ДРОССЕЛЬНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ТЯГИ ДЫМОХОДА, ОСНАЩЕННЫЙ ВРЫВНЫМИ КЛАПАНАМИ

Полезная модель относится к дроссельному стабилизатору тяги дымохода, оснащенному взрывными клапанами. Дроссельный стабилизатор тяги дымохода может найти применение в любых котельных комплексах и энергетических установках, принцип работы которых основан на получении тепловой (или электрической) энергии вследствие сжигания топлива, в которых дымоходная труба выполняет функцию вытяжного вентилятора в системе удаления продуктов сгорания.
В настоящее время известны решения различных устройств, используемых для стабилизации давления в дымоходных трубах.
Так, из описания к патенту РФ №2118283 (опубликован 27.08.1998) известен взрывной клапан облегченной конструкции, в частности для трубопроводов, для выравнивания скачков давления при возможных взрывах пыли или газа в замкнутых системах, например элеваторах, трубопроводах и им подобных, с поворачивающейся вокруг оси качания на выпускном патрубке откидной крышкой, которая по меньшей мере в ограниченной зоне выполнена в виде полого тела, при этом откидная крышка имеет плоскую наружную поверхность, причем расположенная против наружной поверхности, направленная к внутренней полости выпускного патрубка внутренняя поверхность откидной крышки выполнена выпуклой, причем образующие откидную крышку стенки выполнены из тонких металлических листов.
Недостатком известного взрывного клапана, является то, что известный взрывной клапан не является стабилизатором и предназначен только для выравнивания скачков положительного давления при возможных взрывах пыли или газа исключительно в замкнутых системах, как например, элеваторах, трубопроводах или им подобных.
Кроме этого, известен автоматический стабилизатор тяги, который содержит клапан из алюминиевого или подобного листа, установленный с возможностью вращения на оси. Стороны листа выполнены с фланцами и поперечными желобами, расположенными асимметрично и продольной щелью для груза и рычага (патент Великобритании №683896, опубликован 10.12.1952).
Данное техническое решение оборудовано одним единственным клапаном (заслонкой), предназначенным одновременно для регулирования, как избыточного положительного, так и избыточного отрицательного давления. Подобная конструкция в силу инерционности крайних положений срабатывания клапана, не может обеспечить стабилизацию пламени на горелочном устройстве в момент скачкообразных изменений давления в дымоходе с положительного значения на отрицательное значение, и наоборот.Такая ситуация возможна при сильном ветре, меняющем свое направление. Кроме того, особенности конструкции данного технического решения (наглядное подтверждение - «обтюраторная пластина») значительно уменьшают угол открывания клапана, что сильно снижает максимальное значение производительности прибора по ограничению разрежения в системе дымоудаления, что недопустимо для использования данного решения в системах дымоудаления мощных котельных установок (от 200 КВт и более). Данное изобретение не оснащено системой гашения резких рывков клапана (заслонки), возникающих при резких изменениях давления, характерных для систем дымоудаления мощных котельных установок. Отсутствие систем гашения резких рывков клапана (заслонки), в условиях эксплуатации данного прибора на промышленных котельных установках, неизбежно приведет к его быстрому саморазрушению, что является существенным недостатком конструкции.
Наиболее близким аналогом к проверяемому решению является стабилизатор тяги, известный из патента Германии №19511577 (опубликован 02.11.1995), выполненный в виде корпуса с заслонкой, зафиксированной на оси, смонтированной с возможностью вращения на верхней части корпуса, который закрывает выход потока дымовых газов.
Задачами раскрытой конструкции является оптимизация тяги дымоходов исключительно домохозяйств и/или небольших предприятий, оборудованных индивидуальными системами отопления малой мощности. Особенностями конструкции данного решения (наглядное подтверждение - «стопорная пластина»), является ограниченный угол открывания клапана, что недопустимо для использования данного решения в системах дымоудаления мощных котельных установок (от 200 КВт и более). Данная полезная модель, также не оснащена системой гашения резких рывков клапана (заслонки), возникающих при резких изменениях давления, характерных для систем дымоудаления мощных котельных установок. Отсутствие систем гашения резких рывков клапана (заслонки), в условиях эксплуатации данного прибора на промышленных котельных установках, неизбежно приведет к его быстрому саморазрушению.
Кроме того, недостатком и существенным отличием конструкции, раскрытой в патенте Германии №19511577 является то, что данное техническое решение не оборудовано взрывными клапанами, обеспечивающими устранение избыточного положительного давления, в отличие от ДСТД-ВК.
Техническим результатом патентуемого решения является обеспечение стабилизации тяги (разрежения) в системе дымоудаления котельных комплексов на значении, максимально приближенном к указанному производителем котла, за счет устранения резких скачков давления: компенсация избыточного отрицательного давления осуществляется за счет открытия избыточным отрицательным давлением газов (продуктов сгорания) дроссельной заслонки внутрь прибора и дозированного поступления воздуха из помещения котельной, а устранение резких скачков избыточного положительного давления - за счет открытия избыточным положительным давлением газов (продуктов сгорания) накладных боковых крышек (взрывных клапанов) прибора наружу и стравливания избыточного положительного давления. Резкие скачки давления могут возникать вследствие «Гидравлического удара Жуковского» в системах дымоудаления. Вышеописанным способом устраняются колебания давления в системе дымоудаления, возникающие вследствие сезонных климатических изменений. Следствием стабилизации тяги является увеличение срока эффективной эксплуатации котельного оборудования за счет стабилизации формы пламени на горелке, так как излишняя тяга меняет (вытягивает) форму факела, и огонь непосредственно контактирует с поверхностью чугунных секций котла. Также, техническим результатом является экономия топливных ресурсов за счет уменьшения теплопотерь с отходящими дымовыми газами. Излишняя тяга увеличивает поток воздуха, проходящий через камеру сгорания. Весь объем избыточного воздуха, не участвующего в процессе горения, разогревается до высоких температур и выбрасывается в атмосферу. При снижении теплопотерь с дымовыми газами - на производство одного и того же заданного количества тепла требуется меньше топлива. Таким образом, стабилизация тяги в системе дымоудаления (не допущение избыточного отрицательного давления) приведет к экономии топливных ресурсов котельных комплексов.
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции дроссельного стабилизатора тяги дымохода, содержащего корпус, имеющий жестко зафиксированные нижнюю, верхнюю и тыльную поверхности; боковые поверхности корпуса представляют собой накладные крышки, выполненные с возможностью их перемещения относительно корпуса; на фронтальной поверхности корпуса расположена дроссельная заслонка в виде прямоугольника, выполненная с возможностью вращения относительно оси симметрии, расположенной вдоль оси симметрии заслонки и закрепленной на корпусе, при этом ось вращения дроссельной заслонки является верхним фронтальным ребром корпуса; тыльная поверхность корпуса оснащена жестко закрепленным накладным фланцем крепления к дымоходу или газоходу.
Корпус может содержать каркас из металлических профилей.
При этом корпус, крышки и дроссельная заслонка могут быть выполнены из листовой нержавеющей стали или из коррозионно-устойчивой стали.
Накладные крышки имеют прямоугольную форму, могут быть выполнены в виде пластин из нержавеющей стали или из коррозионно-устойчивой стали и выполняют функцию взрывных клапанов.
Накладные крышки выполняются с возможностью их перемещения относительно корпуса в параллельных им плоскостях и соединены с корпусом посредством шпилек, оснащенных пружинным механизмом.
Кроме этого, накладные крышки могут быть выполнены с возможностью их открывания наружу вращением относительно корпуса за счет их соединения с верхней частью каркаса посредством петель.
В частности, корпус может иметь форму куба.
Дроссельная заслонка представляет собой прямоугольник, который поделен на две части осью вращения. Площадь прямоугольника выбрана не больше суммарной площади двух поверхностей куба, и выступает за периметр фронтальной поверхности корпуса вверх. При этом ось вращения дроссельной заслонки является верхним фронтальным ребром корпуса (или каркаса). Заслонка вкладывается внутрь прибора и крепится осью вращения к прибору. Ось вращения дроссельной заслонки является верхним фронтальным ребром корпуса стабилизатора. Нижняя часть заслонки расположена внутри прибора, верхняя часть заслонки - выше подвесной оси, находится снаружи прибора. Дроссельная заслонка открывается внутрь прибора.
Заслонка оснащается гасителем импульсов, прикрепленным с одной стороны к наружной части дроссельной заслонки, с другой стороны - к верхней поверхности корпуса стабилизатора, что делает возможным применение прибора в системах дымоудаления мощных промышленных котельных комплексов. Гаситель импульсов может быть - гидравлическим поршневым гидрогасителем импульсов, также может использоваться пневматический или гидропневматический гасители импульсов.
Для обеспечения эффективного решения проблемы избыточного отрицательного давления дроссельная заслонка дополнительно может быть оборудована регуляторами производительности.
Накладной фланец имеет сквозное отверстие круглой формы, диаметр которого равен кругу, вписанному в прямоугольник тыльной стороны корпуса.
Накладной фланец стабилизатора прикрепляется (приваривается) снаружи к тыльной поверхности прибора. Фланец может быть оснащен прорезями (продольными отверстиями) для крепления и отцентровки крепления стабилизатора.
Размеры и производительность прибора рассчитываются исходя из параметров систем удаления продуктов сгорания и котельного оборудования.
Конкретное исполнение патентуемой полезной модели приведено на фигурах.
На фигуре 1 изображен стабилизатор, боковые крышки которого соединены с корпусом посредством петель;
На фигуре 2 - стабилизатор, боковые крышки которого соединены с корпусом посредством шпилек, оснащенных пружинным механизмом;
A
На фигуре 3 - график зависимости теплопотерь с дымовыми газами (q) от величины тяги в системах дымоудаления.
Стабилизатор, изображенный на фигуре 1 содержит корпус 1, дроссельную заслонку 2, регулятор 3 точной настройки производительности работы дроссельной заслонки, регулятор 4 производительности работы дроссельной заслонки, крепление 5 гидравлического гасителя к дроссельной заслонке (посредством, например, кронштейна, на фигуре не показан), гидропневматический гаситель импульсов 6, кронштейн 7 крепления гидропневматического гасителя 6 к верхней поверхности корпуса стабилизатора, верхнюю поверхность 8, накладной фланец 9, петли 10 крепления накладных крышек к верхней поверхности корпуса, накладные крышки 11, нижнюю поверхность 12, ось дроссельной заслонки 13.
Стабилизатор, изображенный на фигуре 2, содержит также как и стабилизатор по фигуре 1, корпус 14, дроссельную заслонку 15, регулятор 16 точной настройки производительности работы дроссельной заслонки, регулятор 17 производительности работы дроссельной заслонки, крепление 18 гидравлического гасителя к дроссельной заслонке (посредством, например, кронштейна, на фигуре не показан), гидропневматический гаситель импульсов 19, кронштейн 20 крепления гидропневматического гасителя 19 к верхней поверхности корпуса стабилизатора, верхнюю поверхность 21, накладной фланец 22, четыре пары шпилек 23 с пружинами (пружинно-возвратный механизм 24), гайками 25, шайбами 26, накладные крышки 27, нижнюю поверхность 28, ось дроссельной заслонки 29.
Стабилизатор крепится посредством сварки или посредством болтового соединения к дымоходу или газоходу внутри котельной, и работает следующим образом.
При возникновении избыточного положительного давления в дымоходе накладные крышки (взрывные клапаны) либо открываются вверх наружу, совершая вращательное движение относительно корпуса посредствам петель, либо открываются наружу, перемещаясь в параллельной им плоскости вдоль шпилек.
При исчезновении избыточного положительного давления накладные крышки закрываются либо за счет силы тяжести (в случае выполнения их крепления с помощью петель, фиг.1), либо за счет пружинно-возвратного механизма (в случае выполнения крепления на шпильках).
Гидравлический гаситель крепится к дроссельной заслонке посредством кронштейна аналогичного по конструкции кронштейну крепления гидравлического гасителя к верхней крышке прибора.
Дроссельная заслонка поддерживает отрицательное давление константного значения в системе дымоудаления. Дроссельная заслонка, расположена на внешней части прибора, прикрепленного к дымоходу (или газоходу), и находится на границе между отрицательным значением давления в полости дымохода и «нейтральным» (условно атмосферным) давлением в котельной. Заданное регуляторами производительности прибора «значение» соответствует величине отрицательного давления (разрежения) на патрубке котла рекомендованной производителем котла. При увеличении разрежения (увеличении отрицательного давления) заслонка открывается вовнутрь, впуская воздух из помещения котельной, тем самым снижает величину отрицательного давления до заданного регулировками прибора параметра.
Регулятор производительности работы дроссельной заслонки - предназначен для заводских настроек заслонки. Регулятором точной настройки производительности работы дроссельной заслонки устанавливается значение, обеспечивающее разрежение на дымоходном патрубке котла соответствующее рекомендациям производителя котельного оборудования (котлов).
Для полного сжигания, поступающего на горелочное устройство котла топлива необходимо определенное количество кислорода (воздуха). Чрезмерно высокое разрежение на патрубке котла создает приток избыточного (не участвующего в процессе горения) воздуха, что приводит к теплопотерям, происходящим с выбросом дымовых газов в атмосферу (теплопотерям с дымовыми газами). Экономия расхода топлива в котельных комплексах осуществляется за счет снижения тепловых потерь путем снижения коэффициента (количества) избыточного воздуха, не участвующего в процессе горения.
Теоретические расчеты, основанные на зависимости теплопотерь (соответственно перерасхода топлива при поддержании заданных значений теплопроизводительности) от разницы температур дымовых газов и атмосферного воздуха, и применяемых нормативах при проектировании систем дымоудаления котельных комплексов, показали, что стабилизация разряжения (тяги) на патрубке котла в пределах величин близких к параметрам заданным производителем котла, дает положительный экономический эффект - экономию топливных ресурсов. Величина экономии зависит от мощности котла, параметров системы дымоудаления (диаметра и протяженности газохода, дымохода, диаметра и высоты дымоходной трубы, и т.д.) и погодных условий (температура воздуха, величина перепадов дневных и ночных температур, и т.д.) в которых эксплуатируется котельный комплекс.
Расчет теплопотерь происходящих с выбросом дымовых газов в атмосферу производится следующим образом (на основе формул Зигерта):
2
Формула, использующая показатели содержания углекислого газа (СO) в дымоходных газах, в процентах.
2
Формула использующая показатели содержания кислорода (O) в дымоходных газах, в процентах.
q<sub>A</sub>
Теплопотери с дымовыми газами, [%]
θ<sub>A</sub>
Температура дымовых газов, [°С]
θ<sub>L</sub>
Температура воздуха подводимого к горелке, [°С]
A1, А2, В
коэффициенты расчетов по видам топлива (Зигерт)
Природный газ
Пропан
Дизель
A1
0,37
0,42
0,50
A2
0,66
0,63
0,68
В
0,009
0,008
0,007
Фактический КПД котлов (котельных и ТЭС) равен 100%-Од
2
2
Измерения показаний углекислого газа (СO), кислорода (О) и других газов содержащихся в дымовых газах производятся анализаторами дымовых газов, например такими как, «Система анализа дымовых газов testo 330» (www.testo.ru) и другими приборами сертифицированными в России.
2
2
A
Как видно из графика, приведенного на фигуре 3, процентное содержание углекислого газа (СО), и кислорода (О) имеет обратно пропорциональную зависимость, и процентное содержание того или иного исследуемого газа показывает величину тепловых потерь с отходящими дымовыми газами (q).
Из графика также видно, что значение ф» растет с увеличением коэффициента избытка воздуха, т.е. с увеличением объема воздуха проходящего через горелочное устройство котла. Увеличение объема воздуха проходящего через горелочное устройство и полость котла, напрямую связано с увеличением тяги дымохода.
A
Таким образом, как следует из графика, с увеличением избыточной тяги в системе дымоудаления увеличивается коэффициент избытка воздуха, и увеличиваются потери с отходящими дымовыми газами (q).
Оптимизация тяги (снижение избыточной тяги) в системе дымоудаления снижает потери с дымовыми газами, и, соответственно, перерасход топлива при поддержании заданных значений теплопроизводительности котельного комплекса.
Конструктивными особенностями патентуемого стабилизатора являются:
- Оригинальное и технически безопасное решение проблемы «гидравлического удара Жуковского», возникающего в системах удаления продуктов сгорания (в газоходах и дымоходных трубах) - быстрое изменение скорости потока газа (продуктов сгорания) в трубе за малый промежуток времени приводит к резкому скачку давления. При запуске котла скачки положительного давления вызывают хлопок или взрыв. При внезапном отключении горелочного устройства (быстрое закрытие воздушного клапана, технический дефект или сбой питания) скачки избыточного отрицательного давления разрушают (сминают вовнутрь) элементы систем дымоудаления и могут привести к повреждению котельного оборудования.
- Взрывные клапаны (накладные крышки) - многократного действия, конструкция которых эффективна и технически безопасна.
- Предложенное конструктивное решение стабилизатора позволяет эффективно решать одновременно проблемы избыточного положительного и избыточного отрицательного давления в системах удаления продуктов сгорания (в газоходах и дымоходных трубах).
- Стабилизаторы могут выполняться различных типоразмеров и разной производительности в зависимости от параметров систем дымоудаления и от мощности котельного оборудования, и могут применятся в промышленных котельных и энергетических установках, принцип работы которых основан на получении энергии вследствие сжигания топлива, в которых дымоходная труба выполняет функцию вытяжного вентилятора в системе удаления продуктов сгорания.