Теплогенератор

Реферат: Винахід стосується теплових пристроїв, які працюють на твердому паливі і можуть бути використані для побутового і промислового опалення. Твердопаливний теплогенератор має прямокутний корпус з подвійними стінками та перегородкою у вигляді порожнистої полки, утвореної внутрішньою частиною подвійної стінки, яка розділяє топку по висоті на камеру згоряння і камеру допалювання. У камері допалювання паралельно перегородці та впоперек потоку продуктів згоряння розміщений трубчастий теплообмінник. Стінки і перегородка з’єднані між собою і утворюють ємність для теплоносія. UA 114924 C2 (12) UA 114924 C2 Теплогенератор також має вузли подачі і виведення теплоносія. Порожнина подвійних стінок сполучена з отвором перфорованого патрубка підведення повітря до камери допалювання, причому патрубок розміщений вздовж трубчастого теплообмінника, а отвір перфорованого патрубка знаходиться в зоні вузла подачі теплоносія, виконаного у вигляді регульованого джерела теплоносія з надлишковим тиском, спорядженим регулятором тиску, з патрубком, розміщеним в верхній частині топки. Регульоване джерело повітря для спалювання виконане у вигляді нерухомого сопла, розташованого під порожнистою полицею по центру у верхній частині камери згоряння, і через повітровід додатково споряджене вентилятором і регулюючим тиск пристроєм. Вузол виведення теплоносія виконаний з можливістю виміру температури теплоносія і зв’язку з регульованим джерелом теплоносія з надлишковим тиском і регульованим джерелом повітря для спалювання. Теплогенератор також має отвір для відводу диму в верхній частині корпусу, дверцята для завантаження палива та дверцята для видалення золи. Забезпечується оптимізація режиму роботи теплогенератора, зокрема скорочення часу розгоряння і гасіння палива, стабілізація процесу горіння, що дозволяє частково автоматизувати роботу теплогенератора з підтриманням постійної температури теплоносія на виході, спростити обслуговування, підвищити тепловіддачу та тривалість роботи на одному завантаженні, довговічність та безпеку використання теплогенератора. UA 114924 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до теплових пристроїв, які працюють на твердому паливі, і можуть бути використані для побутового і промислового опалення. Відомий теплогенератор [патент UA № 37071 U, F23B 80/04], що містить корпус з дверцятами та заслінкою, робочу камеру спалювання, колосникову решітку, інжекторні труби. Додатково містить концентратор горючих газів та розсікач продуктів згоряння, встановлений з утворенням проміжку між ним і стінками корпусу, а інжекторні труби оснащені регуляторами подання повітря. Така конструкція через необхідність ручного регулювання процесу дозволяє лише частково оптимізувати режим спалювання. До того ж виникає небезпека задимленості середовища через велику ймовірність виникнення тріщин у конвекційних трубах із-за значного температурного градієнта між внутрішньою і зовнішньою частинами цих труб. Виникає складність в регулюванні подання вторинного повітря для опалювання. Велика ймовірність виникнення шкідливих викидів у атмосферу. Відомий теплогенератор [патент UA № 47528 U, F23B 80/02], що містить корпус, камеру газоутворення та камеру допалювання, які розміщені одна над одною. Додатково містить вертикально витягнуту шахту завантаження палива, розміщену над камерою газоутворення, звужений тунель-концентратор із регулятором подачі повітря, який розміщений між камерою газоутворення та камерою допалювання, теплообмінник, димосос з регулятором тяги. Корпус виконаний з отворами для введення та виводу теплоносія, камера газоутворення виконана з регулятором подачі повітря і розміщена над камерою допалювання, а камера газоутворення, тунель, камера допалювання теплоізольовані. Така конструкція дозволяє отримувати високу температуру продуктів згоряння від однієї порції завантаження палива, але має досить багато недоліків. Вони полягають у складності виготовлення та експлуатації, підготовці палива для використання (сортування за розмірами та відбракування палива з високою вологістю). Найбільш близьким за конструктивним рішенням є теплогенератор [патент UA № 59142 A, F24B 7/02], що містить корпус, топку з камерами згоряння і допалювання, піддувало з регулятором подачі повітря, колосникову решітку, внутрішню горизонтальну перегородку, що примикає до задньої стінки, камеру золовловлювання, інжектори з патрубками підведення вторинного повітря, патрубок виведення продуктів згоряння.Має піддувало з регулюючим шибером для підводу повітря знизу через колосники з горизонтально-щілинною та вертикальноколончастою подачею повітря. Така конструкція сприяє зменшенню викидів твердих складових продуктів згоряння у довкілля, але режим згоряння палива залишається не оптимізованим із-за неможливості стабілізації процесу горіння, підтримання постійності робочої потужності. Була поставлена задача удосконалення теплогенератора для оптимізації режиму роботи теплогенератора на всіх етапах, в тому числі скорочення часу розгоряння і гасіння палива, стабілізації процесу горіння, що дозволяє частково автоматизувати роботу теплогенератора, призводить до спрощення обслуговування, підвищення тепловіддачі, зручності та безпеки використання теплогенератора. Поставлена задача вирішується тим, що твердопаливний теплогенератор має корпус, ємність для теплоносія, утворену з'єднаними між собою верхньою, нижньою та боковими частинами корпусу, які виконані подвійними, задню стінку корпусу та передню стінку корпусу, що має дверцята для завантаження палива, регульоване джерело повітря для спалювання, топку, розділену по висоті перегородкою на камеру згоряння і камеру допалювання, перфорований патрубок підведення повітря до камери допалювання, отвір для відводу диму в верхній частині корпусу, вузли подачі і виведення теплоносія, дверцята для видалення золи. Твердопаливний теплогенератор додатково споряджений трубчастим теплообмінником, розміщеним у камері допалювання паралельно перегородці та впоперек потоку димових газів, верхня, нижня та бокові частини корпусу, задня та передня стінки виконані прямокутними. Задня та передня стінки корпусу виконані також подвійними, з'єднаними з ємністю для теплоносія і утворенням спільної ємності з нею та перегородкою у вигляді порожнистої полки, утвореною внутрішньою частиною подвійної стінки, зв'язаної отвором з перфорованим патрубком підведення повітря до камери допалювання, розміщеним вздовж трубчастого теплообмінника, а отвір перфорованого патрубка знаходиться в зоні вузла подачі теплоносія, виконаного у вигляді регульованого джерела теплоносія з надлишковим тиском, спорядженим регулятором тиску, з патрубком, розміщеним в верхній частині топки. Регульоване джерело повітря для спалювання виконане у вигляді нерухомого сопла, розташованого під порожнистою полицею по центру у верхній частині камери згоряння, яке через повітровід додатково споряджене вентилятором і регулюючим тиск пристроєм. Вузол виведення теплоносія виконаний з можливостями виміру 1 UA 114924 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 температури теплоносія і зв'язку з регульованим джерелом теплоносія з надлишковим тиском і регульованим джерелом повітря для спалювання та оснащений патрубком, розміщеним в нижній частині топки з діагонально протилежного від патрубка вузла подачі теплоносія боку. Краще, коли регульоване джерело теплоносія з надлишковим тиском виконане у вигляді нагнітального вентилятора. Краще, коли дверцята для видалення золи вмонтовані в передню стінку корпусу. Конструкція теплогенератора забезпечує оптимальність роботи теплогенератора навіть на етапі завантаження. При наявності колосників (як у прототипі) завантаження паливом топки має бути нещільним. Це необхідно для проходу крізь всю масу палива повітря, що його окислює, тому паливо спалахує все і відразу. Управляти процесом, забезпечувати стабільність горіння в цьому випадку складно. Загальний час розгоряння, виходу на задані параметри і гасіння в відомих теплогенераторах займає приблизно 20 % всього робочого часу, у теплогенератора, що заявляють, не більше 5 %. В винаході, що заявляється, завантаження паливом топки щільне. Це дозволяє завантажити паливом камеру згоряння на одиницю об'єму більше, ніж в прототипі, на 10 % (так зростають споживчі властивості теплогенератора - тривалість роботи на одному завантаженні). Щільне завантаження паливом обумовлює горіння тільки верхньої частини палива, тобто паливо поступово вигоряє зверху вниз, через те, що повітря не може проникнути в нижній незгорілий шар, доки не згорить попередній. Таким чином з'являється можливість отримати стабільний у часі процес горіння. Відмінною особливістю спалювання палива на колосниках (як у прототипі) є те, що весь кисень, з поданого під колосник повітря, вступає в реакцію. Пройшовши нижній шар палива, весь кисень прореагує з утворенням вуглекислого газу СО2: С+О2=СО2, але на шляху утвореного вуглекислого газу лежить верхній шар розпеченого палива і станеться наступна реакція відновлення: СО2+С=2СО. Реакція йде з поглинанням 60 % раніше отриманої теплоти. В підсумку прототип не забезпечує повне згоряння палива і має непродуктивні теплові втрати. Навіть при збільшенні подачі повітря неможливо в прототипі оптимізувати режим горіння. У прототипі допалювання димових газів відбувається лише в камері допалювання, де мала площа теплопередачі. У винаході димові газі починають допалювати ще безпосередньо над паливом, де значна площа теплопередачі, а остаточно допалюють у камері допалювання, яка додатково споряджена теплообмінником. Зв'язки між елементами конструкції і їх взаємне розташування виключають виникнення високого градієнта температур між ними при проходженні повітря, димових газів та теплоносія. Це робить конструкцію довговічною та безпечною у експлуатації. Перфорований патрубок підведення повітря до камери допалювання виконує багатофункціональну роль: забезпечує димові гази для допалювання повітрям, яке вже підігріте, що мінімізує угарний газ, перетворюючи його на двоокис вуглецю, додає конструкції тепловіддачі, нагріваючи трубчастий теплообмінник, розміщений у камері допалювання паралельно перегородці та впоперек потоку димових газів. Розташування його вздовж трубчастого теплообмінника, а отвір перфорованого патрубка знаходиться в зоні вузла подачі теплоносія, теж позитивно відбивається як на підвищенні тепловіддачі, так і на зменшенні градієнта температур між елементами конструкції теплогенератора. Порожниста полка, утворена внутрішньою частиною подвійної стінки, спрямовує всередині печі димові гази до бокових стінок і у камері згоряння, і у камері допалювання і лише потім до отвору для відводу диму. Це підвищує тепловіддачу теплогенератора, зменшує перегрівання елементів конструкції. Подання повітря для спалювання регульованим джерелом повітря притискає димові гази до бокових стінок, не дозволяючи йти їм самопливом до отвору для відводу диму. Контроль температури теплоносія і зв'язок вузла виведення теплоносія з регульованим джерелом теплоносія з надлишковим тиском і регульованим джерелом повітря для спалювання дозволяє в залежності від вихідної температури теплоносія регулювати тиск при поданні повітря для спалювання і при поданні теплоносія та дотримуватись постійності температури теплоносія на виході. Діагональне розміщення патрубків вузла подачі і виведення теплоносія забезпечує подовження шляху теплоносія. До того ж при виведенні теплоносія із нижньої частини 2 UA 114924 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 теплогенератора (на відміну від загально прийнятого уявлення) безпосередньо в приміщення, яке опалюють, теплоносій (нагріте повітря) самопливом підіймається догори, створюючи потрібний тепловий режим для людей, що там перебувають або працюють. Виконання всіх стінок корпусу подвійними, утворення ними спільної ємності разом із перегородкою у вигляді порожнистої полки, утвореною внутрішньою частиною подвійної стінки, зв'язаної отвором з перфорованим патрубком підведення повітря, суттєво збільшує корисний об'єм теплогенератора. Розміщення на передній стінці дверцят для завантаження палива та дверцят для видалення золи робить обслуговування зручним. Винахід ілюструють креслення, що пояснюють суть рішення, але не обмежують дію патенту. Фіг. 1. Загальний вигляд твердопаливного теплогенератора у поздовжньому розрізі. Фіг. 2. Загальний вигляд твердопаливного теплогенератора у поздовжньому розрізі А-А. Фіг. 3. Порівняльний графік процесів горіння у винаході та прототипі. Де: 1 - корпус; 2 - спільна ємність для теплоносія; 3 - задня стінка корпусу; 4 - передня стінка корпусу; 5 - дверцята для завантаження палива; 6 - регульоване джерело повітря для спалювання; 7 - топка; 8 - перегородка; 9 - камера згоряння; 10 - камера допалювання; 11 - перфорований патрубок підведення повітря до камери допалювання; 12 - отвір для відводу диму; 13 - вузол подачі теплоносія; 14 - вузол виведення теплоносія; 15 - дверцята для видалення золи; 16 - трубчастий теплообмінник; 17 - регульоване джерело теплоносія з надлишковим тиском; 18 - регулятор тиску регульованого джерела теплоносія з надлишковим тиском; 19 - патрубок вузла подачі теплоносія; 20 - нерухоме сопло; 21 - вентилятор регульованого джерела повітря для спалювання; 22 - регулюючий тиск пристрій регульованого джерела повітря для спалювання; 23 - термодатчик вузла виведення теплоносія; 24 - патрубок вузла виведення теплоносія; 25 - паливо; Т - час горіння палива; t° - температура горіння палива; — винахід; --- прототип; ↓ - димові гази; - повітря для спалювання; - теплоносій. Твердопаливний теплогенератор (фіг. 1, 2) містить корпус 1, подвійні стінки якого формують спільну ємність для теплоносія 2, задню стінку корпусу 3 та передню стінку корпусу 4, що має дверцята для завантаження палива 5, регульоване джерело повітря для спалювання 6, топку 7, розділену по висоті перегородкою 8 на камеру згоряння 9 і камеру допалювання 10, перфорований патрубок підведення повітря до камери допалювання 11, отвір для відводу диму 12, вузол подачі теплоносія 13 і вузол виведення теплоносія 14, дверцята для видалення золи 15. Твердопаливний теплогенератор споряджений трубчастим теплообмінником 16, розміщеним у камері допалювання паралельно перегородці 8 та впоперек потоку димових газів. Вузол подачі теплоносія 13 виконаний у вигляді регульованого джерела теплоносія з надлишковим тиском 17, спорядженим регулятором тиску 18 з патрубком 19, розміщеним в верхній частині топки. Регульоване джерело повітря для спалювання 6 виконане у вигляді нерухомого сопла 20, розташованого під порожнистою полицею перегородки 8 по центру у верхній частині камери згоряння 9, яке через повітровід додатково споряджене вентилятором 21 і регулюючим тиск пристроєм 22. 3 UA 114924 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Вузол виведення теплоносія 14 виконаний з можливістю виміру температури теплоносія термодатчиком 23 і зв'язку з регульованим джерелом теплоносія з надлишковим тиском 17 і з регульованим джерелом повітря для спалювання 6 та оснащений патрубком 24, розміщеним в нижній частині топки з діагонально протилежного від патрубка вузла подачі теплоносія 13 боку. Теплогенератор працює наступним чином. Регульоване джерело повітря для спалювання 6, наприклад електровентилятор 21, та вузол подачі теплоносія 17 підключають до електромережі. Через дверцята для завантаження палива 5 завантажують паливо 25, через ці дверцята підпалюють паливо. Одночасно через патрубок вузла подачі теплоносія 19 відбувається подача теплоносія у ємність 2, а також внаслідок роботи електровентилятора 21 повітря для спалювання через повітровід і нерухоме сопло 20 потрапляє до топки 7. Повітря поступає з надлишковим тиском і насичує паливо 25 киснем, при цьому режим горіння регулюють за допомогою регулюючого тиск пристрою 22. Утворені високотемпературні гази підіймаються зі зниженою швидкістю, встигаючи віддавати тепло стінкам і порожнистій полці, всі внутрішні стінки ємності 2 ефективно віддають тепло, при цьому у теплогенераторі не виникають значні перепади температур, що підтверджує оптимальність процесів тепловіддачі. Перфорований патрубок підведення повітря для допалювання 11 забезпечує димові гази у камері допалювання 10 повітрям, нагріває трубчастий теплообмінник 16, розміщений у камері допалювання 10 паралельно перегородці 8 та впоперек потоку димових газів. Нагрітий у ємності 2 теплоносій надходить до вузла виведення теплоносія 14, спорядженого термодатчиком 23, який пов'язаний з регульованим джерелом теплоносія з надлишковим тиском 17 і регульованим джерелом повітря для спалювання 6. При виході температури теплоносія із заданого діапазону відбувається автоматичне регулювання тиску у згаданих джерелах і таким чином оптимізується процес горіння (фіг. 3). Після закінчення циклу спалювання дуже незначні залишки палива видаляють через дверцята для видалення золи 15. Таким чином удосконалення теплогенератора дозволило оптимізувати режим роботи теплогенератора на всіх етапах, в тому числі призвело до скорочення часу розгоряння і гасіння палива, стабілізації процесу горіння, що дозволяє частково автоматизувати роботу теплогенератора з підтриманням постійної температури теплоносія на виході, спростити обслуговування, підвищити тепловіддачу, довговічність та безпеку використання теплогенератора. До того ж зростають споживчі властивості теплогенератора – тривалість роботи на одному завантаженні. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Твердопаливний теплогенератор, що містить корпус, ємність для теплоносія, утворену з'єднаними між собою верхньою, нижньою та боковими частинами корпусу, які виконані подвійними, задню стінку корпусу та передню стінку корпусу, що має дверцята для завантаження палива, регульоване джерело повітря для спалювання, топку, розділену по висоті перегородкою на камеру згоряння і камеру допалювання, перфорований патрубок підведення повітря до камери допалювання, отвір для відводу диму в верхній частині корпусу, вузли подачі і виведення теплоносія, дверцята для видалення золи, який відрізняється тим, що додатково споряджений трубчастим теплообмінником, розміщеним у камері допалювання паралельно перегородці та впоперек потоку продуктів згоряння, верхня, нижня та бокові частини корпусу, задня та передня стінки виконані прямокутними, причому задня та передня стінки корпусу виконані подвійними, з'єднаними з ємністю для теплоносія і утворенням спільної ємності з нею та перегородкою у вигляді порожнистої полиці, утвореною внутрішньою частиною подвійної стінки, зв'язаної отвором з перфорованим патрубком підведення повітря до камери допалювання, розміщеним вздовж трубчастого теплообмінника, а отвір перфорованого патрубка знаходиться в зоні вузла подачі теплоносія, виконаного у вигляді регульованого джерела теплоносія з надлишковим тиском, спорядженим регулятором тиску, з патрубком, розміщеним в верхній частині топки, регульоване джерело повітря для спалювання виконане у вигляді нерухомого сопла, розташованого під порожнистою полицею по центру у верхній частині камери згоряння, яке через повітровід додатково споряджене вентилятором і регулюючим тиск пристроєм, вузол виведення теплоносія виконаний з можливостями виміру температури теплоносія і зв'язку з регульованим джерелом теплоносія з надлишковим тиском і регульованим джерелом повітря для спалювання та оснащений патрубком, розміщеним в нижній частині топки з діагонально протилежного від патрубка вузла подачі теплоносія боку. 4 UA 114924 C2 2. Теплогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що регульоване джерело теплоносія з надлишковим тиском виконане у вигляді нагнітального вентилятора. 3. Теплогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що дверцята для видалення золи вмонтовані в передню стінку корпусу. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5