ВОДОГРЕЙНЫЙ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЕЛ
WATER-HEATING SOLID-PROPELLANT BOILER

Изобретение относится к энергетике, в частности к устройствам для отопления индивидуальных жилых домов и снабжения горячей водой для хозяйственных нужд в местах, где отсутствуют современные источники тепла и имеется избыток отходов горючесмазочных материалов.
Известен гравитационный водоподогревательный элемент для каминов, замкнутый на отопительную систему помещения и содержащий экраны из водонагревательных стальных труб, установленных на задней и боковых стенках топочной камеры; расположенный между экранами конвективный воздушно-газовый проход, замкнутый на газосборный коллектор; засыпную топочную камеру с колосниковой решеткой, под которой расположен зольный бункер и канал подвода первичного воздуха; нижний трубопровод подвода охлажденной воды и верхний трубопровод отвода нагретой воды [патент DE 202006009407U, опубл. 07.09.2006]. Недостатком известного водоподогревательного элемента является низкая эффективность теплоотдачи топочных газов из-за неполного использования площадей нагрева, большое количество выброса летучих частиц топлива и продуктов горения в атмосферу, ограниченный объем топочной камеры, в которую часто приходится загружать новые порции твердого топлива.
Также известен стальной водогрейный котел малой мощности для слоевого сжигания твердого топлива, содержащий корпус со стальными теплоизолированными стенками, по меньшей мере один конвективный газовый проход, проходящий между пакетами из стальных труб и соединенный с газосборным коллектором, систему подачи топлива в засыпную топочную камеру с экранами из стальных труб и колосниковой решеткой, под которой расположен зольный бункер с системой золоудаления, трубопровод подвода холодной воды и трубопровод отвода горячей воды [патент RU 2238480, опубл. 20.10.2004]. Недостатком известного котла является низкая эффективность сжигания углей, особенно низкокачественных, высокая загрязненность поверхностей нагрева, снижающая эффективность теплопередачи, плотная установка экранов, не позволяющая качественно очистить поверхности нагревва, неудобство обслуживания в процессе эксплуатации.
В качестве прототипа принят встроенный в стену домашний водогрейный твердотопливный котел, содержащий корпус со стальными двойными стенками, образующими водяную рубашку; по меньшей мере один конвективный воздушно-газовый проход, соединенный с газосборным коллектором; засыпной бункер, замыкающийся на топочную камеру с колосниковой решеткой, под которой расположены средство подачи первичного воздуха и зольный бункер; нижний трубопровод подвода холодной и верхний трубопровод отвода горячей воды [патент GB 594282, опубл. 06.11.1947]. Недостатком известного котла являтся низкая интенсивность процессов горения и теплообмена, слабое перемешивание летучих и вынесенных из слоя топлива твердых частиц с воздухом, что снижает эффективность сгорания топлива, трудность доступа к внутренним поверхностям нагрева при их очистке от продуктов горения, наличие застойных зон в большом объеме водяной рубашки, нарушающих циркуляцию воды, что ведет к снижению теплообмена.
Технической задачей, для решения которой предлагается данное устройство, является интенсификация процессов горения и теплообмена, повышение эффективности сгорания топлива и накопления тепловой энергии, создание оптимальных условий для омывания водяных рубашек и водонагревательных труб топливными горячими газами, улучшение циркуляции воды при ее нагревании в котле, облегчение доступа к внутренним поверхностям нагрева при их очистке в процессе эксплуатации.
Указанная техническая задача решается предлагаемым водогрейным твердотопливным котлом, содержащим корпус со стальными двойными стенками, образующими водяную рубашку; по меньшей мере один конвективный воздушно-газовый проход, расположенный между водонагревательными трубами и соединенный с газосборным коллектором; засыпной бункер, замыкающийся на топочную камеру с колосниковой решеткой, под которой расположены средство подачи первичного воздуха и зольный бункер; нижний трубопровод подвода холодной воды и верхний трубопровод отвода горячей воды. Новым является то, что во внутреннем пространстве корпуса двойные стенки образуют дополнительную водяную рубашку в виде фронтально расположенных верхнего и нижнего выступов, что позволяет разместить в зоне высоких температур дополнительные нагревательные поверхности и сделать процесс теплообмена более интенсивным; на нижнем выступе водяной рубашки установлен теплоотражающий барьер из огнеупорного материала, образующий с верхним выступом направленное вверх щелевое сопло, расположенное в зоне горения и своими торцами упирающееся в наружные противоположные стенки корпуса, в которых встречно друг другу выполнено по меньшей мере по одному сквозному отверстию для подачи вторичного воздуха в зону горения, что позволяет сделать процесс горения более интенсивным и повысить эффективность сгорания твердого топлива; водонагревательные трубы проточно подсоединены к водяной рубашке наружных противоположных стенок корпуса, а газосборный коллектор расположен в нижней части топочной камеры в наружной стенке корпуса, что позволяет создать оптимальные условия для омывания водонагревательных труб топливными горячими газами перед выходом их из корпуса наружу. Накопление тепловой энергии будет происходить эффективнее, если на внутреннем верхнем выступе водяной рубашки будет выполнен накопитель тепловой энергии из огнеупорного материала. Накопитель тепловой энергии может быть расположен на выступе водяной рубашки со стороны топочной камеры. Для полного сгорания твердого топлива будет лучше, если в отверстия для подачи вторичного воздуха будет вставлен канал для подвода жидкого топлива в зону горения. Канал для подвода жидкого топлива может быть расположен по всей длине щелевого сопла. Для изменения режима работы и обслуживания котла удобнее, если канал для подвода жидкого топлива будет выполнен съемным. Канал для подвода жидкого топлива может быть выполнен в виде перфорированной трубы. Для формирования факелов и их горения лучше, если перфорация будет выполнена сверху по всей длине трубы. Во избежание утечки жидкого топлива свободный конец перфорированной трубы может быть заглушен. Для подачи твердого топлива и его постепенного перемещения в зону горения лучше, если засыпной бункер будет выполнен наклонным, ограничен снизу колосниковой решеткой и расположен смежно с топочной камерой. Колосниковая решетка может состоять из горизонтального и наклонного участков, где наклонный участок колосниковой решетки может являться составной частью одной из стенок засыпного бункера. Для очистки от зольных образований лучше, если горизонтальный участок колосниковой решетки будет выполнен с возможностью выдвижения из корпуса. Угол наклона стенки засыпного бункера может быть равен углу наклона наклонного участка колосниковой решетки. Оптимально, если угол наклона стенки бункера и решетки будет составлять от 60 до 80 градусов. Верхняя часть наклонного бункера может выступать из вертикальной плоскости корпуса. Для прохождения горячих газов лучше, если конвективные воздушно-газовые проходы будут образованы зазорами между водонагревательными трубами. Зазоры между водонагревательными трубами могут составлять не менее их диаметра. Лучше, если водонагревательные трубы будут установлены в шахматном порядке, что позволит улучшить процесс нагревания и циркуляции воды в трубах. Водонагревательные трубы могут быть расположены по всему пространству топочной камеры и находиться там в положении, близком к горизонтальному. Для облегчения доступа к внутренним поверхностям нагрева при их очистке в процессе эксплуатации лучше, если в наружной стенке топочной камеры напротив водонагревательных труб будет выполнено по меньшей мере по одному технологическому проему, закрываемому крышкой. Крышка технологического проема может быть выполнена съемной. Для циркуляции нагреваемой воды лучше, если крышка будет оборудована водяной рубашкой, которая проточно будет подсоединена к водяной рубашке наружной стенки корпуса. Трубопровод подвода холодной воды может быть расположен на одной из боковых сторон корпуса котла в уровне внутреннего нижнего выступа водяной рубашки, а трубопровод отвода горячей воды может быть расположен в верхней части корпуса со смещением от центра в сторону, противоположную подводу холодной воды, что позволяет сбалансировать циркуляцию и нагрев воды в корпусе относительно входного и выходного патрубков.
Изобретение поясняется графическими материалами. На фиг.1 показан фронтальный разрез котла в месте расположения сквозных отверстий в корпусе для прохода вторичного воздуха и подвода канала жидкого топлива, на фиг.2 показан боковой разрез котла, на фиг.3 показан местный фронтальный разрез котла в месте расположения трубопровода для подвода холодной воды, на фиг.4 показан горизонтальный разрез котла в уровне расположения сквозных отверстий в корпусе для прохода вторичного воздуха и подвода канала жидкого топлива и колосниковой решетки.
Изобретение поясняется на примере конкретного выполнения.
Стальной водогрейный твердотопливный котел содержит сварной корпус 1, выполненный из листовой стали толщиной δ=4 мм по каркасу из стального уголка с отверстиями в полках для циркуляции воды. Корпус 1 котла состоит из двойных стенок, которые образуют наружную 2 и внутреннюю 3 водяные рубашки (см. фиг.1 и 2). Толщина наружной водяной рубашки 2 составляет δ=25 мм, а толщина внутренней водяной рубашки 3 составляет δ=50 мм. Внутри корпуса 1 водяная рубашка 3 образует фронтально расположенные верхний и нижний выступы. Внутренний верхний выступ водяной рубашки 3 содержит накопитель тепловой энергии 4, выполненный из слоя огнеупорного керамического кирпича, который расположен со стороны топочной камеры 5. На нижнем выступе водяной рубашки 3 установлен теплоотражающий барьер 6 из огнеупорного керамического кирпича, образующий с верхним выступом направленное вверх щелевое сопло 7. Торцы щелевого сопла 7 упираются в наружные противоположные стенки корпуса 1. В наружных противоположных стенках встречно друг другу выполнено по одному сквозному отверстию 8 диаметром 100 мм для подачи вторичного воздуха в щелевое сопло 7 в зону горения. Для более полного сжигания твердого топлива и повышения температуры нагрева воды в отверстие 8 может быть вставлен съемный канал 9 для подачи отработанного масла, применяемого в качестве жидкого топлива, в зону горения. Канал 9 представляет собой стальную перфорированную трубу диаметром 75 мм, где перфорация выполнена в верхней части трубы с шагом 200 мм в виде отверстий ⌀ 6 мм, расположенных в три ряда в шахматном порядке. Канал 9 для подвода жидкого топлива входит в одно отверстие 8, проходит по всей длине щелевого сопла 7 и выходит в другое отверстие 8, расположенное в противоположной наружной стенке корпуса 1. Для предотвращения утечки жидкого топлива выступающий из отверстия 8 конец перфорированной трубы перекрывают задвижкой 10. Корпус 1 котла содержит закрывающийся откидной стальной заслонкой 11 засыпной бункер 12, верхняя часть которого выступает за габарит вертикальной плоскости корпуса 1. Стенками верхней части бункера 12 являются наружные 2 и внутренние 3 водяные рубашки, а нижняя часть бункера 12 замыкается на колосниковую решетку 13 топочной камеры 5. Засыпной бункер 12 выполнен наклонным, ограничен снизу колосниковой решеткой 13 и расположен смежно с топочной камерой 5. Колосниковая решетка 13 выполнена чугунной и состоит из наклонного и горизонтального участков (см. фиг.2). Угол наклона наклонного участка колосниковой решетки 13 составляет 70°. Горизонтальный участок колосниковой решетки 13 опирается на направляющие, приваренные к противоположным сторонам наружных стенок корпуса 1, и при необходимости очистки бункера 12 от угля или колосниковой решетки 13 от золы может выдвигаться наружу из корпуса 1. Под колосниковой решеткой 13 со стороны бункера 12 в нижней части корпуса 1 располагается жалюзийная решетка 14 с поворотными жалюзи, при помощи которых регулируется подача первичного воздуха, а также выдвижной ящик зольного бункера 15, сваренный из листовой стали δ=4 мм. В нижней части наружной водяной рубашки 2 располагается стальной трубопровод 16 подвода холодной воды диаметром 50 мм (см. фиг.3 и 4), а в верхней части наружной водяной рубашки 2 располагается стальной трубопровод 17 отвода горячей воды диаметром 50 мм (см. фиг.1 и 2). Нижний трубопровод 16 подвода холодной воды расположен на одной из боковых сторон корпуса 1 котла в уровне внутреннего нижнего выступа водяной рубашки 3. Верхний трубопровод 17 отвода горячей воды расположен в верхней части корпуса 1 со смещением от центра в сторону, противоположную подводу 16 холодной воды. Нижний внутренний выступ водяной рубашки 3 разделен по ширине корпуса 1 котла патрубками 18 диаметром 25 мм, установленными через 125 мм и образующими сквозные зазоры для осыпания осевших частиц при чистке поверхностей нагрева водонагревательных труб 19. В наружной стенке топочной камеры 5 напротив водонагревательных труб 19 располагается технологический проем, предназначенный для чистки внутренних поверхностей водонагревательных труб 19 и водяных рубашек 2 и 3 от осевших продуктов горения. Проем герметично закрывается съемной крышкой 22, оборудованной собственной водяной рубашкой, которая при помощи винтовых зажимов плотно прижимается к контуру проема и проточно подсоединяется к отверстиям водяной рубашки 2 наружной стенки корпуса 1. Водонагревательные стальные трубы 19 расположены внутри корпуса 1 котла фронтально поперек траектории движения горячих газов и проточно подсоединены при помощи сварки к водяной рубашке 2 наружных противоположных стенок корпуса 1. Водонагревательные стальные трубы 19 выполнены диаметром 25 мм (см. фиг.1) и установлены в топочной камере 5 в шахматном порядке и находятся в положении, близком к горизонтальному. Между стальными трубами 19 имеются зазоры шириной 25 мм, образующие множество конвективных воздушно-газовых проходов 20 для горячих газов, которые проходят между водонагревательными трубами 19 и замыкаются на выходе из котла на вытяжной короб газосборного коллектора 21. Газосборный коллектор 21 расположен в наружной стенке корпуса 1 в нижней части топочной камеры 5.
Принцип работы котла заключается в следующем. Стальной трубопровод подвода 16 холодной воды подключают к источнику (не показан) и заполняют наружную 2 и внутреннюю 3 водяные рубашки и водонагревательные трубы 19 водой, после чего на горизонтальном участке колосниковой решетки 13 традиционным способом разжигают огонь до необходимой температуры прогрева, а затем постепенно через насыпной бункер 12 подают на колосниковую решетку 13 порции бурого угля с одновременной подачей под колосниковую решетку 13 через регулируемую жалюзийную заслонку 14 первичного воздуха. Бурый уголь начинает возгораться и по мере заполнения бункера 12 верхние слои угля подсыхают под воздействием тепла водяных рубашек 2 и 3, а затем под собственным весом уголь продолжает постепенно перемещаться в зону горения на колосниковой решетке 13. Бункер полностью засыпают углем и закрывают откидную заслонку 11. Далее процесс горения продолжается самостоятельно в течение продолжительного времени без участия человека. По мере выгорания угля в нижнем слое зола проваливается сквозь колосниковую решетку 13, а на место сгоревшего топлива по наклонной стенке бункера 12 и наклонному участку колосниковой решетки 13 опускается очередной подсохший слой бурого угля, который попадает в зону горения. Для более полного сгорания твердого топлива и быстрого повышения температуры нагрева воды используется съемный канал 9 для подачи отработанного масла, используемого в качестве жидкого топлива, в зону горения. Канал 9 выполнен в виде стальной перфорированной трубы круглого сечения, устанавливаемой при необходимости в отверстия 8. По мере повышения температуры канал для подачи 9 жидкого топлива прогревается и через него в щелевое сопло 7 из емкости, установленной выше канала 9, самотеком через дозатор (не показан) подается отработанное масло, которое под воздействием высокой температуры горения бурого угля воспламеняется. Для поддержания горения бурого угля и отработанного масла через сквозные отверстия 8 поступает вторичный воздух. Температура горения масла дополняет температуру горения бурого угля. Горячие газы с несгоревшими твердыми частицами, образовавшиеся при сгорании бурого угля в топочной камере, проходят через щелевое сопло 7, где твердые угольные частицы догорают, а горячие газы ускоряют свое движение, заполняют топочную камеру 5 и весь внутренний объем корпуса 1 котла, нагревают водяные рубашки 2 и 3, а затем проходят между водонагревательными трубами 19, обходя все поверхности нагрева воды. Температура воды поднимается и за счет собственного расширения вода циркулирует в водяных рубашках 2 и 3 и трубах 19, затем попадает в верхний трубопровод 17 и поступает к потребителю.
Предлагаемым изобретением решается проблема утилизации отработанного масла и устранения сопутствующих ей неудобств в виде хранения, транспортировки, сдачи отработанных ГСМ, а также связанных с ними финансовых затрат на восстановление и оздоровление экологии окружающей среды.