нагрева вторичного воздуха до высокой температуры и подачи его в топку уже в разогретом состоянии. Горячий вторичный воздух своевременно встречается с горящими генераторными газами (в топке), что также положительно влияет на реакцию окисления при сгорании генераторных газов и тем самым позволяет надежно сжигать их в любом режиме, обеспечивая полноту сгорания топлива, а значит, более высокий КПД и более низкий показатель вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу.
Выбранная форма фурмы, ее горизонтальное расположение в верхней зоне топки, а выхода вторичного воздуха из фурмы - вдоль нее обеспечивают выход вторичного воздуха в верхнюю зону топки, где скапливаются генераторные газы в процессе разложения топлива, с большим охватом пространства топки, чем при струйном его истечении, что необходимо для обеспечения полноты сгорания топлива.
Сочетание указанных признаков обеспечивает повышение КПД устройства, а следовательно, эффективности его работы.
Целесообразно, чтобы топка и газоходы имели вертикальное внешнее ограждение с проемами для забора воздуха отапливаемого помещения и выхода нагретого воздуха, переходящее вверху в короб, охватывающий дымовую трубу.
Наличие у устройства вертикального внешнего ограждения с упомянутыми проемами и коробом позволяет обеспечить пожаробезопасноть и личную безопасность потребителя, комфортные условия пребывания его в помещении, а также возможность обогрева помещения второго этажа, что расширяет возможности отопительного устройства.
Вертикальное внешнее ограждение и короб являются декоративным оформлением отопительного устройства, могут быть разработаны по желанию потребителя и выполнены из таких материалов как кирпич или природный камень. Возможны иные варианты его исполнения, так же обеспечивающие долговечность устройства. Предполагаемый срок службы такого отопительного устройства - более 20 лет.
Целесообразно, чтобы вертикальное внешнее ограждение было отделено от короба перекрытием с по меньшей мере одним окном, снабженным шибером с приводом. Это позволяет регулировать поток нагретого воздуха, поступающий на верхний этаж, что обеспечивает комфортные условия для потребителя и на верхнем этаже, расширяя объем обогрева помещений.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения отопительного устройства и чертежами фиг. 1-9, где показано:
- на фиг. 1 - вид спереди на отопительное устройство с вертикальным внешним ограждением (далее - внешнее ограждение) без его передней стенки;
- на фиг. 2 - вид слева на отопительное устройство с внешним ограждением без его левой стенки, установленное у стены помещения;
- на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 без внешнего ограждения;
- на фиг. 4-разрез Б-Б на фиг. 3;
- на фиг. 5 - разрез Б-Б на фиг. 3 при выполнении распределителя газового потока в газоходе в виде водогрейного котла;
- на фиг. 6 - место I на фиг. 4 в увеличенном масштабе;
- на фиг. 7 - вид А на фиг. 6;
- на фиг. 8 - вид спереди на отопительное устройство с внешним ограждением;
- на фиг. 9 - вид Б на фиг. 1 без конфузора.
Отопительное устройство содержит теплоизолированную топку 1 (фиг. 1, 3-5), непосредственно соединенную с газоходом 2, связанным с дымовой трубой 3 с помощью конфузора 4 (фиг. 3). Топка 1 имеет топочную дверцу 5 (фиг. 1, 8), а в поде 6 - колосниковую решетку 7 (фиг. 3, 4), под которой расположен зольник 8, и устройство подачи вторичного воздуха (поз. не обозначено). Зольник 8 имеет дверку 9, на которой установлен регулятор 10 подачи первичного воздуха (фиг. 1, 8).
Устройство подачи вторичного воздуха выполнено в виде вертикального воздуховода 11 с фурмой 12 (фиг. 3, 4). Вертикальный воздуховод 11 непосредственно сообщен со стенкой топки 1, а фурма 12 размещена горизонтально в ее верхней зоне, вытянута вперед, причем выход вторичного воздуха из фурмы 12 предусмотрен вдоль нее, например, в виде щелевого сопла 13 (фиг. 3). В вертикальном воздуховоде 11 предусмотрен регулятор 14 подачи вторичного воздуха (фиг. 4).
Теплоизолирование топки 1 может быть выполнено в виде вертикального ограждения 15 топки 1 с теплоизоляцией 16 (фиг. 2-4) или в виде кожуха (на фиг. не показано) с теплоизоляцией 16 и отверстиями в его крышке. Под 6 топки 1 и топочная дверца 5 также могут иметь теплоизоляцию (шамот или вермикулит). Топочная дверца 5 имеет устройство 17 воздушной завесы (фиг. 1, 2, 8) для предохранения стекла топочной дверцы 5 от копоти с клапаном 18 (фиг. 4).
Газоход 2 имеет вертикальное ограждение 19 (далее - ограждение 19), которое целесообразно выполнить гофрированным (фиг. 1-4). Внутри газохода 2 расположен распределитель 20 газового потока из топки 1 по газоходным каналам 21 газохода 2 (далее - распределитель 20), образованным между стенками указанных распределителя 20 и ограждения 19 (фиг. 3, 4). Указанный распределитель 20 выполнен полым, вверху открыт, а снизу снабжен клапаном 22. Указанный распределитель 20 может быть выполнен в виде водогрейного котла (фиг. 5), имеющего закрытую емкость для воды и сквозной канал 23, снабженный снизу клапаном 22. Клапан 22 установлен с возможностью поворота на 90° на оси 24 (фиг. 3, 4) и удержания в закрытом или открытом положении противовесом 25. Распределитель 20 закреплен к ограждению 19 газохода 2 креплением 26 (фиг. 3, 4). Водогрейный котел имеет патрубки 27, 28 для воды.
При теплоизолировании топки 1 кожухом отверстия в его крышке целесообразно выполнить непосредственно под входом в упомянутые газоходные каналы 21 газохода 2. Предпочтительны отверстия прямоугольной формы, выполненные вдоль краев крышки кожуха.
Конфузор 4 оснащен шибером 29 дымовой трубы 3, имеющим привод 30 (фиг. 1-3, 6-8) и конденсатоотводчиком 31, имеющим штуцер 32 подачи воды и штуцер 33 для удаления конденсата (фиг. 2).
Топка 1, газоход 2 и конфузор 4 имеют внешнее ограждение 34 (фиг.  1, 2, 8), которое переходит вверху в короб 35 и имеет проемы 36 для забора воздуха отапливаемого помещения и проемы 37 для выхода нагретого воздуха (фиг. 1, 2). Короб 35 охватывает дымовую трубу 3. Внешнее ограждение 34 отделено от короба 35 перекрытие 38 с по меньшей мере одним окном 39, снабженным шибером 40 с приводом 41 (фиг. 1, 2, 8, 9).
Ручки привода 30 шибера 29 дымовой трубы 3 и привода 41 по меньшей мере одного шибера 40 перекрытия 38 выведены на стенку внешнего ограждения 34 (фиг. 8).
Отопительное устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливают на горизонтальную площадку задней стенкой к стене 42 (наружной или межкомнатной) отапливаемого помещения на расстоянии 40÷50 мм между стеной 42 и газоходом 2. Материал стены 42 должен быть несгораемым и выдерживать длительное воздействие температуры до 200°С, либо соответствующим образом защищен (для соблюдения требований пожаробезопасности). Конденсатоотводчик 31 соединяют с нижним концом дымовой трубы 3, которую выполняют из стандартизированных деталей и выводят за пределы отапливаемого помещения.
Пробную растопку осуществляют следующим образом.
На колосниковую решетку 7 пода 6 топки 1 (фиг. 3-5) укладывают бумагу, щепки и т.п. вспомогательное топливо, а сверху него - дрова и уголь - основное топливо. Затем их поджигают и топочную дверцу 5 закрывают (фиг. 1). В начале растопки дверка 9 зольника 8 (фиг. 1) приоткрыта и первичный воздух свободно поступает под колосниковую решетку 7, обеспечивая интенсивное горение топлива (форсированный режим работы). Шибер 29 дымовой трубы 3 при этом полностью открыт. После того как загоревшееся основное топливо прогреет теплоизоляцию 16 топки 1 (фиг. 3), работу устройства переводят в экономичный газогенераторный режим: дверку 9 зольника 8 (фиг. 1, 4) плотно закрывают, а интенсивность горения регулируют подачей вторичного воздуха регулятором 14 на входе в вертикальный воздуховод 11 (фиг. 4) устройства подачи вторичного воздуха при отсутствии или минимальной подаче первичного воздуха с помощью регулятора 10 (фиг. 1) дверки 9 зольника 8. Дальнейшее снижение скорости горения топлива (увеличение времени работы на одной закладке топлива) осуществляют постепенным перекрытием шибером 29 дымовой трубы 3 (фиг. 1).
В тлеющем режиме работы (в нижней части топки 1), при недостатке окислителя (кислорода воздуха), твердое топливо газифицируется - выделяет генераторные газы, которые, поднимаясь в верхнюю зону топки 1 (фиг. 3) и встретившись с разогретым вторичным воздухом, выходящим из щелевого сопла 13 фурмы 12, воспламеняются и постепенно сгорают. Конструкция вертикального воздуховода 11 с фурмой 12 и теплоизоляция 16 ограждения 15, пода 6 и топочной дверцы 5 топки 1 обеспечивают высокую температуру вторичному воздуху и генераторным газам, что ведет к полноценному сгоранию последних. Вследствие равномерного распределения нагретого вторичного воздуха в верхней зоне топки 1 происходит интенсивное перемешивание его с генераторными газами, что обеспечивает гомогенный характер горения и, как следствие, - полноту сгорания топлива.
Раскаленные топочные газы, образовавшиеся в результате сгорания генераторных газов, выходят за пределы топки 1 в газоход 2 - зону, предназначенную для теплообмена с воздухом отапливаемого помещения, направляя их в газоходные каналы 21 газохода 2 и обеспечивая тесный контакт раскаленных топочных газов с ограждением 19 газохода 2, что повышает эффективность теплопередачи. Отдав тепло ограждению 19 и стенкам конфузора 4, отработанные топочные газы удаляются через дымовую трубу 3 в атмофсферу.
При низкой температуре отработанных топочных газов может образовываться конденсат, который удаляется самотеком через штуцер 33 (фиг. 2) конденсатоотводчика 31 в закрытую емкость или канализацию. Для избежания засорения конденсатоотводчика 31 предусмотрена периодическая промывка его водой через штуцеры 32, 33. Периодичность промывки устанавливается опытным путем.
Внешнее ограждение 34 выполняют по желанию потребителя и используют короб 35 и перекрытие 38, если предусмотрено отопление помещения второго этажа здания. Стенки внешнего ограждения 34 и короба 35 выполнены из несгораемого материала и выдерживают длительное воздействие температуры до 200°C и расположены на расстоянии 40÷50 мм от ограждения 19 газохода 2. Воздух отапливаемого помещения поступает через проемы 36 для забора воздуха в стенках внешнего ограждения 34, а нагретый воздух выходит через проемы 37 для его выхода.
При использовании в газоходе 2 распределителя 20 в виде водогрейного котла воду в него подают через патрубок 27, а подогретую воду сливают через патрубок 28. Подогретую воду водогрейного котла используют в системе горячего водоснабжения или водяного отопления здания.
Для прочистки дымовой трубы 3 используют клапан 22 распределителя 20, а для устранения копоти на стекле топочной дверцы 5 - клапан 18 устройства 17 воздушной завесы, подавая через него воздух отапливаемого помещения.
Для регулировки подачи нагретого воздуха на верхний этаж здания используют по меньшей мере один шибер 40 с приводом 41.
Распределитель 20 при необходимости может быть изъят из отопительного устройства через топочную дверцу 5 топки 1.
Последующие запуски отопительного устройства в работу осуществляют аналогично пробной растопке.
Отопительное устройство может быть выполнено и использовано по желанию потребителя с внешним ограждением 34 и коробом 35 или без них с соблюдением мер пожарной и личной безопасности.