RU2743867C1

RU2743867C1 - Continuous burning solid boiler

Info

Publication number: RU2743867C1
Application number: RU2020118656A
Authority: RU
Inventors: Владимир Александрович Илиодоров; Вадим Сергеевич Рыжов
Original assignee: Вадим Сергеевич Рыжов
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2021-03-01

Abstract

FIELD: heat power engineering.SUBSTANCE: invention relates to heat power engineering, namely to heating systems with boilers for solid fuel and can be used to create heating systems with improved technical and operational characteristics and expanded functionality. Continuous burning solid boiler contains a body with double walls, forming a sealed cavity for the coolant, with a loading door and an ignition door, divided into a bunker and a heat exchange cavity. The cavities communicate with each other through a gas window located in the lower part of the hopper and an afterburner. The boiler contains a chimney pipe at the outlet of the heat exchange cavity, an inlet air duct, an inlet air damper, an ash pan with an ash box and a heat-insulating casing, as well as fireclay plates installed on the bottom of the hopper with a slope on both sides of the grate with gaps near the side walls of the hopper, distributed supply air ducts primary and secondary air, connected to the inlet air duct, a smoke exhaust damper located in the upper part of the boiler between the bunker and heat exchange cavities. The secondary air duct is installed in the gas window, and the gas path is made of parallel straight short and descending-ascending long sections, while the short section is made adjustable in flow area using a damper with a manual or automatic control drive. The primary air duct is made around the ash pan and communicates with the bunker cavity through an opening in its bottom and between the fireclay plates and the side walls of the bunker cavity and openings in the side wall of the ash pan and the ash box.EFFECT: increases efficiency of fuel combustion, expanding the range of restructuring of the generated power, reducing deposits on heat exchange surfaces, including hard-to-remove ones, as well as increasing operational safety.10 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления с котлами на твердом топливе, и может быть использовано для создания систем отопления с повышенной эффективностью и расширенными функциональными возможностями.The invention relates to heat power engineering, namely to heating systems with solid fuel boilers, and can be used to create heating systems with increased efficiency and expanded functionality.

Известно, что с момента создания котлов, работающих на твердом топливе (дровах) в значительной степени остается не решенной проблема эффективной работы котла в течение длительного интервала времени. Во многом это связано со спецификой древесного топлива. С этим топливом сложно организовать периодическую подачу его в автоматическом режиме в топку и сложности управления горением большого объема топлива в случае одновременной загрузки большого объема дров в котел. Кроме того, наличие значительного объема периферийных зон (в основном, возле теплообменных поверхностей) со сравнительно низкой температурой, а также недостаточного перемешивания горючих компонентов топлива с кислородом воздуха, приводит к тому, что существенная часть этих компонентов топлива в газовой, жидкой и твердой фазах не сгорает и выбрасывается в атмосферу и откладывается на теплообменных поверхностях. В результате из-за значительного химического недожога общий КПД твердотопливных котлов оказывается низким.It is known that since the creation of boilers operating on solid fuel (wood), the problem of efficient boiler operation over a long period of time remains largely unresolved. This is largely due to the specificity of wood fuel. With this fuel, it is difficult to organize periodic supply of it in automatic mode to the furnace and the complexity of controlling the combustion of a large volume of fuel in the case of simultaneous loading of a large volume of wood into the boiler. In addition, the presence of a significant volume of peripheral zones (mainly near heat exchange surfaces) with a relatively low temperature, as well as insufficient mixing of combustible fuel components with air oxygen, leads to the fact that a significant part of these fuel components in the gas, liquid and solid phases does not burns and is released into the atmosphere and is deposited on heat exchange surfaces. As a result, due to significant chemical underburning, the overall efficiency of solid fuel boilers is low.

Известны котлы с большой камерой сгорания (см. например, отопительные котлы ZOTA, сертификат №ТС RU C-RU.AE88.B.01300, серия RU №0059232, Ю.Л. Гусев. Основы проектирование котельных установок. 1967, стр. , 55-57, К.Ф. Роддатис, Э.И. Ромм, Н.А. Семененко и др. Котельные установки. Т. 2. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1946, с. 9-19, патент РФ №2213907 и др.), в которых в эту камеру сгорания загружается сравнительно большой объем дров и путем регулирования объема подаваемого в котел воздуха осуществляется управление генерацией в котле тепловой энергии. Недостатками такого типа котлов является низкая эффективность сжигания древесного топлива. Это обусловлено тем, что независимо от того, сверху поджигается топливо или снизу, через непродолжительное время в горении участвует почти весь объем топлива. Для предотвращения лавинообразного увеличения выделяющейся тепловой мощности приходится ограничивать объем подаваемого в котел воздуха. При этом из-за сравнительно большого объема периферийных зон в камере сгорания, в которых температура значительно ниже 600°С, необходимой для воспламенения выделяющихся из топлива компонентов в газовой, жидкой и твердой фазах и недостатка кислорода, происходит значительный химический недожог этих компонентов. Часть из них вместе с дымовыми газами вылетают в дымоход, а часть откладывается на теплообменных поверхностях, снижая теплопередачу. В целом это обуславливает низкую эффективность такого типа котлов, не говоря о ряде других недостатках.Known boilers with a large combustion chamber (see, for example, heating boilers ZOTA, certificate No.TS RU C-RU.AE88.B.01300, series RU No. 0059232, Yu.L. Gusev. Fundamentals of boiler plant design. 1967, p., 55-57, K.F. Roddatis, E.I. Romm, N.A. Semenenko, etc. Boiler plants. V. 2. M.-L .: Gosenergoizdat, 1946, pp. 9-19, RF patent No. 2213907, etc.), in which a relatively large volume of firewood is loaded into this combustion chamber and by regulating the volume of air supplied to the boiler, the generation of heat energy in the boiler is controlled. The disadvantages of this type of boilers are the low efficiency of wood fuel combustion. This is due to the fact that regardless of whether the fuel is ignited from above or from below, after a short time, almost the entire volume of the fuel participates in combustion. To prevent an avalanche-like increase in the released heat power, it is necessary to limit the volume of air supplied to the boiler. At the same time, due to the relatively large volume of peripheral zones in the combustion chamber, in which the temperature is significantly lower than 600 ° C, necessary for the ignition of the components emitted from the fuel in the gas, liquid and solid phases and the lack of oxygen, there is a significant chemical underburning of these components. Some of them, together with flue gases, fly out into the chimney, and some are deposited on heat exchange surfaces, reducing heat transfer. In general, this leads to the low efficiency of this type of boilers, not to mention a number of other disadvantages.

Известен твердотопливный котел длительного горения (Евразийский патент №005303, патент РФ на полезную модель №139341, №159641), содержащий цилиндрический корпус, телескопический воздуховод и распределитель воздуха. В данном отопительном котле выгорание топлива происходит сверху вниз, по мере перемещения распределителя воздуха под собственным весом, а скорость сгорания регулируется объемом подаваемого через него воздуха. Однако указанный котел, вследствие конструктивных особенностей, имеет следующие недостатки: цилиндрический корпус котла имеет сравнительно низкий коэффициент заполнения дровами; входная камера и телескопический воздуховод имеют громоздкую конструкцию и, следовательно, такой котел имеет сравнительно небольшую тепловую производительность единицы объема корпуса, а конструкция телескопического воздуховода и распределителя воздуха не исключает возможность не стабильной работы котла из-за их деформации при высоких температурах и зависании с остановкой котла, провалов в выгоревшую часть топлива и возникновения аварийной ситуации, особенно при высокой температуре теплоносителя. Кроме того, конструкция котла обуславливает то, что при сгорании топлива нагревается только верхняя часть корпуса котла, вследствие чего, без принятия специальных мер, на нижней части корпуса происходит выпадение конденсата, коррозия металла и образование отложений, ухудшающих теплотехнические характеристики котла. Следствием указанной последовательности нагрева теплообменной поверхности корпуса является неравномерность выделения тепловой энергии. Вначале топки она не большая, поскольку, нагревается часть теплообменной поверхности и может быть увеличена только по мере выгорания топлива. Из-за такой конструкции котла он имеет небольшой диапазон перестройки генерируемой мощности. А большой объем периферийной зоны возле стенок корпуса со сравнительно низкой температурой и большой объем камеры сгорания, в которой газы быстро остывают из-за расширения, приводят к существенному химическому недожогу, снижающему интегральный КПД.Known solid fuel boiler of long burning (Eurasian patent No. 005303, RF patent for useful model No. 139341, No. 159641), containing a cylindrical body, telescopic air duct and air distributor. In this heating boiler, the fuel burns out from top to bottom, as the air distributor moves under its own weight, and the combustion rate is regulated by the volume of air supplied through it. However, this boiler, due to its design features, has the following disadvantages: the cylindrical body of the boiler has a relatively low filling factor with wood; the inlet chamber and the telescopic air duct have a cumbersome design and, therefore, such a boiler has a relatively low thermal performance per unit volume of the body, and the design of the telescopic air duct and air distributor does not exclude the possibility of unstable operation of the boiler due to their deformation at high temperatures and freezing with stopping the boiler , dips into the burnt out part of the fuel and the occurrence of an emergency, especially at a high temperature of the coolant. In addition, the design of the boiler determines that when the fuel is burned, only the upper part of the boiler body heats up, as a result of which, without taking special measures, condensate falls out on the lower part of the body, metal corrosion and the formation of deposits that worsen the thermal performance of the boiler. The consequence of this sequence of heating the heat exchange surface of the housing is the unevenness of the release of thermal energy. At the beginning of the furnace, it is not large, since part of the heat exchange surface heats up and can only be increased as the fuel burns out. Due to this design of the boiler, it has a small tuning range of the generated power. A large volume of the peripheral zone near the walls of the housing with a relatively low temperature and a large volume of the combustion chamber, in which the gases quickly cool down due to expansion, lead to significant chemical underburning, which reduces the integral efficiency.

Известен котел (патент РФ №2561806) шахтного типа, в котором реализуется принцип нижнего горения. В котле топливо выгорает только в нижней части бункера, заполненного большим объемом топлива. В указанном котле реализована встречная подача первичного воздуха относительно движения дымовых газов, с последующей подачей вторичного воздуха. В целом, это приводит к тому, что в котле коэффициент избытка воздуха существенно больше оптимального и значительная часть тепловой энергии уносится с избыточным воздухом, снижая его КПД. Кроме того, короткий газовый тракт, из-за небольшого времени взаимодействия горячих газов с теплообменной поверхностью, не позволяет полностью передать тепловую энергию к теплоносителю и это также снижает эффективность котла. Вследствие короткого газового тракта диапазон изменения мощности оказывается небольшим по причине избыточных тепловых потерь на большой мощности и недостаточной температуре дымовых газов на небольшой мощности. В связи с этим интегральный КПД оказывается сравнительно низким.Known boiler (RF patent No. 2561806) of the mine type, which implements the principle of bottom combustion. In the boiler, fuel burns out only in the lower part of the hopper filled with a large volume of fuel. In the specified boiler, a counter-flow of primary air is realized relative to the movement of flue gases, followed by a supply of secondary air. In general, this leads to the fact that the excess air ratio in the boiler is significantly higher than the optimal one and a significant part of the heat energy is carried away with excess air, reducing its efficiency. In addition, the short gas path, due to the short interaction time of hot gases with the heat exchange surface, does not allow the complete transfer of heat energy to the coolant, and this also reduces the efficiency of the boiler. Due to the short gas path, the power range is small due to excessive heat losses at high power and insufficient flue gas temperature at low power. In this regard, the integral efficiency is relatively low.

Известен твердотопливный котел длительного горения шахтного типа «Universal» НИИ Пеллетрон (www.Pelletron.ru), в котором также реализуется принцип нижнего горения. Котел содержит корпус с двойными стенками, образующими герметичную полость для теплоносителя, с загрузочной дверцей и дверцей розжига, разделенный на бункерную и теплообменную полости, соединяемые между собой газоходом, расположенным в нижней части бункера и через заслонку дымоудаления в верхней части, патрубок дымохода на выходе теплообменной полости, заслонку входного воздуха на дверце розжига, связанную с терморегулятором и теплоизолирующий кожух. К недостаткам указанного котла следует отнести значительный уровень химического недожога, который обусловлен тем, что в котле много периферийных, сравнительно холодных, зон в топочной части бункера, включая водоохлаждаемый колосник и в газовом тракте на основе жаротрубного теплообменника. В этих зонах из-за низкой температуры не сгорает значительная часть пиролизных газов, частиц топлива в жидкой и твердой фазах. Они с потоком дымовых газов попадают в газовый тракт, где часть частиц в твердой и жидкой фазах откладывается на теплообменных поверхностях, а остальные вместе с не сгоревшими пиролизными газами выбрасываются в атмосферу. Ускоренному процессу роста отложений на теплообменных поверхностях теплообменника способствует также то обстоятельство, что площадь сечения газовых каналов в теплообменнике значительно больше начального участка газового тракта и дымовые газы попадая в этот объем, дополнительно охлаждаются пропорционально изменению объемов. В целом это приводит к снижению общего КПД, который учитывает не только тепловые, но и другие потери. По указанным причинам не большим оказывается и диапазон перестройки генерируемой мощности. Кроме того, котел имеет низкий уровень эксплуатационной безопасности. Это связано с тем, что привод заслонки дымоудаления имеет независимый привод. В случае случайного или по неопытности оставления заслонки в открытом положении произойдет возгорание всего объема топлива, лавинообразное увеличение мощности, что может привести к закипанию теплоносителя и повреждению системы отопления.Known solid fuel long-burning boiler of mine type "Universal" Research Institute Pelletron (www.Pelletron.ru), which also implements the principle of bottom combustion. The boiler contains a body with double walls, forming a sealed cavity for the coolant, with a loading door and an ignition door, divided into a bunker and a heat exchange cavity, interconnected by a gas duct located in the lower part of the bunker and through a smoke exhaust damper in the upper part, a chimney pipe at the outlet of the heat exchange cavities, an inlet air damper on the ignition door connected to a thermostat and a heat-insulating casing. The disadvantages of this boiler include a significant level of chemical underburning, which is due to the fact that the boiler has many peripheral, relatively cold, zones in the furnace part of the bunker, including a water-cooled grate and in the gas path based on a fire-tube heat exchanger. In these zones, due to the low temperature, a significant part of the pyrolysis gases, fuel particles in the liquid and solid phases do not burn. They enter the gas path with the flow of flue gases, where some of the particles in the solid and liquid phases are deposited on the heat exchange surfaces, and the rest, together with unburned pyrolysis gases, are emitted into the atmosphere. The accelerated growth of deposits on the heat exchange surfaces of the heat exchanger is also facilitated by the fact that the cross-sectional area of the gas channels in the heat exchanger is much larger than the initial section of the gas path and the flue gases entering this volume are additionally cooled in proportion to the change in volumes. In general, this leads to a decrease in the overall efficiency, which takes into account not only heat, but also other losses. For these reasons, the range of the generated power tuning is not large either. In addition, the boiler has a low level of operational safety. This is due to the fact that the smoke exhaust damper drive has an independent drive. In case of accidental or inexperience leaving the damper in the open position, the entire volume of fuel will ignite, an avalanche-like increase in power, which can lead to boiling of the coolant and damage to the heating system.

Известен твердотопливный котел длительного горения (патент РФ на полезную модель №181672), выбранный в качестве прототипа, в котором реализуется принцип нижнего горения. Котел содержит корпус с двойными стенками, образующими герметичную полость для теплоносителя, с загрузочной дверцей и дверцей розжига, разделенный на бункерную и теплообменную полости, соединяемые между собой через газовое окно и камеру дожига, расположенные в нижней части бункера, патрубок дымохода на выходе теплообменной полости, входной воздуховод с заслонкой входного воздуха на дверце розжига и теплоизолирующий кожух. К недостаткам указанного котла следует отнести значительный уровень химического недожога, который обусловлен тем, что в котле много периферийных сравнительно холодных зон, в топочной части бункера и в камере дожига. В этих зонах из-за низкой температуры не сгорает значительная часть пиролизных газов, частиц топлива в жидкой и твердой фазах, и они с потоком дымовых газов попадают в газовый тракт теплообменника, где часть частиц в твердой и жидкой фазах откладывается на теплообменных поверхностях, а остальные вместе с не сгоревшими пиролизными газами выбрасываются в атмосферу. Локальная подача вторичного воздуха в камеру дожига приводит к не достаточному его перемешиванию с горючими компонентами топлива и как следствие не полному их сгоранию. Кроме того, ручная регулировка объема вторичного воздуха приводит либо к недожогу компонентов топлива при его недостатке или к тепловым потерям при его избытке при работе котла в различных режимах. Большой объем камеры дожига обуславливает уменьшение плотности газового потока, выходящего из газового окна и дополнительное его охлаждение. В целом, это приводит к снижению эффективности сжигания твердого топлива. Сравнительно короткий газовый тракт теплообменника ограничивает диапазон перестройки генерируемой мощности. А отсутствие заслонки дымоудаления снижает эксплуатационную безопасность котла, из-за возможности попадания дымовых газов в помещение при открывании загрузочной дверцы и дозагрузке топлива.Known solid fuel boiler for long burning (RF patent for utility model No. 181672), selected as a prototype, which implements the principle of bottom combustion. The boiler contains a body with double walls, forming a sealed cavity for the coolant, with a loading door and an ignition door, divided into a bunker and a heat exchange cavity, connected to each other through a gas window and an afterburner located in the lower part of the bunker, a chimney pipe at the outlet of the heat exchange cavity, inlet air duct with inlet air damper on the ignition door and heat-insulating cover. The disadvantages of this boiler include a significant level of chemical underburning, which is due to the fact that there are many peripheral relatively cold zones in the boiler, in the furnace part of the bunker and in the afterburner. In these zones, due to the low temperature, a significant part of the pyrolysis gases, fuel particles in the liquid and solid phases do not burn, and they enter the gas path of the heat exchanger with the flow of flue gases, where part of the particles in the solid and liquid phases are deposited on the heat exchange surfaces, and the rest together with unburned pyrolysis gases are emitted into the atmosphere. The local supply of secondary air to the afterburner leads to insufficient mixing with combustible fuel components and, as a consequence, their incomplete combustion. In addition, manual adjustment of the secondary air volume leads either to underburning of fuel components when there is a lack of fuel or to heat losses when there is an excess when the boiler is operating in various modes. The large volume of the afterburner causes a decrease in the density of the gas flow leaving the gas window and its additional cooling. In general, this leads to a decrease in the efficiency of solid fuel combustion. The relatively short gas path of the heat exchanger limits the power generation range. And the absence of a smoke exhaust damper reduces the operational safety of the boiler, due to the possibility of flue gases entering the room when opening the loading door and adding fuel.

Технический результат состоит в повышении эффективности сжигания топлива, расширении диапазона перестройки генерируемой мощности, уменьшении отложений на теплообменных поверхностях, в том числе трудноудаляемых, а также увеличении эксплуатационной безопасности.The technical result consists in increasing the efficiency of fuel combustion, expanding the range of restructuring of the generated power, reducing deposits on heat exchange surfaces, including hard-to-remove ones, as well as increasing operational safety.

Технический результат достигается тем, что твердотопливный котел длительного горения, содержащий корпус с двойными стенками, образующими герметичную полость для теплоносителя, с загрузочной дверцей и дверцей розжига, разделенный на бункерную и теплообменную полости, сообщающиеся между собой через газовое окно, расположенное в нижней части бункера и камеру дожига, патрубок дымохода на выходе теплообменной полости, входной воздуховод, заслонку входного воздуха, зольник с зольным ящиком и теплоизолирующий кожух, содержит шамотные плиты, установленные на днище бункера с уклоном по обе стороны от колосника с зазорами возле боковых стенок бункера, воздуховоды распределенной подачи первичного и вторичного воздуха, соединенные с входным воздуховодом, заслонку дымоудаления, размещенную в верхней части котла между бункерной и теплообменной полостями, причем воздуховод вторичного воздуха установлен в газовом окне, а газовый тракт выполнен из параллельных прямого короткого и нисходяще-восходящего длинного участков, при этом короткий участок выполнен регулируемым по проходному сечению с помощью заслонки с ручным или автоматическим приводом управления, причем воздуховод первичного воздуха выполнен вокруг зольника и сообщается с бункерной полостью через отверстия в ее днище и между шамотными плитами и боковыми стенками бункерной полости и отверстия в боковой стенке зольника и зольном ящике.The technical result is achieved by the fact that a solid fuel boiler of long burning, containing a body with double walls, forming a sealed cavity for the coolant, with a loading door and an ignition door, divided into a bunker and a heat exchange cavity, communicating with each other through a gas window located in the lower part of the bunker and afterburner, chimney nozzle at the outlet of the heat exchange cavity, inlet air duct, inlet air damper, ash pan with ash box and heat-insulating casing, contains fireclay plates installed on the bottom of the hopper with a slope on both sides of the grate with gaps near the side walls of the hopper, air ducts of distributed supply primary and secondary air connected to the inlet air duct, a smoke exhaust damper located in the upper part of the boiler between the bunker and heat exchange cavities, and the secondary air duct is installed in the gas window, and the gas path is made of parallel straight short and descending-ascending long sections, while the short section is made adjustable in the flow section using a damper with a manual or automatic control drive, and the primary air duct is made around the ash pan and communicates with the bunker cavity through the holes in its bottom and between the fireclay plates and the side walls of the bunker cavity and holes in the side wall of the ash pan and the ash box.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где показаны продольный (фиг. 1), поперечный (фиг. 2) разрезы котла, и горизонтальное сечение на уровне патрубка дымохода (фиг. 3). На фиг. 1 - 3 обозначено: корпус 1, загрузочная дверца 2, дверца розжига 3, патрубок дымохода 4, колосник 5, зольный ящик 6, входной воздуховод 7, воздуховод первичного воздуха 8, воздуховод вторичного воздуха 9, с отверстиями 10, наклонные шамотные плиты 11, продольная щель 12, козырек 13, камера дожига 14 с поворотной плитой 15, патрубок короткого газового тракта 16, заслонка управления температурой дымовых газов 17, ручка управления 18 заслонкой 17, заслонка дымоудаления 19 с рычажным механизмом, привод заслонки дымоудаления 20, отверстия подачи первичного воздуха над шамотными плитами 21 и под колосник 22, боковые нисходящие газоходы 23, задний восходящий газоход 24, теплоизолирующая съемная крышка 25, стенки зольника 26, проекция отверстия 27 в первой ступени входной заслонки. Теплоизолирующий кожух, входная заслонка, терморегулятор и некоторые другие вспомогательные элементы котла не показаны на рисунках, чтобы их не загромождать.The essence of the invention is illustrated in FIG. 1-3, which show the longitudinal (Fig. 1), transverse (Fig. 2) sections of the boiler, and a horizontal section at the level of the chimney pipe (Fig. 3). FIG. 1 - 3 indicated: housing 1, loading door 2, ignition door 3, chimney pipe 4, grate 5, ash box 6, inlet air duct 7, primary air duct 8, secondary air duct 9, with holes 10, inclined fireclay plates 11, longitudinal slot 12, visor 13, afterburner 14 with rotary plate 15, short gas path 16, flue gas temperature control flap 17, control knob 18 with flap 17, smoke exhaust flap 19 with a lever mechanism, smoke exhaust flap drive 20, primary air supply openings above the fireclay plates 21 and under the grate 22, lateral descending gas ducts 23, a rear ascending gas duct 24, a heat-insulating removable cover 25, ash pan walls 26, projection of the opening 27 in the first stage of the inlet damper. The heat-insulating casing, inlet damper, thermostat and some other auxiliary elements of the boiler are not shown in the figures so as not to obstruct them.

Корпус 1 разделен на бункерную часть, куда загружается и сжигается топливо и теплообменную часть, где происходит теплосъем с дымовых газов. Требования к материалу корпуса 1 не выходят за рамки известных требований к подобным изделиям, поэтому не уточняются. Загрузочная дверца 2, дверца розжига 3, патрубок дымохода 4, колосник 5, зольный ящик 6, теплоизолирующая крышка 25, зольник 26, принципиальных особенностей не имеют, поэтому подробно не рассматриваются. Входной воздуховод 7 разделен на воздуховод первичного воздуха 8 и воздуховод вторичного воздуха 9. Воздуховод 7 закрывается входной заслонкой, связанной с терморегулятором (не показаны на рисунке). Для повышения точности управления котел может быть оснащен двухступенчатой заслонкой (патент RU №2651393), позволяющей обеспечить энергонезависимое высокоточное управление твердотопливным котлом, изменение точности управления и режима подачи воздуха в котел в зависимости от генерируемой мощности. В указанной двухступенчатой заслонке большая заслонка закрывает входной воздуховод 7 и в ней выполнено отверстие (на рис. 2 показана его проекция 27), закрываемое малой заслонкой, отклоняемой на небольшой угол. Соотношение первичного и вторичного воздуха, подаваемого через малую заслонку в воздуховоды 8 и 9 примерно в два раза больше аналогичного соотношения через большую заслонку. Привод заслонок (как правило, от терморегулятора) осуществляется за малую заслонку, а длина рычага точки подвеса, относительно оси вращения заслонок, может меняться в зависимости от требуемой точности управления. Изменением положения отверстия в большой заслонке, относительно перегородки между воздуховодами первичного и вторичного воздуха, может меняться соотношение первичного и вторичного воздуха при открывании большой, вместе с малой и только малой заслонки, при работе котла на различной мощности. Из воздуховода первичного воздуха 8 выполнены отверстия 21 в днище бункерной полости и в зольнике 22. Воздуховод 8 расположен вокруг зольника 26, что обеспечивает подогрев поступающего в котел первичного воздуха. Воздуховод вторичного воздуха 9, с отверстиями 10, равномерно распределенными по нижней его стенке, установлен в газовом окне 28 из бункерной полости в теплообменные полости. При прохождении воздуха по этому воздуховоду осуществляется нагрев вторичного воздуха. На днище бункерной полости в центральной его части установлен колосник 5, а по обе стороны от него наклонные шамотные плиты 11, с зазорами, образующими щелевые отверстия 12. Над этими отверстиями установлены козырьки 13, предотвращающие попадание золы в отверстия 12. Козырек также может быть установлен над газовым окном 28. Плиты 11 устанавливаются под таким углом, чтобы их верхняя кромка, например, была примерно на уровне газового окна 28, являющегося выходным отверстием из бункерной полости. За окном 28 установлена камера дожига, состоящая из поворотной плиты 15 с боковыми стенками и стакана 14. Поворотная плита 15 и боковые стенки возле нее могут быть выполнены из шамотной или кремнеземной плиты. Стакан 14 может быть также выполнен из огнеупорного материала с низкой теплопроводностью, например, из высокотемпературной кремнеземной плиты, что уменьшает тепловые потери через стенки. Патрубок газохода 16 может быть выполнен из цилиндрической или прямоугольной трубы. Внутри него установлена заслонка 17 для изменения проходного сечения патрубка 16, которая имеет ручку управления 18, с ручным или электромеханическим приводом от датчика температуры дымовых газов, устанавливаемого на дымоходе (не показан на рисунках). Заслонка дымоудаления 19, с рычажным поворотным механизмом, предназначена для удаления дыма во время дозагрузки котла топливом при открытой загрузочной дверце 2. Заслонка имеет привод 20, состоящий из поворотного рычага и тяги с блокировочным флажком (пластиной). Газовый тракт котла, включающий камеру дожига 14, боковые нисходящие газоходы 23 и задний восходящий газоход 24 выполнен, примерно, одинакового сечения, что предотвращает охлаждение газового потока за счет увеличения сечения (и соответственно объема) газового тракта. Газоход 24 может быть также выполнен из пучка жаротрубных труб.Body 1 is divided into a bunker part, where fuel is loaded and burned, and a heat exchange part, where heat is removed from flue gases. Requirements for the material of the housing 1 do not go beyond the known requirements for similar products, therefore, they are not specified. Loading door 2, ignition door 3, flue pipe 4, grate 5, ash box 6, heat-insulating cover 25, ash pan 26, have no fundamental features, therefore they are not considered in detail. The inlet air duct 7 is divided into a primary air duct 8 and a secondary air duct 9. Air duct 7 is closed by an inlet damper connected to the thermostat (not shown in the figure). To improve the control accuracy, the boiler can be equipped with a two-stage damper (patent RU No. 2651393), which allows to provide non-volatile high-precision control of a solid fuel boiler, change the control accuracy and the mode of air supply to the boiler depending on the generated power. In the specified two-stage damper, a large damper closes the inlet air duct 7 and a hole is made in it (its projection 27 is shown in Fig. 2), closed by a small damper deflected at a small angle. The ratio of the primary and secondary air supplied through the small damper to the air ducts 8 and 9 is approximately twice the same ratio through the large damper. The dampers are driven (as a rule, from a thermostat) for a small damper, and the length of the suspension point lever, relative to the dampers rotation axis, can vary depending on the required control accuracy. By changing the position of the opening in the large damper, relative to the partition between the primary and secondary air ducts, the ratio of the primary and secondary air can change when the large, together with the small and only small damper is opened, when the boiler is operating at different power. Openings 21 are made from the primary air duct 8 in the bottom of the bunker cavity and in the ash pan 22. The air duct 8 is located around the ash pan 26, which provides heating of the primary air entering the boiler. The secondary air duct 9, with holes 10 evenly distributed along its bottom wall, is installed in the gas window 28 from the bunker cavity into the heat exchange cavities. When air passes through this duct, the secondary air is heated. A grate 5 is installed on the bottom of the bunker cavity in its central part, and on both sides of it there are inclined fireclay plates 11, with gaps forming slot holes 12. Visors 13 are installed above these holes, preventing ash from entering the holes 12. The visor can also be installed above the gas window 28. Plates 11 are installed at an angle so that their upper edge, for example, is approximately at the level of the gas window 28, which is the outlet from the bunker cavity. Outside the window 28, an afterburner is installed, consisting of a rotary plate 15 with side walls and a glass 14. The rotary plate 15 and the side walls near it can be made of chamotte or silica plate. Bowl 14 can also be made of a refractory material with low thermal conductivity, for example, a high temperature silica plate, which reduces heat loss through the walls. The gas duct 16 can be made of a cylindrical or rectangular pipe. Inside it, a damper 17 is installed to change the flow area of the branch pipe 16, which has a control knob 18, with a manual or electromechanical drive from a flue gas temperature sensor installed on the chimney (not shown in the figures). Smoke exhaust damper 19, with a lever swing mechanism, is designed to remove smoke during additional loading of the boiler with fuel when the loading door 2 is open. The damper has a drive 20, consisting of a rotary lever and a rod with a blocking flag (plate). The gas path of the boiler, including the afterburner chamber 14, the lateral descending gas ducts 23 and the rear ascending gas duct 24 is made of approximately the same cross-section, which prevents the gas flow from cooling by increasing the cross-section (and, accordingly, the volume) of the gas path. The flue 24 can also be made of a bundle of fire tube tubes.

Работает отопительный котел следующим образом. После загрузки через загрузочную дверцу 2 топлива в бункерную полость она закрывается и флажком привода 20 заслонки дымоудаления 19 блокируется, для того чтобы в процессе работы котла заслонка дымоудаления была гарантировано закрыта, а дверца 2 не могла быть открыта без проветривания бункерной полости. Через дверцу розжига 3 топливо поджигается, и она закрывается. Воздух для горения к топливу подается через открытую входную заслонку, входной воздуховод 7 отверстие 22 в стенке зольника 26 под колосник и через отверстия 21 в днище и продольные щели 12 сверху плит 11. Такое распределение воздуха обеспечивает движение воздуха через топливо с нескольких направлений, способствует его турбулизации и более полному взаимодействию с горючими компонентами топлива. При этом обеспечивается примерно оптимальный коэффициент избытка воздуха. Кроме того, за счет футеровки основной части основания бункерной полости вокруг топочного ядра минимизируются низкотемпературные периферийные зоны, что обеспечивает возможность развития высоких температур, которые могут достигать 1000°С. Такие высокие температуры способствуют более полному сгоранию продуктов разложения древесины, которым для возгорания требуется температура выше 600°С. Поскольку топочное ядро в динамике остается неоднородным по температуре, в том числе, вследствие постоянного его обновления опускающимся сверху топливом, на место выгоревшего, то в продуктах сгорания всегда присутствует определенный процент не сгоревших компонентов топлива в различных фазах. Эти компоненты вместе с образующимися дымовыми газами через выходное отверстие из бункерной полости, поступают, отражаясь от поворотной плиты 15, в камеру дожига 14. Одновременно через отверстия 10 (по всей ширине окна) воздуховода вторичного воздуха 9 в камеру 14 подается подогретый вторичный воздух, с помощью которого в этой камере происходит сжигание не сгоревших компонентов топлива. Вторичный воздух через отверстия 10 подается поперек потока дымовых газов, что способствует перемешиванию газовых потоков и более эффективному сжиганию компонентов топлива. Для дополнительного перемешивания газовых потоков воздуха и горючих газов в камере 14 может быть установлен турбулизатор. При этом температура в камере дожига 14 может достигать 1200°С. Поскольку все выделяющиеся из топлива компоненты проходят через высокотемпературную зону камеры дожига 14, то они почти все сгорают на этом участке, тем самым повышается эффективность котла и уменьшается рост отложений на последующих теплообменных поверхностях газового тракта котла. Дымовые газы из камеры 14 поступают в теплообменную полость котла. При этом в дымоход 4 они могут проходить по короткому пути через патрубок 16 и по длинному пути, опускаясь вниз через боковые газоходы 23 и поднимаясь вверх через задний газоход 24. При прохождении по длинному пути дымовые газы охлаждаются до низких температур на большой теплообменной поверхности, в то время как при прохождении по короткому пути они почти не охлаждаются. Газовый тракт в котле выполнен примерно одинакового сечения, что предотвращает дополнительное охлаждение газового потока за счет увеличения его объема при изменении сечения (и соответственно объема) газового тракта. Для дополнительного увеличения теплосъема в нисходящих газоходах 23 и заднем восходящем газоходе 24 могут устанавливаться турбулизаторы, которые, турбулизируя газовый поток, увеличивают коэффициент теплопередачи и, нагреваясь, переизлучают поглощенную от газового потока тепловую энергию. Изменяя проходное сечения патрубка 16, с помощью заслонки 17 (в ручном или автоматическом режиме), можно изменять соотношение горячего и холодного газовых потоков и тем самым изменять температуру дымовых газов на выходе котла поддерживая ее на минимальных значениях, при которых не наблюдается существенного роста отложений на стенках дымохода. При этом одновременно достигается минимизация тепловых потерь, уносимых дымовыми газами, что дополнительно повышает экономичность котла. Кроме того, расширяется диапазон перестройки генерируемой мощности, что, в свою очередь повышает удобство эксплуатации котла в различные периоды отопительного сезона. После розжига котла он постепенно выводится на генерацию требуемой мощности, путем открывания входной заслонки. При достижении требуемой температуры теплоносителя в зависимости от генерируемой мощности большая заслонка, как правило, закрывается полностью, а маленькая остается приоткрытой на несколько миллиметров. На большой мощности большая заслонка может быть открыта на небольшой угол, а малая открыта полностью. В дальнейшем управление заслонкой происходит автоматически от терморегулятора. Топливо в бункерной полости горит в основном только в слое ниже уровня выходного газового окна, поэтому по мере его выгорания вышележащие слои опускаются на место сгоревшего и так последовательно происходит горение всего, загруженного в бункерную полость топлива. При таком режиме сжигания не всего, а ограниченного объема топлива, обеспечивается, в основном, оптимальный коэффициент избытка воздуха и, следовательно, наиболее эффективное его сжигание, а дожигание пиролизных газов и других летучих компонентов топлива в высокотемпературной зоне камеры дожига минимизирует процент химического недожога.The heating boiler works as follows. After loading through the loading door 2 of fuel into the bunker cavity, it is closed and the flag of the drive 20 of the smoke exhaust flap 19 is blocked, so that during the operation of the boiler the smoke exhaust flap is guaranteed to be closed, and the door 2 cannot be opened without ventilating the bunker cavity. Through the ignition door 3, the fuel is ignited and closed. Combustion air is supplied to the fuel through an open inlet damper, inlet air duct 7, opening 22 in the wall of the ash pan 26 under the grate and through openings 21 in the bottom and longitudinal slots 12 on top of the plates 11. This air distribution ensures the movement of air through the fuel from several directions, contributes to it turbulization and more complete interaction with combustible fuel components. This ensures an approximately optimal excess air ratio. In addition, due to the lining of the main part of the base of the bunker cavity around the furnace core, low-temperature peripheral zones are minimized, which makes it possible to develop high temperatures, which can reach 1000 ° C. Such high temperatures contribute to a more complete combustion of decomposition products of wood, which require temperatures above 600 ° C to ignite. Since the combustion core in dynamics remains non-uniform in temperature, including due to its constant renewal by the fuel falling from above, to replace the burned-out one, a certain percentage of unburned fuel components in different phases is always present in the combustion products. These components, together with the generated flue gases through the outlet from the bunker cavity, are reflected from the rotary plate 15 into the afterburner chamber 14. At the same time, heated secondary air is supplied to the chamber 14 through the holes 10 (over the entire width of the window) of the secondary air duct 9 into the chamber 14, with with the help of which unburned fuel components are burned in this chamber. Secondary air is fed through the holes 10 across the flue gas stream, which contributes to the mixing of the gas streams and more efficient combustion of the fuel components. For additional mixing of gas streams of air and combustible gases, a turbulator can be installed in the chamber 14. In this case, the temperature in the afterburner 14 can reach 1200 ° C. Since all the components released from the fuel pass through the high-temperature zone of the afterburner chamber 14, almost all of them burn out in this section, thereby increasing the efficiency of the boiler and reducing the growth of deposits on the subsequent heat exchange surfaces of the boiler gas path. Flue gases from chamber 14 enter the heat exchange cavity of the boiler. In this case, they can pass into the chimney 4 along a short path through the pipe 16 and along a long path, going down through the side ducts 23 and rising up through the rear flue 24. When passing along a long path, the flue gases are cooled to low temperatures on a large heat exchange surface, in while on a short journey, they hardly cool down. The gas path in the boiler is made of approximately the same cross-section, which prevents additional cooling of the gas flow due to an increase in its volume when the cross-section (and, accordingly, volume) of the gas path changes. To further increase the heat removal in the descending gas ducts 23 and the rear ascending gas duct 24, turbulators can be installed, which, by turbulizing the gas flow, increase the heat transfer coefficient and, when heated, re-emit the heat energy absorbed from the gas flow. By changing the flow area of the branch pipe 16, using the damper 17 (in manual or automatic mode), it is possible to change the ratio of hot and cold gas flows and thereby change the temperature of the flue gases at the boiler outlet, maintaining it at minimum values at which there is no significant growth of deposits on chimney walls. At the same time, minimization of heat losses carried away by flue gases is achieved, which additionally increases the efficiency of the boiler. In addition, the range of restructuring of the generated power expands, which, in turn, increases the convenience of operating the boiler at different periods of the heating season. After firing up the boiler, it is gradually brought up to generate the required power by opening the inlet damper. When the required temperature of the coolant is reached, depending on the generated power, the large damper, as a rule, closes completely, and the small one remains ajar a few millimeters. At high power, the large damper can be opened to a small angle, and the small damper is fully open. In the future, the damper is controlled automatically from the thermostat. The fuel in the bunker cavity burns mainly only in the layer below the level of the outlet gas window, therefore, as it burns out, the overlying layers descend to the place of the burned one, and this is how the combustion of everything loaded into the bunker cavity occurs sequentially. With this mode of combustion of not all, but a limited amount of fuel, mainly the optimal excess air ratio is ensured and, therefore, its most efficient combustion, and the afterburning of pyrolysis gases and other volatile fuel components in the high-temperature zone of the afterburner minimizes the percentage of chemical underburning.

При дозагрузке топливом работающего котла сначала закрывается входная заслонка, производится проветривание бункерной полости котла путем открывания заслонки дымоудаления 19 при повороте флажка привода 20 и вдавливания тяги привода до упора. Одновременно открывается заслонка управления дымовыми газами 17. После этого открывается загрузочная дверца 2 и топливо загружается в котел. Затем загрузочная дверца 2 закрывается, вытягивается тяга привода 20 и флажком на ней осуществляется взаимная блокировка закрытых заслонки дымоудаления 19 и загрузочной дверцы 2, а заслонка 17 и входная заслонка устанавливаются в прежнее положение.When adding fuel to a working boiler, the inlet flap is first closed, the boiler bunker cavity is ventilated by opening the smoke exhaust flap 19 by turning the drive flag 20 and pushing the drive rod until it stops. At the same time, the flue gas control damper 17 opens. After that, the loading door 2 is opened and the fuel is loaded into the boiler. Then the loading door 2 is closed, the drive rod 20 is pulled out and the flag on it interlocks the closed smoke exhaust flaps 19 and the loading door 2, and the flap 17 and the inlet flap are set to their previous position.

Таким образом, распределенная подача минимально необходимого первичного и вторичного воздуха, способствует хорошему перемешиванию его с пиролизными газами и другими летучими компонентами топлива, что в свою очередь позволяет обеспечить наиболее полное их сгорание и минимизировать потери от химического недожога. Эффективному сжиганию топлива также способствует теплоизоляция камеры дожига и выполнение ее оптимизированной по размерам и тепловым потерям, что обеспечивает повышение температуры сгорания летучих компонентов топлива до предельных значений. Следствием эффективного сжигания топлива и максимально возможного извлечения тепловой энергии из дымовых газов является увеличение продолжительности работы котла на единице массы топлива, уменьшение отложений на теплообменных поверхностях котла и вредных выбросов в атмосферу. Это улучшает эксплуатационные характеристики котла. А установка устройства взаимной блокировки заслонки дымоудаления и загрузочной дверцы повышает эксплуатационную безопасность котла. Возможность регулировки температуры дымовых газов и поддержание ее на минимально допустимых значениях, позволяет уменьшить тепловые потери, уносимые с дымовыми газами и существенно расширить диапазон перестройки генерируемой мощности. Длительное время работы в автоматическом режиме, широкий диапазон перестройки генерируемой мощности существенно улучшают эксплуатационные характеристики котла.Thus, the distributed supply of the minimum required primary and secondary air contributes to its good mixing with pyrolysis gases and other volatile fuel components, which in turn allows ensuring their most complete combustion and minimizing losses from chemical underburning. Efficient fuel combustion is also facilitated by the thermal insulation of the afterburner and its performance optimized in terms of size and heat loss, which ensures an increase in the combustion temperature of volatile fuel components to the limit values. The consequence of efficient combustion of fuel and the maximum possible extraction of thermal energy from flue gases is an increase in the duration of the boiler operation per unit mass of fuel, a decrease in deposits on the heat exchange surfaces of the boiler and harmful emissions into the atmosphere. This improves the performance of the boiler. And the installation of a device for interlocking the smoke exhaust flap and the loading door increases the operational safety of the boiler. The ability to adjust the temperature of flue gases and maintain it at the minimum permissible values, allows you to reduce heat losses carried away with flue gases and significantly expand the range of restructuring of the generated power. Long operating time in automatic mode, a wide range of tuning of the generated power significantly improve the operational characteristics of the boiler.

Использование энергонезависимого высокоточного устройства управления входным воздухом в совокупности с реализацией принципа нижнего горения и регулируемой температуры дымовых газов позволяет реализовать в твердотопливном котле новую функциональную возможность - работу в режиме ожидания с автоматическим переходом в этот режим и выходом из него. В такой режим котел переходит из режима стабильной работы на любой мощности в случае аварийной ситуации (прекращение работы циркуляционных насосов), либо переведен вручную путем их отключения и может находиться в нем в течение длительного времени, генерируя небольшую мощность (сотни ватт) равную тепловым потерям котла через его корпус и за счет небольшой циркуляции теплоносителя в системе отопления (в основном через гидрострелку). При возобновлении работы циркуляционных насосов или отбора тепловой мощности через контур горячего водоснабжения (не показан на рисунках) котел автоматически переходит в режим генерации потребляемой мощности.The use of a non-volatile high-precision inlet air control device in conjunction with the implementation of the principle of bottom combustion and an adjustable temperature of flue gases makes it possible to implement a new functionality in a solid fuel boiler - work in standby mode with automatic transition to and from this mode. In this mode, the boiler switches from a stable operation at any power in the event of an emergency (cessation of operation of circulation pumps), or it is manually switched off by turning them off and can be in it for a long time, generating a small power (hundreds of watts) equal to the heat losses of the boiler through its body and due to a small circulation of the coolant in the heating system (mainly through the hydraulic arrow). When the circulation pumps are resumed or heat power is taken off through the hot water supply circuit (not shown in the figures), the boiler automatically switches to the power consumption generation mode.

Заявляемая конструкция котла находится в стадии серийного производства модельного ряда бытовых котлов пяти номиналов по тепловой мощности. Все характеристики описанного котла проверены и подтверждены экспериментально с инструментальной оценкой параметров. Полученные технические и эксплуатационные характеристики превосходят аналогичные параметры у прототипа и известных аналогов.The claimed design of the boiler is in the stage of serial production of a model range of household boilers with five thermal power ratings. All the characteristics of the described boiler have been verified and confirmed experimentally with an instrumental parameter assessment. The obtained technical and operational characteristics are superior to those of the prototype and known analogues.

Claims

1. Solid fuel boiler of long burning, containing a body with double walls, forming a sealed cavity for the coolant, with a loading door and an ignition door, divided into bunker and heat exchange cavities, communicating with each other through a gas window located in the lower part of the bunker cavity, and an afterburner , a chimney pipe at the outlet of the heat exchange cavity, an inlet air duct, an inlet air damper, an ash pan with an ash box and a heat-insulating casing, characterized in that it contains fireclay plates installed on the bottom of the bunker cavity with a slope on both sides of the grate with gaps near the side walls of the bunker cavity , air ducts of the distributed supply of primary and secondary air connected to the inlet air duct, a smoke exhaust damper located in the upper part of the boiler between the bunker and heat exchange cavities, and the secondary air duct is installed in the gas window, and the gas path is made of parallel straight short and descending - ascending long sections, while the short section is made adjustable over the flow area using a damper with a manual or automatic control drive, and the primary air duct is made around the ash pan and communicates with the bunker cavity through openings in its bottom and between the fireclay plates and the side walls of the bunker cavity and holes in the sidewall of the ash pan and ash box.

2. The solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that the smoke exhaust damper drive is made with the loading door interlocking.

3. Solid fuel boiler according to claim 2, characterized in that the smoke exhaust flap drive is made of a bar, on the one hand connected to the lever mechanism of the flap, and on the other with a blocking flag, and the bar has the ability to rotate around its axis and fix it with a flag on the loading door ...

4. Solid fuel boiler according to claim 3, characterized in that the drive of the smoke exhaust flap is made of a bar, on one side connected to the lever mechanism of the flap, and on the other with a blocking plate, and the bar has the ability to rotate around its axis and fix the plate on the loading door ...

5. Solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that turbulators are installed in the descending sections of the gas path.

6. Solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that a turbulator is installed in the rear ascending section of the gas path.

7. Solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that a turbulizer is installed in the afterburner.

8. Solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that the upper edge of the inclined fireclay plates is set approximately at the height of the gas window.

9. Solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that visors are installed above the gas window from the bunker and the gaps between the inclined fireclay plates and the side walls of the bunker.

10. Solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that the walls of the afterburner are made of fire-resistant heat-insulating material.

11. Solid fuel boiler according to claim 1, characterized in that the rear ascending gas duct is made of a bundle of fire-tube pipes.