ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEATING DEVICE

Изобретение относится к области теплообменного оборудования, а именно к устройствам для воздушно-жидкостного обогрева помещений различного назначения, и может быть применено в быту и при производстве строительных и других материалов, где необходима горячая вода, при использовании всех видов твердого топлива.
Известно отопительное устройство, содержащее корпус с боковыми, задней и передней стенками, колосник в нижней части устройства, зольную камеру, дымоходную трубу, поддувало, входной и выходной патрубки, эжекторы, топочную камеру с загрузочной дверцей, состоящую из двух уровней: нижней и верхней топочных камер для газогенерации твердого топлива, нижняя и верхняя топочные камеры снабжены колосниковыми решетками, установленными параллельно друг другу в отверстиях, выполненных на противоположных передней и задней стенках корпуса, при этом колосниковые решетки выполнены из одного ряда горизонтально и параллельно расположенных каналов, соединенных уголками так, что уголки расположены над и под отверстиями, в которых установлены каналы, причем каналы имеют открытые торцы для равномерного конвективного теплообмена воздушного потока, между каналами колосниковых решеток установлены зазоры, при этом в колосниковой решетке верхней топочной камеры у канала, расположенного в центре ряда, предварительно выполнены отверстия сбоку и установлена заглушка с одного из открытого его торца, кроме того, над верхней топочной камерой установлен блок поверхностей нагрева жидкостного теплоносителя, включающий камеру для обогрева, внутри которой расположена теплообменная двухконтурная камера, выполненная по типу «труба в трубе», состоящая из верхней и внутренней труб, при этом длина верхней трубы больше длины внешней трубы, и выступающая часть внутренней трубы сверху выполнена в форме полуцилиндра, а снизу выступающая часть внутренней трубы открыта для поступления выделяющихся газов из нижней и верхней топочных камер, дожигание выделяющихся газов при горении - тлении твердого топлива на колосниковых решетках нижней и верхней топочных камер, поступающих через отверстие, выполненное в нижней части камеры для обогрева и сообщающееся с верхней камерой, осуществляется сначала снаружи внешней трубы, а затем изнутри внутренней трубы теплообменной двухконтурной камеры, а между внешней и внутренней трубами подается и обогревается жидкостный теплоноситель, причем необходимое количество подогретого воздуха для дожигания газов осуществляется через эжекторы, один из которых расположен во внутренней трубе, а другой - под внешней трубой и установлен в камере для обогрева (см. патент RU №2242679, МПК F24C, F24H, F24B, опубл. в бюл. №30 от 27.10.2008).
Недостатками известного устройства являются: недостаточная мощность отопительного устройства, что обусловлено недостаточной теплотворной способностью дров и производных продуктов дерева.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является отопительное устройство с бесканальным дымоходом, состоящее из камеры для топки и замкнутой камеры-колпака, колосниковых решеток в камере для топки, поддувала-зольника, дверцев для камеры топки и поддувала-зольника, хайла, дымохода, дымовой задвижки, внутренних тепловоспринимающих стенок, в которых дымооборот совершается внутри замкнутой камеры-колпака. В отверстие в дне камеры для топки поступают горячие газы из хайла топки, которые поднимаются к своду замкнутой камеры-колпака и по более холодным стенкам опускаются вниз, далее через боковое отверстие уходят в дымовую трубу. Такая конструкция обладает всеми достоинствами однооборотного дымохода с параллельными опускными каналами, но лишена ее недостатков: в период растопки дым сразу из входного отверстия уходит в выходное, столб холодного воздуха не запирает его. Бесканальный дымоход создает хорошую тягу как при растопке, так и при прогретой печи, он позволяет обойтись короткой дымовой трубой (см. B.C.Синельников «Энциклопедия загородного строительства», М., «ЭКСМО», 2008, с.330).
Недостатками известного отопительного устройства являются: устройство предназначено только для сжигания дров, а частая закладка дров - не очень-то удобна с эксплуатационной точки зрения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции отопительного устройства комбинированного типа, где в топочной камере происходит тление твердого топлива - газогенерация, а в колпаковой камере происходит сжигание угля газогенераторными газами.
Технический результат изобретения - увеличение мощности отопительного устройства и времени горения путем использования угля при его разовой закладке, повышение КПД и уменьшение вредных выбросов в атмосферу за счет полного сжигания угля газогенераторными газами и увеличения теплообмена устройства с воздушными массами обогреваемого помещения или жидкостным теплоносителем.
Технический результат достигается тем, что в отопительном устройстве, содержащем колпаковую и топочную камеры, стенки которых выполнены из огнеупорного кирпича по контуру корпуса, топочная камера включает камеру для топки с колосником, расположенным над поддувалом-зольником, и дверцу, дымоходную трубу и дымоходную задвижку, дверцу поддувала-зольника, согласно изобретению между топочной и колпаковой камерами установлен теплообменник в виде колосниковых решеток, выполненных из металлических труб и расположенных горизонтально, которые зафиксированы уголками, расположенными с наружных стенок топочной камеры, сверху над теплообменником со стороны дымоходной трубы установлен жидкостный теплообменник с выходным патрубком, а с противоположной стороны снизу теплообменника также установлен жидкостный теплообменник с входным патрубком, при этом жидкостные теплообменники соединены между собой через входной и выходной патрубки трубой, в топочной камере установлен эжектор, который введен снизу колпаковой камеры через дымоходную трубу, над колпаковой камерой установлен колпак, стенки которого сбоку и сверху, внутри и снаружи выполнены в виде двойной металлической системы с возможностью подачи между этими стенками жидкостного теплоносителя через входной патрубок колпака, в колпаке сверху установлено сопло для загрузки угля, а на сопло сверху установлена крышка с ручкой, при этом внутри колпаковой камеры установлен теплообменник в виде колосниковой решетки воронкообразного вида, сужающейся в нижней части колпаковой камеры и выполненной из металлических труб, пронизывающих насквозь стенки колпаковой камеры, причем в камере для топки в дверце поддувала-зольника выполнен шибер.
Новизной предлагаемого отопительного устройства является то, что уложенные в ряд металлические трубы теплообменника, установленного между колпаковой и топочной камерами, с некоторым зазором между собой, зазоры которых по контуру заполняются глиняной пастой, образуют колосниковую решетку достаточно больших размеров, что позволяет определять производительность отопительного устройства путем увеличения площади горения угля.
Новизной устройства является также то, что в колпаковой камере стенки насквозь пронизаны металлическими трубами, образующими колосниковую решетку воронкообразного вида. При падении угля вниз по ступеням из труб колосниковой решетки происходит ворошение угля во время падения вниз, что обеспечивает достижение равномерного и полного сжигания угля.
Новым в предлагаемом изобретении является также и то, что в результате подачи жидкостного теплоносителя или воздушного потока по металлическим трубам, во-первых, в них нагревается жидкостный теплоноситель и воздушный поток, во-вторых, происходит охлаждение металлических труб жидкостными и воздушными теплоносителями, что обеспечивает уменьшение вероятности прогорания металлических труб и увеличение их срока службы.
Новым в устройстве является также и то, что один из жидкостных теплообменников, который расположен со стороны дымоходной трубы, устанавливается сверху колосниковых решеток теплообменника между колпаковой и топочной камерами для того, чтобы предотвратить падение шлака и золы в дымоходную трубу, а с противоположной стороны - снизу колосниковых решеток для того, чтобы не препятствовать удалению шлака и золы из колпаковой камеры, при этом жидкостные теплообменники соединены между собой через входной и выходной патрубки трубой. Установка в устройстве жидкостных теплообменников обеспечивает предварительный нагрев жидкостного теплоносителя, снятие избыточной температуры с поверхности колосниковых решеток из металлических труб теплообменника с двух сторон, что приводит к уменьшению вероятности их прогорания и увеличению срока их службы.
Новым в устройстве также является установка шибера на дверце поддувала-зольника, что позволяет регулировать подачу первичного воздуха в топочную камеру: во время растопки твердого топлива шибер открывают полностью, а после растопки - прикрывают так, чтобы перевести топочную камеру с режима горения в режим тления твердого топлива, т.е. в режим газогенерации.
Установка эжектора в дымоходной трубе топочной камеры обеспечивает необходимую подачу избыточного подогретого воздуха для дожигания выделяющихся газогенераторных газов и сжигания угля в колпаковой камере.
Из уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, заявитель не обнаружил аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного отопительного устройства.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено отопительное устройство - вид сбоку, на фиг.2 - разрез в плоскости А-А фиг.1, на фиг.3 - вид спереди с разрезом в плоскости В-В фиг.1.
Отопительное устройство (см. фиг.1, 2, 3) состоит из топочной камеры 1, которая содержит стенки 2, выполненные из огнеупорного кирпича по контуру корпуса, камеру для топки 3 с дверцей для загрузки твердого топлива, колосники 4, расположенные над поддувалом-зольником 5 камеры для топки 3. Поддувало-зольник 5 выполнен в нижней части камеры для топки 3 и имеет дверцу 6 для удаления золы, на которой установлен шибер 7 для регулирования количества подаваемого первичного воздуха (см. фиг.3). Между задней стенкой 2 камеры для топки 3 и наружной стенкой топочной камеры 1 установлены дымоходная труба 8 и дымоходная задвижка 9 для регулирования режима газогенерации твердого топлива. В верхней части топочной камеры 1 установлен теплообменник 10, выполненный в виде колосниковых решеток из металлических труб с определенным шагом между собой и с возможностью подогрева жидкостного или воздушного теплоносителя. Для фиксации колосниковых решеток воздушного теплообменника 10 установлены уголки 11 с противоположных наружных стенок 2 топочной камеры 1. В дымоходной трубе 8 установлен эжектор 12 для подачи избыточного подогретого вторичного воздуха, выполненный в виде Т-образной трубы, который установлен в дымоходной трубе 8 топочной камеры 1. Внутри топочной камеры 1 на противоположных стенках 2 установлены жидкостные теплообменники 13, 14 с входным 15 и выходным 16 патрубками. Жидкостный теплообменник 14 расположен над воздушным теплообменником 10 со стороны дымоходной трубы 8 для предотвращения попадания шлаков и золы в дымоходную трубу 8, установленную в топочной камере 1, а жидкостный теплообменник 13 расположен под теплообменником 10 для того, чтобы не препятствовать удалению шлака и золы. Жидкостные теплообменники 13, 14 с входным 15 и выходным 16 патрубками установлены с возможностью контактирования с металлическими трубами колосниковых решеток теплообменника 10.
Колпаковая камера 17 содержит стенки 18, выполненные из огнеупорного кирпича по контуру корпуса, которые являются продолжением контура корпуса топочной камеры 1. В колпаковой камере 17 установлен теплообменник 19, выполненный в виде колосниковой решетки из металлических труб, установленных таким образом, что трубы насквозь пронизывают стенки 18. Металлические трубы теплообменника 19 расположены внутри колпаковой камеры 17 в виде воронки, сужающейся в нижней части колпаковой камеры 17. Колпаковая камера 17 имеет дверцу 20 для разгрузки шлака и золы. Сверху на колпаковую камеру 17 устанавлен колпак 21 (отличается штриховкой под другим углом на фиг.1), стенки которого сбоку и сверху, внутри и снаружи, выполнены в виде двойной металлической системы 22. Между стенками металлической системы 22 через входной патрубок 23 колпака 21 подается жидкостный теплоноситель. Колпак 21 имеет также выходной патрубок 24. В колпаке 21 сверху установлено сопло 25 для загрузки угля, сверху которого установлена полая крышка 26 для охлаждения с ручкой либо крышка из жаропрочного материала. Жидкостный теплообменник 13 установлен под теплообменником 10 для того, чтобы не препятствовать удалению шлака и золы из колпаковой камеры 17.
После сборки топочной камеры 1 на нее укладываются в ряд металлические трубы воздушного теплообменника 10 с определенным шагом между собой, образуя зазоры, а эти зазоры по контуру заполняются глиняной пастой. Один из жидкостных теплообменников 14, который находится со стороны дымоходной трубы 8, устанавливается сверху колосниковых решеток теплообменника 10, а с противоположной стороны - снизу колосниковых решеток теплообменника 10, при этом жидкостные теплообменники 13 и 14 соединяются между собой через патрубки 27 и 28 трубой 29 (см. фиг.2). Жидкостный теплоноситель подается на входной патрубок 15 жидкостного теплообменника 13, затем предварительно нагревается и через выходной патрубок 28 и соединительную трубу 29 подается на входной патрубок 27, далее нагревается и подается через выходной патрубок 16 жидкостного теплообменника 14 на входной патрубок 23 колпака 21.
В колпаковой камере 17 отопительного устройства при дожигании выделяющихся газов образуется температура более 1000°C, часть тепла которых уходит в жидкостные теплообменники 13, 14 и теплообменники 10, 19 из металлических труб, а часть - на сжигание угля, который лежит на колосниковых решетках теплообменников 10, 19. Таким образом, достигается стабильное сжигание угля любого качества в колпаковой камере 17 отопительного устройства. Т.к. уголь обладает в несколько раз большей теплотворностью, чем дрова, обеспечивается увеличение мощности в несколько раз в предлагаемом отопительном устройстве.
Предлагаемое отопительное устройство работает следующим образом.
Дрова или другие виды твердого топлива подаются через загрузочно-разгрузочную дверцу в камере для топки 3. После растопки твердого топлива с помощью шибера 7 дверцы 6 поддувала-зольника 5 топочная камера 1 отопительного устройства переводится в режим тления твердого топлива, далее дымоходная труба 8 с помощью задвижки 9 прикрывается наполовину. Для подачи вторичного избыточного подогретого воздуха на колосниковые решетки теплообменника 10 используется эжектор 12. Колосниковые решетки теплообменника 10 выполнены из металлических труб в ряд с определенным шагом между собой для того, чтобы через щели колосниковых решеток не выпадали в топочную камеру 1 несгоревшая зола и шлаки. Колосниковые решетки теплообменников 10, 19 выполнены из металлических труб для того, чтобы, во-первых, жидкостный теплоноситель или холодный воздушный поток, проходя через трубы, нагревался и на выходе отдавал тепло в виде нагретого воздушного потока или жидкостного теплоносителя, а во-вторых, чтобы не выгорали колосниковые решетки. Таким образом, происходит обогрев помещения, где установлено отопительное устройство.
Далее газы тлеющего твердого топлива из камеры для топки 3 поднимаются вверх и, проходя через жидкостные теплообменники 13, 14 и ряд металлических труб колосниковых решеток теплообменника 10, вступают в реакцию горения с подогретым избыточным воздухом, который подается через Т-образную трубу эжектора 12. Там температура достигается более 1000°C, которая способствует полному сжиганию угля, следовательно, уменьшению вредных выбросов в атмосферу, происходит окончательное дожигание тлеющих газов.
Жидкостные теплообменники 13, 14 помимо нагрева жидкости, снимают тепло с горизонтально расположенных металлических труб колосниковых решеток теплообменника 10.
Колпак 21 выполнен как одно целое изделие, стенки которого сбоку и сверху, внутри и снаружи, выполнены в виде двойной металлической системы 22, между которыми с помощью входного патрубка 23 подается жидкостный теплоноситель, нагревается и отводится в нагретом виде через выходной патрубок 24. Сверху колпака 21 установлено сопло 25, по которому сверху загружается уголь. Сверху сопла 25 установлена полая крышка 26 для охлаждения с ручкой либо крышка из жаропрочного материала, которой закрывается сопло 25 после загрузки угля. В колпаковой камере 17 стенки 18 пронизаны насквозь металлическими трубами теплообменника 19, которые образуют колосниковую решетку воронкообразного вида, сужающуюся в нижней части колпаковой камеры, для равномерного и полного сжигания угля во время падения угля из сопла 25 вниз.
Предлагаемое отопительное устройство по сравнению с прототипом (см. B.C.Синельников «Энциклопедия загородного строительства», М., «ЭКСМО», 2008, с.330) позволяет получить следующие преимущества:
- увеличить мощность и время горения твердого топлива при одной закладке твердого топлива путем использования угля, обладающего большей теплотворностью,
- повысить КПД за счет сжигания угля в колпаковой камере, где происходит газогенерация и температура достигается более 1000°C, которая способствует полному сжиганию угля, следовательно, уменьшению вредных выбросов в атмосферу,
- улучшить удобство эксплуатации, так как необходимые объемы топочных камер и площади колосниковых решеток теплообменников позволяют реже закладывать твердое топливо, например через 12-24 часов, что очень удобно и отпадает необходимость содержания штатного кочегара или присутствие человека, следящего за пожарной безопасностью,
- в результате использования системы металлических труб, образующих колосниковую решетку воронкообразного вида, теплообменника внутри колпаковой камеры происходит ворошение угля во время горения и падения угля вниз и тем самым происходит равномерное и полное сжигание угля, исключающее необходимость применения шурующего устройства, применяющегося в угольных котлах.