Документ описывает инновационный твердотопливный котел длительного горения, предназначенный для автономного отопления, с улучшенной системой управления температурой, включая электротеплонагреватели и автоматизированные регуляторы. Изобретение направлено на предотвращение колебаний температур в отопительной системе при сгорании топлива, что особенно важно в суровые зимние условия. Указанные котлы демонстрируют высокую эффективность, минимальные эксплуатационные расходы и удобство в использовании, превосходя аналоги на рынке.

1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28845
(51) F24H 1/00 (2006.01)
F24B 1/185 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/1296.1
(22) 01.10.2013
(45) 15.08.2014, бюл. №8
(72) Лукин Сергей Анатольевич; Топченко
Александр Витальевич; Белецкая Наталья Петровна;
Тюленев Анатолий Павлович
(73) Товарищество с ограниченной
ответственностью "Сапро-НАТ"
(56) ТОО фирма «Механик»//Руководство по
эксплуатации, Котел отопительный КО-525, 2013,
с.16
(54) ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЕЛ
ДЛИТЕЛЬНОГО ГОРЕНИЯ (ТКДГ)
(57) Изобретение относится к системам
твердотопливных угольных котлов длительного
горения автономного отопления.
Сущность изобретения - предотвращение
нарушения температурного режима котла и
отопительной системы в моменты окончания
процесса горения топлива по мере его выгорания.
Предлагается дополнить конструкцию
инновационного теплосберегающего устройства
новыми элементами в виде
электротеплонагревателей и автоматизированных
регуляторов, которые обеспечат стабильный
температурный режим в обогреваемых помещениях.
Повышение эффективности технического
устройства достигается тем, что введенные в
отопительную систему электротеплонагреватели,
вмонтированные в рубашку котла, будут
управляться автоматизированным регулятором -
исполнительным реле с температурным датчиком и
магнитным пускателем - для их включения в
моменты полного сгорания топлива и тем самым
обеспечат необходимый уровень температуры. При
следующем запуске загруженного топливом котла
электронагреватели автоматически отключаются.
Таким образом, исключается риск
нежелательного перерыва в отоплении помещений,
чреватый снижением температуры при отключении
котла в моменты полного сжигания топлива,
удлиняющихся периодом чистки и новой загрузки
топливом, что особенно опасно в суровые зимы.
(19)KZ(13)A4(11)28845

2. 28845
2
Изобретение относится к системам
твердотопливных угольных котлов длительного
горения автономного отопления.
Получение энергии за счет углеводородов
сопровождается экологически опасным процессом
парникового эффекта, следствием чего является
потепление климата, таяние горных и полярных
льдов, изменение водности рек, смещение
природных зон в сторону полюсов, повышение
частоты засух и много других, крайне
нежелательных явлений для сложившейся
структуры мировой экономики и приспособленного
к ней образа жизни населения. Поэтому мировое
сообщество ищет альтернативные экологически
безопасные источники получения энергии,
исключающие сжигание углеводородов.
Однако параллельно ведется поиск экологически
и экономически целесообразных технологий и
технических устройств, обеспечивающих более
рациональное использование углеводородов для
получения энергии. Особенно приемлем и
необходим такой поиск для Казахстана с его
значительными запасами ископаемых дешевых
углей, где прогнозируются длительные периоды их
эксплуатации.
Наиболее надежными и экономичными
техническими устройствами в системах
автономного отопления являются твердотопливные
угольные котлы, ориентированные на широкий
спектр потребления: от бытовых до мощных
промышленных котлов. Твердотопливные котлы
используются для отопления жилых
многоквартирных зданий, частных домов,
коттеджей, производственных цехов, школ, больниц
и т.д. Твердотопливные котлы для отопления
помещений являются одним из немногих
эффективных решений в местах, где газ недоступен.
Несмотря на то, что газовые и электрические котлы
имеют широкий диапазон применения,
твердотопливные котлы с каждым годом
существенно наращивают популярность.
Современные твердотопливные котлы имеют
большие отличия от аналогов более старого образца.
Они оборудованы автоматикой, что делает их
использование более простым и удобным,
отличаются набором функциональных свойств и
новым дизайном. Одним из главных свойств этих
котлов является то, что для их эксплуатации можно
применять низкокачественный уголь или отходы,
что способствует минимизации средств, потому что
уголь - относительно недорогое топливо. В
недалекой перспективе, котлы, использующие газ
как топливо, могут потерять свою актуальность из-
за дороговизны сырья. Вместе с тем, в отличие от
газовых и жидко-топливных, твердотопливные
котлы намного экономичнее и их установка не
требует множества согласований с различными
службами. Котлы на твердом топливе имеют
значительное преимущество над всеми другими с
точки зрения пожарной безопасности. Кроме того,
современные технологии делают эксплуатацию
твердотопливного котла простой и удобной. В связи
с высоким уровнем теплоотдачи, твердотопливные
котлы являются оптимальным вариантом в
соотношении цены и качества. Кроме того,
достигается значительная экономия на сырье, и
такой котел окупится намного быстрее. Необходимо
также помнить, что использование в аналогичных
случаях котлов на жидком топливе несет с собой
ряд неудобств, таких как: необходимость установки
емкости под жидкое топливо, вопрос подвоза
топлива, его хранения.
Твердотопливные котлы - один из древнейших
вариантов автономного отопления. Как правило,
такие котлы пользуются традиционной
популярностью из-за достаточно невысокой цены
самого оборудования, а также доступности
горючего, которым может выступать уголь, торф,
обычные дрова или прессованная древесина.
Твердотопливный автономный котёл, как
правило, может быть использован как в системах
отопления с естественной циркуляцией, то есть без
применения водонасоса, так и в системах с
принудительной циркуляцией, где насос
обеспечивает подачу воды в настенные батареи или
системы «теплых полов». Следует заметить, что
котлы с естественной циркуляцией могут быть
немного менее эффективны, но их явным
преимуществом является возможность установки
даже в местах, где существуют частые перебои с
электроснабжением или электроцентраль вообще
отсутствует. Энергонезависимый котёл не
нуждается в постоянно работающей электросети,
размещается в отдельном помещении с
обязательным дымоходом.
Аналоги. Известны твердотопливные котлы
водяного автономного отопления путем подогрева
воды до необходимой температуры, поступающей в
отопительную систему зданий, помещений.
Основным топливом является уголь.
Аналог. Широко распространенным аналогом
описываемого котла на территории Казахстана
является котел, производимый ТОО «ТЭК Титан»
(Теплоэнергетическая компания «Титан», г.
Костанай, ул. Дорожников,2, тел./факс: 8(7142) 23-
01-95).
Предприятие производит около 200 моделей
котлов на твердом, жидком и газообразном топливе
(КВУ, КВЖ, KB, БМВК, ТЗВК и др.) мощностью до
30 Гкал/час, обогреваемый объем - до 900 000 м3
.
Компания «ТЭК Титан» уже 20 лет производит
котельное оборудование, которое установлено в 10
областях Казахстана. По объемам производства
отопительного и теплоэнергетического
оборудования она является одной из ведущих
предприятий Казахстана (www. Titan-kst.kaz;
www.altynsarin.ru/.../3174-too-teployenergeticheskaya-
kompaniya-titan...., просмотр 21.09.2013г.).
Технические и экономические характеристики
отопительного котла «Титан» рассмотрим на
примере устройства марки БМВК-М, рассчитанного
на обогрев площади, равной 4 000 м2
. Расход угля 84
(карагандинского), 112 (экибастузского),
108 (майкубенского) кг/час, расход электроэнергии -
22 кВт/час. при цене котла в 1 777,24 тыс. тенге
(прайслист от 01.01.2013 г.). Изготавливаются из

3. 28845
3
цельнотянутой (безшовной) трубы. За
дополнительную плату производится обмуровка
котла, установка дымовых труб (высота от 18 до
34 м, стоимость от 981 185 до 2 309 509 тенге),
приобретение теплообменников, насосов,
дымонасосов, вентиляторов, циклонов.
КПД котлов «Титан» на угле составляет 85%.
Недостатки аналога. В сравнении с новым
поколением котлов автономного отопления котлы
«Титан» основаны на разработках устаревшей
документации, отличаются огромным расходом
топлива, отсутствием автоматизации в управлении
процессом горения, поэтому за ними необходим
постоянный контроль со стороны потребителя, а
значит высокие трудовые затраты при
обслуживании. Необходимость покупки дорогого
дополнительного оборудования и услуг при
невысокой стоимости котла и высоких
эксплуатационных затратах свидетельствуют о
низкой его эффективности.
Современные твердотопливные котлы
длительного горения - теплосберегающие
технические устройства. Они удобны в
использовании, практичны, долговечны, устойчивы
к износу. Особенно выгодно они отличаются от
аналогов своей эффективностью в
эксплуатационных расходах. Для получения одного
и того же эффекта значительно снижаются затраты
на топливо за счет использования принципа
верхнего горения в сочетании с функциональными
возможностями теплодатчика, что вместе с
конструктивными особенностями камеры загрузки и
системы подачи воздуха позволяют таким котлам,
демонстрировать наилучшие показатели по КПД.
Так, котлы отопительные марки КО выпускаются
ТОО фирма «Механик» (г. Караганда) и
предназначены для водяного автономного
отопления путем подогрева воды до температуры,
не превышающей 90°С при поступлении ее в
отопительную систему. Основным топливом
является уголь. Функцию управления котлом
осуществляют микропроцессор и вентилятор. Они
регулируют процесс горения и поддерживают
заданную температуру в помещении через
температуру теплоносителя.
В качестве прототипа взят котёл отопительный
(КО-525), рекомендованный для отопления
площадей, равных 3000-5000 м2
(для сравнения с
характеристиками вышеупомянутого котла БМВК-
М). Длительность горения при одноразовой
загрузке-до 3-х суток. Одноразовая загрузка - 800 кг
карагандинского угля. Корпус котла, колосниковая
решетка, цельнотянутая бесшовная котловая труба
диаметром 32 мм выполнены из стального листа
толщиной 5 мм. Корпус стянут продольно и
поперечно стяжками Ø 20 мм. Дымовая труба
соединена с основной рубашкой котла. Горловины,
двери, основание выполнены из стального листа
толщиной 8 мм. Все сварочные швы производятся
на американской полуавтоматической сварке
Lincoln Electric.
КПД котлов марки КО - 92%. Температуру
подачи теплоносителя можно регулировать в
диапазоне от 40 до 90 градусов С°. Котёл обеспечен
удобными люками загрузки топлива и выгрузки
золы, также имеются люки чистки теплообменника
от остатков горения во всех требуемых местах.
Выпускаемые котлы марки КО имеют разные
мощности в зависимости от обогреваемой площади:
КО-20 (мощность 20 кВт, отапливаемая площадь
100 - 150 кв.м), КО- 60 (мощность 60 кВт,
отапливаемая площадь 150-350 кв.м), КО-110
(мощность 110 кВт, отапливаемая площадь
400-800 кв.м), КО -220 (мощность 220 кВт,
отапливаемая площадь 1 000-1 500 кв.м),
КО -400 (мощность 400 кВт, отапливаемая площадь
2 000 - 2 500 кв.м), КО -525 (мощность 525 кВт,
отапливаемая площадь 3 000 - 5000 кв.м).
Котёл устанавливается в отдельно стоящем
тёплом помещении (котельной) с полами, стенами,
кровлей из негорючих материалов со свободным
выходом отработанных газов. Система отопления с
котлом марки КО открытая с расширительным
баком объёмом 10% от всей водной ёмкости
системы. Дымоходная труба выше крыши не менее,
чем на 150 см, соединяется с котлом и не имеет зон
скопления газов. Благодаря особенностям
конструкции котла, установка циклонов и
дымососов не требуется. Средние показатели
длительности горения при обогреве площади
5000 м2
на углях калорийности 5500 (Ккал/кг) в
зависимости от теплопотерь отапливаемого
помещения: - осень, весна - 2-3 суток, зима до -20С°
- 1-2 суток, зима до -30С°-1 сутки. Котёл работает
круглосуточно при односменном дежурстве
истопника.
Основным топливом является уголь мелких
фракций (20...50 мм.) влажностью около 20%. Уголь
для котельной должен храниться в закрытом
помещении. Чем выше калорийность (теплотворная
способность) угля, тем больше длительность
горения на одной загрузке. Внутреннее устройство
котла марки КО показано на фиг.1.
В очищенную от пепла топку (1) засыпается
уголь до уровня на несколько сантиметров ниже
края загрузочной дверцы (3) для свободного
прохода газов в теплообменник (2), так чтобы
осталось место только для дров и бумаги,
выравнивается засыпанный слой. Котёл разжигается
сверху и уголь горит сверху вниз. После того, как
появилась тяга в дымоходе (9), закрывается
загрузочный люк (3), выставляется нужная
температура подачи воды на микропроцессоре (8),
нажимается кнопка «старт» (элемент управления
микропроцессора). Вентилятор (8) нагнетает воздух
в топку (1). Температура поднимается до заданного
параметра и процесс горения регулируется
автоматически. Такой способ горения обеспечивает
значительно меньший расход угля, и значительно
меньшее количество выбросов в окружающую среду
в сравнении с котлами других производителей.
Через дверцу 4 чистятся колосники, через дверцу 5
удаляется зола, остатки горения газохода удаляются
через люки 6 и 7 (1. Котел отопительный КО -
525/Руководство по эксплуатации. Караганда: ТОО
фирма «Механик», 2013.- с.16; 2. WWW ТОО фирма

4. 28845
4
«Механик», Отопительные котлы длительного
горения, просмотр 22. 09. 2013).
Если сравнить эксплуатационные расходы котла
марки КО -525 с котлом марки «Титан» (БМВК-М)
по затратам угля одного отопительного сезона
(210 суток), то получим такие данные: для
отопления площади равной 4 000 м2
при прочих
равных условиях (уголь карагандинский, цена
7 000 тенге/тонна) в первом случае требуется угля
96 тонн (сумма 672 000 тенге), во втором - 423
тонны (сумма 2 961 000 тенге).
Расчет по котлу КО -525:
1) 800 кг × 60 суток (ежедневная загрузка при
самых низких температурах отопительного сезона)
= 48 тонн;
2) 800 кг × 30 (загрузка 1 раз в двое суток при
средних зимних температурах в течение 60 суток) =
24 тонны;
3) 800 кг × 30 (загрузка 1 раз в трое суток в
течение 90 суток весенне-осеннего времени) = 24
тонны.
48т+24т+24т = 96 тонн. Расчет по котлу БМВК-
М:
84 кг/час × 24 часа × 210 суток отопительного
сезона = 423 тонны.
Эксплуатационные расходы наилучшим образом
характеризуют технический уровень сравниваемых
котлов.
К недостаткам прототипа относится
неопределенность времени окончания процесса
горения топлива, что чревато нарушением
температурного режима котла и отопительной
системы, и что особенно опасно в ночное зимнее
время при отсутствии обслуживающего персонала,
несмотря на то, что по мере выгорания топлива
загорается кнопка «стоп» (элемент управления
микропроцессора-8). Момент наступления полного
выгорания топлива трудно предвидеть, так как
длительность горения зависит от калорийности и
качества угля, от меняющейся температуры
внешней среды, от уровня теплопотерь и других
условий.
Технический результат. Предлагаемая модель
инновационного твердотопливного котла
длительного горения имеет КПД 92%, расход угля -
около 25 кг/час (в 3,4 раза меньше, чем котел марки
«Титан» аналогичной мощности), или на выработку
одного кВт/ч энергии в среднем тратится 90г угля
(0,81 тенге). Процесс горения сверху вниз и
конструктивные особенности данного технического
устройства обеспечивают минимальные выбросы в
окружающую среду. Автоматизация процесса
горения угля поддерживает ровный температурный
режим с отклонением от заданного уровня на 1°С
вплоть до выгорания топлива, когда температура в
котле и в отапливаемом помещении снижается.
Предлагаемые авторами изобретения дополнительно
вводимые электротеплонагреватели со своей
системой автоматизации (применимо к зданиям,
подключенным к электросети) предотвращают
падение температуры в периоды полного выгорания
топлива, чистки котла, загрузки и разжигания новой
порции угля. С введением предлагаемых элементов
потребитель может обойтись приобретением одного
котла рекомендуемой конструкции, в то время как в
практике их использования рекомендуется и
приобретается два котла, один из которых рабочий,
второй - резервный (могут включаться попеременно
в периоды между основным временем горения угля).
Сущность изобретения состоит в том, что в
рубашку котла предлагается вмонтировать
электротеплонагреватели, управляемые
регуляторами их включения и отключения
(исполнительным реле) с датчиком температур и
магнитным пускателем в целях предотвращения
нарушения температурного режима котла и
отопительной системы обогреваемых помещений в
моменты окончания процесса горения топлива по
мере его выгорания. Сущность изобретения
пояснена чертежами (фиг.2 и 3), на которых
показано размещение и взаимодействие новых
элементов теплосберегающего отопительного
комплекса, позволяющих предотвратить нарушения
температурного режима обогреваемых помещений
при полном сгорании топлива, которое
сопровождается также процедурами удаления золы,
чисткой колосников, газо- и воздухоходов, а также
загрузкой новых порций топлива. Такие перерывы
особенно при сильных морозах крайне
нежелательны и опасны для потребителей. Схема
предлагаемого твердотопливного котла длительного
горения (ТКДГ) показана на фиг.2.
Как в случае с прототипом, конструкция корпуса
котла (1) с обшивкой из стальных листов, сваренных
между собой и усиленных распорками, включает
топку, обменник тепла. Корпус обеспечен люком
загрузки и разжигания (2), люком канала очистки
тяги (верхнего газохода - 3,4), каналов очистки
колосников (5), золы (6), нижнего воздуховода (7,8),
предназначенного для подачи воздуха в зону
горения. Топливо поджигается сверху, а благодаря
нагнетанию вентилятором (9) при регулировании
микропроцессором (10) и термодатчиком (11),
нагретый воздух проникает в топливо, где
образуется и сжигается газ. Образующийся дым и
преимущественно пары воды поступают в
атмосферу через дымовую трубу (12), в нижней
части которой собирается конденсат, сливаемый
через кран (13). Через патрубок подачи (14) вода
поступает в водяную отопительную систему котла,
через патрубок (15) нагретая вода направляется в
отопительную систему зданий (помещений). Котел
снабжен также предохранительным клапаном (16),
сбрасывающим внутреннее давление в случае его
повышения. Электронагреватели (17 ф1-ф3)
размещены в обменнике тепла, управляемые
датчиком, фиксирующим температурный режим
(18), исполнительным реле (19) и магнитным
пускателем (20). На фиг.3 дополнительно показана
схема взаимодействия вводимых элементов в
конструкцию твердотопливного котла длительного
горения, где: 1 - электротеплонагреватели, 2 -
магнитный пускатель, 3 - исполнительное реле, 4 -
датчик температурный.

5. 28845
5
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Твердотопливный котел длительного горения,
включающий корпус с обшивкой из стальных
листов (1), сваренных между собой и усиленных
распорками, внутри которого содержится топка,
обменник тепла, также обеспечен люком загрузки и
разжигания (2), люком канала очистки тяги (3,4),
каналов очистки колосников (5), золы (6), нижнего
воздуховода (7,8), предназначенного для подачи
воздуха в зону горения, отличающийся тем, что
снабжен электротеплонагревателями, которые
способны предотвратить снижение температуры
обогреваемых помещений при полном сгорании
угля, также дополнен исполнительным реле с
датчиком температур и магнитным пускателем,
обеспечивающими включение-отключение
электротеплонагревателей в перерывах горения
топлива, чистки и последующей загрузки котла.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч