ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ С ВЕРХНЕЙ ЗАГРУЗКОЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к теплоэнергетике, может быть использована в отопительных системах, производящих в качестве продукта-теплоносителя горячую воду или любой другой жидкий теплоноситель, и направлена на уменьшение габаритов отопительного котла, удешевление его конструкции, снижение материалоемкости и упрощение технологии изготовления.
Установка автономного теплоснабжения является оптимальным решением проблемы снижения затрат на отопление и горячее водоснабжение в небольших, удаленных поселениях и отдельно расположенных производственных помещениях, позволяя избежать ежегодных ремонтов и обслуживания изношенных теплотрасс, а также потерь тепла в них, иногда превышающих 30% передаваемого тепла.
Известно техническое решение, в котором отопительный котел, содержащий цилиндрический корпус с расположенной по его оси камерой сгорания, образующей с корпусом кольцевую водяную рубашку, снабженную патрубками подвода и отвода воды, колосник и зольник с отверстиями для подачи воздуха, а также установленное в камере сгорания дополнительное топочное устройство, выполненное в виде вертикальной топливной трубы, отличающееся тем, что под трубой, соосно с ней, на колоснике установлен конус с диаметром основания, равным диаметру топливной трубы, и углом при основании примерно равным углу естественного откоса топлива, а величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы определяется соотношением  где h - величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы; Dk - диаметр камеры сгорания; Dt - диаметр топливной трубы; α - угол естественного откоса топлива. Как вариант топочная труба может быть снабжена водяной рубашкой, соединенной посредством патрубков с водяной рубашкой корпуса (патент на изобретение №2222754 РФ, МПК F24H 1/08, 2001).
Известное решение имеет следующие недостатки:
- при использовании конуса нижний подвод воздуха может быть осуществлен только через относительно небольшую площадь колосниковой решетки, имеющей форму кольца, ограниченного внутренней стенкой корпуса котла и конусом, что мешает равномерному распределению воздуха;
- углы естественного откоса различных топлив и даже одного и того же топлива при разных влажности и крупности могут различаться в несколько раз, что при жестко заданных параметрах конуса приведет к ухудшению или даже полному прекращению схода топлива в зону горения и, как следствие, самопроизвольному прекращению работы отопительного котла;
k
t
- наличие конуса вынуждает ограничить максимальный размер кусков используемого топлива, которые должны преодолеть зазор между колосником и нижней кромкой топливной трубы, определяемый соотношением . Известно, для исключения механического заклинивания щели сыпучим материалом ее ширина должна превышать максимальный размер кусков не менее, чем в четыре раза. Поэтому используемая конструкция позволяет использовать твердое топливо с максимальным размером кусков не более . Например, при D, равном 800 мм, D, равном 400 мм и α, равном 40 град. максимальный размер кусков топлива должен составлять не более 42 мм. Это означает, например, что вместо рядового (несортированного) угля, максимальный размер кусков которого при открытой добыче составляет 300 мм, а при подземной 200 мм, придется использовать сортированный, что удорожит эксплуатационные характеристики котла;
- сложность удаления золы из зоны горения через неподвижный колосник в нижерасположенный зольник;
- сложность изготовления конуса, приводящая к увеличению стоимости агрегата;
- невозможность защиты конуса от высоких температур, приводящая к необходимости использовать дорогие термоустойчивые материалы либо периодически (не реже одного раза в год) осуществлять ремонт либо замену конуса.
k
t
max
t
Наиболее близким из известных технических решений к описываемому является отопительный котел (патент на изобретение №2357156 РФ, МПК F24H 1/08, 2008), содержащий колосник, зольник, цилиндрический корпус с расположенной по его оси топливной трубой, образующей с корпусом кольцевую водяную рубашку, снабженную патрубками подвода и отвода воды, патрубком подачи воздуха, установленное в камере сгорания дополнительное топочное устройство выполнено в виде вертикальной топливной трубы соосно с которой над зольником расположен круглый колосник с диаметром, равным диаметру внутренней поверхности цилиндрического корпуса, представляющий собой два разрезанных по диаметру полукруга, имеющих свободу перемещения, достигаемого путем вращения колосников вдоль осей, проходящих через центр тяжести колосника, расположенных параллельно оси разреза таким образом, что длина дуги L, отсекаемая осью, связана с размерами колосника соотношением , где, r - радиус внутренней поверхности цилиндрического корпуса, на угол, равный ±10 градусов относительно горизонтали, а величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы определяется максимальным значением угла естественного откоса топлива с учетом минимально допустимой толщины слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, то есть соотношением  где h - величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы; D - диаметр цилиндрического корпуса; D - диаметр топливной трубы; α - максимальный угол естественного откоса топлива для данного региона, Н - минимально допустимая толщина слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, составляющая не менее D/4.
Недостатками наиболее близкого из известных технических решений являются: относительно высокие материалоемкость и трудоемкость изготовления, что приводит к повышенной стоимости отопительного котла, практически полная невозможность при заданной тепловой мощности варьирования величинами основных элементов конструкции: площадью теплообмена, габаритами или объемом топливной трубы отопительного котла в зависимости от задач конкретной практики.
Задачей настоящей полезной модели является снижение материалоемкости и трудоемкости изготовления, увеличение площади поверхности теплообмена и (или) объема топливной трубы, уменьшение габаритов отопительного котла с верхней загрузкой твердого топлива путем изменения конструкции его теплообменного элемента.
k
t
k
t
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном отопительном котле, содержащем колосник, зольник, топливную трубу, цилиндрический корпус с патрубком отвода продуктов горения, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя и крышкой, система теплообмена между горячими продуктами горения и жидким теплоносителем сформирована таким образом, что цилиндрические трубопроводы, по которым отводятся продукты горения, расположены вертикально в один или несколько (2-5) рядов по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве, причем цилиндрические трубопроводы отделены от цилиндрического корпуса и топливной трубы потоком теплоносителя, что для однорядного расположения цилиндрических трубопроводов обеспечивается выполнением соотношений:  и  где D, D и d - диаметры цилиндрического корпуса, топливной трубы и цилиндрического трубопровода, N - количество цилиндрических трубопроводов, для многорядного расположения цилиндрических трубопроводов величина зазоров между цилиндрическими трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой составляет не менее 0,05(D-D), а в зоне горения тепло снимается теплоносителем, циркулирующим в кольцевой рубашке.
k
t
k
t
Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что отсутствуют кольцевые водяные рубашки цилиндрического корпуса и топливной трубы, система теплообмена между горячими продуктами горения и жидким теплоносителем сформирована таким образом, что цилиндрические трубопроводы, по которым отводятся продукты горения, расположены вертикально в один или несколько (2-5) рядов по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве, причем цилиндрические трубопроводы отделены от цилиндрического корпуса и топливной трубы потоком теплоносителя, что для однорядного расположения цилиндрических трубопроводов обеспечивается выполнением соотношений:  и  где D, D и d - диаметры цилиндрического корпуса, топливной трубы и цилиндрического трубопровода, N - количество цилиндрических трубопроводов, для многорядного расположения цилиндрических трубопроводов величина зазоров между цилиндрическими трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой составляет не менее 0,05(D-D), а в зоне горения тепло снимается теплоносителем, циркулирующим в кольцевой рубашке.
a
a
2
При этом трубопроводы для отвода газовых продуктов горения могут иметь не вертикальное, а наклонное расположение (под углом 5-45 градусов к вертикали). Возможно также расположение трубопроводов, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением, например, параболы (z=y+by), где  и b - постоянные величины, или другими уравнениями II и III порядка. На трубопроводах для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности могут быть приварены ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05d-0,5d от внешней поверхности трубопроводов.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели, заключается в существенном снижении габаритов, материалоемкости и трудоемкости изготовления, что приводит к снижению себестоимости изготовления, увеличении площади поверхности теплообмена и (или) объема топливной трубы отопительного котла с верхней загрузкой твердого топлива.
Конструкция отопительного котла с верхней загрузкой твердого топлива. Твердое топливо в топливной трубе под действием силы тяжести поступает на колосник и под углом естественного откоса ссыпается на периферийную часть колосника в зону горения, расположенную между стенками цилиндрического корпуса и топливной трубы, где формируется слой топлива постоянной толщины и происходит основной процесс его сгорания. Поверхность теплообмена между горячими продуктами горения и жидким теплоносителем сформирована таким образом, что цилиндрические трубопроводы, по которым отводятся продукты горения, расположены вертикально по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве, а в зоне горения тепло снимается теплоносителем, циркулирующим в кольцевой рубашке.
a
a
2
При этом трубопроводы для отвода газовых продуктов горения могут иметь не вертикальное, а наклонное расположение. Возможно также расположение трубопроводов, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением, например, параболы (z=у+by), где  и b - постоянные величины, или другими уравнениями II и III порядка. На трубопроводах для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности могут быть приварены ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05d-0,5d от внешней поверхности трубопроводов.
Предложенная конструкция обеспечивает существенное снижение габаритов, материалоемкости и трудоемкости изготовления, что приводит к снижению себестоимости изготовления, увеличение площади поверхности теплообмена и (или) объема топливной трубы отопительного котла с верхней загрузкой твердого топлива.
Отопительный котел состоит (фиг.1) из колосника 1, зольника 2, вертикальной топливной трубы 3, цилиндрического корпуса 4 с патрубком отвода продуктов горения 5, патрубками подвода 6 и отвода 7 жидкого теплоносителя. Корпус сверху закрыт крышкой 8. Поверхность теплообмена между горячими продуктами горения 9 и жидким теплоносителем 10 сформированы таким образом, что цилиндрические трубопроводы 11, по которым отводятся продукты горения, расположены вертикально по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве (сечение А-А), а в зоне горения тепло снимается теплоносителем, циркулирующим в кольцевой рубашке 12.
a
a
2
При этом трубопроводы для отвода газовых продуктов горения могут иметь не вертикальное, а наклонное (под углом α, равным 5-45 градусов, к вертикали) расположение (фиг.2). Возможно также расположение трубопроводов, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением, например, параболы (z=y+by), где  и b - постоянные величины (фиг.3), или другими уравнениями II и III порядка. На трубопроводах для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности могут быть приварены ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05d-0,5d от внешней поверхности трубопроводов (фиг.4).
Осуществление полезной модели. Технический результат полезной модели показан в сравнении с конструкцией отопительного котла наиболее близкого технического решения тепловой мощностью 100 кВт. Из расчетов следует, что при сохранении объема топливной трубы и площади теплообмена полезной модели на уровне соответствующих показателей наиболее близкого технического решения, а, следовательно, и сохранении тепловой мощности, появляется возможность существенно сократить габариты теплообменника отопительного котла: по высоте на 5% и по внешнему диаметру на 12,5%. Это обстоятельство, а также возможность снижения толщины стенок цилиндрических теплообменников до 3,5 мм (по сравнению с толщиной стенок 5 мм теплообменника наиболее близкого технического решения) приводит к существенному уменьшению веса теплообменника - на 12,1% (таблица 1). Для отопительного котла в целом (с учетом веса зольника, одинакового у наиболее близкого технического решения и полезной модели - 280 кг) уменьшение веса составляет 6,5%.
Таблица 1Сравнительная спецификация основных материалов на изготовление теплообменника котла
№ п/п
Наименование
Наиболее близкое техническое решение
Полезная модель
Материалы
Ед.изм.
Кол-во
Кол-во
1.
Лист стальной 5 мм (ст.3СП)
кг
307,8
191,4
2.
Труба ДУ - 15
кг
0,25
0,25
3.
Труба ДУ - 50
кг
1
1
4.
Труба 76×4
кг
2,9
-
5.
Труба 25×3
кг
3
3
6.
Труба 100×4
кг
-
65
7.
Труба дымовая Ф=200 мм
кг
0,3
0,3
8.
Лист стальной 3 мм
кг
2
1,55
9.
Электрод МР - 3
кг
10
6
10.
Электрод МР - 4
кг
26,5
19
ИТОГО:
327,25
287,5
Снижается также трудоемкость изготовления отопительного котла (с 64 до 49 человеко-часов) - на 23,4% и, как следствие, на 7,5% уменьшается себестоимость.
Если в качестве технического результата принимается увеличение объема топливной трубы при сохранении в полезной модели габаритов и площади теплообмена на уровне показателей наиболее близкого технического решения, то объем топливной трубы в полезной модели может быть увеличен в 2,0-2,5 раза по сравнению с топливной трубой наиболее близкого технического решения.
Если в качестве технического результата принимается увеличение площади теплообмена при сохранении в полезной модели габаритов на уровне показателей наиболее близкого технического решения, то площадь теплообмена в полезной модели может быть увеличена на 50% по сравнению с площадью теплообмена наиболее близкого технического решения, причем одновременно с этим на 40-50% может быть увеличен объем топливной трубы.
1
2
1
2
3
2
2
2
Полезной моделью предусмотрено наклонное расположение трубопроводов для отвода газовых продуктов горения. Наклонное расположение трубопроводов, по сравнению с вертикальным, позволяет увеличить площадь теплообмена или уменьшить высоту теплообменника. Линии симметрии всех трубопроводов в этом случае направлены по одному из участков эллипса BAAA. Линия эллипса (фиг.2) образуется пересечением плоскости  и круглой цилиндрической поверхности x+y=R(2), у которой образующие параллельны оси 0z, а направляющей служит окружность BBBB, расположенная в плоскости х0у. Здесь Уравнение искомого эллипса получается путем исключения координаты у из системы уравнений (1) и (2):
k
t
k
t
Для однорядного расположения трубопроводов обеспечивается выполнение соотношений:  и , где D, D и d - диаметры цилиндрического корпуса, топливной трубы и трубопроводов, N - количество трубопроводов, для многорядного расположения трубопроводов величина зазоров между трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой составляет не менее 0,05(D-D).
t
Соотношение площадей теплообмена теплообменников с наклонным расположением трубопроводов и вертикальным расположением цилиндрических трубопроводов для отвода газовых продуктов горения, с достаточной для целей практики точностью будет определяться соотношением длин осей симметрии наклонного трубопровода (l) и высоты теплообменника (h). Длина оси симметрии трубопровода, описываемой уравнением параболы, определяется соотношением  которое решается одним из численных методов. В таблице 2 приводятся расчетные значения увеличения площади теплообмена и уменьшения высоты теплообменника в зависимости от угла наклона трубопроводов к вертикали (α).
Таблица 2Значения увеличения площади теплообмена или уменьшения высоты теплообменника (h<sub>t</sub>) в зависимости от α в относительных величинах по сравнению с соответствующими показателями наиболее близкого технического решения
Угол α, град
10
15
20
25
30
35
40
45
Площадь теплообмена
1,02
1,04
1,06
1,10
1,15
1,22
1,31
1,41
h<sub>t</sub>
0,985
0,966
0,940
0,906
0,866
0,819
0,766
0,707
a
а
2
Полезной моделью предусмотрено расположение трубопроводов для отвода газовых продуктов горения, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением, например, параболы (z=y+by), где  и b - постоянные величины, или другими уравнениями II и III порядка. Такое расположение трубопроводов позволяет при неизменных размерах теплообменника увеличить площадь теплообмена по сравнению с вертикальным расположением цилиндрических трубопроводов и наклонным расположением трубопроводов, или же, сохранив площадь теплообмена, уменьшить высоту теплообменника.
2
2
2
1
2
3
Линии симметрии всех трубопроводов в этом случае направлены по одному из участков пространственной кривой (фиг.3), образующейся пересечением поверхности  и круглой цилиндрической поверхности х+y=R (5), у которой образующие параллельны оси 0z, а направляющей служит окружность BBBB, расположенная в плоскости х0y. Здесь  Уравнение искомого линии получается путем исключения координаты y из системы уравнении (4) и (5):
k
t
k
t
Для однорядного расположения трубопроводов, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением, например, параболы, обеспечивается выполнение соотношений:  и  где D, D и d - диаметры цилиндрического корпуса, топливной трубы и трубопроводов, N - количество трубопроводов, для многорядного расположения трубопроводов величина зазоров между трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой составляет не менее 0,05(D-D).
s
Соотношение площадей теплообмена теплообменников с наклонным расположением трубопроводов и расположением трубопроводов для отвода газовых продуктов горения, имеющих сечение в виде окружности с осью симметрии, описываемой уравнением, например, параболы, с достаточной для целей практики точностью будет определяться соотношением длин осей симметрии наклонного трубопровода (l) и оси симметрии трубопровода, описываемой уравнением параболы (l).
s
Длина оси симметрии наклонного трубопровода определяется из уравнения (3). Длина оси симметрии (l) трубопровода, описываемой уравнением параболы, определяется соотношением  где z(x) принимается по выражению (6), которое решается одним из численных методов.
Выполненные на основании приведенных соотношений вычисления показали, что расположение трубопроводов для отвода газовых продуктов горения, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением, например, параболы, позволяет при неизменных размерах теплообменника увеличить площадь теплообмена по сравнению с наклонным расположением трубопроводов на 6-8%, или же, сохранив площадь теплообмена на уровне теплообменника с наклонным расположением цилиндрических трубопроводов, уменьшить высоту теплообменника 4-5%. Для описания оси симметрии помимо уравнения параболы можно использовать другие уравнения II и III порядка.
Полезной моделью предусмотрена возможность на трубопроводы для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности приваривать ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05d-0,5d от внешней поверхности цилиндрических трубопроводов. Это позволяет увеличить площадь теплообмена отопительного котла. В таблице 3 приведено увеличение площади теплообмена в зависимости от числа приваренных ребер (принято, что ребра выступают 0,1 d от внешней поверхности трубопроводов).
Таблица 3Отношение площади ребер (S<sub>r</sub>) к площади поверхности трубопроводов (S<sub>c</sub>) в зависимости от числа приваренных ребер (n)
n
2
4
6
8
12
16
S<sub>r</sub>/S<sub>c</sub>
0,127
0,255
0,382
0,510
0,764
1,019
Количество ребер отопительного котла может быть выбрано, исходя из конкретных задач.
Котел работает следующим образом. Для розжига топлива на колосник укладывают легковозгораемое топливо, например, щепки, стружки и т.п. После прогрева топливную трубу заполняют твердым топливом. Твердое топливо, загруженное сверху в топливную трубу, располагается на колоснике и под действием силы тяжести под углом естественного откоса поступает на его периферийную часть. Подача воздуха осуществляется из зольника через всю площадь колосника. По мере горения топлива зола из зоны, расположенной под топливной трубой, поступает под действием силы тяжести в зольник. Газы сгорания из этой зоны часть своего тепла передают слою топлива, которое уже подогретым поступает в зону горения, а сами через слой топлива поступают в зону горения, и, смешиваясь с образующимися там газами, отдают тепло жидкому теплоносителю, циркулирующему в кольцевой рубашке, далее эвакуируются из котла через цилиндрические трубопроводы, отдавая тепло жидкому теплоносителю, циркулирующему в межтрубном пространстве.
Отопительный котел имеет КПД 80-82%, температура получаемой горячей воды - 95°С, периодичность обслуживания - один раз в течение 8 до 24 часов в зависимости от качества топлива и погодных условий. Для поддержания наиболее экономичного режима работы системы температуры отходящих газов должна быть в пределах 100-120°С (не более 180°С и не менее 85-90°С).
Конструкция отопительного котла с верхней загрузкой твердого топлива обеспечивает существенное (данные приведены для конкретного агрегата тепловой мощностью 100 кВт) снижение материалоемкости (примерно на 6,5%) и трудоемкости изготовления (23,4%), что приводит к снижению себестоимости его производства на 7,5%. Если в качестве технического результата принимается увеличение объема топливной трубы при сохранении в полезной модели габаритов и площади теплообмена на уровне показателей наиболее близкого технического решения, то объем топливной трубы в полезной модели может быть увеличен в 2,0-2,5 раза по сравнению с топливной трубой наиболее близкого технического решения. Если в качестве технического результата принимается увеличение площади теплообмена при сохранении в полезной модели габаритов на уровне показателей наиболее близкого технического решения, то площадь теплообмена в полезной модели может быть увеличена на 50% по сравнению с площадью теплообмена наиболее близкого технического решения, причем одновременно с этим на 40-50% может быть увеличен объем топливной трубы.
Полезной моделью предусмотрено наклонное расположение трубопроводов для отвода газовых продуктов горения, что по сравнению с вертикальным позволяет увеличить площадь теплообмена (на 2-40%) или уменьшить высоту теплообменника (на 2-29%).
a
а
2
Полезной моделью предусмотрено расположение трубопроводов для отвода газовых продуктов горения, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением, например, параболы (z=y+by), где  и b - постоянные величины, или другими уравнениями II и III порядка. Такое расположение трубопроводов позволяет при неизменных размерах теплообменника увеличить площадь теплообмена (на 6-8%) по сравнению с наклонным расположением цилиндрических трубопроводов, или же, сохранив площадь теплообмена на уровне теплообменника с наклонным расположением цилиндрических трубопроводов, уменьшить высоту теплообменника (на 4-5%).
Полезной моделью предусмотрена возможность на трубопроводы для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности приварены ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05d-0,5d от внешней поверхности трубопроводов. В случае выступления ребер на 0,1d площадь теплообмена отопительного котла увеличивается на 12,7-101,9% при количестве ребер 2-16.