Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных приборов с повышенной эффективностью.The invention relates to a power system, and in particular to solid fuel heating systems, and can be used to create heating appliances with increased efficiency.
Известны отопительные приборы с увеличенной продолжительностью горения (патент США №4230090, Европейский патент №0231424, заявка ФРГ №OS 3602285, патенты РФ №№2001352, 2001353, 2097660, полезная модель РФ №76702). В этих приборах для повышения эффективности сжигания топлива используется принцип его газификации с последующим дожиганием горючих газов, а регулировка производимой тепловой мощности осуществляется изменением объема входящего воздуха. Однако при этом одновременно изменяется температура дымовых газов. Это объясняется тем, что для обеспечения нормальной работы дымохода (отсутствие конденсата в трубе и обеспечение устойчивой тяги) на минимальной мощности отопительный прибор должен обеспечить минимально допустимую температуру дымовых газов, с учетом тепловых потерь в дымоходе. С увеличением производимой тепловой мощности растет и температура дымовых газов, поскольку не все производимое тепло отбирается в отопительном приборе и существенная его часть уходит с дымовыми газами, снижая как текущий, так и интегральный КПД. В том числе это связано с ограниченным временем теплообмена горячих дымовых газов с теплообменной поверхностью отопительного прибора. И чем больше разность минимальной и максимальной производимой тепловой мощности, тем выше тепловые потери на мощностях больше минимальной, что снижает интегральный КПД за определенный период времени. Таким образом, отсутствие отдельного устройства повышения теплосъема от дымовых газов приводит к существенному снижения эффективности известных твердотопливных отопительных приборов в реальных условиях эксплуатации при изменении производимой тепловой мощности и температуры дымовых газов.Known heaters with increased burning time (US patent No. 433,090, European patent No. 0231424, German application No. OS 3602285, RF patents No. 2001352, 2001353, 2097660, utility model of the Russian Federation No. 76702). In these devices, to increase the efficiency of fuel combustion, the principle of gasification with the subsequent burning of combustible gases is used, and the regulation of the produced heat capacity is carried out by changing the volume of incoming air. However, this simultaneously changes the temperature of the flue gases. This is because in order to ensure the normal operation of the chimney (lack of condensate in the pipe and ensuring stable draft) at the minimum power, the heater must provide the minimum allowable temperature of the flue gases, taking into account heat losses in the chimney. With an increase in the produced heat capacity, the temperature of the flue gases also increases, since not all the heat produced is taken out in the heating device and a significant part of it goes with the flue gases, reducing both the current and the integral efficiency. This is also due to the limited heat exchange time of hot flue gases with the heat exchange surface of the heater. And the greater the difference between the minimum and maximum produced heat capacity, the higher the heat loss at the capacities is greater than the minimum, which reduces the integral efficiency for a certain period of time. Thus, the absence of a separate device for increasing the heat removal from flue gases leads to a significant decrease in the efficiency of known solid fuel heating devices in real-life conditions when the produced thermal power and temperature of the flue gases change.
Известно устройство повышения эффективности в отопительном котле (патент РФ №2532051 от 03.09.2014г.), выбранное в качестве прототипа, в котором повышение эффективности отопительного прибора обеспечивается стабилизацией температуры дымовых газов на минимально допустимых значениях при различной производимой тепловой мощности. Это достигается за счет регулировки (заслонкой с приводом от терморегулятора на дымоходе) соотношения горячих и остывших дымовых газов, проходящих соответственно через верхнее и нижнее отверстия для вывода дымовых газов. Такая регулировка позволяет увеличить время контакта горячих дымовых газов с теплообменной поверхностью отопительного прибора и тем самым наиболее полно использовать производимую им тепловую энергию и обеспечить предельно высокий КПД на всех режимах его работы. Однако такое существенное повышение экономичности твердотопливных отопительных приборов достигается усложнением конструкции, которое в ряде случаев может оказаться не оправданным.A device for increasing efficiency in a heating boiler is known (RF patent No. 2532051 dated 09/03/2014), selected as a prototype, in which increasing the efficiency of a heating device is provided by stabilizing the temperature of the flue gases at the minimum allowable values for different heat output. This is achieved by adjusting (a damper driven by a thermostat in the chimney) the ratio of hot and cooled flue gases passing through the upper and lower openings for flue gas discharge, respectively. This adjustment allows you to increase the contact time of hot flue gases with the heat exchange surface of the heater and thereby make the most of its thermal energy and ensure extremely high efficiency in all modes of operation. However, such a significant increase in the efficiency of solid fuel heating devices is achieved by complicating the design, which in some cases may not be justified.
Техническим результатом является упрощение конструкции устройства, повышение эффективности и его удешевление, а также упрощение эксплуатации устройства и всего отопительного прибора.The technical result is to simplify the design of the device, increase efficiency and reduce its cost, as well as simplify the operation of the device and the entire heating device.
Технический результат достигается тем, что в устройстве повышения эффективности твердотопливного отопительного прибора, содержащем корпус отопительного прибора с загрузочной дверкой и патрубком для отвода дымовых газов, установленным в верхней части корпуса отопительного прибора и соединенным с дымоходом, патрубок установлен около одного из ребер корпуса, а к нему внутри корпуса коротким плечом подвижно прикреплен угловой патрубок, причем угловой патрубок снабжен фиксатором горизонтального положения или приводом с фиксатором положения. Для расширения возможностей устройства длинное плечо углового патрубка может быть выполнено телескопическим, на боковой поверхности выполнены отверстия, а загрузочная дверка связана с приводом углового патрубка и снабжена фиксатором открытого положения. The technical result is achieved by the fact that in the device for increasing the efficiency of a solid fuel heating device, comprising a heating device housing with a loading door and a flue gas outlet pipe installed in the upper part of the heating device housing and connected to a chimney, a pipe is installed near one of the housing fins, and a corner pipe is movably attached to it inside the case with a short shoulder, and the corner pipe is equipped with a horizontal position lock or a drive with a polo lock eniya. To expand the capabilities of the device, the long arm of the corner pipe can be made telescopic, holes are made on the side surface, and the loading door is connected to the drive of the corner pipe and is equipped with an open position lock.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показано устройство в исходном состоянии, а на фиг. 2 - в процессе работы отопительного прибора. The invention is illustrated in FIG. 1 and 2. In FIG. 1 shows the device in its initial state, and in FIG. 2 - during the operation of the heater.
Работа устройства иллюстрируется на примере отопительной печи верхнего горения. Однако оно может быть использовано практически во всех твердотопливных отопительных приборах с учетом их специфики (печи и котлы различных конструкций, в том числе с верхней загрузкой, газогенераторные и др.). На фиг. 1-2 обозначено: 1 - корпус отопительного прибора, 2 - патрубок для вывода дымовых газов, 3 - угловой патрубок, 4 - привод углового патрубка, 5 - фиксатор загрузочной дверки, 6 - воздуховод, 7 - распределитель воздуха, 8 - загрузочная дверка, 9 -дымоход, 10 -топливо. Корпус 1 отопительного прибора изготавливается из стали с необходимой толщиной стенки и жаропрочностью, обеспечивающей требуемый срок его службы. Патрубки 2 и 3 изготавливаются из того же материала, что и корпус. Патрубок 2 для вывода дымовых газов устанавливается на задней или боковой поверхности отопительного прибора в верхней его части возле одного из ребер. Патрубок 2 наружным концом подсоединяется к дымоходу 9. Патрубок 2 устанавливается в корпусе 1 с небольшим выступом, за который коротким плечом подвижно крепится угловой патрубок 3, с возможностью поворота на угол около 90°. Патрубок 3 может быть выполнен, например, из двух отрезков разной длины круглой трубы. Дли исключения перекрытия входного отверстия патрубка 3 из-за случайного попадания в него куска топлива, возле него по образующей патрубка могут быть выполнены отверстия общей площадью, примерно равной площади входного отверстия патрубка 3, и/или установлена сетка. Патрубок 3 может быть выполнен также из прямоугольной трубы с скругленным и заглушенным одним концом, возле которого вместо короткого плеча в трубе выполняется отверстие для подвижного соединения с патрубком 2. Для увеличения дополнительного теплосъема (при ограниченных поперечных размерах корпуса 1 или при значительной мощности отопительного прибора) длинное плечо патрубка 3 может выполняться телескопическим. Управление (установка в горизонтальное положение) угловым положением патрубка 3 может осуществляться как вручную с фиксацией горизонтального положения на фиксаторе (не показан на рисунке), например в виде крючка, так и с помощью привода 4, соединенного с загрузочной дверцей 8. В последнем случае в качестве фиксатора положения патрубка 3 может быть использован фиксатор 5 открытого положения загрузочной дверцы 8. Привод 4 может быть выполнен в виде рычажной системы или из жаропрочной проволоки (тросика), проложенной по направляющим элементам. Воздуховод 6 может быть выполнен в виде рукава из высокотемпературной ткани с герметизирующим силиконовым или полиуретановым покрытием. Распределитель воздуха 7 выполнен в виде пластины из жаропрочного металла с отверстием в центре и патрубком над ним для подсоединения воздуховода 6. В этом патрубке выполняются отверстия для дополнительного воздуха, который используется для дожигания горючих газов, образующихся в процессе сгорания топлива. Загрузочная дверка 8 выполняется газоплотной, для исключения подсоса воздуха в процессе работы отопительного прибора. Дымоход 9 в данном устройстве принципиальных особенностей не имеет, однако за счет снижения температуры дымовых газов могут быть несколько снижены требования к нему по теплоизоляции. В качестве топлива 10 могут быть использованы различные его виды: дрова, опилки, уголь и др.The operation of the device is illustrated by the example of an upper combustion furnace. However, it can be used in almost all solid fuel heating devices, taking into account their specifics (furnaces and boilers of various designs, including top-loading, gas-generating, etc.). In FIG. 1-2 indicated: 1 - heater body, 2 - pipe for flue gas outlet, 3 - corner pipe, 4 - angle pipe drive, 5 - loading door lock, 6 - air duct, 7 - air distributor, 8 - loading door, 9 - chimney, 10 - fuel. The housing 1 of the heater is made of steel with the required wall thickness and heat resistance, providing the required service life. Pipes 2 and 3 are made of the same material as the body. A pipe 2 for exhausting flue gases is installed on the rear or side surface of the heater in its upper part near one of the ribs. The pipe 2 with the outer end is connected to the chimney 9. The pipe 2 is installed in the housing 1 with a small protrusion, behind which the corner pipe 3 is movably fastened with a short shoulder, with the possibility of rotation through an angle of about 90 °. The pipe 3 can be made, for example, of two segments of different lengths of a round pipe. To exclude the overlap of the inlet of the nozzle 3 due to the accidental ingress of a piece of fuel into it, holes with a total area approximately equal to the area of the inlet of the nozzle 3 can be made along the generatrix of the nozzle and / or a grid is installed. The pipe 3 can also be made of a rectangular pipe with a rounded and plugged one end, near which, instead of a short shoulder, a hole is made in the pipe for a movable connection with pipe 2. To increase additional heat removal (with limited transverse dimensions of the housing 1 or with a significant heater power) the long arm of the pipe 3 can be telescopic. The control (installation in horizontal position) of the angular position of the nozzle 3 can be carried out both manually with fixing the horizontal position on the latch (not shown in the figure), for example, in the form of a hook, or by means of a drive 4 connected to the loading door 8. In the latter case, as a clamp for the position of the pipe 3, a clamp 5 for the open position of the loading door 8 can be used. The actuator 4 can be made in the form of a lever system or from a heat-resistant wire (cable) laid along the guide elements. Air duct 6 may be made in the form of a sleeve of high-temperature fabric with a sealing silicone or polyurethane coating. The air distributor 7 is made in the form of a plate of heat-resistant metal with a hole in the center and a pipe above it to connect the air duct 6. In this pipe holes are made for additional air, which is used to re-burn the combustible gases generated during the combustion of fuel. The loading door 8 is gas tight to prevent air leaks during operation of the heater. The chimney 9 in this device does not have fundamental features, however, due to lowering the temperature of the flue gases, the requirements for thermal insulation can be slightly reduced. As fuel 10, its various types can be used: firewood, sawdust, coal, etc.
Работает устройство повышения эффективности отопительного прибора следующим образом. Для загрузки топлива в отопительный прибор открывается загрузочная дверка 8. При этом если угловой патрубок 3 связан через привод 4 с дверкой 8, то при ее открытии одновременно происходит поворот длинного плеча углового патрубка 3 из вертикального в горизонтальное положение. При этом дверка 8 фиксируется в открытом положении фиксатором 5. Если указанного привода нет, то поворот патрубка осуществляется вручную, и он фиксируется в горизонтальном положении за фиксатор внутри корпуса (не показан на рисунке). Далее за приводной трос (проходящий внутри воздуховода 6) осуществляется подъем распределителя воздуха 7 и фиксация его в верхнем положении. Затем производится загрузка топлива 10. Если патрубок 3 зафиксирован внутренним фиксатором, то он снимается с фиксатора и укладывается на топливо. После чего осуществляется розжиг топлива и загрузочная дверца закрывается. Если патрубок 3 связан с загрузочной дверцей 8 приводом 4, то после загрузки топлива и его розжига фиксатор загрузочной дверцы 5 поднимается и загрузочная дверца 8 закрывается. При этом конец длинного плеча патрубка 3 опирается на топливо. Дымовые газы, образующиеся при сгорании топлива 10, поступают через патрубок 3, патрубок для отвода дымовых газов 2 и далее в дымоход, прогревая его и создавая в нем тягу. По мере сгорания топлива (в том числе с повышенной влажностью и неоднородной плотностью, за счет гибкого подсоединения распределителя воздуха 7 к воздуховоду 6) его уровень постепенно снижается. При этом конец длинного плеча патрубка 3, опирающийся на топливо, также опускается вниз. В результате горячие дымовые газы, образующиеся по всей поверхности топлива, не сразу попадают в патрубок 3, а сначала поднимаются в верхнюю часть корпуса 1 (выше входного отверстия патрубка 3). Остывают там, отдавая тепловую энергию (кинетическую энергию молекул газов) корпусу 1 и уже затем, смешиваясь с небольшой частью горячих дымовых газов, образующихся возле входного отверстия патрубка 3, поступают в него и далее в дымоход 9. Кроме того, дополнительная тепловая энергия образуется над распределителем воздуха 7 (выше входного отверстия патрубка 3) при дожигании горючих газов (используется дополнительный воздух, поступающий из патрубка крепления воздуховода 6 на распределителе 7), образующихся в процессе реакции окисления при сгорании топлива 10. Такой процесс приводит к дополнительному повышению температуры дымовых газов, которые отдают свое тепло корпусу 1 отопительного прибора. Это достигается увеличением времени контакта горячих дымовых газов с теплообменной поверхностью корпуса и тем самым обеспечивается дополнительный съем тепловой энергии, содержащейся в них. В результате температура дымовых газов в дымоходе оказывается значительно ниже, чем, если бы они непосредственно поступали в патрубок 2. За счет этого обеспечивается рост КПД отопительного прибора и, следовательно, его экономичность. По мере сгорания топлива и опускания конца патрубка 3 объем части корпуса над входным отверстием патрубка 3 увеличивается. Растет также площадь теплообменной поверхности и увеличивается эффективность дополнительного теплосъема. Это происходит до момента, пока патрубок 3 примет вертикальное положение. Далее эффективность дополнительного теплосъема немного снижается в силу того, что часть тепловой энергии передается поверхности корпуса, расположенной ниже входного отверстия патрубка 3.The device for increasing the efficiency of the heater is as follows. To load fuel into the heater, the loading door opens 8. Moreover, if the corner pipe 3 is connected through the actuator 4 to the door 8, then when it is opened, the long arm of the corner pipe 3 is rotated from vertical to horizontal. In this case, the door 8 is fixed in the open position by the latch 5. If there is no such drive, then the nozzle is rotated manually and it is fixed in horizontal position by the latch inside the case (not shown in the figure). Next, behind the drive cable (passing inside the duct 6), the air distributor 7 is lifted and fixed in the upper position. Then the fuel is loaded 10. If the pipe 3 is fixed with an internal latch, then it is removed from the latch and placed on the fuel. Then the fuel is ignited and the loading door closes. If the pipe 3 is connected to the loading door 8 by the drive 4, then after loading the fuel and firing it, the lock of the loading door 5 rises and the loading door 8 closes. In this case, the end of the long arm of the pipe 3 is supported by fuel. The flue gases generated during the combustion of fuel 10 enter through the pipe 3, the pipe for removing flue gases 2 and further into the chimney, warming it and creating a draft in it. As the fuel burns (including with high humidity and inhomogeneous density, due to the flexible connection of the air distributor 7 to the duct 6), its level gradually decreases. In this case, the end of the long arm of the pipe 3, which relies on fuel, also falls down. As a result, hot flue gases generated over the entire surface of the fuel do not immediately enter the nozzle 3, but first rise to the upper part of the housing 1 (above the inlet of the nozzle 3). Cool down there, giving thermal energy (kinetic energy of gas molecules) to the housing 1, and only then, mixing with a small part of the hot flue gases generated near the inlet of the pipe 3, enter it and then into the chimney 9. In addition, additional thermal energy is generated above the air distributor 7 (above the inlet of the nozzle 3) during the combustion of combustible gases (using additional air coming from the pipe mounting the duct 6 on the distributor 7) generated during the oxidation reaction AANII fuel 10. This process leads to further increase the flue gas temperature, which give off their heat of the heater housing 1. This is achieved by increasing the contact time of hot flue gases with the heat exchange surface of the housing and thereby provides an additional removal of the thermal energy contained in them. As a result, the temperature of the flue gases in the chimney is much lower than if they would directly enter the pipe 2. This ensures an increase in the efficiency of the heating device and, therefore, its efficiency. As the combustion of fuel and lowering of the end of the pipe 3, the volume of the housing part above the inlet of the pipe 3 increases. The area of the heat exchange surface also increases and the efficiency of the additional heat removal increases. This happens until the pipe 3 assumes a vertical position. Further, the efficiency of additional heat removal is slightly reduced due to the fact that part of the thermal energy is transferred to the surface of the housing located below the inlet of the nozzle 3.
В целом эффективность предлагаемого устройства незначительно уступает эффективности прототипа. Экспериментальная проверка устройства показала, что интегральный КПД отопительного прибора по сравнению с прототипом снижается на несколько процентов. При этом предлагаемое устройство значительно проще по конструкции и дешевле, что в целом ряде случаев является решающим аргументом, особенно для сравнительно простых отопительных приборов. Кроме того, предлагаемое устройство имеет более высокую надежность, что в конечном итоге повышает общую эффективность его использования.In general, the effectiveness of the proposed device is slightly inferior to the effectiveness of the prototype. Experimental verification of the device showed that the integral efficiency of the heating device compared with the prototype is reduced by several percent. Moreover, the proposed device is much simpler in design and cheaper, which in a number of cases is a decisive argument, especially for relatively simple heating devices. In addition, the proposed device has higher reliability, which ultimately increases the overall efficiency of its use.
Уровень разработки находится в стадии отработки нескольких вариантов устройства для его использования в различных типах твердотопливных отопительных приборов.The development level is at the stage of testing several versions of the device for its use in various types of solid fuel heating devices.