ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности - к отопительным устройствам, в которых твердое топливо растительного происхождения (дрова, отходы деревообработки, щепа, солома) подвергается высокотемпературной газификации (пиролизу) с последующим сжиганием пиролизных газов и угольного остатка.
Из существующего уровня техники известно отопительное устройство (котел), содержащее объединенные общим вертикально ориентированным корпусом бункер для древесного топлива, ниже него камеру газификации (камера первичного горения) и камеру дожигания, размещенную ниже или сбоку от камеры газификации. По такой схеме выполнено большинство современных серийных котлов малой мощности, например, изделия фирм ARCA, Astra, Atmos, Attack, Buderus, Cichewic, Guntamatic, Kalvis, Heiztechnik, Hargassner, Kostrzewa, Orlan, Solarbayer, Viessmann.
Достоинством такой конструкции, обусловившим ее широкое распространение, является эффективная передача (излучением и конвекцией) тепла горения жидкому теплоносителю и высокое качество сгорания (низкий уровень эмиссии угарного газа), достигаемое благодаря использованию камеры дожигания. Главным недостатком является невозможность использования в качестве топлива древесины естественной (т.е. высокой) влажности. Это обусловлено тем, что водяной пар, выделяющийся в верхней части топливного бункера, движется с общим газовым потоком сверху вниз и заполняет камеру газификации (камеру первичного горения), где препятствует эффективному смешению кислорода воздуха с горючими компонентами пиролизного газа, что и делает процесс горения неустойчивым или вовсе невозможным.
В результате все перечисленные выше отопительные устройства способны использовать в качестве топлива лишь древесину с влажностью не более 20%, о чем прямо предупреждают пользователя добросовестные производители. Это ограничение существенно усложняет и удорожает эксплуатацию отопительного устройства, т.к. древесина естественной влажности (например, свежеспиленные дрова) имеет влажность порядка 45-55%, и для использования ее в качестве топлива требуется многолетняя сушка. Некоторые виды древесного топлива, например, щепу из свежеспиленных деревьев, невозможно высушить естественным путем (этому препятствует развивающийся процесс гниения сырой щепы), и поэтому использование его в бытовом отопительном устройстве становится невозможным.
Известно несколько технических решений, позволяющих использовать в качестве топлива для отопительного устройства малой (20-200 КВт) мощности древесину высокой влажности. Принципиальной основой технического решения является создание и поддержание в нижней части камеры газификации (камере первичного горения) высокой (750-800 и более градусов С) температуры, при которой становится возможной химическая реакция т.н. "водо-угольной газификации", в результате которой водяной пар и раскаленный древесный уголь превращаются в два горючих газа: водород (Н2) и угарный газ (СО). Так как сама реакция "водо-угольной газификации" происходит с поглощением тепла, то обеспечение такого температурного режима возможно только за счет подвода тепловой энергии извне, из камеры дожигания.
Известно отопительное устройство, в котором топливный бункер и камера газификации (камера первичного горения) объединены в едином вертикально ориентированном корпусе, а камера дожигания выполнена в виде кольца, концентрически окружающего камеру газификации (см. DE 3411822 А1). Недостатком данного технического решения являются: выбор прямой (восходящей) схемы горения, делающий проблематичным саму возможность запуска реакции "водо-угольной газификации", отсутствие подогрева вторичного воздуха, неравномерный состав газовой смеси в камере дожигания, обусловленный подачей вторичного воздуха в одной точке кольцевой камеры.
По аналогичной с DE 3411822 А1 схеме выполнено отопительное устройство (см. RU 2578550 С1),в котором указанные выше недостатки усугублены наличием сложной в эксплуатации и дорогой в изготовлении шарообразной, подвижной и вращающейся колосниковой решетки. Кроме того, в названных устройствах используются цилиндрический бункер и цилиндрическая камера газификации, что накладывает дополнительные ограничения на форму и размеры используемого древесного топлива.
Известен отопительный котел, содержащий бункер для твердого биотоплива и камеру газификации (камеру первичного горения), размещенные в общем вертикально ориентированном корпусе прямоугольного сечения с "водяной рубашкой", в котором камера дожигания выполнена в виде по меньшей мере одной длинной, скрученной в спираль трубы и размещена внутри камеры газификации (см. ЕР 2821698 А1). Недостатками данной конструкции являются:
- выбор прямой (восходящей) схемы горения, делающий проблематичным саму возможность запуска реакции "водо-угольной газификации"
- непосредственный контакт жидкого теплоносителя со стенками бункера и камеры газификации, что неизбежно снижает температуру внутри камеры газификации
- сложность и дороговизна изготовления спиральной камеры (поверхность двойной кривизны) из жаропрочной стали
- неравномерный состав газовой смеси в камере дожигания, обусловленный подачей вторичного воздуха в одной точке (на входе) длинной скрученной в спираль трубы
- большое газодинамическое сопротивление на входе в камеру дожигания, обусловленное расположение входного отверстия спиральной трубы в непосредственной близости к передней стенке камеры газификации
- отсутствие предварительного подогрева вторичного воздуха, нагнетаемого в камеру дожигания
- высокая трудоемкость очистки внутренних поверхностей камеры газификации, внутри которой находится труба (трубы) спиральной формы
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому отопительному устройству является пиролизный котел (PCT7RU 2017/000605, WO 2018/052337), содержащий размещенные в едином вертикально ориентированном корпусе прямоугольного сечения бункер для твердого топлива и ниже него камеру газификации (камера первичного горения), имеющую внутреннее жаростойкое теплоизоляционное покрытие и окно для выхода пиролизных газов с колосниковой решеткой,
в котором камера дожигания выполнена в виде двух симметричных, параллельных, горизонтально-ориентированных отсеков, установленных с двух сторон (слева и справа) нижней части камеры газификации, а поток пиролизных газов из выходного окна камеры газификации, разворачиваясь на 90 град. влево и вправо, поступает через горизонтальные прорези в отсеки камеры дожигания; при этом воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха выполнены в виде плоских коробов, обогреваемых потоком раскаленных продуктов сгорания, выходящих из отсеков камеры дожигания.
Достоинства данного технического решения можно описать так: "есть то, что надо нагревать, и есть то, чем нагревать". В конструкции используется обращенная (перевернутая, нисходящая) схема газификации, при которой водяной пар проходит через слой раскаленного древесного угля, что делает принципиально возможным "водо-угольную газификацию", а интенсивный нагрев зоны химической реакции теплом от двух отсеков камеры дожигания создает необходимую для интенсивного протекания реакции температуру. Испытания экспериментального котла, выполненного по этой схеме, показали возможность сжигания влажного топлива (древесная щепа 55% влажности) при показателях эмиссии угарного газа на уровне требований 5-го (самого жесткого) класса европейского стандарта EN 303-5.
В то же время, данная конструкция обладает следующими недостатками:
- только меньшая часть внешней поверхности отсеков камеры дожигания используется для нагрева нижней части камеры газификации (т.е. зоны протекания реакции "водо-угольной газификации), а тепловое излучение бОльшей части внешней поверхности отсеков камеры дожигания не доходит до камеры газификации
- расположение отсеков камеры дожигания слева и справа от камеры газификации приводит к значительному увеличению общей ширины отопительного устройства, что затрудняет его транспортировку и монтаж внутри жилого помещения (не проходит в дверной проем стандартного размера), а также влечет за собой неоправданное увеличение веса, материалоемкости и стоимости котла
- внутреннее жаростойкое теплоизоляционное покрытие (футеровка) камеры газификации затрудняет передачу тепла от отсеков камеры дожигания вовнутрь камеры газификации, а при отсутствии (демонтаже) футеровки, фактически выполняющей роль аккумулятора тепла, возникают значительные по амплитуде и скорости изменения температуры внутри камеры газификации, что делает работу устройства неустойчивой.
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, являются устойчивое и экологически чистое сжигание древесного топлива естественной (т.е. высокой) влажности, сокращение габаритов и веса отопительного устройства.
Указанные технический результат достигается тем, что в отопительном устройстве, содержащем вертикально ориентированный корпус с двойными стенками, внутри которого находятся бункер для древесного топлива прямоугольного сечения и объединенная с ним камера газификации, в нижней части которой расположено окно для выхода пиролизных газов с колосниковой решеткой, а ниже колосниковой решетки размещен ящик для золы, а также камеру дожигания и воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха,
камера дожигания выполнена в виде осе-симметричного короба, размещенного горизонтально в нижней части и вдоль продольной оси камеры газификации, и при этом бОльшая часть внешней поверхности короба камеры дожигания находится выше колосниковой решетки, а на той части короба камеры дожигания, которая находится ниже колосниковой решетки, имеются две горизонтальные прорези для прохода потока пиролизного газа из выходного окна камеры газификации в камеру дожигания с разворотом газового потока влево и вправо на 90 и более градусов.
Воздуховод подачи вторичного воздуха может быть выполнен в виде плоского тонкостенного короба и установлен на нижней части камеры дожигания так, что нижняя поверхность короба камеры дожигания является одновременно верхней поверхностью короба воздуховода.
На нижней поверхности короба камеры дожигания, являющейся одновременно верхней частью короба воздуховода вторичного воздуха, могут быть отверстия для выхода вторичного воздуха во внутренний объем камеры дожигания
Короб воздуховода вторичного воздуха может быть соединен дополнительным воздуховодом с трубой, установленной внутри и вдоль продольной оси камеры дожигания, причем на боковой поверхности трубы имеются отверстия для выхода вторичного воздуха во внутренний объем камеры дожигания.
Боковые стенки камеры газификации могут в своей верхней части иметь отверстия для выхода первичного воздуха во внутренний объем камеры газификации, при этом названные верхние участки боковых стенок с отверстиями выполнены с симметричным уклоном в 20 и более градусов вовнутрь камеры газификации.
В центральной по длине части короба камеры дожигания могут быть два симметричных отверстия, на левой и на правой боковой поверхности камеры дожигания, соединенные двумя газоводами с полостью между внешними стенками камеры газификации и внутренними стенками корпуса отопительного устройства, при этом прорези для прохода пиролизного газа вовнутрь камеры дожигания выполнены перекрестно: одна слева спереди, от переднего торца камеры дожигания до отверстия с газоводом, а вторая справа сзади, от заднего торца камеры дожигания до отверстия с газоводом.
Указанные конструктивные решения обеспечивают достижение заявленного технического результата и в своей совокупности не встречаются ни в одном из известных отопительных устройств на древесном топливе, таким образом заявляемая полезная модель соответствует критерию новизны.
Заявляемое 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.
Конструкция заявляемого отопительного устройства поясняется эскизом фиг. 1, на котором изображен вертикальный разрез устройства в варианте исполнения с выходной трубой вторичного воздуха в камере дожигания, и эскизом фиг. 2, на котором изображена камера дожигания в варианте исполнения с двумя газоводами.
Отопительное устройство содержит корпус с двойными стенками 1, бункер для твердого топлива 2, объединенный в едином агрегате с камерой газификации 3, в нижней части которой находится ящик для золы 4, камеру дожигания 5 с прорезями 6 и газоводами 7, окно выхода пиролизного газа с колосниковой решеткой 8, воздуховоды подачи первичного воздуха 9, воздуховод подачи вторичного воздуха 10, выходную трубу вторичного воздуха 11, выходной дымоход 12, панели жаропрочной теплоизоляции (футеровки) 13.
Отопительное устройство работает следующим образом. Древесное топливо 14 (например, дрова или щепа естественной влажности) загружается в бункер 2 через загрузочный люк на передней стенке бункера (на эскизе не показан). Под действием силы тяжести древесное топливо опускается вниз, последовательно проходя через зону сушки (верхняя часть бункера), зону сухой перегонки (нижняя часть бункера) и попадает в камеру газификации 3, где воспламеняется и горит в атмосфере первичного воздуха, поступающего через отверстия в боковых стенках камеры газификации из воздуховода 9.
Продукты неполного сгорания (моноокись углерода), а также водяной пар испарившийся из влажного топлива, поступают в нижнюю часть камеры газификации (зона восстановления) где при высокой температуре вступают в химическую реакцию "водо-угольной газификации" с раскаленным древесным углем, слой которого накапливается на колосниковой решетке 8. Образовавшиеся в результате реакции горючие газы (водород и моноокись углерода, Н2 и СО) проходят через выходное окно камеры газификации, разворачиваются на угол более 90 градусов и через прорези 6 поступают в камеру дожигания 5, где смешиваются со вторичным воздухом, поступающим в камеру дожигания через отверстия в трубе 11, соединенной с воздуховодом 10, и сгорают в образовавшемся внутри камеры дожигания вихре.
Раскаленные продукты сгорания 15 из камеры дожигания через газоводы 7 поступают в полость между внешними стенками камеры газификации и внутренними стенками корпуса отопительного устройства, где передают свое тепло теплоносителю 16 (это может быть вода или воздух), заполняющему пространство между двойными стенками корпуса 1. Охлажденные дымовые газы через выходной дымоход 12 под воздействием тяги, созданной дымососом (на эскизе не показан) или высокой дымовой трубой, выбрасываются в атмосферу. Минеральный остаток сгоревшего древесного топлива (зола) просыпается через колосниковую решетку в зольный ящик 4 и периодически удаляется.
В зоне "водо-угольной газификации" под воздействием мощного теплового излучения от короба камеры дожигания, а также конвективного нагрева стенок камеры газификации раскаленными продуктами сгорания, омывающими снаружи камеру газификации, создается необходимая для интенсивного протекания реакции высокая температура. Наличие внутри камеры газификации панелей жаропрочной футеровки 13, обладающих большой массой и теплоемкостью, сглаживает случайные колебания температуры. Наклон верхней части боковых стенок камеры газификации вовнутрь способствует формированию там "зоны гарантированного горения", где необходимая концентрация кислорода будет поддерживаться даже в моменты выброса больших объемов водяного пара (при загрузке в бункер новой порции сырого топлива). Вторичный воздух перед подачей в камеру дожигания нагревается при движении через воздуховод 10, установленный без зазора на раскаленной нижней поверхности короба камеры дожигания. Таким образом создаются условия для устойчивого и экологически чистого сжигания древесного топлива высокой влажности.