RU20155U1 - Отопительное устройство - Google Patents

Description

ОТОПИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для сжигания твердого топлива и может быть использована в системах отопления индивидуальных коттеджей, теплиц и подобных сооружений посредством промежуточного теплоносителя (вода, воздух и т.п.).

Общим требованием, предъявляемым к бытовым нагревательным печам, является их экономичность (высокий Ю.Щ), которая зависит как от полноты сгорания топлива, так и от температуры газов, выходящх в дымовую трубу.

Общепризнано, что из всех бытовых отопительных устройств наиболее высоким КПД обладает русская печь, в которой на бытовие нужды (в т.ч. и на обогрев помещения) используется прямая радиация открытого пламени (подобно камину), развитые многооборотные газоходы, многократно снижащие температуру выбрасываемых в атмосферу продуктов горения, и промежуточный теплоноситель в виде воздуха, проходящего снизу вверх через выполненные в печи изолированные от топки внутренние камеры (ввиду общеизвестности библиография не приводится). Тем не менее, из-за громоздкости, невозможности изготовления печи промышленным способом, ограниченности видов применяемого топлива и, главное, с изменением социально-экономических и бытовых условий интерес к русской печи был утрачен.

С развитием индивидуальных хозяйств в последнее время появился спрос на индивидуальные отопительные приборы, не зависящие от достаточно дорогостоящих энергоносителей (газ, электричество), в основе которых лежат общеизвестные так называг о ™-{Г- 1н Г|-.-..j-j--

ЖПС 5 24 H 1/28

ч ч

емне буржуйки, изготавливаемые, как правило, самостоятельно из подсобных материалов. При промышленном изготовлении этих печек для увеличения их КПД и повышения удобства пользования применяются такие конструктивные решения, как заполнение теплового тракта теплоемким пористым материалом типа речного песка, керамзита, измельченной металлической стружки, и применение промежуточного теплоносителя, например, воды, протекающей через трубу-змеевик, помещенную в топку (см. патенты РФ Ш 2053439, 2I62I92, ЖЖ Р 23 В 7/00 и т.д.). Однако общим недостатком известных печек по-прежнему остается низкий КПД.

По совокупности сходных существенных, признаков наиболее близким к заявленному устройству может быть выбран бытовой водонагревательный котел по патенту СССР $ 1095882, МПК F 24 Н 1/28, 1980, в котором в качестве энергоносителя используются преимущественно дрова.

Известный котел содержит топку, над которой смонтированы вертикальные дымогарные (жаровые) трубы, заключенные в кожух с циркулирующей в нем водой. Горячие газы из топки проходят через пучок дымогарных труб, нагревая омывающую их воду, и через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу. Омывающий дымогарные трубы теплоноситель (вода), нагреваясь, поднимается вверх и через напорную трубу, подсоединенную к верхней части кожуха, поступает в теплообменники (батареи водяного отопления) г вытесняя оттуда холодную воду, которая по обратной трубе возвращается в нижнюю часть кожуха.

Недостаток известного котла заключается в том, что при сжигании в топке дров добиться полного их сгорания практичесначала нагреваются, происходит взгонка содержащихся в них летучих фракций, углерод не успевает окислиться и в вытяжную трубу вместе с углекислым газом (С09) начинает выбрасываться

горючий угарный гаа (СО). В порядке примечаний: обратить внимание на экологические требования, согласно которым на дымовых трубах соответствующих предприятий устанавливаются дожигатели.

Перед заявленным техническим решением была поставлена задача создать отопительное устройство с повышенным КПД при снижении экологически вредных выбросов в атмосферу.

Поставленная задача, решается тем, что предложено отопительное устройство для твердого топлива, содержащее топочную камеру, на которой смонтирован кожух с разнесенными по высоте входным и выходным каналами для циркуляции теплоносителя, и помещенный в кожух пучок вертикальных дымогарных труб, сообщенных нижними концами с камерой, а верхними - с дымовой трубой, имеющей подвижную заслонку.

Новым в предложенном устройстве является то, что на,входах дымогарных труб установлены воздушные жиклеры, связанные с атмосферой.

Каждый из жиклеров смонтирован в диффузоре, установленном на входе соответствующей дымогарной трубы, а над диффузором расположен -завихритель газового потока.

Завихритель выполнен в виде втулки с эллиптическим проходным сечением, определяемым из соотношенияd 0,7 0,8В, где d- малая ось эллипса aD- большая ось эллипса, равная внутреннему диаметру дымогарной трубы.

В дымовой трубе над заслонкой установлен завихритель газового потока.

Устройство снабжено турбокомпрессором, выполненным в виде соосно смонтированных на вертикальной оси верхнего компрессорного и нижнего турбинного колес, первое из которых связано с верхним входным, а нижнее с нижним выходным каналами кожуха, при этом ось кинематически связана с электрическим мотор-генератором, подключенным к термопаре, установленной в одной из высокотемпературных зон устройства.

Кожух устройства внутри раздеден по высоте параллельными горизонтальными полуперегородками, расположенными в шахматном порядке.

Кожух устройства заполнен пористым теплоемким материалом например, металлической стружкой.

Технический результат заявленного устройства заключается в значительном повышении его КПД, достигаемом за счет дожигания не сгоревших в топочной камере горючих фракций, и в уменьшении трудозатрат на обслуживание устройства во время его работы за счет перевода устройства из режима прямого сжигания топлива в режим газогенерации, что позволяет при первоначально установленном режиме оставить работающее устройство на длительное время без непрерывного наблюдения.

На фиг.1 схематически показан общий вид устройства; на фиг.2 - фрагмент устройства в увеличенном масштабе; на фиг.З - вид в разрезе по А-А- фиг.2.

Устройство (фиг.1) содержит топочную камеру (топку) I, характерной особенностью которой является отсутствие колосниковой решетки, в связи с чем вместо поддувала камера на уровне ее пола имеет люк 2 для удаления золы, закрытый дверцей 3 (дрова в камеру загружаются общеизвестным способом через отдельную другую дверцу). Поддувалом служат снабженные регулировочно подвижными заслонками отверстия 4, подсоединенные к каналам (трубкам) внутри камеры, распределяющим свежий воздух, подводимый к топливу.

Поверх топки закреплен кожух 5, выполненный в виде цилиндрической емкости, имеющей разнесенные по высоте входной 6 и выходной 7 каналы для циркуляции теплоносителя.. Внутри кожуха 5 смонтирован пучок вертикальных дымогарных труб 8, обращенных нижними открытыми концами к топочной камере I, а верхними выходящих в дымовой короб 9, связанный с дымовой трубой, имеющей регулировочно подвижную (поворотную) заслонку 10.

Между нижними концами дымогарных труб и топочной камерой установлена плоская воздушная камера II, пронизанная широкими вертикальными каналами-трубками 12. Полость воздушной камеры II сообщается с атмосферой череа полости 13 по бокам топки, в которые атмосферный воздух попадает через нижние отверстия 14 с регулируемым проходным сечением.

На верхней плоскости камеры II (фиг.2) закреплены воздушные жиклеры 15, количество которых соответствует количеству дымогарных труб 8. Нижний конец каждой дымогарной трубы имеет диффузор 16, в зоне которого расположен соответствующий жиклер. Выше диффузора в дымогарной трубе смонтирован завихритель 17 газового потока, конструкция которого в принципе (согласно функциональному назначению) может быть любой. В результате проведенных экспериментов было установлено, что наиболее эффективным и простым по конструкции является завихритель, подобный дросселирующей шайбе с эллиптическим проходным сечением (фиг.З), где большая ось D эллипса равна внутреннему диаметру дымогарной трубы 8, а его меньшая ось ol 0,7 -г 0,8D. Поскольку технологически такую шайбу изготовить и смонтировать затруднительно, то в реализованном варианте заявленного устройства она была выполнена в виде двух полувтулок, обращенных вогнутыми поверхностями друг к другу. При проведении экспериментов был также выявлен эффект увеличения тяги от установки завихрителя, в связи с чем было признано целесообразным установить аналогичный завихритель 18 в дымовой трубе выше заслонки 10 Сфиг.1).

Устройство также содержит турбокомпрессор,-представляющий собой закрепленные на общей вертикальной оси 19 верхнее компрессорное колесо 20, нагнетательный тракт от которого подсоединен к верхнему входному каналу 6 кожуха 5, и турбинное колесо 21, на которое воздействует теплоноситель, истекающий иа выходного канала 7 кожуха 5. В реалиаованном варианте исполнения рабочим телом турбокомпрессора (и одновременно теплоносителем устройства в целом) служит атмосферный воздух, который засасывается из. окружающей среды по каналу 22 и подается к внешним теплообменникам или просто в помещение по каналу 23.

С осью 19 турбокомпрессора кинематически связан электрический мотор-генератор 24, электрическая энергия для которого производится термопарой (батареей термопар) 25, монтируемой в одной из высокотемпературных (горячих) зон устройства, например, на стенке топочной камеры I, как показано на фиг.1.

При использовании воздуха в качестве теплоносителя целесообразно заполнить кожух 5 (пространство меэду трубами 8) каким-либо пористым теплоемкий материалом, например, металлической стружкой 26. Для улучшения теплообмена целесообразно также разделить полость кожуха 5 по высоте параллельными горизонтальными полуперегородками 27, расположенными относительно друг друга в шахматном порядке. Термин полуперегородка применен условно, поскольку в действительности каждая полуперегородка 27 перекрывает полость кожуха 5 больше, чем

на половину его ширины (диаметра, если кожух круглый).

Устройство работает следующим образом.

После загрузки и розжига дров в камере I С$иг.1) устройство выводится в режим, при котором дрова в топке I (фиг.1) вместо горения начинают тлеть (достигается путем регулировки количества воздуха, подаваемого через отверстия 4, 14, и интенсивности выброса газов через дымовую трубу - заслонкой 10). С нагревом камеры II горячий воздух за счет конвекции истекает из жиклеров 15, поступая в зону диффуаоров 16 дымогарных труб 8, а свежий воздух из окружающей среды через отверстия 14 заполняет полости 13, поднимаясь вверх к воздушной камере II. 3 это же время не сгоревшие из-за недостатка кислорода горючие фракции из топки 1 поднимаются вверх и, проходя через сквозные каналы 12 камеры II, попадают в зону диффузора 16 соответствующей дымогарной трубы 8, что интенсифицируется также эжекционньм эффектом истекающей из жиклера 15 струи горячего воздуха. Смешавшись с этим воздухом, топочные газл полностью догорают в дымогарной трубе.

С началом нагрева стенок камеры I термопара 25 начинает вырабатывать электрический ток, и подключенный к ней моторгенератор 24 начинает работать в режиме мотора, вращая компрессорное колесо 20. При этом окружающий холодный воздух, засасываясь по каналу 22 компрессорным колесом 20, нагнетается по каналу 6 в полость кожуха 5, а выходящий из канала 7 горячий воздух по каналу 23 поступает на отопление. По результатам экспериментальной отработки устройства было установлено, что при достижении определенного температурного перепада между рабочим телом (воздухом) в каналах: 6 и 7 в канале 7 возникает избыток кинетической энергии потока горячего воздуха, что позволило установить на его пути турбинное колесо 21, способ№ /// 4&Ј

ное не только вращать компрессорное колесо 20, но и производить дополнительную электроэнергию, переключив мотор-генератор 24 иа режима потребления (отключив от термопары 25) в режим ее производства.

Зигзагообразное движение рабочего тела (воздуха) между перегородками 27 внутри кожуха 5 а также заполнение кожуха 5 теплоемким пористым материалом 26 способствует повышению теплопередачи, повышая эффективность устройства.

Проведенные испытания показали, что при однократной загрузке топки I дровами устройство после его введения в эксплуатационный режим самостоятельно (беа дополнительного вмешательства) проработало около 12 часов, при этом температура выходящего из канала 23 воздуха была порядка 250 -300°С, а температура дымовых газов не превышала 80°С

Claims (8)

1. Отопительное устройство для твердого топлива, содержащее топочную камеру, на которой смонтирован кожух с разнесенными по высоте входными и выходными каналами для циркуляции теплоносителя, и помещенный в кожух пучок вертикальных дымогарных труб, сообщенных нижними концами с камерой, а верхними - с дымовой трубой, имеющей подвижную заслонку, отличающееся тем, что на входах дымогарных труб установлены воздушные жиклеры, связанные с атмосферой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что жиклер смонтирован в диффузоре, установленном на входе соответствующей дымогарной трубы, а над диффузором расположен завихритель газового потока.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что завихритель выполнен в виде втулки с эллиптическим проходным сечением, определяемым из соотношения d= (0,7-0,8)D, где d - малая ось эллипса, а D - большая ось эллипса, равная внутреннему диаметру дымогарной трубы.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в дымовой трубе над заслонкой установлен завихритель газового потока.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплоносителем в нем служит воздух.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что оно снабжено турбокомпрессором, выполненным в виде соосно смонтированных на вертикальной оси верхнего компрессорного и нижнего турбинного колес, первое из которых связано с верхним входным, а второе - с нижним выходным каналами, при этом ось кинематически связана с электрическим мотор-генератором, подключенным к термопаре, установленной в одной из высокотемпературных зон устройства.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что кожух внутри разделен по высоте параллельными горизонтальными полуперегородками, расположенными в шахматном порядке.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что кожух заполнен пористым теплоемким материалом, например, металлической стружкой.