СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРОЙ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF FLUE GAS TEMPERATURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использована для создания отопительных приборов с повышенной эффективностью.
Известны отопительные приборы с увеличенной продолжительностью горения (патент США №4230090, Европейский патент №0231424, заявка ФРГ № OS 3602285, патенты РФ №№2001352, 2001353, 2097660, полезная модель РФ №76702). В этих приборах для повышения эффективности сжигания топлива используется принцип его газификации с последующим дожигом горючих газов, а регулировка производимой тепловой мощности осуществляется изменением объема входящего воздуха. Однако при этом одновременно изменяется температура дымовых газов. Это объясняется тем, что для обеспечения нормальной работы дымохода (отсутствие конденсата в трубе и обеспечение устойчивой тяги) на минимальной мощности, отопительный прибор должен обеспечить минимально допустимую температуру дымовых газов, с учетом тепловых потерь в дымоходе. С увеличением производимой тепловой мощности растет и температура дымовых газов, поскольку не все производимое тепло отбирается в отопительном приборе (даже при увеличении теплосъема) и существенная его часть уходит с дымовыми газами, снижая как текущий, так и интегральный КПД. В том числе это связано с ограниченным временем теплообмена горячих дымовых газов с теплообменной поверхностью отопительного прибора. И чем больше разность минимальной и максимальной производимой тепловой мощности, тем выше тепловые потери на мощностях больше минимальной, что снижает интегральный КПД за определенный период времени. Таким образом, отсутствие отдельного механизма управления температурой дымовых газов приводит к существенному снижению эффективности известных твердотопливных отопительных приборов в реальных условиях эксплуатации при изменении производимой тепловой мощности и температуры дымовых газов.
Известен отопительный котел с верхним горением (Евразийский патент №005303 от 10.12.2004 г., патент Литовской республики №5542 от 26.01.2009 г.), выбранный в качестве прототипа, в котором сжигание топлива происходит сверху вниз. В нем также реализуется описанный способ регулировки температуры дымовых газов, путем регулировки объема входящего воздуха. Но при этом одновременно изменяется производимая тепловая мощность. То есть от одного управляющего воздействия в прототипе зависят два параметра. С этим приходится мериться, поскольку этот недостаток присущ всем твердотопливным отопительным приборам, и на практике требуется находить компромисс между допустимым диапазоном изменения тепловой мощности и эффективностью отопительного прибора во всем диапазоне производимых тепловых мощностей. При работе отопительного прибора за отопительный сезон его тепловая мощность будет изменяться в широких пределах, также будет меняться температура дымовых газов и, соответственно, его эффективность, то есть интегральный КПД.
Целью группы изобретений является устранение недостатков прототипа, а именно повышение эффективности твердотопливных отопительных приборов в широком диапазоне производимых тепловых мощностей, за счет стабилизации температуры дымовых газов.
Указанная цель достигается тем, что в способе управления температурой дымовых газов изменяют объем входящего воздуха, а в процессе сжигания топлива разделяют дымовые газы на горячий и холодный потоки, изменяют величину горячего потока и объединяют его с холодным потоком.
Другая цель группы изобретений - предложить вариант устройства, реализующего предлагаемый способ управления температурой дымовых газов в твердотопливных отопительных приборах.
Указанная цель достигается тем, что устройство управления температурой дымовых газов содержит верхний и нижний патрубки для отвода дымовых газов, соединенную с ними дымовую трубу, которая верхним концом подсоединена в дымоходу, а нижний ее конец заглушен съемной крышкой, заслонку, размещаемую в верхнем патрубке и соединенную через привод с терморегулятором, установленным на верхнем патрубке.
Сущность изобретения поясняется на примере устройства управления температурой дымовых газов, приведенного на фиг.1, 2. На фиг.1 показан вид сверху на часть отопительного прибора и устройство управления температурой дымовых газов, а на фиг.2 - вид сбоку. На фиг.1, 2 обозначена: 1 - верхний патрубок для отвода дымовых газов, 2 - нижний патрубок для отвода дымовых газов, 3 - дымовая труба, 4 - заслонка, 5 - привод заслонки, 6 - терморегулятор, 7 - корпус отопительного прибора.
Устройство управления температурой дымовых газов может быть использовано в различных, преимущественно твердотопливных, отопительных приборах (котлы и печи), в том числе с верхним горением, с верхней загрузкой, газогенераторных и др.
Верхний 1 и нижний 2 патрубки, дымовая труба 3 и заслонка 4 изготавливаются из металла с необходимой для подобного рода изделий прочностью. К жаропрочности указанных элементов высоких требований не предъявляется за исключением верхнего патрубка и заслонки, жаропрочность которых должна выбираться несколько выше (до нескольких сотен градусов). Привод 5 выполняется в виде шарнирного соединения с тягами, соединяющего заслонку 4 и терморегулятор 6. Привод 5 выполняется регулируемым по длине и начальному углу поворота заслонки, для обеспечения возможности настройки устройства регулировки на требуемую температуру дымовых газов и диапазон ее изменения, в зависимости от теплотехнических свойств используемого дымохода и диапазона изменения тепловой мощности отопительного прибора. Терморегулятор 6 может быть выполнен, например, из биметаллической пластины, огибающей патрубок 1 и закрепляемой другим концом на нем.
Работает устройство управления температурой дымовых газов следующим образом. При розжиге отопительного прибора 7 заслонка 4 находится в открытом положении, поскольку в трубе находится холодный воздух и терморегулятор занимает соответствующее этой температуре положение. По мере увеличения производимой тепловой мощности отопительным прибором 7 через верхний патрубок 1 начинают проходить все более горячие дымовые газы, которые нагревают его и расположенный на нем терморегулятор 6. Терморегулятор 6 отклоняется на угол, соответствующий температуре патрубка 1, и с помощью привода 5 прикрывает заслонку 4. При этом за счет тяги в дымоходе на величину уменьшения потока дымовых газов через верхний патрубок увеличивается поток остывших дымовых газов через нижний патрубок, поскольку в нижнюю часть отопительного прибора опускаются остывающие дымовые газы. При постоянной производимой тепловой мощности тепловым прибором 7 заслонка устанавливается в положение, обеспечивающее соотношение горячего и холодного потоков дымовых газов, соответствующее заданной температуре дымовых газов в дымоходе. При изменении производимой тепловой мощности отопительным прибором 7 изменяется температура дымовых газов в верхнем патрубке 1. В зависимости от направления изменения температуры заслонка 4 изменяет свое положение, изменяя соотношение горячего и холодного потоков дымовых газов, сохраняя в небольших пределах заданную температуру в дымоходе. Следствием того, что поток горячих газов через верхний патрубок ограничен, внутри камеры сгорания горячие дымовые газы большее время контактируют с теплообменной поверхностью отопительного прибора, отдавая ей свою тепловую энергию, а остыв, опускаются в нижнюю часть корпуса отопительного прибора. Тем самым обеспечивается максимально возможное извлечение тепловой энергии, генерируемой в отопительном приборе в широком диапазоне тепловых мощностей. При этом достигается существенное повышение эффективности отопительного прибора, особенно при работе на средних и больших тепловых мощностях. Так, например, при возрастании температуры дымовых газов со 140° до 350°C (при коэффициенте избытка воздуха ~2,5) тепловые потери возрастают примерно с 11% до 31%. То есть текущий КПД, в этом случае, не превышает 69%. А поскольку, как правило, подавляющую часть времени отопительные приборы работают на мощностях больше минимальной, то при использовании в них предлагаемого способа управления температурой дымовых газов экономия топлива может достигать десятков процентов. Тем самым обеспечивается повышение эффективности твердотопливных отопительных приборов в широком диапазоне производимых тепловых мощностей, за счет стабилизации температуры дымовых газов на минимально допустимом уровне.
Уровень разработки находится в стадии изготовления опытного образца печи длительного горения для более точных оценок степени повышения ее эффективности, в различных условиях эксплуатации.