ТЕПЛОГЕНЕРАТОР
HEAT GENERATOR

Изобретение относится к теплоэнергетике - к технике генерирования тепловой энергии и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, на транспорте и других областях для автономного водяного отопления и воздушного обогрева, а также горячего водоснабжения жилых и производственных помещений, зданий и сооружений: гаражей, теплиц, хранилищ, ферм, дачных домиков и т.д. Кроме того, изобретение может быть использовано в составе технологических установок для сушки различных материалов.
Известны различные модификации генераторов тепловой энергии, основанных на сжигании твердого, жидкого и газообразного видов топлива.
В частности, известны конструкции печей, работающих на растительном топливе - дровах, являющихся возобновляемым источником энергии.
Известно отопительное устройство для дровяного топлива (патент РФ на полезную модель №20155, МПК F24H 1/28), содержащее топочную камеру, на которой смонтирован кожух с разнесенными по высоте входным и выходным каналами для циркуляции теплоносителя, и помещенный в кожух пучок вертикальных дымогарных труб, сообщенных нижними концами с камерой, а верхними - с дымовой трубой, имеющей подвижную заслонку. На входах дымогарных труб установлены воздушные жиклеры, связанные с атмосферой. Жиклер смонтирован в диффузоре, установленном на входе соответствующей дымогарной трубы, а над диффузором расположен завихритель газового потока. Завихритель выполнен в виде втулки с эллиптическим проходным сечением, определяемым из соотношения d=(0,7-0,8)D, где d - малая ось эллипса, а D - большая ось эллипса, равная внутреннему диаметру дымогарной трубы. В дымовой трубе над заслонкой установлен завихритель газового потока. Кожух внутри разделен по высоте параллельными горизонтальными полуперегородками, расположенными в шахматном порядке. Кожух заполнен пористым теплоемким материалом, например металлической стружкой.
Однако данное устройство не обеспечивает высокого КПД, эффективного теплосъема, длительности процесса горения при единовременной загрузке топлива. Кроме того, конструкция характеризуется сложностью, не позволяющей проводить очистку устройства в процессе его эксплуатации.
Известна печь медленного горения (http://www.seu.ru/programs/ecodom/book/06.htm/), состоящая из корпуса с патрубками подачи воздуха и загрузочным окном для топлива, расположенными в нижней части корпуса, и патрубком отвода дымовых газов - в его верхней части. Корпус перегородкой разделен на две камеры - камеру горения и камеру дожига, в верхней части которого размещена кассета с катализатором. Печь снабжена поддоном для выгрузки золы. Использование в конструкции печи воздуховодов обеспечивает подачу теплого воздуха в помещение для его быстрого нагрева. Кроме того, печи выполнены с возможностью совмещения с суточным водяным аккумулятором. Печь может быть выполнена с возможностью отвода горючего газа для использования для приготовления пищи или выработки электроэнергии.
Однако подобные конструктивные решения печей, как правило, имеют КПД от 55-75%, что не обеспечивает максимально эффективного использования теплоотдачи топлива.
Наиболее близким к заявляемому является отопительное устройство (патент РФ на изобретение №2242679, МПК F24B 5/06), содержащее корпус, имеющий боковые, заднюю и передние стенки, крышку, колосниковую решетку в днище, зольник и дымоход. В корпусе вдоль боковых стенок герметично закреплены в днище и в отверстиях на противоположных боковых стенках перекрещивающиеся вверху конвективные трубы, образующие топочную камеру, состоящую из расположенной внизу топки с дверцей и верхней зоны, и установлены трубки для подачи вторичного воздуха в верхнюю зону. Указанные конвективные трубы имеют открытые торцы, сообщенные с окружающим воздухом. Верхняя часть корпуса с передней стенкой выполнена выступающей вперед над дверцей топки, а в топочной камере топка и верхняя зона образуют единое пространство. При этом вдоль передней и задней стенок корпуса герметично закреплены в крышке и в его днище экранирующие топочную камеру конвективные трубы, имеющие открытые торцы, сообщенные с окружающим воздухом. На наклонных частях перекрещивающихся вверху конвективных труб установлены сверху нижние и верхние газонаправляющие щитки, образующие с ними соответственно нижние и верхние газоходы. Верхние газонаправляющие щитки соединены между собой, образуя двугранный угол, а трубки для подачи вторичного воздуха установлены перед входом в нижние газоходы, изогнуты навстречу потоку воздуха в экранирующих топочную камеру конвективных трубах и закреплены на них.
Однако данное устройство имеет сложную конструкцию, не позволяющую проводить очистку устройства в процессе его эксплуатации. Кроме того, устройство характеризуется недостаточно высоким КПД, не обеспечивает эффективного теплосъема и длительности процесса горения при единовременной загрузке топлива.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке теплогенератора, эффективно использующего тепло при сжигании различного вида топлива любой влажности, позволяющего регулировать его тепловую мощность и обеспечивающего длительность горения топлива.
Технический результат заключается в экономичном расходовании топлива, возможности регулировки подачи воздуха в устройство, эффективном теплообмене теплоносителя и генераторного газа.
Поставленная задача решается тем, теплогенератор содержит вертикально ориентированный корпус с входом для подачи топлива и выходом для отработанных газов, включающий, по крайней мере, три камеры: камеру горения в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига, при этом камеры образованы горизонтально ориентированными перегородками, имеющими зазоры для прохода продуктов горения, расположенными с противоположных сторон корпуса; блок регулированной подачи воздуха, расположенный в нижней части камеры горения; блок подачи вторичного подогретого воздуха в камеру дожига, расположенную непосредственно над камерой горения, и выполненный с возможностью распределения воздуха по объему камеры; теплообменный блок. Блок регулированной подачи воздуха выполнен в виде системы перфорированных подвижных труб, со стороны входа имеющих подвижные заглушки, выполненные с возможностью регулированной подачи воздуха, с противоположной стороны имеющие торцевые стенки, расположенные под углом 30-50° к горизонтальной поверхности. Блок подачи вторичного подогретого воздуха представляет собой канал подачи вторичного воздуха, образованный двойными стенками днища и передней двойной стенкой корпуса, с входом со стороны задней стенки устройства и выходом в средней части камеры дожига. Теплообменный блок представляют собой систему труб, обеспечивающих непрерывность подачи теплоносителя от входа к выходу. Все стенки корпуса выполнены двойными с внешней изоляцией. Зазор между перегородкой, разделяющей камеру горения и камеру дожига, и стенками корпуса выполнен по периметру корпуса, при этом зазор со стороны передней стенки выполнен регулируемым. Верхняя двойная стенка снабжена набором продольных или поперечных перегородок, установленных в полости стенки с возможностью увеличения длины пути теплоносителя. Теплогенератор может быть снабжен водяной рубашкой. Блок регулированной подачи воздуха снабжен выдвижным лотком для размещения перфорированных подвижных труб и сбора твердых продуктов горения. Перфорация может быть выполнена равномерно по поверхности верхней части труб, при этом площадь, занимаемая перфорацией, составляет 2-5% от площади дна камеры горения, а подвижные заглушки выполнены с возможностью размещения в полости перфорированных труб и представляют собой отрезки труб с выемкой и употнительной стенкой с теплоизоляцией и ручкой, при этом отрезок трубы выполнен длиной 1/8-1/6 от длины перфорированных труб, а выемка имеет глубину до 1/2 и длину 70-80% от длины отрезка трубы заглушки. Блок подачи вторичного подогретого воздуха может быть дополнительно снабжен, по крайней мере, одной перфорированной трубой, расположенной в камере дожига, вход которой соединен с выходом канала подачи вторичного воздуха, и заглушенной с противоположной стороны. При этом перфорированная труба блока подачи вторичного подогретого воздуха может быть дополнительно снабжена завихрителями потока, расположенными на каждом перфорационном отверстии, при этом отверстия выполнены равномерно распределенными по поверхности верхней части трубы, а площадь, занимаемая перфорированными отверстиями, составляет 0,5-3,5% от площади дна камеры.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен общий вид спереди в разрезе, на фиг.2 - вид сбоку, на фиг.3-5 - конструкция блока для регулировки подачи воздуха (вид спереди, сверху, сбоку соответственно), на фиг.6 - вид сбоку на регулируемую заглушку. Позициями на чертежах обозначены:
1 - корпус теплогенератора;
2, 3 - перегородки;
4 - камера горения;
5, 6 - камеры дожига;
7 - зазоры между перегородками и стенками корпуса;
8 - шиберная заслонка;
9 - рычаг шиберной заслонки;
10 - дверца загрузочного окна;
11 - перфорированные подвижные трубы;
12 - подвижные заглушки;
13 - торцевые стенки перфорированных труб 11;
14 - выдвижные лотки;
15 - выемка в подвижной заглушке 12;
16 - употнительная стенка заглушки 12;
17 - ручка заглушки 12;
18 - канал подачи вторичного воздуха;
19 - перфорированная труба блока подачи вторичного воздуха;
20 - завихрители потока;
21 - трубы теплообменного блока;
22 - вход теплообменного блока;
23 - выход теплообменного блока;
24 - газоотвод;
25 - шиберная заслонка;
26 - патрубок для слива конденсата.
Устройство содержит вертикально ориентированный корпус 1, полость которого разделена, по крайней мере, двумя горизонтально ориентированными перегородками 2, 3 на три камеры: камеру горения 4 в нижней части корпуса и расположенные над ней две камеры дожига: среднюю 5 и верхнюю 6. При этом камера горения имеет объем, превышающий, по крайней мере, в 2-3 раза объем каждой камеры дожига. Все стенки корпуса могут быть выполнены двойными с внешней изоляцией. Перегородки 2, 3 расположены с зазором 7 по отношению к стенкам корпуса. Зазоры 7 могут быть образованы перегородками и противоположными стенками корпуса для увеличения пути прохождения генераторного газа. Нижняя перегородка 2, отделяющая нижнюю камеру горения 4 от соседней камеры дожига 5, может быть расположена с зазором 7 по периметру корпуса. Зазор 7 со стороны передней стенки корпуса может быть выполнен регулируемым посредством шиберной заслонки 8, снабженным рычагом 9, вынесенным за переднюю стенку корпуса. Стенки корпуса и днище, как правило, выполнены двойными. Боковые, задняя и верхняя стенки корпуса 1 выполнены теплоизолированными от внешней среды, например в виде двойного теплоизолирующего кожуха. При этом в необходимых случаях передняя стенка также может быть выполнена теплоизолированной.
В камере горения выполнено загрузочное окно с герметично закрывающейся дверцей 10 для загрузки твердого топлива и/или ввод для подачи газообразного или жидкого топлива. В нижней части камеры горения 4 расположен блок регулируемой подачи воздуха в количестве, необходимом для протекания каталитических реакций неполного окисления топлива. Блок регулируемой подачи воздуха может быть выполнен в виде системы перфорированных подвижных труб 11, со стороны входа имеющих подвижные заглушки 12, выполненные с возможностью регулированной подачи воздуха, с противоположной стороны имеющие торцевые стенки 13, расположенные под углом 30-50° к горизонтальной поверхности. Блок регулированной подачи воздуха может быть снабжен одним или несколькими выдвижными лотками 14 для размещения перфорированных подвижных труб 11 и сбора твердых продуктов горения. Перфорация выполнена равномерно по поверхности верхней части труб, при этом площадь, занимаемая перфорацией, составляет 2-5% от площади дна камеры горения. Подвижные заглушки 12 выполнены с возможностью размещения в полости перфорированных труб 11, например, в виде отрезка труб с выемкой 15 и употнительной стенкой 16 с теплоизоляцией (например, асбестовой) и ручкой 17. При этом отрезок трубы подвижной заглушки 12 выполнен длиной 1/8-1/6 от длины перфорированных подвижных труб 11, а выемка 15 имеет глубину до 1/2 диаметра и длину 70-80% от длины отрезка трубы подвижной заглушки. Теплогенератор снабжен блоком подачи вторичного подогретого воздуха в камеру дожига 5, представляющим собой канал 18 подачи вторичного воздуха, образованный двойными стенками днища и передней двойной стенкой корпуса, с входом со стороны задней стенки устройства и выходом в средней части камеры дожига 5. Блок подачи вторичного подогретого воздуха может быть дополнительно снабжен, по крайней мере, одной перфорированной трубой 19, расположенной в камере дожига 5, вход которой соединен с выходом канала подачи вторичного воздуха, и заглушенной с противоположной стороны. Перфорированная труба 19 блока подачи вторичного подогретого воздуха дополнительно снабжена завихрителями потока 20, расположенными на каждом перфорационном отверстии, при этом отверстия выполнены равномерно распределенными по поверхности верхней части трубы, а площадь, занимаемая перфорированными отверстиями, составляет 0,5-3,5% от площади дна камеры.
Теплосъем с генератора может быть обеспечен различными способами с использованием водяного или воздушного теплоносителя. При использовании водяного теплоносителя теплогенератор снабжен водяной рубашкой, при этом стенки корпуса, представляющие собой теплообменные элементы, выполнены двойными из листового материала. Возможен вариант выполнения теплогенератора, в котором боковые и задняя стенки образованы системой труб 21, обеспечивающих непрерывность подачи теплоносителя от входа 22 к выходу 23. В последнем случае верхняя стенка выполнена также двойной и снабжена набором продольных или поперечных перегородок, установленных в полости стенки с возможностью увеличения длины пути теплоносителя. При использовании воздушного теплоносителя теплосъем обеспечивается двойными стенками корпуса. Для увеличения теплосъема перегородки 2, 3 также могут быть выполнены двойными из листового материала и иметь перегородки. В верхней части корпуса расположен выход для отработанных газов - газоотвод 24, смещенный за пределы корпуса для организации тяги и снабженный шиберной заслонкой 25 и патрубком для слива конденсата 26. Газоотвод выполнен с возможностью чистки его внутренней поверхности от твердых отложений. Возможен вариант исполнения теплогенератора для работы на жидком и газообразном топливе. При этом устройство снабжено газовой горелкой с каналом подвода топлива.
Устройство работает следующим образом.
Осуществляют розжиг и прогрев теплогенератора при выдвинутом лотке 14 и выдвинутых заглушках 12 до достижения необходимой температуры теплоносителя (50-60°С). Затем осуществляют основную загрузку твердого топлива через загрузочное окно, задвигают лоток 14, оставляя подвижные заглушки 12 открытыми. При этом для основной загрузки может быть использовано твердое топливо с влажностью до 60%. Через 5-10 мин заглушки 12 закрывают, обеспечивая тем самым ограничение подачи воздуха, в результате работа теплогенератора переходит в режим беспламенного горения. При этом в камере горения 4 происходит активное тление топлива с образованием генераторного газа.
Образующийся в камере сгорания 4 генераторный газ поступает в среднюю камеру дожига 5 через зазоры 7 между перегородкой и стенками камеры. Вторичный воздух по каналу 18 поступает в зону средней камеры, смешивается с образовавшимся генераторным газом, осуществляя его доокисление. При наличии в этой камере перфорированных труб 19 блока подачи вторичного воздуха эффективность дожига (доокисления) увеличивается. Затем генераторный газ поступает в верхнюю камеру 6, где завершается процесс дожига. Отходящие газы выводятся из устройства через газоотвод 24. Шиберной заслонкой 25 регулируют гидродинамику газового потока, дополнительно обеспечивая пожаробезопасность теплогенератора. По мере образования генераторного газа и его продвижения к выходу осуществляется теплообмен с теплоносителем.
Проведенные исследования по сжиганию различных топлив показали, что использование заявляемой конструкции теплогенератора позволяет повысить КПД до 95%.
Заявляемый теплогенератор может работать на различных видах топлива любой влажности (газ, торф, дрова, щепа, ветки, опилки).
Таким образом, многоступенчатое сжигание, низкотемпературный и длительный режим горения (8-24 часов на одной загрузке топлива), снижение коэффициента избытка воздуха обеспечивают высокую эффективность теплогенератора.
Пример 1. Был изготовлен опытный образец теплогенератора с использованием воды в качестве теплоносителя, технические характеристики которого приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Номинальная тепловая мощность, кВт
25
Площадь отапливаемого помещения, м<sup>2</sup>
200
Время горения одной загрузки, ч
8-16
Масса топлива (дров) одной загрузки, кг
25
Вес установки, кг
250
Средний часовой расход дров на 1кВт, кг
0,1-0,3
Габаритные размеры, мм
1500×560×1100
Температура отходящих газов в среднем, °С
140
Влажность топлива, мас.%
30-40
Изготовленное устройство было подключено к емкости с водой, выполняющей функцию отопительной системы, из которой происходил забор и возврат воды для обеспечения циркуляции теплоносителя с использованием насоса. Теплота горения топлива в теплогенераторе за счет теплопроводности передавалась воде, подаваемой под давлением в трубы теплообменника по нагнетательной линии. Из теплообменника нагретая вода возвращалась в емкость с водой.
При проведении экспериментов были использованы следующие виды топлив: природный газ, древесина (сосна).
На базе заявленной конструкции могут быть изготовлены теплогенераторы различной мощности - водогрейный котел, воздухонагреватель, позволяющий осуществлять прямой нагрев помещения нагретыми газами.
Пример 2. Был изготовлен опытный образец теплогенератора с использованием воздуха в качестве теплоносителя, технические характеристики которого приведены в Таблице 2.
Таблица 2
Номинальная тепловая мощность, кВт
2
Площадь отапливаемого помещения, м<sup>2</sup>
10-16
Время горения одной загрузки, ч
4-6
Масса топлива (дров) одной загрузки, кг
2-3
Вес установки, кг
24
Средний часовой расход дров на 1кВт, кг
0,1-0,2
Габаритные размеры, мм
460×380×220
Температура отходящих газов в среднем, °С
140
Влажность топлива, мас.%
30-40
Испытания показали, что достигнутые параметры обеспечивают высокое КПД устройства, длительный режим горения (до 24 часов на одной загрузке топлива), что подтверждает высокую эффективность заявляемого теплогенератора.
Таким образом, заявляется теплогенератор, характеризующийся:
- высоким коэффициентом полезного использования топлива (около 95%);
- универсальностью, выраженной в возможности использования без переналадки установок топлив (в том числе низкокачественных и некондиционных) с изменяющимися в широком диапазоне свойствами;
- отсутствием длительной работы в подготовительном режиме.