ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ

Отопительный котел относится к теплоэнергетике, в частности, к теплогенераторам, и может быть использован для автономного отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов, промышленных зданий и сооружений.
Известен отопительный котел, содержащий изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с газовыми горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для воды, а также коллектор дымовых газов (см. патент WO 93/05347, 18.03.1993).
2
Недостатком такого котла является относительно большой расход топлива на единицу получаемой теплоты, а также повышенное содержание окиси углерода и окислов азота (NO и NO) в составе продуктов сгорания.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности отопительного котла и снижение вредного воздействия продуктов сгорания.
Такой технический результат достигается тем, что отопительный котел, содержащий изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с газовыми горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для воды, а также коллектор дымовых газов, отличающийся тем, что дополнительно оснащен термоэлектрическими преобразователями в виде батареи термопар, размещенных в топочной камере между газовыми горелками и теплообменником, выход которых через инвертор напряжения связан с электродвигателем нагнетающего насоса и озонатором, соединенным посредством воздуховода через нагнетательный насос с топочной камерой.
На фиг.1 представлен разрез отопительного котла.
Отопительный котел содержит изолированный корпус 1, включающий размещенные в нижней части топочную камеру 2 с газовыми горелками 3, над которыми расположен теплообменник 4, выполненный из совокупности труб из меди или медно-никелевого сплава с отражательными пластинами 5 и подключенный ко входу 6 и выходу 7 для воды, а также коллектор дымовых газов 8 с выходным отверстием 9. В топочной камере 2 между газовыми горелками 3 и теплообменником 4 размещены термоэлектрические преобразователи 10 в виде батареи термопар. Выход термоэлектрических преобразователей 10 через инвертор 11 напряжения связан с электродвигателем 12 нагнетающего насоса 13 и озонатором 14. Озонатор 14 посредством воздуховода 15 через нагнетающий насос 13 соединен с топочной камерой 2.
Отопительный котел работает следующим образом. Теплоноситель из системы подается внутрь изолированного корпуса котла 1 через вход 6, далее проходит по совокупности труб теплообменника 4, нагревается и выходит через выход 7 к потребителю. Теплообменник 4 выбран малоемкостным (с трубами из меди или медно-никелевого сплава с внутренним диаметром, равным 21-23 мм), и с наружным оребрением, что позволяет эффективно забирать теплоту от теплосодержащих дымовых газов, проходящих от газовых горелок 3 в топочной камере 2 через теплообменник 4 в коллектор 8. Трубы теплообменника 4 покрыты сверху отражательными пластинами 5, создающими завихрение потока дымовых газов, тем самым увеличивая эффективность использования их теплоты. Дымовые газы, отдав теплоту через теплообменник 4 теплоносителю, поступают в коллектор 8, откуда через выходное отверстие 9 выводятся наружу.
Термоэлектрические преобразователи 10, находясь под влиянием разно-температурных сред в топочной камере 2, преобразуют часть тепловой энергии отопительного котла в электрическую энергию. В соответствии с явлением Зеебека на выходе термоэлектрических преобразователей 10 появляется постоянное электрическое напряжение (термоЭДС), которое подводится к инвертору 11 напряжения, где преобразуется в переменное электрическое напряжение. Далее это напряжение подается к электродвигателю 12 нагнетающего насоса 13 и к озонатору 14. В озонаторе 14 происходит озонирование воздуха за счет барьерного разряда. В результате образуется озоно-воздушная смесь, которая нагнетается нагнетающим вентилятором 13, приводимым во вращение электродвигателем 12, в топочную камеру 2. В топочной камере 2 озоно-воздулшая смесь, обладающая повышенными окислительными свойствами, участвует в сжигании газа, интенсифицирует процесс горения и улучшает состав дымовых газов. Таким образом, происходит экономия топлива и улучшение экологических показателей котла.
Теоретическое обоснование положительного влияния озоно-воздушной смеси на процесс горения газа представлено ниже.
Природный газ, поступающий в большинство современных котельных, в объеме одного кубического метра имеет следующий состав:
4
1. CH (метан) - 941,2 л
2
2. H (водород) - 4,4 л
2
3. N (азот) - 24,6 л
2
4
4. CH (этан) - 24,1 л
3
8
5. CH (пропан) - 4,3 л
4
10
6. СH (бутан) - 0,5 л
5
12
7. СH (пентан) - 0,6 л
6
14
8. СH (гексан) - 0,3 л
При полном сгорании природного газа будут происходить следующие химические реакции:
4
2
2
2
1. СН(r)+O=СО(r)+2HO
0
ΔcrH=-802,25 кДж/моль
2
2
2
2. 2Н(r)+O(r)=2HO
0
ΔcrH=-241,812 кДж/моль
2
2
2
3. N(r)+2O(r)=2NO(r)
0
ΔcrH=66 кДж/моль
2
6
2
2
2
4. 2СH(r)=7O(r)=4С0(r)+6НO(r)
0
ΔcrН=-1427?8 кДж/моль
2
5
2
2
2
5 CH(r)+5O(r)=3CO(r)+4HO(r)
0
ΔcrH=-2043,13 кДж/моль
5
12
2
2
2
6. СP(r)+13O(r)=8CO(r)+10HO(r)
0
ΔcrH=-2658,4 кДж/моль
2
12
2
2
2
7. CH(r)+8O(r)=5СO(r)+6H0(r)
0
ΔcrH=-3271,9 кДж/моль
6
14
2
2
2
8. 2СН(r)+19O(r)=12СО(r)+14HO(r)
0
ΔcrH=-3883,7 кДж/кг,
0
где ΔcrH - энтальпия сгорания.
4
Теоретический расчет количества теплоты, выделившегося при полном сгорании 1 куб. метра природного газа, дает величину 35811,154 кДж. Как видно из представленных уравнений реакций при сгорании образуются пары воды, которые вступают в реакцию с метаном и другими газами, особенно при температуре более 600°К. Поскольку в природном газе основным компонентом является метан CH, то становятся возможными следующие реакции:
4
2
2
2
1. CH(r)+2НO(r)=СО(r)=4H(r)
0
1
ΔcrH =+165,6 кДж/моль
4
2
2
2. CH(r)+HO(r)=CO(r)+3H(r)
0
1
ΔcrH =+206,15 кДж/моль
4
2
2
3. CH(r)+CO(r)=2CO(r)+2H(r)
0
1
ΔcrH =+247,35 кДж/моль
4
2
2
4. 2CH(r)+3O(r)=CO(r)+2HO(r)
0
1
ΔcrH =-520 кДж/моль
Первые три режима, как видно, идут с поглощением теплоты (эндотермические), четвертое уравнение представляет процесс неполного сжигания метана до окиси углерода, что ведет к потере 282 кДж/моль теплоты. Итак, неполное сгорание ведет к резкому падению теплоотдачи реакции до 35%. Кроме того, окись углерода относится к особо опасным веществам, загрязняющим окружающую среду.
Исходя из вышесказанного становится очевидным, что для интенсификации процесса горения и создания условий для более полного сгорания природного газа имеется значительный резерв.
0
Согласно уравнению Аррениуса, константа скорости химических превращений определяется температурой T и энергией активации молекул Е:
1
0
0
K=Kexp(-E/RT),
1
где K - константа скорости химических превращений;
0
К- коэффициент, отражающий число всех столкновений реагирующих молекул в единицу времени;
0
exp(-E/RT) - доля общего числа способных к реакции молекул.
Таким образом, чтобы увеличить константу скорости химической реакции в среде, необходимо повысить температуру или понизить энергию активации молекул. Повышение температуры связано со значительными техническими трудностями, поэтому более приемлемым остается второй путь. Известно, что скорость реакций в основном определяется энергией, запасенной на колебательной степени свободы молекулы. В связи с этим необходимо обеспечить условия протекания химических реакций, при которых основная часть подводимой энергии расходуется на колебательное возбуждение молекул. В этом случае образуется неравновесный молекулярный газ, который способствует активизации химических превращений веществ в воздушной среде.
Наиболее просто понизить энергию активизации молекул и получить неравновесный молекулярный газ в воздушной среде можно, создав в ней высоковольтное резко неоднородное электрическое поле. Кроме того, газовые ионы и свободные электроны при соударениях с молекулами топлива изменяют внутреннюю структуру последних. В результате этих изменений молекула топлива переходит в возбужденное состояние, а энергия активации молекул Е снижается.
Одной из типичных реакций в плазме разряда является реакция образования озона. Основную роль при образовании озона играют электронно-возбужденные молекулы кислорода, получающиеся при столкновении молекул с электронами. Под действием энергии электронов молекула кислорода переходит в возбужденное состояние, характеризующееся повышенной реакционной способностью, что и приводит к реакциям образования озона. Озон устраняет период индукции, характерный для окисления насыщенных углеводородов кислородом, причем, окисление углеводородов ускоряется очень малыми количествами озона.
Термически озон начинает заметно разлагаться при 100°С, поэтому при комнатной температуре окисление углеводородов происходит преимущественно при реакции с озоном:
3
2
RH+O⇒RO+HO
2
Тепловой эффект для метана составляет 11,5 ккал/моль. При температуре, превышающей 100°C заметную роль начинает играть атомарный килород, образующийся при распаде озона на О и О. Влияние озона на кинетику окисления углеводородов обусловлено в основном его ролью в инициировании цепной реакции. Эффективная энергия активации окисления углеводородов в присутствии озона значительно снижается, что довольно сильно изменяет условия воспламенения, сдвигая нижний предел воспламенения в сторону более низких температур и давлений. Кроме того, озон ускоряет распространение пламени в смесях углеводородов с воздухом в результате ускорения окислительных реакций.
Таким образом, за счет использования озоно-воздушной смеси при горении органического топлива можно значительно интенсифицировать этот процесс и достичь более полного использования природного газа в отопительных котлах. В конечном итоге это отражается на сокращении расхода газа на 15…20% и уменьшении вредных выбросов в атмосферу.
Рассмотрим эффективность работы заявляемой полезной модели, реализованной на базе серийного отопительного котла тепловой мощности 11,6 кВт. Этот котел в штатном режиме эксплуатации потребляет 1,18 куб.м природного газа в час (или 28,32 куб.м в сутки). Для нормальной работы топочной камеры 2 этого котла в течение суток потребуются 283,2 куб. м осушенного воздуха.
3
Принимая во внимание, что в воздухе обычно содержится 21% кислорода (одна пятая часть), можно заключить, что для горения обозначенного количества природного газа потребуются 59,47 куб. м кислорода. При замене кислорода на озон последнего потребуется значительно меньше, так как окислительные свойства озона заметно превосходят окислительные свойства кислорода. Установлено, что с учетом технологических требований положительный результат влияния озоно-воздушной смеси на сжигание природного газа достигается при добавках 400 мг озона на 1 мгаза. В пересчете на условия нашего примера для работы котла в течение суток понадобятся 0,011 кг озона.
При получении озона на современных электроозонаторах затраты энергии составляют 14…18 кВт ч на один килограмм озона. Таким образом, в нашем примере на работу озонатора 14 в течение суток потребуются 0,2 кВт ч электрической энергии.
Для нагнетания требуемого количества озоно-воздушной смеси в топочную камеру 2 с помощью нагнетающего насоса 13 потребуется электродвигатель 12 мощностью 60…80 Вт. В течение суток для работы электродвигателя 12 будет израсходовано 1,92 кВт ч электрической энергии.
эл'
Итого, на получение и подачу озоно-воздушной смеси в топочную камеру 2 котла в течение суток необходима электрическая энергия в количестве Q=0,2+1,92=2,12 кВт ч. Эта энергия преобразуется термоэлектрическими преобразователями 10 за счет части тепловой энергии, вырабатываемой котлом.
Тепловая энергия, преобразованная в электрическую и направляемая на работу озонатора 14 и электродвигателя 12 нагнетающего вентилятора 13 в течение суток может быть определена в соответствии с выражением:
,
озон
озон
где η - к.п.д. термоэлектрических преобразователей 10, η=0,1.
стат
стат
η - к.п.д. статического преобразователя 11, η=0,97.
тепл
После подстановки численных значений получим: Q=21,9 кВт ч.
В результате работы заявляемой полезной модели сокращается расход природного газа на 15…20%, что в течение суток составит величину 4,5 куб.м. Сэкономленное количество природного газа при его сжигании позволит получить тепловую мощность 1,84 кВт или тепловую энергию в количестве 44,16 кВт ч. в сутки, что вдвое превышает величину тепловой энергии, отобранной у котла на обеспечение работоспособности озонатора 14 и электродвигателя 12 нагнетающего насоса 13. Кроме того, использование заявляемой полезной модели позволяет уменьшить экологический вред продуктов сгорания за счет снижения содержания окиси углерода и окислов азота.