ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ С ТРЕХЗОННОЙ ПОДАЧЕЙ ВОЗДУХА ДЛЯ СЖИГАНИЯ
SOLID-FUEL HEATER WITH THREE-ZONE COMBUSTION AIR SUPPLY

Область техники
Техническое решение касается твердотопливного нагревателя с трехзонной подачей воздуха для сжигания, в особенности котлов с газификацией древесины.
Нынешнее состояние техники
Самые передовые твердотопливные нагреватели, в особенности котлы с газификацией древесины, оснащены трехзонной (или трехступенчатой) подачей воздуха для сжигания - вторичный воздух, нижний первичный воздух и верхний первичный воздух. Вторичный воздух подается в пламя в форсунке (отверстие, которое соединяет верхнее топливное пространство и нижнее пространство дожигания). Он обеспечивает горение горючих газообразных составляющих пламени - вторичное горение. Нижний первичный воздух подается в горящий слой топлива в нижней части топливного пространства. Он обеспечивает изменение твердого топлива в газообразные составляющие -первичное горение (или газификация) в нижнем слое топлива. Он также определяет производительность нагревателя. Верхний первичный воздух подается выше слоя топлива в верхней части топливного пространства. Он поддерживает интенсивность первичного горения - вызывает нарастание раскаленного слоя. Он позволяет сжигание плохо горящих видов топлива (большие фрагменты, мягкая или влажная древесина). Ускоряет разжигание. Он иногда обозначается как воздух предварительной сушки.
Вторичный воздух обычно подается через отдельную отдушину (систему трубопроводов, каналов и полостей), на его входе находится элемент регулировки (клапан), который управляется вручную, у более сложных исполнений - с помощью электрического привода, управляемого регулятором котла на основании сигнала из лямбда-зонда.
Верхний первичный воздух и нижний первичный воздух обычно подаются через одну общую отдушину (первичного воздуха), на ее входе также находится элемент регулировки (клапан), управляющийся вручную или с помощью электрического привода, управляемого регулятором котла на основании требований мощности (сигнала с датчиков продуктов сгорания и температуры воды). Эта общая отдушина в последующем разделяется на отдушину верхнего первичного воздуха и на отдушку нижнего первичного воздуха. Обычно конструкционное исполнение следующее: Общая отдушина (первичного воздуха) выводится за обшивку из огнеупорных металлических листов, которыми оснащены боковые стены топливного пространства. Часть первичного воздуха затем за этой обшивкой движется вверх как верхний первичный воздух, часть первичного воздуха за этой обшивкой движется вниз как нижний первичный воздух. У упомянутой огнеупорной обшивки затем есть отверстия в ее нижней части, через которые в топливное пространство движется нижний первичный воздух, и отверстия в их верхней части, через которые в топливное пространство поступает верхний первичный воздух. Соотношение площади верхних и нижних отверстий определяет взаимное соотношение верхнего и нижнего первичного воздуха. Это соотношение выбрано так, чтобы оно соответствовало чаще всего использованным видам топлива. Стандартно его значение приблизительно 2:1 в пользу нижнего первичного воздуха. То, что упомянутое соотношение постоянное, является недостатком для сжигания видов топлива с другими параметрами. Например, для топлива, которое легко разжигается (сухие и мелкие фрагменты, такие как древесная щепка, ветви и обрезки), стандартное количество верхнего первичного воздуха вызывает нежелательное нагорание топлива во всем объеме топливного пространства. Это снижает качество сжигания, регулируемость, эффективность. Противоположная ситуация происходит у топлива, которое сложно загорается (более влажная древесина или крупные фрагменты). В такой ситуации существует недостаток верхнего первичного воздуха, горение происходит с большими излишками воздуха, с более низкой мощностью, с более низкой эффективностью и качеством сжигания.
Из китайского документа CN 204005952 U известно оборудование для сжигания гранул, включающее подачу воздуха для сжигания, входные и выходные отверстия первичного, вторичного и третичного воздуха, причем, первичный воздух, а также вторичный и третичный воздух подается в отдельном трубопроводе или отдушине.
Существующие нагреватели, в особенности котлы с газификацией, по приведенным причинам не позволяют эффективно адаптироваться к видам топлива различных свойств, конкретно, более влажному топливу или большим фрагментам с одной стороны, и более мелкому и сухому топливу (щепки) с другой стороны.
Суть технического решения:
Недостатки известного оборудования устраняет твердотопливный нагреватель с трехзонной подачей воздуха для сжигания в соответствии с техническим решением, включающий нижнее выходное отверстие нижнего первичного воздуха, верхнее выходящее отверстие верхнего первичного воздуха, вторичное выходное отверстие и вторичное входное отверстие вторичного воздуха, причем, вторичный воздух между вторичным входным отверстием и вторичным выходным отверстием подается в отдельной отдушине (трассе). Нагреватель также включает две отдельные отдушины (трассы) от входа до выхода нижнего и верхнего первичного воздуха, поступающего в пространство для сжигания. Данные отдельные отдушины решены таким образом, что они включают первое входное отверстие нижнего первичного воздуха и второе входное отверстие верхнего первичного воздуха, причем, нижний первичный воздух между первым входным отверстием и нижним выходным отверстием проходит в отдельной отдушине нижнего первичного воздуха и верхний первичный воздух между вторым входным отверстием и верхним выходным отверстием проходит в отдельной отдушине верхнего первичного воздуха. Суть технического решения заключается в том, что к каждому входному отверстию привода первичного воздуха и вторичного воздуха присоединен клапан, установленный на стреле, причем, стрела закреплена на валу, и, причем, входные отверстия оснащены общей подвижной заслонкой.
В соответствии с первым выгодным исполнением технического решения входные отверстия для подачи первичного воздуха и вторичного воздуха размещены на распределителе, который расположен на внешней стороне нагревателя, причем, вал, на котором закреплены стрелы, расположен вне распределителя.
Выгодное решение с помощью регулировкой количества первичного воздуха и вторичного воздуха, который входит во входные отверстия, управлять подвижной заслонкой с двумя регулирующими отверстиями.
Преимуществом технического решения является то, что оно позволяет простым способом - движением заслонки 5 установить любое требуемое соотношение всех трех видов воздуха (вторичного, верхнего первичного и нижнего первичного), а также оптимально адаптировать нагреватель для эффективного сжигания разнообразных видов топлива и моментального состояния горения. Для управления соотношением воздуха достаточно единственного электрического привода, в то время как решения существующих котлов требует два электрические приводы. Другим преимуществом следовательно также является простота, и следующая из нее более низкая цена и более высокая надежность.
Обзор рисунков на чертежах
РИС. 1 схематическое изображение нагревателя на переднем плане
РИС. 2 разрез А-А нагревателя с рис. 1
РИС. 3 схематическое аксонометрическое (3D) изображение распределителя воздуха, где регулировочная заслонка для наглядности не изображена.
РИС. 4 схематический передний вид распределителя воздуха с заслонкой в положении со сбалансированным приводом вторичного воздуха и нижнего первичного воздуха при сжигании обычного топлива, которое горит стандартно (напр., сухие поленья).
РИС. 5 схематический передний вид распределителя воздуха с заслонкой в положении с максимальным приводом вторичного воздуха при сжигании легко горящего топлива (напр., сухая древесная щепка).
РИС. 6 передний вид распределителя воздуха с заслонкой в положении с максимальным приводом верхнего первичного воздуха при сжигании плохо горящего топлива (напр. влажные или большие поленья).
Пример исполнения
На примере исполнения технического решения, изображенного на рис. 1, находится нагреватель 100 - котел с газификацией для ручного приложения древесины с топливным пространством 1 в верхней части и пространством 17 дожигания в нижней части. На передней стене нагревателя 100 находится распределитель 4 воздуха для сжигания в форме параллелепипеда, который включает три взаимно отделенные камеры. У каждой из этих камер в передней стене есть круглые входные отверстия для привода воздуха для сжигания, первое входное отверстие 14.1 из них предназначено для подачи нижнего первичного воздуха, второе входное отверстие 14.2 предназначено для подачи верхнего первичного воздуха и входное отверстие 14.3 предназначено для подачи вторичного воздуха. Входные отверстия 14.1, 14.2 и 14.3 оснащены на своей внутренней стороне круглыми клапанами 13, каждый из них прикреплен к изогнутой стреле 7, Все три стрелы 7 неподвижно соединены с валом 8, размещенным вне распределителя 4. Вал 8 расположен на обоих концах подвижно в парном размещении 6. Геометрия стрел 7 выбирается так, чтобы общий центр тяжести стрел 7 и клапанов 13 во всех рабочих положениях, т.е., от «закрыто» до «полностью открыто», находился вправо от оси поворота вала 8, так чтобы клапаны 13 находились в спокойном положении под воздействием гравитации в закрытом состоянии. На передней поверхности распределителя 4 расположена прямоугольная, в горизонтальном направлении, подвижная заслонка 5 (подвижная заслонка 5 обозначена заштрихованной площадью) с парой прямоугольных регулировочных отверстий 15. Заслонка 5 также включает продолговатый центральный зазор 18, расположенный горизонтально в центре заслонки 5, который позволяет проход стрел 7 и обеспечивает минимальный размер ограничения поверхности входных отверстий 14.1 14.2 14.3. Заслонка 5 обеспечивает достижение требуемого соотношения воздуха, для всевозможных рабочих состояний (розжиг, горение, дожиг) и всевозможные виды топлива (хорошо горящее, стандартное и плохо горящее).
К левой камере распределителя 4 в нижней стене прикреплен трубопровод нижней отдушины 10 нижнего первичного воздуха, который выводится в нижнее выходное отверстие 16. К центральной камере распределителя 4 в нижней стене прикреплен трубопровод вторичной отдушины 9 вторичного воздуха, который выводится в выходное отверстие 12 образованное форсункой выхода вторичного воздуха. К правой камере распределителя 4 в верхней стене подключен трубопровод верхней отдушины 3 первичного воздуха, который выводится в верхнее выходное отверстие 11 выхода верхнего первичного воздуха.
Возможны также другие варианты исполнения технического решения, распределитель 4 может не быть отдельной единицей, он может быть интегрирован в конструкцию котла, напр., так, что конструкция котла образует заднюю стену распределителя 4 и т.д. У отдельных камер распределителя 4 может быть другая очередность, чем указана в примере исполнения. Заслонка 5 может не быть подвижной, но, напр., поворотной. Различной может быть форма и количество регулировочных отверстий 15 заслонки 5 и т.д.
Функция нагревателя 100 следующая: Во входных отверстиях 14.1, 14.2, и 14.3 распределителя 4 движется воздуха для сжигания, напр., с помощью вентилятора для продуктов сгорания. Под напором воздуха клапаны 13 со стрелами 7 наклонены в направлении внутрь распределителя 4. Взаимное соотношение количества проходящего воздуха через отдельные входные отверстия 14.1 14.2 14.3 определяет положение заслонки 5, посредством их регулировочных отверстий 15, Посредством вала 8, через который соединены стрелы 7, данные стрелы 7 поворачиваются одинаково и одинаково открываются все три клапана 13. В положении заслонки 5, изображенной на рисунке 1, в одинаковой степени открыто первое входное отверстие 14.1 нижнего первичного воздуха и входное отверстие 14.3 вторичного воздуха (левой и центральной камеры распределителя 4), в то время, как второе входное отверстие 14.2 верхнего первичного воздуха (правой камеры) открыто только минимально, через центральный зазор 18 заслонки 5. Вследствие этого в котел движется примерно в одинаковой степени вторичный и нижний первичный воздух, в то время, как движется только минимум верхнего первичного воздуха. В таком положении находится заслонка 5, например, у растопленного котла при сжигании обычного топлива, которое горит стандартно (напр., сухие поленья). Соотношение прохождения отдельных видов воздуха в данном положении заслонки 5 изображено на рисунке 4, т.е. около 45% нижнего первичного воздуха, около 45% вторичного воздуха и около 10% верхнего первичного воздуха.
Иное возможное положение заслонки 5, изображенной на рисунке 5, определяет проходы отдельных видов воздуха так, что максимальный проход около 85% вторичный воздух достигает во входном отверстии 14.3, в то время, как у нижнего и верхнего первичного воздуха во входных отверстиях 14.1 и 14.2 только минимальный проход, определенный площадью центрального зазора 18 заслонки 5, т.е., около 5 - 10%. В таком положении находится заслонка 5, например, у растопленного котла при сжигании топлива, которое легко горит (напр., сухая древесная щепка).
Другое иное возможное положение заслонки 5, изображенной на рисунке 6, определяет движение отдельных видов воздуха так, что максимальное прохождение около 60% верхний первичный воздух достигает во втором входном отверстии 14.2. Прохождение нижнего первичного воздуха в первом входном отверстии 14.1 ограничено частично и достигает значения около 30%, а прохождение вторичного воздуха во входном отверстии 14.3 минимальное, поскольку оно определено поверхностью центрального зазора 18 заслонки 5 и достигает значения около 10%. В таком положении находится заслонка 5, например, во время розжига или у растопленного котла при сжигании топлива, которое сложно горит (напр., влажные или большие поленья).
Перечень связанных отметок
100 нагреватель
1 топливное пространство
2 топливо
3 верхняя отдушина (первичного воздуха)
4 распределитель
5 заслонка
6 расположение
7 стрела клапана
8 вал
9 вторичная отдушина (вторичного воздуха)
10 нижняя отдушина (первичного воздуха)
11 верхнее входное отверстие (первичного воздуха)
12 выходное отверстие (вторичного воздуха)
13 клапан
14.1 первое входное отверстие (нижнего первичного воздуха)
14.2 второе входное отверстие (верхнего первичного воздуха)
14.3 входное отверстие (вторичного воздуха)
15 регулирующее отверстие
16 нижнее выходное отверстие (первичного воздуха)
17 пространство дожигания
18 центральный зазор (заслонки)