ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Предлагаемая полезная модель водогрейного котла, работающего на твердом топливе, относится к теплоэнергетике и может найти применение как часть котельной малой мощности, используемой для отопления зданий, помещений, частных домов.
Известны водогрейные котлы, работающие на твердом топливе, содержащие корпус, засыпной бункер для топлива, топочную камеру с механизмами подачи воздуха, воздушно-газовый проход с расположенным в нем теплообменником, механизмы удаления золы и пыли (патенты РФ №2412400, F24B 1/183, №2363888, F24B 1/183). Конструкции известных водогрейных котлов решают задачу более полного сгорания топлива в воздушной среде и позволяют реже производить загрузку засыпных бункеров топливом. Известные аналоги не предполагают механизацию процессов загрузки и выгрузки топлива, что особенно важно при отоплении частных домов, потребляющих за отопительный сезон 10-15 тонн угля и требуют постоянного наблюдения за работой котла.
Известны водогрейные котлы, снабженные системами управления процессом горения, включающими датчик температуры теплоносителя, подающим сигнал на включение или отключение горелки, например по патенту РФ №2452906, F24H 1/08 или снабженные электронным контроллером, который поддерживает заданную температуру теплоносителя, управляет подачей угля и подачей воздуха поддува, например, по патентам РФ №104668 и №2451239, F23B 40/00.
Из известных аналогов наиболее близок к заявляемому автоматизированный угольный котел, описанный в патенте РФ №2451239, F23B40/00, который включает систему подачи топлива из бункера шнековым конвейером, камеру сгорания (топку), снабженную горелкой и устройством подачи воздуха, включающим две трубки наддува, соединенные с вентилятором, расположенную над топкой камеру дожигания с фильтрами и огнеупорными трубками подачи вторичного воздуха, теплообменник, расположенный над камерой дожигания, зольник а также блок автоматизации, включающий контроллер, датчики температуры, датчики протока, аварийные датчики, газоанализатор.
К недостаткам прототипа, представляющим собой промышленный котел большой мощности, относится сложность конструкции котла, значительные размеры и металлоемкость которого увеличиваются вследствие последовательного вертикального расположения топки, камеры дожигания и теплообменника с фильтрами, к тому же использование промышленного контроллера увеличивает стоимость оборудования и усложняет процесс управления работой котла.
Задача заявителя - создание котла малой мощности, пригодного для малоэтажного строительства, сочетающего достоинства известных аналогов, обеспечивающих высокий КПД (полное сгорание топлива) и автоматизацию процесса горения.
Технический результат заключается в упрощении конструкции при сохранении высокого КПД устройства.
Технический результат достигается тем, что в водогрейном котле, включающем систему подачи топлива из бункера шнековым конвейером в камеру сгорания, снабженную горелкой и устройством подачи воздуха, теплообменник, систему удаления продуктов сгорания, систему автоматизации, согласно предлагаемой полезной модели, в камере сгорания установлен радиационный теплообменник со спиральной поверхностью, при этом устройство подачи воздуха включает патрубок первичного дутья, подведенный к горелке, и патрубок вторичного дутья, установленный в камере сгорания тангенциально, с возможностью изменения угла наклона относительно оси топки, параллельно камере сгорания установлен конвекционный теплообменник, соединенный с камерой сгорания дымовым каналом, соединенным с дымососом и с циклонным пылеуловителем, при этом система автоматизации выполнена в виде ЭВМ, аналого-цифровых преобразователей показателей датчиков технологических параметров, ШИМ-преобразователей, контроллера 1-Wire с ключами и ведущим устройством сети.
Путь прохождения дымовых газов регулируется за счет изменения угла наклона патрубка вторичного дутья, чем ниже он наклонен по отношению к основанию камеры, тем более плотную спираль проходит выходящий из него воздух, а чем больше угол наклона, тем спиральная траектория реже, содержит меньше витков, следовательно, путь воздуха короче, время пребывания газа в топке меньше.
x
Благодаря наклонному патрубку вторичного дутья происходит интенсификация циркуляции частиц газообразного и пылевидного топлива, что способствует более полному сжиганию топлива. Это же позволяет уловить значительную часть тяжелых фракций золы уноса, что снижает нагрузку и требования к циклонному пылеуловителю на выходе котла, уменьшает запыление поверхностей конвективного и радиационного теплообменников. Кроме того, снижаются требования к топливу по влажности, зольности и выходу летучих веществ, а это позволяет сжигать различные марки топлива с сохранением эффективности и без изменения конструкции котла. Появляется дополнительная гибкость в разделении процессов возгонки летучих, горения кокса и газов, это позволяет снизить температуры зон горения, время пребывания горючих веществ в топке, коэффициент избытка воздуха и, как следствие, резко снизить образование и выброс токсичных газов (NO, CO). Наличие конвекционного теплообменника осуществляет дополнительный съем тепла.
Котел управляется ЭВМ, что дает дополнительные потребительские преимущества:
а. Низкую стоимость вычислительного оборудования по сравнению с промышленным контроллером;
b. Легко изменяемую программу управления по сравнению с промышленным контроллером;
с. Привычный пользовательский интерфейс (операционная система, графические и звуковые события, веб-браузер, управление котлом через Интернет и т.п.)
Скорость подачи топлива и воздуха вычисляются ЭВМ в зависимости от заданной марки топлива, температуры дыма, топки и циркулирующей воды, режима котла. Это исключает необходимость контроля со стороны человека, обеспечивает высокую эффективность сжигания топлива все время работы.
На чертеже показан общий вид котла в плане.
Водогрейный котел состоит из камеры сгорания с коническим сводом 1, дымовой канал 2 соединяет камеру сгорания 1 с конвекционным теплообменником 3. Дымовой канал 2 снабжен патрубком 4 к дымососу котла (на чертеже не показан). К камере сгорания 1 топливо из бункера большой емкости, расположенного за пределами котла, подводится с помощью шнекового конвейера 5. Остатки золы после прохождения дымовых газов через теплообменник 3 выносится с помощью зольного шнека 6, пыль улавливается циклонным пылеуловителем 7 с патрубком 8 к транспортеру зольного бункера большой емкости, расположенного вне котла (на чертеже не показан). Камера сгорания 1 снабжена патрубком вторичного дутья 9, установленного тангенциально, с возможностью изменения угла наклона, зольным шнеком 10, для удаления основной массы золы в бункер, горелкой ретортного типа 11 с подведенным к ней патрубком первичного поддува 12. В корпусе камеры сгорания предусмотрена смотровая дверца 13, основную тепловую энергию собирает спиральная поверхность радиационного теплообменника 14. Стенки котла имеют внутренний высокотемпературный теплоизоляционный слой из огнеупорного материала (например, шамот) 15 и наружный низкотемпературный слой теплоизоляции 16.
Описание системы автоматизации (ЭВМ): ключевая технология взаимодействия исполнительных устройств и ЭВМ - технология 1-Wire компании Dallas Semiconductor. Она позволяет создавать разветвленную сеть исполняющих электронных устройств, управляемых программно через ЭВМ. Одно из преимуществ технологии - дешевизна компонентой базы. Кроме того - простота управления сетью, доступная даже неспециалисту. Состав системы управления приводится ниже.
Система автоматизации включает:
- Датчики технологических параметров:
- температуры холодной и горячей воды (на входе и выходе водяного контура), температуры дымовых газов после теплообменников -
- давления воды (на выходе водяного контура) -
- термопара (в топке)
- термостат
- наличия разрежения дымовых газов (в дымоходе)
2
- датчики СО и О
- Управляющие электронные устройства на базе технологии 1-Wire:
- ведущее устройство
- ведомые аналого-цифровые преобразователи (для датчиков давления, разрежения, газоанализатора и термопары)
- ведомые электронные ключи (для переключения скоростей электродвигателей дутья, включения/выключения приводов шнеков, дымососа и привода патрубка вторичного дутья)
1
- ШИМ-преобразователи (для изменения скоростей электродвигателей дутья)
- Управляющую программу:
- многопоточная программа-служба, не имеющая собственного интерфейса работающая в фоновом режиме (рассчитывает параметры дутья, скорость подачи топлива, расход топлива, утилизированное тепло и др.). Может быть написана на любом высокоуровневом языке, например, на C++, python.
- web-приложение, осуществляющее взаимодействие пользователя с основной программой-службой.
Работа котла осуществляется следующим образом.
Перед началом работы котел посредством патрубков присоединяют к шнековому конвейеру подвода топлива 5, воздуха 9 и 12; отвода продуктов сгорания: золы 6, 8, 10 и дыма 4; и отопления: к теплообменникам 3, 14 (на чертеже подводящие/отводящие водяные патрубки не изображены). Система отопления должна быть водяная, закрытая. Для запуска котла необходимо подать топливо из внешнего бункера (на чертеже не изображен) к горелке 11, воздух в патрубки 9, 12, зажечь топливо через открытую дверцу 13. После воспламенения топлива дверцу 13 закрыть. Далее процесс в автоматическом режиме (под управлением ЭВМ) идет следующим образом.
Газообразные продукты сгорания топлива, поднимаясь вверх и далее в дымовой канал 2, отдают свое тепло циркулирующей в теплообменниках 3, 14 воде. В теплообменнике 3 происходит преимущественно конвекционная теплопередача, а в 14 - конвекционная и радиационная. Миновав теплообменник 3, охлажденные до 150-200°С дымовые газы направляются в циклонный пылеуловитель 7 для осаждения мелкой пылевидной золы (до 50 мкм) и далее выводятся в атмосферу через дымовую трубу, присоединенной к патрубку 4 через дымосос (на чертеже не изображен). Давление и скорость первичного и вторичного дутьевого воздуха, а так же дымососа подбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточное количество воздуха для химически полного окисления топлива, скорость для эффективного осаждения пыли в циклонном пылеуловителе 7, время пребывания дымовых газов в камере сгорания 1 и дымовом канале 2. Время также регулируется углом наклона тангенциального патрубка вторичного дутья 9 относительно оси камеры сгорания.
Твердые продукты сгорания топлива выводятся из котла зольными шнеками 6, 10 во внешний бункер (на схеме не изображен). Туда же через пневматический рукав, присоединенный к патрубку 8, периодически выводится мелкая зола уноса, осажденная циклоном 7.
Котел имеет малую массу и при низкой мощности (до 50кВт) не требует специально подготовленного основания, может устанавливаться даже на деревянном межэтажном перекрытии;
Вынесенные за пределы котла шумные механизмы электропривода шнеков, вентиляторов и малые габариты позволяют значительно снизить общий уровень громкости звука, исходящего от него. Это дает возможность устанавливать котлы низкой мощности (например, 20кВт) в жилых помещениях (а не только в котельных, подвалах, пристройках или на улице), если придать им приятный внешний вид.