УСТРОЙСТВО ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТВЁРДОТОПЛИВНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА
APPARATUS FOR INCREASING SOLID-FUEL HEATING DEVICE EFFICIENCY

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных приборов с повышенной эффективностью.
Известны отопительные приборы с увеличенной продолжительностью горения (патент США №4230090, Европейский патент №0231424, заявка ФРГ №OS 3602285, патенты РФ №№2001352, 2001353, 2097660, полезная модель РФ №76702). В этих приборах для повышения эффективности сжигания топлива используется принцип его газификации с последующим дожиганием горючих газов, а регулировка производимой тепловой мощности осуществляется изменением объема входящего воздуха. Однако при этом одновременно изменяется температура дымовых газов. Это объясняется тем, что для обеспечения нормальной работы дымохода (отсутствие конденсата в трубе и обеспечение устойчивой тяги) на минимальной мощности отопительный прибор должен обеспечить минимально допустимую температуру дымовых газов, с учетом тепловых потерь в дымоходе. С увеличением производимой тепловой мощности растет и температура дымовых газов, поскольку не все производимое тепло отбирается в отопительном приборе и существенная его часть уходит с дымовыми газами, снижая как текущий, так и интегральный КПД. В том числе это связано с ограниченным временем теплообмена горячих дымовых газов с теплообменной поверхностью отопительного прибора. И чем больше разность минимальной и максимальной производимой тепловой мощности, тем выше тепловые потери на мощностях больше минимальной, что снижает интегральный КПД за определенный период времени. Таким образом, отсутствие отдельного устройства повышения теплосъема от дымовых газов приводит к существенному снижения эффективности известных твердотопливных отопительных приборов в реальных условиях эксплуатации при изменении производимой тепловой мощности и температуры дымовых газов.
Известно устройство повышения эффективности в отопительном котле (патент РФ №2532051 от 03.09.2014г.), выбранное в качестве прототипа, в котором повышение эффективности отопительного прибора обеспечивается стабилизацией температуры дымовых газов на минимально допустимых значениях при различной производимой тепловой мощности. Это достигается за счет регулировки (заслонкой с приводом от терморегулятора на дымоходе) соотношения горячих и остывших дымовых газов, проходящих соответственно через верхнее и нижнее отверстия для вывода дымовых газов. Такая регулировка позволяет увеличить время контакта горячих дымовых газов с теплообменной поверхностью отопительного прибора и тем самым наиболее полно использовать производимую им тепловую энергию и обеспечить предельно высокий КПД на всех режимах его работы. Однако такое существенное повышение экономичности твердотопливных отопительных приборов достигается усложнением конструкции, которое в ряде случаев может оказаться не оправданным.
Техническим результатом является упрощение конструкции устройства, повышение эффективности и его удешевление, а также упрощение эксплуатации устройства и всего отопительного прибора.
Технический результат достигается тем, что в устройстве повышения эффективности твердотопливного отопительного прибора, содержащем корпус отопительного прибора с загрузочной дверкой и патрубком для отвода дымовых газов, установленным в верхней части корпуса отопительного прибора и соединенным с дымоходом, патрубок установлен около одного из ребер корпуса, а к нему внутри корпуса коротким плечом подвижно прикреплен угловой патрубок, причем угловой патрубок снабжен фиксатором горизонтального положения или приводом с фиксатором положения. Для расширения возможностей устройства длинное плечо углового патрубка может быть выполнено телескопическим, на боковой поверхности выполнены отверстия, а загрузочная дверка связана с приводом углового патрубка и снабжена фиксатором открытого положения.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показано устройство в исходном состоянии, а на фиг. 2 - в процессе работы отопительного прибора.
Работа устройства иллюстрируется на примере отопительной печи верхнего горения. Однако оно может быть использовано практически во всех твердотопливных отопительных приборах с учетом их специфики (печи и котлы различных конструкций, в том числе с верхней загрузкой, газогенераторные и др.). На фиг. 1-2 обозначено: 1 - корпус отопительного прибора, 2 - патрубок для вывода дымовых газов, 3 - угловой патрубок, 4 - привод углового патрубка, 5 - фиксатор загрузочной дверки, 6 - воздуховод, 7 - распределитель воздуха, 8 - загрузочная дверка, 9 -дымоход, 10 -топливо. Корпус 1 отопительного прибора изготавливается из стали с необходимой толщиной стенки и жаропрочностью, обеспечивающей требуемый срок его службы. Патрубки 2 и 3 изготавливаются из того же материала, что и корпус. Патрубок 2 для вывода дымовых газов устанавливается на задней или боковой поверхности отопительного прибора в верхней его части возле одного из ребер. Патрубок 2 наружным концом подсоединяется к дымоходу 9. Патрубок 2 устанавливается в корпусе 1 с небольшим выступом, за который коротким плечом подвижно крепится угловой патрубок 3, с возможностью поворота на угол около 90°. Патрубок 3 может быть выполнен, например, из двух отрезков разной длины круглой трубы. Дли исключения перекрытия входного отверстия патрубка 3 из-за случайного попадания в него куска топлива, возле него по образующей патрубка могут быть выполнены отверстия общей площадью, примерно равной площади входного отверстия патрубка 3, и/или установлена сетка. Патрубок 3 может быть выполнен также из прямоугольной трубы с скругленным и заглушенным одним концом, возле которого вместо короткого плеча в трубе выполняется отверстие для подвижного соединения с патрубком 2. Для увеличения дополнительного теплосъема (при ограниченных поперечных размерах корпуса 1 или при значительной мощности отопительного прибора) длинное плечо патрубка 3 может выполняться телескопическим. Управление (установка в горизонтальное положение) угловым положением патрубка 3 может осуществляться как вручную с фиксацией горизонтального положения на фиксаторе (не показан на рисунке), например в виде крючка, так и с помощью привода 4, соединенного с загрузочной дверцей 8. В последнем случае в качестве фиксатора положения патрубка 3 может быть использован фиксатор 5 открытого положения загрузочной дверцы 8. Привод 4 может быть выполнен в виде рычажной системы или из жаропрочной проволоки (тросика), проложенной по направляющим элементам. Воздуховод 6 может быть выполнен в виде рукава из высокотемпературной ткани с герметизирующим силиконовым или полиуретановым покрытием. Распределитель воздуха 7 выполнен в виде пластины из жаропрочного металла с отверстием в центре и патрубком над ним для подсоединения воздуховода 6. В этом патрубке выполняются отверстия для дополнительного воздуха, который используется для дожигания горючих газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Загрузочная дверка 8 выполняется газоплотной, для исключения подсоса воздуха в процессе работы отопительного прибора. Дымоход 9 в данном устройстве принципиальных особенностей не имеет, однако за счет снижения температуры дымовых газов могут быть несколько снижены требования к нему по теплоизоляции. В качестве топлива 10 могут быть использованы различные его виды: дрова, опилки, уголь и др.
Работает устройство повышения эффективности отопительного прибора следующим образом. Для загрузки топлива в отопительный прибор открывается загрузочная дверка 8. При этом если угловой патрубок 3 связан через привод 4 с дверкой 8, то при ее открытии одновременно происходит поворот длинного плеча углового патрубка 3 из вертикального в горизонтальное положение. При этом дверка 8 фиксируется в открытом положении фиксатором 5. Если указанного привода нет, то поворот патрубка осуществляется вручную, и он фиксируется в горизонтальном положении за фиксатор внутри корпуса (не показан на рисунке). Далее за приводной трос (проходящий внутри воздуховода 6) осуществляется подъем распределителя воздуха 7 и фиксация его в верхнем положении. Затем производится загрузка топлива 10. Если патрубок 3 зафиксирован внутренним фиксатором, то он снимается с фиксатора и укладывается на топливо. После чего осуществляется розжиг топлива и загрузочная дверца закрывается. Если патрубок 3 связан с загрузочной дверцей 8 приводом 4, то после загрузки топлива и его розжига фиксатор загрузочной дверцы 5 поднимается и загрузочная дверца 8 закрывается. При этом конец длинного плеча патрубка 3 опирается на топливо. Дымовые газы, образующиеся при сгорании топлива 10, поступают через патрубок 3, патрубок для отвода дымовых газов 2 и далее в дымоход, прогревая его и создавая в нем тягу. По мере сгорания топлива (в том числе с повышенной влажностью и неоднородной плотностью, за счет гибкого подсоединения распределителя воздуха 7 к воздуховоду 6) его уровень постепенно снижается. При этом конец длинного плеча патрубка 3, опирающийся на топливо, также опускается вниз. В результате горячие дымовые газы, образующиеся по всей поверхности топлива, не сразу попадают в патрубок 3, а сначала поднимаются в верхнюю часть корпуса 1 (выше входного отверстия патрубка 3). Остывают там, отдавая тепловую энергию (кинетическую энергию молекул газов) корпусу 1 и уже затем, смешиваясь с небольшой частью горячих дымовых газов, образующихся возле входного отверстия патрубка 3, поступают в него и далее в дымоход 9. Кроме того, дополнительная тепловая энергия образуется над распределителем воздуха 7 (выше входного отверстия патрубка 3) при дожигании горючих газов (используется дополнительный воздух, поступающий из патрубка крепления воздуховода 6 на распределителе 7), образующихся в процессе реакции окисления при сгорании топлива 10. Такой процесс приводит к дополнительному повышению температуры дымовых газов, которые отдают свое тепло корпусу 1 отопительного прибора. Это достигается увеличением времени контакта горячих дымовых газов с теплообменной поверхностью корпуса и тем самым обеспечивается дополнительный съем тепловой энергии, содержащейся в них. В результате температура дымовых газов в дымоходе оказывается значительно ниже, чем, если бы они непосредственно поступали в патрубок 2. За счет этого обеспечивается рост КПД отопительного прибора и, следовательно, его экономичность. По мере сгорания топлива и опускания конца патрубка 3 объем части корпуса над входным отверстием патрубка 3 увеличивается. Растет также площадь теплообменной поверхности и увеличивается эффективность дополнительного теплосъема. Это происходит до момента, пока патрубок 3 примет вертикальное положение. Далее эффективность дополнительного теплосъема немного снижается в силу того, что часть тепловой энергии передается поверхности корпуса, расположенной ниже входного отверстия патрубка 3.
В целом эффективность предлагаемого устройства незначительно уступает эффективности прототипа. Экспериментальная проверка устройства показала, что интегральный КПД отопительного прибора по сравнению с прототипом снижается на несколько процентов. При этом предлагаемое устройство значительно проще по конструкции и дешевле, что в целом ряде случаев является решающим аргументом, особенно для сравнительно простых отопительных приборов. Кроме того, предлагаемое устройство имеет более высокую надежность, что в конечном итоге повышает общую эффективность его использования.
Уровень разработки находится в стадии отработки нескольких вариантов устройства для его использования в различных типах твердотопливных отопительных приборов.