ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEATING DEVICE

Изобретение относится к области теплообменного оборудования, а именно к устройствам для воздушно-жидкостного обогрева помещений различного назначения при использовании всех видов твердого топлива, и может быть применено в быту, в хозяйственных помещениях и на производстве, где необходима горячая вода с одновременной утилизацией отходов производных продуктов древесины и других материалов, кроме пластиков, пластмасс и тому подобных, при сгорании которых выделяются вредные для человека вещества.
Известны отопительные газогенераторные устройства «Буллерьян» и «Синель», которые работают на дровах древесных отходов, брикетах торфа, низкокалорийном угле. Эти печи могут за 20-30 минут заполнить комнату теплым воздухом. Разжигают их как обычную печь. А потом на раскаленные угли закладывают основное топливо и с помощью двух заслонок устанавливают режим длительного горения. Печи «Буллерьян» имеют встроенные воздуховоды, имеющие входные патрубки снизу и выходные сверху. Эти патрубки засасывают с пола помещения холодный воздух, который, нагреваясь, уходит вверх. Такое устройство повышает интенсивность теплообмена (см. B.C. Синельников. Энциклопедия загородного строительства. М.: ЭКСМО, 2008 г., с. 196).
Недостатками известных устройств являются: ограничение по максимальной мощности ~35 кВт, выполнение устройств полностью неразборными из металла, что накладывает ограничение по габаритам, весу, следовательно, и по максимальной мощности.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является отопительное устройство, содержащее колпаковую и топочную камеры, стенки которых выполнены из огнеупорного кирпича по контуру корпуса. Топочная камера содержит дверку для загрузки твердого топлива с шибером, теплообменник, дымоходную трубу, дымоходную задвижку. Теплообменник выполнен в виде пенала с водой и установлен в середине колпаковой камеры с возможностью обогрева дымовыми газами со всех сторон. Вплотную к передней стенке топочной камеры установлена прямоугольная металлическая пластина на двух поперечно расположенных уголках, которая в совокупности с основанием теплообменника, выполненным также из металлической пластины, установленным на поперечно расположенных профильных прямоугольных металлических трубах, образует канал для сжигания дымовых газов. Поддувальная дверка установлена сбоку с задней стороны топочной камеры для подачи и регулировки подачи вторичного воздуха в канал сжигания дымовых газов. На входе колпаковой камеры установлена поддувальная дверка с шибером для подачи вторичного воздуха в колпаковую камеру и окончательного дожигания дымовых газов в ней. В отопительном устройстве вертикально расположены два ряда профильных прямоугольных металлических труб, установленных в швы кирпичной кладки дымоходной трубы от подвертки до второй задвижки с возможностью нагрева от горячих дымовых газов воздуха внутри профильных прямоугольных металлических труб и посредством конвективного тепломассообмена с возможностью обогрева помещения и помещения этажом выше, где установлена дымоходная труба. Ряды профильных прямоугольных металлических труб вертикально расположены с возможностью связывания кирпичей между собой при кладке дымоходной трубы и установлены внутри дымоходной трубы следующим образом: по левой стороне в четных рядах, а по правой стороне в нечетных рядах (см. патент №2551183 RU, МПК F24C 13/00, опубл. 20.05.2015 г.).
Недостатками известного устройства являются: недостаточный обогрев прямоугольных профильных труб второго этажа воздушными массами, так как туда подается остаток тепла после обогрева первого этажа и котла над топочной камерой и плитой, недостаточный нагрев котла лучевой тепловой энергией топочной камеры, так как котел находится в тени плиты и имеет не маленькие размеры, образование и отложение смолы на поверхности котла и в дымоходной трубе.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка конструкции отопительного газогенераторного устройства в кирпичном исполнении с воздушно-жидкостным обогревом помещений как принудительным, так и естественным тепломассообменом.
Технический результат изобретения - увеличение тепломассобмена отопительного устройства с воздушными массами обогреваемого помещения на нескольких этажах дома или жидкостным теплоносителем посредством теплового излучения и за счет полного сжигания дымовых газов.
Технический результат достигается тем, что в отопительном устройстве, содержащем колпаковую и топочную камеры, стенки которых выполнены из огнеупорного кирпича по контуру корпуса, топочная камера содержит дверку для загрузки твердого топлива, основание, стенки, регулятор подачи вторичного воздуха, котлы, дымоходную трубу, согласно изобретению над топочной камерой расположена камера, в которой размещен либо жидкостный котел, либо система прямоугольных профильных труб, которая в совокупности с хайлом образует первую колпаковую камеру, причем верх хайла расположен на уровне или выше топочной дверки с возможностью выполнения функции подвертки первой колпаковой камеры, сразу за хайлом в задней стенке отопительного устройства выполнены два параллельных вертикальных канала, один из которых высотой в несколько этажей с системой профильных прямоугольных труб, образуют в совокупности вторую колпаковую камеру, которая расположена за первой колпаковой камерой последовательно, на основании первого вертикального канала установлен парогенератор, к которому подключена горизонтальная трубка, установленная ниже колосниковой решетки нижнего жидкостного котла по диагонали топочной камеры, с заглушенным концом трубки с другой стороны, катализатором, расположенным внутри трубки, и со сквозными поперечными отверстиями для выхода пара, при этом антиподдувальная дверка, установленная перед подверткой во второй вертикальный дымоходный канал и в вертикальный канал, выполненный в виде дымоходной трубы, расположена ниже основания топочной камеры под колосниковой решеткой нижнего жидкостного котла, кроме того, по боковым стенкам топочной дверки в швах кирпичной кладки выполнены отверстия или вертикальные щели.
Отличительными конструктивными признаками предлагаемого отопительного устройства по сравнению с прототипом являются:
- расположение над топочной камерой камеры, выполненной из огнеупорного кирпича, в которой размещен либо жидкостный котел, либо система прямоугольных профильных труб, которая в совокупности с хайлом образует первую колпаковую камеру, позволит лучше прогревать котел лучевым излучением, конвекцией и вследствие теплопроводности из топочной камеры, так как в предлагаемой конструкции отсутствует плита, которая создает тень для котла и забирает всю лучевую энергию;
- расположение верха хайла на уровне или выше топочной дверки с возможностью выполнения функции подвертки первой колпаковой камеры и выполнение сразу за хайлом в задней стенке отопительного устройства двух параллельных вертикальных каналов, один из которых высотой в несколько этажей с системой профильных прямоугольных труб, антиподдувальной дверкой, установленной перед подверткой снизу между двумя параллельными вертикальными каналами, которые образуют в совокупности вторую колпаковую камеру, расположенную за первой колпаковой камерой последовательно, а другой вертикальный канал с дымоходной трубой, обеспечивают компактность предлагаемого отопительного устройства, позволяет прогревать лучше помещения, находящиеся этажом выше и помещение, где находится отопительное устройство, так как тепло отдается с помощью прямоугольных профильных труб восходящими воздушными потоками, а не остывшими остатками тепла после подвертки;
- выполнение по боковым стенкам топочной дверки в швах кирпичной кладки отверстий или вертикальных щелей обеспечивает полное сжигание твердого топлива вследствие равномерной подачи воздуха в топочную камеру;
2
- выполнение подвертки второй колпаковой камеры ниже основания топочной камеры, а под основанием топочной камеры под колосниковой решеткой при воздушном отоплении или под решетками нижнего котла, которые выполняют функцию колосниковой решетки в случае жидкостного отопления, с возможностью подачи сухого водяного пара с парогенератора, позволяют выделить водород Н и СО, при горении водорода выделяется температура более 2000°С, которая способствует полному сжиганию дымовых газов, следовательно, повышению КПД отопительного устройства, уменьшению отложения в виде смолы и дегтя в отопительном устройстве.
Предлагаемое отопительное устройство поясняется чертежами, на которых изображено: фиг. 1 - вид сбоку отопительного устройства в разрезе В-В фиг. 3; фиг. 2 - вид спереди отопительного устройства в разрезе С-С фиг. 3; фиг. 3 - сечение А-А фиг. 1 отопительного устройства; фиг. 4 - сечение D-D фиг. 3 отопительного устройства.
Отопительное устройство (см. фиг. 1, 2, 3, 4) состоит из топочной камеры 1, первой колпаковой камеры 2, второй колпаковой камеры 3, последняя расположена последовательно за первой колпаковой камерой 2. Первая колпаковая камера 2 расположена над топочной камерой 1, которые объединены в одну камеру. Топочная камера 1, колпаковые камеры 2 и 3 содержат стенки 4, выполненные из огнеупорного кирпича по контуру отопительного устройства. В отопительном устройстве установлен вертикальный канал, выполненный в виде дымоходной трубы 5, нижний жидкостный котел 6, который находится непосредственно в топочной камере 1, верхний жидкостной котел 7 или система прямоугольных профильных труб 8, расположенная на первом и втором этажах, которые находятся непосредственно над топочной камерой 1, и парогенератор 9. Водяной пар, вырабатываемый парогенератором 9, подается под колосниковую решетку 10 и взаимодействует с раскаленными углями, лежащими на ней.
Нижний жидкостный котел 6 имеет L-образную форму для обеспечения достаточного расстояния от низа котла 6 до верхнего жидкостного котла 7, нижняя часть которого выполняет функцию колосниковой решетки 10 или от основания 11 топочной камеры 1 в случае отсутствия нижнего жидкостного котла 6 до верхнего жидкостного котла 7 для полного сгорания дымовых газов в топочной камере 1. В случае, когда отапливаемая площадь дома небольшая, много комнат и необходима варочная плита в отопительном устройстве, тогда убирается верхний жидкостный котел 7 и на его место устанавливается варочная плита (на фиг. 1, 2, 3, 4).
Топочная камера 1 состоит из боковых стенок 4, колосниковой решетки 10, основания 11, топочной дверки 12, по боковым стенкам которой выполнены боковые отверстия или вертикальные щели (не показаны на фиг. 1, 2, 3, 4) в швах кирпичной кладки, поддувальной дверки 13, регулятора подачи вторичного воздуха 14, горизонтально расположенной трубки 15 с отверстиями для выхода пара, установленной под колосниковой решеткой 10, ниже жидкостного котла 6 для полного взаимодействия сухого пара с горячими углями, лежащими на колосниковой решетке 10 нижнего жидкостного котла 6. Боковые отверстия либо вертикальные щели, выполненные в швах кирпичной кладки, между топочной дверкой 12 и кирпичной кладкой стенки 4 топочной камеры 1 нужны для полного сжигания дров без головешек, когда остается одно или два полена в топочной камере 1.
Первая колпаковая камера 2 состоит из боковых стенок 4, хайла 16, являющегося общим элементом с топочной камерой 1, перекрытия 17, верхнего жидкостного котла 7. Верх хайла 16 расположен на уровне или выше топочной дверки 12 с возможностью выполнения функции подвертки первой колпаковой камеры 2. Вторая колпаковая камера 3 состоит из первого вертикального дымоходного канала 18, системы прямоугольных профильных труб 8, расположенной на первом и втором этажах за хайлом 16 и находящейся непосредственно над топочной камерой 1, нижней задвижки 19, переходного канала 20 на второй вертикальный дымоходный канал 21, подвертки 22 второй колпаковой камеры 3, которая расположена снизу, между двумя вертикальными параллельными дымоходными каналами 18 и 21, антиподдувальной дверки 23, установленной рядом с подверткой 22. Внизу, вначале первого вертикального дымоходного канала 18 установлен парогенератор 9. За верхней задвижкой 24 второго вертикального дымоходного канала 21 установлен вертикальный канал в виде дымоходной трубы 5. Парогенератор 9 состоит из жидкостного бака 25 с водой, подключенного с одной стороны извне отопительного устройства, с вертикальной прозрачной трубкой 26, предназначенной для контроля уровня воды в жидкостном баке 25, воронки 27 для пополнения баланса воды. К парогенератору 9 с другой стороны подключена горизонтальная трубка 15 с заглушенным концом с другой стороны трубки, с расположенным внутри катализатором (на фиг. 1, 2, 3, 4 не показан) и со сквозными поперечными отверстиями для выхода пара, установленная по диагонали топочной камеры 1 ниже жидкостного котла 6 для полного взаимодействия водяных паров с горячими углями, лежащими на колосниковой решетке 10. Подвертка 22 второй колпаковой камеры 3 расположена ниже основания 11 топочной камеры 1.
После поступления горячих дымовых газов из первой колпаковой камеры 2 через хайло 16 во вторую колпаковую камеру 3 сначала нагревается система прямоугольных профильных труб 8, распложенных на первом этаже, затем на втором этаже. При растопке нижняя задвижка 19 открыта, при этом дымовые газы через переходный канал 20 поступают в вертикальный канал в виде дымоходной трубы 5. После восстановления тяги трубы нижняя задвижка 19 закрывается, при этом дымовые газы отдают все свое тепло системе прямоугольных профильных труб 8, расположенных на втором этаже, остывая, опускаются вниз, отдавая остаток тепла системе прямоугольных профильных труб 8, расположенных на первом этаже. Затем через колосниковую решетку 10 проходят сверху вниз до подвертки 22 второй колпаковой камеры 3 и поступают во второй вертикальный дымоходный канал 21, далее в вертикальный канал в виде дымоходной трубы 5.
Предлагаемое отопительное устройство работает следующим образом (см. фиг. 1, 2, 3, 4).
Дрова или другие виды твердого топлива подаются через загрузочную дверку 12 в топочную камеру 1. При растопке отопительного устройства поддувальная дверка 13, задвижки: нижняя 19 и верхняя 24 приоткрыты. После достаточной растопки твердого топлива в топочной камере 1 поддувальная дверка 13 и нижняя задвижка 19 полностью закрываются, открывается регулятор подачи вторичного воздуха 14 и тем самым переводятся в режим тления. В случае, если длительность горения-тления одной закладки дров не достаточна, не хватает на всю ночь или на время отсутствия на работе человека, пользующегося предлагаемым отопительным устройством, в данной конструкции помимо регулировки тяги отопительного устройства верхней задвижкой 24, предусмотрена дополнительная регулировка посредством антиподдувальной дверки 23, установленной рядом с подверткой 22. Механизм регулировки тяги отопительного устройства таков: в процессе топки дымовые газы поднимаются вверх, отдавая свое тепло жидкостным котлам: нижнему 6 и верхнему 7, стенкам 4 первой колпаковой камеры 2, затем через хайло 16 поступают во вторую колпаковую камеру 3, отдают тепло системе прямоугольных профильных труб 8, расположенных на первом, затем втором этажах, остывая, опускаются вниз до основания 11 топочной камеры 1, через колосниковую решетку 10, подвертку 22 второй колпаковой камеры 3 попадают во второй вертикальный дымоходный канал 21, затем в вертикальный канал, выполненный в виде дымоходной трубы 5. При открывании антиподдувальной дверки 23, установленной перед подверткой 22, извне поступает холодный воздух и вытесняет назад остывшие дымовые газы, которые опускаются вниз. Чем больше открывается антиподдувальная дверка 23, тем больше вытесняется нисходящий встречный поток дымовых газов и ухудшается тяга в отопительном устройстве и регулируется скорость горения-тления дров в топочной камере 1. Таким образом, механизм регулировки антиподдувальной дверки 23 противоположен механизму действия поддувальной дверки 13. Дверка 13 служит для прочистки золы и пепла из зоны под колосниковой решеткой 10.
В предлагаемой конструкции отопительного устройства нижний жидкостной котел 6 находится непосредственно в топочной камере 1, а верхний жидкостной котел 7 или система прямоугольных профильных труб 8 находятся непосредственно над топочной камерой 1, что позволяет значительно быстрее их нагревать посредством теплового излучения, затем - теплопроводностью и конвекцией.
Также в данной конструкции отопительного устройства система прямоугольных профильных труб 8 (ППТ) установлена во второй колпаковой камере 3 на нескольких этажах и находится непосредственно над топочной камерой 1, что позволяет значительно лучше нагревать помещения, где проходят системы ППТ 8, затем отдавшее свое тепло системе ППТ 8 дымовые газы опускаются до колосниковой решетки 10, проходят сверху вниз сквозь толщу древесных углей до подвертки 22 и попадают во второй вертикальный дымоходный канал 21 и в вертикальный канал, выполненный в виде дымоходной трубы 5.
Когда для топки используются сырые дрова из лиственницы и другие, при недостаточном поступлении вторичного воздуха и близком расположении верхнего жидкостного котла 7, через регулятор подачи вторичного воздуха 14 на поверхности верхнего жидкостного котла 7, во втором вертикальном дымоходном канале 21 могут образоваться отложения в виде смолы и дегтя, которые ухудшают его теплообмен, тягу и повышает пожаробезопасность.
2
Для уменьшения образования различных отложений в виде смолы и дегтя в отопительном устройстве и тем самым увеличения КПД предлагаемой конструкции отопительного устройства установлен парогенератор 9. Водяной пар, выработанный парогенератором 9, подается под колосниковой решеткой 10 и взаимодействует с раскаленными углями, лежащими на ней. При взаимодействии раскаленных углей с водяными парами при высокой температуре возникают горючие газы СО и Н:
2
2
С+HO=СО+Н и
2
2
2
С+2HO=CO+2Н,
при этом суммарный тепловой эффект усиливает процесс сжигания твердого топлива и увеличивает теплоотдачу от него. При горении водорода выделяется температура более 2000 градусов по Цельсию, при высоких температурах в верхней зоне углеродного слоя осуществляются обратные восстановительные эндотермические реакции с поглощением теплоты согласно уравнению:
2
CO+С=2СО,
которые обладают довольно высокой удельной теплотой сгорания, таким образом, увеличивается полнота сгорания дымовых газов, следовательно, КПД отопительного устройства и уменьшаются отложения в виде смолы и дегтя на поверхности верхнего жидкостного котла 7, во второй колпаковой камере 3, во втором вертикальном дымоходном канале 21 и в вертикальном канале, выполненном в виде дымоходной трубы 5.
Предлагаемое отопительное устройство по сравнению с прототипом (см. патент №2551183 RU, МПК F24C 13/00, опубл. 20.05.2015 г.) позволяет получить следующие преимущества:
- более лучший прогрев жидкостных котлов лучевым излучением, конвекцией и теплопроводностью из топочной камеры, так как в предлагаемой конструкции отопительного устройства отсутствует плита, которая создает тень для котла и забирает часть тепла вследствие конвекции и теплопроводности;
- компактность конструкции отопительного устройства обеспечивает более лучший прогрев помещения, находящегося на втором этаже, так как тепло отдается с помощью системы ППТ восходящими воздушными потоками, а не остывшими остатками тепла после подвертки, как в прототипе;
- полное сжигание твердого топлива вследствие равномерной подачи воздуха в топочную камеру, по боковым стенкам топочной дверки которой в швах кирпичной кладки проделаны отверстия или вертикальные щели;
- увеличение полноты сгорания дымовых газов, следовательно, КПД отопительного устройства и уменьшение отложения в виде смолы и дегтя на поверхности нижнего жидкостного котла, вертикальных параллельных дымоходных каналов и вертикального канала, выполненного в виде дымоходной трубы, так как подвертка второй колпаковой камеры выполнена ниже основания топочной камеры, а под основанием топочной камеры, под колосниковой решеткой или под решетками нижнего жидкостного котла, которые выполняют функцию колосниковой решетки в случае жидкостного отопления, с возможностью подачи водяного пара с парогенератора.