ТЕПЛОАГРЕГАТ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ

Область техники
Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для нагрева теплоносителей, например воды, и может быть использована в системах водяного отопления и горячего водоснабжения индивидуальных коттеджей, теплиц, сушилок, гаражей, мастерских, малых цехов и других подобных объектов - везде, где требуется стабильная, длительная, с минимальными требованиями по обслуживанию и применяемому топливу работа теплоагрегата.
Уровень техники
Известны устройства, содержащие теплообменник, топку с загрузочной камерой и камерой сгорания, с выходом к дымоходу, внешнюю и внутреннюю трубы, установленные с зазором по отношению друг к другу. В этих конструкциях не предусмотрено регулирование подачи воздуха в камеру сгорания во время работы устройства, а также возможен выброс газов в помещение и нет теплоизоляции теплообменника (US 4836115, кл. F23В 7/00, 06.06.1989 - [1]),
Существуют конструкции устройств, позволяющие частично устранить эти недостатки. Так, для подачи воздуха в камеру сгорания используются патрубки в верхней части устройства, оснащенные регулирующими заслонками, а в загрузочной камере установлен диффузор для предотвращения выброса газов в помещение, предусмотрена также теплоизоляция теплообменника (RU 2044217, кл. F23В 7/00, 20.09.1995 - [2], RU 2171425, кл. F23В 7/00, 27.07.2001 - [3]).
Однако эти устройства недостаточно экономичны, теплоотдача в них снижена, так как не использованы преимущества реализации процессов смешанного и обратного горения.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и назначению является отопительное устройство [3], содержащее теплообменник с теплоизоляционным кожухом, внешнюю и внутреннюю трубы загрузочной камеры и камеру сгорания, соединенную с дымоходом, а также регулируемые отверстия для подачи воздуха. Верхнее и нижнее основания с загрузочной камерой и теплообменник с теплоизолирующим кожухом выполнены разъемными. В этом устройстве частично повышены безопасность работы и ремонтопригодность, однако необходимость отключения устройства от отопительной системы при осуществлении ремонтных работ осталась, что создает неудобство эксплуатации. Недостатком устройства являются также ограниченные возможности реализации разных режимов горения топлива, что снижает его экономичность.
Раскрытие полезной модели
В основу полезной модели поставлена задача создания теплоагрегата отопительного, конструкция которого позволяет обеспечить достижение технического результата - обеспечение возможности длительной, стабильной и экономичной работы котла непрерывно, без частой дозагрузки топлива и без отключения от системы отопления для техобслуживания и ремонта.
Для достижения технического результата в известном отопительном устройстве, содержащем разъемный корпус, верхняя часть которого с размещенными в ней теплообменником с теплоизоляционным кожухом и водяной рубашкой установлена герметично через уплотнение на его нижней части, в которой расположена топка, обмурованная внутри шамотным кирпичом, с колосником и камерой сгорания, соединенной с дымовой трубой и снабженной регулируемым воздуховодом для подачи воздуха, загрузочной камерой, согласно полезной модели устройство выполнено с возможностью подачи разогретых продуктов термического разложения топлива в топку в направлении сверху вниз в режиме обратного горения, снабжено шибером переключения режимов горения и вторым газоходом в виде кольцевого зазора между внутренней стенкой корпуса теплообменника и наружной стенкой водяной рубашки, верхняя часть корпуса устройства с теплообменником закреплена на опорах с возможностью вертикального перемещения по ним, нижняя часть корпуса теплоагрегата с размещенной в ней топкой выполнена подвижной с возможностью горизонтального перемещения по полозьям, регулируемый воздуховод установлен в нижней части теплообменника с обеспечением возможности подачи воздуха в зону образования продуктов термического разложения топлива, объем загрузочной камеры выбран из условия обеспечения длительной стабильной работы теплоагрегата в номинальном режиме - режиме обратного горения на одной загруженной порции топлива без дозагрузки в течение от 6 до 28 часов, соответственно требуемой температуре теплоносителя в системе отопления.
Кроме того, предусмотрено следующее.
Дымовая труба выполнена составной телескопической, при этом нижний отрезок дымовой трубы с дымовым шибером жестко соединен с верхней частью корпуса, выполненной конической, и подвижно соединен с верхней частью дымовой трубы; внутренняя и внешняя обечайки водяной рубашки оборудованы элементами теплоотдачи; элементы теплоотдачи, выполнены, например в виде ребер, установленных по диаметру в шахматном порядке в несколько рядов по высоте; размеры загрузочной камеры выбраны в интервале от 0,7 до 1,8 метров, диаметр - в интервале от 400 до 800 мм.
Введение существенных отличительных признаков позволяет осуществлять режим обратного горения, при котором продукты термического разложения топлива сгорают практически полностью, на 95-98 процентов, при минимально необходимом поступлении кислорода воздуха, что обусловливает стабильно высокую теплоотдачу, малое потребление топлива и соответственно высокую экономичность работы теплоагрегата, без потребления внешних источников энергии. Кроме того, выполнение корпуса разъемным, обеспечение возможности перемещения его верхней части в вертикальном направлении, а нижней части (топки) в горизонтальном направлении делают доступным ремонт топки (замена колосников и футеровки топки) без демонтажа котла и без спуска из него воды, что повышает удобство ремонта и эксплуатации.
Созданное устройство не требует внешних источников энергии, нетребовательно к виду сжигаемого топлива (в качестве топлива теплоагрегат использует разнообразные биоотходы - дрова, горбыль, срезки, опилки, стружку, щепу, кору, костру льна, резаную солому, листву, бытовой мусор, кусковой торф, сухую торфокрошку, лузгу подсолнуха, жмых, рисовую шелуху и другие биоотходы), отвечает требованиям экологии, является экономичным и удобным в использовании, обеспечивает возможность длительной, стабильной и экономичной работы котла непрерывно, без частой дозагрузки топлива и без отключения от системы отопления для техобслуживания и ремонта.
Заявителем не выявлены технические решения, тождественные заявленной полезной модели, что позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию «новизна».
Краткое описание чертежей
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами фиг.1, где представлен пример реализации предлагаемого устройства.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - топка
2 - шамотный кирпич
3 - теплообменник
4 - теплоизоляционный кожух
5 - воздуховод
6 - шибер воздушный поворотный
7 - водяная рубашка
8 - внутренняя обечайка водяной рубашки
9 - наружная обечайка водяной рубашки
10 - верхний фланец
11 - первый газоход
12 - второй газоход
13 - щелевые отверстия
14 - коллектор
15 - нижний отрезок дымовой трубы
16 - шибер дымовой
17 - дымовая труба
18 - шибер переключения режимов горения
19 - выходной патрубок,
20 - входной патрубок
21 - резьбовое соединение
22 - опора
23 - полозья
24 - дверца растопочная
25 - колосник
26 - кран спускной
27 - люк загрузочный люк с дверцей
28 - лючок прочистной
29 - элементы теплоотдачи
Осуществление полезной модели
Предлагаемый теплоагрегат отопительный содержит топку 1 с обмуровкой из шамотного кирпича 2, теплообменник 3 с теплоизоляционным кожухом 4, воздуховодом 5 с шибером воздушным поворотным 6 и водяной рубашкой 7, а также систему газоходов и дымохода. Конструктивно теплоагрегат выполнен так, чтобы обеспечить длительную стабильную работу теплоагрегата, без дозагрузки топлива и без отключения от системы отопления для технического обслуживания и ремонта. Конструкция теплоагрегата обеспечивает реализацию различных режимов горения: прямого, смешанного и обратного горения. Именно реализация режима обратного горения, при котором разогретые газообразные продукты термического разложения топлива, пиролизные газы, движутся из зоны термического разложения не вверх, а вниз, к футеровке топки, продолжая термически разлагаться в присутствии разогретого шамотного кирпича 2, дополнительно отдавая тепло и повышая экономичность работы теплоагрегата, является основой обеспечения длительной экономичной и стабильной работы теплоагрегата, что достигнуто конструктивными особенностями предлагаемой полезной модели. Водяная рубашка 7, имеющая соответственно внутреннюю и наружную обечайки 8, 9, соосно установлена и жестко закреплена с помощью верхнего фланца 10 на корпусе теплообменника 3. Пространство, ограниченное внутренней поверхностью внутренней обечайки 8 водяной рубашки 7, образует первый газоход 11, который одновременно служит загрузочной камерой. Первый газоход 11 предназначен для прямого горения. Второй газоход 12, которым дополнительно снабжен теплоагрегат, предназначен для реализации обратного горения. Он выполнен в виде кольцевого зазора между наружной обечайкой 9 водяной рубашки 7 и внутренней стенкой корпуса теплообменника 3. В верхнем фланце 10 над вторым газоходом 12 по кольцу выполнены дискретно щелевые отверстия 13, которые соединяют второй газоход 12 через коллектор 14 с нижним отрезком дымовой трубы 15, снабженным дымовым шибером 16, и дымовой трубой 17. Теплоагрегат оборудован шибером переключения режимов горения 18, который установлен на верхнем фланце 10, прикрывая его центральное отверстие. При этом шибер переключения режимов горения 12 имеет два крайних положения «Закрыто» для реализации обратного режима горения и «Открыто» при прямом режиме горения, а также промежуточное положение, когда шибер переключения режимов горения 18 открыт лишь частично - при смешанном режиме горения. Газоход 12 предназначен для прохода разогретых газообразных продуктов термического разложения при обратном режиме горения-шибер переключения режимов горения 18 в положении «Закрыто». Первый газоход 11 - для прохода разогретых газообразных продуктов термического разложения при прямом режиме горения-шибер переключения режимов горения 18 в положении «Открыто». Подсоединение теплового агрегата к системе отопления осуществлено с помощью входного 20 и выходного 19 патрубков, соответственно для холодной и горячей воды. Конструктивно предусмотрено проведение ремонтных и профилактических работ без отключения теплоагрегата от системы отопления (замена колосника, ремонт футеровки из шамотного кирпича, очистка газоходов и т.п.). Топка 1 установлена подвижно на полозьях 23 с возможностью горизонтального выдвижения из-под верхней части с теплообменником 3, водяной рубашкой 7, дымоходом. Верхняя часть установлена соосно на нижней части корпуса с топкой 1 с герметичным уплотнением - асбестовым шнуром (на чертеже не показан) между нижним фланцем теплообменника 3 и фланцем топки 1. Кроме того, верхняя часть закреплена на опорах 22 подвижно, на резьбовом соединении 21, с возможностью вертикального перемещения по опорам. Дымовая труба дымохода при этом выполнена составной телескопической, так что нижний отрезок дымовой трубы 15, снабженный дымовым шибером 16 и жестко соединенный с верхней частью (коллектором 14) корпуса, выполненной в виде конуса и являющейся частью дымохода, подвижно коаксиально соединен с верхней частью дымовой трубы 17 с возможностью входа внутрь ее при подъеме верхней части корпуса теплоагрегата. При необходимости проведения срочных ремонтных или профилактических работ указанные особенности конструктивного решения предлагаемого теплоагрегата обеспечивают возможность небольшого, на 5-8 мм, подъема (достаточного для разъединения верхней и нижней частей корпуса) верхней части корпуса с теплообменником 3 над его нижней частью и беспрепятственного выдвижения топки 1, без отключения теплоагрегата от системы отопления. Топка 1 выложена изнутри шамотным кирпичом 2 с образованием «чаши» - пространства камеры горения над колосником 25 - и снабжена растопочной дверцей 24, фланцем и косынкой, предназначенной для усиления жесткости конструкции топки. Для загрузки топлива в камеру горения предназначен загрузочный люк с дверцей 27, выполненный в конической части - коллекторе 14. Теплоагрегат отопительный снабжен также краном спускным 26, который предназначен для выпуска воздуха из системы отопления при ее заполнении водой и для выпуска пара, если «котел закипел», и имеет прочистной лючок 28. Водяная рубашка 7 снабжена элементами теплоотдачи 29, выполненными, например, в виде ребер, которые расположены по диаметру в шахматном порядке в несколько (например пять) рядов по высоте. Они способствуют наибольшей теплоотдаче, а также предотвращают возможность схлопывания водяной рубашки 7 при случайном повышении давления внутри водяной рубашки 7 (в системе отопления). На наружной поверхности водяной рубашки 7 аналогично установлены ребра (на чертеже не показаны) для уменьшения скорости продвижения топочных газов и более полной, вследствие этого, отдачи тепла. В нижней трети высоты корпуса теплообменника 3 и водяной рубашки 7, ориентировочно на уровне зоны образования газообразных продуктов термического разложения выполнены отверстия для установки и закрепления воздуховода 5 с шибером воздушным поворотным 6, предназначенным для подвода и регулирования количества воздуха, минимально необходимого для поддержания работы в режиме обратного горения. Размеры загрузочной камеры, в зависимости от назначения, условий эксплуатации и требуемой производительности, выбраны по высоте в интервале от 0,7 до 1,8 метров, по диаметру - в интервале от 400 до 800 мм (соответствующие габариты теплоагрегата при этом от 1,5 до 2,5 метров по высоте, от 600 до 1000 мм по диаметру).
Наличие шибера переключения режимов 18, второго газохода 12, выполнение нижней части с топкой 1, выдвижной и верхней части с теплообменником 3 с возможностью подъема над нижней частью позволяют в предлагаемой конструкции обеспечить возможность длительной и стабильной работы котла непрерывно, без частой дозагрузки топлива и без отключения от системы отопления для техобслуживания и ремонта. Наличие ребер, распределенных по высоте котла и установленных описанным выше образом на обечайках внутренней 8 и наружной 9, водяной рубашки 7, обеспечивает дополнительное повышение теплоотдачи котла и жесткости конструкции.
Предлагаемое устройство, кроме того, имеет меньшие, по сравнению с прототипом, габариты, для обеспечения той же теплоотдачи, и меньшую металлоемкость.
Теплоагрегат отопительный работает следующим образом.
Теплоноситель, охлажденный в системе отопления или горячего водоснабжения, подается на вход предлагаемого устройства по входному патрубку 20 и поступает в полость водяной рубашки 7. Перед загрузкой топлива шибер переключения режимов 18 полностью открыт, растопочная дверца 24 (выполняющая роль поддувала) открыта, шибер воздушный поворотный 6 закрыт, дымовой шибер 16 открыт. Загрузку топлива производят через люк загрузочный с дверцей 27, при этом топливный материал не уплотняют, он поступает в пространство первого газохода 11 (служащего одновременно загрузочной камерой) и распределяется в нем под влиянием собственного веса.
При первичном розжиге полностью загруженный теплоагрегат разжигается через растопочную дверцу 24 бумагой, лучиной и т.д., при этом шибер переключения режимов 18 полностью открыт, растопочная дверца 24 открыта, шибер воздушный поворотный 6 закрыт, дымовой шибер 16 открыт. Розжиг топки 1 и вывод установки в рабочий режим осуществляется на начальном этапе (режим растопки) за счет использования в качестве топлива дров или крупнофракционных древесных отходов.
После начала процесса термического разложения загруженного биотоплива (отслеживание производят по датчикам температуры) шибер переключения режимов 18 прикрывают, тем самым прекращая выход разогретых газообразных продуктов термического разложения в дымовую трубу 17 и далее в атмосферу. При закрытом шибере переключения режимов 18 разогретые газообразные продукты термического разложения подаются сверху вниз в топку 1 для сгорания на обмуровке из шамотного кирпича 2 и дальнейшего прохождения по второму газоходу 12 с выделением тепла, необходимого для нагревания теплоносителя. Подачу дров в топку прекращают, и установка переходит в непрерывный процесс работы с периодической дозагрузкой топлива, по мере его сгорания. Догружают теплоагрегат топливом периодически через определенные значительные (от 6 до 28 часов) промежутки времени, соответствующие условиям соблюдения требуемой температуры теплоносителя в системе отопления и виду топлива.
Конструкция теплоагрегата, как уже указывалось, позволяет реализовать три режима работы; прямое, обратное и совмещенное горение.
При реализации режима прямого горения шибер переключения режимов 18 полностью открыт, растопочная дверца 24 открыта, шибер воздушный поворотный 6 закрыт, дымовой шибер 16 открыт. Этот режим используется при розжиге котла и для быстрого нагрева воды.
При реализации режима обратного горения шибер переключения режимов 18 полностью закрыт, растопочная дверца 24 закрыта, шибер воздушный поворотный 6 открыт полностью или частично. Это режим длительного горения. Время работы с одной загрузки в этом номинальном режиме - режиме обратного горения - до 28 часов.
При реализации режима совмещенного горения шибер переключения режимов 18 приоткрыт, растопочная дверца 24 приоткрыта, шибер воздушный поворотный 6 открыт. Время работы с одной загрузки в этом режиме - до шести часов.
Дымовой шибер 16 обычно открыт и прикрывается в том случае, если необходимо уменьшить мощность теплоагрегата и снизить температуру воды на выходе. При этом прикрывается и шибер воздушный поворотный 6.
В качестве топлива используют дрова, горбыль, срезки, опилки, стружку, щепу, кору, костру льна, резаную солому, листву, бытовой мусор, кусковой торф, сухую торфокрошку, лузгу подсолнуха, жмых, рисовую шелуху и другие биоотходы. В предлагаемом тепдоагрегате отопительном, благодаря конструктивным особенностям достигнут также эффект универсализации потребляемого биотоплива.
Различные режимы горения реализуют по мере необходимости. Так режим прямого горения используют при розжиге и необходимости получения максимальной мощности за малое время, совмещенное - при необходимости плавного перехода от прямого к обратному горению и использовании отдельных видов топлива, например, торфокрошки.
Режим обратного горения используется непосредственно в рабочей эксплуатации как длительный стабильный и устойчивый процесс работы теплоагрегата и получения при этом требуемой номинальной мощности и заданной рабочей температуры теплоносителя. В этом режиме возможно установление минимальной тепловой мощности - около 5 кВт, для этого следует почти полностью прикрыть шибер воздушный поворотный 6 и шибер дымовой трубы 16.
Догружают котел топливом периодически через определенные промежутки времени, соответствующие условиям соблюдения требуемой температуры теплоносителя, но в любом случае тогда, когда в загрузочной камере - газоходе 11, топливо еще не полностью выгорело.
При дозагрузке закрывают растопочную дверцу 24, закрывают шибер воздушный поворотный 6, открывают полностью шибер переключения режимов 18, и только после этого открывают дверцу загрузочного люка 27.
Температуру отходящих газов выдерживают в интервале от 100 до 300 градусов С. При меньших значениях происходит конденсация влаги, дегтя и других составляющих дымовых газов на поверхностях теплообменника 3 и в дымовой трубе 17, что приводит к необходимости внеочередной чистки. Один раз в неделю или чаще зольник очищают от золы через растопочную дверцу 24. Поверхность теплообменника очищают по мере необходимости, но не реже одного раза в год. Чистка производится металлической щеткой, закрепленной на проволоке, через загрузочный люк с дверцей 27 и лючок 28. При необходимости замены колосников 25 или ремонта футеровки из шамотного кирпича 2 теплообменник приподнимают на опорах 22, и топка из-под него выдвигается. Для этого на всех четырех опорах верхние гайки резьбового соединения 21 откручиваются примерно на 5-8 мм, а нижние закручиваются, при этом нижний фланец теплообменника отходит от фланца топки, отлипая от уплотнения, асбестового шнура. При этом желательно заменить прокладку из асбеста.
Котел может работать как на принудительной циркуляции воды с помощью небольшого насоса, так и на естественной циркуляции.
Как видно из изложенного, в предлагаемой конструкции обеспечена возможность длительной, стабильной и экономичной работы теплоагрегата непрерывно, без частой дозагрузки топлива, обеспечены простота и удобство эксплуатации (произвели загрузку топлива и ушли), техобслуживания и ремонта (без отключения от системы отопления), а также достигнута универсализации потребляемого биотоплива (разнообразные биоотходы -дрова, горбыль, срезки, опилки, стружка, щепа, кора, костра льна, резаная солома, листва, бытовой мусор, кусковой торф, сухая торфокрошка, лузга подсолнуха, жмых, рисовая шелуха и другие биоотходы).
Реализация отличительных признаков полезной модели обусловливает получение важного технического результата. Благодаря введенным существенным отличительным признакам и соответствующим конструктивным особенностям выполнения предлагаемое устройство обеспечивает возможность длительной, стабильной и экономичной работы котла непрерывно, без частой дозагрузки топлива и без отключения от системы отопления для техобслуживания и ремонта. Созданное устройство не требует внешних источников энергии, отвечает требованиям экологии, удобно в использовании.
Таким образом, поставленная задача решена.
Промышленная применимость
Разработана документация [4, 5], и изготовлены опытные образцы предлагаемого теплоагрегата отопительного, проведены их успешные испытания. Устройство может быть изготовлено на малых технологических линиях без применения специальных приспособлений и оборудования, из известных материалов. Все это обуславливает соответствие заявляемого технического решения критерию «промышленная применимость». Источники информации
1. Патент США, US 4836115, кл. F23В 7/00, 06.06.1989
2. Патент РФ, RU 2044217, кл. F23В 7/00, 20.09.1995
3. Патент РФ, RU 2171425, кл. F23В 7/00, 27.07.2001, прототип
4. Теплоагрегат отопительный. Технические условия - ТУ 4931-001-95345078-2009, Тверь, 21.12.2009
5. Сертификат соответствия №0056360