КОЛОСНИКОВАЯ РЕШЕТКА ОХЛАЖДАЕМОЙ КОНСТРУКЦИИ (КРОК)
GRATE OF COOLED CONSTRUCTION

Колосниковая решетка охлаждаемой конструкции (КРОК) - изобретение в области тепловой энергетики - служит для поддержания раскаленного до 1000°С твердого топлива, устанавливается в топках водогрейных печей и котлов, при этом теплоноситель (вода) циркулирует одновременно в «водяной рубашке» котла (печи) и внутри труб прямоугольного сечения колосниковой решетки охлаждаемой конструкции.
Прототип - чугунная колосниковая решетка - элемент топочных устройств, поддерживающий слой горящего твердого топлива собирается из монолитных чугунных колосников, имеющих отверстия для подвода воздуха (стр.604. Советский энциклопедический словарь /Гл. ред. А.М.Прохоров; ред.: А.А.Гусев и др. - изд. 4-е, М.: Сов. энциклопедия, 1987 г.).
Колосниковая решетка охлаждаемой конструкции представляет собой устройство, сваренное из стальных труб прямоугольного (квадратного) сечения достаточной длины, расположенных параллельно друг другу на расстоянии 15-20 мм (фиг.2, поз.10), с вваренными в межтрубное пространство относительно друг друга на расстоянии 20-30 мм отрезками стального прута - компенсаторами (фиг.1, 2, 3 - поз.3), при этом плоскости труб прямоугольного сечения в совокупности с компенсаторами образуют рабочую поверхность решетки (фиг.2, 3 - поз.11), а расстояния между компенсаторами образуют рабочие отверстия решетки (фиг.1, 3 - поз.2), через которые подается воздух в зону горения топлива и ссыпается зола в зольник котла. А так же, стальные трубы прямоугольного сечения вварены с одного конца в общий входящий коллектор (фиг.1, 2, 3, 4. - поз.5 - коллектор), с другого - в выходящий (фиг.1, 2, 3, 4 - поз.1) коллектор под углом (фиг.3, 4 - поз.8) относительно плоскости входящего и выходящего коллекторов, а готовая конструкция (КРОК) монтируется в водогрейном котле с учетом гравитации земли, то есть угол конструкции определяет естественное движение воды (теплоносителя), которое охлаждает нагреваемую снаружи решетку изнутри.
Колосниковая решетка охлаждаемой конструкции (КРОК) имеет ряд преимуществ перед аналогом - охлаждаемой уголковой решеткой ОУР, топочным устройством, устанавливаемым в котлах КВЗ котельным заводом «Росэнергопром» г.Барнаул, ул. Трактовая, 2.
Недостатки конструкции охлаждаемой уголковой решетки (ОУР):
1. Уголок, приваренный к водонаполненным (рабочим) трубам радиального сечения, отрывается в местах сварных соединений по причине разности температурных напряжений (уголок в отличие от рабочих труб водой не охлаждается - фиг.5 сечение - ОУР фрагмент). Это приводит к течи воды из котла.
2. В процессе эксплуатации котла уголок изнашивается - прогорает (не охлаждается водой) приходится менять, а это трудоемкая работа.
3. В процессе эксплуатации котла сгоревшее топливо - зола не ссыпается в зольник, по причине малых отверстий в теле уголка, поэтому при обслуживании котла раскаленная масса золы выгребается прямо под ноги кочегару (опасная процедура) - работа котла прекращается.
2
4. Для эффективной работы ОУР необходима принудительная циркуляция теплоносителя (воды), рабочее давление не менее 2 кг/см - опасность парообразования.
5. Для эффективного горения топлива необходимо принудительное нагнетание воздуха в зону горения (принцип кузнечного горна) - дополнительный расход электроэнергии.
Все перечисленные недостатки выявлены при эксплуатации котлов КВЗ в нашей поселковой котельной с 2004 г.
В колосниковой решетке охлаждаемой конструкции (КРОК) по отношению к ОУР эти недостатки отсутствуют полностью:
1. Расстояние между параллельными трубами прямоугольного сечения выполняется в пределах 15-20 мм (фиг.2 - поз.10), в которое по всей площади решетки вварены отрезки стального прута - компенсаторы квадратного или радиального сечения длиной 50-70 мм (фиг.1, 3 - поз.3) непрерывным сварным швом с четырех сторон по всей длине прута (фиг.2 - поз.6). Это делает конструкцию КРОК более жесткой, менее подверженной тепловой деформации.
2. Расстояния между отрезками стального прута - компенсаторами образуют достаточного размера 20-30 мм рабочие отверстия решетки (фиг.1, 3 - поз.2), через которые в процессе эксплуатации котла проходит воздух в зону горения топлива, а также ссыпается сгоревшее топливо - зола в зольник котла.
3. Приваренные в межтрубное пространство по всей площади решетки компенсаторы в совокупности с плоскостью труб прямоугольного сечения образуют ровную рабочую поверхность решетки (фиг.2, 3 - поз.11 - аналогично поверхности чугунного колосника), это позволяет проходить воздуху в зону горения свободно, что не выполнимо при «холмистой» (фиг.5) поверхности ОУР - нет необходимости принудительного нагнетания воздуха.
Изобретательский замысел топочного устройства колосниковой решетки охлаждаемой конструкции (КРОК) и конечный технический результат заключается в следующем:
Сварная конструкция из стальных труб прямоугольного сечения непосредственно выполняет функции колосника, т.е. держит на своей поверхности раскаленную до 1000°С массу твердого топлива, при этом эффективно охлаждается изнутри циркулирующим в трубах прямоугольного сечения теплоносителем (водой).
По аналогии с ОУРом:
1. Позволяет более эффективно использовать энергию горящего твердого топлива, т.к. имеет примерно в 2 раза большую площадь теплообмена между раскаленной массой твердого топлива и теплоносителем (водой).
2. Устойчивость конструкции к короблению (тепловой деформации) за счет вваренных по всей площади решетки компенсаторов (отрезков стального прута), которые делают конструкцию более жесткой.
3. Имеет достаточные для свободной подачи воздуха и естественного сброса золы рабочие отверстия.
По аналогии с прототипом:
1. Устойчивость конструкции к прогоранию (деформации от перегрева) за счет эффективного охлаждения циркулирующего внутри труб прямоугольного сечения теплоносителя (воды).
2. Оборудование водогрейных печей и котлов устройством КРОК позволит увеличить кпд теплоэнергетических аппаратов до 70-80%, при этом обойтись без подключения электрических насосов, что особенно актуально там, где нет или частые перебои с подачей электричества (применимо для автономных отопительных систем, особенно в северных и приравненных к северным территориям).
3. Применение КРОК позволит расширить диапазон применяемого твердого топлива - каменный уголь всех сортов, дрова, торф, древесный мусор, опилки, что удешевит эксплуатацию печей и котлов, оборудованных данной конструкцией.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показана колосниковая решетка охлаждаемой конструкции, вид сверху:
поз.1 - выходящий коллектор,
поз.2 - рабочее отверстие решетки, через которое подается воздух в зону горения твердого топлива, а также ссыпается зола в зольник печи (котла),
поз.3 - компенсаторы (отрезки стального прута длиной 50-70 мм, приваренные по всей площади решетки в межтрубное пространство непрерывным швом по всей своей длине с четырех сторон,
поз.4 - стальная труба прямоугольного сечения,
поз.5 - входящий коллектор.
На фиг.2 показано поперечное сечение колосниковой решетки охлаждаемой конструкции (фрагмент), обозначенное на фиг.1, как (А-А):
поз.3 - компенсатор,
поз.4 - стальная труба прямоугольного сечения,
поз.6 - сварной шов,
7 - теплоноситель (вода),
поз.10 - расстояние между стальными прямоугольного сечения трубами решетки, выполненное по всей длине рабочих труб 15-20 мм,
поз.11 - рабочая поверхность конструкции:
4 - толщина стенки прямоугольной трубы в миллиметрам,
40 - ширина прямоугольной трубы в миллиметрах,
60 - высота прямоугольной трубы в миллиметрах.
На фиг.3 показано сечение колосниковой решетки охлаждаемой конструкции, обозначенное на фиг.1, как (Б-Б):
поз.1 - выходящий коллектор,
поз.2 - рабочее отверстие решетки, 20-30 мм,
поз.3 - компенсатор,
поз.4 - стальная труба прямоугольного сечения,
поз.5 - входящий коллектор,
поз.7 - теплоноситель (вода),
поз.8 - угол относительно плоскости коллекторов с учетом гравитации земли при монтаже готовой решетки в топке котла, определяющий движение теплоносителя при нагреве его энергией горящего топлива.
На фиг.4 - показано сечение колосниковой решетки охлаждаемой конструкции, обозначенное на фиг.1, как (В-В):
поз.1 - выходящий коллектор,
поз.4. - рабочая труба,
поз.5 - входящий коллектор,
поз.6 - сварные швы,
поз.7 - теплоноситель (вода),
поз.8 - угол,
поз.9 - движение теплоносителя (воды) при нагреве его энергией горящего топлива,
поз.12 - тепловое воздействие горящего твердого топлива.
На фиг.5 показано сечение фрагмента охлаждаемой уголковой решетки (ОУР), устанавливаемой на котлах КВЗ РОСЭНЕРГОПРОМ г.Барнаул:
поз.4 - рабочая труба радиального сечения,
поз.2 - рабочее отверстие решетки в теле уголка, через которые проходит воздух в зону горения твердого топлива,
поз.13 - уголок, приваренный по всей длине труб радиального сечения,
поз.6 - сварной шов,
поз.7- теплоноситель (вода).
Как видно из чертежа, уголок, приваренный к трубам решетки, не охлаждается водой, поэтому испытывает на себе большие температурные напряжения. Следствие - быстрый износ (прогар, деформация) уголка. Из-за разности температурного напряжения в теле уголка по отношению к водонаполненной (рабочей трубе), возможен отрыв сварных соединений из тела трубы, что приведет к течи теплоносителя (воды). Так же рабочие отверстия в уголке настолько малы, что зола не ссыпается естественным путем в полость зольника, и для эффективной работы данной решетки необходим принудительный поддув воздуха в зону горения (принцип кузнечного горна).
На фиг.6 показано схематическое положение колосниковой решетки охлаждаемой конструкции (КРОК), и ее принцип работы в гравитационной системе отопления (принцип работы - естественная циркуляция за счет разной плотности горячего и холодного теплоносителя):
поз.14 - радиатор отопления,
поз.16. - подающий трубопровод системы отопления, подключенный к водяной рубашке котла,
поз.19 - водогрейный котел,
поз.1 - выходящий коллектор колосниковой решетки охлаждаемой конструкции, сообщающийся с «водяной рубашкой» котла,
поз.15 - обратный трубопровод системы отопления, подключенный к «водяной рубашке» котла,
поз.5 - входящий коллектор колосниковой решетки охлаждаемой конструкции,
поз.17 - циркуляционный трубопровод расширительного бака,
поз.18 - движение нагретой воды (теплоносителя),
поз.20 - движение охлажденной воды (теплоносителя).
Охлажденный теплоноситель 20 поступает в входящий коллектор 5 КРОК и «водяную рубашку» водогрейного котла, далее распределяется по рабочим трубам, где нагревается энергией горящего твердого топлива - происходит уменьшение плотности воды - движется к подающему трубопроводу за счет гравитации земли. Нагретый теплоноситель 18 двигается по подающему трубопроводу 16 в систему отопления, охлаждается в радиаторе 14 системы отопления - происходит увеличение плотности теплоносителя (воды) - поступает в обратный трубопровод 15 - цикл повторяется.