ТВЁРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЁЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ
CONTINUOUS BURNING SOLID BOILER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления с котлами на твердом топливе, и может быть использовано для создания систем отопления с повышенной эффективностью и расширенными функциональными возможностями.
Известно, что с момента создания котлов, работающих на твердом топливе (дровах) в значительной степени остается не решенной проблема эффективной работы котла в течение длительного интервала времени. Во многом это связано со спецификой древесного топлива. С этим топливом сложно организовать периодическую подачу его в автоматическом режиме в топку и сложности управления горением большого объема топлива в случае одновременной загрузки большого объема дров в котел. Кроме того, наличие значительного объема периферийных зон (в основном, возле теплообменных поверхностей) со сравнительно низкой температурой, а также недостаточного перемешивания горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, приводит к тому, что существенная часть этих компонентов топлива в газовой, жидкой и твердой фазах не сгорает и выбрасывается в атмосферу и откладывается на теплообменных поверхностях. В результате из-за значительного химического недожога общий КПД твердотопливных котлов оказывается низким.
Известны котлы с большой камерой сгорания (см. например, отопительные котлы ZOTA, сертификат №ТС RU C-RU.AE88.B.01300, серия RU №0059232, Ю.Л. Гусев. Основы проектирование котельных установок. 1967, стр. , 55-57, К.Ф. Роддатис, Э.И. Ромм, Н.А. Семененко и др. Котельные установки. Т. 2. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1946, с. 9-19, патент РФ №2213907 и др.), в которых в эту камеру сгорания загружается сравнительно большой объем дров и путем регулирования объема подаваемого в котел воздуха осуществляется управление генерацией в котле тепловой энергии. Недостатками такого типа котлов является низкая эффективность сжигания древесного топлива. Это обусловлено тем, что независимо от того, сверху поджигается топливо или снизу, через непродолжительное время в горении участвует почти весь объем топлива. Для предотвращения лавинообразного увеличения выделяющейся тепловой мощности приходится ограничивать объем подаваемого в котел воздуха. При этом из-за сравнительно большого объема периферийных зон в камере сгорания, в которых температура значительно ниже 600°С, необходимой для воспламенения выделяющихся из топлива компонентов в газовой, жидкой и твердой фазах и недостатка кислорода, происходит значительный химический недожог этих компонентов. Часть из них вместе с дымовыми газами вылетают в дымоход, а часть откладывается на теплообменных поверхностях, снижая теплопередачу. В целом это обуславливает низкую эффективность такого типа котлов, не говоря о ряде других недостатках.
Известен твердотопливный котел длительного горения (Евразийский патент №005303, патент РФ на полезную модель №139341, №159641), содержащий цилиндрический корпус, телескопический воздуховод и распределитель воздуха. В данном отопительном котле выгорание топлива происходит сверху вниз, по мере перемещения распределителя воздуха под собственным весом, а скорость сгорания регулируется объемом подаваемого через него воздуха. Однако указанный котел, вследствие конструктивных особенностей, имеет следующие недостатки: цилиндрический корпус котла имеет сравнительно низкий коэффициент заполнения дровами; входная камера и телескопический воздуховод имеют громоздкую конструкцию и, следовательно, такой котел имеет сравнительно небольшую тепловую производительность единицы объема корпуса, а конструкция телескопического воздуховода и распределителя воздуха не исключает возможность не стабильной работы котла из-за их деформации при высоких температурах и зависании с остановкой котла, провалов в выгоревшую часть топлива и возникновения аварийной ситуации, особенно при высокой температуре теплоносителя. Кроме того, конструкция котла обуславливает то, что при сгорании топлива нагревается только верхняя часть корпуса котла, вследствие чего, без принятия специальных мер, на нижней части корпуса происходит выпадение конденсата, коррозия металла и образование отложений, ухудшающих теплотехнические характеристики котла. Следствием указанной последовательности нагрева теплообменной поверхности корпуса является неравномерность выделения тепловой энергии. Вначале топки она не большая, поскольку, нагревается часть теплообменной поверхности и может быть увеличена только по мере выгорания топлива. Из-за такой конструкции котла он имеет небольшой диапазон перестройки генерируемой мощности. А большой объем периферийной зоны возле стенок корпуса со сравнительно низкой температурой и большой объем камеры сгорания, в которой газы быстро остывают из-за расширения, приводят к существенному химическому недожогу, снижающему интегральный КПД.
Известен котел (патент РФ №2561806) шахтного типа, в котором реализуется принцип нижнего горения. В котле топливо выгорает только в нижней части бункера, заполненного большим объемом топлива. В указанном котле реализована встречная подача первичного воздуха относительно движения дымовых газов, с последующей подачей вторичного воздуха. В целом, это приводит к тому, что в котле коэффициент избытка воздуха существенно больше оптимального и значительная часть тепловой энергии уносится с избыточным воздухом, снижая его КПД. Кроме того, короткий газовый тракт, из-за небольшого времени взаимодействия горячих газов с теплообменной поверхностью, не позволяет полностью передать тепловую энергию к теплоносителю и это также снижает эффективность котла. Вследствие короткого газового тракта диапазон изменения мощности оказывается небольшим по причине избыточных тепловых потерь на большой мощности и недостаточной температуре дымовых газов на небольшой мощности. В связи с этим интегральный КПД оказывается сравнительно низким.
Известен твердотопливный котел длительного горения шахтного типа «Universal» НИИ Пеллетрон (www.Pelletron.ru), в котором также реализуется принцип нижнего горения. Котел содержит корпус с двойными стенками, образующими герметичную полость для теплоносителя, с загрузочной дверцей и дверцей розжига, разделенный на бункерную и теплообменную полости, соединяемые между собой газоходом, расположенным в нижней части бункера и через заслонку дымоудаления в верхней части, патрубок дымохода на выходе теплообменной полости, заслонку входного воздуха на дверце розжига, связанную с терморегулятором и теплоизолирующий кожух. К недостаткам указанного котла следует отнести значительный уровень химического недожога, который обусловлен тем, что в котле много периферийных, сравнительно холодных, зон в топочной части бункера, включая водоохлаждаемый колосник и в газовом тракте на основе жаротрубного теплообменника. В этих зонах из-за низкой температуры не сгорает значительная часть пиролизных газов, частиц топлива в жидкой и твердой фазах. Они с потоком дымовых газов попадают в газовый тракт, где часть частиц в твердой и жидкой фазах откладывается на теплообменных поверхностях, а остальные вместе с не сгоревшими пиролизными газами выбрасываются в атмосферу. Ускоренному процессу роста отложений на теплообменных поверхностях теплообменника способствует также то обстоятельство, что площадь сечения газовых каналов в теплообменнике значительно больше начального участка газового тракта и дымовые газы попадая в этот объем, дополнительно охлаждаются пропорционально изменению объемов. В целом это приводит к снижению общего КПД, который учитывает не только тепловые, но и другие потери. По указанным причинам не большим оказывается и диапазон перестройки генерируемой мощности. Кроме того, котел имеет низкий уровень эксплуатационной безопасности. Это связано с тем, что привод заслонки дымоудаления имеет независимый привод. В случае случайного или по неопытности оставления заслонки в открытом положении произойдет возгорание всего объема топлива, лавинообразное увеличение мощности, что может привести к закипанию теплоносителя и повреждению системы отопления.
Известен твердотопливный котел длительного горения (патент РФ на полезную модель №181672), выбранный в качестве прототипа, в котором реализуется принцип нижнего горения. Котел содержит корпус с двойными стенками, образующими герметичную полость для теплоносителя, с загрузочной дверцей и дверцей розжига, разделенный на бункерную и теплообменную полости, соединяемые между собой через газовое окно и камеру дожига, расположенные в нижней части бункера, патрубок дымохода на выходе теплообменной полости, входной воздуховод с заслонкой входного воздуха на дверце розжига и теплоизолирующий кожух. К недостаткам указанного котла следует отнести значительный уровень химического недожога, который обусловлен тем, что в котле много периферийных сравнительно холодных зон, в топочной части бункера и в камере дожига. В этих зонах из-за низкой температуры не сгорает значительная часть пиролизных газов, частиц топлива в жидкой и твердой фазах, и они с потоком дымовых газов попадают в газовый тракт теплообменника, где часть частиц в твердой и жидкой фазах откладывается на теплообменных поверхностях, а остальные вместе с не сгоревшими пиролизными газами выбрасываются в атмосферу. Локальная подача вторичного воздуха в камеру дожига приводит к не достаточному его перемешиванию с горючими компонентами топлива и как следствие не полному их сгоранию. Кроме того, ручная регулировка объема вторичного воздуха приводит либо к недожогу компонентов топлива при его недостатке или к тепловым потерям при его избытке при работе котла в различных режимах. Большой объем камеры дожига обуславливает уменьшение плотности газового потока, выходящего из газового окна и дополнительное его охлаждение. В целом, это приводит к снижению эффективности сжигания твердого топлива. Сравнительно короткий газовый тракт теплообменника ограничивает диапазон перестройки генерируемой мощности. А отсутствие заслонки дымоудаления снижает эксплуатационную безопасность котла, из-за возможности попадания дымовых газов в помещение при открывании загрузочной дверцы и дозагрузке топлива.
Технический результат состоит в повышении эффективности сжигания топлива, расширении диапазона перестройки генерируемой мощности, уменьшении отложений на теплообменных поверхностях, в том числе трудноудаляемых, а также увеличении эксплуатационной безопасности.
Технический результат достигается тем, что твердотопливный котел длительного горения, содержащий корпус с двойными стенками, образующими герметичную полость для теплоносителя, с загрузочной дверцей и дверцей розжига, разделенный на бункерную и теплообменную полости, сообщающиеся между собой через газовое окно, расположенное в нижней части бункера и камеру дожига, патрубок дымохода на выходе теплообменной полости, входной воздуховод, заслонку входного воздуха, зольник с зольным ящиком и теплоизолирующий кожух, содержит шамотные плиты, установленные на днище бункера с уклоном по обе стороны от колосника с зазорами возле боковых стенок бункера, воздуховоды распределенной подачи первичного и вторичного воздуха, соединенные с входным воздуховодом, заслонку дымоудаления, размещенную в верхней части котла между бункерной и теплообменной полостями, причем воздуховод вторичного воздуха установлен в газовом окне, а газовый тракт выполнен из параллельных прямого короткого и нисходяще-восходящего длинного участков, при этом короткий участок выполнен регулируемым по проходному сечению с помощью заслонки с ручным или автоматическим приводом управления, причем воздуховод первичного воздуха выполнен вокруг зольника и сообщается с бункерной полостью через отверстия в ее днище и между шамотными плитами и боковыми стенками бункерной полости и отверстия в боковой стенке зольника и зольном ящике.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где показаны продольный (фиг. 1), поперечный (фиг. 2) разрезы котла, и горизонтальное сечение на уровне патрубка дымохода (фиг. 3). На фиг. 1 - 3 обозначено: корпус 1, загрузочная дверца 2, дверца розжига 3, патрубок дымохода 4, колосник 5, зольный ящик 6, входной воздуховод 7, воздуховод первичного воздуха 8, воздуховод вторичного воздуха 9, с отверстиями 10, наклонные шамотные плиты 11, продольная щель 12, козырек 13, камера дожига 14 с поворотной плитой 15, патрубок короткого газового тракта 16, заслонка управления температурой дымовых газов 17, ручка управления 18 заслонкой 17, заслонка дымоудаления 19 с рычажным механизмом, привод заслонки дымоудаления 20, отверстия подачи первичного воздуха над шамотными плитами 21 и под колосник 22, боковые нисходящие газоходы 23, задний восходящий газоход 24, теплоизолирующая съемная крышка 25, стенки зольника 26, проекция отверстия 27 в первой ступени входной заслонки. Теплоизолирующий кожух, входная заслонка, терморегулятор и некоторые другие вспомогательные элементы котла не показаны на рисунках, чтобы их не загромождать.
Корпус 1 разделен на бункерную часть, куда загружается и сжигается топливо и теплообменную часть, где происходит теплосъем с дымовых газов. Требования к материалу корпуса 1 не выходят за рамки известных требований к подобным изделиям, поэтому не уточняются. Загрузочная дверца 2, дверца розжига 3, патрубок дымохода 4, колосник 5, зольный ящик 6, теплоизолирующая крышка 25, зольник 26, принципиальных особенностей не имеют, поэтому подробно не рассматриваются. Входной воздуховод 7 разделен на воздуховод первичного воздуха 8 и воздуховод вторичного воздуха 9. Воздуховод 7 закрывается входной заслонкой, связанной с терморегулятором (не показаны на рисунке). Для повышения точности управления котел может быть оснащен двухступенчатой заслонкой (патент RU №2651393), позволяющей обеспечить энергонезависимое высокоточное управление твердотопливным котлом, изменение точности управления и режима подачи воздуха в котел в зависимости от генерируемой мощности. В указанной двухступенчатой заслонке большая заслонка закрывает входной воздуховод 7 и в ней выполнено отверстие (на рис. 2 показана его проекция 27), закрываемое малой заслонкой, отклоняемой на небольшой угол. Соотношение первичного и вторичного воздуха, подаваемого через малую заслонку в воздуховоды 8 и 9 примерно в два раза больше аналогичного соотношения через большую заслонку. Привод заслонок (как правило, от терморегулятора) осуществляется за малую заслонку, а длина рычага точки подвеса, относительно оси вращения заслонок, может меняться в зависимости от требуемой точности управления. Изменением положения отверстия в большой заслонке, относительно перегородки между воздуховодами первичного и вторичного воздуха, может меняться соотношение первичного и вторичного воздуха при открывании большой, вместе с малой и только малой заслонки, при работе котла на различной мощности. Из воздуховода первичного воздуха 8 выполнены отверстия 21 в днище бункерной полости и в зольнике 22. Воздуховод 8 расположен вокруг зольника 26, что обеспечивает подогрев поступающего в котел первичного воздуха. Воздуховод вторичного воздуха 9, с отверстиями 10, равномерно распределенными по нижней его стенке, установлен в газовом окне 28 из бункерной полости в теплообменные полости. При прохождении воздуха по этому воздуховоду осуществляется нагрев вторичного воздуха. На днище бункерной полости в центральной его части установлен колосник 5, а по обе стороны от него наклонные шамотные плиты 11, с зазорами, образующими щелевые отверстия 12. Над этими отверстиями установлены козырьки 13, предотвращающие попадание золы в отверстия 12. Козырек также может быть установлен над газовым окном 28. Плиты 11 устанавливаются под таким углом, чтобы их верхняя кромка, например, была примерно на уровне газового окна 28, являющегося выходным отверстием из бункерной полости. За окном 28 установлена камера дожига, состоящая из поворотной плиты 15 с боковыми стенками и стакана 14. Поворотная плита 15 и боковые стенки возле нее могут быть выполнены из шамотной или кремнеземной плиты. Стакан 14 может быть также выполнен из огнеупорного материала с низкой теплопроводностью, например, из высокотемпературной кремнеземной плиты, что уменьшает тепловые потери через стенки. Патрубок газохода 16 может быть выполнен из цилиндрической или прямоугольной трубы. Внутри него установлена заслонка 17 для изменения проходного сечения патрубка 16, которая имеет ручку управления 18, с ручным или электромеханическим приводом от датчика температуры дымовых газов, устанавливаемого на дымоходе (не показан на рисунках). Заслонка дымоудаления 19, с рычажным поворотным механизмом, предназначена для удаления дыма во время дозагрузки котла топливом при открытой загрузочной дверце 2. Заслонка имеет привод 20, состоящий из поворотного рычага и тяги с блокировочным флажком (пластиной). Газовый тракт котла, включающий камеру дожига 14, боковые нисходящие газоходы 23 и задний восходящий газоход 24 выполнен, примерно, одинакового сечения, что предотвращает охлаждение газового потока за счет увеличения сечения (и соответственно объема) газового тракта. Газоход 24 может быть также выполнен из пучка жаротрубных труб.
Работает отопительный котел следующим образом. После загрузки через загрузочную дверцу 2 топлива в бункерную полость она закрывается и флажком привода 20 заслонки дымоудаления 19 блокируется, для того чтобы в процессе работы котла заслонка дымоудаления была гарантировано закрыта, а дверца 2 не могла быть открыта без проветривания бункерной полости. Через дверцу розжига 3 топливо поджигается, и она закрывается. Воздух для горения к топливу подается через открытую входную заслонку, входной воздуховод 7 отверстие 22 в стенке зольника 26 под колосник и через отверстия 21 в днище и продольные щели 12 сверху плит 11. Такое распределение воздуха обеспечивает движение воздуха через топливо с нескольких направлений, способствует его турбулизации и более полному взаимодействию с горючими компонентами топлива. При этом обеспечивается примерно оптимальный коэффициент избытка воздуха. Кроме того, за счет футеровки основной части основания бункерной полости вокруг топочного ядра минимизируются низкотемпературные периферийные зоны, что обеспечивает возможность развития высоких температур, которые могут достигать 1000°С. Такие высокие температуры способствуют более полному сгоранию продуктов разложения древесины, которым для возгорания требуется температура выше 600°С. Поскольку топочное ядро в динамике остается неоднородным по температуре, в том числе, вследствие постоянного его обновления опускающимся сверху топливом, на место выгоревшего, то в продуктах сгорания всегда присутствует определенный процент не сгоревших компонентов топлива в различных фазах. Эти компоненты вместе с образующимися дымовыми газами через выходное отверстие из бункерной полости, поступают, отражаясь от поворотной плиты 15, в камеру дожига 14. Одновременно через отверстия 10 (по всей ширине окна) воздуховода вторичного воздуха 9 в камеру 14 подается подогретый вторичный воздух, с помощью которого в этой камере происходит сжигание не сгоревших компонентов топлива. Вторичный воздух через отверстия 10 подается поперек потока дымовых газов, что способствует перемешиванию газовых потоков и более эффективному сжиганию компонентов топлива. Для дополнительного перемешивания газовых потоков воздуха и горючих газов в камере 14 может быть установлен турбулизатор. При этом температура в камере дожига 14 может достигать 1200°С. Поскольку все выделяющиеся из топлива компоненты проходят через высокотемпературную зону камеры дожига 14, то они почти все сгорают на этом участке, тем самым повышается эффективность котла и уменьшается рост отложений на последующих теплообменных поверхностях газового тракта котла. Дымовые газы из камеры 14 поступают в теплообменную полость котла. При этом в дымоход 4 они могут проходить по короткому пути через патрубок 16 и по длинному пути, опускаясь вниз через боковые газоходы 23 и поднимаясь вверх через задний газоход 24. При прохождении по длинному пути дымовые газы охлаждаются до низких температур на большой теплообменной поверхности, в то время как при прохождении по короткому пути они почти не охлаждаются. Газовый тракт в котле выполнен примерно одинакового сечения, что предотвращает дополнительное охлаждение газового потока за счет увеличения его объема при изменении сечения (и соответственно объема) газового тракта. Для дополнительного увеличения теплосъема в нисходящих газоходах 23 и заднем восходящем газоходе 24 могут устанавливаться турбулизаторы, которые, турбулизируя газовый поток, увеличивают коэффициент теплопередачи и, нагреваясь, переизлучают поглощенную от газового потока тепловую энергию. Изменяя проходное сечения патрубка 16, с помощью заслонки 17 (в ручном или автоматическом режиме), можно изменять соотношение горячего и холодного газовых потоков и тем самым изменять температуру дымовых газов на выходе котла поддерживая ее на минимальных значениях, при которых не наблюдается существенного роста отложений на стенках дымохода. При этом одновременно достигается минимизация тепловых потерь, уносимых дымовыми газами, что дополнительно повышает экономичность котла. Кроме того, расширяется диапазон перестройки генерируемой мощности, что, в свою очередь повышает удобство эксплуатации котла в различные периоды отопительного сезона. После розжига котла он постепенно выводится на генерацию требуемой мощности, путем открывания входной заслонки. При достижении требуемой температуры теплоносителя в зависимости от генерируемой мощности большая заслонка, как правило, закрывается полностью, а маленькая остается приоткрытой на несколько миллиметров. На большой мощности большая заслонка может быть открыта на небольшой угол, а малая открыта полностью. В дальнейшем управление заслонкой происходит автоматически от терморегулятора. Топливо в бункерной полости горит в основном только в слое ниже уровня выходного газового окна, поэтому по мере его выгорания вышележащие слои опускаются на место сгоревшего и так последовательно происходит горение всего, загруженного в бункерную полость топлива. При таком режиме сжигания не всего, а ограниченного объема топлива, обеспечивается, в основном, оптимальный коэффициент избытка воздуха и, следовательно, наиболее эффективное его сжигание, а дожигание пиролизных газов и других летучих компонентов топлива в высокотемпературной зоне камеры дожига минимизирует процент химического недожога.
При дозагрузке топливом работающего котла сначала закрывается входная заслонка, производится проветривание бункерной полости котла путем открывания заслонки дымоудаления 19 при повороте флажка привода 20 и вдавливания тяги привода до упора. Одновременно открывается заслонка управления дымовыми газами 17. После этого открывается загрузочная дверца 2 и топливо загружается в котел. Затем загрузочная дверца 2 закрывается, вытягивается тяга привода 20 и флажком на ней осуществляется взаимная блокировка закрытых заслонки дымоудаления 19 и загрузочной дверцы 2, а заслонка 17 и входная заслонка устанавливаются в прежнее положение.
Таким образом, распределенная подача минимально необходимого первичного и вторичного воздуха, способствует хорошему перемешиванию его с пиролизными газами и другими летучими компонентами топлива, что в свою очередь позволяет обеспечить наиболее полное их сгорание и минимизировать потери от химического недожога. Эффективному сжиганию топлива также способствует теплоизоляция камеры дожига и выполнение ее оптимизированной по размерам и тепловым потерям, что обеспечивает повышение температуры сгорания летучих компонентов топлива до предельных значений. Следствием эффективного сжигания топлива и максимально возможного извлечения тепловой энергии из дымовых газов является увеличение продолжительности работы котла на единице массы топлива, уменьшение отложений на теплообменных поверхностях котла и вредных выбросов в атмосферу. Это улучшает эксплуатационные характеристики котла. А установка устройства взаимной блокировки заслонки дымоудаления и загрузочной дверцы повышает эксплуатационную безопасность котла. Возможность регулировки температуры дымовых газов и поддержание ее на минимально допустимых значениях, позволяет уменьшить тепловые потери, уносимые с дымовыми газами и существенно расширить диапазон перестройки генерируемой мощности. Длительное время работы в автоматическом режиме, широкий диапазон перестройки генерируемой мощности существенно улучшают эксплуатационные характеристики котла.
Использование энергонезависимого высокоточного устройства управления входным воздухом в совокупности с реализацией принципа нижнего горения и регулируемой температуры дымовых газов позволяет реализовать в твердотопливном котле новую функциональную возможность - работу в режиме ожидания с автоматическим переходом в этот режим и выходом из него. В такой режим котел переходит из режима стабильной работы на любой мощности в случае аварийной ситуации (прекращение работы циркуляционных насосов), либо переведен вручную путем их отключения и может находиться в нем в течение длительного времени, генерируя небольшую мощность (сотни ватт) равную тепловым потерям котла через его корпус и за счет небольшой циркуляции теплоносителя в системе отопления (в основном через гидрострелку). При возобновлении работы циркуляционных насосов или отбора тепловой мощности через контур горячего водоснабжения (не показан на рисунках) котел автоматически переходит в режим генерации потребляемой мощности.
Заявляемая конструкция котла находится в стадии серийного производства модельного ряда бытовых котлов пяти номиналов по тепловой мощности. Все характеристики описанного котла проверены и подтверждены экспериментально с инструментальной оценкой параметров. Полученные технические и эксплуатационные характеристики превосходят аналогичные параметры у прототипа и известных аналогов.