ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ

Настоящая полезная модель относится к технике отопления и касается конструкции твердотопливного котла длительного горения, применяемого для подогрева воды для домашних нужд, например, для загородного дома или коттеджа или небольшого производства или для центрального отопления для обогрева индивидуальных и промышленных помещений.
Известен отопительный котел, содержащий камеру сгорания, в двойной стенке которой сформирована емкость, заполненная водой, с отверстием выхода дыма, отверстиями загрузки топлива и удаления золы, патрубки подвода и отвода воды, камера сгорания установлена вертикально и выполнена в виде круглого или многоугольного цилиндра, в верхней части которого выполнено отверстие, в которое вставлена свободно вверх-вниз перемещающаяся труба подачи воздуха, заканчивающаяся распределителем воздуха, опирающимся на топливо, при этом распределитель воздуха выполнен в виде пустотелого диска, в верхней части которого выполнен наконечник для соединения с трубой подачи воздуха, а в нижней части - головка, при этом в периферийной части диска, в узком конце головки и на боковой поверхности головки, а также в наконечнике выполнены отверстия, сообщающиеся с внутренней полостью распределителя воздуха, а труба подачи воздуха с целью уменьшения ее длины выполнена в виде телескопической конструкции (EA 005303, F23L 1/00, 9/02, опубл. 30.12.2004).
Уникальным параметром известного водонагревательного отопительного котла длительного горения является время сгорания одной загрузки топлива, которое составляет от 7 до 34 часов при отсутствии сложных механических систем подачи топлива в зону горения. Кроме того, важным преимуществом данной конструкции отопительного котла длительного горения является отсутствие потребности в постоянном источнике электроснабжения. Подаваемый в топку воздух подогревается выходящим дымом и направляется в очаг горения посредством распределителя воздуха. После сгорания одного слоя дров распределитель воздуха (стимулирующий горение слоя дров толщиной 15-20 см) опускается ниже и всегда держится на уровне горящих дров - в очаге горения. В топке котла цилиндрической формы хорошо сгорают дрова, брикеты древесных опилок и торфяные брикеты.
Воздух в камеру сгорания попадает через отверстие подачи воздуха, промежуточный цилиндр, трубу подачи воздуха и распределитель воздуха. В распределителе воздух распределяется таким образом, что одна часть воздуха через отверстия попадает прямо в очаг сгорания, другая его часть через отверстия попадает на края очага, а третья часть через отверстия попадает над диском распределителя воздуха. Воздух, проникающий в очаг сгорания через головку, участвует при СО генерации и частично при сгорании СО, а воздух, проникающий через другие отверстия, участвует при сгорании СО. Воздух, проникающий в камеру сгорания, распределяется следующим образом - в очаг сгорания направляется 40-60%, на края очага сгорания - 10-30%, над очагом сгорания - 20-40%. Считается, что во время сгорания всей загрузки котел отопления работает в оптимальном режиме - интенсивно горит только верхняя часть топлива, выделяющийся горючий газ не остывает, не нагревает всего количества находящегося в камере сгорания топлива и, контактируя с воздухом, эффективно сгорает.
В патенте EA 005303 указано, что «воздух в камере сгорания распределяют следующим образом: в очаг сгорания подают 40-60%; на края очага сгорания подают 10-30%; над очагом сгорания - 20-40%». Как следует из конструкции котла по этому патенту такое распределение воздуха осуществлено через распределитель воздуха, выполненный с отверстиями в периферийной части диска, в узком конце головки и на боковой поверхности головки, и в наконечнике. То есть имеет место щелевой распределитель воздуха, через щели направляющий воздух в разные части котла. При этом, как следует из патента, этот распределитель в очаг сгорания подает 40-60% воздуха, на край очага сгорания подает 10-30%, а над очагом сгорания - 20-40%. Так как воздух поступает по общей трубе в направлении сверху вниз, то по закону Паскаля его давление на стенки распределителя будет одинаковым по всем направлениям. Следовательно, конструктивно, выдавать воздух в разных пропорциях в разные направления котла возможно только при том, что отверстия, через которые воздух поступает в разные зоны котла, имеют разные проходные сечения или отверстия все одинаковы, но по местам их расположения они отличаются количеством. Там, где проходное сечение отверстий большее, там и больше воздуха выходит в зону котла, где отверстие имеет меньшее проходное сечение, там и меньше воздуха поступает в зону, напротив которой выполнены эти отверстия с малым проходным сечением.
Применительно к размерам отверстий в распределителе следует, что максимальный размер отверстия имеют в распределителе в зоне подачи воздуха в очаг сгорания, минимальный размер - на краю очага сгорания, а средний размер отверстия или равный минимальному - над очагом сгорания. Или при равенстве проходного сечения всех отверстий максимальное количество отверстий - в зоне подачи воздуха в очаг сгорания, минимальное количество - на краю очага сгорания, а среднее количество отверстий или равное минимальному - над очагом сгорания. При этом часть воздуха подается в зону очага горения или на его край, а часть воздуха подается над очагом, то есть над диском и над головкой под диском.
При этом распределитель выполнен в виде диска с торцевыми отверстиями и в виде наконечника под диском конусообразной формы, так же имеющей отверстия. При начале горения наконечник под диском может опираться головкой на топливо, но по мере сгорания топлива наконечник утапливается в топливо или в золу, что практически перекрывает выход воздуха через наконечник. То есть воздух не поступает в поднаружный слой очага горения. По закону Паскаля давление воздуха во все стороны одинаково и, следовательно, при закупоренных отверстиях в наконечнике весь воздух будет распределен через торцевые отверстия в диске и через отверстия над диском (этот поток воздуха используется для нейтрализации горючего газа, а не для горения в очаге.) В связи с этим в очаг горения будет поступать только воздух из диска, направленный на периферию котла горения - зона горения из центральной части переносится в периферийную, что нарушает порядок послойного горения топлива.
Если же щелевые торцевые отверстия в диске будут перекрыты (диск может быть утоплен в золу), то практически весь воздух будет выходить через отверстия над диском в зону воздействия на горючий газ.
Такие ситуации возможны при неправильной укладке топлива в камеру сгорания и зависят от самого топлива. Но в любом случае нормальная работа котла нарушается, что может привести к его эксплуатационной неэффективности.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении эксплуатационных качестве котла в режиме сгорания топлива за счет гарантированной подачи воздуха в зону очага сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что в отопительном котле, содержащем установленный вертикально и выполненный в виде круглого или многоугольного цилиндра корпус с камерой сгорания, между двойными стенками которого сформирована подлежащая заполнению водой емкость с патрубками подвода и отвода воды, при этом в корпусе выполнены отверстие для выхода дыма и отверстия для загрузки топлива и удаления золы, в верхней части корпуса выполнено отверстие, в которое вставлена выполненная телескопической конструкции труба подачи воздуха для обеспечения перемещения вверх и вниз съемно смонтированного на свободном конце этой трубы распределителя воздуха дискообразной формы, опирающегося на топливо, и имеющего воздуховоды для подачи воздуха в зону горения топлива, распределитель воздуха выполнен в виде конусообразной тарелки из листового металла с волнообразной наружной поверхностью и центральным отверстием в зоне вершины, ограниченным цилиндрообразной отбортовкой для одевания на свободный коней трубы и закрепления шплинтом, к конусообразной тарелке снизу приварена квадратной формы в плане металлическая плоская пластина для образования между волнами тарелки и пластиной проходов для выхода воздуха, в центральной части указанной пластины выполнено сквозное отверстие, а к нижней поверхности квадратной пластины приварен металлический стакан внутренняя полость которого сообщена через отверстие в квадратной форме пластине с зоной поступления воздуха из трубы, причем в боковой стенке стакана выполнены четыре выреза, начинающиеся от дна стакана и заканчивающиеся у пластины квадратной формы и размер которых в окружном направлении выполнен больше размера перемычек стакана между вырезами.
Указанные признаки являются существенными для достижения технического результата.
Полезная модель поясняется конкретным примером выполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения данной совокупностью существенных признаков заданного технического результата.
На фиг. 1 - продольный разрез котла отопительного;
фиг. 2 - вид сбоку на распределитель воздуха; то же, что на фиг. 1, вид сверху;
фиг. 3 - то же, что на фиг. 2, вид снизу.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается конструкция твердотопливного котла длительного горения, применяемого для подогрева воды и работающего на твердом топливе. Отопительный котел предназначен для обогрева жилых зданий, зданий общественного, производственного назначения и т.п., которые оборудованы водяными отопительными системами. Топливом для котла является древесина (дрова) либо брикеты (из опилок, торфа, костры и т.п.). Рекомендуется топить сухой древесиной (20%) влажности. Можно топить мелкими древесными отходами и опилками (до 30%), перемешивая их с дровами.
Отопительный котел (фиг. 1) содержит установленный вертикально и выполненный в виде круглого или многоугольного цилиндра корпус 1 с камерой сгорания 2, между двойными стенками 3 и 4 которого сформирована подлежащая заполнению водой емкость 5 с патрубками подвода и отвода воды (патрубки соответственно 6 и 7). Корпус выполнен с теплоизоляционной оболочкой 8. В корпусе 1 выполнены отверстие 9 для выхода дыма и отверстия для загрузки топлива 10 и удаления золы 11.
В верхней части корпуса выполнено отверстие, в которое вставлена выполненная телескопической конструкции труба 12 подачи воздуха (в трубу большего диаметра вставлена свободно в ней перемещающаяся труба меньшего диаметра) для обеспечения перемещения вверх и вниз съемно смонтированного на свободном конце этой трубы распределителя 13 воздуха дискообразной формы, опирающегося на топливо, и имеющего воздуховоды для подачи воздуха в зону горения топлива. Закрепленный на трубе распределитель воздуха 13 распределяет, подавая уже подогретый воздух к очагу сгорания топлива. Распределитель воздуха опирается на верхнюю часть загруженных дров и опускается вниз котла вместе с горящим топливом.
Телескопической конструкции труба 12 вставлена в кожух 14, имеющий сообщение с отверстием в верхней части корпуса. Этот кожух типа короба используется для подогрева поступающего в трубу воздуха. Отверстие в верхней части корпуса может перекрываться заслонкой 15 для регулирования объема поступающего в очаг горения воздуха. На выходе в зоне отверстие 9 для выхода дыма смонтирована заслонка 16 для регулирования проходного сечения отверстия 9 и, соответственно, мощности котла. Эта заслонка 16 в выбранном положении установленной мощности фиксируется болтом 17 или иным фиксирующим средством. Между кожухом типа короба и внутренней стенкой 4 корпуса 1 выполнен зазор, поэтому дым направляется вдоль стенки 4 и проходит через проход, регулируемый заслонкой 16, к отверстию 9 для выхода дыма. Патрубок этого отверстия сообщается с дымовой трубой.
С нижней частью трубы внутри нее присоединен тросик 18, конец которого выведен через отверстие в верхней части корпуса наружу и пропущен через блочки 19 к органу управления 20. При загрузке камеры сгорания топливом осуществляют натягивание тросика, что приводит к подъему трубы и распределителя воздуха над уровнем отверстия для загрузки топливом. После загрузки топлива в камеру сгорания ослабляют тросик и воздухораспределитель под собственным весом укладывается на топливо, трубу при этом вытягивается. По мере сгорания верхнего слоя топлива происходит растягивание (удлинение) трубы до полной выборки ослабленного тросика. Операция подъема распределителя воздуха так же проводится при чистке камеры сгорания (выборка золы и остатков несгоревшего топлива).
К контрольным точкам через отверстия 21 и 22 подключены термометр котла (на внутренней резьбе) и регулятор тяги.
Распределитель воздуха 13 выполнен в виде конусообразной тарелки 23 из листового металла с волнообразной наружной поверхностью и центральным отверстием в зоне вершины, ограниченным цилиндрообразной отбортовкой 24 для одевания на свободный конец трубы 12 и закрепления шплинтом 25. К конусообразной тарелке снизу приварена квадратной формы в плане металлическая плоская пластина 26 для образования между волнами тарелки и пластиной проходов 27 для выхода воздуха. В центральной части указанной пластины 26 выполнено сквозное отверстие, а к нижней поверхности квадратной пластины приварен металлический стакан 28, внутренняя полость которого сообщена через отверстие в квадратной форме пластине с зоной поступления воздуха из трубы. В боковой стенке стакана 28 выполнены четыре выреза 29, начинающиеся от дна стакана и заканчивающиеся у пластины квадратной формы и размер которых в окружном направлении выполнен больше размера перемычек 30 стакана между вырезами 29.
В заявленном котле распределитель выполнен в виде конусообразной тарелки с волнообразной наружной поверхностью, выполненной из листового металла, по центру тарелки в зоне ее вершины выполнено сквозное отверстие, ограниченное отбортовкой, через которую поперечно пропущен шплинт (для закрепления тарелки на трубе воздуховода). Снизу по четырем точкам к периферийной кромке тарелки приварена квадратной формы в плане металлическая пластина, в центрально части которой выполнено сквозное отверстие, примерно равное по диаметру отверстию в тарелке. Отверстие в тарелке является входом воздушного потока. Между волнами тарелки и пластиной сформированы проходы для выхода воздуха. К нижней поверхности квадратной пластины приварен металлический стакан так, что его открытая часть находится напротив отверстия в пластине. В боковой стенке стакана выполнены четыре выреза, начинающиеся от дна стакана и заканчивающиеся у пластины. Размер вырезов в окружном направлении выполнен больше размера перемычек стакана между вырезами. Таким образом, в стакане сформированы проходы для выхода воздуха. В дне стакана выполнено одно центрально расположенное отверстие для выхода, проходное сечение которого существенно меньше размеров проходов в тарелке и в боковых стенках стакана.
Распределение воздушного потока, поступающего через центральное отверстие в тарелке в зону внутри тарелки, показывает, что весь поток воздуха распределяется через проходы между тарелкой и пластиной и в боковых стенках стакана, а так же через отверстие в дне стакана. Объем воздуха, проходящий через отверстие в дне стакана минимизирован, так как данное отверстие рассматривается как дроссель, то есть является сопротивлением для потока воздуха. Таким образом, можно говорить том, что объемы воздуха, проходящие через проходы между тарелкой и пластиной и в боковых стенках стакана практически соизмеримы.
Это указывает, что поступление воздуха в зону горения и около нее в заявленном котле осуществляется практически по двум каналам в примерно в соизмеримом объеме.
Котел отопления подготавливается к работе следующим образом.
После заполнения отопительной системы и котла водой, проверяют герметичность всей системы. Это делают перед растопкой котла и после его растопки, когда котел достигнет нормальный рабочий режим.
Перед загрузкой дров в камеру сгорания котла, обязательно поднимают распределитель воздуха 13. Кольцо, висящее в конце троса (справа) над дверцей загрузки дров, плавно тянут вниз и нацепляют на крюк для фиксирования троса в нижней части котла. С помощью ручки регулятора тяги (с поворотом ее по направлению к 30°C значению) полностью закрывают заслонку подачи воздуха.
Через дверцу загрузки дров (отверстие 10) в камеру сгорания котла бросают дрова. Пространства между дровами можно заполнить опилками или другим мелким сыпучим топливом. Особенно подходят прессованные опилки в виде гранул. Топливо загружается примерно до нижнего ребра дверцы загрузки дров. Тогда, ближе к дверце (лучше по всей площади) кладется бумага и, сняв кольцо с крюка фиксации подъемного троса, плавно спускают распределитель воздуха вниз, чтобы он лежал на верху загруженных дров. После чего мелко наколотыми дровами, щепками обкладывают распределитель воздуха слоем толщиной примерно 10-15 см со всех сторон и зажигают. Дверца загрузки топлива приоткрывается, оставляя щель шириной 2-5 см. Когда топливо хорошо разгорится, с помощью ручки регулятора тяги устанавливают желаемую рабочую температуру котла, а дверцу загрузки дров незамедлительно закрывают.
Действие котла отопления осуществляется следующим образом. При сгорании топлива и его уменьшении в камере сгорания 1 очаг сгорания опускается вниз. Так как распределитель воздуха 13 опирается на сгорающее топливо, он тоже опускается вниз, до дна камеры сгорания 2 (при полном сгорании топлива). Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, через стенку 4 передается воде 10.
Сгорание осуществляется следующим образом.
Воздух в камеру сгорания 1 попадает через отверстие подачи воздуха в верхней части корпуса 1, кожух 14, трубу подачи воздуха 12 и распределитель воздуха 13. В распределителе 13 воздух распределяется таким образом, что одна часть воздуха через проходы 27 попадает прямо в наружный слой очага сгорания в верхнюю его зону, другая часть воздуха попадает в стакан и через проходы вырезов 29 проникает в поднаружный слой горячего топлива, что приводит к интенсивному горению верхнего (наружного) слоя топлива, поддерживаемое постоянным поддувом воздуха именно в эту зону. Продукты горения - дым поднимается вверх вдоль трубы 12 и направляется через проход, организованный заслонкой 16, к отверстию 9 для выхода дыма и в дымоход.
Выполнение распределителя воздуха 13 в виде конусообразной тарелки с волнообразной наружной поверхностью, к которой приварен квадратный лист - пластина, гарантировано образуют сложной формы проходы, которые формируют направление канала подачи воздуха в виде наклонной траектории сверху вниз (поперечный размер тарелки превышает поперечные размеры квадратно пластины, что позволяет над каждым проходом образовать козырек, который и изменяет траекторию потока воздуха, направляя его вниз). В связи с этим на поверхность наружного слоя топлива гарантировано подается направленный поток воздуха из проходов 27. Это важно, так как под квадратной пластиной находится стакан с вырезами, и дно стакана имеет определенную площадь. Этим дном стакан опирается на топливо до момента, пока оно не прогорит до степени, при которой стакан может углубиться в золу. До момента, пока стакан не просел в золу, между наружным слоем топлива и тарелкой образуется зазор или некоторое расстояние. В связи с этим важно, чтобы поток воздуха не распылялся по полости этого зазора и не уходил верх. Поэтому выполнение распределителя с направленным вниз потоком воздуха из периферийно расположенных проходов 27 позволяет подать воздух в топливо (очаг горения) даже находясь над этим топливом.
Так как к нижней поверхности квадратной пластины приварен металлический стакан с вырезами, то этот стакан никогда не будет полностью топлен в топливо или золу из-за большой опорной поверхности. Это позволяет подавать воздух через вырезы в стенке стакана непосредственно в сам очаг и в его поднаружные слои. Так как воздух, поступающий по трубе в распределитель воздуха под некоторым давлением под тем же давлением подается через проходы и вырезы, то при частичном погружении стакана в топливо изменение проходного сечения вырезов в стакане приведет к усилению подачи воздуха через проходы в тарелке.
Таким образом, новая конструкция распределителя воздуха обеспечивает гарантированную подачу воздуха именно в наружный и поднаружные слои топлива, что обеспечивает послойное сгорание топлива. Это гарантирует длительность работы котла за одну заправку топливом. Распределитель воздуха всегда будет гарантировано расположен над топливом за счет неполного утапливания стакана в топливо или в золу. Если же сложится ситуация, при которой стакан полностью будет утоплен и его вырезы будут практически перекрыты топливом или золой, то распределитель воздуха ляжет на топливо плоской квадратно пластиной, гарантированно оставляя проходы в тарелке открытыми. Таким образом, конструкция распределителя обеспечивает постоянную подачу воздуха в очаг горения.
Преимущества предлагаемого устройства котла в режиме сжигания твердого топлива в том, что во время сгорания всей загрузки котел отопления работает в оптимальном режиме - интенсивно горит только верхняя часть топлива.
В предлагаемом котле отопления можно сжигать дрова и другие отходы древесины, напр., опилки. Мощность котла отопления зависит от площади поперечного сечения камеры сгорания, время сгорания - от высоты камеры сгорания.