Изобретение относится к отрасли теплоэнергетики, а именно касается конструкции теплообменных устройств, в частности отопительных котлов на твердом топливе, и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения зданий жилого, промышленного и иного хозяйственного назначения.

Из уровня техники известен отопительный котел, содержащий камеру сгорания, двойная стенка которого формирует емкость, заполненную водой, отверстие для отвода дыма, камеру подогрева воздуха с подводным воздуховодом и отверстием подачи воздуха, оборудованным заслонкой, устройство подачи воздуха в камеру сгорания сверху относительно топлива, оборудованное рассеивателем воздуха, с возможностью перемещения источника воздуха для сообщения с рабочей поверхностью топлива, при этом камера подогрева воздуха дополнительно оборудована регулятором подачи воздуха, соединенным с заслонкой, и дополнительным воздуховодом в камеру сгорания, а также по меньшей мере одним дополнительным источником подачи воздуха, а рассеиватель устройства подачи воздуха оборудован воздуховодными полыми трубами, закрепленными на них отражающими пластинами и ориентированными вниз воздухонаправляющими пластинами, подводящий воздуховод оборудован вентилятором, соединенным с терморегулятором и термодатчиком отверстия для отвода дыма, заслонка отверстия подачи воздуха выполнена подвижной с возможностью управления со стороны регулятора подачи воздуха, кроме того регулятор подачи воздуха содержит рычаг, один конец которого соединен с заслонкой отверстия подачи воздуха, а другой конец соединен с кронштейном, расположенным на внешней поверхности полой стенки камеры сгорания, с регулировочным винтом, при этом опорой рычага является свободный конец консольного стержня, закрепленного на внешней поверхности корпуса котла, воздуховодные трубы рассеивателя воздуха выполнены прямоугольными в поперечном сечении, при этом трубы опираются на рабочую поверхность топлива более широкой гранью, воздухонаправляющие пластины рассеивателя воздуха расположены под углом друг к другу с образованием щели для выхода воздуха, а в дополнительном воздуховоде от камеры подогрева воздуха в камеру сгорания установлена подвижная заслонка [см. патент Украины Ν» 891 14 (С2) из класса МПК ⁹ F23L1/00, опубликованный 25.12.2009 г. в Бюл. 24].

Недостатками известного технического решения являются несовершенство конструкции дополнительного воздуховода подачи воздуха в колосниковую зону камеры сгорания, а также отсутствие возможности регулировать объем подающегося по нему воздуха. Указанные недостатки объясняются следующим: дополнительный воздуховод подачи воздуха в колосниковую зону камеры сгорания непосредственно контактирует с теплоносителем (проходит сквозь емкость, заполненную водой), в результате чего воздух, подаваемый по указанному воздуховоду, дополнительно нагреваясь, расширяется. В результате этого уменьшается его плотность, а следовательно и концентрация кислорода в нем. При этом кислород преждевременно выгорает прямо в воздуховоде, не достигнув зоны сгорания топлива. При отсутствии возможности увеличить объем подачи воздуха в колосниковую зону камеры сгорания это приводит к неполному сгоранию топлива и, как следствие, низкой производительности известного отопительного котла.

Указанные недостатки частично устранены в известном водогрейном твердотопливном котле длительного горения, содержащем корпус с двойной стенкой и полостью для заполнения водой, отверстие для выхода дыма, камеру сгорания, воздуховод с отверстием для подачи воздуха с задвижкой, соединенный с промежуточной емкостью для подогрева воздуха, с устройством для подачи воздуха с рассеивателем воздуха, колосники, отверстие загрузки топлива и отверстие удаления золы с дверцами, который отличается тем, что содержит по меньшей мере два воздуховода с независимыми внешними отверстиями с задвижками, выполненными с возможностью ручной регулировки размера отверстия, причем в воздуховоде, соединенном с промежуточной емкостью для подогрева воздуха, с устройством для подачи воздуха с рассеивателем воздуха, встроен вентилятор и блок управления, а другой воздуховод выполнен с возможностью подачи воздуха под топливо, соединен с промежуточной емкостью для подогрева воздуха отверстием с задвижкой для регулирования размера отверстия или его перекрытия, кроме этого, котел содержит по меньшей мере два съемных рассеиватели воздуха для различных видов топлива, один из которых выполнен с возможностью обеспечения подачи воздуха в зону горения— 40-60%, по краям зоны горения— 20-30%, сверху топлива — 20-30 %, а другой — с возможностью обеспечения подачи воздуха в зону горения — 65-75%, по краям зоны горения — 35-25%, отверстие для выхода дыма оснащено регулятором изменения сечения отверстия, отверстие удаления золы с дверцей выполнено с обеспечением возможности установки и удаления колосников, по меньшей мере одна стенка корпуса выполнена толщиной не менее 4 мм с возможностью выполнения отверстия входа рабочей жидкости, отверстия выхода рабочей жидкости и отверстия для выхода дыма непосредственно при установлении котла на месте эксплуатации, дверцы отверстий загрузки топлива и удаления золы выполнены двойными с размещенным в образованной полости утеплителем, а к корпусу прикреплено дно, выполненное с возможностью установки котла с дистанцией от пола, например на ножки [см. патент Украины Я» 74485 (U) из классов МПК ¹² F23B60/00, F23L1/00, опубликованный 25.10.2012 г. в Бюл. N° 20].

Преимущество конструкции известного водогрейного твердотопливного котла состоит в том, что один воздуховод, направленный в колосниковую зону камеры сгорания, имеет отдельное внешнее входное отверстие с задвижкой, независимое от отверстия другого воздуховода, соединенного с промежуточной емкостью для подогрева воздуха, что позволяет обеспечить независимое регулирование объемов и температур воздуха, подаваемого по обоим воздуховодам, таким образом повышая эффективность сгорания топлива в котле. Однако, поскольку рабочая поверхность воздуховода, направленного в колосниковую зону камеры сгорания, контактирует также и со всеми другими зонами камеры сгорания, недостатком известного технического решения остается проблема избыточного нагрева воздуха, проходящего по указанному воздуховоду, в сравнении с температурой в другом воздуховоде, и как следствие, снижения его плотности, а следовательно и уменьшения концентрации кислорода, что приводит к необходимости увеличивать объемы подачи воздуха. Это снижает энергоэффективность и удобство эксплуатации котла.

Наиболее близким аналогом по количеству существенных признаков и достигаемому техническому результату является водогрейный твердотопливный котел длительного горения, который содержит корпус с двойной стенкой и полостью для заполнения водой, причем по меньшей мере одна стенка корпуса выполнена толщиной не менее 4 мм, камеру сгорания, два воздуховода с независимыми внешними отверстиями с задвижками, выполненными с возможностью ручной регулировки размера отверстия, причем один воздуховод содержит короб забора воздуха с установленным турбонагнетателем, связанным с электронным блоком управления, соединенный с промежуточной емкостью для подогрева воздуха, с устройством для подачи воздуха со съемным рассеивателем воздуха, причем само устройство для подачи воздуха выполнено съемным и установлено с возможностью поднимания и опускания через блок роликов, а рассеиватель воздуха выполнен с возможностью его использования для различных видов топлива и в центральной части содержит средство для погружения в топливо с утолщенными стенками и отверстием для подачи воздуха в топливо и выполнен с возможностью подачи воздуха в топливо вдоль зоны горения по меньшей мере с четырех сторон, а другой воздуховод выполнен с возможностью подачи воздуха под топливо, соединен с промежуточной емкостью для подогрева воздуха отверстием с задвижкой для регулирования размера отверстия или его перекрытия, электронный блок управления, колосниковую решетку, выполненную со свободным пространством с внутренней стороны, причем котел выполнен с возможностью удаления и установки колосниковой решетки, отверстие для выхода дыма, оснащенное регулятором изменения сечения отверстия, отверстие загрузки топлива и отверстие удаления золы с дверцами, причем дверцы отверстий загрузки топлива и удаления золы выполнены двойными с размещенным в образованной полости утеплителем и при этом регулируемыми с возможностью регулирования плотности закрывания, отверстия входа рабочей жидкости и выхода рабочей жидкости с патрубками, прикрепленное к корпусу дно, выполненное с возможностью установки котла с дистанцией от пола, например на ножки, на котором во внутренней части котла расположен слой теплоизоляционного термостойкого материала, при этом котел укомплектован предохранительными клапанами сброса избыточного давления и сброса воздуха для установки на патрубок отверстия выхода рабочей жидкости [см. патент Украины N° 89303 (U) из классов МПК ¹⁴ F23B60/00, F24H1 /48, опубликованный 10.04.2014 г. в Бюл. J ° 7].

В известном техническом решении, как и в предыдущем аналоге, рабочая поверхность воздуховода, направленного в колосниковую зону камеры сгорания, непосредственно контактирует с камерой сгорания, что приводит к чрезмерному нагреванию проходящего по нему воздуха. При этом известная конструкция не предусматривает возможности увеличения и регулирования объема кислорода в указанном воздуховоде. Подача под топливо нагретого разреженного воздуха с низкой концентрацией кислорода, который к тому же еще и выгорает непосредственно в воздуховоде, не удовлетворяет требованиям эксплуатации котла: качество процесса горения является низким, в результате чего топливо сгорает не полностью, что негативно сказывается на тепловой мощности агрегата.

Однако при введении некоторых конструктивных изменений можно решить указанную проблему и при этом достичь существенного повышения производительности и экономичности котла.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать конструкцию водогрейного твердотопливного котла длительного горения и повысить его КПД за счет подачи под топливо охлажденного воздуха, характеризирующегося повышенным содержанием кислорода из-за более высокой, по сравнению с нагретым воздухом, плотности, путем изменения конструкции воздуховода подачи воздуха в колосниковую зону камеры горения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в водогрейном твердотопливном котле длительного горения, который включает корпус с двойной стенкой и полостью для заполнения водой, камеру сгорания, два воздуховода, один из которых содержит короб забора воздуха и выполнен с возможностью принудительного забора воздуха, соединен с промежуточной емкостью для подогрева воздуха, с устройством для подачи воздуха, установленным с возможностью поднимания и опускания через блок роликов и оборудованным рассеивателем возд ха, содержащим средство для погружения в топливо, а другой воздуховод выполнен с возможностью подачи воздуха под топливо, соединен с промежуточной емкостью для подогрева воздуха отверстием с задвижкой, колосниковую решетку, отверстие для выхода дыма, отверстие загрузки топлива и отверстие удаления золы с дверцами, отверстия входа рабочей жидкости и выхода рабочей жидкости с патрубками, согласно изобретению, по меньшей мере часть воздуховода подачи воздуха под топливо расположена за пределами корпуса котла с образованием участка охлаждения воздушного потока и оснащена регулятором подачи охлажденного воздушного потока.

Также, согласно изобретению, часть воздуховода подачи воздуха под топливо, расположенная за пределами корпуса котла с образованием участка охлаждения воздушного потока, оснащена в своей нижней части регулятором подачи охлажденного воздушного потока.

Предложенное конструктивное усовершенствование позволяет избежать прямого контакта по крайней мере основной части воздуховода подачи воздуха под топливо с верхними зонами камеры сгорания, где происходит процесс сгорания топлива, а также с теплоносителем (водяной рубашкой) и утеплителем корпуса котла, и, соответственно, воздушный поток в воздуховоде подачи воздуха под топливо не является настолько разогретым, как в воздуховоде подачи воздуха под топливо аналогов. При этом такая конструкция предназначена для охлаждения воздушного потока, подающегося в нижнюю зону горения. Воздушный поток, поступающий из промежуточной емкости подогрева воздуха в воздуховод, ведущий в колосниковую зону камеры сгорания, проходя сквозь ту его часть, которая находится за пределами корпуса котла, охлаждается (указанная часть воздуховода, как правило, взаимодействует с окружающей средой и функционирует как радиатор) и в охлажденном состоянии подается в колосниковую зону камеры сгорания — непосредственно под топливо. Поскольку охлажденный воздух имеет более высокую плотность, по сравнению с нагретым, концентрация кислорода в нем возрастает, что способствует интенсификации процесса горения и, соответственно, более качественному сгоранию топлива.

Кроме того, предложенное конструктивное усовершенствование способствует эффективности работы самого воздуховода: воздух, охлажденный в соответсвующем участке воздуховода, вынесенном за пределы корпуса котла, становится тяжелее воздуха, нагретого в промежуточной емкости для подогрева воздуха, поэтому он самопроизвольно опускается вниз. При этом регулятор подачи охлажденного воздушного потока обеспечивает оптимальный объем воздуха, необходимый для интенсивного процесса горения и качественного сгорания топлива. Достигнув выпускного отверстия воздуховода, охлажденный воздух попадает в колосниковую зону камеры горения.

При этом предложенное усовершенствование никоим образом не влияет на функционирование других элементов и узлов конструкции, и водогрейный твердотопливный котел длительного горения является безопасным и удобным в эксплуатации.

Перечисленные признаки предложенного технического решения являются существенными признаками заявляемого изобретения, а их совокупность позволяет получить ожидаемый технический результат — увеличение КПД водогрейного твердотопливного котла длительного горения при сжигании любых видов топлива за счет эффективного наполнения нижней зоны камеры сгорания кислородом, что достигается благодаря подаче охлажденного воздуха с повышенным содержанием кислорода из-за более высокой, по сравнению с нагретым воздухом, плотности.

Дальнейшая сущность изобретения объясняется в описании, приведенном ниже как неограничивающий пример со ссылкой на иллюстративный материал, на котором изображено: на фиг. 1 — предложенный водогрейный твердотопливный котел длительного горения в поперечном разрезе; на фиг. 2 — предложенный водогрейный твердотопливный котел длительного горения, вид сверху.

Конструкция предлагаемого водогрейного твердотопливного котла длительного горения предназначена для сжигания различных видов твердого топлива, например угля, дров, соломы, торфа, отходов древесины и др. Предложенный водогрейный твердотопливный котел длительного горения включает корпус 16 с двойной стенкой и полостью, заполненной водой, состоящий из двух цилиндрических труб, вставленных одна в другую, с зазором преимущественно в 16 мм. Стенки корпуса 16 выполнены из металла толщиной не менее 4 мм. Котел оснащен съемной верхней крышкой, соединенной с промежуточной емкостью для подогрева воздуха 2.

Котел содержит два воздуховода с независимыми внешними отверстиями с задвижками, выполненными с возможностью ручной регулировки размера отверстия. Один воздуховод состоит из короба забора воздуха 1, на котором установлен турбонагнетатель 18, связанный с электронным блоком управления, при этом короб забора воздуха соединен с промежуточной емкостью для подогрева воздуха 2, с устройством для подачи воздуха 5, содержащим телескопическую трубу, с рассеивателем воздуха 7. Устройство для подачи воздуха выполнено съемным и установлено с возможностью его поднимания и опускания через блок роликов 19. Электронный блок управления предназначен для включения / выключения и регулирования работы турбонагнетателя в зависимости от того, какая температура выставлена на регуляторе и какую температуру имеет теплоноситель в котле. Котел содержит по меньшей мере один съемный рассеиватель воздуха 7. Рассеиватель воздуха 7 в центральной части содержит средство для погружения в топливо с утолщенными стенками и отверстием для подачи воздуха в топливо, и выполнен с возможностью подачи воздуха в топливо вдоль зоны горения по крайней мере с четырех сторон и имеет четыре патрубка с отверстиями.

Другой воздуховод 4 выполнен с возможностью подачи воздуха под топливо и соединен с промежуточной емкостью для подогрева воздуха 2 отверстием с задвижкой для регулирования размера отверстия или его перекрытия. При этом основная часть воздуховода 4 расположена за пределами корпуса котла 16 с образованием участка охлаждения воздушного потока и оснащена регулятором 20 подачи охлажденного воздушного потока для регулирования его дальнейшей подачи в колосниковую зону камеры сгорания, установленным в нижней части ближе ко входу воздуховода в котел возле колосниковой зоны. В качестве регулятора 20 в одном из возможных исполнений используют задвижку для регулирования размера отверстия воздуховода 4.

Котел также включает отверстие для выхода дыма 3, оснащенное регулятором изменения сечения отверстия, а также отверстие с дверцей 6 для загрузки топлива и отверстие с дверцей 9 для удаления золы, а также установки и удаления колосниковой решетки 1 1. Дверцы отверстий загрузки топлива 6 и удаления золы 9 выполнены двойными с размещенным в образованной полости утеплителем и при этом регулируемыми в любых плоскостях и в любом направлении для регулирования положения дверец с обеспечением их плотного закрывания подтягиванием и / или прижатием т.п., например при «просадке» уплотнителя в процессе эксплуатации, и оснащены уплотнительным средством по контуру дверец, например стекл ово л оконным шнуром толщиной не менее 15 мм. Ручка выполнена винтовой или имеет спиралевидную дотяжку.

Котел включает колосниковую решетку 1 1 , выполненную со свободным пространством с внутренней стороны произвольного профиля, например П- образного. В указанном внутреннем пространстве размещен элемент воздуховода 4 с выпускным отверстием, расположенный в пределах корпуса котла 16 для подачи охлажденного воздушного потока в колосниковую зону камеры сгорания, непосредственно под топливо. Указанная колосниковая решетка 1 1 входит в состав комплекта колосниковой решетки 1 1 для различных видов топлива, причем котел выполнен с обеспечением возможности их удаления и установки.

Котел оснащен глухим днищем 15, прикрепленным к стенкам корпуса 16, выполненным с возможностью установки котла с дистанцией от пола, например на ножки. Во внутреннем пространстве котла на днище 15 размещен слой теплоизоляционного термостойкого материала 17 преимущественно термостойкой кирпича.

Иллюстративный материал также изображает зону горения топлива 8, трос поднятия телескопической трубы 10, установленный на роликах, отверстие выхода рабочей жидкости 12, отверстие входа рабочей жидкости 13 с патрубками. На патрубке отверстия выхода рабочей жидкости 12 установлены предохранительные клапаны сброса избыточного давления и сброса воздуха.

Также котел оснащен терморегулятором, механическим показателем температуры 14, утеплителем внешнего контура 21 и декоративным кожухом 22.

Дальнейшая сущность предложенного изобретения поясняется совместно с наиболее удачным с практической точки зрения, однако не ограничительным, примером его реализации. Предложенный водогрейный твердотопливный котел длительного горения работает следующим образом. Котел устанавливают на место эксплуатации и осуществляют монтаж. С помощью троса поднятия телескопической трубы 10 устройство для подачи воздуха 5 с рассеивателем воздуха 7 поднимают. Трос 10 фиксируют за фиксатор. Затем через отверстие 9 укладывают на днище котла слой термоизоляционного термостойкого материала 17, преимущественно из шамотного или красного кирпича, устанавливают колосниковую решетку 1 1. Через отверстие загрузки топлива 6 в камеру сгорания загружают твердое топливо. На загруженое топливо кладут материал для розжига (древесные опилки, бумага и т.д.). После этого трос 10 снимают с фиксатора и опускают устройство для подачи воздуха 5 с рассеивателем воздуха 7 до упора рассеивателя воздуха 7 в топливо с погружением в топливо средства для погружения в топливо. Перед запуском открывают задвижки на отверстиях для подачи воздуха и для выхода дыма. Затем поджигают материал для розжига, ждут определенный промежуток времени, пока он разгорится, после чего закрывают отверстие 30 загрузки топлива. Далее выставляют на шкале терморегулятора нужную температуру и включают котел в электрическую сеть.

Турбонагнетатель 18, подключенный к блоку управления, нагнетает воздух под давлением в промежуточную емкость для подогрева воздуха 2. С промежуточной емкости для подогрева воздуха 2 часть воздушного потока через устройство для подачи воздуха 5 и рассеиватель воздуха 7 попадает в зону горения. Другая часть воздушного потока поступает в воздуховод 4, проходит по участку воздуховода, расположенному за пределами корпуса котла 16, охлаждается (металлический воздуховод 4 работает как радиатор) и в охлажденном состоянии поступает в колосниковую зону камеры сгорания, дальше через колосники 1 1— непосредственно на нижнюю часть топлива. При чем воздушный поток, поступающий в воздуховод 4, имеет температуру, безопасную для человека, что также проверено экспериментальным путем, и случайное прикосновение человека к воздуховоду не будет приводить к ожогам. При этом регулятор 20 подачи охлажденного воздушного потока обеспечивает возможность регулирования оптимального объема охлажденного воздушного потока и, соответственно, объема воздуха, необходимого для интенсивного процесса горения и качественного сгорания топлива.

В результате этого верхний и нижний воздушные потоки способствуют более эффективному сгоранию топлива, а следовательно и повышению тепловой мощности котла. Тепловая энергия, выделяющаяся от сгорания топлива, через внутреннюю стенку корпуса котла 16 передается воде.

Регулировка интенсивности и продолжительности горения топлива осуществляется с помощью турбонагнетателя, а также за счет изменения величины разрежения в отверстии для выхода дыма 3 и перемещения задвижек впускных отверстий обоих воздуховодов. При необходимости регулируют положения дверец, например, в случае проседания уплотнителя в процессе эксплуатации, или другое, дотягивают винтовую ручку.

Сравнительный анализ вышеуказанного технического решения с наиболее близким аналогом показал, что предложенный в данном изобретении принцип охлаждения воздушного потока, подающегося в нижнюю зону камеры сгорания, и его реализация путем обустройства на воздуховоде, ведущем в указанную зону, соответствующего участка охлаждения воздушного потока с возможностью дальнейшей его подачи непосредственно под топливо, приводят к появлению качественно новых технических свойст, в частности таких:

- увеличение КПД водогрейного твердотопливного котла длительного горения при сжигании любых видов топлива, что достигается за счет более эффективного наполнения нижней зоны камеры сгорания воздухом определенного объема, но с более высокой концентрацией кислорода;

- улучшение транспортной функции воздуховода подачи воздуха под топливо, что достигается за счет обеспечения возможности использования природного свойства охлажденного воздуха опускаться вниз вследствие увеличения плотности и массы. Поскольку совокупность этих свойств не установлена ранее из существующего уровня техники, можно сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию «изобретательский уровень».

При этом в известных источниках патентной и другой научно- технической информации не обнаружено конструкций и образцов водогрейных твердотопливных котлов длительного горения с указанной в предложении совокупностью существенных признаков, поэтому предложенное техническое решение считается соответствующим критерию «новизна».

Кроме того, по результатам проверки на практике, предложенное решение касательно водогрейного твердотопливного котла длительного горения является пригодным для промышленного применения, поскольку не содержит в своем составе никаких конструктивных элементов и материалов, которые невозможно было бы воспроизвести на современном этапе развития науки и техники, в частности, в отрасли теплоэнергетики, а следовательно данное техническое рищення считается соответствующим критерию «промышленная применимость».