Отопительный аппарат верхнего и нижнего горения с модифицированной топочной камерой

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к конструкции автономных твердотопливных водогрейных котлов, предназначенных для выработки тепловой энергии в систему отопления и горячего водоснабжения.
Известны конструкции топок с верхней подачей воздуха, например, топка для сжигания гранулированного твердого топлива и нагрева воздуха помещений (см. US №4782765, кл. F23L 1/00; F23L 9/02; F23K 3/00; F23K 3/14; F23L 9/00; F23H 005/18, опубл. 08.11.1988), состоящая из камеры сгорания, в центре которой вставлены трубы подачи воздуха и шнековое устройство. Воздух в очаг сгорания подают сверху, а гранулированное топливо при помощи шнекового устройства загружают снизу.
Недостатком подобной конструкции топки является постоянная энергозависимость, сложность конструкции воздуховодов, ненадежность шнекового устройства, необходимость применения только гранулированного топлива и др.
Также известен универсальный отопительный аппарат верхнего и нижнего горения (см. RU №187524, кл. F23B 101/00, F24H 1/24, F23B 60/00, опубл. 11.03.2019), содержащий корпус, в котором размещена камера сгорания, колосниковая решетка, емкость для приема теплоносителя и подачи его потребителю, устройство для подачи и распределения воздуха, выполненное в виде универсального распределителя воздуха с тремя трубками подачи вторичного воздуха, ориентированными под углом 30° к стенке камеры сгорания и одной центральной трубой первичного воздуха с перевернутым конусообразным наконечником, ориентированным в нижнюю часть камеры сгорания.
При этом отсутствие ограничителя объема топочной камеры увеличивает механические потери топлива за счет уноса мелких частиц топлива с ростом количества избыточного воздуха, поступающего в топку при нерегулируемой подаче, возникающего при постепенном увеличении объема топочной камеры с прогоранием заложенного топлива, увеличивая его расход и снижая теплоотдачу.
Отопительный аппарат верхнего горения по патенту RU №139341 (кл. F23B 101/00, F24H 1/24, F23B 60/00, F23L 9/02, F23L 1/00, F23L 15/00, опубл. 20.04.2014), содержащий корпус, в котором выполнена камера сгорания, с двумя окнами с герметично закрывающимися дверцами для загрузки топлива и для удаления золы, полость для подачи теплоносителя и отвода его потребителю, устройство для подачи воздуха и распределения его в камере сгорания, в котором распределитель воздуха соединен с помощью телескопической трубы с камерой для нагрева воздуха, с которой соединена труба, подведенная снизу под колосниковую решетку, труба ввода теплоносителя и патрубок отвода его потребителю оснащены трехходовыми клапанами, между которыми закреплена труба для рециркуляции теплоносителя в его полости, а распределитель воздуха выполнен в виде конусообразного наконечника, в верхней части которого смонтирован полый диск, образующий между собой и внутренней стенкой камеры сгорания кольцевой зазор, в стенках диска выполнены отверстия в виде сопел для равномерного распределения расходуемого объема воздуха, подаваемого по полости упомянутой телескопической трубы с помощью пневмонасоса.
Недостатком известной конструкция отопителя является малоэффективность тепловой отдачи теплоносителю, что снижает КПД устройства. Кроме того, низкая эффективность аппарата обуславливается высоким расходом топлива, выражаемого в уменьшении длительности горения загруженной топки, невозможностью регулирования процесса горения при разных видах топлива и при влиянии холодного климата.
Задачей заявляемой полезной модели является улучшение условий эксплуатации и повышения надежности отопительного аппарата за счет стабилизации рабочего режима.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в создании устройства отопительного котла, высокоэффективного при использовании в любых климатических условиях и различных видов твердого топлива, в том числе с низкой теплотворной способностью.
Для решения поставленной задачи отопительный аппарат верхнего и нижнего горения, содержащий корпус с камерой сгорания и колосниковой решеткой, окнами с герметично закрывающимися дверцами для загрузки топлива и удаления золы, зольной камерой с герметичным днищем, снабженной выносным контейнером, полостью для подачи теплоносителя и отвода его потребителю, сопловым устройством для подачи и распределения воздуха в камере сгорания с подающими трубками, причем, распределитель воздуха соединен с камерой для нагрева воздуха посредством телескопической трубы, устройством регулирования тяги, снабженным механическим регулятором тяги с внутренним термостатическим элементом, отличается тем, что на телескопической трубе установлен съемный экран-ограничитель, фиксируемый на определенной высоте посредством шплинта, вставляемого в сквозное отверстие, выбранного на трубе, выполненный в виде металлического диска с размерной долей 5/6 от внутреннего диаметра камеры и с возможностью свободного поворота вокруг своей оси, снабженный, по меньшей мере, двумя шиберными заслонками. Кроме того, дополнительно снабжен электронагревателем, размещенным в защитной оболочке в полости подогревательного контура для теплоносителя.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков полезной модели обеспечивает решение заявленной технической задачи, а именно, повышение надежности работы отопительного аппарата длительного горения, выполненного с возможностью регулирования процесса горения, поддержания стабильного режима работы топки в зависимости от климатических условий. Кроме того, увеличение эффективности горения топлива способствует повышению тепловыделения топки и безопасности теплоснабжения при эксплуатации агрегата.
Отопительный аппарат характеризуется тем, что устройство для подачи и распределения воздуха выполнено в виде телескопического трубопровода, имеющего, по меньшей мере, три секции для регулирования его длины по высоте топочной камеры, на котором дополнительно установлен съемный экран-ограничитель топки, выполненный округлой формой с размерной долей 5/6 от внутреннего диаметра камеры. Экран-ограничитель топки изготовлен из стального диска, например, толщиной 2 мм, установлен на телескопическом трубопроводе с возможностью свободного поворота вокруг своей оси, при этом, на диске выбраны, по меньшей мере, два отверстия с шиберными заслонками для регулирования тяги и степени горения посредством изменения площади экранирования.
Отопительный аппарат характеризуется тем, что внутренние геометрические параметры топочной камеры можно изменять, меняя высоту фиксации экрана-ограничителя активного объема топки на телескопической трубе, в зависимости от вида, состава и увлажненности твердого топлива для более эффективного горения.
Отопительный аппарат верхнего и нижнего горения характеризуется тем, что в корпусе отопительного аппарата содержится дополнительный трубчатый электроподогреватель с автоматическим регулятором температуры для комбинированной выработки тепловой энергии. Контур ТЭН присоединен с контуром водяной полости отопительного аппарата.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фигуре 1 схематически показан общий вид устройства спереди с разрезом по вертикальной оси; на фигуре 2 - общий вид устройства сбоку с разрезом по вертикальной оси; на фигуре 3 – устройство распределителя воздуха с экраном-ограничителем активного объема топки (А – вид сбоку, Б – вид сверху, В – диск экрана-ограничителя).
Отопительный аппарат верхнего и нижнего горения содержит топочную камеру 1, выполненную в виде вертикально ориентированного цилиндра. Топочная камера имеет двойную стенку, образуя подогревательный контур 2 для теплоносителя, и наружную стенку 3 с теплоизоляцией, экранированную металлическим листом. Внутри корпуса аппарата имеется камера подогрева воздуха 4, соединенная с телескопической трубой 6, на конце которой закреплен распределитель воздуха 5 с подающими трубками. На телескопической трубе 6 установлен съемный экран-ограничитель 21 активного объема топки с возможностью регулирования высоты его расположения на трубе 6. При этом экран 21 дополнительно оснащен, по меньшей мере, двумя шиберными заслонками 23.
С камерой подогрева воздуха 4 соединен канал подачи вторичного воздуха 7, при этом камера 4 оснащена заслонкой 11 для переключения направления потока воздуха по каналу. В верхней части аппарата устроено отверстие для дымохода 8, а с наружной стороны корпуса - труба подачи теплоносителя 9 и труба возврата теплоносителя 10. В нижней части аппарата расположена колосниковая решетка 12. Отопительный аппарат оснащен металлической заслонкой 13 для обеспечения доступа воздуха в топочную камеру 1, регулирование объемов подаваемого воздуха осуществляется за счет работы механического терморегулятора. В верхней части наружной стенки отопительного аппарата выполнено отверстие с муфтой 14 для установки контактного термометра. В стенке корпуса аппарата выполнены два проема с герметично закрывающимися стальными дверцами 15 и 16, предназначенными для загрузки топлива, а в нижней части - проем 17 с герметично закрывающейся дверцей для зольной камеры с контейнером 22 для сбора и удаления золы. Отопительный аппарат оснащен тросом 18, внутренний конец которого соединен с телескопической трубой, а наружный конец фиксируется крючком 19 на внешней стенке аппарата, при этом регулирование троса 18 осуществляется роликовым механизмом 20. В корпусе отопительного аппарата содержится дополнительный трубчатый электроподогреватель 25, присоединенный с подогревательным контуром 2 водяной полости отопительного аппарата (см. фиг. 1, 2).
Экран-ограничитель 21 объема активной топки устанавливается на телескопическую трубу 6 и снабжен, по меньшей мере, двумя шиберными заслонками 23 (см. фиг. 3). Площадь заслонок 23 в открытом состоянии может составить до 25% от общей площади экрана 21. Диаметр установочного отверстия диска экрана 21 соответствует наружному диаметру средней секции телескопической трубы 6. Для установки диск экрана 21 подводят на телескопический трубопровод 6 с нижней стороны и свободно фиксируют снизу диска специальным шплинтом, который вставляется в сквозное отверстие 24, выбранное на секции трубы 6. При этом, диск экрана-ограничителя 21 имеет возможность свободного поворота вокруг своей оси, что необходимо для обеспечения доступа оператора котлоагрегата к заслонкам 23.
Для управления активным объемом топки регулируют высоту расположения экрана-ограничителя 21 на трубе 6, а также, путем раскрытия или закрытия заслонок 23. При этом за счет небольшой разницы между диаметрами труб секций 6 (до 2 мм) уклон экрана 21 при установке на уровне нижней секции с меньшим диаметром будет незначительным, что также не влияет на достигаемый технический результат. Заслонки 23 могут быть закрыты в целях снижения избытка воздуха, увеличения теплоотдачи от дымовых газов и интенсивности отражения тепловых лучей в активном топочном объеме, когда начинается процесс коксования топлива в топке. Таким образом, управляя количеством продуктов сгорания, проходящих в дымоход отопительного аппарата 8 через заслонки 23 и полостью, образуемой между экраном-ограничителем 21 и внутренней стенкой корпуса камеры сгорания 1, стабилизируют рабочие режимы устройства.
Работа отопительного аппарата осуществляется следующим образом.
До загрузки топлива в топочную камеру 1 с телескопической трубы 6 снимают распределитель воздуха 5, после чего на определенной высоте посредством шплинта, вставляемого в сквозное отверстие 24, на трубе 6 фиксируют экран-ограничитель 21 объема топки. Далее на трубу 6 обратно устанавливают распределитель воздуха 5.
В топочную камеру 1 через дверцу 15 и 16 загружают топливо и поджигают. Кольцо металлического троса 18 снимают с крючка 19 и поднимают наверх, таким образом, распределитель воздуха 6 опускается на топливо под собственным весом. Дверцы 15 и 16 плотно закрывают и открывают заслонку 13 для подачи воздуха в камеру нагрева 4, откуда воздух распределяется на 2 потока - верхний и нижний, в примерных пропорциях: 65-70% через распределитель 5 и 30-35% через трубу 7. Нагретый в камере 4 воздух стремится вниз по телескопической трубе 6 к распределителю 5, обеспечивая зону горения кислородом. Распределитель 5 на телескопической трубе 6 опускается вниз по мере прогорания топлива, обеспечивая горение только в верхней зоне. Нижний поток воздуха, проходя по трубе 7 в полости камеры 1, по пути нагревается и, попадая под неподвижный стальной колосник 12, устремляется вверх, по пути высушивая топливо и обеспечивая зону горения кислородом. Вывод продуктов горения происходит через отверстие дымохода 8.
При этом экран-ограничитель 21 объема топки выполняет функцию свода в котлоагрегате и, тем самым, способствует отражению тепловых лучей обратно на горящий слой топлива и лучшему догоранию топливной мелочи, исключая их удаление за счет естественной тяги через дымоход 8, чем обеспечивает безопасность работы устройства. Кроме того, за счет уменьшения скорости прохождения продуктов сгорания топлива в дымоход 8 достигается большая теплоотдача тепловой энергии подогревательному контуру 2 от нагретых продуктов сгорания.
При этом подогрев теплоносителя отопительной системы осуществляется через отопительную систему, проходящую через трубу подачи 9 и трубу возврата 10 теплоносителя в подогревательный контур 2.
В случае отсутствия оператора отопительного аппарата или при отсутствии твердого топлива для растопки отопительного аппарата возможно использование трубчатого электронагревателя (далее - ТЭН) 25, который подключен к подогревательному контуру 2. Управление работой ТЭН 25 может быть осуществлено с помощью автоматического терморегулятора, срабатываемого при понижении температуры теплоносителя до критических значений. Аппаратом можно контролировать рабочую температуру теплоносителя в автономно режиме, что существенно расширяет надежность применения и безопасность эксплуатации.
Таким образом, экран-ограничитель 21 активного объема топки используется для интенсификации процесса горения твердого топлива во время прогорания и последующего уменьшения слоя топлива. Использование заявленного устройства способствует снижению расход твердого топлива, повышению тепловыделения топки и коэффициента полезного действия котлоагрегата, что характеризуется горением топлива в более стабильном режиме, без резких перепадов температуры в топочной камере 1 и обеспечением благоприятных условий для работы отопительной системы при низких температурах.