Твердотопливный котел длительного горения

Полезная модель относится к области отопления, а именно к устройствам сжигания топлива в твердотопливных котлах.
Известен твердотопливный котел длительного горения (см. патент RU 29989U1), включающий корпус с двойными стенками, образующими ёмкость теплоносителя, топочную и зольно-поддувальную камеры с дверцами и расположенный за камерами двухступенчатый теплообменник, полости вертикальных экранов которого соединены с ёмкостью теплоносителя. Недостатком известного технического решения являются низкая эффективность теплопередачи из-за наличия в системе котла только естественной конвекции воздуха, отсутствие искусственной вентиляции не позволяет контролировать процесс горения топлива. Также недостатком является скопление большого количества конденсата в нижней части теплообменника, вызванного длительным и неравномерным прогревом теплоносителя в котле, в результате того, что горячие дымовые газы, проходя по теплообменнику сверху вниз, соприкасаются с холодной частью теплообменника. К недостаткам конструкции известного котла также можно отнести повышенную трудоёмкость обслуживания котла, обусловленную необходимостью частой очистки теплообменника от продуктов горения.
Известен твердотопливный котел длительного горения (см. патент RU 168146 U1), включающий корпус с двойными стенками, образующими емкость теплоносителя, топочную камеру с дверцей и заслонкой, зольную камеру, колосники, теплообменник, расположенный над топочной камерой и выполненный в виде ступенчатого канала, стенки которого наклонены относительно горизонтальной плоскости и дымоход. По сравнению с предыдущим техническим решением по патенту RU 29989 U1 известный котёл лишен недостатка в виде образования конденсата по причине того, что теплообменник расположен в верхней части котла над топочной камерой, где более быстро и равномерно происходит прогрев теплоносителя. Недостатками известного технического решения являются отсутствие какого-либо устройства предназначенного для регулирования поступления воздуха в топочную камеру, а так же низкий КПД, обусловленный частым засорением поверхностей теплообменника.
Наиболее близким техническим решением, принятым в настоящей заявке за прототип, является твердотопливный котел длительного горения по патенту RU 196392 U1. Известный котёл включает корпус с двойными стенками, образующими емкость теплоносителя, вентилятор, входной и выходной патрубки, обеспечивающие подвод и отвод теплоносителя, дымовую трубу, топочную и зольную камеры, разделённые колосником и теплообменник, расположенный над топочной камерой и выполненный в виде вертикально расположенного ступенчатого канала прямоугольного сечения. Наличие вентилятора в конструкции известного котла значительно улучшает процесс поступления и распределения воздуха в камеры котла. Существенным недостатком известного котла является конструкция теплообменника, в которой дно канала образовано наиболее широкой стороной канала, а короткие стороны канала образуют его высоту. Такая конструкция приводит к тому, что значительная часть продуктов горения, поступающая из топочной камеры в теплообменник, вследствие небольшой высоты осаждения частиц не успевает покинуть канал через дымовую трубу и оседает на дне канала. Это приводит к ухудшению теплопередачи и довольно быстрому снижению КПД котла и соответственно к дополнительным операциям по очистке котла. Недостатками прототипа являются конструктивные особенности не  позволяющие выполнить канал теплообменника из более чем четырёх ступеней, что ведёт к ограничению по мощности и типоразмерам вариантов исполнения известного котла. В таком конструктивном исполнении котлы мощностью свыше 150 кВт требуют увеличения количества ступеней теплообменника и получаются слишком высокими и неудобными в эксплуатации и обслуживании.
Задачами настоящей полезной модели является разработка твердотопливного котла длительного горения лишенного недостатков известных технических решений, повышение КПД, а также снижение трудозатрат на его обслуживание.
Поставленная задача решается созданием твердотопливного котла длительного горения, содержащего корпус с двойными стенками образующими емкость теплоносителя, выходной патрубок дымохода, загрузочную дверцу, выгрузочную дверцу, дверцу зольника, окно подачи воздуха, колосники, теплообменник, расположенный над топочной камерой. Теплообменник выполнен в виде горизонтально расположенного ступенчатого канала прямоугольного сечения, ступени которого расположены в один ряд, при этом пара коротких сторон прямоугольного сечения канала расположена горизонтально, пара длинных сторон прямоугольного сечения канала расположена вертикально, а передняя торцевая стенка теплообменника оборудована лючком, доступ к которому обеспечивается через загрузочную дверцу.
Частные варианты реализации полезной модели:
твердотопливный котел длительного горения, в котором теплообменник выполнен в виде двух-, четырёх- или шестиступенчатого канала;
твердотопливный котел длительного горения, в котором колосники выполнены полыми, а их полости соединены с ёмкостью теплоносителя;
твердотопливный котел длительного горения содержит вентилятор;
твердотопливный котел длительного горения содержит воздуховодные каналы и форсунки;
твердотопливный котел длительного горения, в котором форсунки расположены под углом к стенкам корпуса;
твердотопливный котел длительного горения содержит зольную камеру;
твердотопливный котел длительного горения, в котором передняя торцевая стенка теплообменника выполнена под углом к горизонтали;
твердотопливный котел длительного горения, который содержит, по меньшей мере, один дополнительный лючок.
Суть полезной модели раскрыта на рисунках и в описании.
Фиг. 1 - Вид твердотопливного котла длительного горения спереди.
Фиг. 2 - Вид твердотопливного котла длительного горения сбоку.
Фиг. 3 - Вертикальный разрез корпуса твердотопливного котла длительного горения.
Фиг. 4 - Вертикальный разрез корпуса твердотопливного котла длительного горения.
Фиг. 5 - Горизонтальный разрез теплообменника.
На фиг. 1 показан вид спереди, а на фиг.2 вид сбоку твердотопливного котла длительного горения, который содержит корпус (1), вентилятор (2), воздуховодные каналы (3), выходной патрубок дымохода (4), загрузочную дверцу (5), выгрузочную дверцу (6), дверцу зольника (7).
На фиг. 3 показан вертикальный разрез А-А твердотопливного котла длительного горения, на котором содержатся форсунки (9), окно подачи воздуха (10), колосники (11), теплообменник (12), расположенный над топочной камерой (13), и зольная камера (14). Теплообменник (12) также как и корпус (1) выполнен с двойными стенками, образующими ёмкость теплоносителя. Ёмкость теплоносителя в корпусе и в теплообменнике показана на фигурах штриховкой. За счёт расположения теплообменника (12) над топочной камерой (13) обеспечивается более равномерный и быстрый прогрев теплообменника (12). Колосники (11) могут быть выполнены в виде полых конструкций и соединены с ёмкостью теплоносителя, что позволит увеличить площадь теплообмена и повысить КПД котла. Торцевая стенка (17) теплообменника (12) наклонена к горизонтальной плоскости и оборудована двумя лючками (18). Такая компоновка позволит сократить количество дверец на корпусе (1) твердотопливного котла длительного горения до трёх, что соответственно увеличит полезную площадь теплообмена, снизит потери тепла и сократит трудозатраты на установку дверец на корпусе котла. Загрузочная дверца (5), помимо наполнения топочной камеры (13) твердым топливом, предназначена для того, чтобы обеспечить доступ для обслуживания и прочистки канала теплообменника (12).
Форсунки (9) соединены с воздуховодными каналами (3) и обеспечивают поступление воздуха в топочную камеру (13), при этом установлены под углом 45 градусов к стенкам корпуса (1) и направлены вниз. Такой наклон форсунок (9) необходим для того, чтобы подавать воздух непосредственно в зону горения твердого топлива, так как при горении объём топлива в топочной камере (13) постепенно уменьшается.
На фиг. 4 показан вертикальный разрез Б-Б корпуса (1) твердотопливного котла длительного горения, на котором изображён теплообменник (12), выполненный в виде четырёхступенчатого канала. Каждая ступень канала в вертикальном сечении образует прямоугольник, который содержит пару коротких сторон (15), расположенных по горизонтали, и пару длинных стороны (16), расположенных по вертикали. При такой форме и расположении канала существенно уменьшается степень засорения теплообменника (12), так как значительная часть продуктов горения, попадающих в теплообменник (12) из топочной камеры (13) вследствие большей высоты осаждения частиц, по сравнению с прототипом, не успевает осесть на дно канала и вылетает наружу. При этом оставшаяся часть продуктов горения будет оседать на гораздо меньшей площади, образующей дно канала теплообменника (12) и, соответственно, поверхность засорения будет значительно меньше, чем у прототипа, что приведёт к незначительному снижению теплопередачи.
В результате испытания опытных образцов было определено рекомендуемое соотношение сторон сечения канала теплообменника (12). Длина вертикальной стороны прямоугольного сечения канала должна, по меньшей мере, в два раза превышать длину горизонтальной стороны сечения канала.
На фиг. 5 на горизонтальном разрезе В-В теплообменника (12) показан путь дымовых газов в канале теплообменника (12). Разогретые дымовые газы попадают в ступенчатый канал теплообменника (12) непосредственно из топочной камеры (13) через входное отверстие, горизонтальной “змейкой” проходят ступени теплообменника (12), на которых отдают тепловую энергию теплоносителю и выходят через выходной патрубок дымохода (4) наружу.
Твердотопливный котел длительного горения работает следующим образом.
Через загрузочную дверцу (5) в топочной камере (13) на колосниках (11) размещают твердое топливо, например дрова или уголь, поджигают его сверху и закрывают загрузочную дверцу (5). На контроллере (не показан) выставляют необходимую температуру теплоносителя и запускают работу котла. Для распределения и подачи воздуха по топочной камере (13) и зольной камере (14) на корпусе (1) смонтированы воздуховодные каналы (3). Контроллер управляет работой вентилятора (2), который подает воздух через окно подачи воздуха (10) в зольную камеру (14), при этом основная часть воздуха проходит снизу вверх через колосники (11) через весь объём загруженного топлива. Чтобы обеспечить более эффективное горение топлива в топочную камеру (13) через форсунки (9), расположенные под углом 45 градусов к горящему слою топлива, подаётся дополнительная часть воздуха. Процесс подачи воздуха происходит до момента, пока температура теплоносителя не достигнет заданной на контроллере. Как только температура достигает заданной на контроллере, вентилятор отключается и котел выходит в режим тления. После того как температура опускается ниже выставленной на контроллере, вентилятор снова включается и нагнетает в топочную камеру (13) необходимый объём воздуха, что способствует розжигу топлива и повышению температуры. Таким образом, процесс повторяется до тех пор, пока есть топливо в топочной камере (13). Выделяемые в процессе горения дымовые газы передают тепловую энергию циркулирующему между двойными стенками корпуса (1) теплоносителю, например, воде. Далее дымовые газы из топочной камеры (13) попадают в ступенчатый канал теплообменника (12), огибают его стенки, передавая через них тепловую энергию теплоносителю. При этом большая часть продуктов горения, благодаря разработанной конструкции теплообменника (12), выполненного в виде горизонтально расположенного ступенчатого канала прямоугольного сечения, большие стороны (16) которого размещены по вертикали и образуют высоту канала, не оседает на дне теплообменника (12), а вылетает вместе с остывшими дымовыми газами наружу через выходной патрубок дымохода (4). Чистку котла производят через выгрузочную дверцу (6), а мелкие продукты горения, такие как, например зола, извлекают из котла через дверцы зольника (7). При необходимости канал теплообменника (12) может быть прочищен через открытые лючки (18), доступ к которым обеспечивается через загрузочную дверцу (5).