РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬ ВОЗДУХА ТВЕРДОТОПЛИВНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА ВЕРХНЕГО ГОРЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
AIR DISTRIBUTOR OF SOLID FUEL HEATING DEVICE OF UPPER BURNING (VERSIONS)

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к твердотопливным отопительным приборам верхнего горения.
Известен распределитель воздуха котла верхнего горения /1/, который содержит полый диск с отверстиями на боковой поверхности, с установленным на верхней поверхности патрубком для крепления к саморегулирующемуся воздуховоду, а к нижней плоскости усеченный конусный или пирамидальный наконечник с отверстиями.
Недостатком этого распределителя воздуха является сложность (а порой и невозможность) сжигания мелкофракционного топлива (пеллеты, опилочные и торфяные брикеты) и топлива с повышенной или неоднородной влажностью. В частности, при повышенной влажности топлива (более 30%) может происходить постепенное угасание отопительного прибора при значительном объеме остающегося топлива или медленное тление с выделением небольшой тепловой мощности. Такой характер работы известных котлов верхнего горения объясняется спецификой газодинамических процессов, протекающих при распространении воздуха, поступающего через распределитель в камеру сгорания. Выходящий из нижней части распределителя воздух после реакции окисления топлива вместе с дымовыми газами движется преимущественно в сторону отверстия между входной камерой и корпусом. Поэтому топливо с указанной стороны камеры сгорания выгорает быстрее, чем в противоположной, а распределитель воздуха опирается на несгоревшую часть топлива, что затормаживает его движение вниз. Однако по мере выгорания топлива преимущественно с одной стороны, расстояние до него от отверстия в центре распределителя увеличивается, и скорость выгорания топлива в этом месте уменьшается. В какой-то момент скорости выгорания топлива в противоположных сторонах камеры сгорания выравниваются, и оно уступом продолжает гореть до дна отопительного прибора. Разница в уровне топлива с разных сторон зависит от влажности и плотности топлива. Чем влажность или плотность меньше, тем будет больше указанная разность уровней топлива. Когда топливо с одной стороны догорает до дна камеры сгорания, то процесс горения существенно замедляется, поскольку уменьшается поддержка горящего в нижней части топлива. Процесс горения постепенно переходит в тление, которое, в зависимости от влажности топлива, его плотности и фракционности, может длиться несколько часов, исключая возможность использования отопительного прибора на требуемой мощности. Аналогичная ситуация может сложиться при неоднородной или повышенной влажности топлива, неоднородной его плотности или укладке в камере сгорания. В этих случаях процесс горения также может замедлиться и перейти в стадию тления на любом этапе работы отопительного прибора.
В целом эти факторы существенно снижают эксплуатационные характеристики котла, в том числе из-за ограниченной возможности потребителя в использовании различных видов топлива.
Известен распределитель воздуха отопительного прибора верхнего горения /2/, выбранный в качестве прототипа, который содержит диск прямоугольной формы, установленную на нем прямоугольную трубу и присоединенный к ней с образованием общей внутренней полости патрубок, прикрепляемый другим концом к саморегулирующемуся воздуховоду, а в центре диска и трубы выполнено отверстие, под которым установлена согнутая пополам пластина, образующая с диском трехгранную призму. имеющую отверстие в параллельных гранях и в нижнем ребре. Кроме того. распределитель воздуха содержит воздуховод с регулируемой заслонкой от входной камеры котла до нижней части (ниже колосника) камеры сгорания При этом часть воздуха подается на верхнюю часть топлива, а часть - в нижнюю часть камеры сгорания. Это позволяет лучше сжигать мелкофракционное топливо, в том числе топливо с повышенной влажностью и другие сложные виды топлива. Однако такое техническое решение существенно снижает надежность отопительного прибора, так как значительно повышается вероятность возникновения аварийной ситуации (закипание теплоносителя с разрывом системы отопления, пожар), особенно на предельных режимах генерации тепловой энергии, поскольку при подаче воздуха в нижнюю часть камеры сгорания, прогретую и подсушенную в процессе горения, топливо может загореться все сразу с выделением почти не контролируемого количество тепла. Аналогичная ситуация, связанная с резким увеличением тепловой мощности, может возникнуть при провале распределителя воздуха после зависания в процессе горения. При высокой температуре теплоносителя в этом случае также возможно закипание теплоносителя и возникновение аварийной ситуации, поскольку терморегулятор из-за своей инерционности может не успеть сработать. Чтобы уменьшить вероятность возникновения аварийной ситуации, производитель рекомендует эксплуатировать отопительный прибор на уровне мощности существенно меньше максимальной и чаще контролировать процесс горения. Однако это сводит на нет основное преимущество твердотопливных отопительных приборов верхнего горения - возможность безопасного, длительного генерирования требуемой тепловой мощности в автоматическом режиме. А также вынуждает потребителя приобретать отопительный прибор большей, чем необходимо мощности.
Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно повышение надежности и безопасности эксплуатации твердотопливных отопительных приборов верхнего горения при сохранении возможности сжигания мелкофракционного топлива (включая опилки), в том числе топлива с повышенной или неоднородной влажностью. Другая цель, достигаемая предлагаемым техническим решением - упрощение распределителя воздуха и отопительного прибора в целом, а также расширение его функциональных возможностей за счет использования различных видов топлива неодинакового качества.
Указанная цель достигается тем, что в распределителе воздуха, содержащем пластину с отверстием в центре и патрубок, патрубок установлен на пластине, имеет отверстия на боковой поверхности и снабжен подвижным кольцом с ответными отверстиями, а другим концом крепится к подвижному воздуховоду через отрезок гофрированной трубы, причем подвижное кольцо имеет зазор относительно патрубка, площадь сечения которого составляет 20-25% от площади отверстия в пластине. Для удобства пользования распределителем воздуха при сжигании различных видов топлива на пластине может быть установлен фиксатор в виде дугообразной пластины с углублениями и информационными рисками, а подвижное кольцо снабжено штырьком, установленным перпендикулярно его боковой поверхности.
В другом варианте распределителя указанная цель достигается тем, что распределитель воздуха содержит пластину с отверстием в центре и патрубок крепления к саморегулирующемуся воздуховоду, патрубок установлен на пластине над отверстием, в котором установлен дополнительный воздуховод, имеет отверстия в боковой поверхности, снабжен подвижным кольцом с ответными отверстиями, причем подвижное кольцо имеет зазор относительно патрубка, площадь сечения которого составляет 20-25% от площади выходного отверстия дополнительного воздуховода, причем на конце дополнительного воздуховода, на его боковой поверхности выполнены вырезы или отверстия. Дополнительный воздуховод может быть выполнен не только неподвижным, но и телескопическим, т.е. способным убираться внутрь патрубка и автоматически регулировать свою длину.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2. На фиг.1 показан в разрезе отопительный прибор с первым вариантом распределителя воздуха. А на фиг.2 другой вариант распределителя. На фиг.1 показаны: корпус 1, загрузочная дверца 2, зольная дверца 3, отверстие для отвода дымовых газов 4, входное отверстие 5, терморегулятор с заслонкой 6, входная камера 7, саморегулирующийся воздуховод 8, распределитель воздуха, состоящий из пластины 9, патрубка 10 с отверстиями 11, отрезка гофрированной трубы 12, подвижного кольца 13 с отверстиями 14, штырька 15 подвижного кольца, дугообразной пластины 16. На фиг.2 показан другой вариант распределителя, в котором есть дополнительный воздуховод 17 и отверстия 18 в нем.
Пластина 9 предназначена для уменьшения глубины и скорости провалов распределителя воздуха в процессе горения и крепления к ней остальных элементов. Пластина 9, в зависимости от конфигурации и размеров отопительного прибора, может быть выполнена круглой или прямоугольной формы с отверстием в центре. К ней крепится патрубок 10. Патрубок 10 с отверстиями 11, расположенными на противоположных сторонах, предназначен для канализации воздуха от отрезка гофрированной трубы 12 под пластину 9 и над ней. Для регулировки соотношения объемов воздуха, поступающего под пластину 9 и над ней, используется подвижное кольцо 13, имеющее отверстия 14, совпадающие с такими же отверстиями в патрубке. В зависимости от вида топлива и его влажности положением кольца 13 осуществляется регулировка коэффициента избытка воздуха. Для этого отверстия в патрубке 10 и кольце 13 (в зависимости от положения кольца) могут быть полностью перекрыты глухой частью стенок патрубка и подвижного кольца, частично или полностью открыты. Отверстия 11 и 14 выполняются прямоугольными или круглыми на четверть окружности каждое на противоположных сторонах соответствующего элемента. Штырек 15 предназначен для управления положением подвижного кольца 13 относительно патрубка 10. Дугообразная пластина 16 предназначена для фиксации штырька 15 и соответственно кольца 13 относительно патрубка 10. Пластина 16 выполнена в виде прямоугольной пластины, изогнутой в дугу, охватывающую 95-100° окружности относительно центра диска 9, и закреплена на диске. На противоположной стороне пластины 16 выполнены углубления с информационными рисками, в одно из которых устанавливается штырек 15 после поворота кольца 13. Отрезок гофрированной трубы 12 предназначен для обеспечения возможности изменения положения пластины 9 относительно горизонтальной плоскости. Отрезок 12 может содержать от одного до нескольких элементов гофрированной трубы и изготавливается из металла с соответствующей гибкостью и упругостью. Дополнительный воздуховод 17 на фиг.2 предназначен для подачи воздуха ниже уровня верхней точки горения топлива. Он может быть выполнен в различных вариантах: из одной неподвижной трубки, которая может быть дополнена подвижной трубкой, и в виде телескопической конструкции из нескольких подвижных трубок. Для гарантированного выхода воздуха из воздуховода в случае перекрытия топливом выходного отверстия на конце воздуховода по окружности трубки выполнены вырезы или отверстия 18. Все элементы распределителя в зависимости от требований к его долговечности выполняются из металла с соответствующей жаростойкостью.
Работает предлагаемый распределитель воздуха следующим образом. Перед началом закладки топлива в отопительный прибор, согласно инструкции по его эксплуатации, в зависимости от его вида и качества с помощью кольца 13 устанавливается коэффициент избытка воздуха. Например, для угля или торфяных брикетов этот коэффициент устанавливается больше. После укладки топлива и его розжига распределитель воздуха опускается на топливо и загрузочная дверца 2 закрывается. Из-за специфики распределения потоков воздуха и дымовых газов в отопительных приборах верхнего горения выгорание топлива происходит преимущественно с одной стороны. При этом пластина 9 наклоняется в эту сторону и распределение воздуха в камере сгорания изменяется. Поскольку воздух стремится к верху, то под верхнюю часть наклоненного диска начинает поступать больше воздуха, а под нижерасположенную часть меньше. За счет этого ускоряется выгорание вышерасположенной части топлива и происходит частичное выравнивание пластины 9. Если топливо равномерное (по плотности, влажности, укладке), то выгорание топлива будет происходить с небольшим уступом до основания камеры сгорания. Если в процессе горения топлива внутри него будут встречаться места с повышенной влажностью или плотностью, то в этом месте замедляется выгорание топлива, пластина 9, опираясь на эту несгоревшую часть топлива, наклоняется больше в сторону лучше выгорающей части топлива. За счет этого создаются условия для выгорания более влажного или плотного участка топлива. И после его сгорания пластина 9 опять выравнивается, и без провалов распределителя воздуха топливо продолжает гореть в прежнем режиме. Тем самым обеспечивается более равномерное горение топлива, имеющего различные неоднородности. Когда распределитель воздуха достигнет дна камеры сгорания, процесс горения замедлится, но на сравнительно непродолжительное время. Это обусловлено тем, что пластина 9 имеет небольшой наклон, и после выгорания топлива с одной стороны, с другой стороны остается сравнительно не много топлива,
Во втором варианте распределителя воздуха на фиг.2 улучшение процесса сжигания топлива достигается за счет опускания места выхода воздуха относительно пластины 9 и соответственно относительно уровня не сгоревшей части топлива. За счет того, что точка выхода воздуха оказывается ниже не сгоревшей части топлива, на которую опирается пластина 9, то на эту часть топлива поступает больше воздуха, и она сгорает быстрее. Для большей гибкости процесса горения, особенно при необходимости сжигания наиболее сложных видов топлива, воздуховод может быть выполнен телескопическим 17. В этом случае по мере выгорания топлива под концом воздуховода он опускается все ниже, улучшая условия для выгорания части топлива, расположенную выше, на которую опирается пластина 9. А после его выгорания распределитель опускается ниже, а трубки воздуховода входят друг в друга и длина воздуховода уменьшается. В процессе горения длина воздуховода автоматически регулируется. В частности, при однородном и сухом топливе удлинение воздуховода сравнительно небольшое, а при наличии неоднородностей по влажности или плотности удлинение воздуховода оказывается более существенным. Аналогично, как и в первом варианте выполнения распределителя воздуха, во втором варианте, когда распределитель воздуха достигнет дна камеры сгорания, процесс горения также замедлится и также на сравнительно н продолжительное время. Это обусловлено тем, что выдвинутая часть воздуховода позволяет выжигать большую часть топлива по периферии, а та небольшая часть топлива, на которую опирается пластина 9, выгорает достаточно быстро.
Таким образом, предложенные варианты распределителя воздуха позволяют обеспечить сравнительно равномерное сжигание различных, в том числе сложных видов топлива (влажного, неоднородного) в отопительных приборах верхнего горения, в безопасном и автоматическом режиме. Тем самым достигается цель изобретения. Кроме того, предложенные варианты распределителя воздуха проще и легче прототипа и других технических решений, что имеет значение при производстве и эксплуатации отопительных приборов верхнего горения. Экспериментальная проверка предложенных вариантов распределителя воздуха подтвердила теоретические оценки, основанные на изучении газодинамических процессов отопительных приборов верхнего горения.
Уровень разработки (после испытаний опытных образцов) находится в стадии отработки различных вариантов распределителей воздуха для их использования в нескольких моделях отопительных приборов верхнего горения.
Источники информации
1. Евразийский патент №005303 от 10.12.2004 г.
2. Патент литовской республики №5542 от 26.01.2009 г.