АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ТВЕРДОТОПЛИВНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно, к автоматизированным твердотопливным котлам, работающим на любом сорте угля, пеллетах и различных твердых горючих веществах, и может найти практическое применение при отоплении зданий различного назначения - частных жилых домов, зданий промышленного и социально-культурного назначения,
Известно устройство для сухой перегонки твердого топлива, в котором под действием высокой температуры происходит пиролитическое разложение топлива на две составляющие - горючие газы и сухой остаток - полукокс, смолы, зола (Теплотехника: Учебник / Под общей редакцией И.Н.Сушкина, 2-е изд. перераб. - М.: Металлургия, 1973. С.221-222).
Известен способ непрерывной газификации твердого топлива и устройство для его осуществления, позволяющий произвести полное разложение твердого топлива в герметичной камере, в которую твердое топливо перемещают при помощи шнекового питателя (Заявка на изобретение №2002110164, кл. С10В 47/00, 2003).
Известен газогенератор для твердого топлива, содержащий корпус с футеровкой, бункер для топлива, камеру для золы (Патент РФ №2147601, кл. С10J 3/20, 2000).
Недостатками известных устройств являются неудобство в обслуживании, сложность конструкции и отсутствие автоматического управления работой устройства.
Известна также конструкция газификатора твердого топлива, содержащего корпус-реторту с электронагревателем, патрубок для удаления твердых остатков из реторты, газоотводящие трубки с горелками, шнековый питатель для подачи топлива в реторту (Патент РФ №2232347, кл. F23G 5/27, 2004).
Недостатком известного устройства является невозможность использования полученного горючего газа непосредственно в месте его выработки, т.е. необходимость его транспортирования по трубопроводам к топочному устройству генератора тепла, для чего требуются дополнительные устройства (воздуходувки, компрессоры и т.д.) и соответственно, дополнительные энергозатраты.
В качестве прототипа для заявляемой конструкции твердотопливного котла выбрано устройство для сжигания твердого топлива (Патент РФ №2294483, м. кл. F23B 40/00, F23C 5/08, 2005), содержащее бункер для сортового либо гранулированного твердого топлива, теплообменник, топку, устройства подачи топлива и воздуха в топку, зольник, блок управления (контроллер), датчики температуры, электрические приводы. В топке установлена вертикальная горелка, выполненная в виде оболочки усеченного конуса с отверстиями для прокачки воздуха и соединенная узкой стороной с устройством подачи топлива и воздуха, представляющего собой коллектор, соединенный с вентилятором, при этом устройство подачи топлива снабжено шнековым конвейером, часть трубы которого, находящаяся в коллекторе, снабжена отверстиями для воздуха.
Устройство может работать на каменном угле, включая мелкие фракции. Перед подачей в зону горения, топливо и воздух предварительно подогревают, а затем подают в зону горения топки по алгоритму, обеспечивающему требуемую мощность топки и полноту сгорания топлива.
Основная проблема при сжигании твердого топлива в устройстве-прототипе заключается в сложности автоматизации подачи топлива в топку и организации управляемого процесса горения. Необходимость предварительно сортировать топливо, либо гранулировать его усложняет процесс. Непрерывность подачи угля может нарушиться по нескольким причинам: зависание угля в бункере, заклинивание шнека, проникновение газов в бункер, прилипание транспортируемого материала к стенкам шнекового транспортера. Не решены также проблемы перегрева горелки и спекания горящего угля. Кроме того невозможно добиться полноты сгорания микроскопических частичек угля и газовой фазы. Несгоревшие частицы угля оседают на теплообменник и вылетают в трубу, загрязняя окружающую среду. При более быстром сгорании топлива, котел продолжает работать с меньшей мощностью, из-за отсутствия датчика пламени, также, невозможно продолжение работы котла при затухании пламени. Приведенные недостатки обусловлены ненадежным автоматическим управлением работой устройства.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка конструкции котла, позволяющего работать в полностью автоматическом режиме без участия оператора весь цикл, начиная с подачи топлива и до золоудаления, при этом, экономичного и экологичного, работающего на любом сорте угля, пеллетах и различных твердых горючих веществах фракции до 32 мм, предназначенного для использования при отоплении индивидуальных домов, небольших помещений производственного и общественного назначения.
Технический результат - расширение эксплуатационных возможностей и области использования отопительных устройств, повышение экономичности и эффективности использования указанных топлив.
Поставленная задача достигается тем, что в автоматизированном твердотопливном котле, содержащем бункер для твердого топлива, теплообменник, топку, устройства подачи топлива и воздуха в топку, систему утилизации золы, блок управления, содержащий контроллер, датчики параметров, электрические приводы, согласно предлагаемой конструкции, котел снабжен размольным устройством, установленным под бункером твердого топлива, а в топке установлены реторта, соединенная узкой стороной с трубой для подачи топлива через наклонную камеру, при этом, в боковой части реторты выполнено отверстие для подачи горячего воздуха, и расположенная над ретортой, поворотная чаша, причем, поворотная чаша имеет механизм для преобразования вращательного движения вала шнека для транспортирования топлива в поворот чаши в горизонтальной плоскости, кроме того, система утилизации золы снабжена механизмом очистки дымогарных труб, выполненным в виде коромысла, установленного с возможностью качания на оси в верхней части котла, на котором размещены тяги с закрепленными очистными спиралями, расположенными внутри дымогарных труб и соединенного через тягу с эксцентриком, закрепленном на торце ведущей шестерни, установленной на конце вала шнека для транспортирования топлива, и, система оснащена шнеком для удаления золы расположенным под шнеком для подачи топлива, подсоединенными к одному приводу, и котел снабжен датчиком пламени, установленным на передней стенке топки над воздуховодом, аварийным датчиком и датчиком температуры теплоносителя, установленными в верхней части топки, датчиком уровня топлива в бункере, установленным под шнеком для подачи топлива и датчиком уровня топлива в горелке, установленным на воздуховоде, а все датчики соединены электрической связью с управляющим компьютером.
Полезную модель дополняют частные отличительные признаки. В качестве размольного устройства использована дробилка. Механизм для преобразования вращательного движения вала шнека в поворот чаши в горизонтальной плоскости состоит из ведущей шестерни, закрепленной на конце вала шнека для транспортирования топлива и паразитной шестерни, установленной с возможностью зацепления с зубчатым венцом, закрепленным в нижней части поворотной чаши.
Устройство для подачи горячего воздуха состоит из вентилятора и размещенных в воздуховоде спиралей, расположенных над шнеком для подачи топлива.
Твердотопливный котел состоит из следующих основных частей:
1. Устройства для подачи топлива содержащего -
- бункер для хранения топлива;
- дробилку для подготовки топлива;
- шнек для транспортирования топлива.
2. Устройства для подачи горячего воздуха содержащего -
- вентилятор;
- воздуховод;
- спирали технического фена.
3. Топки, в которой установлены -
- реторта,
- поворотная чаша.
4. Системы утилизации золы, содержащей -
- механизм очистки дымогарных труб;
- золоудалитель;
- контейнер для золы.
5. Теплообменника.
6. Блока автоматизации, содержащего -
- компьютер;
- датчики: пламени, температуры теплоносителя, уровня топлива в горелке, аварийный.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено изображение автоматизированного котла, вид сбоку, на фиг.2 - вид котла спереди, в разрезе.
На фигурах отмечены конструктивные элементы:
Бункер для хранения топлива 1
Размольное устройство 2,
Труба 3,
Шнек для транспортирования топлива 4,
Наклонная камера 5,
Реторта 6,
Отверстие в реторте 7,
Поворотная чаша 8,
Технический фен (спирали) 9,
Воздуховод 10,
Вентилятор 11,
Щелевые каналы 12,
Паразитная шестерня 13,
Ведущая шестерня 14,
Эксцентрик 15,
Дымогарные трубы 16,
Тяга 17,
Коромысло 18,
Ось коромысла 19,
Котел 20,
Тяги 21,
Очистные спирали 22,
Теплообменник 23,
Выхлопная труба 24,
Датчик пламени 25,
Датчик температуры теплоносителя 26,
Аварийный датчик 27,
Датчик уровня топлива в бункере 28,
Шнек для транспортирования золы 29,
Контейнер для золы 30,
Привод размольного устройства 31,
Привод 4 и 30 шнеков 32,
Датчик уровня топлива в горелке 33.
Бункер для хранения топлива 1 установлен над размольным устройством 2. В качестве размольного устройства может быть использована дробилка. Под разгрузочным отверстием размольного устройства 2 расположена горизонтально установленная труба 3. В трубе 3 установлен шнек 4 для транспортировки топлива в наклонную камеру 5, расположенной на выходном конце трубы. Наклонная камера 5 выполнена закругленной формой, позволяющей соединить одним концом, горизонтально установленную трубу 3, а другим - вертикально расположенную над трубой 3 реторту 6. Для подачи горячего воздуха, в боковой части реторты 6, выполнено отверстие 7. Поворотная чаша 8 установлена над ретортой 6. Технический фен (спирали) 9 расположен в воздуховоде 10. Воздуховод 10 и вентилятор 11 соединены между собой и закреплены на трубе 3. В верхней части поворотной чаши 8 выполнены щелевые каналы 12, предназначенные для подачи горячего воздуха в пространство над поворотной чашей 8. В нижней части поворотной чаши 8 закреплен зубчатый венец для зацепления с паразитной шестерней 13. Паразитная шестерня 13 установлена с возможностью зацепления с ведущей шестерней 14, закрепленной на конце вала шнека 4. На торце ведущей шестерни 14 расположен эксцентрик 15, состоящий из пальца и втулки (на фигуре не обозначены). Механизм очистки дымогарных труб 16 соединен с эксцентриком 15 через тягу 17, закрепленную на эксцентрике 15. Коромысло 18 установлено на оси 19, закрепленной в верхней части корпуса котла 20. Тяги 21, на которых закреплены очистные спирали 22, подвижно соединены с коромыслом 18. Очистные спирали 22 расположены внутри дымогарных труб 16. В системе очистки дымогарных труб преобразуется вращательное движение привода шнека 4 в возвратно-поступательное движение очистных спиралей 22. Теплообменник 23 состоит из дымогарных труб 16, по которым циркулируют горячие газы, уходящие в выхлопную трубу 24, расположенную в верхней части задней стенки теплообменника 23. Датчик пламени 25 установлен на передней стенке над воздуховодом 10. Для корректировки подачи воздуха в топку имеется датчик температуры теплоносителя 26, который определяет заданную температуру теплоносителя. Датчик 27 определяет аварийную остановку котла, подачу воздуха и топлива. Датчик уровня топлива в бункере 28 указывает на наличие топлива в бункере. Для удаления осыпавшейся золы из дымогарных труб 16 и поворотной чаши 8 в нижней части корпуса котла 20, установлен шнек 29. Шнек 29 расположен с возможностью транспортировки золы в контейнер 30, установленный рядом с топкой 20. Вал размольного устройства 2 соединен с приводом 31. Валы шнеков 4 и 30 соединены с приводом 32. Часть вала шнека 30, проходящая под размольным устройством 2, вентилятором 11 и воздуховодом 10 выполнена без навивки. Датчик уровня топлива в горелке 33 установлен над воздуховодом возле поворотной чаши 8. Вал шнека подачи топлива 4 и вал шнека для уборки золы 29 соединены с одним приводом, приводящим их в движение в одной плоскости.
Работа котла начинается с засыпки топлива в бункер (она может осуществляться как, в ручном, так, и в автоматическом режимах, в зависимости от комплектации). Далее вся работа котла происходит в автоматическом режиме и контролируется встроенным в него компьютером. Основной параметр задает человек, а именно: максимальную температуру воды в котле. Чтобы выдержать следующий параметр компьютер управляет следующими процессами:
Управление подачей топлива - управление подачей топлива к месту сгорания в нужном количестве по средствам включения привода шнека.
Управление системой розжига и горения - при отсутствии огня на поворотной чаше, включает подачу горячего воздуха и при возгорании топлива, поддерживает огонь на оптимальном уровне при помощи подачи горячего воздуха вентилятором для поддержания нужной температуры в котле. При необходимости подача воздуха прекращается, вплоть до полного затухания огня и наоборот, увеличивает подачу воздуха до максимального уровня горения.
Компьютер также поддерживает необходимое количество топлива в горелке и при необходимости подает топливо из бункера.
Системы автоматического золоудаления и автоматической чистки дымогарных труб работают всегда, когда работает система подачи топлива в горелку, т.к. имеют общий привод от одного электромотора.
Из бункера 1 топливо просыпается в размольное устройство 2, где дробится на нужную фракцию размером до 32 мм. Из дробилки, подготовленная фракция топлива с помощью шнека 4 подается через наклонную камеру 5 в реторту 6, где происходит непосредственное сгорание топлива. Через отверстие 7, выполненное в верхней части реторты 6, происходит подача горячего воздуха при помощи устройства для подачи горячего воздуха. Горячий воздух разжигает твердое топливо в реторте 6. Горящее твердое топливо попадает на поворотную чашу 8. Вентилятором 10, воздух подается по воздуховоду 11, и, нагреваясь, проходя через технический фен 9, попадает через щелевые каналы 12 в пространство над поворотной чашей 8. Температура подаваемого горячего воздуха составляет 600°С. В процессе горения топлива происходит его автоматическое перемешивание в поворотной чаше 8. Одним валом приводится во вращение шнек 4 и ведущая шестерня 14. Ведущая шестерня 14 входит в зацепление с паразитной шестерней 13, которая входит в зацепление с зубчатым венцом, и поворачивает поворотную чашу 8. По мере сгорания топлива образуются горячие газы, которые поступают из топки в теплообменник 23 и проходят через дымогарные трубы 16, нагревая находящуюся в теплообменнике жидкость. Далее охлажденные газы выходят наружу через выхлопную трубу 24. Также горячие газы, проходящие через дымогарные трубы 16, образуют на них нагар. Этот нагар автоматически удаляется с помощью встроенного в дымогарные трубы механизма очистки. Это устройство представляет собой систему рычагов и спиралей, поочередно опускающихся и поднимающихся в дымогарных трубах, не допуская образование нагара на их стенках. Приводом 33 также приводится в движение механизм очистки дымогарных труб 16, соединенный через тягу 17 с эксцентриком 15. При вращении вала шнека 4 приводится в движение коромысло 18, закрепленное на оси 19. Коромысло 18 приводит в движение тяги 21, на которых закреплены очистные спирали 22. Теплоноситель циркулирует в пространстве между дымогарными трубами 16 в теплообменнике 23. Датчик пламени 25 является оптическим датчиком, при фиксации пламени, передает сигнал в компьютер на дальнейшую подачу топлива, по определенной программе, затем включается вентилятор 11. Датчик температуры теплоносителя 27 определяет заданную температуру теплоносителя. По показаниям датчика выдаются сигналы в контроллер, который управляет подачей топлива и воздуха. В процессе сгорания топлива образуется зола, которая осыпается вниз топки из поворотной чаши 8, где сгорает топливо. Вся осыпавшаяся зола из дымогарных труб 16 и поворотной чаши 8 автоматически удаляется шнеком 29 в контейнер 30.
Преимущества заявляемой конструкции заключаются в том, что система полностью автоматизирована и не требует участия человека, т.е. все системы для автоматической работы совмещены в одном котле и в наличии встроенной в котел дробилки для подготовки топлива до нужной фракции.
По сравнению с другими котлами подобного типа, предлагаемая конструкция имеет полный автоматический цикл, а именно:
1. Автоматическая подача твердого топлива, подготовленного в дробилке до нужной фракции;
2. Автоматический розжиг твердого топлива;
3. Автоматическое поддержание оптимального уровня горения, которое необходимо для поддержки нужного температурного режима;
4. Автоматическое перемешивание твердого топлива при горении;
5. Автоматическая чистка дымогарных труб;
6. Автоматическая чистка нижней части корпуса котла от золы и выгрузка золы в контейнер;