КОТЕЛ ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ
CONTINUOUS BURNING BOILER

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно - к области средств генерирования тепловой энергии, и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном хозяйстве и других областях.
Известен серийно выпускаемый котел длительного горения STROPUVA, реализующий способ пиролизного горения. Котел имеет два стальных цилиндра (один внутри другого), с внешним слоем теплоизоляции. Нагреваемый теплоноситель находится в пространстве между цилиндрами. Внутри цилиндра малого диаметра размещена зона горения, обслуживание которой осуществляется через верхнюю и нижнюю дверцы в корпусе котла. Процесс горения в котле происходит в верхнем слое закладки твердого, предварительно доведенного до требуемого размера топлива. В этот слой топлива, через телескопическую трубу с распределителем воздуха подается из специальной камеры подогрева воздух. После сгорания верхнего слоя топлива распределитель воздуха постепенно опускается вниз и его расположение определяет зону горения топлива. Зона горения топлива, по мере его сгорания, перемещается сверху в низ топки. Температура теплоносителя и количество воздуха, подаваемого в зону горения топлива, регулируется битепловым регулятором тяги. Для достижения оптимального теплосъема, между камерой подогрева воздуха и стенками камеры сгорания котла, по всему периметру имеется зазор, по которому дым, омывая камеру нагрева воздуха, поступает в отверстие отводящих газов. (http://stropuva.ru/products/kotel-stropuva/konstniktsiya-kotla/)
Недостатками устройства является наличие в конструкции котла подвижных частей, усложняющих его обслуживание, подогрев теплоносителя только с одной стороны внешнего цилиндра, что уменьшает эффективность передачи тепла теплоносителю, сложная конструкция котла, необходимость в предварительной подготовке топлива, например дров, из-за ограничений на размеры места для его размещения, а также небольшой объем загружаемого за один цикл топлива, что ограничивает время цикла непрерывной работы котла.
Известен твердотопливный отопительный котел длительного горения, содержащий корпус с топочным и зольным отверстиями с газоплотными дверцами, воздухозаборным отверстием, соединенными с ним воздуховодом и распределителем воздуха с механизмом перемещения, и терморегулятор, соединенный с заслонкой, при этом корпус выполнен в виде прямой прямоугольной призмы и разделен перегородкой на топочную и вторичную теплообменную камеры, последняя из которых имеет отверстия в верхней части для сообщения с камерой сгорания и нижней части на уровне зольного отверстия для отвода продуктов сгорания, при этом перегородка выполнена съемной в виде одно- или двухсекционного теплообменника и имеет входные и выходные патрубки, воздуховод выполнен из гофрированной трубы круглого или прямоугольного сечения, распределитель воздуха выполнен разборным, а корпус - из двух половин, соединяемых в плоскости размещения перегородки, причем терморегулятор размещен на выходном патрубке теплообменника контура отопления, а внутри корпуса установлены съемные термостойкие теплоизоляционные листы (RU 2459145 С1, 20.08.2012).
Недостатками устройства является наличие в конструкции котла подвижных частей, усложняющих его обслуживание, необходимость в предварительной подготовке топлива, например дров, из-за ограничений на размеры места для его размещения в котле, а также небольшой объем загружаемого за один цикл топлива, что ограничивает время цикла непрерывной работы котла.
Известен пиролизный котел, принятый заявителем за прототип, содержащий вертикально ориентированный корпус с входом для подачи топлива и выходом для отработанных газов, в нижней части корпуса расположена камера горения, сообщенная с входом для подачи топлива, и расположенная над ней камера дожига, при этом камеры образованы горизонтально ориентированными перегородками, в которых выполнены щели, в нижней части корпуса установлен блок регулируемой подачи воздуха в камеру горения, в средней части корпуса размещен блок подачи вторичного воздуха в камеру дожига, выполненный с возможностью распределения воздуха по объему камеры, а также теплообменный блок, при этом все стенки корпуса выполнены двойными с внешней изоляцией. Котел содержит дополнительную верхнюю камеру дожига, установленную над известной камерой дожига, при этом объем верхней камеры дожига составляет от 8 до 20% от объема нижней камеры дожига, объем нижней части камеры дожига составляет от 8 до 20% объема камеры горения, а для подачи вторичного воздуха в нижнюю камеру дожига использованы инжекторы, подключенные к блоку подачи вторичного воздуха (RU 2528192 С1, 08.07.2013).
Недостатками устройства является необходимость в предварительной подготовке топлива, например дров, из-за ограничений на размеры места для его размещения, а также небольшой объем загружаемого за один цикл топлива, что ограничивает время цикла непрерывной работы котла.
Техническими результатами предлагаемого изобретения являются увеличенная длительность горения вплоть до прохождения всего отопительного сезона на одной закладке топлива за счет совмещения в одной конструкции функции теплогенератора и склада топлива, исключение перегрева стенок корпуса, возможность использования твердого топлива нестандартного размера, твердого топлива с повышенной до 50 процентов влажностью, а также жидкого и газообразного топлива, возможность использования котла в качестве генератора горючего газа, простота конструкции, высокая ремонтопригодность, возможность использования как жидкого, так и газообразного теплоносителя без внесения изменений в конструкцию.
Технический результат достигается тем, что котел длительного горения содержит огнестойкий герметичный теплоизолированный корпус, герметичную дверь на передней стенке корпуса, жаровую трубу, расположенную в нижней части корпуса, перфорированную на своем участке, расположенном ближе к передней стенке корпуса, сообщенную с атмосферой через шибер вторичного дутья, расположенный на передней стенке корпуса, а другим концом соединенную с дымоходом, расположенным в задней части корпуса и являющимся внутренней частью теплообменника, входной и выходной патрубки для теплоносителя которого выходят за пределы корпуса, и шибер первичного дутья, расположенный в нижней части задней стенки корпуса и соединенный с направляющим патрубком, направленным под жаровую трубу вдоль нее.
Кроме того, жаровая труба предпочтительно расположена на равном удалении от боковых стенок корпуса.
Кроме того, наружная труба теплообменника предпочтительно выполнена нетеплоизолированной.
Кроме того, входной и выходной патрубки теплообменника предпочтительно теплоизолированы за пределами корпуса.
Кроме того, в дымоходе после теплообменника и в выходном патрубке теплообменника размещены датчики температуры, показания которых используются для ручной или автоматической регулировки проходных сечений шиберов первичного и вторичного дутья.
Длительный характер горения обеспечивается за счет совмещения в котле функций котла и склада топлива и обеспечения режима пиролизного горения. Горючие газы, образующиеся в результате пиролиза, заполняют внутренний объем корпуса. При использовании твердого топлива, по мере его прогорания в области жаровой трубы, под действием силы тяжести в зону горения опускается новая порция топлива, что приводит к увеличению продолжительности непрерывного цикла работы котла.
Габариты корпуса, достаточные для перемещения человека внутри корпуса, позволяют осуществить единовременную закладку топлива в количестве, позволяющем обеспечить непрерывную работу котла вплоть до прохождения всего отопительного сезона.
Исключение перегрева стенок корпуса обеспечивается за счет удаленности зоны интенсивного горения от стенок корпуса и нахождения невоспламенившегося топлива между жаровой трубой и стенками корпуса.
Значительные габариты котла позволяют использовать в качестве твердого топлива любые сгораемые предметы, в том числе нестандартного размера, например, помещающиеся в котел бревна, срезки, неколотые дрова, пни, хворост, бытовой мусор, что позволяет исключить технологическую операцию по подготовке топлива, например колку дров, или избавляет от необходимости приобретения более дорогостоящего заранее подготовленного топлива. Наличие двери в корпусе обеспечивает удобство загрузки котла негабаритным топливом и облегчает процесс удаления из котла зольных остатков.
Пиролизный характер горения в котле позволяет использовать в нем твердое топливо с повышенной до 50 процентов влажностью. Увлажненное твердое топливо высушивается за счет внутреннего тепловыделения в котле, а образующиеся пары через перфорированную часть жаровой трубы удаляются через дымоход.
При использовании твердого топлива оно размещается во всем объеме корпуса с обеспечением небольшого воздушного промежутка под жаровой трубой, что способствует туннельному характеру горения и газообразования в окрестности жаровой трубы.
При использовании жидкого топлива оно помещается в котел в открытой сверху емкости, располагаемой на дне корпуса. Скорость газообразования в этом случае определяется интенсивностью горения топлива при запуске котла и температурой жаровой трубы в процессе устойчивого горения.
При использовании газообразного топлива оно подается непосредственно в жаровую трубу через форсунку, устанавливаемую на месте шибера вторичного дутья.
Котел может быть использован в качестве генератора горючего газа путем отбора из него пиролизных газов с последующим пропусканием их через фильтр для очистки от твердых примесей. Полученный газ может использоваться как для бытовых целей, так и в качестве топлива для двигателей серийно выпускаемых электрогенераторов (например, при отсутствии центрального электроснабжения).
Значительные внутренние габариты корпуса котла обеспечивают легкий доступ ко всем элементам конструкции для их ремонта или замены. Простота конструкции котла обеспечивает его сравнительно низкую стоимость при высокой эффективности использования теплотворной способности топлива и допускает минимальную квалификацию монтажного, обслуживающего и ремонтного персонала.
Конструкция теплообменника, обеспечивающая сочетание наружного и внутреннего нагрева теплоносителя, позволяет использовать и эффективно нагревать как жидкий, так и газообразный теплоноситель.
Увеличение размеров котла-прототипа до размеров предлагаемого котла не даст совокупности преимуществ заявляемого устройства по следующим основным причинам: вертикальное размещение в конструкции прототипа камер дожига и теплообменника при значительном размере камеры горения, равно, как и более сложная конструкция, делает прототип менее ремонтопригодным по сравнению с заявляемым устройством; режимы горении и дожига в прототипе в отличие от заявляемого устройства осуществляются по всему объему камер горения и дожига, что требует жаропрочного исполнения внутреннего корпуса камер горения и дожига прототипа.
На чертеже изображен в разрезе пример возможной конструкции предлагаемого котла длительного горения. На чертеже представлен вариант загрузки котла твердым топливом и использование теплообменника типа «труба в трубе».
Котел представляет собой огнестойкий герметичный теплоизолированный корпус 1 произвольной формы, например прямоугольный параллелепипед достаточного размера для перемещения в нем человека, с герметичной входной дверью 2 на передней стенке. Жаровая труба 3, закрепленная относительно стенок корпуса, располагается в нижней части корпуса 1 предпочтительно на равном удалении от боковых стенок. Жаровая труба 3 имеет перфорацию на своем участке, расположенном ближе к передней стенке корпуса, но на некотором удалении от нее, и сообщается с атмосферой через шибер 4 вторичного дутья, расположенный на передней стенке корпуса 1. Своим другим концом жаровая труба 3 соединена с дымоходом 5, расположенным в задней части корпуса 1, являющимся внутренней трубой размещенного внутри корпуса 1 на удалении от его стенок теплообменника 6, наружная труба которого выполнена нетеплоизолированной для обеспечения нагрева теплоносителя также и от тепла внутри корпуса и соединена с входным и выходным патрубками 7, 8 для теплоносителя, выходящими за пределы корпуса 1 и теплоизолированными за его пределами для исключения потерь тепла при передаче теплоносителя к потребителю. Шибер 9 первичного дутья расположен в нижней части задней стенки корпуса 1 и соединен с направляющим патрубком 12, направленным под жаровую трубу 3 вдоль нее. Датчик 10 температуры выходящих из котла дымовых газов расположен в дымоходе 5 выше теплообменника 6, датчик 11 выходной температуры теплоносителя расположен в выходном патрубке 8 теплообменника 6. На основании показаний датчиков 10 и 11 осуществляется ручная или автоматическая регулировка проходных сечений шиберов 9 и 4 первичного и вторичного дутья.
Перед началом работы котла через входную дверь 2 осуществляется загрузка топливом, после чего дверь 2 герметично закрывается. Далее закрывается шибер 4 вторичного дутья, открывается шибер 9 первичного дутья и через направляющий патрубок 12 осуществляется поджиг топлива. Через шибер первичного дутья 9 воздух поступает по направляющему патрубку 12 под жаровую трубу 3 и, перемещаясь вдоль жаровой трубы 3 к ее перфорированной части, расположенной вблизи передней стенки корпуса 1, обеспечивает режим туннельного горения топлива в окрестности жаровой трубы 3, далее, вместе с пиролизными газами через перфорированную часть жаровой трубы 3 поступает в ее внутреннюю часть, где после воспламенения пиролизных газов удаляется с остатками горения через дымоход. После достижения устойчивого туннельного горения топлива в окрестности жаровой трубы 3 и пиролизных газов внутри жаровой трубы 3, путем регулировки сечений шиберов первичного 9 и вторичного 4 дутья обеспечивается поддержание требуемой температуры теплоносителя внутри выходного патрубка 8 теплообменника 6, требуемой температуры дымовых газов на выходе дымохода 5, либо требуемого соотношения между температурой на выходе теплообменника 6 и температурой дымовых газов на выходе дымохода 5. Туннельное горение топлива разогревает жаровую трубу 3 и теплообменник 6 снаружи, а выделяющиеся в процессе горения пиролизные газы, проходя через перфорированную часть жаровой трубы 3 и воспламеняясь, изнутри разогревают жаровую трубу 3 и дымоход 5, являющийся внутренней трубой теплообменника 6, обеспечивая после разогрева жаровой трубы значительную интенсификацию процесса газификации топлива и переход котла в рабочий режим.