Твердотопливный котел длительного горения

Полезная модель относится к области отопления, а именно к устройствам сжигания топлива в твердотопливных котлах.
Известен твердотопливный котел длительного горения (см. патент RU 29989U1), включающий корпус с двойными стенками образующими ёмкость теплоносителя, топочную и зольно-поддувальную камеры с дверцами и расположенный за камерами двухступенчатый теплообменник, полости вертикальных экранов которого соединены с ёмкостью теплоносителя. Недостатком известного технического решения являются низкая эффективность теплопередачи из-за наличия в системе котла только естественной конвекции воздуха, отсутствие искусственной вентиляции не позволяет контролировать процесс горения топлива. Также недостатком является скопление большого количества конденсата в нижней части теплообменника, вызванного длительным и неравномерным прогревом теплоносителя в котле, в результате того, что горячие дымовые газы, проходя по теплообменнику сверху вниз, соприкасаются с холодной частью теплообменника. К недостаткам конструкции известного котла также можно отнести повышенную трудоёмкость обслуживания котла, обусловленную необходимостью частой очистки теплообменника от продуктов горения.
Известен твердотопливный котел длительного горения (см. патент RU 168146U1), включающий корпус с двойными стенками образующими емкость теплоносителя, топочную камеру с дверцей и заслонкой, зольную камеру, колосники, теплообменник, расположенный над топочной камерой и выполненный в виде ступенчатого канала, стенки которого наклонены относительно горизонтальной плоскости и дымоход. По сравнению с предыдущим техническим решением по патенту RU 29989U1 известный котёл лишен недостатка в виде образования конденсата по причине того, что теплообменник расположен в верхней части котла над топочной камерой, где более быстро и равномерно происходит прогрев теплоносителя. Недостатками известного технического решения являются отсутствие какого-либо устройства предназначенного для регулирования поступления воздуха в топочную камеру, а так же низкий КПД, обусловленный частым засорением поверхностей теплообменника.
Наиболее близким техническим решением, принятым в настоящей заявке за прототип является твердотопливный котел длительного горения по патенту RU 196392U1. Известный котёл включает корпус с двойными стенками, образующими емкость теплоносителя, вентилятор, входной и выходной патрубки, обеспечивающие подвод и отвод теплоносителя, дымовую трубу, топочную и зольную камеры, разделённые колосником и теплообменник, расположенный над топочной камерой и выполненный в виде вертикально расположенного ступенчатого канала прямоугольного сечения. Наличие вентилятора в конструкции известного котла значительно улучшает процесс поступления и распределения воздуха в камеры котла. Существенным недостатком известного котла является конструкция теплообменника, в которой дно канала образовано наиболее широкой стороной канала, а короткие стороны канала образуют его высоту. Такая конструкция приводит к тому, что значительная часть продуктов горения, поступающая из топочной камеры в теплообменник, вследствие небольшой высоты осаждения частиц не успевает покинуть канал через дымовую трубу и оседает на дне канала. Это приводит к ухудшению теплопередачи и довольно быстрому снижению КПД котла и соответственно к дополнительным операциям по очистке котла. Недостатками прототипа являются конструктивные особенности не  позволяющие выполнить канал теплообменника из более чем четырёх ступеней, что ведёт к ограничению по мощности и типоразмерам вариантов исполнения известного котла. В таком конструктивном исполнении котлы мощностью свыше 150 кВт требуют увеличения количества ступеней теплообменника и получаются слишком высокими и неудобными в эксплуатации и обслуживании.
Задачами настоящей полезной модели является разработка твердотопливного котла длительного горения лишенного недостатков известных технических решений, повышение КПД, а также снижение трудозатрат на его обслуживание.
Поставленная задача решается созданием твердотопливного котла длительного горения, содержащего корпус с двойными стенками образующими емкость теплоносителя, вентилятор, воздуховодные каналы, выходной патрубок дымохода, загрузочную дверцу, выгрузочную дверцу, дверцу зольника, дверцу теплообменника, форсунки, окно подачи воздуха, колосники, теплообменник, расположенный над топочной камерой и зольную камеру, в котором теплообменник выполнен в виде горизонтально расположенного ступенчатого канала прямоугольного сечения, ступени которого расположены в один ряд, при этом короткие стороны прямоугольного сечения канала расположены горизонтально, а длинные стороны прямоугольного сечения канала расположены вертикально.
Частные варианты реализации полезной модели:
твердотопливный котел длительного горения, в котором теплообменник выполнен в виде двух-, четырёх- или шестиступенчатого канала;
твердотопливный котел длительного горения, в котором колосники выполнены полыми, а их полости соединены с ёмкостью теплоносителя;
твердотопливный котел длительного горения, в котором форсунки расположены под углом к стенкам корпуса.
Суть полезной модели раскрыта на рисунках и в описании.
фиг. 1 - вид твердотопливного котла длительного горения спереди;
фиг. 2 - вид твердотопливного котла длительного горения сбоку;
фиг. 3 - вертикальный разрез корпуса твердотопливного котла длительного горения;
фиг. 4 - вертикальный разрез корпуса твердотопливного котла длительного горения;
фиг. 5 - горизонтальный разрез теплообменника.
На фиг. 1 показан вид спереди, а на фиг.2 вид сбоку твердотопливного котла длительного горения, который содержит корпус (1), вентилятор (2), воздуховодные каналы (3), выходной патрубок дымохода (4), загрузочную дверцу (5), выгрузочную дверцу (6), дверцу зольника (7), дверцу теплообменника (8).
На фиг. 3 показан вертикальный разрез А-А твердотопливного котла длительного горения, на котором содержатся форсунки (9), окно подачи воздуха (10), колосники (11), теплообменник (12) расположенный над топочной камерой (13) и зольная камера (14). Теплообменник (12) также как и корпус (1) выполнен с  двойными стенками, образующими ёмкость теплоносителя. Ёмкость теплоносителя в корпусе и в теплообменнике показана на фигурах штриховкой. За счёт расположения теплообменника (12) над топочной камерой (13) обеспечивается более равномерный и быстрый прогрев теплообменника (12). Колосники (11) могут быть выполнены в виде полых конструкций и соединены с ёмкостью теплоносителя, что позволит увеличить площадь теплообмена и повысить КПД котла.
На фиг. 4 показан вертикальный разрез Б-Б корпуса (1) твердотопливного котла длительного горения, на котором изображён теплообменник (12), выполненный в виде четырёхступенчатого канала. Каждая ступень канала в вертикальном сечении образует прямоугольник, который содержит пару коротких сторон (15), расположенных по горизонтали, и пару длинных стороны (16), расположенных по вертикали. При такой форме и расположении канала существенно уменьшается степень засорения теплообменника (12), так как значительная часть продуктов горения, попадающих в теплообменник (12) из топочной камеры (13) вследствие большей высоты осаждения частиц, по сравнению с прототипом, не успевает осесть на дно канала и вылетает наружу. При этом оставшаяся часть продуктов горения будет оседать на гораздо меньшей площади, образующей дно канала теплообменника (12) и, соответственно, поверхность засорения будет значительно меньше, чем у прототипа, что приведёт к незначительному снижению теплопередачи.
Форсунки (9) соединены с воздуховодными каналами (3) и обеспечивают  поступление воздуха в топочную камеру (13), при этом установлены под углом 45 градусов к стенкам корпуса (1) и направлены вниз. Такой наклон форсунок (9) необходим для того, что подавать воздух непосредственно зону горения твердого топлива, так как при горении объём топлива в топочной камере (13) постепенно уменьшается.
На фиг. 5 на горизонтальном разрезе В-В теплообменника (12) показан путь дымовых газов в канале теплообменника (12). Разогретые дымовые газы попадают в ступенчатый канал теплообменника (12) непосредственно из топочной камеры (13) через входное отверстие, горизонтальной “змейкой” проходят ступени теплообменника (12), на которых отдают тепловую энергию теплоносителю и выходят через выходной патрубок дымохода (4) наружу.
В результате испытания опытных образцов было определено рекомендуемое  соотношение сторон сечения канала теплообменника (12). Длина вертикальной стороны прямоугольного сечения канала должна, по меньшей мере, в два раза превышать длину горизонтальной стороны сечения канала.