ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ С ВЕРХНЕЙ ПОДАЧЕЙ УГЛЯ В ЗОНУ ГОРЕНИЯ
HEATING BOILER WITH TOP COAL FEED TO COMBUSTION ZONE

Изобретение относится к теплоэнергетике, может быть использовано в отопительных системах, производящих в качестве конечного продукта-теплоносителя горячую воду, и направлено на повышение эффективности отопительного котла, удешевление его конструкции и рациональное использование твердого топлива.
Важной проблемой сохранения жизнедеятельности небольших удаленных поселений является обеспечение их теплом и горячей водой. Аналогичная проблема стоит и перед производственными предприятиями, доля тепла в себестоимости продукции которых может доходить до 10%. При централизованном снабжении теплом потери в теплотрассах, часто сильно изношенных, составляют свыше 30%. Ежегодные ремонты и обслуживание увеличивают стоимость единицы тепла в несколько раз по сравнению с прямыми затратами на его производство. В большинстве случаев установка автономного теплоснабжения является оптимальным решением проблемы снижения затрат на отопление и горячее водоснабжение.
Известно техническое решение, в котором отопительный котел содержит вертикальный цилиндрический корпус с верхней крышкой и огнеупорный воздухонепроницаемый поддон, ограничивающий камеру сгорания в нижней части корпуса. Внутри корпуса установлены две соосные вертикальные трубы. Внутренняя труба снабжена открытым приемником и подает через верхнюю крышку топливо, которое поступает через отверстие над поддоном для питания топливом камеры сгорания. Наружная труба ограничивает внутреннюю поверхность корпуса цилиндрического дымохода для подъема потока горячих газовых продуктов сгорания, а также ограничивает с внутренней стороны цилиндрический проход, окружающий топливную трубу, и имеет входное отверстие на верхней крышке и цилиндрическое выходное отверстие в камере сгорания для подачи потока воздуха из отверстия вниз в камеру сгорания, одновременно изолируя топливную трубу от тепла дымохода. Имеется выходное отверстие для удаления из корпуса газообразных продуктов сгорания. Твердое топливо под действием силы тяжести падает через топливную трубу на поддон для сжигания в камере сгорания, образуя на поддоне коническую кучу горящего топлива и золы. Коническая форма непрерывно поддерживается нисходящим потоком воздуха.
Введена наружная водяная рубашка, окружающая корпус (см. патент США №4836115, кл. F23B 7/00, 1989).
Недостатками известного решения является низкое качество сжигания топлива из-за организации процесса его горения только в поверхностном слое вследствие верхнего подвода воздуха, горение обедненного топлива из-за перемешивания с золой и перекрывания образующейся золой доступа к нижерасположенным слоям материала, а также необходимость использования сложной и ненадежной периодической боковой выгрузки образующейся золы в смеси с недогоревшим материалом, что приводит к низкой экономичности отопительного котла.
Наиболее близким из известных технических решений к описываемому является 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).
К недостаткам данного технического решения относятся следующие:
- 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;
- 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.
Технический результат при использовании настоящего изобретения заключается в повышении надежности и эффективности работы отопительного котла, удешевлении его конструкции и рациональном использовании твердого топлива.
max
Сущность изобретения заключается в том, что в известном отопительном котле, содержащем колосник, зольник, цилиндрический корпус с расположенной по его оси вертикальной топливной трубой, образующей с корпусом кольцевую камеру сгорания, и патрубок подачи воздуха, указанный технический результат достигается тем, что соосно с топливной трубой над зольником расположен круглый колосник с диаметром, равным диаметру внутренней поверхности цилиндрического корпуса, представляющий два разрезанных по диаметру полукруга, поворотных на угол, равный ±10° относительно горизонтали, вокруг осей, проходящих через центр тяжести колосника, расположенных параллельно оси разреза таким образом, что длина дуги L, отсекаемой осью, связана с размерами колосника соотношением , где r - радиус внутренней поверхности цилиндрического корпуса, 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 цилиндрического корпуса; Dt - диаметр топливной трубы; α - максимальный угол естественного откоса топлива, Н - минимально допустимая толщина слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, составляющая не менее Dt/4.
Кроме того, этот результат достигается тем, что топочная труба снабжена водяной рубашкой, соединенной посредством патрубков с водяной рубашкой корпуса.
Диаметр круглого колосника, расположенного над зольником и имеющего форму двух полукругов, разрезанных по диаметру, равен диаметру внутренней поверхности цилиндрического корпуса. Такая конструкция топочного устройства позволяет организовать стабильную подачу топлива в зону горения, расположенную между внутренней стенкой цилиндрического корпуса и внешней стенкой топливной трубы и, как следствие, формировать слой топлива постоянной толщины в зоне горения. Твердое топливо в топливной трубе под действием силы тяжести поступает на колосник и под углом естественного откоса ссыпается на периферийную часть колосника, где и происходит основной процесс сгорания топлива. Для более рационального использования площади колосника, на которой происходит сгорание топлива, необходимо учитывать, что топливо из топливной трубы ссыпается конусообразно с углом конусности, равным углу естественного откоса топлива, поэтому величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы должна быть такой, чтобы топливо полностью покрывало площадь колосника, образуя у стенки слой определенной толщины, что обеспечит определенную газопроницаемость слоя, рациональное распределение подаваемого воздуха и обеспечит полное сгорание топлива. Величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы, диаметр топочной трубы, диаметр цилиндрического корпуса и минимально допустимая толщина слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса связаны определенным соотношением. При этом предложенная конструкция позволяет формировать слой топлива с любыми физико-механическими свойствами (углом естественного откоса). Колосник в форме двух разрезанных по диаметру полукругов позволяет при периодическом перемещении их, достигаемом путем вращения вокруг осей, расположенных с двух сторон разреза, на угол, равный ±10° относительно горизонтали, удалять золу в зольник, расположенный под колосником. Максимальный размер кусков твердого топлива при использовании изобретения ограничен только диаметром топливной трубы.
Предложенная конструкция обеспечивает полноту сгорания топлива, высокую эффективность и надежность работы отопительного котла, существенно облегчает и удешевляет изготовление агрегата.
На чертеже изображен котел в соответствии с заявленным изобретением.
Отопительный котел состоит из зольника 1, цилиндрического корпуса 2 и топливной трубы 3. Между цилиндрическим корпусом 2 и топливной трубой 3, защищенными кольцевыми водяными рубашками 4 и 5, расположена камера сгорания 6. Корпус 2 сверху закрыт крышкой 7. Верхняя часть зольника 1 отделена от цилиндрического корпуса 2 колосником 8, имеющим форму двух разрезанных по диаметру полукругов, перемещаемых на угол, равный ±10° относительно горизонтали, вращением вокруг осей 9, проходящих через центр тяжести колосника 8, расположенных параллельно оси разреза таким образом, что длина дуги L, отсекаемой осью 9, связана с размерами колосника 8 соотношением , где r - радиус внутренней поверхности корпуса 2.
max
Величина зазора между колосником 8 и нижней кромкой топливной трубы 3 определяется максимальным значением угла естественного откоса топлива с учетом минимально допустимой толщины слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса 2, то есть соотношением , где h - величина зазора между колосником 8 и нижней кромкой топливной трубы 3; Dk - диаметр цилиндрического корпуса 2; Dt - диаметр топливной трубы 3; α - максимальный угол естественного откоса топлива (например, для каменного угля 40°, для опилок 45° и т.д), Н - минимально допустимая толщина слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса 2, составляющая не менее Dt/4.
Котел работает следующим образом. Для розжига основного топлива на колосник 8 укладывают легковозгораемое топливо, например щепки, стружки и т.п. После прогрева топливную трубу 3 заполняют твердым топливом. Твердое топливо, загруженное сверху в топливную трубу 3, располагается на колоснике 8 и под действием силы тяжести под углом естественного откоса поступает на его периферийную часть. Подача воздуха осуществляется через патрубок 10 из зольника 1 через всю площадь колосника 8.
Исследования показали, что примерно 80% воздуха поступает снизу из зольника 1 через колосники 8 в зону горения. Оставшиеся 20% воздуха поступают через центральную часть колосников 8 в слой топлива, расположенный под топливной трубой 3. Процесс горения протекает в этой зоне менее интенсивно, чем собственно в зоне горения. По мере горения топлива зола из зоны, расположенной под топливной трубой 3, поступает под действием силы тяжести в зольник 1. 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 водяному теплоносителю.
Отопительный котел имеет КПД 80-82%, температура получаемой горячей воды - 95°С, периодичность обслуживания 1 раз в течение от 8 до 24 часов в зависимости от качества топлива и погодных условий. Для поддержания наиболее экономичного режима работы системы температура отходящих газов должна быть в пределах 90-110°С (не более 180°С и не менее 65-70°С).
Конструкция отопительного котла с верхней подачей угля в зону горения обеспечивает саморегулирование толщины слоя горящего угля, стабильность процесса горения, экономичность и легкость обслуживания.