ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к устройствам для сжигания топлива, предпочтительно твердого, и может быть использована в системах водяного обогрева жилых и производственных помещений, а также для горячего водоснабжения.
Известен «Автоматизированный угольный котел» по патенту РФ №104668 на полезную модель, содержащий бункер для твердого топлива, перпендикулярно к нему расположенное устройство подачи топлива, горелочное устройство, устройство подачи воздуха, теплоизолированную водоохлаждаемую топку, состоящую из камеры сгорания и камеры дожигания, теплообменник, экономайзер, золоуловитель, зольник, а также блок автоматизации и электропривод, отличающийся тем, что внутри теплообменника, выполненного в форме вертикального кругового полого цилиндра с крышкой - в одном основании, и фланцем крепления - в другом основании, расположены камера дожигания с одним или более турбулизаторами, имеющая форму вертикального кругового полого цилиндра, одно основание которого открыто во внутренний объем теплообменника, другое - в канал горловины, соединяющей камеру дожигания с камерой сгорания, кольцевая камера теплоносителя с патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, образованная корпусом теплообменника и корпусом камеры дожигания, при этом дымогарные трубы крепятся к торцевым поверхностям камеры теплоносителя и образуют сквозные каналы, соединяющие камеру дожигания с экономайзером, представляющим собой кольцевую камеру между двумя вертикальными коаксиальными цилиндрами, внутренний из которых является корпусом теплообменника, внешний располагают таким образом, чтобы между основаниями цилиндров был зазор, камера сгорания выполнена в форме горизонтально расположенного кругового цилиндра, в одном основании которого расположены фланец крепления горелочного устройства и трубка подачи вторичного воздуха, в другом основании - опора для закрепления вала шнека и дверца первичного розжига угля, а устройство подачи твердого топлива выполнено в виде шнекового конвейера, заключенного в цилиндрический корпус, вал которого проходит от бункера через камеру сгорания вдоль оси горелочного устройства, так, что внутренняя полутруба горелочного устройства является продолжением корпуса шнекового конвейера и имеет диаметр, равный диаметру трубы корпуса шнекового конвейера.
Основным недостатком автоматизированного угольного котла является то, что его устройство для подачи топлива выполнено в виде шнекового конвейера. В таких конвейерах часто случается заклинивание шнека при попадании крупных фракций топлива в зону стыка шнека и топки или шнека и бункера. Кроме того, к недостаткам шнековых конвейеров можно отнести перегрев шнека, находящегося в зоне горения, и, следовательно, необходимость его охлаждения. В случае использования такого конвейера, подача воздуха в зону горения будет затруднена, и потребуется наличие дополнительных устройств в виде специальных вентиляторов наддува, что исключает возможность работы котла в энергонезависимом режиме. Также прототип предусматривает размещение шнека в зоне горения. Металл в этом случае под действием высоких температур теряет свои механические свойства и начинает деформироваться, а значит, в конструкцию прототипа необходимо дополнительно вводить приспособления для охлаждения шнека. Это создает дополнительное усложнение конструкции. Более того, поскольку шнек размещен в зоне горения и подвержен воздействию высоких температур, использование легковоспламеняющихся видов топлива становится невозможным, так как возможно его возгорание в бункере.
Известна также «Печь Михеенко» по патенту РФ №2243450 на изобретение, содержащая топку с колосниками, поддувало и водонагревательный узел, включающий водонаполненную полость, поверхность нагрева которого установлена с возможностью взаимодействия с газообразными продуктами сгорания, и дымовую трубу, отличающаяся тем, что печь снабжена камерой дожигания и теплообменной камерой, в полости которой размещена теплообменная секция, при этом топка посредством канала для выхода топочных газов, выполненного в верхней части торца топки, сообщена с нижним концом камеры дожигания, верхний конец теплообменной камеры газовым каналом сообщен с верхним концом камеры дожигания, а нижний конец теплообменной камеры сообщен дымоходом с дымовой трубой, верхняя стенка теплообменной камеры выполнена в виде водонагревательного узла, полость поддувала сообщена с нижним концом камеры дожигания каналом для подвода дополнительного воздуха, снабженным регулирующей заслонкой, вокруг выпускного отверстия канала сформирован газораспределительный колодец, выполненный в виде рядов шамотных кирпичей, попарно размещенных в шахматном порядке друг на друге, стенки топки и камеры дожигания выполнены из шамотного кирпича. Печь Михеенко принята за прототип.
Основным недостатком прототипа является то, что он не предусматривает наличия устройства для подачи топлива, а это, помимо увеличения трудоемкости, увеличивает время нагрева воды, поскольку топливо необходимо закладывать в топку по мере надобности вручную. Кроме того, в прототипе для процесса дожигания используется холодный воздух, что ведет к дополнительному расходу теплоотдачи на подогрев этого воздуха, а значит, снижается КПД котла.
Техническими результатами, достигаемыми при использовании заявляемой полезной модели, являются:
- повышение теплотворной способности печи и длительности работы котла за счет снижения потерь тепла;
- повышение долговечности работы котла за счет исключения контакта его рабочих элементов с высокими температурами;
- повышение удобства в эксплуатации, за счет автоматизации процессов работы котла;
- экологические преимущества за счет полного сгорания топлива.
Технические результаты достигаются за счет того, что водогрейный котел, содержащий топку, теплообменник, дымовую трубу, дожигатель с отверстиями для поступления газов, воздуховод, в топке расположена колосниковая решетка, к которой подведен первый воздуховодный канал, топка сообщена с внутренней полостью дожигателя, выполненного из огнеупорного материала, снабжен узлом дожигания, содержащим полый корпус из огнеупорного материала и сообщенную с ним трубу из огнеупорного материала, узел дожигания расположен в полости теплообменника, корпус узла дожигания сообщен с топкой, при этом в полости корпуса узла дожигания размещен дожигатель, дожигатель сообщен со вторым воздуховодным каналом, проходящим через нижнюю часть теплообменника, нижняя часть дожигателя расположена на уровне канала выхода продуктов горения из топки, первый воздуховодный канал для подвода воздуха к колосниковой решетке проходит через нижнюю часть теплообменника, теплообменник расположен сбоку топки, в верхней и нижней частях корпуса топки выполнены продольные вырезы, котел снабжен узлом подачи топлива, состоящим из бункера и дозатора, дозатор состоит из трех разомкнутых полых цилиндров с продольными вырезами, вырезы всех цилиндров по периметру имеют одинаковые геометрические размеры, первый цилиндр закреплен относительно корпуса топки и выполнен с двумя продольными вырезами, верхний продольный вырез расположен напротив выхода бункера, при этом геометрические размеры по периметру указанного выреза соответствуют геометрическим размерам выхода бункера по его периметру, нижний продольный вырез первого цилиндра расположен напротив верхнего выреза первого цилиндра и сообщен с полостью топки через верхний продольный вырез в корпусе топки, при этом наружная поверхность верхнего выреза топки является ответной по отношению к наружной поверхности первого цилиндра дозатора и плотно прилегает к ней, второй цилиндр дозатора расположен внутри первого цилиндра соосно с ним и с зазором относительно него, второй цилиндр выполнен с одним продольным вырезом для сообщения выхода бункера с внутренней полостью второго цилиндра, третий цилиндр дозатора - отсекатель расположен в зазоре между первым и вторым цилиндрами соосно с ними и выполнен с двумя продольными вырезами, расположенными под углом 90°, первый продольный вырез отсекателя предназначен для обеспечения сообщения внутренней полости второго цилиндра с выходом бункера, второй продольный вырез отсекателя предназначен для сообщения полости второго цилиндра с топкой, второй цилиндр установлен с возможностью вращения по направлению ко второму вырезу отсекателя, третий цилиндр установлен с возможностью вращения по направлению вращения второго цилиндра, дозатор содержит зацепляющее устройство, обеспечивающее совместное вращение отсекателя и второго цилиндра после того, как второй цилиндр повернется на 90° по направлению ко второму вырезу отсекателя, второй цилиндр и отсекатель связаны с приводным устройством.
Как минимум часть отсекателя, находящаяся напротив верхнего продольного выреза топки, может быть выполнена из огнеупорного теплоизолирующего материала.
В полости бункера над его выходом может быть размещен рыхлитель, связанный с приводным устройством.
Верхний вырез первого цилиндра дозатора может плотно контактировать по периметру с выходом бункера.
Под топкой может быть размещен выкатной золосборник.
Рыхлитель может быть выполнен в виде металлической трубы, к наружной стороне которой прикреплены штыри.
Топка может быть выполнена цилиндрической.
Топка может быть снабжена огнеупорной теплоизоляцией.
В нижней части топки под колосниковой решеткой может быть размещен золоудалитель, выполненный в виде двух цилиндров с продольными вырезами, предназначенными для сбора золы, золоудалитель может быть связан с приводным устройством, обеспечивающим согласованное вращение цилиндров золоудалителя и второго цилиндра с отсекателем, при этом цилиндры золоудалителя механически связаны друг с другом с возможностью обеспечения их вращения в противоположных направлениях относительно друг друга.
Вырез каждого цилиндра золоуловителя в поперечном сечении может иметь форму геометрического сектора.
Золосборник может быть снабжен дверцей.
Воздуховодные каналы могут быть снабжены вентилятором.
Входы обоих воздуховодных каналов могут быть снабжены регулирующими клапанами.
Дожигатель может быть снабжен завихрителем, установленным в нижней части дожигателя.
Водогрейный котел может быть снабжен дополнительным третьим воздуховодным каналом, подающим воздух в топку.
Дополнительный воздуховодный канал может проходить через теплообменник.
Дополнительный воздуховодный канал может быть снабжен регулирующим клапаном.
На входе дополнительного воздуховодного канала может быть установлен вентилятор.
Водогрейный котел может быть снабжен блоком управления, электрически связанным с датчиками контроля параметров котла.
Топка может быть снабжена дверцей.
Заявляемое устройство относится к автоматизированным котлам, работающим на любом виде твердого топлива, предпочтительно на угле фракции 0-70, и предназначенным для отопления помещений любой площади или для утилизации отходов.
Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить регулируемую подачу твердого топлива в топку, а также своевременное удаление сгоревших остатков (золы). Кроме того, оно конструктивно предотвращает прорыв продуктов горения наружу из зоны горения. Это осуществляется за счет наличия устройства подачи топлива в зону горения котла.
Заявляемый котел содержит топку с устройством подачи топлива, теплообменник, содержащий водонаполненную полость (водяную рубашку), водонаполненные вертикально ориентированные трубы, воздуховод, узел дожигания и дымовую трубу. Котел также содержит золоудалитель, связанный через приводное устройство с дозатором и рыхлителем.
Бункер для топлива расположен над топкой и предназначен для подачи топлива в топку через рыхлитель и дозатор. Топливо помещается в бункер заранее для того, чтобы во время работы котла не надо было каждый раз вручную подкладывать топливо в топку. Режим подачи топлива из бункера в топку согласован работой приводного устройства, задающего режим работы дозатора.
Согласование моментов открытия выхода бункера с работой дозатора позволяет упростить процесс подачи топлива в зону горения, то есть перед запуском котла необходимо один раз засыпать туда топливо, и на протяжении дальнейшей работы котла топливо будет поступать в топку уже из бункера в соответствии с режимом работы дозатора. Объем бункера может быть любым. Он может подбираться таким образом, чтобы обеспечить максимальную продолжительность работы котла в автоматическом режиме.
Для того чтобы топливо подавалось из бункера в зону горения дозированно, то есть в необходимом, оптимальном для процесса горения количестве, в конструкции заявляемого технического решения предусмотрено наличие дозатора, размещенного под бункером над топкой.
Дозатор выполнен в виде трех соосных разомкнутых полых цилиндров с продольными вырезами. Геометрические размеры периметров продольных вырезов цилиндров соответствуют друг другу (равны друг другу) и выходу бункера (также по его периметру) с тем, чтобы в необходимые моменты времени обеспечивать перекрытие поступления топлива в топку.
Первый цилиндр - наружный, представляет собой корпус дозатора с двумя продольными вырезами, расположенными друг напротив друга (первый вырез - для приема топлива из бункера, второй вырез - для выгрузки топлива из дозатора в топку). Первый наружный цилиндр является неподвижным, его положение зафиксировано относительно бункера для подачи топлива. Верхний продольный вырез первого цилиндра зафиксирован напротив выхода бункера. При этом, как указывалось выше, геометрия верхнего продольного выреза первого цилиндра соответствует геометрии выхода бункера с тем, чтобы исключить просыпание топлива из бункера. Возможно, чтобы первый цилиндр по периметру верхнего продольного выреза был жестко соединен (например, посредством сварного соединения) с выходом бункера (также по его периметру). Таким образом будет исключено просыпание топлива из бункера и обеспечена чистота при работе котла. Второй (нижний) продольный вырез первого цилиндра расположен напротив первого верхнего продольного выреза, при этом его размер соответствует размеру верхнего продольного выреза. Нижний продольный вырез первого цилиндра расположен над верхним продольным вырезом топки и предназначен для выгрузки топлива в топку.
Внутри первого цилиндра с зазором относительно него установлен второй полый разомкнутый цилиндр с одним продольным вырезом, размер которого соответствует размеру верхнего продольного выреза первого цилиндра. Внутренняя полость второго цилиндра предназначена для размещения порции топлива, поступившей из бункера. Объем внутренней полости второго цилиндра определяет объем топлива, подаваемого в топку за один такт. Полость внутри второго цилиндра (барабана) может быть любой формы и любого размера. Целесообразно выполнять эту полость прямоугольной формы, поскольку объем получившегося параллелепипеда легче высчитывается, а значит и проще определяется количество помещающегося туда топлива.
В зазоре между первым и вторым цилиндром установлен третий полый разомкнутый цилиндр - отсекатель с двумя продольными вырезами. Размер каждого продольного выреза третьего цилиндра соответствует размеру верхнего продольного выреза первого цилиндра, при этом оба продольных выреза третьего цилиндра смещены относительно друг друга на 90°.
Таким образом, геометрические размеры по периметру всех продольных вырезов во всех цилиндрах соответствуют друг другу. Соответствие размеров означает, что они равны друг другу, но при изготовлении могут быть небольшие расхождения в размерах.
В исходном состоянии (при выгрузке топлива из бункера) положение всех цилиндров дозатора следующее:
- первый цилиндр является неподвижным, поэтому его положение во время работы котла не изменяется. Верхний продольный вырез расположен напротив выхода бункера, второй нижний вырез расположен непосредственно под первым вырезом напротив верхнего продольного выреза топки;
- второй цилиндр расположен продольным вырезом вверх непосредственно под верхним вырезом первого цилиндра и, соответственно, непосредственно под выходом бункера;
- третий цилиндр (отсекатель) расположен таким образом, что его первый вырез расположен непосредственно под верхним вырезом первого цилиндра, а второй продольный вырез, расположенный под углом 90° по отношению к первому, расположен напротив стенок первого и второго цилиндров. В исходном состоянии (когда осуществляется подача топлива из бункера в полость второго цилиндра) нижняя часть отсекателя расположена напротив нижнего выреза первого цилиндра и, соответственно, над верхним вырезом топки, то есть в этом положении нижний участок отсекателя подвергается воздействию высоких температур. В связи с этим целесообразно выполнять отсекатель из огнеупорного теплоизолирующего материала. Такое его выполнение делает производство котла дороже. Для снижения расходов выполнять из огнеупорного теплоизолирующего материала можно только участок отсекателя, расположенный под его первым вырезом (который в исходном положении расположен под выходом бункера).
В исходном состоянии топливо имеет возможность быть выгруженным из бункера во внутреннюю полость второго цилиндра, но не может поступить в топку, то есть топливо в бункере не контактирует с раскаленной частью топки. Благодаря этому заявляемый котел может работать на любом твердом сыпучем топливе, даже легковоспламеняющемся (опилки, пеллеты).
Для согласования работы топки с дозатором, топка выполнена вытянутой с верхним продольным вырезом, через который обеспечивается подача топлива в топку. Верхний продольный вырез топки имеет геометрию, соответствующую геометрии нижнего продольного выреза первого цилиндра дозатора. При этом топка по наружной поверхности верхнего продольного выреза плотно прилегает к наружной поверхности первого цилиндра дозатора, то есть наружная поверхность верхнего продольного выреза топки является ответной к наружной поверхности первого цилиндра. Верхний продольный вырез топки и нижний продольный вырез первого цилиндра дозатора могут быть жестко соединены между собой (например, при помощи сварки) для исключения просыпания топлива из дозатора мимо топки.
Вращение второго и третьего цилиндров (отсекателя) осуществляется от одного приводного устройства (привода), то есть вращение второго цилиндра и отсекателя осуществляется согласованно, для этого отсекатель механически связан с цилиндром посредством зацепляющих устройств, например, при помощи редуктора.
Для обеспечения работы дозатора вращение отсекателя должно происходить с отставанием на 90° от вращения второго цилиндра. Зацепляющее устройство обеспечивает зацепление отсекателя со вторым цилиндром в момент, когда второй цилиндр повернется на 90° по направлению ко второму вырезу отсекателя, после чего дальнейшее вращение второй цилиндр и отсекатель продолжают вместе. После того как второй цилиндр развернется на 180°, под действием привода происходит реверсирование, и второй цилиндр с отсекателем поворачиваются обратно на 90°. После этого второй цилиндр выходит из зацепления с отсекателем и продолжает поворачиваться на следующие 90° самостоятельно.
Таким образом, после того, как полость второго цилиндра будет заполнена топливом, второй цилиндр, управляемый приводом, поворачивается на 90° по направлению ко второму вырезу отсекателя и перекрывает выход из бункера, подача топлива из бункера прекращается. При этом продольный вырез второго цилиндра совмещается со вторым продольным вырезом отсекателя. После того, как второй цилиндр повернется на 90°, начинает (совместно со вторым цилиндром) вращаться отсекатель. При повороте отсекателя на 90° внутренняя полость второго цилиндра оказывается напротив открытого выреза в топке, и топливо из дозатора поступает в топку.
Отсекатель в данной конструкции за счет своей формы и возможности синхронного поворота с дозатором перекрывает нижнюю часть бункера, отделяя ее от топки, и предотвращает прорыв продуктов горения в бункер с топливом, а также позволяет избежать потерь температуры в топке, как это происходит при обычной загрузке топлива. Отсекатель, как уже было указано выше, может быть полностью выполнен из огнеупорного теплоизолирующего материала или может быть снабжен вставкой из огнеупорного теплоизолирующего материала. Эта вставка должна быть выполнена в той части отсекателя, которая в исходном состоянии (когда осуществляется подача топлива из бункера в полость второго цилиндра) обращена к топке. За счет вставки отсекатель полностью не нагревается, а значит в дальнейшем, при его повороте и контакте с топливом, топливо тоже нагреваться не будет, так как отсекатель за время одного такта поворачивается только на 90°, а значит, раскаленная вставка с топливом не соприкасается.
Для разрыхления и сепарации топлива перед подачей его в дозатор в бункере расположен рыхлитель, представляющий собой трубу, на внешней поверхности которой расположены металлические штыри. Штыри расположены по окружности трубы равномерно рядами с таким шагом, чтобы не пропускать в дозатор куски угля диаметром более 70 см.
Дозатор и рыхлитель также связаны между собой посредством приводного устройства.
В топке установлена снабженная отверстиями колосниковая решетка, на которую попадает топливо, поступившее из бункера. На колосниковой решетке происходит процесс горения топлива. Диаметр отверстий в колосниковой решетке может быть любым, но он должен быть выбран таким образом, чтобы зола могла свободно высыпаться, а мелкие частицы топлива оставались бы в топке. За счет этих отверстий в топку из воздуховода поступает воздух и происходит газификация нижнего слоя топлива.
Топку целесообразно выполнять цилиндрической формы из огнеупорного материала, например из огнеупорного бетона. Такая форма топки позволит, во-первых, уменьшить площадь контакта пламени со стенками, что будет способствовать более длительному сохранению высокой температуры горения пиролизных газов и частичек углерода, а, во-вторых, позволит уменьшить размеры топки. Применение огнеупорного бетона позволит отказаться от традиционного использования шамотного кирпича, как материала для изготовления топки и дожигателя. Это представляется целесообразным, поскольку кладка шамотного кирпича является очень трудоемким процессом, а значит, огнеупорный бетон будет способствовать повышению технологичности. Кроме того, топка может быть дополнительно снабжена внешней огнеупорной теплоизоляцией.
Под колосниковой решеткой установлен золоудалитель, предназначенный для сбора несгораемых продуктов горения по всей длине котла. Золоудалитель представляет собой два цилиндра (барабана) одинакового диаметра, которые расположены рядом друг с другом таким образом, что их продольные оси находятся в одной горизонтальной плоскости. В верхней части каждого цилиндра вдоль всей его длины выполнен вырез, причем он выполнен таким образом, что в поперечном сечении каждого цилиндра вырез имеет форму геометрического сектора. Целесообразно выполнять этот вырез так, чтобы угол, расположенный около оси цилиндра был около 120°, поскольку в этом случае зола будет собираться именно в золоудалитель и не будет просыпаться мимо. Между собой эти цилиндры (барабаны) механически связаны таким образом, что при повороте одного из них по часовой стрелке, второй начинает вращаться в обратную сторону (против часовой стрелки), а вырезы начинают перемещаться в разные стороны.
Цилиндры (барабаны) золоудалителя расположены в нижнем продольном вырезе топки, расположенном напротив верхнего продольного выреза.
Рыхлитель, дозатор и золоудалитель механически связаны между собой через приводные устройства таким образом, что если дозатор поворачивается вокруг своей продольной оси на определенный угол (90°), то в ту же сторону и на тот же угол поворачиваются и рыхлитель с золоудалителем. Такая синхронная работа может быть обеспечена посредством использования для вращения всех вышеуказанных устройств одного привода, или же для вращения указанных устройств могут использоваться разные приводные устройства, связанные, в свою очередь с общим приводом. Общий привод может быть выполнен в виде любого привода, например, электропривода или гидропривода, с возможностью работы в энергонезависимом режиме.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает автоматизированную подачу дозированного количества топлива в топку для оптимизации процессов его горения. Это позволяет обеспечить достижение максимальной экономичности и экологичности, а также способствует автоматизации процесса золоудаления, исключая потери тепла из топки и неконтролируемый подсос холодного воздуха в зону горения.
В нижней части заявляемого котла расположен золосборник, выполненный в виде короба. Туда ссыпаются как несгораемые остатки топлива из золоудалителя, так и несгоревшие тяжелые частицы из теплообменника. Золосборник может быть снабжен колесиками для того, чтобы его было удобнее доставать и чистить.
В корпусе топки и в корпусе золосборника расположены дверцы, предназначенные для ручной загрузки топлива и розжига котла, для возможности опционной установки газовой горелки или горелки для жидкого топлива, а также для удаления золы из золосборника.
Теплообменник содержит водонаполненную полость (водяную рубашку), нагреваемую теплом отходящих газов, трубы теплообменника и воздуховод.
При сжигании топлива идет разогрев стенок топки и других элементов печи. Горение топлива поддерживается кислородом воздуха, поступающим через колосниковую решетку и через воздуховод.
Конструкция заявляемого котла, также как и конструкция прототипа, содержит узел дожигания, предназначенный для дожигания продуктов горения, поступающих из топки в результате горения топлива.
Разница в том, что в заявляемом котле узел дожигания включает в себя полый корпус и трубу, а также дожигатель, выполненные из огнеупорного бетона. Труба узла дожигания и топка сообщаются с полостью корпуса узла дожигания. Узел дожигания установлен непосредственно в полости теплообменника, а дожигатель установлен в нижней части полости корпуса узла дожигания напротив канала для выхода отходящих продуктов горения из топки, расположенного в верхней части топки. При этом нижняя часть дожигателя расположена напротив канала выходя отходящих продуктов горения из топки.
В нижней части теплообменника расположен воздуховод, выполненный в виде двух каналов, один из которых подает внешний воздух под колосниковую решетку, а затем в топку, а второй подает воздух в дожигатель. Такое разделение воздуховода обеспечивает независимое регулирование режимов работы котла. Эти каналы проходят именно через теплообменник для того, чтобы до того как воздух достигнет колосниковой решетки или дожигателя, он успел нагреться. Если в топку будет подаваться подогретый воздух, то тепло, получаемое при сгорании топлива, не будет тратиться на подогрев этого воздуха, а полностью уйдет на нагрев воды, то есть КПД котла увеличится. В дожигатель также целесообразно подавать подогретый воздух, чтобы снизить расход тепла на его подогрев. Воздуховодные каналы могут быть снабжены регулирующими клапанами для контроля количества поступающего по ним воздуха.
Дожигатель представляет собой полую трубу из огнеупорного бетона, по поверхности которой расположены сквозные отверстия, предназначенные для того, чтобы продукты горения из топки могли попасть внутрь дожигателя. Продукты горения из топки поступают в нижнюю часть корпуса узла дожигания, а затем в дожигатель. Для того чтобы дожигание продуктов горения обеспечивалось максимально эффективно, в нижней части дожигателя расположен завихритель, который закручивает поступающий в него из второго канала воздух. Таким образом, за счет разницы давлений через описанные выше отверстия в дожигатель попадают продукты горения из топки, где они смешиваются с закрученным завихрителем воздухом, поступающим снаружи, то есть наблюдается эффект эжекции. За счет такого смешения на выходе дожигателя температура резко повышается и происходит дожигание продуктов горения, в результате которого сгорают все возможные горючие частицы и газы. Через трубу узла дожигания раскаленные газы выходят из узла дожигания и попадают в теплообменник.
Теплообменник содержит водонаполненную полость (водяную рубашку) и вертикально ориентированные трубы, наполненные водой, и расположен вокруг узла дожигания. Вход в теплообменник расположен в нижней части котла, а выход - в верхней. Такое расположение представляется целесообразным из-за того, что плотность воды при нагревании снижается, и она поднимается вверх, а ее место занимает холодная вода. Расположение теплообменника именно вокруг узла дожигания (то есть узел дожигания расположен в полости теплообменника) позволяет обеспечить более быстрый нагрев воды до необходимой температуры. Это достигается за счет того, что раскаленные газы, достигнув верха трубы узла дожигания, разворачиваются и устремляются в нижнюю часть котла, проходя через теплообменник и отдавая тепло трубам теплообменника, а несгоревшие частицы опадают в золосборник. При этом вода, наоборот движется по трубам снизу вверх, то есть в противоположном газам направлении для обеспечения более эффективной теплопередачи. Кроме того, раскаленные газы, попадая из трубы узла дожигания в теплообменник, кроме нагрева труб теплообменника также нагревают внешнюю поверхность трубы и корпуса узла дожигания. За счет этого труба и корпус узла дожигания нагреваются и позволяют поддерживать высокую температуру внутри узла дожигания. Опускаясь ниже, газы нагревают каналы воздуховода, после чего они попадают в дымовую трубу
Снаружи котла к каналам воздуховода может быть присоединен вентилятор, который в момент розжига и разгона котла нагнетает воздух в топку и в завихритель дожигателя для того, чтобы котел из режима разгона быстрее перешел в режим нормальной работы. При достижении необходимых рабочих параметров, вентилятор продолжает нагнетать воздух только в завихритель дожигателя, а в топку воздух попадает самостоятельно через ответвление в первом канале воздуховода. Это позволяет уменьшить энергопотребление в процессе эксплуатации заявляемого котла. Объем поступающего в топку и дожигатель воздуха регулируется их диаметром и регулирующими клапанами. Кроме того, эти клапаны создают необходимую тягу.
В нижней части водогрейного котла расположена дымовая труба, предназначенная для удаления остатков газов. Причем за счет процесса дожигания продуктов горения сгорают все частицы копоти и сажи, и на выходе дымовой трубы газ получается бесцветным. Это позволяет повысить экологичность заявляемого технического решения.
Параметры котла регулируются блоком управления, который может быть расположен на любой наружной стенке котла. Контроль и управление работой котла осуществляются за счет датчиков, которые могут быть расположены в топке, снаружи котла, на выходе трубы узла дожигания, на входе в теплообменник и на выходе из теплообменника. Кроме того, блок управления за счет общего привода может регулировать объем поступающего в топку топлива путем увеличения количества поворотов второго цилиндра дозатора в единицу времени.
Применение в конструкции огнеупорных бетонов и специальных огнеупорных теплоизолирующих материалов позволяет обеспечить максимальную технологичность и минимизацию размеров котла. При этом отпадает необходимость применения различных экономайзеров, усложняющих конструкцию, и как следствие практически все тепло вырабатываемое котлом находится в герметичной зоне и непосредственно передается теплообменнику, что позволяет существенно повысить КПД котла.
Автоматическая подача топлива из бункера в топку и оптимизация количества подаваемого топлива в зону горения позволяют обеспечить полноту сгорания топлива (до 98%). При этом отсутствуют спекание горящего угля, механический недожог, перегрев котла, а также существенно упрощается эксплуатация.
Экономичность данного устройства обусловлена тем, что топливо в зоне горения и дожигания сгорает практически полностью, то есть за счет повышения теплотворной способности котла достигается 50% экономия топлива по сравнению с обычными котлами на твердом топливе.
Экологичность котла обусловлена отсутствием вредных выбросов за счет их полного сгорания в дожигателе. Благодаря автоматизации подачи и точному дозированию топлива удается достичь высокой температуры топки в рабочем режиме (1500°С), где загрязняющие 13 атмосферу субстанции полностью сгорают. Кроме того, при высокой температуре отсутствует вероятность появления опасных соединений азота из воздуха (как при горении в обычных печах), а ядовитые вещества, в том числе и сильнодействующие - диоксин и фенолы, преобразуются в безопасные вещества. Очистительную функцию выполняет и теплообменная камера. Тяжелые негорючие фракции в ней не поднимаются выше нижней части дымовой трубы и, не выходя из нее, постепенно оседают на дне котла в золосборнике. В результате на выходе из дымовой трубы газы получаются нейтральными и бесцветными, не имеющими запаха и не содержащими частиц дыма, копоти и сажи. Возможна лишь небольшая задымленность только в кратковременный период выхода котла в рабочий режим (первые 25-30 минут).
На фиг.1 показан разрез общего вида заявляемого водогрейного котла.
На фиг.2 показан дозатор с отсекателем.
На фиг.3 показан разрез вида сбоку заявляемого водогрейного котла.
На фиг.4 показан теплообменник.
Водогрейный котел содержит топку (1) с дверцей (2), теплообменник (3), дымовую трубу (4), узел дожигания, состоящий из корпуса (5), трубы (6) и дожигателя (7) с отверстиями (8) для поступления продуктов горения из топки (1), воздуховод, выполненный в виде двух каналов (9) и (10). Внутри топки расположена колосниковая решетка (11), предназначенная для размещения на ней горящего топлива, к которой для поддержания горения топлива подведен воздуховодный канал (10).
Узел дожигания представляет собой полый корпус (5) с трубой (6), причем труба (6) сообщена с полостью в корпусе (5). Внутри корпуса (5) узла дожигания напротив канала (12) для выхода отходящих продуктов горения из топки (1), расположенного в верхней части топки, размещен дожигатель (7). В нижней части дожигателя (7) для обеспечения эффекта эжекции расположен завихритель (13). Топка (1) также сообщена с корпусом (5) узла дожигания. Узел дожигания размещен в полости теплообменника (3) для обеспечения более быстрого нагрева воды.
Воздуховодный канал (10) для подвода воздуха к колосниковой решетке (11) проходит через нижнюю часть теплообменника (3) для того, чтобы в топку (1) подавался уже подогретый воздух. В завихритель (13) воздух подается через воздуховодный канал (9), который также проходит через нижнюю часть теплообменника (3).
Теплообменник (3) расположен сбоку топки (1). Топка (1) выполнена из огнеупорного бетона в виде цилиндра и снабжена дополнительной внешней теплоизоляцией (14), предотвращающей потери тепла из топки (1). В верхней и нижней частях корпуса топки (1) выполнены продольные вырезы (15) и (16).
Котел снабжен узлом подачи топлива в топку, состоящим из бункера для топлива (17) и дозатора (18). Дозатор (18) состоит из трех соосных разомкнутых полых цилиндров (19), (20), (21) с продольными вырезами. Вырезы всех цилиндров (19), (20), (21) по периметру имеют одинаковые геометрические размеры. Первый цилиндр (19) закреплен относительно корпуса топки (1) и бункера (17) и выполнен с двумя продольными вырезами (22) и (23). Этот цилиндр представляет собой корпус дозатора (18). Первый верхний продольный вырез (22) расположен напротив выхода (24) бункера (17), при этом геометрические размеры по периметру указанного выреза (22) соответствуют длине и ширине выхода (24) бункера (17) по его периметру. Верхний вырез (22) первого цилиндра (19) дозатора (18) плотно контактирует по периметру с выходом (24) бункера (17). Второй нижний вырез (23) первого цилиндра (19) расположен напротив верхнего выреза (15) и сообщен с полостью топки (1), при этом наружная поверхность верхнего выреза (15) топки (1) является ответной по отношению к наружной поверхности второго выреза (23) первого цилиндра (19) дозатора (18) и плотно прилегает к ней. Нижний вырез (23) первого цилиндра (19) дозатора (18) плотно контактирует по периметру с верхним вырезом (15) топки (1). Второй цилиндр (20) дозатора (18) расположен соосно внутри первого цилиндра (19) с зазором относительно него. Второй цилиндр (20) выполнен с одним продольным вырезом (25) для сообщения выхода (24) бункера (17) с внутренней полостью (26) второго цилиндра (20). Второй цилиндр (20) выполняет функции дозатора, его внутренняя полость (26) предназначена для размещения порции топлива. Третий цилиндр (21) дозатора (18) - отсекатель расположен в зазоре между первым (19) и вторым (20) цилиндрами соосно с ними и выполнен с двумя продольными вырезами (27) и (28), расположенными под углом 90°. Первый продольный вырез (27) отсекателя (21) предназначен для обеспечения сообщения внутренней полости (26) второго цилиндра (20) с выходом (24) бункера (17). Второй цилиндр (20) установлен с возможностью вращения по направлению ко второму вырезу (28) отсекателя (21). Отсекатель (21) установлен с возможностью вращения по направлению вращения второго цилиндра (20). Дозатор (18) содержит зацепляющее устройство (на чертеже не показано), обеспечивающее совместное вращение отсекателя (21) и второго цилиндра (20) после того, как второй цилиндр (20) повернется на 90° по направлению ко второму вырезу (28) отсекателя (21). Второй цилиндр (20) и отсекатель (21) связаны с приводным устройством (29). Часть (30) отсекателя (21), расположенная напротив верхнего продольного выреза (15) топки (1), выполнена из огнеупорного теплоизолирующего материала.
В полости бункера (17) над выходом (24) размещен рыхлитель (31), связанный с приводным устройством (32). Рыхлитель (31) выполнен в виде металлической трубы (33), к наружной стороне которой прикреплены штыри (34). Под топкой (1) размещен выкатной золосборник (35). Для того чтобы золосборник (35) было удобно чистить, в корпусе котла в месте размещения золосборника (35) расположена дверца (36).
В нижней части топки (1) под колосниковой решеткой (11) размещен золоудалитель (37), выполненный в виде двух цилиндров (38) и (39) с продольными вырезами (40) и (41), предназначенными для сбора золы. Золоудалитель (37) связан с приводным устройством (42), обеспечивающим согласованное вращение цилиндров (38) и (39) золоудалителя (37) и второго цилиндра (20) с отсекателем (21), при этом при вращении второго цилиндра (20) посредством приводного устройства (42) обеспечена возможность вращения цилиндров (38) и (39) золоудалителя (37) в противоположных направлениях. Вырезы (40) и (41) цилиндров (38) и (39) золоуловителя (37) в поперечном сечении имеет форму геометрического сектора.
Воздуховодные каналы (9) и (10) снабжены вентилятором (43). Воздуховодный канал (10) на входе разделен на два канала (44) и (45). Канал (44) на входе снабжен регулирующим клапаном (46) и соединен с вентилятором (43), а канал (45) на входе снабжен регулирующим клапаном (47).
Работает заявляемое устройство следующим образом. Уголь фракции 0-70 засыпают в бункер (17) вручную или при помощи крана. Топливо (48) под действием своего веса опускается к устройству подачи - дозатору (18). Для предотвращения зависания топлива, в бункере расположен рыхлитель (31). Кроме того, рыхлитель (31), вращаясь, предотвращает попадание крупных фракций топлива между отсекателем (21) и стенками бункера (17). Рыхлитель (31) соединен с приводом (32). Общий привод (49) обеспечивает синхронную работу дозатора (18), рыхлителя (31) и золоудалителя (37) через приводы (32), (29) и (42).
Дозатор (18) работает следующим образом. Внутрь второго цилиндра (20) топливо попадает под действием собственного веса. По команде (ее можно заранее запрограммировать) включается общий привод (49), и второй цилиндр (20) поворачивается против часовой стрелки на 90°, прекращая засыпание в него топлива. После поворота второго цилиндра (20) отсекатель (21) и цилиндр (20) начинают поворачиваться вместе, и при их повороте еще на 90° топливо ссыпается в полость (50) топки (1), при этом поворот отсекателя (21) на 90° дополнительно перекрывает зону бункера (17), предотвращая прорыв продуктов горения наружу. Кроме того, раскаленная теплоизолированная часть отсекателя (21) - вставка из огнеупорного теплоизолирующего материала (30) - не выходит в зону топливного бункера (17) и не соприкасается с топливом (48), то есть топливо в бункере (17) не нагревается. После поворота на 180° относительно первоначального положения второго цилиндра (20), привод (49) переключается на реверс, и второй цилиндр (20) с отсекателем (21) одновременно поворачиваются на 90° обратно. В результате этого, теплоизолированная часть отсекателя (30) запирает зону топки (50). Второй цилиндр (20) выходит из зацепления с отсекателем (21) и продолжает дальше поворачиваться на 90°, занимая первоначальное положение.
Вращение второго цилиндра (20) дозатора (18) с отсекателем (21) на 180° с реверсированием от привода (49) по цепи через приводы (29) и (32) передается на рыхлитель (31), обеспечивая рыхление топлива (48), и через приводы (29) и (42) передается на золоудалитель (37), обеспечивая удаление несгораемых остатков топлива из полости (50) топки (1) в золосборник (35). При этом герметичность топки (1) не нарушается, и отсутствуют потери тепла. При повороте второго цилиндра (20) дозатора (18) на 180°, рыхлитель (31) также поворачивается на 180° в ту же сторону, что и цилиндр (20). Такой поворот рыхлителя (31) позволяет не только разрыхлять топливо (48) в бункере (17), но и сепарировать его, «откидывая» крупные куски от цилиндра (20). При обратном повороте второго цилиндра (20) дозатора (18), рыхлитель (31) вращается в обратную сторону. Цилиндры (38) и (39) золоудалителя (37) при повороте второго цилиндра (20) дозатора (18) также поворачиваются на 90° в разные стороны (один - по часовой стрелке, а другой - против часовой стрелки), и при дальнейшем повороте цилиндра (20) на 90°, они по цепной передаче поворачиваются еще на 90°, и зола из выемок (40) и (41) золоудалителя (37) ссыпается в золосборник (35).
После узла подачи топливо попадает на колосниковую решетку (11) с определенным количеством отверстий заданного размера. На колосниковой решетке (11) топливо поджигается и начинает гореть. В зоне горения дозатор (18) поддерживает оптимальную толщину слоя угля, обеспечивая тем самым оптимизацию процесса горения.
При сжигании топлива идет разогрев стенок топки (1) и других элементов котла, выполненных из огнеупорного бетона. Температура в топке (1) автоматически поддерживается в пределах 750-800°С за счет дозированной подачи подогретого воздуха по каналу (10), которая регулируется регулирующим клапаном (46). Вентилятор (43) работает только в момент розжига и разгона котла для подачи воздуха в канал (10), а затем при достижении заданных температур регулирующий клапан (46) переключается по команде автоматики на энергонезависимый режим, и подача воздуха в топку осуществляется по нижней части (45) канала (10) через регулирующий клапан (47). При этом за счет регулирующих клапанов (46) и (47) осуществляется точная регулировка количества поступающего воздуха, необходимая для оптимизации процессов горения. Дальнейшее горение топлива поддерживается подогретым воздухом, поступающим через колосниковую решетку (11) и канал (10). Количества воздуха, поступающего в топку по каналу (10) и через отверстия колосниковой решетки (11), обычно хватает для окисления углерода до окиси углерода (СО), которая служит горючей составляющей газообразных продуктов термического разложения. Нагретые в топке (1) продукты горения (СО, метан, пылевидные несгоревшие частицы топлива и т.п.) - продукты газифицирования и возгонки твердого топлива - из-за отсутствия отвода тепла, «всплывают» в ее верхнюю часть и попадают в корпус узла дожигания (5), где обтекают дожигатель (7). Дожигатель (7) в процессе разгона котла раскаляется, и температура в зоне узла дожигания достигает 1500°С. В нижней части дожигателя (7) находится завихритель (13), к которому по каналу (9) с помощью вентилятора (43), подается подогретый воздух. В стенках дожигателя (7) расположено определенное количество отверстий (8) заданного размера. Поток воздуха из канала (9) протекает через завихритель (13), попадает в дожигатель (7), который выполняет функцию эжектора, и закручивается в нем. Продукты горения из топки (1) через отверстия (8) также попадают внутрь дожигателя (7), где смешиваются с закрученным воздухом из канала (9), и выходят наружу из торца дожигателя (7) с отдачей большого количества тепла. За счет высокой температуры (1500°С) в узле дожигания сгорают все возможные горючие частицы и газы. Таким образом, в трубе (6) узла дожигания по спирали вверх движется напор всплывающих раскаленных газов, и под действием центробежной силы частички золы и сажи отбрасываются на стенки трубы (6) узла дожигания и сгорают. Раскаленные газы потоком доходят до края трубы (6) узла дожигания, после чего их скорость резко падает, они разворачиваются на 180° и попадают в зону теплообменника (3), где быстро остывают, передавая тепло трубам теплообменника (51). Кроме того, эти газы нагревают внешнюю поверхность узла дожигания. После этого газы опускаются вниз, при этом не сгоревшие частицы выпадают в золосборник (35). Вода по трубам (51) теплообменника (3) движется навстречу газовому потоку, обеспечивая эффективный отбор тепла. Кроме того, за счет терморадиационного эффекта обеспечивается не только дополнительная передача тепла воде в теплообменнике (3), но и сгорание смол, а значит достигается дополнительная экономия топлива.
Помимо нагрева воды в трубах теплообменника (51), необходимо также нагреть воздух в каналах (9) и (10). Таким образом, на воздуховодных каналах (9) и (10) происходит дополнительная отдача тепла дымовых газов. За счет этого осуществляется подача подогретого воздуха в зону (50) топки (1) и зону дожигателя (7).
Далее поток газов с температурой 80-90°С попадает в дымовую трубу (4). За счет реакций внутри узла дожигания на выходе дымовой трубы (4) газы получаются бесцветными, и они не содержат частиц копоти.
Соответственно при запуске котла воздух в каналах (9) и (10) подогреваться не будет, но как только первые продукты горения выйдут через дымовую трубу (4) наружу, котел придет в нормальное рабочее состояние.
Таким образом, за счет разделения зоны горения и теплообмена, своеобразного движения газовых потоков, а также за счет терморадиационного эффекта, обеспечивается полное сжигание топлива, что уменьшает количество вредных выбросов в атмосферу. Благодаря описанным нововведениям также достигается значительная экономия топлива, максимально снижаются затраты на очистку котла от смоляных отложений и копоти, увеличивается мощность котла.
Работа котла может управляться блоком управления. С его помощью регулируются параметры контроля, а именно производится замер наружной температуры воздуха, замер температуры воды на входе и на выходе теплообменника (3), замер текущей температуры в топке (1), замер температуры в верхней части теплообменника (3) после узла дожигания. Кроме того, за счет наличия блока управления существует возможность дистанционного контроля над работой котла. Также при помощи блока управления регулируются управляющие функции, такие как управление приводом (49) узла подачи топлива, управление частотным регулятором вентилятора (43), управление регулирующими клапанами (46) и (47) для регулировки количества подаваемого воздуха в топку (1) и в дожигатель (7), управление процессом розжига и разгона котла, переключение алгоритмов работы исполнительных механизмов котла при переходе на другие виды топлива и переключение в ручной режим управления с контролем параметров.
Заявляемое техническое решение устраняет все недостатки, имеющиеся в аналогах и, кроме того, является простым в применении и производстве.