Отопительное устройство на древесном топливе

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 (котёл),  содержащее объединенные общим вертикально ориентированным корпусом бункер для древесного топлива, камеру газификации (камера первичного горения) и камеру дожигания, состоящую из одного или двух отсеков, размещенных ниже или сбоку от камеры газификации (камеры первичного горения). По такой схеме выполнено абсолютное большинство серийно выпускаемых бытовых котлов на древесном топливе, например, изделия фирм ARCA, Astra, Atmos, Attack, Buderus, Cichewic, Guntamatic, Kalvis, Heiztechnik, Kostrzewa, Orlan, Solarbayer, Viessmann.
В таком устройстве продукты газификации древесного топлива, в том числе водяной пар, выделяющийся в верхней части топливного бункера, движутся сверху вниз и поступают в камеру первичного горения. При этом водяной пар препятствует эффективному смешению кислорода воздуха с горючими компонентами пиролизного газа, что 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 15-20%.
Это ограничение существенно усложняет и удорожает эксплуатацию отопительного устройства, т.к. древесина естественной влажности (например, свежеспиленные дрова) имеет влажность порядка 45-60%, и для использования её 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 бытового отопительного устройства малой (20-100 КВт) мощности древесину высокой влажности. Принципиальной основой технического решения является создание и поддержание в камере газификации (камере первичного горения) высокой (700-800 и более градусов С) температуры, при которой водяной пар в контакте с раскаленным углем превращается в два горючих газа: водород и моноокись углерода (угарный газ). Для достижения такого температурного режима камера дожигания пиролизного газа размещена внутри камеры газификации (см. ЕР 2 821 698 А1), или камера дожигания пиролизного газа выполнена в виде кольца, концентрически окружающего камеру газификации (см. DE 3411822 А1 и RU 2578550 C1), или поток раскаленных продуктов сгорания, выходящих из камеры дожигания пиролизного газа, поднимается вверх и при этом омывает и нагревает боковые стенки камеры газификации (см. CZ 2008191 A3). Известно также отопительное устройство, в котором перечисленные выше приемы разогрева дополняются вдуванием в камеру газификации сильно нагретого первичного воздуха с большой скоростью (см. RU 164691 U1).
Недостатком таких конструкций является неизбежное в этом случае использование дорогостоящих материалов: жаропрочной стали и специальной жаропрочной керамики. Кроме того, многочисленные испытания показали, что даже использование всех перечисленных выше приемов разогрева зоны газификации (зоны первичного горения) не позволяет обеспечить устойчивое сжигание особо сложных видов древесного топлива, например, сырой свежерубленной щепы или сырых опилок.
Наиболее близким по техническому решению к заявляемому отопительному устройству является т.н. "топка скоростного горения Померанцева" (см. В.В. Померанцев, "Топки скоростного горения для древесного топлива", М., Машгиз, 1948 г.; Авторское свидетельство СССР № 50503, заявлено 19 мая 1936 г.). В верхней части топливного бункера (Померанцев называл его "топливной шахтой" или "топливным рукавом") было выполнено отверстие, через которое "влажный газ" под воздействием разрежения в выходном дымоходе отсасывался из топливного бункера и по специальному газоходу вместе с дымовыми газами выбрасывался в атмосферу.
Работоспособность такой конструкции основано на том, что водяной пар является самым легким компонентом газовой среды топливного бункера: он в 2,4 раза легче углекислого газа, в 1,6 раза легче азота и угарного газа (моноокиси углерода) и поэтому накапливается в верхней части топливного бункера. Прямое механическое удаление водяного пара из внутреннего объема бункера и камеры газификации является самым радикальным и одновременно простым и дешевым способом решения проблемы сжигания влажного топлива, и это является существенным преимуществом "топки Померанцева".
Неустранимым недостатком конструкции является то, что неизбежно присутствующие в смеси с водяным паром малые дозы продуктов пиролиза древесины, в том числе и угарный газ, также выбрасываются в атмосферу. В середине ХХ века на это не обращали внимания, но с тех пор требования к экологической чистоте отопительных устройств значительно ужесточились. Так, советский стандарт на дровяные печи 80-х годов (ГОСТ 9817-82) ограничивал допустимые выбросы угарного газа 4%, а современный стандарт Евросоюза EN 303-5 по 5-му классу требует сокращения выбросов угарного газа до 0,04%. Снизить выбросы угарного газа до такого уровня не всегда удается даже с использованием сложных по конструкции камер дожигания, и тем более невозможно уложиться в жесткие современные нормы, выбрасывая содержимое газовой среды топливного бункера напрямую в атмосферу.
Техническим результатом, для достижения которого предлагается заявляемая полезная модель, является устойчивое и экологически чистое сжигание древесного топлива естественной (т.е. высокой) влажности.
Указанный технический результат достигается тем, что в отопительном устройстве на древесном топливе, содержащем размещенные в едином вертикально ориентированном корпусе бункер для топлива и ниже него камеру газификации, камеру дожигания, а также воздуховоды подачи первичного и вторичного воздуха, емкость с водой, внутри которой размещен жаротрубный теплообменник, соединенный с выходным дымоходом
имеется по меньшей мере один вертикально ориентированный дополнительный газоход, верхнее отверстие которого находится в верхней точке внутреннего объема топливного бункера, а нижнее отверстие находится в той зоне камеры дожигания, где заканчивается горение факела пламени
В верхней части топливного бункера может быть установлена по меньшей мере одна газосборная воронка, верхняя точка которой соединена с верхним отверстием дополнительного газохода
В дополнительный газоход может быть врезан запорно-регулирующий кран
Дополнительный газоход может быть по меньшей мере частично размещен внутри емкости с водой, при этом в нижней точке размещенной в воде части дополнительного газохода имеется емкость для сбора конденсата с устройством для слива конденсата наружу из отопительного устройства.
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 устройств 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 дополнительным газоходом, проходящим через емкость с водой.
Отопительное устройство содержит топливный бункер 1 с расположенной в нижней части бункера зоной (камерой) газификации 2, камеру дожигания 3, воздуховоды подачи первичного воздуха 4, воздуховоды подачи вторичного воздуха 5, емкость с водой 6, внутри которой расположен жаротрубный теплообменник 7, соединенный выходным дымоходом с дымососом 8. Дополнительный газоход 9, соединенный в своей верхней части с газосборной воронкой 10, проходит сверху вниз через емкость с водой и в нижней своей части соединен с емкостью для сбора конденсата 11.
Отопительное устройство работает следующим образом. Древесное топливо 12 (например, дрова или щепа естественной влажности) загружается в бункер 1 через загрузочный люк на боковой 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 зону (камеру) газификации 2. В этой зоне топливо горит в первичном воздухе, поступающем через воздуховод 4.
Не успевшие сгореть в зоне первичного горения горючие газы, образовавшиеся в результате пиролиза древесины (водород, метан, угарный газ), поступают в камеру дожигания 3, где смешиваются со вторичным воздухом, поступающим через воздуховод 5, и сгорают в факеле 13. Раскаленные продукты сгорания 14 из камеры дожигания поступают в жаротрубный теплообменник 7, где передают свое тепло воде, находящейся в емкости 6, а затем через выходной дымоход с дымососом 8 выбрасываются в дымовую трубу (на эскизе не показана) и далее в атмосферу.
Испаряющаяся из сырой древесины влага в виде водяного пара отделяется от более тяжелых продуктов пиролиза древесины (углекислого газа, азота, угарного газа) и поднимается ("всплывает") в верхнюю часть топливного бункера 1, где через газосборную воронку 10 поступает в дополнительный газоход 9. Движение водяного пара сверху вниз по дополнительному газоходу 9 происходит под воздействием разрежения (перепада давлений), создаваемого дымососом 8 в камере дожигания 3; кроме того, движению пара сверху вниз по дополнительному газоходу 9 способствует разница в удельном весе пара, имеющего температуру 100-120°С, и продуктов сгорания в камере дожигания, имеющих температуру более 800-900°С. Отсутствие, или по крайней мере, значительное сокращение количества  водяного пара, поступающего в зону первичного горения, способствует устойчивому горению древесного топлива. Газодинамическое сопротивление  дополнительного газохода подбирается (выбором соответствующей площади поперечного сечения, длины, количества поворотов) таким образом, чтобы отсос водяного пара из верхней точки топливного бункера не препятствовал движению сверху вниз основной массы пиролизных газов, образующихся в средней и нижней части топливного бункера.
В представленном на эскизе варианте исполнения дополнительный газоход 9 проходит через емкость с водой 6 и в нижней своей части имеет емкость для сбора конденсата 11. Так как вода в нижней части емкости 6 при реальных режимах работы бытового отопительного устройства не нагревается до температуры выше 40-60°С, горячий водяной пар при движении внутри дополнительного газохода отдаёт свое тепло воде, при этом остывает сам и конденсируется (превращается в жидкость). Образовавшийся конденсат под действием силы тяжести стекает каплями вниз и накапливается в емкости 11, из которой периодически, по мере необходимости, удаляется через сливную трубку с запорным краном (на эскизе не показана). Конденсация позволяет сократить количество водяного пара, поступающего в камеру дожигания, что делает процесс дожигания более устойчивым. Кроме того, конденсация пара сопровождается выделением тепловой энергии, которая нагревает воду в емкости 6, что в конечном итоге приводит к повышению общего к.п.д. отопительного устройства.
Не успевший конденсироваться водяной пар через дополнительный газоход 9 подводится к конечной (по ходу движения горючих газов) точке факела 13. В этой зоне смешение горючих газов и вторичного воздуха уже полностью завершено, и поэтому появление здесь водяного пара не будет препятствовать процессу горения. Угарный газ, некоторое количество которого неизбежно будет присутствовать в потоке водяного пара, оказавшийся в зоне высоких (более 900 С) температур в наиболее нагретой части факела 13 сгорает во вторичном воздухе.
2
2
2
Полному дожиганию угарного газа способствует и водяной пар, который при высоких температурах вступает в реакцию с угарным газом по формуле: НО + СО = Н + СО . В результате реакции образуются два безвредных для здоровья человека газа (водород и углекислый газ). Эта реакция сопровождается выделением тепла, и таким образом нисколько не препятствует основному процессу горения в камере дожигания.
2
2
Кроме того, при высоких температурах водяной пар вступает в реакцию с мельчайшими частицами несгоревшего угля (сажи) и дожигает их по формуле: НО + С = Н +СО, а возникающее в результате реакции ничтожное количество угарного газа дожигается в описанных выше реакциях. Возможность уничтожения (дожигания) мельчайших частиц угля (сажи) весьма важна, т.к. по современным данным эти частицы являются сильным канцерогеном, и их содержание в дымовых газах жестко лимитируется. В наиболее современных отопительных устройствах, использующих в качестве топлива древесину очень низкой влажности (например, прессованные топливные брикеты или пеллеты), для дожигания частиц угля устанавливается специальное устройство впрыска воды в зону на выходе из камеры сгорания; в заявляемой конструкции это дожигание происходит естественным и простым путем.