НАГРЕВАТЕЛЬ НА ХИМИЧЕСКОМ ТОПЛИВЕ

Полезная модель относится к энергетике, а точнее, к тепловым нагревателям на химическом топливе, то есть к устройствам для нагрева воды или других жидкостей с превращением их в пар, или без превращения в пар, а также для нагрева газов.
Чаще всего для нагрева воды, или других жидкостей и газов в настоящее время в качестве нагревателей используются топки, в которых сжигается химическое топливо.
Заявляемая полезная модель может применяться в нагревателях, работающих на различных видах топлива: твердом, сыпучем, порошкообразном, жидком и газообразном. Она может применяться в паровых котлах, имеющих топку, и вырабатывающих пар для паровых машин или турбин, работающих на транспорте или в стационарных установках, то есть на речных и морских судах, ТЭС и ТЭЦ. Заявляемая полезная модель может также применяться в котельных, снабжающих горячей водой различные объекты и отапливающих в холодное время года жилой фонд, производственные и иные помещения. Она может применяться в других тепловых двигателях, вырабатывающих механическую или электрическую энергию, например, в двигателях Роберта Стирлинга. Заявленное техническое решение можно использовать в проектируемых, строящихся и находящихся в эксплуатации силовых установках речных и морских судов, в котельных, ТЭС и ТЭЦ.
Примененные термины:
1. Топливо - твердое, сыпучее, порошкообразное, жидкое и газообразное химическое топливо.
2. ТЭС - тепловая электрическая станция.
3. ТЭЦ - тепло-электро-централь.
4. Рабочее тело - газ (воздух) или жидкость, чаще всего вода, которая в котельных используется, как теплоноситель, а на ТЭЦ или в двигателях внешнего сгорания в качестве, собственно рабочего тела.
5. Топочные газы - продукты горения топлива в воздухе или дым.
6. Топка - конструкция, содержащая, камеру сгорания с имеющимся устройством (устройствами) для сжигания, или твердого, или сыпучего, или порошкообразного, или жидкого, или газообразного топлива, например, форсунку, для сжигания жидкого топлива и трубную часть с котлом, или без последнего, в которых (которой) происходит нагрев рабочего тела; устройство для подачи воздуха к месту горения топлива (поддувало) и отверстие в борове для удаления топочных газов. В случае использования для работы топки твердого топлива, топка содержит колосниковую решетку, а находящееся ниже ее поддувало, в этом случае используется для удаления золы или шлака и подачи воздуха к месту горения топлива.
7. Камера сгорания топки - часть топки, в которой происходит горение топлива.
8. Нагреватель - устройство, состоящее из топки и системы удаления топочных газов. Система удаления топочных газов состоит из воздушного насоса и трубы (труб) для удаления газов из камеры сгорания. В нагревателе может отсутствовать воздушный насос, при наличии высокой трубы для удаления топочных газов или дыма.
9. Теплообменник встречных потоков - устройство, состоящее из внутренней трубы (труб) и наружной трубы (труб), по которым во встречных направлениях двигаются газы или жидкости.
Для увеличения коэффициента полезного действия нагревателей, уменьшения расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии и уменьшения стоимости единицы вырабатываемой энергии в настоящее время применяются устройства, которые повышают эффективность теплопередачи поверхностям нагрева от продуктов сгорания химического топлива.
Известно техническое решение по патенту RU №2416766 С1 от 04.02.2010 г. «ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ», которое относится к множеству аналогичных, совершенствующих саму топку. Водогрейный котел содержит вертикально расположенную топку, горелку, установленную в топке, выпускное отверстие, подводящий и отводящий коллекторы и поверхности нагрева, подсоединенные к подводящему и отводящему трубопроводам и включающие экранную и конвективную части, расположенные в топке. Экранная часть образована пучком спиральных трубок, навитых снизу вверх. Конвективная часть образована пучком спиральных трубок спиральных трубок, сообщенных вверху при помощи соединительного патрубка с трубками экранной части и навитых на них сверху вниз. Трубки экранной и конвективной частей через одну снабжены спиральным оребрением. По всей длине конвективной части установлен спиральный направляющий треугольный профиль, прилегающий к ее трубкам. При таком выполнении повышается эффективность теплопередачи к поверхностям нагрева при оптимальных скоростях и турбулизации потока продуктов сгорания. При использовании данного изобретения снижается температура топочных газов, выходящих из водогрейного котла и при этом несколько увеличивается коэффициент полезного действия, но достаточно нагретые топочные газы выбрасываются в атмосферу и теряется часть тепла, выделенного при сгорании топлива.
Известное изобретение может применяться вместе с заявленной полезной моделью, так как предметами изобретения по патенту RU №2416766 С1 и заявляемого технического решения являются разные объекты и известное техническое решение является аналогом к заявленному, но не является прототипом (последний в настоящее время отсутствует). Изобретение по патенту RU №2416766 С1 совершенствует саму топку, а заявленное техническое решение совершенствует нагреватель, совершенно не касаясь изменения конструкции топки.
Известно техническое решение по патенту RU №2373455 С1 «Паровой котел», которое аналогично патенту RU №2416766 С1 и также совершенствует топку. Паровой котел содержит барабан, топку, паросборник, пароперегреватель. Продольная ось топки смещена вниз относительно продольной оси цилиндрического барабана. Топка имеет форму пустотелого цилиндра, закрытого с обеих сторон крышками, на верхнем своде которого выполнены на расстоянии друг от друга в продольном и поперечном направлениях прямоугольные сквозные каналы, в которые вставлены теплоизолирующие устройства, установленные так, что продольная ось каждого из них лежит на линии радиуса топки и проходит через центр окружности последней. Теплопередающие устройства выполнены в форме тепловых труб, каждая из которых имеет прямоугольный пустотелый короб, к которому приварены сверху и снизу крышки, а внутрь каждой тепловой трубы залита жидкость на ¼ объема через отверстие в верхней крышке, закрытое пробкой. Нижние части тепловых труб, являющиеся зонами нагрева и испарения, выходят в топочное пространство. Верхние части тепловых труб, являющиеся зонами конденсации, расположены веерообразно в верхней части цилиндрического барабана и имеют ребра охлаждения. Изобретение обеспечивает более полное и более быстрое использование образующегося тепла, передачу его всему объему воды и ее равномерный нагрев, увеличение производительности котла, срока службы. Известный патент также не является аналогом к заявляемому техническому решению.
Известно техническое решение по патенту RU №200613745 А «Технологический нагреватель», которое является нагревателем газа. Технологический нагреватель, содержащий коллекторы входа и выхода нагреваемой среды, горелку как источник греющей среды и теплообменник, размещенный в общем цилиндрическом кожухе, отличающийся тем, что теплообменник выполнен в виде газового струйного насоса (эжектора), в котором активным газом является нагреваемый сжатый газ, а пассивным - греющий низконапорный газ, которым являются продукты неполного сгорания углеводородного топлива в атмосферном воздухе, при этом продукты сгорания, отбираемые из топочной зоны горелки, не должны содержать в своем составе компонент, химически активных по отношению к нагреваемому газу, а степень сжатия эжектора должна быть достаточной для нормального функционирования систем потребителя. Данный патент также не может являться прототипом, так как совершенствует саму топку (горелка и теплообменник в виде эжектора размещены в общем цилиндрическом кожухе или топке), а заявляемое техническое решение совершенствует нагреватель, не касаясь конструкции топки.
Недостатками описанных выше известных нагревателей являются недостаточно высокий коэффициент полезного действия, большой расход топлива на единицу вырабатываемой энергии и высокая стоимость единицы вырабатываемой энергии, так как до 25% тепла, выделенного в камере сгорания топки с нагретыми продуктами горения (топочными газами) уходит в трубу и рассеивается в котельной.
Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью - увеличение коэффициента полезного действия нагревателя, уменьшение расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии и уменьшение стоимости единицы вырабатываемой энергии.
Техническая задача решается конструкцией нагревателя, обеспечивающей предварительный нагрев воздуха, поступающего в камеру сгорания топки теплом, выходящих из топки топочных газов, которые имеют достаточно высокую температуру (температура топочных газов, выходящих из топки может достигать несколько сотен градусов Цельсия). В этом случае часть тепла топочных газов, выходящих из топки будет возвращаться обратно в камеру сгорания топки, что повысит коэффициент полезного действия нагревателя и уменьшит расход топлива на единицу вырабатываемой энергии и стоимость единицы вырабатываемой энергии.
Для решения поставленной технической задачи предложено устройство - нагреватель на химическом топливе, который содержит топку, камера сгорания которой оборудована устройством (устройствами) для сжигания химического топлива, и систему удаления топочных газов (дыма), которая включает вертикальную трубу, при этом нагреватель содержит теплообменник встречных потоков, входящая труба прямого потока которого присоединена к заборнику воздуха, выходящая труба прямого потока присоединена к поддувалу топки, а входящая труба обратного потока этого теплообменника присоединена к отверстию борова топки и выходящая труба обратного потока присоединена к системе удаления топочных газов (дыма).
Технический результат заявляемой полезной модели - увеличение коэффициента полезного действия нагревателя, уменьшение расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии и уменьшение стоимости единицы вырабатываемой энергии.
Заявляемый технический результат достигается за счет конструкции нагревателя, содержащей топку, камера сгорания которой оборудована устройством (устройствами) для сжигания химического топлива, и систему удаления топочных газов (дыма), которая включает вертикальную трубу, при этом нагреватель содержит теплообменник встречных потоков, входящая труба прямого потока которого присоединена к заборнику воздуха, выходящая труба прямого потока присоединена к поддувалу топки, а входящая труба обратного потока этого теплообменника присоединена к отверстию борова топки и выходящая труба обратного потока присоединена к системе удаления топочных газов (дыма). Кроме того, система удаления топочных газов нагревателя на химическом топливе (дыма) содержит воздушный насос и вертикальную трубу. При этом в частном случае использования компрессора для сжатия воздуха, подаваемого в топку выходящая труба прямого потока теплообменника встречных потоков присоединена к всасывающей трубе компрессора.
Заявляемый технический результат обеспечивается за счет теплообменника встречных потоков, через который в одном направлении из топки проходят топочные газы, а в противоположном направлении проходит воздух, поступающий в камеру сгорания топки. При этом топочные газы охлаждаются, нагревая воздух, то есть часть тепла топочных газов с нагретым воздухом возвращается обратно в камеру сгорания топки и топливо после сгорания в подогретом воздухе нагревает топочные газы до более высокой температуры, в связи с чем можно уменьшить подачу топлива в топку, не уменьшая производительность нагревателя. То есть коэффициент полезного действия нагревателя увеличится, а расход топлива на единицу выработанной энергии и стоимость единицы выработанной энергии уменьшатся.
Сущность технического решения поясняется изображением на фиг.1, где
1 - теплообменник встречных потоков,
2 - корпус,
3 - шайба,
4 - теплообменная труба,
5 - входящая труба прямого потока,
6 - выходящая труба прямого потока,
7 - выходящая труба обратного потока,
8 - входящая труба обратного потока,
9 - воздухозаборное устройство,
10 - поддувало,
11 - топка,
12 - камера сгорания,
13 - борово топки,
14 - трубная часть.
Теплообменник встречных потоков 1 имеет корпус 2 в виде трубы, к торцам которой по периметру приварены шайбы 3 с внутренним диаметром отверстий, равным наружному диаметру теплообменной трубы 4, проходящей насквозь внутри корпуса и шайб. Шайбы 3 по периметру внутреннего диаметра приварены к теплообменной трубе 4. К левому концу корпуса 2 через стенку вставлена и приварена входящая труба прямого потока 5, а с правого конца корпуса 2 через стенку вставлена и приварена выходящая труба прямого потока 6. Левая сторона теплообменной трубы 4 является выходящей трубой обратного потока 7, а правая сторона теплообменной трубы 4 является входящей трубой обратного потока 8. Входящая труба прямого потока 5 присоединяется к воздухозаборному устройству 9. Выходящая труба прямого потока 6 присоединяется к поддувалу 10 топки 11. В последней находится камера сгорания 12. Входящая труба обратного потока 8 присоединяется к отверстию борова 13 топки. Выходящая труба обратного потока 7 присоединяется к системе удаления топочных газов (дыма), которая на чертеже условно не показана. В топке 11 находится трубная часть 14, в которой происходит нагрев рабочего тела. Для увеличения коэффициента полезного действия нагревателя корпус 2 теплообменника встречных потоков 1 должен быть теплоизолирован, например, шлаковатой или керамзитом.
Предлагаемый нагреватель работает следующим образом. При горении топлива в камере сгорания 12 выделяется тепло и температура топочных газов (продуктов горения) увеличивается. От топочных газов в камере сгорания 12 и топке 13 нагревается рабочее тело в трубной части 14, в результате чего температура топочных газов уменьшается, так как происходит передача тепловой энергии от более нагретых топочных газов менее нагретому рабочему телу. Но выходящие из нагревателя 11 через отверстие борова 13 во входящую трубу обратного потока 8 топочные газы имеют еще достаточно высокую температуру (примерно 25% - 22% выделенной в камере сгорания тепловой энергии уносится с топочными газами в атмосферу и рассеивается в котельной, а температура топочных газов, выходящих из топки может достигать нескольких сотен градусов Цельсия) и, вследствие теплопередачи через стенки теплообменной трубы 4, топочные газы, двигаясь по ней нагревают, двигающийся во встречном направлении между корпусом 2 и теплообменной трубой 4 воздух, а сами, при этом, охлаждаются. Предварительно нагретый в теплообменнике встречных потоков воздух поступает в камеру сгорания 12, в которой вторично нагревается при окислении топлива кислородом воздуха, то есть при горении топлива. При этом температура топочных газов вырастает больше, чем при сгорании того же количества топлива, но не в подогретом воздухе, как это происходит в применяющихся сейчас нагревателях. Ввиду этого можно уменьшить подачу топлива в камеру сгорания топки без уменьшения производительности нагревателя, то-есть, в случае использования теплообменника встречных потоков происходит значительное увеличение коэффициента полезного действия (более 5%) и, как следствие, уменьшение расхода топлива на единицу выработанной энергии и уменьшение стоимости единицы выработанной энергии, ввиду того, что часть тепловой энергии, выходящих из топки топочных газов, возвращается обратно в камеру сгорания топки с подогретым этими топочными газами воздухом.
Теплообменники встречных потоков в настоящее время широко применяются в холодильной технике и бойлерах для нагрева воды, с помощью которой отапливаются помещения и производится горячее водоснабжение. Принцип работы примененного в данном заявленном нагревателе теплообменника встречных потоков заключается в следующем. Разобьем двигающийся прямым потоком между корпусом 2 и наружными стенками теплообменной трубы 4 воздух на отдельные по массе порции. На аналогичные порции разобьем и двигающиеся во встречном направлении через теплообменную трубу 4 топочные газы. Отдельные порции топочных газов передают тепло (тепловую энергию) встречным порциям воздуха через стенки теплообменной трубы 4, нагревая эти порции воздуха, при этом происходит передача тепловой энергии от нагретого тела к холодному. Отдельные порции топочных газов по мере движения их от входящей трубы обратного потока 8 постепенно охлаждаются через стенки теплообменной трубы 4 порциями воздуха, двигающимися от входящей трубы прямого потока 5 между стенками корпуса и наружными стенками теплообменной трубы 4. Температура топочных газов перед выходящей трубой обратного потока 8 будет чуть выше температуры воздуха во входящей трубе прямого потока 5, а температура воздуха, поступающего в камеру сгорания через выходящую трубу прямого потока 6 будет чуть ниже температуры топочных газов во входящей трубе обратного потока 8.
В теплообменниках встречных потоков могут применяться трубы, изготовленные, например, из тонкой листовой стали (толщиной от нескольких десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров) с различной формой поперечного сечения, например, круглые или квадратные. Крепление этих труб к шайбам и друг к другу может быть сварным и механическим, например, с помощью саморезов, болтов, винтов или заклепок. Внутри корпуса теплообменника встречных потоков может проходить несколько труб, соединяющихся своими концами, для увеличения площади теплопередачи. Теплообменник встречных потоков является простым, надежным и недорогим устройством, а так как температура выходящих из топки газов в несколько раз ниже температуры в камере сгорания топки, то срок службы конструкции теплообменника больше, чем срок службы котла и трубной части топки, однако, требуется периодическая очистка труб теплообменника от сажи.
В случае использования компрессора для подачи воздуха в топку выходящая труба прямого потока теплообменника встречных потоков присоединяется к всасывающей трубе компрессора.
На основании выше изложенного достигается технический результат: увеличение коэффициента полезного действия заявленного нагревателя на химическом топливе, уменьшение расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии и уменьшение стоимости единицы вырабатываемой энергии.