ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к области теплообменного оборудования, а именно к устройствам для воздушно-жидкостного обогрева помещений различного назначения, и может быть применено в быту и других помещениях для получения горячей воды.
Известно отопительное устройство с бесканальным дымоходом, содержащее топочную камеру, замкнутую колпаковую камеру, колосниковые решетки, поддувало-зольник, поддувальную и топочную дверцы, хайло, свод колпака, дымоход, дымоходную задвижку, тепловоспринимающие стенки. Здесь дымооборот совершается внутри замкнутой колпаковой камеры. В отверстие в дне камеры поступают горячие газы из хайла топки, поднимаются к своду колпака и по более холодным стенкам опускаются вниз. Далее через боковое отверстие уходят в дымоходную трубу. Эта конструкция обладает всеми достоинствами однооборотного дымохода с параллельными опускными каналами, но лишена ее недостатков: в период растопки дым сразу из входного отверстия уходит в выходное, столб холодного воздуха не запирает его. Бесканальный дымоход создает хорошую тягу как при растопке, так и при прогретой печи. Он позволяет обойтись короткой дымоходной трубой (см. B.C.Синельников «Энциклопедия загородного строительства», М., «ЭКСМО», 2008 г., с.330).
Недостатками известного устройства являются то, что устройство предназначено только для воздушного обогрева помещения, нет варочной плиты и жидкостного теплообменника, большой расход твердого топлива, что не очень удобно с эксплуатационной точки зрения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является отопительное устройство, содержащее колпаковую и топочную камеры, стенки которых выполнены из огнеупорного кирпича по контуру корпуса. Топочная камера включает камеру для топки с колосником, расположенным над поддувалом-зольником, дверцу, дымоходную трубу и дымоходную задвижку, дверцу поддувала-зольника. Между топочной и колпаковой камерами установлен теплообменник в виде колосниковой решетки, выполненной из металлических труб, расположенных горизонтально, которые зафиксированы уголками, установленными с наружных стенок топочной камеры. Сверху над теплообменником со стороны дымоходной трубы установлен жидкостный теплообменник с выходным патрубком, а с противоположной стороны снизу теплообменника также установлен жидкостный теплообменник с входным патрубком. Жидкостные теплообменники соединены между собой через входной и выходной патрубки трубой. В топочной камере установлен эжектор, который введен снизу колпаковой камеры через дымоходную трубу. Над колпаковой камерой установлен колпак, стенки которого сбоку и сверху, внутри и снаружи выполнены в виде двойной металлической системы с возможностью подачи между этими стенками жидкостного теплоносителя через входной патрубок колпака. В колпаке сверху установлено сопло для загрузки угля, а на сопло сверху установлена крышка с ручкой. Внутри колпаковой камеры установлен теплообменник в виде колосниковой решетки воронкообразного вида, сужающейся в нижней части колпаковой камеры и выполненной из металлических труб, пронизывающих насквозь стенки колпаковой камеры. В дверце поддувала-зольника камеры для топки выполнен шибер. Отопительное устройство предназначено для отопления помещения как дровами, так и углем, как воздухом, так и жидкостным теплоносителем одновременно. В таком отопительном устройстве при недостаточном количестве поступления воздуха в топочную камеру происходит тление твердого топлива - газогенерация, а в колпаковой камере при подаче достаточного количества вторичного воздуха дожигаются дымовые газы, при сжигании которых выделяется тепло температурой более 1000°С, которые в свою очередь поддерживают горение, сжигание угля любого качества (см. патент RU №2445550, МПК F24C 13/00, F24H 1/46, опубл. 20.03.2012 г.).
К недостаткам прототипа можно отнести то, что в отопительном устройстве помимо дров используется и уголь, при сжигании которого выделяется много сажи и копоти, для чего дополнительно требуется строительство отдельного помещения - котельной, а для подачи теплого воздуха в отапливаемое помещение дополнительно требуется коллектор, который соединяется с рядом нагретых прямоугольных профильных труб с одной стороны и нагнетается с помощью вентилятора, что усложняет монтаж отопительного устройства.
На сегодняшний день актуальность целого ряда применений кирпичных печей практически сошла на нет. За счет уменьшения диапазона назначений разнообразие конструкций печей, возводимой кладкой, уменьшается. С другой стороны, соизмеримо растет их количество за счет разработки новых вариантов конструкций одного и того же назначения, например, тех же отопительно-варочных.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка конструкции отопительного газогенераторного устройства с варочной плитой и конструкции дополнительного аккумулятора тепла с помощью воды и пара, при которой нет опасности заморозить систему, в кирпичном исполнении и с регулируемыми подачами первичного и вторичного воздуха.
Техническим результатом полезной модели является удобство монтажа, кладки отопительного устройства в кирпичном исполнении с каналами для сжигания газогенераторных газов, образованными двумя металлическими пластинами непосредственно в отапливаемом помещении при сохранении высокого значения КПД, следовательно, уменьшение расхода дров во столько же раз, а в случае дополнительного аккумулирования тепла использование жидкостного теплообменника, пронизанного снизу вверх двумя дымоходными трубами, выполненного с боковыми расширяющимися стенками, и двумя, образованными воздушными областями сверху для образования пара при нагревании, которые служат буфером при кристаллизации льда и не дают возможности льду разорвать боковые стенки теплообменника
Технический результат достигается тем, что в отопительном устройстве, содержащем топочную и колпаковую камеры, стенки которых выполнены из огнеупорного кирпича по контуру корпуса, топочная камера содержит загрузочную дверцу с шибером, зольную камеру, дымоходную трубу, дымоходную задвижку, согласно полезной модели, топочная и колпаковая камеры расположены рядом друг с другом, причем топочная камера с дверцей и шибером совмещена с зольной камерой, образуя одну камеру, при этом между топочной камерой и установленной над ней чугунной плитой установлена на двух поперечно расположенных уголках металлическая пластина, которая в совокупности с чугунной плитой образует канал для сжигания газогенераторных газов при подаче вторичного воздуха через дверцу с шибером, установленную в кирпичной стенке на обратной стороне топочной камеры напротив загрузочной дверцы между металлической пластиной и чугунной плитой, причем металлическая пластина установлена с возможностью преобразования топочной камеры: нижнюю - в камеру для газогенерации твердого топлива и верхнюю - в камеру для полного сжигания газогенераторных газов при подаче вторичного воздуха через дверцу с шибером, кроме того вдоль топочной камеры выполнен ряд вертикальных щелей для выхода в дымоходную трубу холодных балластных газов через низ колпаковой камеры, которые не участвуют в дальнейшем процессе горения.
Технический результат достигается также благодаря тому, что в отопительном устройстве, содержащем топочную и колпаковую камеры, стенки которых выполнены из огнеупорного кирпича по контуру корпуса, топочная камера содержит загрузочную дверцу с шибером, теплообменник, дымоходную трубу, дымоходную задвижку, согласно полезной модели, топочная и колпаковая камеры расположены рядом друг с другом, при этом теплообменник установлен над топочной камерой и выполнен в виде резервуара с расширяющимися боковыми стенками и содержит дно, герметичную крышку, две горизонтально расположенные перегородки, которые являются каналом и перевалом дымовых газов и разделяют резервуар: на верхний и нижний, две вертикально установленные трубы, соединенные с одной стороны с дном резервуара, с другой стороны с нижней горизонтально расположенной перегородкой, причем одна труба предназначена для восходящих дымовых газов, а другая труба - для нисходящих дымовых газов, при этом из сообщающейся трубы, соединяющей нижний и верхний резервуары с водой, из двух патрубков: верхнего - для пополнения баланса воды в резервуаре, установленного на такой высоте, чтобы между ними и верхней крышкой резервуара была достаточная воздушная область для образования пара при нагревании воды и кристаллизации льда при замерзании воды, нижнего - для забора нагретой воды из резервуара, установленного ниже уровня нижнего конца сообщающейся трубы таким образом, чтобы в резервуаре всегда был минимальный объем воды и образовалась над ним воздушная область - для пара во время нагрева резервуара с водой и кристаллизации льда при замерзании воды.
Новизной предлагаемого отопительного устройства является то, что:
- установка над топочной камерой и под чугунной плитой прямоугольной металлической пластины для преобразования топочной камеры: нижнюю камеру - в камеру для тления твердого топлива, верхнюю камеру - в канал для сжигания газогенераторных газов при подаче необходимого количества вторичного воздуха через дверцу с шибером;
- между патрубком и верхней крышкой и нижним концом сообщающейся трубы и крышкой нижнего резервуара теплообменника есть замкнутые герметичные воздушные области, составляющие не менее 10% от общего объема теплообменника, где при нагревании образуется пар, который аккумулирует намного больше тепла, чем вода, соответственно, отдает настолько - же много тепла при остывании, и эта же воздушная область служит своего рода буфером при образовании льда и не дает льду разорвать стенки теплообменника при замерзании воды;
- выполнение теплообменника в виде резервуара с расширяющимися боковыми стенками дает возможность аккумулирования большого количества тепла при топке отопительного устройства и отдавать столько же тепла при отсутствии топки за счет нагревания воды и образования пара в резервуаре и не бояться заморозить резервуар с водой в зимнее время;
- сбоку между топочной камерой и колпаковой камерой имеется ряд вертикальных щелей, через которые проходят холодные, балластные газы, не участвующие в дальнейшем процессе горения дымовых газов, транзитом через низ колпаковой камеры в дымоходную трубу, что очень удобно при растопке отопительного устройства, когда температура воздуха снаружи выше, чем в помещении и балластные газы не понижают температуру в топочной камере.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, на которых изображено:
- на фиг.1 - отопительное устройство (вариант 1): a) - вид спереди с частичным разрезом; б) - сечение А-А фигуры а);
- на фиг.2 - отопительное устройство (вариант 2): а) - вид спереди с частичным разрезом; б) - сечение А-А фигуры а); в) - сечение В-В фигуры а).
Отопительное устройство (см. фиг.1) для выполнения первого варианта содержит стенки, выполненные из огнеупорного кирпича по контуру корпуса 1, топочную камеру 2 с загрузочной дверцей 3 с шибером 4 для регулирования подачи первичного воздуха. Топочная камера 2 и колпаковая камера 5 расположены рядом друг с другом, причем топочная камера 2 совмещена с зольной камерой, образуя одну топочную камеру 2. Между топочной камерой 2 и колпаковой камерой 5 в швах кирпичной кладки выполнен ряд вертикальных щелей 6 для прямого прохода «холодных» составляющих дымового газа, которые не участвуют в дальнейшем процессе сжигания дымовых газов в колпаковой камере 5 и не понижают температуру горения дымовых газов. Над загрузочной дверкой 3 с шибером 4 топочной камеры 2 установлена прямоугольная металлическая пластина 7 на двух поперечно расположенных уголках 8, которая плотно примыкает к передней стенке 9 топочной камеры 2. Металлическая пластина 7 установлена с возможностью преобразования топочной камеры 2: нижнюю - в камеру для газогенерации твердого топлива и верхнюю - в камеру для полного сжигания газогенераторных газов при подаче вторичного воздуха Между задней стенкой 10 топочной камеры 2 и прямоугольной металлической пластиной 7 имеется зазор для прохода дымовых газов, сечением не меньше сечения дымоходной трубы 11. В задней кирпичной стенке 10 на обратной стороне топочной камеры 2 на уровне или над уровнем прямоугольной металлической пластины 7 дополнительно установлена дверца 12 с шибером 13 для подачи и регулирования подачи вторичного воздуха в канал 14 для сжигания дымовых газов. Канал 14 для сжигания дымовых газов образован между прямоугольной металлической пластиной 7 и чугунной плитой 15, в конце которого установлено хайло 16, по которому горячие дымовые газы поступают в колпаковую камеру 5. Горячие дымовые газы поднимаются вверх до свода 17 колпаковой камеры 5 и задвижки 18, которая открывается в момент растопки отопительного устройства для прямого прохода дымовых газов в дымоходную трубу 11, чтобы не дымило и закрывается после растопки. Когда задвижка 18 закрыта, горячие дымовые газы отдают тепло своду 17, стенкам колпаковой камеры 5 и опускаются вниз до подвертки 19 дымоходной трубы 11. На уровне подвертки 19 в швы кирпичной кладки дымоходной трубы 11 проложен насквозь колпаковой камеры 5 ряд прямоугольных профильных металлических труб 20, которые нагреваются горячими дымовыми газами. При этом воздух внутри прямоугольных профильных металлических труб 20 нагревается, происходит конвективный теплообмен воздуха на уровне пола. Остывшие дымовые газы через подвертку 19 поступают в дымоходную трубу 11. В дымоходной трубе 11 на уровне свода 17 колпаковой камеры 5 дополнительно установлена вторая задвижка 21, которая открывается в момент растопки отопительного устройства, прикрывается на половину после растопки, когда отопительное устройство в достаточной степени нагрелось и не дымит. Вторая задвижка 21 закрывается полностью по окончании топки.
В отопительном устройстве (см. фиг.2) при выполнении варианта 2 было учтено то, что вода и пар обладают большими аккумулирующими свойствами тепла. Горячая вода всегда необходима в быту, хозяйстве и на производстве. Недостатком водяного отопления является свойство воды расширяться при кристаллизации льда и разорвать стенки труб и радиаторов отопления. При этом вместо чугунной плиты 15 топочной камеры 2 по варианту 1 отопительного устройства устанавливается теплообменник, выполненный в виде резервуара 22 с водой. Резервуар 22 с водой выполнен с боковыми расширяющимися стенками 23, с верхним патрубком 24 и с краном 25 для пополнения баланса воды в резервуаре 22, с нижним патрубком 26 для забора горячей воды из резервуара 22 и смесителя 27 горячей, холодной воды. Верхний патрубок 24 установлен в боковой стенке 23 на такой высоте, чтобы между верхней герметичной крышкой 28 резервуара 22 и поверхностью воды была воздушная область, где образуется пар при нагревании воды и при кристаллизации льда не дает льду разорвать стенки 23 резервуара 22. Резервуар 22 состоит из двух резервуаров: верхнего 29 и нижнего 30, причем к основанию 31 верхнего резервуара 29, к крышке 32 нижнего резервуара 30 установлена сообщающаяся труба 33. Нижний конец сообщающейся трубы 33 находится на такой высоте, чтобы между верхней герметичной крышкой 32 нижнего резервуара 30 и поверхностью воды была воздушная область с такой же целью, что и в верхнем резервуаре 29. Дно 34 и крышка 32 нижнего резервуара 30 соединены между собой двумя металлическими трубами, по одной из них 35 горячие дымовые газы восходят. Затем дымовые газы проходят по каналу 36, образованному горизонтально расположенными перегородками: основанием 31 верхнего резервуара 29 и крышкой 32 нижнего резервуара 29, которые служат каналом 36 и перевалом дымовых газов, отдавая тепло опускаются вниз по другой трубе 37, которая выполнена с изгибом 38 на 90°, вставляется в хайло 16 и герметизируется.
Предлагаемое отопительное устройство (по варианту 1) работает следующим образом. В топочную камеру 2 отопительного устройства через топочную дверцу 3 закладывается твердое топливо. До растопки топлива шибер 4 топочной дверцы 3 оставляется приоткрытым, затем после растопки шибер 4 прикрывается для того, чтобы в топочной камере 2 дрова начали тлеть. Таким образом происходит газогенерация дров. Затем открывается шибер 13 дверцы 12 для подачи вторичного воздуха таким образом, чтобы дым не проходил в отапливаемое помещение. Между металлической пластиной 7 и чугунной плитой 15 в канале 14 сжигания дымовых газов при подаче требуемого количества вторичного воздуха происходит полное сжигание газогенераторных дымовых газов. При этом выделяется тепло более 1000°С, которое через хайло 16 попадает в колпаковую камеру 5, доходит до верхнего свода 17 колпаковой камеры 5, который служит перевалом. В случае, если задвижка 18 открыта при растопке в теплое летнее время дымовые газы сразу попадают в дымоходную трубу 11, а в колпаковой камере 5 не аккумулируется тепло. После растопки в зимний период задвижка 18 закрывается, при этом дымовые газы опускается вниз, отдавая тепло кирпичным стенкам колпаковой камеры 5. Горячие дымовые газы доходя до прямоугольных профильных труб 20 нагревают их, при этом воздух в этих трубах нагревается, происходит конвективный теплообмен. Далее дымовые газы опускаются до подвертки 19 и попадают в дымоходную трубу 11. Дымоходная задвижка 21 открывается полностью при растопке, наполовину прикрывается после растопки, а закрывается по окончанию процесса горения дров, когда отсутствует остаточный угарный газ.
В отопительном устройстве по варианту 2 (см. фиг.2) топочная камера 2 работает аналогично топочной камере 2 по варианту 1.
При этом выделяется тепло более 1000°С, горячие дымовые газы через трубу 35 доходят до основания 31 верхнего резервуара 29 теплообменника. Затем горячие дымовые газы проходят по каналу между 31, 32 и опускаются вниз по второй трубе 37, отдавая тепло теплообменнику. В теплообменнике, заполненном водой не полностью, ее температура достигает до 100°С, затем при дальнейшем повышении температуры вода испаряется и превращается в пар. Затем горячие дымовые газы через хайло 16 (на фиг.2 не показано), так как после вставки трубы 37, 38 хайло 16 заделывается, попадают в колпаковую камеру 5. Процесс тепломассообмена в колпаковой камере 5 происходит аналогично варианту 1 отопительного устройства. Отопительное устройство необходимо растапливать так, чтобы давление пара не повышалось до чрезмерно больших значений.
Затем дымовые газы из выходного отверстия теплообменника опускаются до металлических пластин 7, 15 и далее между ними через хайло 16 попадают в колпаковую камеру 5, где поднимается вверх до свода 17 камеры, отдавая тепло стенкам колпаковой камеры 5, опускается вниз и через подвертку 19 - в дымоходную трубу 11. В случае, если задвижка 18 открыта, дымовые газы транзитом уходят в дымоходную трубу не отдавая тепло в колпаковую камеру 5. Задвижкой 18 пользуются в теплое время года, когда нет необходимости отапливать помещение, есть необходимость только нагревать воду или готовить еду на чугунной плите 15.
Когда нужно аккумулировать тепло с помощью воды и пара в холодное время года, то используется вместо чугунной плиты 15 теплообменник, выполненный в виде резервуара 22 с расширяющимися боковыми стенками 23. Предлагаемое заявляемое отопительное устройство дает возможность переделать обычную отопительно-варочную печь в газогенераторную. При этом убирается поддувало с дверцей, топочная камера 2 опускается вниз и устанавливается вместо него. В топочной камере 2 дополнительно устанавливается металлическая пластина 7 на двух поперечных уголках 8 для того, чтобы дымовые газы сразу не поступали через хайло 16 в дымоходную трубу 11, а сжигались сначала в канале 14 при подаче достаточного количества вторичного воздуха.
Предлагаемое отопительное устройство по сравнению с прототипом (см. патент RU №2445550, МПК F24C 13/00, F24H 1/46, опубл. 20.03.2012 г.) позволяет получить следующие преимущества:
- конструкция проста в изготовлении, профилактике и переделке при необходимости, т.к. разбирается и меняется только верхняя часть топочной камеры, а не вся конструкция отопительного устройства;
- при дополнительном аккумулировании тепла и пара предлагаемая конструкция теплообменника удобна с эксплуатационной точки зрения: не требуется постоянно следить за тем, чтобы не заморозить систему отопительного устройства;
- используя колпаковую камеру и ряд вертикальных щелей между топочной и колпаковой камерами позволяет, во-первых, минимизировать время образования тяги и исключить обратную тягу в отапливаемое помещение в теплое время года; причем холодные, балластные газы не понижают температуру в топочной камере, а транзитом через низ колпаковой камеры поступают в дымоходную трубу, во-вторых, увеличить теплоемкость теплообменника за счет аккумулирования теплоты воды и пара, не сливать воду зимой при отсутствии топки в длительное время.
Кроме того благодаря заявленному отопительному устройству предлагаются простые инструменты для переделки обычных кирпичных печей, которые имеются практически во всех частных домах без централизованного отопления и газа, в газогенераторное отопительное устройство, что увеличивает КПД в несколько раз, соответственно, во столько-же раз экономию дров при отоплении, для чего убираются колосниковая решетка, зольная камера, поддувало, опускается топочная камера с дверцей и с шибером до уровня зольной камеры. Затем в топочной камере под чугунной плитой устанавливается прямоугольная металлическая пластина (плита) для преобразования топочной камеры: в нижнюю камеру - для газогенерации твердого топлива, в верхнюю камеру - для полного сжигания газогенераторных газов при подаче необходимого количества вторичного воздуха через дверцу с шибером. Колпаковая камера в предлагаемом отопительном устройстве служит для аккумулирования тепла.