Опалювальний котел

1. Опалювальний котел, подвійна стінка якого формує ємність, заповнену водою, який містить камеру згоряння, отвори завантаження палива, відведення диму і видалення золи, патрубки підведення та відведення води, камеру підігрівання повітря, у верхній частині якої розташований отвір для подачі повітря, обладнаний заслінкою, а у донній частині - отвір, через який проходить телескопічний пристрій подачі повітря у камеру згоряння зверху відносно палива, що складається зі щонайменше двох труб різного діаметра, який обладнаний розсіювачем повітря, який відрізняється тим, що U 1 3 представлений водогрійний опалювальний котел, в порожнині корпусу якого встановлений металевий стовбур з лійкою (воронкою), через яку в камеру згоряння завантажують тверде паливо. Продукти згоряння через колосники потрапляють до піддону, звідки видаляються. Окрім основної, котел забезпечений додатковою водяною сорочкою, виконаною у вигляді кільцеподібної камери, розміщеної між металевим стовбуром для завантажування палива і газоходом. Додаткова водяна сорочка має патрубки підведення холодної та відведення гарячої води і створює незалежний додатковий контур, завдяки чому котел може бути застосованим як для опалювання, так і для гарячого водопостачання одночасно. Така здатність котла функціонувати у двох режимах є його безумовною перевагою. Але при цьому слід ураховувати той факт, що кожен режим «відбирає» на себе певну потужність котла, в результаті чого обидва режими є малоефективними. Не дивлячись на те, що котел розрахований на спалювання дров, специфіка його конструктивної побудови дозволяє проходити через завантажувальну лійку лише невеликі полінця, тирсу або тріски. У разі попадання до лійки полінець більшого розміру останні просто застряють у ній. А при використанні у якості палива торфу через високу ступінь його зольності відбувається швидке засмічування колосників продуктами згоряння торфу, через що колосники потрібно часто прочищати. З наведеної інформації можна зробити висновок, що цей котел не може бути віднесений до категорії зручних у користуванні, тим паче на такому паливі, як дрова. Більш раціональним з позиції ефективності роботи є опалювальний котел, описаний в патенті РФ № 92152U1 (MПK8:F24B1/133, F23L9/02, опубл. 10.03.2010 р.). Котел має вертикальний корпус з контуром для робочого агенту, топку з дверцятами завантажування твердого палива і дверцятами видалення золи, камеру попереднього підігріву повітря, телескопічний канал з розподілювальною голівкою для подачі повітря до місця горіння. Особливістю цього котла є те, що він оснащений вентилятором розпалювання та зв’язаним з ним електронним блоком управління, завдяки яким забезпечується дозована подача повітря в топку котла і тим самим оптимізується процес піролізу твердого палива. Головним недоліком цього котла є те, що він перебуває у повній залежності від джерела електричної енергії. У разі відсутності останнього припиняє роботу електронний блок, в результаті чого порушуються умови надходження до топки оптимальної кількості повітря, що може призвести до перегрівання котла через припинення циркуляції теплоносія. Очевидно, що встановлення такого котла у місцях, де мають місце проблеми з енергопостачанням, просто недоцільно. До цього слід додати і те, що наявність у котлі електронного блоку не тільки ускладнює його конструкцію, а і вносить певні незручності, які виникають при виході електроніки з ладу. 57194 4 Перелік недоліків котла доповнює недосконала конструкція розподілювальної голівки телескопічного каналу подачі повітря: габарити голівки є замалими для того, щоб зберігати стійке положення на верхній частині деяких видів твердого палива. Так, при завантажуванні у топку вугілля голівка може провалюватись в осередок горіння. Залежності від джерела електроенергії позбавлений опалювальний котел, описаний в патенті України № 48303U (MПK8 :F23B1/60, опубл. 10.03.2010 р., Бюл. № 5). Він має камеру згоряння, виконану у вигляді двох співвісних циліндрів, телескопічну трубу подачі повітря з розподілювачем та проміжний циліндр з подвійними стінками, проміжок між якими зв’язаний з контуром гарячого водопостачання, виконаним у вигляді змійовика. Проміжний циліндр, відбираючи на себе частину тепла, виконує функцію підігрівача води, яка використовується переважно для господарських цілей. Але нагрівання води в другому контурі відбирає на себе чималу кількість теплової енергії котла, що в цілому знижує ефективність останнього. Крім того, наявність другого контуру ускладнює конструкцію опалювального котла. Розподілювач повітря цього котла виконаний у вигляді диска з внутрішніми отворами. Через центр диска проходить циліндрична голівка, яка також має отвори. Конструкція розподілювача розрахована на подачу повітря у трьох напрямках: в центральну зону горіння, периферійну та у верхню. Але таку форму подачі повітря не можна назвати раціональною, тому що повітряний потік, що надходить до верхньої зони (тобто, над робочою поверхнею палива), практично не бере участі у процесі горіння. Відомий також опалювальний котел, що містить циліндричну камеру згоряння, камеру підігрівання повітря, телескопічну трубу подачі повітря з розсіювачем. У нижній частині камери згоряння встановлені колосникові грати, що відокремлюють камеру згоряння від порожнини збору золи (патент України № 89114С2, MПK8 :F23L1/00, опубл. 25.12.2009 р., Бюл. № 24). Особливістю цього котла є те, що порожнина збору золи сполучена з камерою підігрівання повітря через додатковий повітропровід. Такий конструктивний прийом забезпечує можливість додаткового подання повітря знизу, через колосники, що надає змогу забезпечувати змішування різнонаправлених повітряних потоків у камері згоряння і тим самим ефективно використовувати різні види палива, зокрема, вугілля. Камеру підігрівання повітря оснащено регулятором подачі повітря та терморегулятором, з’єднаним з вентилятором. Основний недолік цього котла полягає в його залежності від джерела електроенергії. Так, ефективність згоряння палива, а, значить, і продуктивність котла перебуває у прямій залежності від ефективності регулювання подачі повітря в камеру згоряння, яка забезпечується роботою вищезгаданих енергозалежних пристроїв - вентилятора, терморегулятора, термодатчика. Ця обставина суттєво звужує сферу використання опалювальних котлів цього типу. Крім того, робота вентилятора 5 орієнтована на різницю температур всередині котла і навколишнього середовища, і в залежності від цієї різниці регулюється величина повітряного потоку, який надходить до камери підігрівання. Але котел, робота якого орієнтована на температуру навколишнього середовища, а температура теплоносія взагалі не враховується, є малоефективним. Камера згоряння котла виконана у формі вертикального циліндру. І, не дивлячись на те, що котел оснащений додатковим повітропроводом, основною функцією якого є забезпечення можливості використання різноманітних видів палива, при завантажуванні дров виникають проблеми, при які було згадано вище - продовгуваті поліна вкрай незручно розміщувати в циліндричній камері згоряння. А у разі використання іншого виду палива - торфу, продукти його згоряння, осідаючи на колосниках, швидко їх зашлаковують, гальмуючи надходження в камеру повітряного потоку знизу. Щодо конструктивної побудови цього котла слід зазначити, що котел є досить складним у виготовленні, що позначається на його вартості та знижує надійність роботи. Як найближчий аналог корисної моделі прийнятий опалювальний котел, подвійна стінка якого формує ємність, заповнену водою, який містить камеру згоряння, отвори завантаження палива, відведення диму і видалення золи, патрубки підведення та відведення води, камеру підігрівання повітря, у верхній частині якої розташований отвір для подачі повітря, обладнаний заслінкою, а у донній частині - отвір, через який проходить телескопічний пристрій подачі повітря у камеру згоряння зверху відносно палива, що складається зі, щонайменше, двох труб різного діаметра, який обладнаний розсіювачем повітря (патент України № 30017U, MПK8 :F23L1/00, опубл. 11.02.2008 р.). Повітря в камеру згоряння цього котла прямим потоком проходить через отвір подачі повітря, камеру підігрівання повітря (проміжний циліндр), телескопічний пристрій подачі повітря та розсіювач. Рухаючись, цей потік перебуває в короткостроковому контакті з переліченими пристроями, тому ефективність його нагрівання є невисокою. Цей недолік є одним із факторів, які обумовлюють невисокий ККД котла. Причиною недостатньо високої продуктивності котла є також недосконалість конструкції розсіювача повітря. Він виконаний у вигляді порожнистого диска, обладнаного перехідником та конусним наконечником. Для сполучення з розсіювачем на поверхнях диска, перехідника та наконечника виконані наскрізні отвори. Такий розсіювач не забезпечує рівномірного та ефективного згоряння палива через нерівномірність подачі повітря до робочої поверхні палива. Наслідком нерівномірності є те, що отвори, розташовані в периферійній частині розсіювача, „продуваються" з меншою інтенсивністю і швидко зашлаковуються, що призводить до необхідності їх прочищення. До недоліків відомого котла слід віднести циліндричну форму його корпусу, яка є вкрай незручною при використанні у якості палива деревних полін, а також те, що котел позбавлений дна. Дном 57194 6 для нього слугує підставка з цегли або вогнетривкого бетону, на якій він встановлений. Експлуатація такого котла пов'язана з ризиком розгерметизації через появу щілин між підставкою та корпусом і проникнення крізь них повітря, а також із ризиком виникнення різного роду пожежонебезпечних ситуацій через ймовірність проникнення іскри через щілини в навколишнє середовище. Недоліком котла є також недостатньо ефективна система регулювання подачею потоку повітря. Так, повітряний потік надходить через спеціальний отвір з клапаном, при цьому величина потоку регулюється ступенем розкриття клапану. Тобто, регулювання повітря здійснюється без прив'язки до температурних показників котла, зокрема, до температури теплоносія, яка є найбільш реальним показником робочого стану опалювального котла. В конструкції котла не передбачено ніяких пристроїв, здатних контролювати величину тиску робочої рідини, що також знижує ступінь безпечності роботи котла, наражаючи його на ризик руйнування стінок при перевищенні тиску за межі допустимого. В основу корисної моделі поставлена задача створення високопродуктивного, конструктивно спрощеного та надійного в експлуатації, зокрема, в умовах, де найбільш доцільним видом палива є дрова, опалювального котла шляхом удосконалення побудови його основних конструктивних вузлів, зокрема, обладнання камери підігрівання повітря внутрішніми пластинами та ребрами, встановлення всередині телескопічного пристрою подачі повітря спірального розсікача, оптимізації форми розсіювача повітря, а також оснащення котла дном, термоманометром та терморегулятором, робота якого зорієнтована на температуру теплоносія, що дозволяє: - підвищити ефективність нагрівання повітряного потоку за рахунок збільшення площі теплообміну та часу його перебування в камері підігрівання повітря та телескопічному пристрої, - досягти більш рівномірного та ефективного згоряння палива за рахунок рівномірного надходження нагрітого потоку через розсіювач повітря до осередку горіння, - забезпечити можливість зручного завантажування та компактного укладання деревних полін в прямокутній камері згоряння, - звести до мінімуму ймовірність розгерметизації котла та контролювати його роботу (зокрема, величину повітряного потоку), орієнтуючись на температуру теплоносія. Поставлена задача досягається за рахунок того, що в опалювальному котлі, подвійна стінка якого формує ємність, заповнену водою, який містить камеру згоряння, отвори завантаження палива, відведення диму і видалення золи, патрубки підведення та відведення води, камеру підігрівання повітря, у верхній частині якої розташований отвір для подачі повітря, обладнаний заслінкою, а у донній частині - отвір, через який проходить телескопічний пристрій подачі повітря у камеру згоряння зверху відносно палива, що складається зі, щонайменше, двох труб різного діаметра, який обладнаний розсіювачем повітря, згідно представ 7 леної корисної моделі, на двох протилежних стінках камери підігрівання повітря рівномірно по їх висоті розташовані металеві пластини, спрямовані зустрічно одна під одною, а в донні частині цієї камери розміщені металеві ребра, спрямовані перпендикулярно пластинам бокових стінок, всередині труби телескопічного пристрою, яка має найменший діаметр, розміщений спіральний розсікач повітря, розсіювач повітря виконаний у вигляді двох перпендикулярно орієнтованих труб з рівномірно розташованими по їх довжині трубчастими відгалуженнями, спрямованими перпендикулярно трубам. Крім того, опалювальний котел має прямокутну форму, оснащений дном, термоманометром і терморегулятором, який відслідковує температуру теплоносія. Вказаний вище технічний результат, який досягається в процесі експлуатації запропонованого опалювального кола, обумовлений ознаками, які відрізняють його від ознак працюючих на деревному паливі подібних котлів, описаних згідно відомого рівня техніки, зокрема, у винаході, прийнятому за найближчий аналог. Так, встановлення на бокових стінках та в донній частині камери підігрівання повітря металевих пластин та ребер сприяє ефективному нагріванню повітряного потоку. Просторова орієнтація пластин вибрана таким чином, щоб потік повітря міг якомога довше затримуватись в порожнині камери. Тобто, чим довшою буде траєкторія його просування в камері, тим більше часу потік буде контактувати з розігрітими пластинами та ребрами, і тим більше розігріється. Такий ефект досягається за умови, коли пластини спрямовані зустрічно на двох протилежних стінках камери і розташовані одна над одною, а ребра на донній частині камери орієнтовані перпендикулярно пластинам. Описана конструктивна побудова камери підігрівання повітря забезпечує подальше надходження до телескопічного пристрою повітряного потоку, який має набагато більшу температуру, ніж потік, описаний в найближчому аналогу. Оснащення телескопічного пристрою спіральним розсікачем суттєво підвищує ефективність згоряння палива і в кінцевому підсумку підвищує ККД котла. Проходячи через телескопічний пристрій, розігрітий в камері підігрівання повітряний потік обтікає спіральні вигини розсікача, відбираючи від нього тепло і додатково нагріваючись. У порівнянні з потоком відомого котла завдяки спіральному розсікачу він затримується в порожнині телескопічного пристрою набагато довше, крім того, рухаючись по спіралі, він частково завихрюється і до розсіювача повітря потрапляє гаряча, з відчутною кінетичною енергією, повітряна маса. Облаштований спіральним розсікачем телескопічний пристрій по-суті виконує функцію додаткової камери підігрівання повітря, завдяки чому підвищується ККД котла. Конструкція розсіювача повітря також є більш ефективною у порівнянні з тією, якою обладнаний телескопічний пристрій відомого котла. Виконання розсіювача у вигляді двох перпендикулярно встановлених труб з рівномірно розташованими по їх 57194 8 довжині трубчастими відгалуженнями забезпечує можливість рівномірної подачі повітря до робочої поверхні палива та створення численних ефективних зон горіння. Всі отвори розсіювача в процесі проходження крізь них повітря перебувають в практично однакових умовах, через що в ньому відсутнє явище швидкого зашлаковування периферійних отворів, яке має місце у відомому винаході. Запропонований опалювальний котел має прямокутну форму - найбільш прийнятну для того, щоб в ній можна було зручно та компактно розміщувати деревні поліна. У порівнянні з описаним в прототипі круглим котлом (який також розрахований на спалювання деревини) пропонований котел завдяки своїй формі має більший ККД та є набагато зручнішим у використанні, оскільки не потребує подрібнення дров на тріски. А це є його вагомою перевагою, завдяки якій прямокутний котел є найбільш доцільним для встановлення в будівлях, особливо тих, що межують з лісовими насадженнями, лісорозробками, деревообробними комбінатами тощо. Очевидно, що при прямокутній формі камери згоряння деревні поліна не тільки зручно завантажувати, а і за рахунок компактного та щільного укладання їх можна розмістити набагато більше, ніж у камері круглої форми. Процес згоряння ущільнених полін протікає довше, і тим самим подовжується ефект теплообміну, а, значить, зростає ККД котла. Перевагою запропонованого опалювального котла є також надійність та безпечність роботи, яка забезпечується оснащенням його дном та контролюючими пристроями - термоманометром та терморегулятором. Котел, який має дно, а не встановлений на підставку, що відіграє роль дна (як в прототипі), в процесі експлуатації не наражається на небезпеку розгерметизації. Йому також не загрожує ймовірність руйнування стінок по причині виникнення недопустимо високого тиску робочої рідини, оскільки остання знаходиться під постійним контролем. Наявність терморегулятора дозволяє контролювати та регулювати кількість повітря, яку потрібно подавати до зони горіння для забезпечення оптимального робочого процесу. Слід зазначити, що робота терморегулятора не пов'язана з температурою середовища, в якому встановлений опалювальний котел, вона повністю зорієнтована на температуру теплоносія. В залежності від показань терморегулятора автоматично варіюється подача повітря, а, значить, і температура теплоносія, що циркулює в системі обігрівання. Таким чином, на вихід котла теплоносій потрапляє з потрібною (завчасно заданою) для користувача температурою. Суть запропонованого опалювального котла пояснюють креслення, на яких зображено: - на фіг. 1 - поперечний переріз котла; - на фіг. 2 - розсіювач повітря, вигляд зверху. Опалювальний котел (фіг. 1) містить камеру згоряння 1, яка має подвійну стінку: внутрішню 2 та зовнішню 3. Порожнину між стінками заповнено водою. У верхній частині камери згоряння 1 вико 9 нано отвір 4 для виходу диму і отвір 5 для завантажування палива. У нижній частині камери згоряння 1 розміщений отвір 6 для видалення золи. Котел має патрубки 7 та 8 для підведення та відведення води. Він оснащений камерою підігрівання повітря 9, у верхній частині якої розташований отвір 10 подачі повітря, обладнаний заслінкою 11. На двох протилежних стінках камери підігрівання повітря 9 рівномірно по висоті одна під одною розташовані металеві пластини 12, спрямовані зустрічно, а на донній частині камери - металеві ребра 13, спрямовані перпендикулярно пластинам 12. У донній частині камери 9 виконаний отвір, через який проходить телескопічний пристрій 14 подачі повітря у камеру згоряння. Телескопічний пристрій 14 являє собою поєднання декількох труб різного діаметру, встановлених з можливістю переміщення одна відносно одної. Всередині труби найменшого діаметру розміщений спіральний розсікач повітря 15. З телескопічним пристроєм 14 сполучений розсіювач повітря, виконаний у вигляді двох перпендикулярно орієнтованих труб 16 з рівномірно розташованими по їх довжині відгалуженнями 17, які мають вигляд невеличких трубок, розташованих перпендикулярно трубам 16 по обидві сторони (фіг. 2). Розсіювач повітря з’єднаний з внутрішньою трубою телескопічного пристрою подачі повітря 14 через трос 18, що виходить назовні опалювального котла. Опалювальний котел має дно 19 і оснащений термоманометром 20 та терморегулятором 21. Запропонований опалювальний котел працює наступним чином: Розсіювач повітря за допомогою троса 18 підтягується до дна камери підігрівання повітря 9. Через отвір 5 для завантажування палива камера згоряння 1 заповнюється паливом (дровами). Після цього опускається донизу трос 18, який утримує розсіювач повітря, так, щоб останній розміщувався на робочій поверхні палива. Паливо розпалюється, рівень його робочої поверхні знижується, і по мірі згоряння палива розсіювач повітря, з’єднаний з телескопічним пристро 57194 10 єм 14, теж опускається донизу. Все тепло, що виділяється в процесі згоряння палива, через стінку 2 передається теплоносію (воді), який циркулює між внутрішньою 2 та зовнішньою 3 стінками опалювального котла. Процес горіння в камері згоряння 1 підтримується повітряним потоком, який проходить через отвір 10 подачі повітря до камери підігрівання повітря 9. Між внутрішньою стінкою 2 опалювального котла і стінками камери 9 існує зазор, у який проникають гарячі димові гази, що прямують від зони горіння до отвору 4 для виходу диму. Ці гази нагрівають стінки камери 9. Послідовно оминаючи розігріті металеві пластини 12 та ребра 13 всередині камери 9, повітряний потік відбирає від них тепло, нагріваючись до високої температури. Він нагрівається ще більше, проходячи через спіральний розсікач повітря 15 телескопічного пристрою 14. Далі гарячий повітряний потік попадає до труб 16 розсіювача повітря і через приєднані до них відгалуження 17 - до осередку горіння. Процес горіння опалювального котла постійно контролюється термоманометром 20 та терморегулятором 21. Потрібна температура теплоносія задається (виставляється тумблером) терморегулятором 21 і підтримується постійною протягом всього робочого процесу котла. Терморегулятор 21 відслідковує температуру теплоносія, він з’єднаний механічно із заслінкою 11. Якщо температура теплоносія на виході з котла стає вищою, ніж задана, заслінка 11 автоматично прикривається і процес горіння уповільнюється. Коли температура знижується, заслінка 11 автоматично відкривається. Всі ці процеси відбуваються механічно і не потребують споживання електроенергії. Викладені в даному описі особливості конструктивної побудови опалювального котла обумовлюють його високі експлуатаційні характеристики. Цей котел, працюючи на такому дешевому, доступному та регенеративному паливі, як дрова, може безперервно функціонувати від 12 годин до чотирьох діб при одному завантажуванні, при цьому його ККД може досягати 90-93%. Він може бути орієнтований на широкий сегмент користувачів, особливо тих, що мають вільний доступ до деревної сировини. 11 Комп’ютерна верстка М. Мацело 57194 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601