УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТЬЮ ТВЁРДОТОПЛИВНОГО ОТОПИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА
CONTROL DEVICE FOR THERMAL POWER OF A SOLID FUEL HEATER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам управления мощностью отопительных приборов на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных приборов с повышенной эффективностью и продолжительностью горения.
Как известно, специфика горения твердого топлива состоит в том, что достаточно быстро после начала горения начинает гореть весь объем топлива с пропорциональным выделением тепловой энергии. Поэтому с учетом не достаточной точности работы системы управления тепловой мощностью отопительных приборов топку в них делают сравнительно небольшой, тем самым ограничивается объем загружаемого топлива и максимальная выделяемая тепловая мощность. Это обусловлено тем, что даже при небольших изменениях углового положения заслонки входного воздуха его объем изменяется в значительных пределах. Как следствие существенно изменяется тепловая мощность отопительного прибора, которая из-за инерционности системы управления может выйти за допустимый предел, что чревато аварийной ситуацией.
Известно устройство управления тепловой мощностью отопительного прибора /Патент RU №2561806/, которое содержит входной воздуховод, соединенный с подколосниковой полостью, и заслонку. В этом устройстве с помощью заслонки, управляемой вручную или от терморегулятора, осуществляется регулировка объема поступающего в отопительный прибор воздуха. Недостатком такого устройства является сравнительно низкая точность управления воздушным потоком и низкая эффективность отопительного прибора из-за отсутствия системы дожигания пиролизных газов. Это обусловлено тем, что для обеспечения работы отопительного прибора на всех режимах генерации тепловой мощности площадь сечения входного воздуховода приходится выбирать достаточно большой, чтобы обеспечить работу отопительного прибора на максимальной мощности. При этом точность управления объемом воздуха на средних и небольших мощностях оказывается недостаточной, и отопительный прибор может перейти в неуправляемый режим или угаснуть. Это связано с тем, что объем поступающего в отопительный прибор воздуха зависит не только от площади проходного сечения входного воздуховода, но и от скорости потока воздуха, которая зависит от тяги в дымоходе, пропорциональной температуре дымовых газов. Поэтому при небольших углах открытия заслонки отклонение ее на небольшой угол приводит к многократному изменению объема поступающего в отопительный прибор воздуха. Вследствие чего точность управления тепловой мощностью отопительного прибора оказывается низкой.
Известно устройство управления тепловой мощностью отопительного прибора /Полезная модель RU №76702/, содержащее воздуховод первичного воздуха с заслонкой и заслонку дымовых газов. В этом устройстве регулировка тепловой мощности осуществляется изменением объема поступающего в отопительный прибор воздуха и изменением тяги в дымоходе. Причем, как правило, в двух режимах максимальной и минимальной мощности, что связано с низкой точностью управления. Кроме того, в такой системе управления из-за рассогласования положения заслонок (особенно на минимальной мощности) существует опасность, что при уменьшении тяги в дымоходе угарный газ, образующийся при горении или тлении топлива, будет поступать в помещение и представлять опасность для жильцов.
Известно устройство управления тепловой мощностью отопительного прибора /Патент RU №2213907/, выбранное в качестве прототипа, которое содержит воздуховоды первичного и вторичного воздуха с заслонками, управляемыми вручную. Недостаток такого устройства состоит в сравнительно низкой точности по указанным выше причинам. Кроме того, в этом устройстве управления не обеспечивается оптимизация отношения первичного и вторичного воздуха на различных режимах работы отопительного прибора. В то время как объем выделяемых пиролизных газов, которые дожигаются с помощью подачи вторичного воздуха, зависит не только от интенсивности, но и от стадии горения и объема одновременно горящего или тлеющего топлива.
Техническим результатом является повышение точности управления объемом воздуха, поступающего в отопительный прибор, и соответственно его тепловой мощностью, а также обеспечение изменения соотношения объемов первичного и вторичного воздуха при различных режимах работы отопительного прибора.
Технический результат достигается тем, что в устройстве управления тепловой мощностью твердотопливного отопительного прибора, содержащем двухступенчатую заслонку и входной воздуховод, разделенный перегородкой на воздуховод первичного воздуха и воздуховод вторичного воздуха, перегородка выполняется параллельно боковым стенкам воздуховодов или под углом, на торцевой поверхности воздуховодов размещена двухступенчатая заслонка с возможностью поворота относительно воздуховодов каждой ступени, в первой ступени заслонки выполнено отверстие над перегородкой, над которым установлена вторая ступень заслонки, имеющая упор-ограничитель и скобу для крепления привода заслонки, точка подвеса привода размещена на уровне оси вращения заслонки, причем упор-ограничитель установлен под углом β к плоскости первой ступени заслонки, который определяется из выражения
β=arctgA/(A+B),
где А - ширина отверстия в первой ступени заслонки, В - высота отверстия.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1. На фиг. 1 показаны: 1 - входной воздуховод, 2 - перегородка, 3 - воздуховод первичного воздуха, 4 - воздуховод вторичного воздуха, 5 - первая ступень двухступенчатой заслонки, 6 - петли заслонки 5, 7 - отверстие в заслонке 5, 8 - вторая ступень заслонки, 9 - петли второй ступени заслонки, 10 – упор-ограничитель, 11 - скоба, 12 - отверстие для подвеса заслонки, 13 - корпус отопительного прибора. Все элементы устройства выполняются из металла различной толщины. Особых требований к металлу не предъявляется, поскольку указанные элементы работают при сравнительно небольших температурах. Входной воздуховод 1 крепится герметично к корпусу отопительного прибора 13 и разделяется перегородкой 2 на воздуховод первичного воздуха 3 и воздуховод вторичного воздуха 4. Перегородка 2 может быть выполнена параллельно боковым стенкам воздуховодов 3 и 4 и/или под углом. Конфигурация перегородки зависит от конструкции отопительного прибора и возможности реализации в нем различных режимов работы. Воздуховод первичного воздуха 3 соединен, например, с подколосниковой полостью отопительного прибора. Воздуховод вторичного воздуха 4 с помощью соответствующих каналов (воздуховодов) может быть соединен, например, с верхней частью топки отопительного прибора или камерой дожигания пиролизных газов. Торцевая фронтальная поверхность воздуховодов выполнена в одной плоскости, которая расположена под углом примерно 60° относительно горизонтальной плоскости. Первая ступень 5 двухступенчатой заслонки устанавливается на петлях 6 на торцевой поверхности воздуховодов 3 и 4 с плотным прилеганием в закрытом состоянии. Заслонка 5 выполняется из более тонкого металла, чтобы ее вес был меньше подъемного усилия терморегулятора. В заслонке 5 над перегородкой 2 выполнено отверстие 7. Площадь S этого отверстия выбирается из соотношения
S=k⋅P,
где k - коэффициент пропорциональности, Р - тепловая мощность отопительного прибора.
Коэффициент k выбирается в пределах 0,8-1,2 в зависимости от назначения отопительного прибора, его тепловой мощности, объема топки, высоты и качества дымохода и других особенностей отопительного прибора. Над отверстием 7 на первой ступени заслонки 5 на петлях 9 устанавливается вторая ступень заслонки 8. Заслонка 8 имеет упор-ограничитель 10, который обеспечивает открытие заслонки 8 на угол, не превышающий величины
β=argtgA/(A+B),
где А - ширина отверстия в первой ступени заслонки, В - высота отверстия.
Фактически величина угла β определяется из равенства проходного сечения щели между заслонками 5 и 8 и площадью отверстия 7. На заслонке 8 установлена скоба 11, имеющая на конце одно или несколько отверстий 12, предназначенных для крепления привода терморегулятора. Длина скобы выбирается такой, чтобы отверстия находились примерно на уровне оси вращения заслонки 5, а расстояние от оси до точки подвеса составляло от 0,5 до 0,7 от длины проекции поперечного размера заслонки 5 на горизонтальную ось. Все указанные размеры и соотношения выбираются исходя из обеспечения максимальной точности устройства управления и с учетом особенностей конструкции отопительного прибора.
Работает устройство управления следующим образом. После загрузки топлива в топку отопительного прибора с помощью привода терморегулятора за скобу 11 открываются заслонки 8 и 5. Топливо поджигается и через непродолжительное время огонь охватывает практически все топливо. По мере нагрева теплоносителя в котле или корпуса в печи привод терморегулятора опускается и заслонки прикрываются. В этом режиме воздух в отопительный прибор поступает в основном через щель, образующуюся между заслонкой 5 и воздуховодом 1. Соотношение первичного и вторичного воздуха в этом режиме составляет примерно 4:1. Более точное указанное соотношение выбирается в зависимости конструкции отопительного прибора. При приближении к температуре стабилизации заслонка 5 закрывается, в то время как заслонка 8 остается открытой и воздух начинает поступать только через отверстие 7 заслонки 5. В этом режиме работы отопительного прибора соотношение первичного и вторичного воздуха меняется. Это обусловлено тем, что в этом режиме практически все топливо участвует в процессе горения, оно хорошо прогрето и в нем идет процесс пиролиза, то есть оно интенсивно газифицируется. Несмотря на уменьшение объема первичного воздуха за счет закрытия заслонки 5 и уменьшения интенсивности горения объем пиролизных газов остается значительным. Поскольку не все пиролизные газы успевают сгореть в топке, то значительная их часть поступает в камеру дожигания. Поэтому для более полного их сжигания объем вторичного воздуха увеличивается по сравнению с объемом первичного воздуха. Это соотношение может меняться в довольно широких пределах в зависимости от конструкции отопительного прибора. Для конструкции котла, на котором проводились испытания, указанное соотношение составило примерно 10:6. Изменение соотношения первичного и вторичного воздуха достигается за счет того, что воздух в отопительный прибор поступает только через щель под заслонкой 8 и отверстие 7 в заслонке 5, которая разделена перегородкой 2. Положение отверстия 7 относительно перегородки 2 позволяет обеспечить требуемое соотношение между первичным и вторичным воздухом. Более того, изменяя конфигурацию перегородки, можно добиться изменения указанного соотношения в зависимости от угла открытия заслонки 8. Для этого перегородка выполняется не параллельно к боковым стенкам воздуховода 1, а под углом, на всю или часть длины окна 7. При этом на малых углах открытия заслонки 8 объем вторичного воздуха может превышать объем первичного воздуха. Тем самым можно добиться более оптимального соотношения первичного и вторичного воздуха на всех режимах работы отопительного прибора и обеспечить более полное извлечение тепловой энергии из топлива и тем самым уменьшить его расход. Кроме того, когда управление объемом поступающего в отопительный прибор воздуха происходит с помощью заслонки 8, имеющей в несколько раз меньшую площадь проходного сечения, то точность управления тепловой мощностью возрастает во столько же раз. Это обусловлено тем, что при одном и том же изменении углового положения (от терморегулятора) объем воздуха, проходящего через вторую ступень 8 заслонки, изменяется в несколько раз меньше, чем при изменении углового положения первой ступени 5 заслонки. Следовательно, тепловая энергия, выделяемая топливом, будет изменяться также в небольших пределах. Тем самым обеспечивается высокая точность поддержания тепловой мощности отопительного прибора на заданном уровне. Возможность поддержания тепловой мощности с высокой точностью позволяет изменить подход к конструированию твердотопливных отопительных приборов. В частности, появляется возможность существенного увеличения объема топки отопительного прибора и загружаемого в него топлива. Как следствие увеличивается продолжительность горения. Еще одним важным следствием высокой точности управления тепловой мощностью отопительного прибора является надежная автоматизация процесса горения, что увеличивает период его обслуживания и повышает удобство эксплуатации. Кроме того, оптимизация соотношения первичного и вторичного воздуха на различных режимах работы отопительного прибора позволяет более полно сжигать пиролизные газы и тем самым извлекать больше тепловой энергии из используемого объема топлива. На экспериментальном котле удалось примерно на 50% увеличить продолжительность горения при использовании фиксированной массы топлива.
Уровень разработки находится в стадии использования в серийно выпускаемых котлах различной мощности.