ТВЁРДОТОПЛИВНЫЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРХНЕГО ГОРЕНИЯ
SOLID TOP BURNING HEATING DEVICE

Изобретение относится к области отопления, в частности к водонагревателям с длительным горением твердого топлива, и может быть использовано для отопления и снабжения горячей водой жилых помещений.
Известен отопительный котел, содержащий камеру сгорания, в двойной стенке которого образована емкость, заполняемая водой, с отверстием выхода дыма, отверстиями загрузки топлива и удаления золы, патрубки подвода и отвода воды. Камера сгорания установлена вертикально и выполнена в виде круглого или многоугольного цилиндра, в верхней части которого выполнено отверстие, в которое вставлена свободно вверх-вниз перемещающаяся труба подачи воздуха, заканчивающаяся распределителем воздуха, опирающимся на топливо. Распределитель воздуха выполнен в виде пустотелого диска, в верхней части которого выполнен наконечник для соединения с трубой подачи воздуха, а в нижней части - головка, при этом в периферийной части диска в узком конце головки и на боковой поверхности головки, а также в наконечнике выполнены отверстия, сообщающиеся с внутренней полостью распределителя воздуха. Площадь распределителя воздуха равна 0,3-0,5 площади поперечного сечения камеры сгорания. Труба подачи воздуха выполнена в виде телескопической конструкции (Патент EA №005303 B1. Способ подачи и распределения воздуха в камере сгорания и отопительный котел для его осуществления. - МПК: F23L 9/02. - 30.12.2004). В такой конструкции отопительного котла подача воздуха фактически во весь объем топлива способствует неустойчивости режима горения при различном качестве и влажности топлива, что приводит к аварийному перегреву или остановке котла.
Известен водогрейный твердотопливный котел, состоящий из корпуса, загрузочного бункера для топлива, расположенного внутри корпуса и имеющего дверцу для загрузки топлива, теплообменника, располагаемого в полости корпуса, выполненной с постепенным увеличением ширины от низа котла до верха, первичной и вторичной камер подогрева воздуха, установленных над загрузочной дверцей, причем вторичная камера расположена под первичной, и системы подачи наружного воздуха в зону горения, содержащей патрубки подачи воздуха в первичную и вторичную камеры и поворотную заслонку регулирования потока воздуха, направляемого в зоны газогенерации и дожигания горючих газов. Воздух из первичной камеры подогрева подается в зону газогенерации через телескопическую трубу и рассекатель потока воздуха, а из вторичной камеры подогрева - в зону дожигания горючих газов над телескопической трубой через сопла рассеивающим потоком воздуха в сторону боковой поверхности котла. Поворотная заслонка соединена с помощью цепочки с терморегулятором рычажного типа и снабжена пружиной для удерживания заслонки в заданном положении. На боковой поверхности котла, над дверцей установлена дымоотводящая труба, которая, в свою очередь, соединена каналом с загрузочным бункером (Патент RU №2477823 C1. Водогрейный твердотопливный котел. - МПК: F24H 1/00. - 20.03.2013). Недостатком известного технического решения является низкая эффективность котла из-за неполной теплопередачи тепла в теплообменник.
Известен твердотопливный отопительный котел длительного горения, содержащий корпус с топочным и зольным отверстиями с газоплотными дверцами, воздухозаборным отверстием, соединенными с ним воздуховодом и распределителем воздуха с механизмом перемещения, и терморегулятор, соединенный с заслонкой. Корпус выполнен в виде прямоугольной призмы и разделен перегородкой на топочную и вторичную теплообменную камеры, последняя из которых имеет отверстия в верхней части для сообщения с камерой сгорания и в нижней части на уровне зольного отверстия для отвода продуктов горения. Перегородка выполнена съемной в виде одно- или двухсекционного теплообменника и имеет входной и выходной патрубки. Воздуховод выполнен из гофрированной трубы круглого или прямоугольного сечения. Распределитель воздуха выполнен разборным. Корпус выполнен из двух половин, соединяемых в плоскости размещения перегородки. Терморегулятор размещен на выходном патрубке теплообменника контура отопления. Внутри корпуса установлены съемные термостойкие теплоизоляционные листы (Патент RU №2459145 C1. Способ сжигания твердого топлива и отопительный прибор для его осуществления. - МПК: F23B 90/00, F23B 10/00, F23B 101/00, F24B 1/00, F24H 1/34, F23L 9/00. - 20.08.2012). Недостатком известного технического решения является низкая эффективность котла из-за неполной теплопередачи тепла в теплообменник.
Известен отопительный аппарат верхнего горения, содержащий корпус, в котором выполнена камера сгорания, имеются два окна с герметично закрывающимися дверцами для загрузки топлива и удаления золы, полость для подачи теплоносителя и отвода его потребителю, устройство для подачи воздуха и распределитель его в камере сгорания, в котором распределитель воздуха соединен с помощью телескопической трубы с камерой для нагрева воздуха, последняя соединена с трубой, подведенной снизу под колосниковую решетку. Труба ввода теплоносителя и патрубок отвода его потребителю оснащены трехходовыми клапанами, которые соединены трубой для рециркуляции теплоносителя в его полости. Распределитель воздуха выполнен в виде конусообразного наконечника, в верхней части которого смонтирован полый диск, образующий между собой и внутренней стенкой камеры сгорания кольцевой зазор, а в стенках диска выполнены отверстия в виде сопел для равномерного распределения расходуемого воздуха, подаваемого по телескопической трубе с помощью пневмонасоса (Патент RU №139341 U1. Отопительный аппарат верхнего горения. - МПК: F23B 101/00, F24H 1/24, F23B 60/00, F23L 9/02, F23L 1/00, F23L 15/00. - 20.04.2014).
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является отопительный аппарат верхнего горения, содержащий корпус, в котором выполнена камера сгорания, полость для теплоносителя с патрубками ввода и отвода его потребителю, зольник, колосниковая решетка, окна с плотно закрываемыми дверцами для загрузки топлива и для удаления золы, газоотвод, устройство для подачи воздуха и распределитель воздуха в камере сгорания, соединенный с камерой нагрева воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания. Распределение подаваемого воздуха из камеры нагрева ведут в соотношении 30-40% - через распределитель и 60-70% - через канал, подведенный в зольник. Устройство для подачи воздуха имеет узел контроля, выполненный в виде механического рычага со штоком и регулировочным винтом, взаимодействующими с механической воздушной заслонкой, последней осуществляется регулирование количества подаваемого воздуха в аппарат. Патрубки ввода и отвода теплоносителя снабжены трехходовыми термозависимыми регулируемыми клапанами для рециркуляции теплоносителя в его полости. Распределитель воздуха выполнен в виде усеченного пустотелого конуса, в верхней части которого смонтирован полый диск с отверстиями в стенках для сменных сопел, ориентированных под различными углами к топливу и стенкам, и соединен с камерой нагрева воздуха посредством сильфона или телескопической трубы. Кольцевой зазор, образуемый диском и внутренней стенкой камеры сгорания, составляет 10-20% от площади поперечного сечения камеры сгорания. В газоотвод вмонтирован сменный картридж, содержащий катализатор для окончательной тонкой очистки топливных газов, образованных в процессе сжигания топлива. Аппарат снабжен металлическим тросом, часть его длины с кольцом находится снаружи корпуса, а другим концом соединен с распределителем воздуха с возможностью опускания его на топливо и подъема наверх с закреплением кольцом на крючке корпуса аппарата (Патент RU №2525755 C1. Отопительный аппарат верхнего горения. - МПК: F24H 1/00. - 20.08.2014).
К существенным недостаткам прототипа следует отнести низкую ремонтопригодность отопительного котла. Кроме того, конструкция прототипа обуславливает то, что при сгорании топлива нагревается только верхняя часть корпуса отопительного прибора, вследствие чего, без принятия специальных мер, на нижней части корпуса происходит выпадение конденсата, коррозия металла и образование отложений, ухудшающих теплотехнические характеристики отопительного прибора.
Целью изобретения является устранение недостатков прототипа, а именно увеличение тепловой мощности твердотопливного отопительного аппарата верхнего горения, а также расширение его функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном твердотопливном отопительном аппарате верхнего горения, содержащем корпус, выполненный с конвективной стенкой, образующей с корпусом полость для теплоносителя с патрубками подвода и отвода рециклирующего теплоносителя, в корпусе выполнены вертикальная топка и зольник, разделенные колосниковой решеткой, с топочной и зольной фрамугами, плотно закрываемыми створками, камера сгорания и канал, выполненный с отверстиями в верхней части для сообщения с камерой сгорания и в нижней части - с зольником, при этом в камере сгорания размещены рекуператор, присоединенный к съемной крышке корпуса, и коллектор, выполненный с конусной головкой и каналами, ориентированными под углом к топливу, и с кольцевым зазором к стенкам топки, соединенный телескопическим воздуховодом с рефлектором рекуператора, а в крышке корпуса установлен патрубок забора наружного воздуха, подаваемого в очаг топки через коллектор, механическую воздушную заслонку, и металлический трос для подъема коллектора под рефлектор с возможностью закрепления конца троса на крючке снаружи корпуса с помощью стопорного кольца, дымоход и терморегулятор, взаимодействующий с заслонкой посредством пружины растяжения, регулирующий поток воздуха в рекуператор через патрубок забора наружного воздуха, согласно предложенному техническому решению,
топка выполнена отдельной камерой с верхними отверстиями в стенке на уровне топочной фрамуги и установлена на колосниковой решетке, и канал сообщения камеры сгорания с зольником образован зазором между конвективной стенкой корпуса и стенкой топки, закрытым сверху защитным экраном, а коллектор воздуха соединен с винтообразным шлицевым валом, взаимодействующим с неподвижной шлицевой втулкой, закрепленной в рефлекторе, причем шлицевый вал соединен с тросом посредством вертлюга с возможностью вращения коллектора при опускании в топку под собственным весом по мере сгорания топлива, при этом терморегулятор размещен в полости теплоносителя и выполнен с выдвижным штоком, опирающимся концом в подпружиненное плечо коромысла, противоположное заслонке, а в крышке корпуса установлен лубрикатор для перемещения троса;
топка в поперечном сечении выполнена прямоугольной формы, образующей с внутренней стенкой корпуса каналы сегментного профиля, сообщающие камеру сгорания с топкой через зольник и колосниковую решетку;
внутри рекуператора установлен патрубок подвода воздуха в телескопический воздуховод и выполнен с зазором к крышке корпуса, при этом патрубок забора наружного воздуха выполнен с зазором к рефлектору, с возможностью циркуляции подогреваемого воздуха;
конвективная стенка выполнена из продольно гофрированной трубы;
стенка рекуператора выполнена из поперечно гофрированного профиля;
рефлектор рекуператора выполнен конусообразным с отражением потока тепла из очага топки в направлении конвективной стенки;
в зольнике расположен поддон для сбора и удаления золы через зольную фрамугу;
в дымоход вмонтирован сменный картридж, содержащий катализатор тонкой очистки выбрасываемых газов;
корпус снаружи закрыт теплоизолирующим кожухом;
теплоизолирующий кожух выполнен с воздушным зазором к корпусу, разделенным вертикальными каналами с отверстиями вверху и внизу кожуха.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного твердотопливного отопительного аппарата верхнего горения, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленное техническое решение может быть успешно использовано как в жидкостных, так и в воздушных системах отопления. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
На фиг. 1 показана схема предлагаемого твердотопливного отопительного аппарата верхнего горения; на фиг. 2 - то же, поперечное сечение по Α-A на фиг. 1: а) - для водяного отопления, б) - для воздушного отопления.
а
Твердотопливный отопительный аппарат верхнего горения содержит корпус 1, выполненный с конвективной стенкой 2, образующей с корпусом 1 полость 3 для рециклирующего теплоносителя, нагреваемого верхним горением твердого топлива 4 через конвективную стенку 2, с патрубком подвода 5 и патрубком отвода 6 теплоносителя. Для удобства монтажа, а также проведения ремонтных и профилактических работ корпус выполнен со съемной крышкой 7, через которую могут заменяться или обслуживаться элементы конструкции, размещаемые внутри корпуса 1, и зольником 8, расположенным под полостью 3 корпуса 1. Для увеличения поверхности теплообмена конвективная стенка 2 корпуса 1 выполнена из продольно гофрированной трубы. Зольник 8 выполнен с фрамугой 9 с плотно закрываемой створкой для исключения подсоса воздуха в процессе горения топлива 4. Над зольником 8 установлена колосниковая решетка 10, на которой в корпусе 1 установлена вертикальная топка 11 для твердого топлива 4, а над ней расположена камера сгорания 12 с дымоходом 13. Корпус 1 выполнен с топочной фрамугой 14 с плотно закрываемой створкой также для исключения подсоса воздуха в процессе горения топлива 4. Топка 11 выполнена отдельной камерой с отверстиями 15 в стенке на уровне топочной фрамуги 14 с зазором между конвективной стенкой 2 корпуса 1 и стенкой топки 11, образующим каналы 16, сообщающие камеру сгорания 12 с топкой 11 через колосниковую решетку 10 и зольник 8 с возможностью рециркуляции продуктов сгорания из камеры сгорания 12 в топку 11 через зольник 8 и колосниковую решетку 10 для регенерации топлива 4, для чего топка 11 выполнена с площадью в поперечном сечении меньшей площади поперечного сечения камеры сгорания 12. Для защиты топки 11 от механических повреждений при загрузке топлива 4 со стороны камеры сгорания 12 каналы 16 закрыты защитным экраном 17. В камере сгорания 12 размещены рекуператор 18, стенка которого выполнена из поперечно гофрированного профиля и присоединена к съемной крышке 7 корпуса 1, и коллектор воздуха 19, выполненный с конусной головкой и каналами, ориентированными под углом к топливу 4, с кольцевым зазором  к стенкам топки 11, перекрывающий 80-90% площади ее поперечного сечения, и соединенный телескопическим воздуховодом 20 с рефлектором 21 рекуператора 18, выполненным конусообразным с возможностью отражения потока тепла из очага топки 11 в направлении конвективной стенки 2 корпуса 1. В крышке 7 корпуса 1 выполнено отверстие, в котором установлен патрубок 22 забора наружного воздуха с зазором к рефлектору 21 рекуператора 18, внутри последнего установлен патрубок 23 подвода воздуха в телескопический воздуховод 20 с зазором к крышке 7 корпуса 1 с возможностью циркуляции подогреваемого воздуха, подаваемого в очаг топки 11 через коллектор 19. Над крышкой 7 корпуса 1 установлена механическая воздушная заслонка 24, регулирующая поток воздуха в рекуператор 18 через патрубок 22 забора наружного воздуха, а в полости 3 - терморегулятор 25 с выдвижным штоком, опирающимся концом в подпружиненное плечо 26 коромысла, противоположное заслонке 24, посредством пружины растяжения 27, с возможностью автоматического регулирования поступающего наружного воздуха путем перекрытия полости патрубка 22. Коллектор воздуха 19 соединен с винтообразным шлицевым валом 28, взаимодействующим с неподвижной шлицевой втулкой 29, закрепленной в рефлекторе 21, а шлицевый вал 28 соединен с металлическим тросом 30 посредством вертлюга 31 с возможностью вращения коллектора 19 при опускании в топку 11 под собственным весом по мере сгорания топлива 4 и ручного подъема его под рефлектор 21 с помощью механизма 32 и фиксирования в этом положении путем закрепления конца троса 30 на крючке 33 с помощью стопорного кольца 34 снаружи корпуса 1. В крышке 7 корпуса 1 установлен лубрикатор 35 для перемещения троса 30. В зольнике 8 расположен поддон 36 для сбора и удаления золы через зольную фрамугу 9. В дымоход 13 вмонтирован сменный картридж 37, содержащий катализатор тонкой очистки выбрасываемых топливных газов, полученных при сжигании топлива 4 (Фиг. 1). Топка 11 в поперечном сечении может иметь как круглую, так и прямоугольную форму, образующую с конвективной стенкой 2 корпуса 1 каналы 16 рециркуляции с сегментным профилем, сообщающие камеру сгорания 12 с топкой 11 через зольник 8 и колосниковую решетку 10 для регенерации топлива 4 продуктами сгорания (Фиг. 2). Для водяного отопления корпус 1 снаружи может быть закрыт теплоизолирующим кожухом 38 (Фиг.2, а)). Для воздушного отопления теплоизолирующий кожух 38 выполнен с воздушным зазором к корпусу 1, разделенным на вертикальные каналы 39 с отверстиями вверху и внизу кожуха 38 для свободной конвекции нагреваемого воздуха (Фиг.2, б)).
Твердотопливный отопительный аппарат верхнего горения работает следующим образом.
С помощью троса 30 и винтообразного шлицевого вала 28 через механизм 32 за стопорное кольцо 34 на конце троса 30 осуществляют подъем коллектора воздуха 19 с одновременным вращением вокруг своей оси в верхнее положение под рефлектор 21, сокращая длину телескопического воздуховода 20, и фиксируют в этом положении стопорным кольцом 34 на крючке 33. Через зольную фрамугу 9 на поддоне 36 из зольника 8 удаляют золу, а через топочную фрамугу 14 загружают в топку 11 топливо 4, например дрова с растопкой сверху. Затем растопку поджигают и топочную фрамугу 14 плотно закрывают створкой, исключая подсос наружного воздуха в очаг горения, а воздух для розжига очага в топке 11 поступает при этом, в основном, через зольную фрамугу 9 и зольник 8, затем проникая через топливо 4 поступает в очаг топки 11. После разгорания очага в топке 11 стопорное кольцо 34 снимают с крючка 33 и коллектор воздуха 19 с помощью троса 30 и винтообразного шлицевого вала 28 опускают в топку 11 до упора в топливо 4 с одновременным вращением вокруг своей оси в телескопическом воздуховоде 20 за счет перемещения винтообразного шлицевого вала 28 через шлицевую втулку 29, увеличивая его длину телескопического воздуховода 20. Зольную фрамугу 9 плотно закрывают створкой, исключая подсос наружного воздуха в очаг горения топлива 4 в топке 11.
a
По мере разгорания очага в топке 11 нагретые воздушные и горячие дымовые газы из очага топки 11 поднимаются в камеру сгорания 12 с отражением потока тепла от конусообразного рефлектора 21 рекуператора 18 в направлении конвективной стенки 2 корпуса 1, заполняя весь объем камеры сгорания 12, затем, поднимаясь вверх, отдают свое тепло теплоносителю в полости 3 через продольно гофрированную конвективную стенку 2 корпуса 1 и наружному воздуху в рекуператоре 18 за счет обтекания поперечно гофрированной стенки. Остывающие дымовые и воздушные газы конвекцией удаляются по дымоходу 13 через сменный картридж 37, содержащий катализатор тонкой очистки выбрасываемых топливных газов. Конвекционное удаление остывающих дымовых и воздушных газов по дымоходу 13 создает некоторое разрежение в камере сгорания 12, которое способствует забору наружного воздуха через патрубок 22 в рекуператор 18, из последнего подогретый циркулирующий воздух через патрубок 23 поступает в очаг топки 11 через телескопический воздуховод 20 и каналы воздушного коллектора 19 с конусной головкой под углом к топливу 4. В результате верхнего горения твердого топлива 4 большая часть нагретых воздушных и горячих дымовых газов с окисью углерода (CO), в пределах 85-90%, поступает в камеру сгорания 12 через зазор  и при дополнительном сгорании CO создают в камере сгорания 12 зону высоких температур, нагревая своим теплом теплоноситель в полости 3 через продольно гофрированную конвективную стенку 2 и наружный воздух в рекуператоре 18 за счет обтекания поперечных гофр стенки, повышая эффективность сгорания топлива 4. Меньшая часть нагретых воздушных и горячих дымовых газов, в пределах 10-15%, проходит через отверстия 15 под экраном 17 в каналы 16, по которым нагретые воздушные и горячие дымовые газы с CO поступают в топку 11 через колосниковую решетку 10 и зольник 8, что способствует процессу гидролиза при регенерации топлива 4, улучшая процесс образования CO и приближение к максимальной теплотворной способности топлива 4, одновременно нагревая теплоноситель в полости 3 через продольно гофрированную конвективную стенку 2. С нагреванием теплоносителя, воды или воздуха в зависимости от выбранного вида отопления, одновременно в полости 3 нагревается терморегулятор 25. По мере повышения температуры теплоносителя из терморегулятора 25 выдвигается шток, который давит на плечо 26, растягивая пружину 27, и через коромысло прикрывает заслонкой 24 вход в патрубок 22 забора наружного воздуха, тем самым ограничивает доступ воздуха в очаг топки 11 и регулирует горение топлива 4 под коллектором воздуха 19 в топке 11.
После разогрева отопительного аппарата заслонка 24 устанавливается под определенным углом, соответствующим требуемой температуре, и в дальнейшем интенсивность горения определяется объемом воздуха, поступающего через коллектор воздуха 19, и регулируется заслонкой от терморегулятора 25. Одновременно происходит нагрев наружного воздуха через вертикальные каналы 39 между корпусом 1 и теплоизолирующим кожухом 38 и отверстия вверху и внизу кожуха 38 путем свободной конвекции нагреваемого воздуха при воздушном отоплении. Остывающие дымовые и воздушные газы очищаются сменным картриджем 37, содержащим катализатор тонкой очистки, и удаляются через дымоход 13. За счет того, что воздух подается в очаг горения топки 11 в ограниченном объеме, сгорание топлива 4 происходит только в верхнем слое на глубину 10-15 см и сгорание топлива 4 происходит постепенно сверху вниз по мере опускания коллектора воздуха 19 под собственным весом в очаг топки 11 с вращением вокруг своей оси. Такой принцип сжигания топлива позволяет реализовать в твердотопливном отопительном аппарате режим длительного сжигания топлива 4 и довести его до нескольких сотен часов, в зависимости от габаритов корпуса, вида топлива и производимой тепловой мощности. Таким образом обеспечивается сжигание топлива с более высокой эффективностью.
Предложенная конструкция отопительного аппарата позволяет обеспечить высокую эффективность передачи тепла от дымовых газов к теплоносителю за счет достаточно большой теплообменной поверхности продольно гофрированной конвективной стенки 2, а также к воздуху в рекуператоре 18 за счет достаточно большой теплообменной поверхности поперечно гофрированной стенки. Это в свою очередь позволяет уменьшить температуру дымовых газов, даже при большой производимой тепловой мощности, и тем самым обеспечить высокий КПД отопительного аппарата. Перекрытие коллектором воздуха 19 площади поперечного сечения топки 11 на 80-90% позволяет повысить равномерность сгорания топлива 4 в очаге топки 11. Это особенно важно для отопительных аппаратов большой мощности с большой площадью сечения камеры сгорания 12 при их работе в режиме как малой, так и большой мощности.
Важным преимуществом отопительного аппарата предлагаемой конструкции перед прототипом и другими техническими решениями является изготовление корпуса со съемной крышкой 7 и свободно устанавливаемой топкой 11. Это делает возможным осуществлять их профилактическое обслуживание и ремонт в процессе эксплуатации с меньшими затратами. Исполнение отопительных аппаратов косвенного водяного и прямого воздушного нагрева расширяет область применения твердотопливных отопительных аппаратов предлагаемой конструкции.