Печь на отработанном масле с технологией сжигания отработанного масла с минимизацией выбросов вредных веществ в атмосферу

Полезная модель относится к отопительным устройствам, в частности к печам на отработанном масле с минимизацией выбросов вредных веществ в атмосферу.
Технический результат заявляемого устройства заключается в интенсификации процессов горения и теплообмена, повышении эффективности сгорания топлива, также устройство применяется для утилизации отработанных машинных масел, поскольку в качестве топлива используются Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР). Конструкция устройства позволяет особым образом смешивать пары нагретого топлива и воздуха для более полного его сгорания, с последующим дополнительным дожигом. При этом специальная конструкция устройства позволяет минимизировать выброс вредных веществ в атмосферу.
Технологический процесс устройства заключается в том, что происходит обогрев помещения с помощью малозагрязняющей технологии.
Новизна устройства заключается в конструктиве горелочного устройства, позволяющего получать тепло при сжигании смеси отработанных машинных масел с выбросами вредных веществ в окружающую среду, сопоставимыми с выбросами горелочного устройства, работающего на природном газе. А также в удобстве эксплуатации, которое заключается в удобстве проведения мероприятий по чистке чаши горения, камеры сгорания и цилиндрического теплообменника. В использовании систем защиты от любой нештатной ситуации (защита от перелива топлива, защита от перегрева, защита от выхода из строя термостата включения вентилятора обдува, защита корпуса от перегрева дополнительными защитными экранами).
Обращаясь к патентам в данной сфере, существует патент RU 147454. Заявляемое устройство в сравнении с представленным патентом отличается тем, что вентилятор наддува расположен не сверху, что могло бы приводить к его выходу из строя от перегрева горящими газами при пропадании электропитания, а снизу, что позволяет избежать возможности перегрева, поскольку при пропадании воздушного потока закрывается обратный клапан 22 (фиг.1). Также воздух для горения подается снаружи камеры сгорания, а не изнутри. В патенте RU 147454 не происходит полного смешивания и отсутствует возможность дожигания. Точно такие же отличительные особенности имеются в сравнении с устройством по патенту JP 2000257834A. Заявляемое устройство отличается от устройства по патенту RU 2546370 наличием завихрения в камере сгорания и наличием секции дожига. При этом в устройстве по патенту теплоносителем является вода, а не воздух.
Используемые иллюстрации для демонстрации особенностей заявляемого устройства:
Фиг. 1. Конструктивная схема печи на отработанном масле с технологией сжигания отработанного масла с минимизацией выбросов вредных веществ в атмосферу, где
1
Камера сгорания
12
Блок управления
2
Крышка теплового блока
13
Верхняя панель с защитным экраном
3
Чаша камеры сгорания
14
Управляющий термостат вентилятора
4
Верхнее кольцо камеры
15
Герконовый датчик перелива топлива
5
Кольцо-дожигатель камеры
16
Заглушка узла перелива
6
Топливный бак
17
Патрубок слива топлива
7
Нагнетающий вентилятор обдува
18
Трубка подачи топлива
8
Насосный узел
19
Кран слива осадков
9
Привод насосного узла
20
Регулируемые опоры (ножки)
10
Направляющие пластины воздушного потока
21
Вентилятор наддува камеры сгорания
11
Датчик защиты от перегрева
22
Обратный клапан
Фиг. 2. Форма отверстий подачи воздуха в камеру сгорания, обеспечивающая завихрение топливовоздушной смеси при горении.
Фиг. 3. Показания прибора газоанализатора ТЕСТО 327-1 при работе печи компании «Беламос» НТ-603.
Фиг. 4. Показания прибора газоанализатора ТЕСТО 327-1 при работе заявляемого устройства.
Технологический процесс
3
Топливо из встроенного топливного бака при помощи поршневого насоса подается в разогретую чугунную чашу. Жаростойкий чугун рассчитан на длительное использование в условиях температуры свыше 1000°С. Если простой чугун расплавляется при 1100°С и более, то жаропрочный и жаростойкий способен сохранять свое твердое состояние до нагрева почти до 1300°С. Частично переходя в парообразное состояние, топливо смешивается с воздухом, подающимся через отверстия камеры сгорания, распределенные определенным образом по окружности в несколько рядов, и выполненные так, чтобы воздух попадал в камеру сгорания под углом от 20° до 35°. Опытным путем выявлено, что под таким углом вихревой поток имеет максимальную скорость вращения. Данные измерения проведены с помощью Анемометра AR  8901.  Воздушный поток подается во внешнюю обечайку камеры сгорания с помощью осевого вентилятора, чья производительность составляет 300м/час, давление 40 Па. Вентилятор подобран опытным путем, и сочетает в себе низкое энергопотребление при достаточной подаче атмосферного воздуха в максимальном режиме горения. По спирали воздушный поток попадает в камеру сгорания, закручивается в турбулентное состояние, смешиваясь с парами топлива и воспламеняясь. Над камерой сгорания расположено кольцо дожигателя, толщиной 14 мм (данная толщина придает кольцу прочность и страхует от разрушения в процессе чистки и случайного падения при этом на твердую поверхность) с отверстиями (фиг.2) различного диаметра, распределенными особым образом: центральное отверстие диаметром 50 мм, 12 отверстий внутреннего радиуса диаметром 10 мм и 20 отверстий внешнего радиуса диаметром 20 мм.
3
3
Над диском, также по окружности камеры сгорания выполнены отверстия меньшего диаметра, через которые подается воздух для дожига топливовоздушной смеси. Горящая топливовоздушная смесь, проходя через отверстия кольца дожигателя, меняет свое состояние из турбулентного на ламинарное и дожигается, получая дополнительный воздух из верхних рядов отверстий камеры сгорания. После чего, отработанные газы поднимаются по стальному цилиндрическому теплообменнику, нагревая его, и удаляются в дымоход. Сам цилиндр теплообменника обдувается осевым вентилятором, производительностью 2270м/час давление 140Па. Вентилятор был подобран экспериментальным путем - использовались вентиляторы с различными характеристиками (производительностью от 1000 до 3500м/час). Каждый из них устанавливался для обдува цилиндра теплообменника, и производился анализ выбросов и температурного режима при использовании каждого из вентиляторов. Более производительные вентиляторы переохлаждают цилиндр теплообменника, что отрицательным образом сказывается на самом процессе сгорания. Менее производительные вентиляторы снимают тепло в недостаточной мере, на цилиндре теплообменника с противоположной стороны от вентилятора появляются зоны перегрева, приводящие в процессе использования к прогоранию цилиндра теплообменника, снимающим тепло с наружной его части и подающим в помещение для обогрева. При увеличении мощности воздухонагревателя посредством увеличения подачи топлива, синхронно увеличивается частота вращения наддувного вентилятора, что приводит к неизменному соотношению топливовоздушной смеси в любой точке регулирования мощности. Измерения показали, что вредные выбросы при использовании такого метода сжигания отработанного машинного масла сопоставимы с выбросами при сжигании природного газа.
Устройство состоит из следующих элементов:
Корпус теплогенератора каркасный выполнен из профильной трубы Ст3пс 10х10х1,5мм - Ст3пс 15х15х2мм и листового металла Ст3пс 0,8мм - Ст3пс 1,5мм (при этом может быть заменен на любую другую конструкционную сталь), окрашен полимерной эмалью, имеющей большой срок службы. Имеет встроенный топливный бак объемом 75л. Этого объема достаточно для работы печи на максимальной мощности в течение 12 часов, без дозаправки. Корпус оснащен защитными экранами вокруг обдуваемой камеры сгорания для защиты от нагрева - Ст3пс 0,8мм (при этом может быть заменена на любую другую конструкционную сталь) с покрытием термостойкой эмалью.
Камера сгорания изготовлена из нержавеющей термостойкой стали 1,5мм 08Х18Н10, зарубежный аналог AISI304. Сталь устойчива к кислоте и выдерживает поднятие температуры до 900°С, что позволяет применять ее при изготовлении камеры сгорания, т. к. температура в ней может достигать 700°С. Имеет несколько рядов перфорации различного диаметра для подачи воздуха для горения (ниже кольца дожигателя) и дожига газов (выше кольца дожигателя).
Цилиндр теплообменника выполнен из стали 09Г2С толщиной 3мм (обладает лучшей передачей тепла чем нержавеющие более жаропрочные стали марок AISI 304, AISI 430, при этом не слоится как сталь марки СТ3пс, при нагреве до 300-450°С) и покрыт термостойкой эмалью.
Крышка цилиндра теплообменника выполнена из стали 09Г2С толщиной 3мм. Обладает лучшей передачей тепла, чем нержавеющие более жаропрочные стали марок AISI 304, AISI 430. При этом не слоится как сталь марки СТ3пс, при нагреве до 300-450°С.  Крышка также покрыта термостойкой эмалью.
Топливный насос поршневого типа позволяет точно дозировать топливо не зависимо от его вязкости. Насос должен иметь производительность в диапазоне от 2 до 10л/час во всем диапазоне температуры смеси отработанных масел от -5 до +35°С, поскольку отработанное масло имеет очень большую разницу в вязкости в зависимости от его температуры. Вал насоса приводится во вращение с помощью шагового двигателя с следующими техническими характеристиками: шаг -  1,8°±5% (200 на оборот), номинальное напряжение питания - 12 В, номинальный ток фазы - 400 мА, крутящий момент - не менее 3,17 кг⋅см, крутящий момент покоя - 0,2 кг⋅см, максимальная скорость старта - 2500 шагов/сек, диаметр вала - 5 мм, длина вала - 24 мм, габариты корпуса - 42×42×48 мм, вес: 350 г.
Блок управления воздухонагревателем - представляет собой плату управления, построенную на современной элементной базе, помещенную в пластиковый корпус. На корпусе размещены клемники для подключения датчиков температуры, перегрева, перелива, потенциометра управляющего регулированием оборотов насоса подачи топлива и оборотов вращения вентилятора наддува воздуха в камеру сгорания, блока питания 24В, кнопок включения питания и принудительного включения вентилятора обдува теплообменника, индикаторов сети и аварии. Ядром блока управления служит микропроцессор, соответствующий следующим характеристикам: 8КБ ISP Flash память с возможностью считывания/записи, 512Б EEPROM, 1КБ SRAM, 23 универсальные линии I/O, 32 универсальных регистра, 3 счетчика/таймера с режимами сравнения, внешние и внутренние прерывания, последовательный программируемый USART, 2-проводной последовательный интерфейс, 6-канальный 10-битный АЦП, программируемый сторожевой таймер с внутренним генератором, SPI порт и 5 режимов энергосбережения. Микроконтроллер работает в диапазоне напряжения от 2.7 до 5.5В. Выполняя мощные инструкции одного цикла, устройство достигает пропускной способности 1MIPS на МГц, позволяя системным разработчикам оптимизировать энергопотребление, по отношению к скорости обработки.
Управление двигателем насоса и вентилятора осуществляется по принципу широтно-импульсной модуляции. Он управляет частотой вращения шагового двигателя и вентилятора наддува камеры сгорания, а также коммутирует остальные вспомогательные и защитные устройства. Осуществляет индикацию состояния и наличия аварийного режима. На случай выхода из строя нагнетающего вентилятора, во избежание пожароопасной ситуации в воздухонагревателе, предусмотрен контроль перегрева камеры сгорания и блокировка работы агрегатов воздухонагревателя. При неправильной эксплуатации воздухонагревателя и/или дымохода возможен перелив топлива через борт чаши камеры сгорания. Перелив топлива может произойти в случае засорения дымохода и, как следствие, угасании пламени в камере сгорания, а также при избыточно заданной подаче топлива в непрогретую камеру сгорания. При переливе излишки топлива будут сливаться в блок перелива. При частичном наполнении бачка сработает герконовый датчик перелива топлива (15 на фиг.1) и произойдет блокировка подачи топлива.
3
Вентилятор обдува цилиндрического теплообменника осевой с внешнероторным двигателем с защитной решеткой ВО-4М350А и производительностью 2270 м/час, давлением 140 Па.
3
Вентилятор наддува в камеру сгорания осевой, производительностью 300 м/час, давлением 40Па.
Блок перелива реализован на основе герконового датчика перелива топлива. Датчик геркон представляет собой прибор электромеханического типа. Он может размыкать и замыкать контакты при воздействии магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, находящимся в поплавке. В состоянии отсутствия контролируемой среды поплавок находится в нижнем состоянии и его магнит не воздействует на контакты находящиеся в щтоке, по которому поплавок перемещается при поднятии и падении уровня контролируемой среды. При поднятии уровня постоянный магнит воздействует на пластины, находящиеся в его штоки и контакт замыкается.
Чаша камеры сгорания изготовлена из жаропрочного чугуна 10 мм.
Кольцо-дожигатель камеры сгорания изготовлено из жаропрочного чугуна толщиной 14мм.
Конструкция печи на отработанном масле с технологией сжигания отработанного масла с минимизацией выбросов вредных веществ в атмосферу (фиг.1):
3
Печь состоит из рамного каркаса с приваренными, регулируемыми по высоте ножками 20, в основании которого расположен топливный бак 6, имеющий сварную конструкцию. С задней стороны печи в бак вварен патрубок слива топлива 17 с навинченным на него краном слива осадков 19. Также в баке приварена изолированная от топлива полость, в которой размещен герконовый датчик перелива топлива 15 с заглушкой узла перелива 16.  Над баком 6 расположен цилиндр теплообменника, в нижней части которого приварено верхнее кольцо 4 камеры 1 сгорания, в пазах которого крепится цилиндрическая камера сгорания 1. На дне камеры сгорания размещается чугунная чаша 3 камеры сгорания 1, в верхней части камеры сгорания, ниже отверстий служащих для подачи дополнительного воздуха, для дожига, на приваренных стальных упорах, размещается кольцо-дожигатель 5 камеры 1. В камеру сгорания 1, над чашей 3 камеры сгорания 1, в приваренную к камере сгорания стальную муфту вкручена трубка подачи топлива, соединенная медной трубкой 18 с насосным узлом 8. В нижней части камеры сгорания приварен горизонтальный патрубок подачи воздуха ДУ150, на фланец которого винтами прикручен вентилятор подачи воздуха 21 в камеру сгорания, производительностью 300 м/час.
Топливо из встроенного топливного бака 6 при помощи насосного узла 8  подается в разогретую чугунную чашу 3 камеры сгорания 1, частично переходя в парообразное состояние, смешиваясь с воздухом, подающимся через отверстия камеры сгорания, распределенные определенным образом по окружности в несколько рядов и выполненных так, чтобы воздух попадал в камеру сгорания под углом от 20° до 35° поверхности цилиндра камеры сгорания. Воздушный поток подается во внешнюю обечайку камеры сгорания с помощью осевого вентилятора 21, через обратный клапан 22, по спирали и попадая в саму камеру сгорания закручивается в турбулентное состояние, смешиваясь с парами топлива и воспламеняясь.
Обратный клапан 22 необходим для предотвращения попадания топливных газов из камеры сгорания при аварийном пропадании питания вентилятора наддува камеры сгорания 21.
Над кольцом-дожигателем 5, также по окружности камеры сгорания выполнены отверстия меньшего диаметра, через которые подается воздух для дожига топливовоздушной смеси. Горящая топливовоздушная смесь, проходя через отверстия кольца-дожигателя 5, меняет свое состояние из турбулентного на ламинарное и дожигается, получая дополнительный воздух из верхних рядов отверстий камеры сгорания 1. После чего отработанные газы поднимаются по стальному цилиндрическому теплообменнику, нагревая его, и удаляются в раструб дымохода, вваренного в верхней части цилиндра теплообменника.
3
Сам цилиндр теплообменника, накрытый стальной крышкой 2, обдувается осевым вентилятором 7 (производительность 2270 м/час), снимающим тепло с наружной его части и подающим в помещение для обогрева. С 3-х сторон цилиндр теплообменника закрыт стальными отражателями и стальными стенками корпуса, покрытыми полимерной эмалью. В стальном отражателе, находящемся со стороны нагнетающего вентилятора обдува, 7 прорезано отверстие, в котором привинчены стальные направляющие пластины потока воздуха 10. Сверху корпус накрыт съемной панелью с защитным экраном 13, покрытым порошковой эмалью. В верхнем углу корпуса расположен блок управления 12 с панелью управления, закрепленный с помощью винтов к кронштейну, приваренному к раме корпуса. При увеличении мощности воздухонагревателя посредством увеличения подачи топлива синхронно увеличивается частота вращения наддувного вентилятора, что приводит к неизменному соотношению топливовоздушной смеси в любой точке регулирования мощности.
Процесс работы устройства заключается в:
Во время горения дизтоплива чаша нагревается и при дальнейшем попадании на поверхность чаши топлива, отработанное масло переходит в газообразную фракцию, смешиваясь с воздухом, подающимся вентилятором наддува, закручивается в спираль и сгорает. Отработанные газы, в том числе недогоревшие, поднимаясь вверх, проходят через раскаленный диск дожигателя, насыщаются дополнительным воздухом, подающимся через отверстия верхнего ряда, и догорают. Отработанные газы поднимаются в цилиндр теплообменника и конвектируют тепло на внутренние стенки цилиндра, после чего уходят через раструб в дымоход. Воздушный поток вентилятора обдува теплообменника при этом, снимает тепло с наружной стенки цилиндра теплообменника и передает его в отапливаемое помещение.
Системы безопасности:
На случай выхода из строя нагнетающего вентилятора или его управляющего термодатчика, во избежание пожароопасной ситуации, в воздухонагревателе предусмотрен аварийный термодатчик, установленный на ограничение + 90°С, контролирующий перегрев камеры сгорания и блокирующий работу агрегатов воздухонагревателя.
При неправильной эксплуатации воздухонагревателя и/или дымохода возможен перелив топлива через борт чаши камеры сгорания.
Перелив топлива может произойти в случае засорения дымохода и как следствие угасании пламени в камере сгорания, а также при избыточно заданной подаче топлива в непрогретую камеру сгорания.
При переливе, излишки топлива будут сливаться в блок перелива. При частичном наполнении бачка сработает герконовый датчик перелива топлива, и произойдет блокировка подачи топлива.
Отключится топливный насос и начнет моргать лампочка индикатора аварии на панели управления.
После автоматического отключения подачи топлива, вентилятор продолжит работать до остывания камеры сгорания воздухонагревателя ниже температуры +50°С. Возможно повторное включение и отключение вентилятора в процессе остывания камеры.
При срабатывании автоматики блока перелива, необходимо:
Дождаться автоматического отключения вентилятора обдува, т.е. дождаться остывания камеры сгорания и теплообменника воздухонагревателя.
Выключить электропитание кнопкой «Сеть».
Убрать излишки топлива из блока перелива: отвернуть нижнюю пробку (заглушку), слить накопившееся топливо, через патрубок слива топлива, открыв сливной кран шаровый узла перелива прочистить канал в камеру сгорания и закрутить пробку.
До момента слива топлива из блока перелива (пока герконовый датчик перелива топлива не займет «дежурное» положение) насос подачи топлива и вентилятор обдува включить невозможно.
Кнопкой «Старт» вручную снять блокировку работы агрегатов воздухонагревателя.
Воздухонагреватель готов к работе.
В случае нарушения работы автоматического температурного термостата вентилятор обдува можно включить на принудительную работу кнопкой «Вент» на панели управления.
Новизна заявляемого устройства заключается в вихревом способе смешивания паров ВЭР (отработанных машинных масел) и воздуха, для получения однородной топливовоздушной смеси и последующего дожигания для более полного сгорания топлива и минимизации выбросов вредных веществ в атмосферу. Именно вихревой способ позволяет более полно смешивать пары топлива и воздух для получения однородной топливовоздушной смеси. Такой способ применяется только при использовании дорогостоящих горелочных устройств, подающих топливо на распыл в горизонтальной плоскости под высоким давлением в водогрейных котлах и промышленных теплогенераторах, но и он лишен возможности дожига не догоревших газов.
Вредные вещества, это частицы (химические соединения) недогоревшего топлива и зола. Чем более полное сгорание, тем меньше выбросы вредных веществ. Были проведены измерения выбросов подобной печи - испарительного типа без завихрения и дожига отработанных газов, и разработанной нами печи с помощью газоанализатора ТЕСТО 327-1. Измерения показали кардинальные отличия концентрации вредных веществ в отработанных газах.  Показания прибора приведены ниже в таблице, а также на фиг.3 и фиг.4.
Эксперимент проводился 02.03.2022 года. К одному и тому же дымоходу поочередно подсоединялись две участвующие в эксперименте печи: компании «Беламос» модели НТ-603 и заявляемое устройство. Данные снимались с помощью зонда газоанализатора ТЕСТО 327-1 помещенного в дымоход. В таблице ниже приведено сравнение показателям выбросов печей и норм СНИП II-35-76 выбросов при использовании газогорелочного устройства.
Таб. 1. Показатели выбросов печей в сравнении с нормой по СНИП II-35-76.
Наименование показателя
Печь НТ-603
Заявляемое устройство
Норма по СНИП II-35-76
Альфа (коэффициент избытка воздуха)
7,24
1,19
1,1-1,4
О<sub>2</sub> (количество несгоревшего кислорода в дымовых газах), %
18,1
3,3
4-5
СО (Углекислый газ), ппм.
3793
6
< 200