КОТЕЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ
CONTINUOUS BURNING BOILER

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в автономных отопительных системах, предпочтительно для частных и малогабаритных зданий в качестве твердотопливного котла длительного горения.
Известен твердотопливный котел длительного горения, содержащий корпус, который состоит из внешнего и внутреннего баков теплообменника, пространство между которыми заполнено теплоносителем и в последнем из которых расположено загрузочное отверстие, печь с колосниковой решеткой и зольник (см. UA №60970, F24H 1/24, 2011 г.). Во внутреннем баке установлен как минимум один газоход, заборная часть которого соединена через отверстие с воздухозаборником и через инжекционный канал - с нижней частью печи, а выходная часть выведена в верхнюю часть печи.
Недостатком этого котла является неэффективное сжигание твердого топлива и низкие экологические характеристики выбросов котла.
Известен также твердотопливный котел длительного горения, содержащий водонепроницаемый корпус, снабженный вытяжной трубой, в полости которого, с зазором для размещения воды, размещена топка, поддувало которой отделено от пространства топки горизонтальной колосниковой решеткой, при этом топка снабжена вертикальной колосниковой решеткой и верхним люком загрузки (см. RU №2092746, F24H 1/36, 1991 г.).
Недостатком этого котла является недостаточно эффективное сжигание твердого топлива поскольку вертикальная колосниковая решетка сформирована в средней части котла соосно с его вертикальной осью поэтому процесс горения топлива идет в нижней части топки (над горизонтальной колосниковой решеткой) и вокруг вертикального канала, при этом отбор тепла от горения топлива не идет на стенки топки, поскольку последние защищены слоем топлива.
Задачей изобретения является повышение эффективности сжигания загруженного в котел твердого топлива.
Технический результат, получаемый при решении задачи изобретения обеспечение передачи тепла от горения топлива на стенки топки.
Техническая задача решается за счет того, что котел длительного горения, содержащий водонепроницаемый корпус, снабженный вытяжной трубой, в полости которого размещена топка, с верхним люком загрузки, поддувало которой отделено горизонтальной колосниковой решеткой, снабженная вертикальной колосниковой решеткой, формирующей вертикальную полость по высоте топки, отличается тем, что выполнены, как минимум две вертикальные полости, которые размещены на периферии топки, сообщены с поддувалом и вытяжной трубой и отделены от остального ее объема вертикальной колосниковой решеткой с вертикально ориентированными колосниками, при этом, колосники вертикальной и горизонтальной колосниковых решеток выполнены полыми, причем их полости сообщены с полостью водонепроницаемого корпуса. Кроме того, колосники вертикальных и горизонтальной колосниковых решеток выполнены параллельными и прямолинейными. Кроме того, периметр вертикальных полостей образован участком стенки топки и сопряженной с ним вертикальной колосниковой решеткой. Кроме того, вытяжная труба сообщена с газоотводящим патрубком, сообщенным с одной из вертикальных полостей ниже верхнего торца котла.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
При этом совокупность признаков отличительной части формулы изобретения обеспечивает повышение эффективности сжигания загруженного в котел твердого топлива, причем отличительные признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение нижеследующего комплекса функциональных задач.
Признаки, указывающие, что «выполнены, как минимум две вертикальные полости, которые размещены на периферии топки» обеспечивают непосредственную передачу на стенки топки тепла от горения топлива на горизонтальной колосниковой решетке, и передачу части этого тепла на пиролиз топлива контактирующего с вертикальными полостями, поддержание этого горения и возможность придания столбу угля поперечных размеров, обеспечивающих подвод воздуха «на всю толщину» топливного объема.
Признаки, указывающие, что вертикальные полости «сообщены с поддувалом и вытяжной трубой» обеспечивают необходимую циркуляцию воздуха через топку котла и тем самым, возможность подвода воздуха и тепла к вертикальным поверхностям твердого топлива при их контакте с вертикальными колосниковыми решетками.
Признаки, указывающие, что вертикальные полости топки «отделены от остального ее объема вертикальной колосниковой решеткой с вертикально ориентированными колосниками» задают конструктивные параметры колосниковых решеток, обеспечивающие возможность «автоматического» смещения вниз (под действием силы тяжести) загрузки твердого топлива по мере его выгорания на горизонтальной колосниковой решетке и вертикальных поверхностях угольной загрузки.
Признаки, указывающие, что «колосники вертикальной и горизонтальной колосниковых решеток выполнены полыми, причем их полости сообщены с полостью водонепроницаемого корпуса» обеспечивают охлаждение колосников препятствующее их выгоранию и повышают съем тепла генерируемого сгорающим углем, перенаправляя его в полость водонепроницаемого корпуса и увеличивая КПД котла в целом.
Признаки, указывающие, что «периметр вертикальных полостей образован участком стенки топки и сопряженной с ним вертикальной колосниковой решеткой» задают условия, при которых возможно формирование вертикальных полостей на периферии топки.
Признаки, указывающие, что «колосники вертикальных и горизонтальной колосниковых решеток выполнены параллельными и прямолинейными» повышают площадь теплосъемных поверхностей колосниковых решеток и упрощают изготовление колосников.
Признаки, указывающие, что «вытяжная труба сообщена с газоотводящим патрубком, сообщенным с одной из вертикальных полостей ниже верхнего торца котла» обеспечивают «формирование термокупола», удерживающего максимально разогретую в топке часть исходящих газов, которые поднялись в термокупол и остаются в этой вертикальной ловушке (вертикальных полостях, описанных выше) до своего остывания, отдавая тепло через стальную стенку котла жидкому теплоносителю, который охлаждает стенку топки и способствующего съему с термокупола тепловой энергии горячих газов, что увеличивает КПД котла в целом и снижает температуру горячих газов на входе в вытяжную трубу, способствуя увеличению срока службы вытяжной трубы (дымохода).
На фиг. 1 схематически показан вертикальный разрез котла при использовании верхних коллекторов; на фиг. 2 схематически показан вертикальный разрез котла при отсутствии верхних коллекторов; на фиг. 3 схематически показан вид нижней части котла в объемной проекции.
На чертежах показан котел длительного горения, содержащий водонепроницаемый корпус 1, вытяжная труба 2, топка 3, вертикальная полость 4, верхний люк загрузки 5, поддувало 6, горизонтальная колосниковая решетка 7, вертикальная колосниковая решетка 8, параллельные прямолинейные колосники 9, участок стенки 10 топки 3, зазор 11 (водяная рубашка) топки 3, подводящий и отводящий патрубки 12 и 13, газоотводящий патрубок 14, нижние коллекторы 15 и верхние коллекторы 16, колосники 17 горизонтальной колосниковой решетки 7, продольная ось 18 котла. Кроме того, показаны, промежуточный коллектор 19, воздухоподводящее отверстие 20, топливо 21, розжиговый слой 22.
Для примера показан котел, в полости которого содержится две вертикальных полости 4, размещенных симметрично относительно продольной оси 18 котла
Твердотопливный котел длительного горения, содержит водонепроницаемый корпус 1 (желательно снабженный теплоизоляционным слоем - на чертежах не показан), снабженный вытяжной трубой 2. В полости водонепроницаемого корпуса 1 с зазором 11 размещена топка 3 (стенка топки является внутренней стенкой водонепроницаемого корпуса 1). Зазор 11, выполнен водонепроницаемым, с возможностью использования как водяной рубашки топки 3 и снабжен подводящим и отводящим патрубками 12 и 13, соответственно, подвода холодной воды и отвода горячей, газоотводящий патрубок 14 соединяет одну из вертикальных полостей 4 и вытяжную трубу 2.
Топка 3 снабжена верхним люком загрузки 5. Поддувало 6 топки 3 отделено от ее вышележащего объема горизонтальной колосниковой решеткой 7 (зазор между колосниками составляет порядка 20 мм). Горизонтальная колосниковая решетка 7 содержит два параллельных нижних коллектора 15, выполненных трубчатыми, при этом концы коллекторов сообщены с полостью зазора 11 и герметично скреплены со стенками топки, причем колосники 17 горизонтальной колосниковой решетки 7, выполнены полыми (трубчатыми), размещены параллельно друг другу, а их концы герметично сообщены с коллекторами.
Два верхних коллектора 16 лежат в одной плоскости с соответствующими им нижними коллекторами 15, при этом, параллельные прямолинейные колосники 9, выполнены полыми (трубчатыми), размещены параллельно друг другу. Их верхние концы герметично сообщены с верхними коллекторами 16, а нижние - с нижними коллекторами 15. Возможен вариант, когда нижние концы прямолинейных колосников 9 герметично сообщены также с нижними коллекторами 15, а их верхние концы герметично сообщены не с верхними коллекторами 16, а непосредственно с верхней частью водяной рубашки котла (в этом случае верхние коллекторы 16 отсутствуют).
Вертикальная полость 4 в объеме топки 3 может быть выполнена в виде цилиндрического кольцевого зазора со стенкой топки или содержать несколько отдельных сегментов, не образуя сплошной кольцевой полости. Для примера показан котел, в полости которого содержится две вертикальных полости 4, размещенных симметрично относительно продольной оси 18 котла
Газоотводящий патрубок 14 соединяет одну из вертикальных полостей 4 и вытяжную трубу 2.
И в первом и втором случае вертикальную полость 4 в объеме топки 3, на всю ее высоту, образуют вертикальной колосниковой решеткой 8, выполненной из параллельных прямолинейных колосников 9 (зазор между колосниками составляет порядка 20 мм).
Вертикальные полости 4 (если их несколько) или одна (если она кольцевая или секторная) размещены на периферии топки 3, аэродинамически сообщены снизу с полостью поддувала 6, а выше - с газоотводящим патрубком 14, сообщенным с вытяжной трубой 2. Объем поддувала должен вместить весь объем золы, получаемой при полной загрузке топки углем (рассчитывается с учетом наибольшей зольности марок углей, используемых для сжигания).
Кроме того, периметр каждой вертикальной полости (если их несколько) образован участком стенки 10 топки 3 и сопряженной с ним вертикальной колосниковой решеткой 8.
Работа предлагаемого котла осуществляется следующим образом.
В зазор 11 (полость водяной рубашки) через подводящий патрубок 12 заливают воду до полного заполнения, после чего зазор 11 подключают к системе отопления посредством отводящего патрубка 13. Затем на горизонтальную колосниковую решетку 7 укладывают слой древесной массы для последующего розжига угля (розжиговый слой 22), после чего через верхний люк загрузки 5 оставшийся объем топки 3 (кроме объемов вертикальных полостей) заполняют твердым топливом 21 (углем) и зажигают, например, бытовой газовой горелкой (через поддувало 6) слой древесной массы. После возгорания угля контактирующего с древесной массой процесс горения идет в «автоматическом режиме». При этом, продукты горения вместе с потоком воздуха, поступающим через поддувало 6 и далее через щели между колосниками горизонтальной колосниковой решетки 7, взаимодействуют с нижним слоем угля, а также попадают в вертикальные полости 4 где взаимодействуют (через щели между параллельными прямолинейными колосниками 9 вертикальной колосниковой решетки 8) с примыкающим к колосниковой решетке вертикальным слоем угля.
При соответствующем регулировании объемов подводимого воздуха, непосредственная передача тепла (от горения топлива на горизонтальной колосниковой решетке) на вертикальную поверхность угля, контактирующего с вертикальными колосниковыми решетками приводит к пиролизу этой части топлива. Кроме того идет интенсивная непосредственная передача на стенки топки тепла от горения топлива на горизонтальной колосниковой решетке.
Далее, по вертикальным полостям 4 продукты горения поступают вверх, так, что вверху в термокуполе (образующимся из-за смещения газоотводящего патрубка 14 вниз, от верхнего торца котла) скапливается наиболее горячий объем газов, при этом, по мере «охлаждения этого объема» водой в водяной рубашке котла и вытеснения его новыми порциями горячего газа, постепенно нижняя граница термокупола опускается к газоотводящему патрубку 14 по которому остывшие газы попадают в вытяжную трубу 2 и удаляются в атмосферу.
Под действием тепла от горения топлива, вода в зазоре 11 (полости водяной рубашки) нагревается и подается на циркуляцию по системе отопления (не показана) и, тем самым, обогревает помещения.
По мере сгорания топлива в топке 3, зола и шлак через горизонтальную колосниковую решетку 7 самотеком уходят в поддувало 6 из нижней части топки 2, а на их место продавливается (под собственным весом), примыкающий к выгоревшему, слой угля. При этом воздух свободно поступает в зону горения снизу столба топлива и на его вертикальные поверхности, контактирующие с вертикальными полостями 4. По мере сгорания топлива шлак и золу удаляют из поддувала 6, а в топку засыпают очередную порцию угля, и процесс продолжается далее.
Использование изобретения позволит повысить эксплуатационные качества работы отопительного котла и обеспечить гарантированный непрерывный процесс горения при длительной работе котла без постоянного наблюдения и поддержания процесса горения.