ПИРОЛИЗНОЕ ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

F 23 B 10
Пиролизное отопительное устройство
Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности - к отопительным устройствам, в которых твердое топливо растительного происхождения (дрова, отходы деревообработки, щепа, кора, солома, лузга, брикеты из опилок) подвергается высокотемпературной газификации (пиролизу) с последующим сжиганием пиролизных газов.
Из существующего уровня техники известно пиролизное (газогенераторное) отопительное устройство, содержащее объединенные общим вертикально ориентированным корпусом бункер для твердого топлива, камеру газификации, камеру сгорания пиролизного газа и газо-жидкостный теплообменник, при этом жидкий теплоноситель циркулирует в "рубашке", образованной двойными стенками общего корпуса устройства (например, RU 98 534 U1,  ЕР 2 221 540 А2 ). По такой схеме выполнены многие серийно выпускаемые отопительные пиролизные котлы, например, изделия фирм Astra, Atmos, Buderus, Dakon, Lavoro, OPOP, Viessmann, Ziehbart.
Данное техническое решение обладает несколькими неотъемлемыми недостатками, первопричину которых можно сформулировать так: "охлаждается то, что должно быть горячим". Для обеспечения эффективной и устойчивой газификации древесины необходимо поддерживать температуру 100-200 град. С в верхней части бункера (зона сушки), 300-550 град. в нижней части бункера (зона сухой перегонки), 750-900 град. в активной зоне камеры газификации. Непосредственный контакт внешних стенок бункера для твердого топлива и камеры газификации с холодным теплоносителем препятствует обеспечению такого теплового режима; особенно сильно это проявляется в тех случаях, когда в качестве теплоносителя используется обладающая большой теплоемкостью вода.
Практическим следствием этого являются низкая эффективность и нестабильность процесса газификации твердого топлива, необходимость использовать в качестве топлива дрова многолетней сушки с влажностью не более 20% (о чем прямо предупреждают пользователя добросовестные производители), отложения смолы и золы на стенках топливного бункера и камеры газификации, что удорожает и усложняет эксплуатацию отопительного устройства.
Кроме того, непосредственный контакт жидкого теплоносителя (воды) с раскаленными стенками камеры газификации и камеры горения может привести к быстрому вскипанию его в случае аварийного отказа системы принудительной циркуляции теплоносителя. Предотвращение этой опасности требует включения в состав отопительного устройства  дополнительных систем, усложняющих и удорожающих его.
Кроме того, объединение в одном корпусе газогенератора и газо-жидкостного теплообменника вынуждает использовать неоптимальную с точки зрения прочности конструкции геометрическую форму теплообменника (плоские стенки под гидростатическим давлением столба жидкости); появляются дополнительные ограничения на высоту топливного бункера, расположение загрузочного люка и.т.п.
Известно пиролизное нагревательное устройство ( см. ЕР 2 615 369 А1 ), содержащее бункер для твердого топлива, камеру газификации, камеру сгорания пиролизного газа, объединенные общим вертикально ориентированным корпусом, внутри которого спиральный трубопровод с жидким теплоносителем (водой) окружает только камеру сгорания пиролизного газа, а камера газификации имеет мощную теплоизоляцию, обеспечивающую высокую температуру внутри камеры. Недостатками данного технического решения являются: использование неэффективной схемы теплообменника (жидкость в спиральной трубе, окруженной горячим газом) и непосредственный контакт жидкого теплоносителя с раскаленными стенками камеры сгорания.
Известен теплогенератор, состоящий из двух пространственно разнесенных и соединенных общим газоходом модулей, в одном из которых размещены цилиндрический загрузочный отсек (бункер) для твердого топлива и под ним кольцевая камера газификации, а в другом - камера дожигания пиролизного газа и теплообменник, при этом камера газификации выполнена с возможностью охлаждения потоком воздуха от внешнего вентилятора ( RU 132 531 U1)
Данное техническое решение обладает следующими недостатками:
- размещение камеры дожигания пиролизного газа на большом расстоянии от камеры газификации препятствует использованию тепла горения газов для прогрева камеры газификации,
- поток воздуха, охлаждающий камеру газификации, выбрасывается в окружающее пространство, не передавая свое тепло основному теплоносителю в теплообменнике
- воздух в камеру дожигания пиролизных газов подается комнатной температуры, без подогрева, что снижает эффективность работы камеры дожигания
- цилиндрическая форма загрузочного отсека накладывает дополнительные ограничения на форму и размеры используемого древесного топлива
- колосниковая решетка, выполняющая вращательное и поступательное (вверх-вниз) движение усложняет конструкцию, снижает ее надежность и долговечность, т.к. подшипниковый узел и поворотный стержень находятся в зоне высоких температур
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, являются: повышение эффективности и устойчивости процесса газификации твердого органического топлива, включая дрова и отходы деревообработки естественной (т.е. высокой) влажности, максимально полное сгорание пиролизного газа, повышение безопасности эксплуатации устройства и сокращение трудоемкости его обслуживания.
Указанный технический результат достигается тем, что в пиролизном отопительном устройстве
содержащем размещенные в едином вертикально ориентированном корпусе бункер для твердого топлива, ниже него камеру газификации, имеющую внутреннее жаростойкое теплоизоляционное покрытие (футеровку) и окно для выхода пиролизных газов с колосниковой решеткой, ниже неё камеру сгорания пиролизного газа, имеющую внутреннее жаростойкое теплоизоляционное покрытие (футеровку), выходной газовод, соединяющий камеру сгорания пиролизного газа с теплообменником, а также установленный вне корпуса по меньшей мере один вентилятор,
теплообменник пространственно отделен от бункера, камеры газификации и камеры сгорания пиролизного газа, теплоноситель (газ или жидкость), циркулирующий в теплообменнике, не имеет непосредственного контакта с внешними стенками камеры газификации и камеры сгорания, а вентилятор нагнетает в камеру сгорания воздух в количестве в 2-3 раза превышающем необходимое для полного сгорания пиролизного газа.
Поток воздуха, нагнетаемого вентилятором в камеру сгорания пиролизного газа, может предварительно проходить через свободное пространство (внутреннюю полость) между внешними стенками камеры сгорания и внутренними стенками корпуса.
Воздух, поступающий в камеру газификации, может подводиться к ней по дополнительному воздуховоду из упомянутой выше полости между внешними стенками камеры сгорания пиролизного газа и внутренними стенками корпуса.
Камера сгорания пиролизного газа может быть выполнена в виде двух отсеков - симметричных, параллельных и ориентированных вдоль продольной оси корпуса, в промежутке между которыми движется поток воздуха, нагнетаемого вентилятором.
В камере газификации окно выхода пиролизного газа с колосниковой решеткой может быть смещено к передней стенке камеры газификации, а сопловые отверстия подачи воздуха могут быть смещены к задней стенке камеры
Плоская сопловая панель, содержащая по меньшей мере одну, ориентированную вдоль продольной оси камеры сгорания узкую прорезь с острыми кромками, может быть установлена ниже колосниковой решетки на входе в камеру сгорания пиролизного газа.
Указанные конструктивные решения обеспечивают достижение заявленного технического результата и в своей совокупности не встречаются ни в одном из известных пиролизных отопительных устройств, таким образом заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны.
Заявляемое пиролизное отопительное устройство может быть изготовлено на стандартном оборудовании с использованием известных и традиционных для производства отопительных котлов технологических процессов и материалов. Таким образом, заявляемая полезная модель соответствует критерию промышленной применимости.
Устройство заявляемого пиролизного отопительного устройства поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен общий вид устройства,  на фиг.2 изображен поперечный разрез устройства в варианте исполнения камеры сгорания с двумя отсеками, на фиг.3 изображены продольный разрез камеры газификации и камеры сгорания.
Пиролизное отопительное устройство содержит бункер для твердого топлива 1, камеру газификации 2, камеру сгорания пиролизного газа 3, вентилятор 4, подающий воздух во внутреннюю полость 5, образованную внешними стенками камеры сгорания и внутренними стенками корпуса, теплообменник 6, внутри которого циркулирует теплоноситель (например, вода или воздух) 7. Поток воздуха из внутренней полости 5 по системе воздуховодов 9, через сопловые отверстия 10 и 11 подается в камеру газификации и камеру сгорания пиролизного газа. В окне между камерой газификации и камерой сгорания установлена плоская сопловая панель с прорезью 12.
Пиролизное отопительное устройство работает следующим образом. Твердое топливо (например, дрова или отходы деревообработки естественной влажности) загружается в бункер 1. Под действием силы тяжести и по мере выгорания в камере газификации 2 древесное топливо опускается вниз, последовательно проходя через зону сушки (верхняя часть бункера) и зону сухой перегонки (нижняя часть бункера).
Поток воздуха, нагнетаемого вентилятором 4 во внутреннюю полость 5, проходит вдоль боковых поверхностей камеры сгорания, нагреваясь от них, и затем по системе трубопроводов 9 поступает к сопловым отверстиям 10 в камере газификации и сопловым отверстиям 11 в камере сгорания.
В камере газификации при недостаточной для полного сгорания топлива подаче т.н. "первичного воздуха" происходит беспламенное горение (тление) древесного топлива, и образующийся при этом пиролизный газ движется через слой раскаленных углей к выходному окну, расположенному на дне камеры газификации, и далее поступает в камеру сгорания пиролизного газа.
Отсутствие холодного (по сравнению с температурой внутри камеры газификации) теплоносителя у внешних стенок камеры, наличие теплоизоляционного покрытия на внутренних стенках камеры, а также мощный тепловой поток снизу, от камеры сгорания пиролизного газа, обеспечивают поддержание внутри камеры газификации необходимой высокой температуры. Разделение камеры сгорания на два отсека увеличивает площадь дна камеры газификации, прогреваемого теплом от камеры сгорания. Смещение выходного окна к передней стенке камеры газификации, а сопловых отверстий подачи "первичного воздуха" - к задней стенке, приводит к увеличению  протяженности так называемой "зоны восстановления" (заполненное раскаленными углями пространство, проходя через которое пиролизный газ в результате химических реакций насыщается горючими составляющими: окисью углерода и водородом).
В камеру сгорания 3 пиролизный газ поступает, пройдя через сопловую панель с прорезью 12, имеющей острые кромки, что приводит к турбулизации потока пиролизных газов (внутри потока возникают многочисленные местные завихрения) и эффективному смешению их с предварительно подогретым т.н. "вторичным воздухом", поступающим из сопловых отверстий 11. Разделение камеры сгорания на два отсека, в промежутке между которыми движется "вторичный воздух", способствует интенсивному предварительному нагреву "вторичного воздуха". Жаропрочное теплоизоляционное покрытие, нанесенное на внутреннюю поверхность стенок камеры сгорания, обеспечивает высокую температуру факела горения и одновременно с этим - низкую температуру внешней поверхности камеры сгорания, что позволяет использовать для её изготовления обычные конструкционные стали.
Раскаленные дымовые газы из камеры сгорания поступают в теплообменник, где отдают своё тепло теплоносителю, в качестве которого может быть использована вода или воздух. На выходе из теплообменника поток дымовых газов поступает в дымоход 8 и далее выбрасывается в атмосферу.
Главное отличие заявляемой конструкции от известных аналогов заключается в том, что практически всё тепло, образующееся в камере сгорания, передаётся теплоносителю посредством переноса массы раскаленных дымовых газов в теплообменник (в отличие от традиционной схемы, где значительная часть тепла отводится конвекцией от стенок камеры газификации и камеры сгорания). Для достижения такого результата в заявляемой конструкции количество (массовый расход) "вторичного воздуха", поступающего в камеру сгорания, в 2-3 раза больше необходимого для полного сгорания пиролизного газа.
Техническую достижимость такого решения можно проиллюстрировать следующим упрощенным расчетом. При сгорании 1 г древесного топлива естественной (40-50%) влажности выделяется порядка 11-12 КДж тепла. Для полного сжигание 1 г древесного топлива влажностью 40-50% необходимо 4,3-4,0 г воздуха, и при этом образуется порядка 5 г дымовых газов. Если подать в 2,5 раза большее количество воздуха (т.е. порядка 10,5 г), то общая масса образовавшихся дымогазов составит порядка 11,5 г. Теплоемкость дымогазов при температуре 800 град. С составляет 1,2 КДж/г. Таким образом, 11,5 г дымогазов при нагреве их от 20 до 800 град вынесут из камеры сгорания 10,8 КДж, т.е. практически всё образовавшее при сгорании 1 г топлива тепло.
Необычайно большой (обычно дровяные топки работают с коэффициентом избытка воздуха не более 1,5) массовый расход "вторичного воздуха" приведет к снижению температуры дымогазов на выходе из камеры сгорания, примерно с 1400 до 800-900 град. С, что неизбежно скажется на к.п.д. теплообменника. Оценить величину этого снижение можно по известной формуле к.п.д. "идеального теплообменника"
к.п.д. = (Твход. - Твых.) / Твход
Температура дымовых газов на выходе из теплообменника (по соображениям предотвращения выпадения конденсата) не должна быть ниже 120 град С. Таким образом, традиционной схеме соответствует к.п.д. 91%  ((1400 - 120) / 1400 ), а заявляемой полезной модели - 85%  ((800 - 120) / 800).
Ценой потери порядка 5-6% к.п.д. потребитель получает отопительное устройство, в котором можно использовать сырые древесные отходы, часто имеющие для него нулевую, а то и "отрицательную" стоимость, в то время как традиционная схема (с отводом тепла от стенок газогенераторной секции) вынуждает покупать, завозить и складировать качественные дрова двухлетней сушки.
Кроме того, не следует забывать о том, что к.п.д. реального теплообменника всегда ниже идеального тепло-физического максимума. Так как в заявляемой конструкции - в отличие от пиролизных отопительных котлов традиционной схемы - теплообменник представляет собой отдельный агрегат, габариты и геометрическая форма которого никак не связаны с размерами газогенераторной секции, становится возможным использовать проверенные временем эффективные решения (например, вертикально ориентированный высокий жаротрубный теплообменник). Избыточно большое количество воздуха в дымовых газах приводит к увеличению их удельного веса (плотности) и объемного расхода, а значит и к увеличению скорости движения дымогаза по жаровым трубам теплообменника. И то и другое повышает теплоотдачу (математически это выражается в увеличении значения критерия Рейнольдса, физический же смысл явления - бОльшая степень турбулизации потока внутри жаровых труб), поэтому есть основания предположить, что реальный к.п.д. теплообменника будет не ниже чем у лучших из существующих пиролизных котлов традиционной схемы.