ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ
CONTINUOUS BURNING HEATING BOILER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе.
Известен отопительный котел длительного горения с бункером для топлива и системой автоматической подачи топлива с регулятором по температуре воды /1/, в котором подачу воздуха осуществляют в нижнюю часть камеры сгорания и периодически в нее добавляют топливо и тем самым достигают увеличения продолжительности горения котла. Недостатком этого отопительного котла является сложность, высокая стоимость и практическая неприменимость для дров не стандартизированной формы и размеров, а также возможность возникновения аварийной ситуации при неконтролируемой загрузке топлива в топку в случае нарушения работы автоматики и зависимость работоспособности котла от энергоснабжения.
Известен отопительный котел длительного горения /2/, содержащий корпус, саморегулирующийся по высоте воздуховод и распределитель воздуха. В данном котле реализован способ сжигания твердого топлива, включающий подачу воздушных газов через регулируемое по сечению, в зависимости от температуры, отверстие в верхней части камеры сгорания, саморегулирующийся по высоте воздуховод и распределитель воздуха непосредственно к топливу и выведение, после реакции окисления, через дымоход в верхней части топочной камеры смеси воздушных и дымовых газов. В данном отопительном приборе выгорание топлива происходит сверху вниз, по мере перемещения распределителя воздуха под собственным весом, а скорость сгорания регулируется объемом подаваемого воздуха.
Однако в рассмотренном приборе вследствие конструктивных особенностей длительность горения достигает лишь несколько десятков часов. В частности это обусловлено тем, что такой прибор имеет сравнительно небольшую тепловую производительность единицы объема корпуса. А конструкция воздуховода и распределителя воздуха не исключает возможность не стабильной работы отопительного котла (особенно при сжигании топлива с повышенной и неоднородной влажностью) из-за его провалов в выгоревшую часть топлива, с возникновением аварийной ситуации или самопроизвольного угасания топлива и остановки котла. Кроме того, указанный отопительный котел имеет низкую ремонтопригодность.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является отопительный котел /3/ длительного горения, в котором реализуется способ сжигания топлива сверху вниз. Указанный отопительный котел содержит разъемный корпус, теплообменник, размещаемый в плоскости соединения двух частей корпуса, воздуховод, распределитель воздуха и терморегулятор с приводом заслонки входного воздуха.
К недостаткам указанного отопительного котла можно отнести усложненность конструкции теплообменника и распределителя воздуха, а также необходимость организации дополнительной тяги в дымоходе при розжиге котла и невозможность обеспечить близкую к оптимальной температуру дымовых газов в дымоходе во всем диапазоне генерируемых тепловых мощностей.
Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно упрощение конструкции, повышение стабильности КПД при различных режимах работы отопительного котла, а также повышение технологичности его изготовления и удешевление производства.
Указанная цель достигается тем, что отопительный котел содержит корпус, состоящий из нескольких панелей, соединенных между собой через уплотнитель замковыми соединениями, при этом в передней панели выполнены отверстия, с газоплотными загрузочной и зольной дверцами, теплообменник состоит из двух боковых и одной верхней полых панелей, имеющих входные и выходные патрубки, часть из которых соединены между собой, в верхней панели выполнено воздухозаборное отверстие с заслонкой, управляемой терморегулятором, соединенное через воздуховод с распределителем воздуха, содержащим основание из пластины с отверстием в центре с установленным над ним патрубком для крепления воздуховода, имеющим отверстия в боковой поверхности, подвижное кольцо с фиксатором относительно патрубка и ответными отверстиями, а также дополнительную пластину с отверстием в центре, закрепляемую под основной пластиной, причем подвижное кольцо имеет зазор относительно патрубка, площадь сечения которого составляет 20-25%, а площадь отверстия в дополнительной пластине около 45% от площади отверстия патрубка, в верхней части задней крышки выполнено дополнительное отверстие для отвода дымовых газов, в котором установлена дымовая заслонка, имеющая ручной и автоматический привод от терморегулятора, установленного на дымовой трубе.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1, 2. На фиг.1 показано продольное сечение котла, а на фиг.2 - поперечное. На фиг.1-2 обозначено: корпус, состоящий из верхней теплообменной панели 1, боковых теплообменных панелей 2, передней панели 3, задней панели 4, основания 5. На передней панели 3 выполнены загрузочная дверца 6, зольная дверца 7. В верхней панели 1 выполнена цилиндрическая полость 10 для размещения воздуховода 19, входное отверстие 11, выходной патрубок 12, входные патрубки 13. На задней панели 4 выполнены верхнее 14 и нижнее 15 отверстия с патрубками для отвода дымовых газов, а в верхнем патрубке 14 для отвода дымовых газов размещена заслонка 16. Боковые теплообменные панели 2 содержат входные 17 и выходные 18 патрубки. Панели соединяются замковыми соединениями 20, через уплотнитель 21. Распределитель воздуха содержит основную пластину 22, дополнительную пластину 23, патрубок 24, подвижное кольцо 25, трос 26, трос провод 27. Терморегулятор 28 соединен с заслонкой 29. Теплоизолирующие панели, верхняя 30 и боковые 31.
Верхняя теплообменная панель 1 выполнена из стали с необходимой жаропрочностью и коррозийной стойкостью. С задней боковой стороны панели 1 выполнены входные 13 и выходной 12 патрубки. При необходимости внутри панели 1 может быть смонтирован контур горячего водоснабжения, патрубки которого также выводятся на заднюю боковую сторону панели 1. В центре панели 1 выполняется цилиндрическая полость 10, в которой размещается (при его сжатии) воздуховод 19, а в верхней поверхности выполнено входное отверстие 11 в виде патрубка. Боковые теплообменные панели 2 выполнены из стали с необходимой жаропрочностью и коррозийной стойкостью. Они имеют входные 18 и выходные 17 патрубки. Входные патрубки 18 подключаются к системе отопления, а выходные 17 к входным патрубкам 13 верхней панели 1. Для увеличения тепловой мощности котла поверхности боковых и верхней панелей со стороны камеры сгорания могут быть покрыты дополнительным оребрением. Передняя 3 и задняя 4 панели и основание 5 выполняются трехслойными из наружного корпусного элемента, теплоизоляции 8 и внутреннего экрана 9. В основании 5 теплоизоляция выполняется более плотной, для предотвращения существенной деформации под массой загружаемых дров. Загрузочная 6 и зольная 7 дверцы выполняются с уплотнением, предотвращающим подсос воздуха в процессе сгорания топлива. Панели 1-4 и основание 5 соединяются между собой однотипными замковыми соединениями 20 через уплотнитель 21. Для этого на планках 20 и панелях выполняются выступы, которые взаимно зацепляются при соединении соответствующих элементов. Заслонка 16 имеет ручной и автоматический привод от терморегулятора, размещаемого на трубе выше котла. Этот терморегулятор принципиальных особенностей не имеет и может быть выполнен, например, на основе биметаллической пластины. Терморегулятор 28 также может быть выполнен на основе биметаллической пластины или гидравлического привода. Терморегулятор 28 механически связан с заслонкой 29, которая может иметь и ручной привод. Воздуховод 19 может быть выполнен из гофрированной трубы, например из термостойкой кремнеземной ткани, пропитанной силиконом, и армирован жаростойкой стальной спиралью. Пластина 22 распределителя воздуха в зависимости от конфигурации и размеров отопительного прибора, может быть выполнена круглой, квадратной или прямоугольной формы с отверстием в центре. К ней крепится патрубок 24. Патрубок 24 с отверстиями в нижней части, расположенными на противоположных сторонах, предназначен для канализации воздуха от воздуховода 19 под дополнительную пластину 23, над пластиной 22 и между пластинами 22, 23. Для регулировки соотношения объемов воздуха, поступающего под пластину 22 и над ней, используется подвижное кольцо 25, имеющее отверстия, совпадающие с такими же отверстиями в патрубке 24, причем подвижное кольцо имеет зазор относительно патрубка, площадь сечения которого составляет 20-25% от площади отверстия в пластине 22. В зависимости от вида топлива и его влажности положением кольца 25 осуществляется регулировка коэффициента избытка воздуха. Например, для угля или торфяных брикетов этот коэффициент устанавливается больше. Для этого отверстия в патрубке 24 и кольце 25 (в зависимости от положения кольца) могут быть полностью перекрыты глухой частью стенок патрубка и подвижного кольца, частично или полностью открыты. Отверстия в патрубке и кольце могут выполняться, например, прямоугольными на четверть окружности каждое на противоположных сторонах соответствующего элемента. Площадь указанных отверстий выбирается такой, чтобы обеспечить прохождение через низ них объема воздуха, необходимого для дожига горючих газов, образующихся в процессе горения топлива и его пиролиза. Для фиксации подвижного кольца 25 в нижней его части выполняются небольшие углубления, а на пластине 22 соответствующий им выступ. Дополнительная пластина 23 предназначена для нагрева, проходящего между пластинами воздуха, и выполняется из более жаропрочного материала, чем остальные элементы распределителя воздуха. Расстояние между пластинами 22 и 23 выбирается таким, чтобы обеспечить прохождение между пластинами около 55% воздуха, прошедшего через патрубок 24. Площадь отверстия в пластине 23 составляет около 45% от площади отверстия в патрубке 24. Назначение теплоизолирующих панелей 30, 31 очевидно из их названия и принципиальных особенностей в предлагаемой конструкции не имеют.
Работает отопительный котел следующим образом. С помощью троса 26, проходящего через трос провод 27, распределитель воздуха поднимается в верхнее положение и фиксируется в этом положении, за счет фиксации конца троса за соответствующий крючок на корпусе. Если в котле имеется избыточное количество золы, то она удаляется через зольную дверцу 7. Через загрузочную дверку 6 осуществляется загрузка топлива 32, в частном случае дров 32. Заслонка 16 переводится в открытое положение. Затем топливо поджигается, распределитель воздуха опускается на топливо, заслонка 29 открывается, привод терморегулятора 28 устанавливается на заданную температуру теплоносителя, а загрузочная дверца 6 закрывается. Далее заслонка дымовых газов 16 переводится в режим автоматического управления от терморегулятора температуры дымовых газов. После закрытия дверцы 6 воздух в камеру сгорания будет поступать в зону горения через входное отверстие 11, воздуховод 19, патрубок 24, отверстия в пластинах 22, 23. При этом часть воздуха, проходящая между пластинами 22 и 23, нагревается, одновременно охлаждая эти пластины. Другая часть воздуха (около 25-35%) через патрубок и отверстия в пластинах 22 и 23 поступает под пластину 23. Между пластинами 22 и 23 проходит около 35-45% воздуха. Еще одна часть воздуха (от 20 до 40%, в зависимости от положения подвижного кольца 25 относительно патрубка 24) поступает над распределителем воздуха и используется для дожига горючих газов, образующихся в процессе горения топлива и его пиролиза. Далее дымовые газы поступают в верхнее отверстие для отвода дымовых газов 14 и через непродолжительное время прогревают дымоход. После нагрева трубы дымохода до требуемой температуры и стабилизации в нем тяги, терморегулятор дымовых газов поворачивает заслонку в положение, близкое к закрытому, тем самым уменьшая поток горячих дымовых газов через верхнее отверстие 14. При этом на столько же увеличивается поток дымовых газов через нижнее дымовое отверстие 15. Но через нижнее отверстие будут выводиться уже остывшие дымовые газы, отдавшие свое тепло теплоносителю через теплообменные поверхности. В процессе горения терморегулятор дымовых газов будет поддерживать температуру дымовых газов, близкой к минимально необходимой (обеспечивающей нормальную работу дымохода), автоматически изменяя соотношение горячих и остывших дымовых газов, выходящих в дымоход через верхнее и нижнее отверстия. При этом в зоне горячих газов оказывается почти весь объем загруженного топлива, за счет этого оно хорошо прогревается, и тем самым улучшаются условия его сгорания, в том числе за счет нагрева в распределителе поступающего в зону горения воздуха. Кроме того, практически в процессе всего периода горения топлива в зоне горячих газов находятся все теплообменные поверхности боковых 2 и верхней 1 панелей, что улучшает условия теплообмена и обеспечивает стабильность условий их функционирования, что благоприятно сказывается на эффективности котла и сроках его эксплуатации.
Из-за специфики газодинамики потоков воздуха и дымовых газов в отопительных приборах верхнего горения выгорание топлива происходит преимущественно с одной стороны распределителя воздуха. И при жесткой конструкции воздуховода происходит зависание распределителя воздуха. А затем либо его провал в выгоревшую часть топлива, либо угасание топлива и остановка отопительного котла. В описываемой конструкции за счет гибкости воздуховода 19 пластина 22 наклоняется в сторону выгоревшей части топлива и распределение воздуха в камере сгорания изменяется. Поскольку нагретый воздух стремиться 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 почти полное выравнивание пластины 22. 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 22, опираясь на эту не сгоревшую 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 22 опять выравнивается, и без провалов распределителя воздуха топливо продолжает гореть в прежнем режиме. Тем самым обеспечивается более равномерное горение топлива, имеющего различные неоднородности.
В описанном отопительном котле упрощение конструкции достигается за счет упрощения распределителя воздуха, уменьшения его массы, а также выполнение корпуса в виде панелей, соединяемых при сборке между собой. Кроме того, выполнение корпуса из отдельных панелей позволяет частично или полностью автоматизировать изготовления элементов конструкции, повысить качество их изготовления и удешевить производство. При этом обеспечивается высокая ремонтопригодность котла, в том числе за счет возможности замены вышедшего из строя элемента, и возможность профилактического обслуживания, для увеличения сроков эксплуатации котла. Реализация в конструкции котла механизма поддержания заданной температуры дымовых газов позволяет обеспечить высокий КПД котла в широком диапазоне генерируемых тепловых мощностей.
В целом в отопительном котле предлагаемой конструкции за счет стабилизации параметров горения на всех этапах сгорания топлива независимо от его состава, влажности и плотности достигается повышение его эффективности и надежности и появляется возможность увеличить объем котла, объем загружаемого топлива и как следствие продолжительность горения.
Уровень разработки (после испытаний опытного образца) находится в стадии разработки модельного ряда отопительных котлов различной мощности и продолжительности горения и подготовки к их серийному производству.
Источники информации
1. Журнал «Энергосбережение», 2005, №1, стр.65-67.
2. Евразийский патент №005303 от 10.12.2004 г.
3. Патент РФ №2459145 от 20.08.2012 г.