ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЕЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ

Полезная модель относится к области отопления, а именно к устройствам для нагрева воды системы отопления путем сжигания твердого топлива [F24H 1/38].
Из уровня техники известен ВОДОГРЕЙНЫЙ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЕЛ С ПРОДОЛЖИТЕЛЬНЫМ ГОРЕНИЕМ [UA89303 (U), опубл.: 10.04.2014], содержащий корпус с двойной стенкой и полостью для заполнения водой, при этом по меньшей мере одна стенка корпуса выполнена толщиной не менее 4 мм, камера сгорания, два воздуховода с независимым наружным отверстия с направляющими, выполненными с возможностью ручного управления размерами отверстия, при этом один воздуховод включает в себя коробку для забора воздуха, соединенную с промежуточным объемом для нагрева воздуха, с устройством для подачи воздуха со съемным воздухораспределителем и другим воздуховодом оборудован возможностью подачи воздуха в нижнее топливо, подключено к промежуточному объему для нагрева воздуха с отверстием с ползунком для контроля размеров отверстия или его закрытия, электронным блоком управления, противопожарной решеткой.
Недостатком аналога является низкая надежность котла, обусловленная наличием в камере сгорания воздухораспределителя, имеющего малый срок службы из-за высоких температур в зоне горения твердого топлива.
Также известен ВОДОГРЕЙНЫЙ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЕЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ [RU 183190 U1, опубл.: 13.09.2018], содержащий корпус, выполненный в виде вертикально установленного бака, в котором выполнена камера сгорания твердого топлива над водяным колосником, полость для подачи теплоносителя и отвода его потребителю, устройство для подачи воздуха и распределения его в камере сгорания - воздуховод, теплообменник с расположенным под ним зольником, в камере сгорания расположен по меньшей мере один газоход, выход которого выведен в верхнюю часть камеры сгорания, и дверка для загрузки топлива, а в нижней части расположена топка с колосниковой решеткой и воздуховодами дополнительного воздуха, отличающийся тем, что воздуховод и форсунки для подачи воздуха расположены по периметру камеры сгорания, при этом воздуховод, расположен вдоль вертикальных боковых стенок корпуса котла, и соединен форсунками для подачи воздуха с камерой сгорания, а вход воздуховода расположен под колосниками, угловые форсунки для подачи воздуха в камеру сгорания расположены по углам камеры сгорания и имеют диаметр 12 мм, а боковые форсунки расположены в боковых стенках котла и проходят через водяную рубашку и имеют диаметр 15 мм, а поддувальное пространство выполняет роль ресивера, что уравнивает давление воздуха на форсунках, в верхней части камеры сгорания расположены жаровые трубы, теплообменник выполнен в виде вертикально и горизонтально установленных баков, под которым расположен зольник, снабженный зольным люком, теплообменник присоединен к подающей линии трубы для подачи в него нагреваемой воды и обратной линии трубы для отвода нагретой воды, которые расположены в боковых стенках котла, для возврат теплоносителя в котел двумя путями, при этом патрубок подачи теплоносителя в систему выполнен из трубы диаметром 40 мм, а патрубок возврата из системы отопления 32 мм.
Недостатком аналога является низкая эффективность сжигания топлива в указанном котле, обусловленная необходимостью регулирования подачи воздуха в зону сгорания топлива вручную.
Наиболее близким по технической сущности является ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЕЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ [RU 196392 U1, опубл.: 27.02.2020], содержащий корпус, камеру сгорания с окном подачи топлива, емкость теплоносителя, дымовую трубу, вентилятор и контроллер, отличающийся тем, что корпус котла содержит внутреннюю и наружную оболочки, образующие по контуру и в верхней части котла емкость теплоносителя, соединенную с системой отопления входным и выходным патрубками, внутри котел содержит камеры теплового обмена, сгорания и зольную, камера теплового обмена соединена с емкостью теплоносителя и отделена от камеры сгорания теплообменными каналами, зольная камера в нижней части котла отделена от камеры сгорания полыми колосниками, сообщающими собой емкость теплоносителя в передней и задней частях котла, отверстие подачи воздуха со смонтированным на не вентилятором соединено каналом с зольной камерой, при этом вентилятор снабжен клапаном, в передней части напротив каждой из камер котла выполнены прямоугольные отверстия, оборудованные дверцами, вентилятор соединен с контроллером, к входу контроллера подключен температурный датчик.
Основной технической проблемой является низкая надежность котла, обусловленная наличием колосников в конструкции, возможность расслоения жидкостей при небольших скоростях потока теплоносителя, обусловленное горизонтальным расположением теплообменников, а также малая мощность котла, вызванная малым объемом камеры сгорания для обеспечения полного и равномерного сгорания загружаемого топлива.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа.
Технический результат полезной модели заключается в возможности создания высоконадежного эффективного твердотопливного котла длительного горения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что твердотопливный котел длительного горения, содержащий двойной корпус, стенки которого образуют емкость теплоносителя, камеру сгорания, камеру теплообмена, теплообменник, окна подачи топлива и выгрузки золы и шлака, снабженные дверцами, дымовую трубу, входной и выходной патрубки, воздуховод, вентилятор и контроллер, отличающийся тем, что теплообменник выполнен вертикальным и содержит, как минимум, пару вертикальных, смонтированных коаксиально друг с другом и с дымовой трубой, замкнутых контура, при этом контура соединены между собой и с емкостью теплоносителя корпуса котла радиальными патрубками, а диаметр внутреннего контура выполнен больше диаметра дымовой трубы, объем внутреннего контура в верхней части соединен с емкостью теплоносителя, образуя общий замкнутый объем теплоносителя,  на дне и в боковых стенках корпуса котла выполнены изолированные от емкости теплоносителя сквозные отверстия, упомянутые отверстия сообщены между собой воздуховодами, соединенными с вентилятором, окно для выгрузки золы и шлака выполнено в нижней части камеры сгорания, отверстие дымохода под теплообменником закрыто задвижкой.
В частности, контура теплообменника выполнены цилиндрическими.
В частности, сквозные отверстия в боковых стенках корпуса котла снабжены форсунками.
В частности, вентилятор выполнен центробежным.
В частности, снаружи котел изолирован теплоизолирующим покрытием.
В частности, в отверстие на дне котла изнутри смонтирован съемный защитный зонт.
В частности, в воздуховоде под отверстием на дне котла смонтирован шибер.
В частности, выходной патрубок соединен с циркуляционным насосом.
Краткое описание чертежей.
На фиг.1 показан вид спереди твердотопливного котла длительного горения.
На фиг.2 показан общий вид твердотопливного котла длительного горения.
На фиг.3 показан вид спереди твердотопливного котла длительного горения в разрезе.
На фиг.4 показан вид сверху корпуса твердотопливного котла длительного горения.
На фиг.5 показан вид спереди теплообменного картриджа.
На фиг.6 показан вид сверху теплообменного картриджа.
На фиг.7 показан вид спереди зонтика.
На фиг.8 показан вид снизу твердотопливного котла длительного горения с дополнительными воздуховодами, выполненными вдоль боковых стенок котла.
На фиг.9 показан вид снизу твердотопливного котла длительного горения с дополнительными воздуховодами, выполненными по дну котла.
На фигурах обозначено: 1 – корпус, 2 – емкость теплоносителя, 3 – теплообменный картридж, 4 – наружный контур, 5 – внутренний контур, 6 – малый диск, 7 – большой диск, 8 – радиальные трубки, 9 – дымоход котла, 10 – шиберная задвижка, 11 – входной патрубок, 12 – выходной патрубок, 13 – загрузочная дверца, 14 – дверца для удаления золы и шлака, 15 – замковые устройства, 16 – форсунки, 17 – зонтик, 18 – ножка, 19 – юбка, 20 – отверстия выхода воздуха, 21 – центральный воздуховод, 22 – центробежный вентилятор, 23 – дополнительные воздуховоды, 24 – люк, 25 – клапан сброса давления, 26 – опоры, 27 – выхлопная труба.
Осуществление полезной модели.
Твердотопливный котел длительного горения содержит цилиндрический корпус 1 (см. Фиг.1-4) с двойными стенкой и дном, образующие емкость теплоносителя 2. Сверху к боковым стенкам корпуса 1 котла смонтирован теплообменный картридж 3 (см. Фиг.5-6), содержащий наружный 4, образованный двойными боковыми стенками и двойным дном и внутренний 5, образованный только двойными боковыми стенками контуры цилиндрической формой, при этом внутренний контур 4 смонтирован выступающим над наружным контуром 5. В нижней части внутренний контур 5 выполнен заглушенным. В верхней части на торцы боковых стенок наружного контура 4 смонтирован малый диск 6, а на торцы боковых стенок внутреннего контура 5 смонтирован большой диск 7. Малый 6 и большой 7 диски соединены внешними сторонами с внутренней и наружной стенками корпуса 1, образуя единый замкнутый объем с емкостью теплоносителя 2.
Наружный 4 и внутренний 5 контуры соединены между собой радиальными трубками 8.
В одном из вариантом реализации трубки 8 в упомянутых контурах 4 и 5 смонтированы в верхней и нижней их частях по три в каждой из плоскостей радиально со смещением на 120°.
Наружный контур 4 соединен с емкостью теплоносителя 2 радиальными трубками 8 со смещением на 120°.
В малом 6 и большом 7 дисках выполнены отверстия, диаметрами, соответствующие внутреннему диаметру внутреннего контура 5, образуя выходное отверстие дымохода котла 9, при этом в верхней части дымоход котла 9 выполнен с заужением. Входное отверстие дымохода 9 выполнено на дне наружного контура 4. Входное отверстие дымохода 9 закрыто шиберной задвижкой 10 с отверстием по центру,  к выходному отверстию дымохода 9 смонтирована выхлопная труба 27.
В нижней и верхней частях котла в емкость теплоносителя 2 через наружную боковую стенку корпуса 1 и большой диск 7 смонтированы входной 11 и выходной 12 патрубки соответственно.
На передней стенке корпуса 1 котла выполнены прямоугольные технологические отверстия, открывающие доступ к верхней и нижней частям камеры сгорания. Упомянутые технологические отверстия оборудованы загрузочной дверцей 13 и дверцей для удаления золы и шлака 14. Дверцы 13-14 выполнены газоплотными и уплотнены огнеупорным уплотнительным материалом. Дверцы 13-14 снабжены шарнирными петлями (на фигурах не показаны) и ручками с замковыми устройствами 15.
В боковых стенках корпуса 1 вертикально снизу вверх не выше уровня загрузки котла смонтированы, как минимум, в один ряд форсунки 16, при этом в ряду выполнено, как минимум, три форсунки. Форсунки 16 выполнены из металлических трубок.
По центру на дне корпуса 1 выполнен канал для подачи воздуха в камеру сгорания, снабженный съемным зонтиком 17 (см. Фиг.7) с ножкой 18, выполненный из трубы цилиндрической формы с возможностью защиты отверстия от попадания в него топлива и золы. На ножке 18 выполнена юбка 19 с возможностью удержания зонтика 17 в упомянутом канале на дне корпуса 1. В ножке 18 по периметру выполнены отверстия выхода воздуха 20.
К отверстию для подачи воздуха на дне корпуса 1 смонтирован центральный воздуховод 21 (см. Фиг.8-9) входное отверстие которого выполнено у боковой стенки корпуса 1. Над входным отверстием центрального воздуховода 21 смонтирован центробежный вентилятор 22.
Форсунки 16 с центральным воздуховодом 21 соединены на дне или вдоль боковой стенки корпуса 1 котла дополнительными воздуховодами 23.
В центральном воздуховоде 22 выполнено отверстие регулировки подачи воздуха, снабженное люком 24.
Центробежный вентилятор 22 соединен с контроллером, к информационным входам которого подключен температурный датчик (на фигурах не показаны), смонтированный в емкость теплоносителя 2 в верхней части котла.
Контроллер выполнен с возможностью регулировки температуры теплоносителя путем изменения в автоматическом режиме воздушной тягой под областью горения топлива, создаваемой центробежным вентилятором 22.
Котел снабжен циркуляционным насосом (на фигурах не показан) и клапаном сброса избыточного давления 25. Циркуляционный насос смонтирован в непосредственной близости от выходного патрубка 11 на параллельной линии с возможностью исключения препятствования естественной циркуляции теплоносителя в системе при отключенном питании циркуляционного насоса. Клапан сброса избыточного давления 25 смонтирован в емкости теплоносителя 2 в верхней части котла. Циркуляционный насос подключен к системе резервного питания, выполненной в виде инвертора, автоматического зарядного устройства и аккумулятора (на фигурах не показаны).
Котел установлен на опорах 26.
Твердотопливный котел длительного горения используют следующим образом.
Перед началом использования проверяют уровень теплоносителя в расширительном баке (на фигурах не показан). При необходимости доливают теплоноситель в расширительный бак и приступают к розжигу котла.
Через дверцу для удаления золы и шлака 14 удаляют образовавшиеся от сгорания топлива золу и шлак и плотно закрывают упомянутую дверцу 14. Через загрузочную дверцу 13 загружают в камеру сгорания твердое топливо и поджигают его сверху. Плотно закрывают загрузочную дверцу 13.
Включают контроллер и выставляют рабочую температуру теплоносителя от 40°С до 80°С. После появления тяги с контроллера запускают центробежный вентилятор 22. При уменьшении температуры теплоносителя на выходе из котла контроллер подает сигнал на включение центробежного вентилятора 22. Воздух, нагнетаемый центробежным вентилятором 22, по центральному 21 и дополнительным 23 воздуховодам через канал для подачи воздуха на дне корпуса 1 и форсунки 16 подают в камеру сгорания котла. Под действием нагнетаемого воздуха процесс горения усиливается и увеличивается температура теплоносителя.
Горящее топливо разогревает теплоноситель, циркулирующий по емкости теплоносителя 2 и теплообменному картриджу 3.
Образовавшаяся от сгорания топлива раскаленная газовоздушная смесь последовательно проходит между наружным контуром 4 (показано стрелками на Фиг.3) теплообменного картриджа 3 и внутренней стенкой корпуса 1 котла, между наружным 4 и внутренним 5 контурами теплообменного картриджа 3 и выходит через дымоход котла 9 вдоль внутреннего контура 5 теплообменного картриджа 3 разогревая теплоноситель, циркулирующий в верхней части котла и теплообменном картридже 3.
Конденсат, образованный на внутренней стенке выхлопной трубы 27 собирают на шиберной задвижке 10 в нижней части теплообменного картриджа 3, который через отверстие в упомянутой задвижке 10 дозированно подают в камеру сгорания.
При достижении заданной температуры теплоносителя контроллер отключает центробежный вентилятор 22.
В процессе работы котла при необходимости меняют заданную температуру, но не более чем 10-15°С в течение 1 часа.
Подачу теплоносителя в систему отопления из емкости теплоносителя 2 осуществляют циркуляционным насосом (на фигурах не показан).
Периодически очищают теплообменный картридж 3 от нагара, для чего при холодном котле открывают загрузочную дверцу 13 и шиберную задвижку 10 и вычищают нагар с горизонтальной внутренней поверхности наружного контура 4 теплообменного картриджа 3.
Технический результат - возможность создания высоконадежного эффективного твердотопливного котла длительного горения достигается за счет выполнения корпуса 1 котла в виде единой с внутренним объемом теплообменного картриджа 3 замкнутой емкости теплоносителя 2 и выполнения теплообменного картриджа в виде сообщенных между собой вертикальных наружного 4 и внутреннего 5 контуров, обеспечивающих наибольшую площадь соприкосновения теплоносителя с камерами сгорания и теплообмена и повышение эффективности передачи тепловой энергии от сгорания топлива теплоносителю. Кроме того, повышение эффективности сжигания топлива достигается за счет регулируемой оборотами центробежного вентилятора 22 и открытием люка 24 подачи воздуха по всей толще топлива через центральный 21 и дополнительные 23 воздуховоды. Кроме того, отсутствие колосников в конструкции и сообщение полости дна корпуса 1 котла с объемом теплоносителя 2 исключает быстрое прогорание дна и обеспечивает возможность увеличения срока службы котла.
С 2017 года автором в соответствии с описанием налажено изготовление твердотопливных котлов длительного горения различной мощности. Эксплуатация котлов показала, что для поддержания температуры теплоносителя в выходном патрубке 12 в пределах 50°С  температура внутри камеры сгорания в верхнем слое горящего топлива в котле должна поддерживаться в пределах 360°С , вместо 500-600°С в аналогичных решениях, что существенно увеличивает время горения загруженного топлива, а температура дыма в выхлопной трубе 27 37±3°С. При такой температуре в выхлопной трубе 27 в обычных котлах неизбежно образование конденсата, приводящего к процессам окисления металла. Однако за счет выполнения выхлопной трубы 27 диаметром, меньшим диаметра внутреннего контура 5 теплообменника 3 за счет заужения дымохода котла 9 в верхней его части конденсат из выхлопной трубы 27 сразу попадает на шиберную задвижку 10, откуда в свою очередь через отверстие в упомянутой задвижке 10 небольшими каплями попадает в камеру сгорания не оказывая влияния на процесс сгорания. А за счет выполнения теплообменного картриджа 3 вертикальным отложения на стенках контуров 4,5 образуются в меньшей степени, что обеспечивает в свою очередь поддержание эффективности котла неизменной длительное время.