ВОДОГРЕЙНЫЙ ТВЁРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЁЛ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использована в котлах с повышенной эффективностью и широкими функциональными возможностями для отопления жилых и производственных помещений.
Известен водогрейный стальной котел Logano S111 фирмы Buderus https://www.buderus.ru/files/201206141404480.service_manual_Buderus_Loga_no S111-2.pdf.
Котел состоит из корпуса, загрузочной камеры с заслонкой, через которую подается топливо, а в холодном состоянии через нее можно чистить котел, топочной камеры, снабженной теплообменными элементами, встряхивающей с помощью рычага колосниковой решетки, зольной камеры с дверцей. За дверцей зольника находится зольный ящик. Благодаря перемещениям рычага встряхивания колосниковой решетки, зола попадает в зольный ящик. Водяная рубашка образована вертикальными боковыми стенками корпуса и стенками загрузочной и топочной камерами. Кроме этого, котел содержит патрубки для подсоединения к системе отопления, патрубок для терморегулятора и указателя температуры воды и дымовыводящего патрубка для соединения с дымоходом. Первичный и вторичный воздух поступает через регулируемую воздушную заслонку дверцы зольной камеры. Вторичный воздух подводится в топочную камеру через канал в охлаждающем ребре. Подача вторичного воздуха не регулируется. Подача третичного воздуха происходит через регулируемые отверстия в боковых стенках котла. Наличие растопочной заслонки позволяет, при разогреве холодного котла, горячие дымовые газы направлять напрямую в дымоход для создания лучшей тяги. Котел снабжен термоманометром, который показывает температуру в котле и давление воды.
Недостатком данного котла является низкая его эффективность. Это обусловлено тем, что в котле осуществляется только режим нижнего горения, в то время как при использовании дров, режим нижнего горения не позволяет получить высокую эффективность сгорания данного топлива. Кроме этого, недостатком является низкая эффективность теплоотдачи топочных газов из-за малых площадей нагрева. Механизм шурования топлива выполнен таким образом, что возможно заклинивание колосниковой решетки и требуется отжать зольным ножом решетку и шуровкой удалить камни и шлак, что снижает удобство обслуживания котла. Котел работает только на твердом топливе и отсутствует возможность использования альтернативных видов энергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату - прототипом, является чешский водонагревательный котел ОРОРН635 https.//gazanet.ru/UserFiles/doc/opop-h6-instruction.pdf. Особенностью этого котла является наличие двух камер, предназначенных для сжигания топлива. Корпус котла сварен из стальных листов, между кожухом и корпусом находится водяная рубашка. Кожух теплоизолирован. На передней стороне корпуса котла находятся дверцы зольника, дверцы загрузки и очистительные заслонки. Загрузочная шахта перекрыта в нижней части колосниковой решеткой. Противоположная стенка шахты, охлаждаемая водой, является перегородкой режима нижнего горения, оборудованная в верхней части опрокидывающейся заслонкой. С помощью этой заслонки производится выбор режима нижнего или верхнего горения топлива. За перегородкой нижнего горения находится камера выгорания. В нижней части камеры выгорания расположена суженная диффузионная часть, в которую по двум охлаждаемым водой патрубкам подается вторичный воздух. В верхней части камеры выгорания находится охлаждаемый водой топочный порог, контактируя с которым продукты сгорания проходят на теплообменную поверхность. Эта поверхность состоит из вертикальных пластин, через которую продукты сгорания двигаются с помощью опрокидывающейся заслонки, которая регулируется рычажком, установленным на верхней боковой стороне котла. Через очистительные заслонки производят очистку пластинчатой теплообменной поверхности.
Недостатками данного котла являются: неэффективная схема теплосъема за счет малой поверхности теплообмена, не созданы условия для получения высокой эффективности сгорания дров в режиме верхнего горения из отсутствия подачи дополнительного воздуха, неудобство очистки внутренних поверхностей котла и удаления сажистых отложений. В котле отсутствует подача третичного воздуха для дожига продуктов горения как для сжигания угля, так и для сжигания дров. Подача первичного воздуха и регулятор тяги находится на задней стенки котла, что создает неудобства в настройке интенсивности горения котла и его обслуживании.
Задачей полезной модели является повышение эффективности работы котла и улучшение условий его обслуживания и эксплуатации.
Техническим результатом, достигаемым данной полезной моделью является увеличение площади теплообмена, повышение эффективности сгорания топлива и увеличение продолжительности его горения, удобное расположение приборов управления.
Указанный технический результат, при осуществлении полезной модели, достигается тем, что водогрейный твердотопливный котел, содержащий корпус, топку, загрузочную и прочистную дверцы, дверцу зольника, расположенную в нижней части корпуса, водяную рубашку, включающую теплообменник, патрубок для отвода дымовых газов, устройство подачи первичного воздуха, устройство подачи вторичного воздуха, колосник с механизмом очистки, патрубки входа и выхода воды, заслонку прямого хода дымовых газов и заслонку выбора режима работы, согласно формуле полезной модели, теплообменник выполнен в виде водонаполненных перегородок, размещенных в корпусе котла и обеспечивает лабиринтное прохождение дымовых газов по трем вертикальным зонам, кроме этого, котел содержит сообщающиеся с атмосферой каналы регулируемой подачи третичного воздуха, при этом, обеспечивается избирательная подача вторичного и третичного воздуха для режимов нижнего и верхнего горения.
Указанный результат достигается также тем, что внутренняя часть загрузочной дверцы защищена металлическим отбойником пламени в виде лотка, отбойник пламени выполнен из жаропрочного материала. Внутренняя часть прочистной дверцы защищена металлическим экраном. Защитный экран выполнен из жаропрочного материала. По меньшей мере одна из перегородок выполнена из огнеупорного материала. В качестве огнеупорного материала может быть использован шамот. Заслонка, перекрывающая неактивную зону в режиме верхнего горения и заслонка выбора режима работы, могут быть, выполнены отдельными элементами. Указанный результат достигается также тем, что патрубки входа и выхода воды из котла установлены на обеих противоположных боковых сторонах котла. Патрубок для отвода дымовых газов оснащен поворотным шибером. Водяная рубашка содержит водонаполненное дно. Ниша для установки блока ТЭНов является частью полости водяной рубашки. Регулятор тяги установлен на боковой стенке котла. Каналы регулируемой подачи третичного воздуха расположены в боковых стенках котла. Подача третичного воздуха регулируется створками.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем существенным признакам заявленной полезной модели отсутствуют. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».
Конструкция теплообменника, включающая три перегородки и создающая лабиринт для движения горячих дымовых газов, позволяет увеличить длину пути их прохождения. При этом развитая поверхность перегородок и внутреннего корпуса котла в целом способствует увеличению теплосъема и эффективному нагреву теплоносителя.
Заслонку выбора режима работы, перекрывающая неактивную зону в режиме верхнего горения (дрова), способствует оптимизации движения дымовых газов для увеличения эффективности горения.
Подача вторичного воздуха в зону первого восходящего потока дымовых газов при сжигании угля и подача вторичного воздуха непосредственно в топку при сжигании дров приводит к эффективному процессу горения с наибольшей эффективностью и создает оптимальные условия горения топлива. Подача третичного воздуха, также, производится в разные зоны котла в зависимости от используемого топлива. Третичный воздух для сжигания угля подается в зону первого восходящего потока дымовых газов, а для сжигания дров в зону нисходящего потока дымовых газов. Данное разделение потоков позволяет подавать воздух в зону, необходимую для дожига дымовых газов, что, в свою очередь, увеличивает эффективность работы котла. Установка блока ТЭНов позволяет нагревать воду в котле, как при горении топлива в котле, так и без него, что расширяет функции котла и удобство при эксплуатации.
Наличие защитных экранов на внутренней стороне загрузочной дверцы и прочистной дверцы увеличивают ресурс работы котла, а выполнение защитного экрана в виде откидывающегося лотка, исключает просыпание топлива при загрузке.
Расположение патрубков входа и выхода воды из котла на обеих противоположных боковых сторонах котла, а также установка регулятора тяги на боковой стенки создают удобство монтажа котла и его эксплуатации.
Наличие водонаполненного дна котла защищает его от прогорания, увеличивая ресурс работы, а также увеличивает пожарную безопасность.
Установка поворотного шибера способствует настройке тяги в дымоходе.
Использование неподвижных колосников позволяет исключить вероятность их заклинивания при прочистке. Механизм очистки колосника может быть автоматизирован.
Конструкция полезной модели представлена на чертежах, где:
на фиг. 1 показан котел в режиме нижнего горения на угле;
на фиг. 2 - котел в режиме верхнего горения на дровах;
на фиг. 3 - вид котла с боку.
Полезная модель поясняется на примере конкретного выполнения.
Котел состоит из внутреннего корпуса 1, в котором расположены поперечные перегородки 2, разделяющие корпус на функциональные зоны: загрузочную шахту 3 она же является и топочной зоной, зону 4 первого восходящего хода газопламенного потока и дымовых газов, зону 5 нисходящего хода дымовых газов и зону 6 второго восходящего хода дымовых газов, по которому дымовые газы отводятся в патрубок 7 дымохода, и наружного корпуса 8, между которыми расположена водяная рубашка 9, включая водонаполненное дно котла. Загрузочная шахта 3 имеет большой объем по сравнению с прототипом, что позволяет увеличить продолжительность горения. Наружные поверхности котла облицованы декоративным панелями (на чертеже не показаны). Патрубки 10 выхода из котла теплоносителя установлены на противоположных боковых сторонах котла в верхней его части и используются для подсоединения котла к системе отопления. Патрубки 11 входа теплоносителя в котел находятся на противоположных боковых сторонах котла в нижней его части. Один из свободных патрубков 11 используется для установки блока ТЭНов. Ниша для установки блока ТЭНов является частью полости водяной рубашки 9. Патрубок 7 дымохода оснащен поворотным шибером 12. Котел оснащен прочистной дверцей 13, предназначенной для прочистки теплообменных поверхностей перегородок 2 и стенок внутреннего корпуса 1. Загрузочная дверца 14 служит для закладки топлива, а зольная дверца 15, закрывающая зольный ящик 16 используется для регулирования процесса горения. Дверца 15 оснащена створкой 17 подачи первичного и вторичного воздуха. Все дверцы имеют коробчатую конструкцию, теплоизолированы и обеспечивают герметичное закрывание. Внутренняя часть загрузочной дверцы 14 защищена экраном 18, выполненным в форме лотка из нержавеющей стали. Во время загрузки топлива защитный экран 18 способствует удобству загрузки топлива, а в закрытом положении выполняет роль отбойника пламени для защиты дверцы 14. Внутренняя часть прочистной дверцей 13 защищена экраном 19 из нержавеющей стали. Направление движения дымовых газов регулируется поворотными заслонками. Заслонка 20 открывает прямой ход дымовых газов в патрубок 7 дымохода, минуя зоны 4, 5 и 6, образованные перегородками 2. При выборе режима работы котла положение заслонки 21, обеспечивает верхнее или нижнее горение топлива. Управление заслонкой 20 осуществляют при помощи рычага. Высокоэффективный процесс горения обеспечивается управляемой подачей воздуха в зону горения. Первичный воздух подают через колосник, который состоит из наклонной и горизонтальных частей 22 и 23 соответственно. Для очистки колосников используется механизм 24 шурования топлива, который приводится в движение рычагом 25, при этом, рычаг может быть установлен как на левую, так и на правую боковую стенку котла. Вторичный воздух проходит в зону горения под колосниками 22 и 23 и далее по воздухоотводным каналам: в режиме нижнего горения по каналу 26 и в режиме верхнего горения по каналу 27, расположенным в загрузочной шахте 3 котла. Третичный воздух для нижнего горения подается в зону 4 первого восходящего хода газопламенного потока через каналы 28, сообщающиеся с атмосферой и расположенные в боковых стенках котла с обеих сторон. Третичный воздух для верхнего горения подается в зону 5нисходящего хода дымовых газов через каналы 29, сообщающиеся с атмосферой и расположенные в боковых стенках котла с обеих сторон. Для регулирования объема подаваемого воздуха, каналы 28 и 29 оснащены створками 30 и 31 соответственно. В нижней части котла на боковых стенках с двух сторон расположены ревизионные люки 32 для удаления сажистых отложений из камеры 34 сбора сажи. Створка 17 подачи воздуха оснащена регулировочным винтом либо подключена к регулятору тяги 33, установленному на боковой стенке котла. При горении дров в режиме верхнего горения, заслонкой 21 перекрывают движение дымовых газов через зону 4.
Котел работает следующим образом.
Заявляемый котел работает на твердых видах топлива и имеет возможность работать в двух режимах. Розжиг котла осуществляют после заполнения системы отопления водой. При выборе угля в качестве топлива, переводят заслонку 21 в режим нижнего горения, через открытую прочистную дверцу 13. Заслонкой 20 открывают прямой ход дымовых газов в патрубок 7 дымохода, что позволяет быстрее прогреть дымовую трубу для создания устойчивой тяги и быстрее достичь рабочей температуры теплоносителя. Каналы 28 и 29 подачи третичного воздуха закрывают створками 30 и 31. Открывают створку 17 подачи первичного воздуха и полностью открывают шибер 12 для обеспечения максимальной тяги. Через загрузочную дверцу 14 на колосники 22 и 23 закладывают бумагу, щепу и дрова для розжига и закрывают дверцу. Через зольную дверцу 15 осуществляют розжиг. Во время интенсивного горения дров, засыпают небольшую порцию угля через загрузочную дверцу 14. Наблюдая за пламенем в топке принимают решение о заполнении загрузочной шахты углем полностью до самого верха. После разгорания пламени заслонку 20 переводят в режим работы и направляют дымовые газы через зоны 4, 5 и 6. Пламя и раскаленные дымовые газы разогревают поверхности внутреннего корпуса 1 котла и поверхности перегородок 2, от которых тепло передается воде, заполняющей внутреннее пространство водяной рубашки 9 и перегородок 2, являющихся теплообменными элементами котла. Контроль температуры теплоносителя осуществляют указателем температуры (на чертеже не показан). Интенсивность процесса горения регулируют с помощью створки 17 подачи первичного и вторичного воздуха, расположенной на зольной дверце 15,изменяя ее положение регулировочным винтом либо регулятором 33 тяги. При этом первичный воздух подается в зону горения через колосник 22 и 23, а вторичный воздух из под колосника устремляется в канал 26, после чего попадает в нижнюю часть зоны 4. Для создания устойчивой тяги, равномерного и полного сгорания угля, необходимо постоянное поступление воздуха в зону горения через колосниковую решетку 22 и 23. В процессе горения, просветы в колосниковой решетке могут забиваться золой и спекшимися остатками угля. Очистку колосников осуществляют механизмом 24 путем качания рычага 25. Кроме этого, поворотным шибером 12 частично перекрывают патрубок 7 дымохода, изменяя силу тяги. Настраивают подачу третичного воздуха через каналы 28, регулируя объем подаваемого воздуха створками 30. Каналы 29 третичного воздуха в рассматриваемом режиме должны быть закрыты. При нижнем горении возможно добавление новой порции топлива в любой момент времени работы котла. Для исключения выброса дымовых газов в помещение при открывании загрузочной дверцы 14, необходимо закрыть створку 17 зольной дверцы 15, заслонкой 20 открыть прямой ход дымовых газов, закрыть створки 30 подачи третичного воздуха. Для эффективной работы котла необходимо очищать теплоотдающие поверхности перегородок 2, которые являются теплообменниками и теплообменные поверхности внутреннего корпуса 1. В результате очистки, сажистые отложения удаляют из камеры 34 сбора сажи через ревизионные люки 32. Удаление золы через колосниковую решетку 22 и 23 осуществляют, периодически приводя в движение механизм очистки 24 с помощью рычага 25. Затем открывают дверцу 15 зольной камеры, извлекают зольный ящик 16 и удаляют золу по мере накопления. Таким образом, обеспечивается оптимальная работа котла при сжигании угля и максимально эффективный и длительный режим его работы. При выборе дров в качестве топлива, переводят заслонку 21 в режим верхнего горения через открытую прочистную дверцу 13 и перекрывают зону 4. Заслонкой 20 открывают прямой ход дымовых газов в патрубоке 7 дымохода. Затем через загрузочную дверцу 14 на колосник 22 и 23 укладывают дрова, полностью заполнив загрузочную шахту 3. Сверху дров помещают бумагу, щепки и поджигают. После разгорания пламени, переводят заслонку 20 прямого хода в положение работы и горячие дымовые газы направляют в зоны 5 и 6. Настраивают подачу третичного воздуха через каналы 29 и регулируют объем подаваемого воздуха створками 31. Каналы 28 третичного воздуха в рассматриваемом режиме должны быть закрыты. Интенсивность горения регулируют подачей первичного и вторичного воздуха створкой 17. Вторичный воздух проходит через канал 27, расположенный на передней стенки загрузочной зоны 3, подогревается горячими топочными газами и теплоносителем, после чего попадает в зону горения. Интенсивность горения также регулируется силой тяги в патрубке 7 дымохода поворотным шибером 12. Удаление сажистых отложений и золы производят так же как в режиме работы котла при сжигания угля.
Предлагаемый котел повышает эффективность горения топлива и увеличивает длительность его горения. Возможность использования различных видов топлива свидетельствует об универсальности предложенного устройства.