ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEATING DEVICE

Техническое решение относится к устройствам для воздушного обогрева помещений и может найти применение в быту и строительстве при использовании таких видов твердого топлива, как каменный, бурый уголь, дрова, пелеты, торф и т.д.
Известно отопительное устройство по патенту РФ №2134844, кл. F24В 5/06, 7/02, опубл. в БИ №23 за 1999 г., включающее корпус, образованный передней стенкой с дверью для загрузки топлива и патрубком с регулируемой подачей воздуха в топливник, задней стенкой с патрубком регулируемого дымоотвода, нижней горизонтальной поверхностью - подом, верхней и боковыми стенками, и размещенный внутри него свод топки, выполненный в виде горизонтальной перегородки, разделяющей внутренний объем корпуса на две сообщающиеся полости - топливник и газоходную камеру, и содержащий люк, воздушные перекрещивающиеся над сводом топливника и закрепленные в отверстиях на нижней горизонтальной поверхности - поде в шахматном порядке вдоль боковых стенок и в отверстиях на противоположных боковых стенках теплообменные трубы с открытыми торцами, сообщенными с окружающим воздухом, воздуховоды с отверстиями, колосниковую решетку и зольник с дверцей. Люк свода топливника размещен со стороны задней стенки и снабжен размещенным над ним коробом, выполненным с открытым торцом и образующим дополнительную полость - камеру дожигания топочных газов, сообщенную с одной стороны с полостью топливника, с другой - с газоходной камерой со стороны передней стенки. Воздуховоды размещены в полости топливника вертикально вдоль задней стенки отверстиями на входе в камеру дожигания топочных газов и закреплены каждый открытым торцом в отверстии на нижнем поде с возможностью сообщения их внутренних полостей с окружающим воздухом.
Перегородка свода топливника, колосниковая решетка и короб с осью выполнены из теплостойкой стали.
В известном устройстве топливник служит газогенератором, а функцию теплообменника выполняет газоходная камера. Но интенсивный теплообмен происходит также и в топливнике через теплообменные трубы, корпус и т.д., что существенно ухудшает процесс генерации газа и снижает его температуру, а это ведет к длительному неустойчивому горению, а чаще - к его отсутствию в камере дожигания топочных газов (в полости, сообщающей топливник и газоходную камеру). Увеличение времени непрерывной работы устройства на одной закладке топлива (тлеющий режим в топливнике) приводит к дальнейшему ухудшению процесса газогенерации и снижению температуры генераторных газов. В результате - низкая полнота сгорания топлива, ведущая к низкому КПД работы устройства и значительным выбросам вредных веществ в атмосферу.
Наиболее близким по технической сущности и совокупности существенных признаков является 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, при этом 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, а на наклонных частях перекрещивающихся вверху конвективных труб установлены сверху нижние и верхние газонаправляющие щитки, образующие с ними соответственно нижние и верхние газоходы, причем 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 отопительное 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). Несмотря на более высокий КПД, чем в аналоге, 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 значений 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. Кроме того, 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.
Технической задачей предлагаемого решения является повышение КПД отопительного устройства и снижение концентрации вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, при сжигании твердого топлива, в том числе и высокотемпературного (бурый, каменный угли), в тлеющем (газогенераторном) режиме, а также повышение срока службы при работе в форсированном режиме за счет создания лучших условий для полноты сгорания генераторных газов и более равномерного распределения тепловой нагрузки по поверхностям теплообмена.
Поставленная техническая задача решается тем, что в отопительном устройстве, содержащем корпус, размещенные в нем конвективные трубы, топку и устройство подачи вторичного воздуха, непосредственно сообщенное с топкой, согласно техническому решению топка изолирована в топочном пространстве кожухом с отверстиями, имеющими теплоизоляцию.
Изоляция топки от остального топочного пространства кожухом, имеющим теплоизоляцию, позволяет сохранять высокую температуру генераторных газов внутри топки, что ведет к воспламенению генераторных газов в присутствии вторичного воздуха, обеспечивая более полное сгорание их. В результате повышается КПД и снижаются вредные выбросы в атмосферу.
Кроме того, кожух с отверстиями, ограждающий топку, обеспечивая выход раскаленных топочных газов, необходимых для конвективного теплообмена, практически устраняет при этом лучистый теплообмен между топкой и конвективными трубами, тем самым позволяет равномерно распределять тепловую нагрузку по поверхностям теплообмена, а значит сжигать высокотемпературное топливо в любом режиме без перегрева стенок конвективных труб, вследствие чего их толщина может быть значительно уменьшена. В результате экономится материал, повышается срок службы устройства и теплопроводность теплообменных поверхностей. Последнее положительно сказывается на теплообмене. Работа без перегрева стенок конвективных труб обеспечивает комфорт для потребителя.
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 и снабдить оголовком на свободном конце, при этом выход вторичного воздуха из фурмы предусмотреть вдоль нее и оголовка.
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 горячими генераторными газами (в топке), что 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.
Вытянутая вперед фурма с оголовком на свободном конце, расположение ее горизонтально в верхней зоне топки, а выхода для вторичного воздуха из фурмы - вдоль нее и оголовка 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.
Целесообразно при этом фурму заузить к свободному концу, а выход для вторичного воздуха в ней выполнить в виде щели постоянной ширины по ее горизонтальному контуру. Такая непрерывная щель обеспечивает равномерное истечение вторичного воздуха из фурмы по горизонту верхней зоны топки, стабилизируя процесс окисления генераторных газов, и позволяет максимально охватить пространство топки, вовлекая в процесс окисления наибольший объем генераторных газов, что обеспечивает полноту сгорания топлива.
Фурма может быть выполнена в виде усеченного конуса. Это позволяет без технических сложностей выполнить ее из недорогих материалов.
Целесообразно фурму выполнить в виде усеченной пирамиды, в которой указанная щель проходит через два ее противолежащих ребра. При таком исполнении обеспечивается дополнительный нагрев вторичного воздуха в фурме за счет большей, чем у конуса, поверхности теплообмена.
Фурма в устройстве может быть выполнена в виде цилиндра, а выход для вторичного воздуха в ней - в виде отверстий. Такая фурма может быть изготовлена без технологических сложностей, обеспечивает достаточно равномерное истечение вторичного воздуха и может быть изготовлена из доступных материалов.
Целесообразно кожух в устройстве выполнить состоящим из верхней и нижней частей, а отверстия в нем образовать между ними, для чего верхнюю, большую, часть надвинуть на нижнюю, при этом дверцу топки разместить так, чтобы она прилегала к торцу кожуха.
В этом случае до более высокой температуры нагревается верхняя часть кожуха, нижние части конвективных труб и корпуса, что положительно влияет на теплообмен в устройстве. Кроме того, отсутствие лучистого теплообмена обеспечивает более равномерное распределение тепловой нагрузки по поверхностям теплообмена.
Целесообразно устройство подачи вторичного воздуха снабдить заслонкой, что позволяет регулировать подачу вторичного воздуха в топку, тем самым эффективно управлять процессом сжигания разных видов топлива.
Целесообразно в устройстве дополнительно теплоизолировать дверцу топки. Это позволяет сохранять высокую температуру генераторных газов в процессе сжигания топлива, что особенно важно при сжигании высокотемпературного топлива.
Целесообразно также конвективные трубы, размещенные вдоль боковых стенок корпуса, перекрестить в верхних, наклонных, частях и сверху их наклонных частей разместить газонаправляющие щитки. Такое исполнение позволяет лучше распределять потоки раскаленных топочных газов относительно поверхностей теплообмена в верхнем поясе топочного пространства, что повышает эффективность теплообмена.
Сущность технического решения поясняется примером конкретного исполнения и чертежами, где показано:
- на фиг.1 - общий вид отопительного устройства (вид спереди);
- на фиг.2 - общий вид отопительного устройства (вид слева);
- на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1 (схема);
- на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1 (схема);
- на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2 (схема);
- на фиг.6 - частичный разрез В-В на фиг.2 с кожухом, состоящим из верхней и нижней частей (схема).
Отопительное устройство состоит из сварного корпуса 1 (фиг.1-6), размещенных в нем вдоль его стенок конвективных труб 2, 3, топки 4 и устройства подачи вторичного воздуха (поз. не обозначено). Топка 4 является частью топочного пространства 5 (фиг.4, 5), имеет колосниковую решетку 6 и дверцу 7 (фиг.1, 2, 4-6) и изолирована от остальной части топочного пространства 5 кожухом 8 с отверстиями 9 (фиг.3-5) в верхней части, имеющим теплоизоляцию. Дверца 7 также может быть теплоизолирована. Теплоизоляция кожуха 8 и дверцы 7 выполнена из огнеупорного материала.
Верхняя часть корпуса 1 выполнена выступающей вперед над дверцей 7 топки 4 (фиг.2, 4). Конвективные трубы 2 размещены вдоль боковых стенок корпуса 1 и могут иметь вертикальные и наклонные части. В этом случае наклонные части конвективных труб 2, размещенные вверху, перекрещены и герметично закреплены в отверстиях на противоположных сторонах верхней части корпуса 1, как показано на фиг.5. Конвективные трубы 2 могут быть выполнены прямыми, без наклонных частей (не показано). Конвективные трубы 3 выполнены прямыми, установлены вертикально вдоль передней и задней стенок корпуса 1 и герметично закреплены в отверстиях на верхней части корпуса 1 и соответственно - в дне выступающей вперед части корпуса 1 и в его днище, как показано на фиг.4. Конвективные трубы 2,3 имеют открытые торцы, сообщенные с окружающим воздухом. Сверху на наклонных частях конвективных труб 2 могут быть установлены газонаправляющие щитки 10 (фиг.4, 5).
Кожух 8 может быть выполнен составным - из верхней 11 и нижней 12 частей (фиг.6). В этом случае отверстия 9 образованы между верхней, большей по размерам, частью 11 и нижней частью 12, для чего часть 11 надвинута на часть 12. Дверца 7 топки 4 при этом прилегает к торцу кожуха 8.
Устройство подачи вторичного воздуха (фиг.3-6) выполнено в виде вертикального воздуховода 13 (далее - воздуховод 13), соединенного с горизонтальной фурмой 14 (фиг.4-6). На входе воздуховода 13 установлена заслонка 15 (фиг.2, 4) для регулировки подачи вторичного воздуха. Воздуховод 13 стенкой непосредственно сообщен (контактирует) с топкой 4. Воздуховод 13 может быть размещен у задней стенки кожуха 8 (фиг.4, 5), что предпочтительнее, так как топка 4 вытянута вперед, или у его боковых стенок (не показано).
Фурма 14 имеет на свободном конце 16 оголовок 17, размещена в верхней зоне топки 4 и вытянута вперед - к дверце 7 топки 4 (фиг.4). Выход для вторичного воздуха в фурме 14 предусмотрен вдоль нее и оголовка 17. При этом фурма 14 может быть заужена к свободному концу 16, а выход для вторичного воздуха в ней выполнен в виде щели 18 постоянной ширины по ее горизонтальному контуру, как показано на фиг.4, 5.
Фурма 14 может быть выполнена в виде усеченного конуса (не показано) или в виде усеченной пирамиды (фиг.4), в которой щель 18 проходит через два ее противолежащих ребра (фиг.4, 5). Фурма 14 также может быть выполнена в виде цилиндра (не показано), а выход для вторичного воздуха в ней - в виде отверстий.
Под колосниковой решеткой 6 (фиг.4) размещен зольник 19, в котором расположен зольный ящик 20. На панели 21 последнего (фиг.1) установлена заслонка 22 для регулировки подачи первичного воздуха (фиг.1, 2, 4). Зольный ящик 20 и дверца 7 топки имеют уплотнительные шнуры 23 и 24 соответственно (фиг.4). Зольный ящик 20 имеет запорное устройство 25, обеспечивающее герметичность и пожарную безопасность (фиг.1, 4).
Устройство содержит также тройник 26 (фиг.1, 2, 4), соединяющий топочное пространство 5 через отверстие 27 (фиг.5) с дымоходом (не показан). Тройник 26 имеет дроссельную заслонку 28 и съемное донышко 29 со штуцером 30 (фиг.4).
Отопительное устройство работает следующим образом.
Устройство устанавливают на горизонтальную площадку из несгораемого материала. К тройнику 26 присоединяют дымоход (не показано). Холодный воздух помещения поступает в конвективные трубы 2,3 снизу через их открытые торцы.
Растопку осуществляют следующим образом: на колосниковую решетку 6 топки 4 укладывают бумагу, щепки и т.п. (вспомогательное топливо), дрова или уголь (основное топливо). Затем их поджигают и дверцу 7 топки 4 закрывают. В начале растопки зольный ящик 20 слегка выдвинут, и первичный воздух поступает под колосниковую решетку 6, обеспечивая интенсивное горение топлива (форсированный режим работы). Дроссельная заслонка 28 дымохода при этом полностью открыта (форсированный режим используют также, когда требуется быстро нагреть воздух неотопленного помещения). После того как загорелось основное топливо, работу устройства переводят в экономичный, тлеющий (газогенераторный), режим: зольный ящик 20 задвигают до срабатывания запорного устройства 25, а интенсивность горения регулируют подачей вторичного воздуха заслонкой 15 на входе в воздуховод 13 при отсутствии или минимальной подаче первичного воздуха, регулируемой заслонкой 22 на панели 21 зольного ящика 20.
В тлеющем режиме при недостатке окислителя (кислорода воздуха) твердое топливо газифицируется, выделяя генераторные газы, которые, поднимаясь в верхнюю зону топки 4 и встретившись с выходящим из щели 18 фурмы 14 разогретым вторичным воздухом, воспламеняются и постепенно сгорают. Так как площадь стенки воздуховода 13, контактирующей с топкой 4, выбирается как можно большей, вторичный воздух разогревается в воздуховоде 13 до высокой температуры, что обеспечивает полноценное сгорание генераторных газов. Вследствие равномерного распределения нагретого вторичного воздуха в верхней зоне топки 4 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 из топки 4 через отверстия 9 кожуха 8 и вступают в теплообмен с воздухом отапливаемого помещения через стенки конвективных труб 2, 3 и корпуса 1.
В нижнем поясе топочного пространства 5 (в нижних частях конвективных труб 2, 3 до верха топки 4) топочные газы циркулируют по контуру: нагреваясь от стенки кожуха 8 топки 4, поднимаются вверх и, отдавая тепло стенкам корпуса 1, опускаются вниз. Вследствие этого при установившемся тлеющем режиме горения стенки корпуса 1, равномерно прогреваясь, отдают тепло в помещение. В этом поясе также происходит начальный нагрев воздуха в конвективных трубах 2, 3.
В верхнем поясе топочного пространства 5 (над топкой 4) продолжается преимущественно конвективный теплообмен между раскаленными топочными газами, вышедшими через отверстия 9 кожуха 8 из топки 4, и воздухом помещения через стенки конвективных труб 2, 3 и корпуса 1. После нагрева конвективных труб 2, 3 воздух в них нагревается и поступает в отапливаемое помещение через их открытые верхние торцы, а отдавшие свое тепло раскаленные топочные газы направляются к газонаправляющим щиткам 10, которые распределяют их по поверхностям теплообмена для улучшения теплоотдачи в этой зоне. После этого отработанные топочные газы удаляются через дымоход в атмосферу.
Дальнейшее снижение скорости горения (увеличение времени работы на одной закладке топлива) осуществляется постепенным прикрытием дроссельной заслонки 28 тройника 26.
Съемное донышко 29 тройника 26 обеспечивает возможность чистки дымохода без отсоединения последнего от устройства. Штуцер 30 используют для удаления из дымохода конденсата, если он образовался.