ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ТВЕРДОТОПЛИВНОГО БЫТОВОГО КОТЛА

Полезная модель относится к топливным элементам, используемым при отоплении жилых домов бытовыми котлами, работающими на твердом топливе.
В связи с развитием малоэтажного строительства в настоящее время при отоплении жилых домов широко применяются бытовые котлы, работающие на твердом топливе. В качестве такого топлива чаще всего используют топливные брикеты (евродрова), представляющие собой спрессованные отходы деревообработки, сельского хозяйства, торфа, угля и других горючих материалов. Такие брикеты являются удобными и экологически безопасными топливными элементами, однако широкое применение их сдерживается высокой ценой, вызванной необходимостью приобретения дорогостоящего оборудования, большими трудо- и энергозатратами.
Известен способ получения топливных элементов (патент на изобретение № 2421504 RU, МПК С10L 5/44, опубл. 20.06.2011), согласно которому топливный элемент состоит из древесных опилок и бесподстилочного навоза крупного рогатого скота естественной влажности 80-90% в соотношении 1:1по объему. Указанную смесь формуют и сушат в естественных условиях. Недостатком известного способа является необходимость приобретения специального оборудования для смешивания и формовки, длительность технологического процесса, связанная с сушкой в естественных условиях, наличие значительных производственных площадей для сушки топливных элементов, причем в холодное время года эти производственные площади необходимо отапливать, что ведет к увеличению энергозатрат.
Вместе с тем, в России есть большие запасы древесины, которые могли бы заменить евродрова и снизить стоимость отопления. Расчетные лесосеки, определяющие допустимый объем изъятия древесины, обеспечивающий рациональное и неисточительное использование лесов для сохранения биологического разнообразия, водоохранных, защитных и иных полезных свойств лесов, в настоящее время в полном объеме не освоены.
Известны такие топливные элементы, как дрова в форме полена. Поленья получают из стволов деревьев и толстых веток путем распилки их на отрезки длиной от 0,25 м и последующей расколки в продольном направлении на более мелкие части. Такие поленья используют издавна, поэтому их можно назвать традиционными. Недостатком использования в качестве топлива традиционных поленьев является их быстрое сгорание из-за большой поверхности контакта с кислородом воздуха, что требует дополнительной закладки дров и ведет к удорожанию процесса обогрева помещения. Кроме того, рыночный ассортимент бытовых котлов значителен и размеры топок различных моделей отличаются, что создает сложности как для пользователя, ввиду поиска дров необходимого конкретного размера, так и для изготовителя дров из-за неопределенности при создании запаса продукции в целях быстрого удовлетворения спроса любого покупателя.
Известен одноразовый источник тепла (патент на изобретение № 2400530 RU, МПК C10L 11/00, F23B 20/00, опубл. 27.09.2010), выполненный в виде объемного тела из древесины, по меньшей мере, две грани которого параллельны друг другу и образуют его торцовые части. Объемное тело с одного из торцов имеет продольные пропилы, глубина которых составляет большую часть его высоты. Пропилы выполнены двумя группами, причем в каждой группе пропилы расположены в параллельных плоскостях, а пропилы одной группы расположены под углом 70-90 градусов к пропилам другой группы. Данный одноразовый источник тепла может быть использован при обогреве помещений бытовыми котлами, но выполнение пропилов увеличивает трудозатраты, при этом пропилы увеличивают площадь поверхности источника тепла и усиливают конвекцию, в результате чего скорость сгорания будет велика, а теплоотдача неэффективна, т.к. сильный поток исходящих газов будет уносить тепло через дымоход на улицу.
Эффективность работы твердотопливных котлов зависит от таких показателей, как длительность горения топлива (для исключения образования сильного потока исходящих газов) и полнота его сгорания, которые определяют эффективность теплоотдачи, кроме того, увеличение длительности горения уменьшает частоту загрузок топки, что делает обогрев помещения более экономным.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание топливного элемента из древесины для твердотопливных бытовых котлов, обеспечивающего длительность процесса горения, при этом дешевого и простого в изготовлении.
Технический результат:
- увеличение времени горения топливных элементов за счет уменьшения поверхности контакта с кислородом воздуха (в сравнении с дровами в виде традиционных поленьев вытянутой в длину формы);
- уменьшение себестоимости топливных элементов за счет снижения трудоемкости, энергоемкости и отсутствия дорогостоящего специального оборудования, особенно в сравнении с процессом изготовления топливных брикетов (евродров).
Технический результат достигается тем, что топливный элемент для твердотопливного бытового котла выполнен в виде отрезка дерева, у которого две противоположные торцевые стороны условно параллельны друг другу, при этом, согласно полезной модели, высота топливного элемента составляет 6-14 см, а его диаметр составляет 6-16 см, торцевые стороны которого условно перпендикулярны оси ствола дерева и имеют вид ровного среза. Кроме того, форма торцевых сторон соответствует форме ствола дерева при его поперечном распиле.
Сущность полезной модели поясняется следующими чертежами и таблицей:
фиг. 1 - общий схематический вид топливного элемента, полученного при поперечном распиле дерева с условно круглой формой ствола;
фиг. 2 - фрагмент схематического изображения частного случая укладки топливных элементов в топке бытового котла;
фиг. 3 - общий схематический вид традиционного полена вытянутой в длину цилиндрической формы;
фиг. 4 - фрагмент схематического изображения укладки традиционного полена в топке бытового котла;
фиг. 5 - схематическое изображение варианта укладки топливных элементов в топке бытового котла;
таблица - содержит сопоставимые по объему древесины данные для сравнения площади поверхности топливного элемента по всему диапазону его высоты и диаметра с площадью поверхности традиционного полена.
Топливный элемент (фиг.1) имеет вид отрезка дерева, полученного при условно параллельном распиле ствола дерева диаметром 6-16 см через каждые 6-14 см в направлении, условно перпендикулярном оси ствола. Полученные таким образом топливные элементы похожи внешне условно на цилиндр с торцевыми сторонами 1 в форме ствола дерева при его поперечном распиле (на фиг. 1 форма выполнена условно круглой). Высота топливного элемента значительно меньше, чем у традиционного полена (фиг. 3) с вытянутой в длину формой, минимальная высота которого согласно ГОСТ 3243-88 «Дрова» составляет 0,25 м. Предлагаемая форма выполнения топливного элемента позволяет уменьшить площадь его поверхности по сравнению с традиционным поленом с вытянутой в длину формой, имеющим такой же объем древесины.
Кроме того, позволяет исключить такую трудоемкую операцию, как расколка дров, и тем самым снизить себестоимость топливного элемента.
Длительность горения двух одинаковых по объему, но различных по размерам или по форме кусков древесины различается. Чем больше площадь поверхности куска древесины, тем больше при горении он взаимодействует с кислородом воздуха, значит, скорость горения такого куска будет выше.
Ниже приведен пример сопоставления площадей поверхности традиционного полена вытянутой в длину формы и предлагаемого топливного элемента. Для простоты расчета для традиционного полена выбрана цилиндрическая форма. Поскольку при равном объеме кусков древесины одинаковой цилиндрической формы, но с различным соотношением длины и диаметра, площадь их поверхности будет различной, то для корректности сравнения выбраны традиционное полено и предлагаемый топливный элемент с размерами, сопоставимыми по условиям применения (размер топки твердотопливного бытового котла и плотность ее наполнения дровами).
При расчетах величины округлены до целых единиц.
2
Предлагаемый топливный элемент диаметром d=16 см и высотой h=10 см будет иметь объем, определяемый по формуле V= π r h.
1
3
V= 3,14 × 64 × 10 =2010 (см)
Площадь поверхности составит:
1
2
2
S= π d h + 2 π r= 3,14 × 16 × 10 + 2 × 3,14 × 64 = 904 (см)
Расчетному топливному элементу по объему будет соответствовать традиционное полено диаметром d=10 см и длиной l=25,6 см. Это подтверждает следующий расчет по выше указанной формуле:
2
3
V= 3,14 × 25 × 25,6 = 2010 (см)
Площадь поверхности такого полена составит:
2
2
2
S= π d l + 2 π r=3,14 × 10 × 25,6 + 2 × 3,14 × 25 = 961 (см)
1
2
2
2
2
Сравнение величин S= 904 см и S=961 см показывает, что площадь поверхности предлагаемого топливного элемента меньше площади традиционного полена вытянутой в длину формы на 57 см или на 6% при условии их равного объема.
Свойство предлагаемого топливного элемента иметь меньшую площадь поверхности, чем у традиционного полена при условии их равного объема, сохраняется для топливного элемента высотой от 6 см до 14 см в диапазоне его диаметра от 6 см до 16 см. Это свойство подтверждают данные, приведенные в таблице.
1
2
1
2
1
2
Таблица содержит результаты расчетов величин площадей поверхностей S, S и объемов V, V,рассчитанных по выше приведенным формулам, а также результаты сравнения площадей поверхностей S и S. Сравнение выполнено для всего диапазона высоты h и диаметра d предлагаемого топливного элемента, а именно, по высоте h от 6 см до 14 см с шагом в 2 см, по диаметру d от 6 см до 16 см с шагом в 2 см. Для наглядности преимущества предлагаемого топливного элемента таблица содержит по всем позициям сравнения одинаковую длину традиционного полена l, равную 25 см, что соответствует минимальной длине, указанной в ГОСТ 3243-88 «Дрова».
Из таблицы видно, что разница площадей поверхностей предлагаемого топливного элемента и традиционного полена достигает 30%.
Таким образом, длительность горения предлагаемого топливного элемента будет больше, чем у равного по объему традиционного полена при равных условиях сжигания. Эта разница в длительности горения будет расти при изменении в традиционном полене соотношения длины и диаметра в сторону  увеличения длины при условии сохранения объема, т.к. площадь традиционного полена в этом случае будет увеличиваться.
Также следует учесть, что в приведенном примере и в таблице традиционное полено имеет цилиндрическую форму, в то время как после расколки дрова имеют другой вид, преимущественно - прямой треугольной призмы, площадь поверхности которой больше, чем у цилиндра. Таким образом, в реальных условиях разница в скорости горения предлагаемого топливного элемента и традиционного полена будет еще более значительной. Предлагаемая форма выполнения топливного элемента обеспечивает более длительное горение, при котором топливо будет сгорать полностью, эффективность его теплоотдачи будет выше.
Кроме описанного выше свойства топливного элемента иметь меньшую площадь поверхности по сравнению с равными по объему древесины традиционными поленьями, предлагаемая форма его выполнения позволяет также дополнительно снижать суммарную площадь поверхностей топливных элементов при укладке их в топку бытового котла с целью увеличения длительности горения.
Благодаря расположению торцевых сторон 1 условно параллельно друг другу и условно перпендикулярно оси ствола дерева топливный элемент, как упоминалось выше, имеет вид условно цилиндра, у которого диаметр торца превышает его высоту или приблизительно равен ей. Торцевые стороны, полученные при распиле дерева, имеют вид ровного среза, без обусловленных структурой дерева неровностей, выступов и углублений, которые получаются при расколе традиционных дров. Выше описанные свойства дают возможность укладывать топливные элементы в топке бытового котла торцевыми сторонами друг на друга (фиг. 2). Образованный таким образом «столбик» из топливных элементов устойчив, не распадается на отдельные элементы, зазоры между элементами настолько малы, что почти не оказывают влияния на тягу, а, значит, и на скорость горения,  при этом площадь «столбика» меньше, чем общая сумма площадей составляющих его элементов.
2
Например, при укладке в «столбик» трех топливных элементов с выше приведенными размерами (d=16 см и h=10 см) и с площадью поверхности каждого 904 смобщая площадь такого «столбика» составит:
2
2
S= π d h + 2 π r= 3,14 × 16 × 30 + 2 × 3,14 × 64 = 1909 (см).
2
Если же эти три топливных элемента укладывать в топке раздельно, то их общая площадь составит 2712 см, т.е. разница в площади горения около 30%, что является фактором, позволяющим в значительной мере регулировать скорость горения топлива.
Приведенный пример является частным случаем фрагмента укладки топливных элементов в топке бытового котла. В реальных условиях варианты укладки топливных элементов могут быть различными, конкретный вариант будет определять потребитель в зависимости от своих предпочтений и опыта. Такими вариантами могут быть: укладка торцами 1 друг на друга, причем как «столбиками», так и со смещением топливных элементов, например, в шахматном порядке на элементы соседнего «столбика», укладка на боковую поверхность 2, в том числе образуя «столбики», расположенные горизонтально, сочетание укладки торцами друг на друга с укладкой на боковую поверхность, сочетание в укладке топливных элементов различного диаметра и т.д.
Возможность укладки топливных элементов в различных вариантах позволяет в широком диапазоне выбирать площадь горения топлива и силу тяги, тем самым определять скорость горения, необходимую в конкретных условиях, в том числе укладывать топливные элементы таким образом, чтобы суммарная площадь их поверхностей была бы минимальной для максимально длительного горения. Это является преимуществом по сравнению с традиционными поленьями удлиненной формы, у которых указанная возможность отсутствует или сильно ограничена (фиг. 4).
Предлагаемый топливный элемент имеет высоту от 6 см до 14 см и диаметр от 6 см до 16 см. В указанном диапазоне высоты и диаметра топливные элементы позволяют максимально использовать объем топки бытового котла. Сушка топливных элементов предлагаемых размеров будет быстрой, что не только снижает энергозатраты на сушку в сушильных камерах, но и позволяет сушить их в естественных условиях. Высота и диаметр менее 6 см нецелесообразны, т.к. при этом будет легко нарушаться механическая прочность топливного элемента, а укладка его в топку бытового котла будет трудоемкой. Высота более 14 см создает неудобство при закладке топливных элементов в топку, кроме того, сушка таких элементов будет недостаточно быстрой, что будет увеличивать их себестоимость.
Таким образом, предлагаемая форма и размер топливных элементов обеспечивают свободное прохождение их через входное отверстие в топке бытового котла, которое имеет преимущественно размеры: (30…40) см × (40…50) см. При этом форма торцевых сторон топливного элемента соответствует форме ствола дерева при его поперечном распиле.
Предлагаемое техническое решение решает поставленную задачу и обеспечивает достижение технического результата:
увеличение времени горения топливных элементов за счет уменьшения поверхности контакта с кислородом воздуха (в сравнении с дровами в виде традиционных поленьев вытянутой в длину формы), что достигается уменьшением площади поверхности топливного элемента и сокращением суммарной площади топливных элементов при укладке их в топку бытового котла;
уменьшение себестоимости топливных элементов за счет снижения трудоемкости, энергоемкости и отсутствия дорогостоящего специального оборудования, особенно в сравнении с процессом изготовления топливных брикетов (евродров), т.к. процесс изготовления топливных элементов очень прост и состоит только в поперечном распиле стволов деревьев и последующей быстрой сушке полученных элементов.
Таким образом, предлагаемый топливный элемент обеспечивает эффективную теплоотдачу твердотопливных бытовых котлов, уменьшая при этом частоту загрузок топки, что делает обогрев помещения более экономным и является простым и дешевым в изготовлении. Кроме этого, предлагаемые топливные элементы можно изготавливать из древесины, полученной при вырубке лесосек в целях сохранения биологического разнообразия, водоохранных, защитных и иных полезных свойств лесов, что способствует решению экологических проблем.
Предлагаемый топливный элемент используют на практике следующим образом.
Топливные элементы укладывают в топку бытового котла одним из возможных выше указанных способов, например, для максимального увеличения времени горения, торцами 1 друг на друга, образуя «столбики», количество которых зависит от размеров бытового котла и размеров топливных элементов (фиг. 5). Для быстроты розжига и сокращения количества специальных средств для розжига в самом начале топки бытового котла укладывают вертикально (на боковые стороны 2) или наклонно друг к другу самые тонкие топливные элементы небольшого диаметра, оставляя между ними щели для создания тяги. В щели размещают специальные средства для розжига и поджигают.
Предлагаемый топливный элемент может быть использован не только для обогрева жилых домов бытовыми твердотопливными котлами, но также для обогрева подсобных помещений, бань, теплиц и т.п., для разведения костров на открытом воздухе.
Предлагаемое техническое решения соответствует критерию «новизна», т.к. по результатам поиска не выявлены технические решения с предложенной совокупностью признаков и критерию «промышленная применимость».
Таблица
Предлагаемый топливный элемент
Традиционное полено
Разница площадейS<sub>2 </sub>- S<sub>1</sub>см<sup>2</sup>
Разница площадей S<sub>2 </sub>- S<sub>1</sub>   %
dсм
hсм
S<sub>1</sub>см<sup>2</sup>
V<sub>1</sub>см<sup>3</sup>
dсм
lсм
S<sub>2</sub>см<sup>2</sup>
V<sub>2</sub>см<sup>3</sup>
6
6
169,56
169,56
2,94
25
244,31
169,56
74,75
30,6
8
6
251,2
301,44
3,92
25
331,77
301,44
80,57
24,28
10
6
345,4
471
4,90
25
422,25
471
76,85
18,2
12
6
452,16
678,24
5,88
25
515,74
678,24
63,58
12,33
16
6
703,36
1205,76
7,84
25
711,77
1205,76
8,41
1,18
6
8
207,24
226,08
3,39
25
284,52
226,08
77,28
27,16
8
8
301,44
401,92
4,53
25
387,40
401,92
85,96
22,19
10
8
408,2
628
5,66
25
494,30
628
86,1
17,42
12
8
527,52
904,32
6,79
25
605,22
904,32
77,7
12,84
16
8
803,84
1607,68
9,05
25
839,12
1607,68
35,28
4,2
6
10
244,92
282,6
3,79
25
320,49
282,6
75,57
23,58
8
10
351,68
502,4
5,06
25
437,37
502,4
85,69
19,6
10
10
471
785
6,32
25
559,28
785
88,28
15,78
12
10
602,88
1130,4
7,59
25
686,21
1130,4
83,33
12,14
16
10
904,32
2009,6
10,12
25
955,13
2009,6
50,81
5,32
6
12
282,6
339,12
4,16
25
353,45
339,12
70,85
20,05
8
12
401,92
602,88
5,54
25
483,32
602,88
81,4
16,84
10
12
533,8
942
6,93
25
619,22
942
85,42
13,8
12
12
678,24
1356,48
8,31
25
761,16
1356,48
82,92
10,9
16
12
1004,8
2411,52
11,09
25
1063,10
2411,52
58,3
5,9
6
14
320,28
395,64
4,49
25
384,12
395,64
63,84
16,62
8
14
452,16
703,36
5,99
25
526,22
703,36
74,06
14,07
10
14
596,6
1099
7,48
25
675,36
1099
78,76
11,66
12
14
753,6
1582,56
8,98
25
831,53
1582,56
77,93
9,37
16
14
1105,28
2813,44
11,97
25
1164,98
2813,44
59,7
5,12