СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗДУХА В ОТОПИТЕЛЬНОМ ПРИБОРЕ ВЕРХНЕГО ГОРЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF DYNAMIC AIR DISTRIBUTION IN UPPER BURNING HEATING DEVICE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных приборов длительного горения.
Известен отопительный котел с верхним горением /1, 2/, в котором реализован способ распределения воздуха на топливо, заключающийся в подаче воздуха через регулируемое по сечению, в зависимости от температуры теплоносителя, воздухозаборное отверстие, саморегулирующийся по высоте воздуховод и распределитель воздуха. В качестве системы подачи воздуха к топливу в указанных конструкциях использованы телескопический воздуховод и распределитель воздуха. Недостатками такой конструкции, реализующей описанный способ, является ее громоздкость, сложность, большая масса и сравнительно высокая стоимость. Телескопический воздуховод с распределителем воздуха занимают около трети объема котла, что значительно снижает полезный объем камеры сгорания, и не во всех случаях работают стабильно, особенно со сложными видами топлива.
Известен отопительный прибор с верхним горением /3/, выбранный в качестве прототипа, в котором также реализован способ распределения воздуха на топливо, заключающийся в подаче воздуха через регулируемое по сечению, в зависимости от температуры теплоносителя, воздухозаборное отверстие, расположенное в верхней части корпуса, саморегулирующийся по высоте воздуховод и распределитель воздуха. В отопительных приборах, реализующих описанный способ, в качестве саморегулирующегося по высоте воздуховода использован гофрированный воздуховод, например, из силиконового армированного полотна. Недостатками такого технического решения является высокая стоимость воздуховода, ограниченный срок эксплуатации в условиях высоких температур и сравнительно высокая его уязвимость от повреждений при нарушении правил эксплуатации.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно упрощение системы подачи воздуха к топливу, ее удешевление и повышение надежности.
Указанная задача достигается тем, что в способе распределения воздуха в отопительном приборе верхнего горения воздух к топливу подают через регулируемое по сечению в зависимости от температуры воздухозаборное отверстие, неподвижный воздуховод и саморегулирующиеся по высоте остатка топлива основное и дополнительное окна, выполненные в подвижной ленте, размещаемой в воздуховоде. Для повышения устойчивости процесса горения в больших отопительных приборах, в том числе при сжигании сложных видов топлива (с повышенной или неоднородной влажностью), воздух к топливу подается через несколько указанных неподвижных воздуховодов.
Другая задача изобретения - предложить вариант устройства, реализующего предлагаемый способ динамического распределения воздуха в отопительных приборах верхнего горения.
Указанная задача достигается тем, что устройство динамического распределения воздуха содержит неподвижный воздуховод с регулируемым по сечению воздухозаборным отверстием, в котором размещена подвижная лента, в которой выполнены основное и дополнительное окна, причем через основное окно она соединена с приводом окна и подъемным механизмом. Устройство динамического распределения воздуха может иметь несколько неподвижных воздуховодов и несколько приводов окон, связанных между собой гибкой сцепкой.
Сущность изобретения поясняется на примере устройства динамического распределения воздуха приведенного на фиг. 1. На фиг. 1 показаны эскизы упомянутого устройства в двух проекциях, где обозначено: корпус воздуховода 1, лента 2, продольная щель 3 в воздуховоде 1, основное окно 4 в ленте 2, дополнительное окно 5, привод окна 6, кронштейн 7, трос 8 и трос провод 9 подъемного механизма, обводные ролики 10, воздухозаборное отверстие 11, корпус отопительного прибора 12, заслонка терморегулятора 13. Устройство динамического распределения воздуха может быть размещено, в зависимости от назначения отопительного прибора верхнего горения, как внутри его, так и снаружи. Как показала практика наиболее целесообразное количество воздуховодов в описываемом устройстве равно двум, и они размещаются по обе стороны от загрузочной дверцы. При больших габаритах отопительного прибора число воздуховодов может быть больше двух.
Корпус воздуховода 1 может быть выполнен из металла. Если воздуховод 1 размещен непосредственно в камере сгорания, то он выполняется из металла с необходимой жаростойкостью. Воздуховод может быть выполнен и из обычного металла, если обеспечить его теплоизоляцию. В ряде случаев это более целесообразно. Площадь сечения воздуховода 1 должна быть не меньше площади сечения воздухозаборного отверстия 11. При использовании в отопительном приборе нескольких воздуховодов их общая площадь сечений должна быть не меньше площади сечения воздухозаборного отверстия 11. Форма поперечного сечения воздуховода принципиального значения не имеет и может выбираться в зависимости от особенностей конструкции отопительного прибора, в котором он устанавливается. Нижний конец воздуховода 1 герметично заглушается, а верхний оканчивается воздухе заборным отверстием 11. В зависимости от особенностей конструкции отопительного прибора воздухозаборное отверстие может выполняться не на конце, а в верхней части воздуховода 1. При этом верхний конец воздуховода герметично заглушается. На стороне воздуховода обращенной внутрь камеры сгорания выполняется продольная щель 3 шириной, примерно равной ширине окна 4.
Внутри воздуховода 1 на обводных роликах 10 установлен замкнутый отрезок ленты 2. Лента 2 может быть выполнена из жаропрочного металла или высокотемпературной газоплотной ткани. Толщина ленты выбирается исходя из упругих свойств материала, с тем, чтобы исключить необратимую деформацию и старение материала при многократном его перемещении вокруг роликов. В ленте 2 выполнено основное окно 4 и дополнительное окно 5. Площадь основного окна 4 составляет 65-75% от площади воздухозаборного отверстия 11, а дополнительного окна 5 - 25-35%. Расстояние между окнами приблизительно выбирается из соотношения r=а·в-0,5в, где а - размер узкой стороны окна 4, в - размер широкой (вертикально расположенной) стороны окна 4. При недостаточных прочностных характеристиках материала ленты окно 4 по периметру дополнительно упрочняется, поскольку через него осуществляется привод всего кольца ленты 2. По этим же причинам окно 4 может выполняться в виде нескольких секций, общая площадь которых должна быть равна требуемой площади для окна 4. Лента 2 на роликах 10 устанавливается в воздуховоде 1 вплотную к щели 3 так, чтобы практически исключить поступление воздуха в камеру сгорания между лентой 2 и стенкой воздуховода 1. При необходимости лента дополнительно прижимается к стенке воздуховода пружинящими пластинками или другими элементами. Лента 2 приводится в движение приводом окна 6, который входит в зацепление с окном 4 с помощью кронштейна 7. Привод окна 6 изготавливается из жаропрочного материала, например из чугуна. Размер основания привода окна 6 (поперек укладки дров в отопительном приборе) выбирается не меньше половины поперечного размера камеры сгорания отопительного прибора, чтобы исключить значительные провалы привода окна 6 при сжигании неоднородного (по влажности или укладке) топлива и как следствие неприемлемое повышение тепловой мощности. По этой же причине размер основания привода окна в другой плоскости должен составлять около половины его продольного размера. Масса привода окна может не превышать несколько килограммов. Если используются два воздуховода, то и приводов окон должно быть два. В этом случае они связываются между собой гибкой сцепкой, чтобы исключить значительные провалы одного из приводов окон. К приводу окна 6 крепится кронштейн 7, который при монтаже устанавливается в окно 4 ленты 2. Противоположный конец кронштейна 7 упирается в заднюю стенку воздуховода 1. На этом же конце к кронштейну 7 крепится трос 8 подъемного механизма. Трос 8 проходит через трос провод 9 и заканчивается петлей, за которую осуществляется подъем привода окна 6.
Работает устройство динамического распределения воздуха следующим образом. Перед загрузкой топлива 14 в отопительный прибор 12 с помощью троса 8 поднимается привод окна 6 в верхнее положение и фиксируется петлей за соответствующий крючок (не показан на рисунке) на корпусе 12. В отопительный прибор загружается топливо и поджигается. Привод окна 6 опускается на топливо 14, а загрузочная дверца отопительного прибора закрывается. При этом воздух через воздухозаборное отверстие 11 воздуховод 1 и окно 4 поступает в камеру сгорания отопительного прибора непосредственно к топливу, а продукты сгорания топлива как обычно выводятся через дымоход (не показан на рисунке) отопительного прибора. По мере сгорания топлива привод окна 6 опускается, перемещая ленту 2 с окном 4, через которое воздух постоянно поступает непосредственно к топливу, обеспечивая устойчивость процесса его горения. При этом одновременно в камеру сгорания через дополнительное окно 5 поступает часть воздуха, которая используется для дожига горячих горючих газов, образующихся в процессе реакции окисления топлива. Тем самым обеспечивается наиболее полное использование его теплотворного потенциала.
Поскольку в твердотопливных отопительных приборах сгорание топлива, и соответственно, выделение тепловой мощности происходит, как правило, не равномерно, то приходится вводить отрицательную обратную связь по ее регулировке. Выделяемая в процессе горения топлива тепловая мощность в значительной степени зависит от объема воздуха поступающего к топливу, поэтому ее регулировка, как правило, осуществляется регулировкой поступающего в камеру сгорания объема воздуха. В описываемом устройстве регулировка объема воздуха поступающего в воздуховод 1 осуществляется с помощью заслонки 13, управляемой терморегулятором, который обычно настраивается на поддержание заданной температуры теплоносителя (в котле) или корпуса отопительного прибора (печи).
Как видно из описания устройства динамического распределения воздуха в отопительных приборах верхнего горения, оно проще по конструкции и технологии изготовления, чем прототип и тем более чем аналоги, в которых реализуется телескопическая конструкция воздуховода. Это обусловлено тем, что в описываемом устройстве отсутствует достаточно сложный и тяжелый распределитель воздуха и саморегулирующийся по высоте воздуховод. Все элементы устройства, реализующего предлагаемый способ динамического распределения воздуха, сравнительно просты по конструкции и в изготовлении, имеют небольшую материалоемкость и могут быть сделаны из не дорогих материалов. За счет этого достигается существенное снижение стоимости устройства динамического распределения воздуха по сравнению с прототипом и другими техническими решениями.
Следствием простоты, небольшого веса используемых элементов и небольших усилий, прикладываемых для их перемещения, является более высокая надежность конструкции в целом. Повышение надежности достигается также при теплоизоляции воздуховода, поскольку при этом обеспечивается работа элементов конструкции в более благоприятных температурных условиях.
Кроме того, отсутствие воздуховода и распределителя воздуха в системе распределения воздуха отопительного прибора позволяет увеличить полезный объем камеры сгорания и как следствие объем загружаемого топлива и продолжительность горения отопительного прибора.
Уровень разработки предлагаемого способа динамического распределения воздуха в отопительных приборах верхнего горения после экспериментальной проверки в опытном образце отопительного котла верхнего горения находится на уровне отработки конструкций устройств динамического распределения воздуха для различных модификаций отопительных приборов прямого и косвенного нагрева.
Источники информации
1. Евразийский патент №005303 от 10.12.2004 г.
2. Патент литовской республики №5542 от 26.01.2009 г.
3. Патент Российской Федерации №2459145 от 25.03.2011 г.