ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ, РАБОТАЮЩИЙ НА ТВЕРДЫХ ВИДАХ ТОПЛИВА, В ОСОБЕННОСТИ, ПОЛУЧАЕМОГО ИЗ БИОМАССЫ

Полезная модель относится к водонагревательный котлу, работающему на твердых видах топлива, в частности, получаемого из возобновляемого источника, такого как древесная стружка.
Из описания полезной модели CZ 12940 U1 известен водонагревательный котел, работающий на твердых видах топлива, в частности, получаемого из биомассы, такого как древесная стружка, который имеет внешнюю оболочку, теплоизоляционный слой и корпус для нагревания воды, имеющий два кожуха с полостью между ними для нагреваемой воды, часть которой представляет собой внутренний полый свод с боковыми стенками, нижних концы которых снабжены распределителями вторичного воздуха, наружными всасывающими отверстиями, поддувалом, отверстие для ручной загрузки топлива, верхнее отверстие для промывания, впускное отверстие для циркулирующей воды и верхнее выпускное отверстие для нагретой воды, при этом внутреннее пространство корпуса поделено таким образом, что оно образует пространство для золы, которое ограничено сверху решеткой из полых колосников, соединенной с полостью корпуса котла, а также пространство рекуперативного горения между решеткой и внутренним полым сводом, пространство наружного сгорания, смежную камеру охлаждения, с которой соединен дымоотвод, снабженный вытяжным вентилятором, при этом пространство рекуперативного горения сообщается с пространством наружного сгорания посредством боковых проходов.
Котлам данного типа отдается предпочтение в современной практике, в особенности, с учетом их характеристик и относительно высокой эффективности сгорания твердых видов топлива.
Однако к разработке современных котлов, работающих на твердом топливе, применяются еще более жесткие требования, в частности, что, касается сведения до минимума количества отработанных газов и снижения в них содержания угарного газа, наряду с все более жесткими требованиями к охране окружающей среды, в особенности, в развитых странах. Данные требования делают еще более необходимым предложить потенциальным потребителям твердого топлива такие котлы, которые способны эффективно и без вреда для окружающей среды сжигать возобновляемое кусковое топливо, такое как древесная стружка, измельченные ветви деревьев и т.д. Помимо этого, ощущается потребность в обеспечении удобной эксплуатации котла.
Задача полезной модели заключается в усовершенствовании водонагревательного котла, работающего на твердом топливе, в особенности, на топливе, получаемом из биомассы, в том, что касается повышения полноты сгорания топлива, в преимущественном уменьшении нежелательных выделений, в повышении уровня комфорта оператора.
Суть технического решения, предложенного для работающего на твердом топливе котла упомянутого типа, состоит в том, что наружные всасывающие впуски распределителей вторичного воздуха снабжены поворотными дроссельными клапанами, регулируемыми нижним шаговым электродвигателем, верхняя часть пространства рекуперативного горения снабжена впускным отверстием для дополнительного вторичного воздуха, при этом наружное всасывающее отверстие имеет перегородку, регулируемую верхним шаговым электродвигателем, между полыми колосниками расположены скользящие чистящие пальцы возвратно-поступательного держателя, который соединен с линейным электромагнитным приводом, а дымоотвод снабжен кислородным датчиком, управляющий нижним и верхним шаговыми электродвигателями.
Что касается повышения полноты сгорания топлива в котле, в предпочтительном варианте осуществления котел снабжен огнеупорными керамическими вкладышами, которые помещаются в боковых проходах, проходящих через внутренние стенки корпуса котла напротив распределителей вторичного воздуха.
Надежная работа дроссельных клапанов, т.е. регулирование вторичного воздуха может быть обеспечена предпочтительно за счет относительно простой, занимающей небольшое пространство конструкции, в которой дроссельные клапаны образуют систему из двух пар дроссельных клапанов, каждая из которых имеет передний поворотный дроссельный клапан и задний поворотный дроссельный клапан, расположенные на общем валу, при этом общий вал первой пары дроссельных клапанов расположен в верхней части полости первого распределителя вторичного воздуха, второй общий вал второй пары расположен в верхней части полости второго распределителя вторичного воздуха, а задние поворотные дроссельные клапаны соединены с тягой, которая при помощи несущего элемента входит в контакт с нижним шаговым электродвигателем.
В варианте осуществления, относящемся преимущественно к повышению удобства работы для пользователя, на задней стенке корпуса котла предусмотрен загрузочный патрубок, достигающий верхней части пространства рекуперативного горения, при этом упомянутый патрубок соединен с автоматическим устройством подачи твердого топлива с червячным механизмом подачи, приводным электродвигателем, бункером с крышкой, а корпус котла снабжен по меньшей мере одним лазерным датчиком, определяющим
верхнюю границу топлива в пространстве рекуперативного горения и управляющим электродвигателем, приводящим в действие червячный механизм 91 подачи.
Высокая надежность лазерного датчика обеспечена в варианте осуществления, в котором лазерный датчик включает лазерный передатчик с патрубком, соединенным с одной из сторон корпуса котла, а также со смежной боковой стороной внутреннего полого свода, и выходящим в пространство рекуперативного горения, и лазерный приемник с противоположным патрубком, соединенным с другой стороной корпуса котла, а также со второй смежной боковой стороной внутреннего полого свода, и выходящим в пространство рекуперативного горения, при этом лазерный передатчик с патрубком и лазерный приемник с противоположным патрубком имеют общую горизонтальную ось, лазерный приемник управляет электродвигателем, приводящим в действие червячный механизм подачи, а общая ось находится на уровне, который соответствует падающему уровню топлива, сгорающего в пространстве рекуперативного горения, в результате чего возникает необходимость пополнения топлива автоматическим загрузчиком.
Возможен еще один вариант осуществления, обеспечивающий постоянный уровень заполнения топливом пространства рекуперативного горения, а именно, за счет того, что корпус котла снабжен еще одним, верхним лазерным датчиком, общая ось которого находится на уровне, достигнутым топливом в пространстве рекуперативного горения после его заполнения автоматическим загрузчиком.
В другом варианте осуществления впускное отверстие для вторичного воздуха выполнено наклонным и проходит от верха пространства рекуперативного горения в направлении смежной боковой стенки.
Окружность загрузочного отверстия автоматического загрузчика и/или крышки снабжена уплотнением, предотвращающем подсос воздуха в пространство рекуперативного горения.
Патрубок и противоположный патрубок снабжены огнеупорными смотровыми отверстиями на смежных концах для предотвращения возможного ухудшения работы лазерного датчика или датчиков.
Далее техническое решение более подробно рассмотрено на примере приложенных схематических чертежей, на которых, согласно полезной модели:
на фиг.1 показана аксонометрическая проекция водонагревательного котла, работающего на твердых видах топлива, в варианте осуществления с ручной загрузкой топлива, с наглядно представленной угловой частью корпуса котла и изоляционного слоя,
на фиг.2 - аксонометрическая проекция корпуса котла в том же варианте осуществления, что и на фиг.1,
на фиг.3 - компоновка корпуса котла, показанного на фиг.2, но с проиллюстрированной крышкой верхнего промывного отверстия и заслонкой дверцы поддувала,
на фиг.4 - вид корпуса котла в вертикальном разрезе по линии А-А, показанной на фиг.3,
на фиг.5 - вид корпуса котла в вертикальном разрезе по линии В-В, показанной на фиг.3,
на фиг.6 - частично увеличенный вид в разрезе, показанный на фиг.5, с одним видимым боковым проходом и ближайшим прилегающим пространством,
на фиг.7 - аксонометрическая проекция огнеупорного керамического вкладыша, состоящего из двух частей,
на фиг.8 - аксонометрическая проекция системы дроссельных клапанов, регулирующих объем части вторичного воздуха, поступающего в распределители,
на фиг.9 - компоновка корпуса котла с одним лазерным датчиком согласно варианту осуществления с автоматической загрузкой твердого топлива, иллюстрирующая соединение с выходом автоматического загрузчика твердого топлива,
на фиг.10 - вид корпуса котла в вертикальном разрезе по линии С-С, показанной на фиг.9, и соединенного автоматического загрузчика твердого топлива,
на фиг.11 - вид корпуса котла в вертикальном разрезе по линии С-С, показанной на фиг.9,
на фиг.12 - вид корпуса котла, показанного на фиг.9, 10 и 11, в вертикальном разрезе по линии D-D, показанной на фиг.9,
на фиг.13 - вид корпуса котла в вертикальном разрезе по линии D-D, показанной на фиг.9, но согласно варианту осуществления с двумя сенсорными датчиками,
на фиг.14 - блок-схема, иллюстрирующая соединение элементов управления водонагревательный котла с блоком управления согласно варианту осуществления с автоматической загрузкой топлива, т.е. водонагревательный котла, показанного на фиг.1-8,
на фиг.15 - блок-схема, иллюстрирующая соединение элементов управления водонагревательный котла с блоком управления согласно показанному на фиг.9-13 варианту осуществления с автоматической загрузкой топлива, причем сплошными линиями проиллюстрирован показанный на фиг.9-12 вариант осуществления с одним лазерным датчиком, а пунктирными линиями проиллюстрирован показанный на фиг.13 вариант осуществления с двумя лазерными датчиками, в котором используется дополнительный верхний датчик.
На фиг.1-8 и 14 проиллюстрирован водонагревательный котел согласно варианту осуществления без автоматической загрузки топлива. Данный водонагревательный котел включает корпус 1 с двумя кожухами и полостью 10 для нагретой воды. Частью корпуса 1 является внутренний полый свод 2, соединенный с полостью 10 и имеющий смежные боковые стенки 20, 20'.
Корпус 1 котла имеет наружную оболочку 11 и теплоизоляционный слой 12.
В корпусе 1 котла имеется поддувало 13, расположенное на его передней стенке и промывное отверстие 13' над ним, отверстие 14 для ручной загрузки и верхнее промывное отверстие 15. В нижней части корпуса 1 котла имеется впускное отверстие 16 для циркулирующей воды, в верхней части - верхнее выпускное отверстие 17 для нагретой воды.
Общая дверца 130 поддувала 13 и промывного отверстия 13' имеет заслонку 131, которой посредством частично проиллюстрированной цепи механизма управления управляет известный термостатический клапан 132, расположенный в верхней части корпуса 1 котла на патрубке 132', и которая служит для ручной установки температуры воды в верхней части полости 10 корпуса 1 котла.
Отверстие 14 для ручной загрузки может быть закрыто дверцей 140, а верхнее промывочное отверстие 15 - винтовой крышкой 150.
Внутреннее пространство корпуса 1 котла поделено таким образом, что оно образует пространство 30 для золы, которое ограничено сверху решеткой из полых колосников 31, соединенной с полостью 10, за счет чего образовано пространство 32 рекуперативного горения между решеткой и внутренним полым сводом 2, и дополнительное пространство 33 наружного сгорания, за которым расположена камера 34 охлаждения и смежный дымоотвод 5, снабженный вытяжным вентилятором 50 с электрическим приводом 51 и выступом 52 для соединения с трубой. Дымоотвод 5 снабжен кислородным датчиком, функция которого более подробно описана далее. Пространство 32 рекуперативного горения сообщается с пространством 33 наружного сгорания посредством боковых проходов 35, 35'. Часть камера 34 охлаждения также представляет собой внутреннее пространство труб 36 известного трубчатого теплообменника 37, расположенного в верхней части корпуса 1 котла.
На смежные боковые стенки 20, 20' опираются распределители части вторичного воздуха, приваренные к их нижним концам, в частности, первый распределитель 6 части вторичного воздуха и второй распределитель 6' части вторичного воздуха, и имеющие форму труб, нижние части которых снабжены отверстиями 60, 60' для впуска части вторичного воздуха в боковые проходы 35, 35'. Наружные всасывающие впуски 67, 67'
распределителей 6, 6' части вторичного воздуха, ведущие из корпуса 1 котла и выходящие наружу, снабжены поворотными дросселями, а именно, передними поворотными дросселями 61, 61' и задними поворотными дросселями 62, 62', расположение которых подробно проиллюстрировано на фиг.8.
Данные поворотные дроссели образуют систему из двух пар поворотных дросселей, каждая из которых образована одним из передних поворотных дросселей 61, 61' и одним из задних поворотных дросселей 62, 62' и прикреплена к концу одного из общих валов 63, 63', при этом первый общий вал 63 первой пары поворотных дросселей 61, 62 расположен в верхней части полости распределителя 6 части вторичного воздуха, а второй общий вал 63' второй пары расположен в верхней части полости второго распределителя 6' части вторичного воздуха, а задние поворотные дроссели 62, 62' прикреплены к тяге 64, которая при помощи несущего элемента 65 входит в контакт с нижним шаговых электродвигателем 66.
Соединение тяги 64 с задними поворотными дросселями 62, 62' расположено эксцентрично относительно осей их перемещения, которые совпадают с осями общих валов 63, 63', что обеспечивает регулируемое общее перемещение задних поворотных дросселей 62, 62' и передних поворотных дросселей 61, 61', осуществляемое нижним шаговым электродвигателем 66, снабженным несущим элементом 65, который входит в контакт с тягой 64. В зависимости от величины перемещения также меняется объем части вторичного воздуха, который поступает в наружные всасывающие впуски 67, 67'.
В верхней части пространства 32 рекуперативного горения находится выход 70 впускного отверстия 7 для дополнительного вторичного воздуха с наружным всасывающим отверстием 71, ведущим наружу корпуса 1 котла, при этом наружное всасывающее отверстие 71 снабжено перегородкой, соединенной с верхним шаговым электродвигателем 73, который регулирует объем такой дополнительной части вторичного воздуха. Выход 70 впускного отверстия 7 для дополнительного вторичного воздуха выполнен наклонным и проходит от вершины пространства 32 рекуперативного горения в направлении смежной боковой стенки 20.
Для периодической очистки решетки, в частности, удаления нагара из промежутков между полыми колосниками 31 предусмотрены подвижные чистящие пальцы 80 возвратно-поступательного держателя 8, который соединен с линейным электромагнитным приводом 81, который через определенные интервалы сообщает возвратно-поступательное движение чистящим пальцам 80, удаляющим нежелательный нагар из промежутков между полыми колосниками 31. Для очистки полых колосников 31 сверху предусмотрено промывное отверстие 13'.
С целью предотвращения нежелательного охлаждения пламени относительной холодной водой в боковых проходах 35, 35' на нижних боковых стенках корпуса 1 котла в нижней части полости 10 напротив распределителей 6, 6' части вторичного воздуха помещаются огнеупорные керамические вкладыши 82, 82' с Г-образной формой поперечного сечения и заметно закругленной средней частью. Огнеупорные керамические вкладыши 82, 82' могут состоять из нескольких частей, как это показано на фиг.7.
В предпочтительном варианте осуществления элементы управления описанного водонагревательный котла, включая кислородный датчик 53, соединены с общим блоком управления А, который в том числе включает не проиллюстрированный компьютер, который может быть расположен непосредственно на водогрейном котле или близи него в легкодоступном месте.
В описанном варианте осуществления водонагревательного котла без автоматической загрузки топлива общий блок управления A соединен со следующими элементами управления:
- кислородным датчиком 53, сигнал которого, сообщающий о содержании СО в дымоотводе 5, поступает в упомянутый компьютер,
- нижним шаговым электродвигателем 66 и верхним шаговым электродвигателем 73, управляемыми при помощи компьютерной программы таким образом, чтобы в первый распределитель 6 вторичного воздуха и второй распределитель 6' вторичного воздуха поступал оптимальный объем части вторичного воздуха, а в верхнюю часть пространства 32 рекуперативного горения поступал оптимальный объем дополнительной части вторичного воздуха.
- линейным электромагнитным приводом 81, сообщающим периодическое возвратно-поступательное движение держателю 8 с чистящими пальцами 80 через постоянные или возможно меняющиеся интервалы,
- электрическим приводом 51 вытяжного вентилятора 50 с возможностью его включения и выключения одновременно с включением и выключением не проиллюстрированного главного выключателя или возможно также согласно программе, позволяющей изменять скорость работы вытяжного вентилятора 50.
В процессе горения слоя топлива P на решетке в пространстве 32 рекуперативного горения под внутренним полым сводом 2 в данный слой поступает первичный воздух, объем которого регулируется термостатическим клапаном 132, настроенным оператором водонагревательный котла на необходимую температуру воды и размеры заслонки 131, регулируемые упомянутым термостатическим клапаном 132. По мере протекания данного процесса из слоя топлива Р высвобождается смесь еще не сгоревших летучих веществ в
количестве, которым нельзя пренебречь. Смесь собирается под полым внутренним сводом 2, где происходит ее смешивание с воздухом, поступающим через впускное отверстие 7 для дополнительного вторичного воздуха, количество которого регулирует верхний шаговый электродвигатель 73 за счет изменения положения перегородки 72 в зависимости от сигнала кислородного датчика 53 и компьютерной программы общего блока управления А. Подаваемый таким способом вторичный воздух в значительно мере способствует сгоранию упомянутых остающихся летучих веществ.
За счет тяги, создаваемой вытяжным вентилятором 50 и возможно также трубой, горючая смесь проходит через частично сгоревшее топливо Р, при этом по боковым каналы 35, 35' поступает дополнительная регулируемая часть вторичного воздуха, за счет чего обеспечивается сгорание остаточных несгоревших газов при довольно высокой температуре и их до догорание в пространстве 33 наружного сгорания. Затем нагретые дымы проходят через камеру 34 охлаждения, в которой происходит последующее снижение их температуры, т.е. отдача тепла воде, нагреваемой в верхней части полости 10. Дымы, очищенные от вредных выбросов, поступают в дымоотвод 5, в котором кислородный датчик 53 непрерывно контролирует содержание в них угарного газа, если он присутствует, и в случае его обнаружения передает соответствующий сигнал общему блоку управления А, компьютер которого осуществляет необходимую коррекцию объема вторичного воздуха за счет соответствующей настройки верхнего шагового электродвигателя 73 и нижнего шагового электродвигателя 66.
Впускное отверстие 16 для циркулирующей воды и верхнее выпускное отверстие 17 для нагретой воды соединены с известной не проиллюстрированной системой водяного отопления многоквартирных домов, жилых помещений и т.д., включающей необходимый распределительный трубопровод, радиаторы, измерительные, регулирующие, воздуховыпускные элементы и т.д., включая циркуляционный насос для работы в режиме принудительной циркуляции.
Система регулирования вместе с описанной конструкцией водонагревательный котла в соответствии с предложенным техническим решением облегчает сжигание твердых видов топлива, относящихся к широкому диапазону различных типов биомассы, имеющей разнообразный состав, распределение по размером частиц и режим горения, и одновременно обеспечивает необходимые параметры котла с точки зрения охраны окружающей среды, высокую эффективность и длительный срок службы.
Описанные далее варианты осуществления водонагревательный котла согласно техническому решению с возможностью автоматической загрузки топлива основаны на рассмотренном выше варианте осуществления. Такие решения проиллюстрированы на
фиг.9-13 и 15, на которых показаны варианты осуществления согласно фиг.9-12 на основе одного лазерного датчика и согласно фиг.13 на основе двух лазерных датчиков. Данные варианты осуществления существенно повышают удобство эксплуатации водонагревательный котла, а также рассчитаны на котлы с более высокой производительностью.
Согласно данным вариантам осуществления в верхней части пространства 32 рекуперативного горения на задней стенке корпуса 1 котла находится загрузочной патрубок 320, соединенный с выпускным отверстием 90 автоматического загрузчика сырья 9, который имеет с червячный механизм 91 подачи, электрический привод 92 с коробкой 920 передач и муфтой 921, бункер 93 для твердого топлива с отверстием 930 для заполнения, которое может быть герметично закрыто крышкой 931. Окружность отверстия 930 и/или крышки 931 может быть снабжена уплотнением 932, повышающим герметичность и предотвращающим подсос воздуха. Свободный конец червячного механизма 91 подачи выполнен незначительно выступающим в пространство 32 рекуперативного горения, чтобы предотвратить возможное засорение загрузочного патрубка 320, показанного на фиг.10.
Как показано на фиг.9-12, корпус 1 котла снабжен лазерным датчиком, который определяет заданный уровень заполнения топливом Р пространства 32 рекуперативного горения и управляет электрическим приводом 92, приводящим в действие червячный механизм 91 подачи.
Лазерный датчик включает лазерный передатчик 94 с патрубком 940, соединенным с одной из сторон корпуса 1 котла, а также со смежной боковой стороной 20' внутреннего свода 2, и выходящим в пространство 32 рекуперативного горения, и лазерный приемник 95 с противоположным патрубком 950, соединенным с другой стороной корпуса 1 котла, а также с другой смежной боковой стороной 20 внутреннего полого свода, и выходящим в пространство 32 рекуперативного горения, при этом лазерный передатчик с патрубком и лазерный приемник с противоположным патрубком имеют общую горизонтальную ось X, лазерный приемник 95, как уже упоминалось, управляет электродвигателем, приводящим в действие червячный механизм 91 подачи, а именно, посредством блока управления А.
Общая горизонтальная ось Х находится на уровне, ниже которого опускается верхняя граница горящего слоя топлива Р в пространстве 32 рекуперативного горения в тот момент, когда необходимо пополнить пространство 32 рекуперативного горения свежим топливом при помощи автоматического загрузчика 9 твердого топлива.
С целью предотвращения образования нежелательного нагара и обеспечения надежной работы описанного лазерного датчика патрубок 940 и противоположный
патрубок 950 снабжены на своих смежных концах огнеупорными смотровыми отверстиями 941 и 951.
Лазерный передатчик 94 и лазерный приемник 95 соединены с блоком управления А. В процессе работы водонагревательный котла лазерный передатчик 94 генерирует лазерный луч в направлении лазерного приемника 95, и до тех пор, пока в пространстве 32 рекуперативного горения достаточно топлива, лазерный приемник 95 не может реагировать, поскольку топливо Р препятствует попаданию лазерного луча в лазерный приемник 95. Как только уровень топлива Р в результате его сгорания упадет ниже уровня общей горизонтальной оси X, лазерный приемник 95 примет лазерный луч лазерного передатчика 94 и передаст сигнал блоку управления А, который приведет в действие электрический привод 92, после чего червячный механизм 91 подачи начнет подачу топлива из бункера 93 для твердого топлива в пространство 32 рекуперативного горения и заполнит его топливом. Время работы электрического привода 92 заранее рассчитано эмпирическим путем таким образом, чтобы предотвратить переполнение пространства 32 рекуперативного горения топливом. При повторном падении уровня топлива Р в пространстве 32 рекуперативного горения ниже уровня общей горизонтальной оси Х будет повторно приведен в действие процесс автоматического пополнения топливом. Чтобы полостью исключить возможность ложных сигналов, принимаемых лазерным приемником 95, лазерный сигнал может быть закодирован, что, однако, как оказалось, не требуется.
На фиг.12 показано состояние, предшествующее падению уровня топлива в пространстве 32 рекуперативного горения ниже уровня общей оси X, т.е. перед началом пополнения котла топливом.
Блок управления А заблокирован закодированным устройством блокировки доступ к которому имеет лишь инженер по обслуживанию, отвечающий за наладку всех рабочих параметров водонагревательный котла. Пользователь лишь включает и выключает термостатический клапан 132 и по мере необходимости удаляет золу из поддувала.
Проиллюстрированный на фиг.13 вариант осуществления отличается от вариантов осуществления согласно фиг.9-12 с одним лазерным датчиком тем, что корпус 1 котла снабжен еще одним таким же расположенным выше лазерным датчиком, имеющим лазерный передатчик 94 и лазерный приемник 95, общая горизонтальная ось Y которых находится на уровне, которого достигает топливо Р в пространстве 32 рекуперативного горения, когда оно полностью заполнено автоматическим загрузчиком 9 твердого топлива. Как показано на фиг.13, работа нижнего лазерного датчика полностью
аналогична работе лазерного датчика в вариантах осуществления согласно фиг.9-12 за единственным отличием, которое состоит в том, что лазерный приемник 95' верхнего лазерного датчика передает свой сигнал после того, как уровень топлива Р, поданного автоматическим загрузчиком 9 твердого топлива, достигнет уровня общей горизонтальной оси Х и, тем самым, прерывает лазерный луч, после чего лазерный приемник 95 вследствие такого прерывания передает соответствующий сигнал блоку управления А, компьютер которого выключает электрический привод 92, останавливая автоматическую подачу топлива.
Техническое решение ни в коей мере не ограничено описанными вариантами осуществления  и допускает другие альтернативные варианты осуществления.
Областью промышленного применения водонагревательного котла согласно предложенному техническому решению является производство водогрейных котлов, работающих на твердых видах топлива, в частности, получаемого из биомассы.