ПОДВИЖНАЯ КОЛОСНИКОВАЯ РЕШЕТКА ДЛЯ ОТОПИТЕЛЬНЫХ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ КОТЛОВ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ С ВЕРХНЕЙ ЗАГРУЗОЧНОЙ ТРУБОЙ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к теплоэнергетике, может быть использована в отопительных твердотопливных котлах цилиндрической формы с верхней загрузочной трубой относительно небольшой тепловой мощности - 10-500 кВт, производящих в качестве продукта-теплоносителя горячую воду или любой другой жидкий теплоноситель, и направлена на повышение тепловой мощности отопительного котла.
k
t
Уровень техники. Известно техническое решение (фиг.1), в котором отопительный котел, содержащий цилиндрический корпус 1 с расположенной по его оси камерой сгорания, образующей с корпусом кольцевую водяную рубашку, снабженную патрубками подвода и отвода воды, колосник 2 и зольник 3 с отверстиями для подачи воздуха, а также установленное в камере сгорания дополнительное топочное устройство, выполненное в виде вертикальной топливной трубы 4, отличающееся тем, что под трубой, соосно с ней, на колоснике 2 установлен конус 5 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; D - диаметр камеры сгорания; D - 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 F24Н 1/08, 2001).
К недостаткам данного технического решения относятся следующие:
- при использовании конуса 5 нижний подвод воздуха (фиг.1) может быть осуществлен только через относительно небольшую площадь колосниковой решетки 2, имеющей форму кольца, ограниченного внутренней стенкой корпуса котла 1 и конусом 5, через слой угля неравномерной толщины 6, что мешает равномерному распределению воздуха;
- использованное в формуле изобретения соотношение , определяющее величину зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы, подразумевает, что толщина слоя угля вблизи стенки отопительного котла должна быть равна нулю, и, следовательно, основное количество воздуха будет проходить именно здесь, не участвуя в процессе горения топлива, снижая температуру дымовых газов и ухудшая тем самым условия теплообмена;
- сложность удаления золы из зоны горения через неподвижную колосниковую решетку в нижерасположенный зольник;
- невозможность защиты конуса от высоких температур, приводящая к необходимости использовать дорогие термоустойчивые материалы или 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 конструкция колосниковой решетки из отопительного котла (патент на изобретение №2357156 РФ, МПК F24Н 1/08, 2008), содержащего колосник 1, зольник 2, цилиндрический корпус 3 с расположенной по его оси топливной трубой 4, 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 4, соосно с которой над зольником расположен круглый колосник 1 с диаметром, равным диаметру внутренней поверхности цилиндрического корпуса, представляющий собой два разрезанных по диаметру полукруга, имеющих свободу перемещения, достигаемого путем вращения колосников вдоль осей 5, 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.
Наиболее близкое из известных технических решений (фиг.2) позволяет путем периодического вращения колосников вдоль осей 5, проходящих через центр тяжести колосниковой решетки 1 на угол, равный ±10 градусов относительно горизонтали, интенсифицировать процесс проваливания частиц золы и недогоревшего топлива через отверстия колосниковой решетки и разрушать корку спекшегося материала. Диаметр круглого колосника, расположенного над зольником и имеющего форму двух полукругов, разрезанных по диаметру, равен диаметру внутренней поверхности цилиндрического корпуса 3. Такая конструкция топочного устройства позволяет формировать слой топлива в зоне горения 6.
Недостатком наиболее близкого из известных технических решений является относительно невысокая тепловая мощность отопительного котла, обусловленная тем, что для подачи воздуха эффективно используется только часть площади колосника 1, имеющая форму кольца, ограниченного внутренней стенкой корпуса котла и проекцией топливной трубы 4 на колосник, на которой слой топлива наиболее низок, а также неравномерной высотой слоя твердого топлива 6 над вышеуказанным кольцом, что приводит к ухудшению газопроницаемости слоя топлива и неравномерности воздушного потока (фиг 2).
Раскрытие полезной модели. Задачей настоящей полезной модели является повышение тепловой мощности отопительного котла путем изменения конструкции колосниковой решетки для увеличения ее площади, достижения стабильной высоты и улучшения газопроницаемости слоя твердого топлива.
t
1
t
Сущность полезной модели заключается в том, что в известной подвижной колосниковой решетке для отопительных твердотопливных котлов цилиндрической формы с верхней загрузочной трубой, состоящей из двух колосников, имеющих отношение площади свободного сечения к общей площади 0,1-0,5, свободу перемещения на угол, равный ±10 градусов относительно горизонтали, обеспечиваемую наличием зазоров между колосниками и внутренней поверхностью котла цилиндрической формы величиной 0,02-0,04 r, где r - радиус внутренней поверхности котла цилиндрической формы, и вращением колосников вдоль осей, проходящих через центр тяжести каждого колосника и расположенных параллельно оси разреза между двумя колосниками, каждый колосник образован соединением горизонтального сегмента окружности с радиусом r и горизонтального прямоугольника, у которого одна из больших сторон, имеющих размер 1,55-1,82 r, является хордой сегмента, вторая расположена по оси разреза между двумя колосниками, из каждого прямоугольника колосников со стороны разреза между колосниками вырезан полукруг таким образом, что образовавшаяся окружность расположена под вертикальной топливной трубой, соосно с ней, имеет радиус, равный внутреннему радиусу вертикальной топливной трубы r, что составляет 0,4-0,6 r, на окружности закреплен составляющий часть колосников шаровой сегмент, очерченный из центра, расположенного на оси симметрии отопительного котла на расстоянии 0,5-0,7 r ниже верхней поверхности колосниковой решетки или конус с углом при основании, равным максимальному значению угла естественного откоса топлива для данного региона, и величиной зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы, определяющейся минимально допустимой толщиной слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, то есть соотношением h=(r-r)tgα+H, где h - величина зазора между колосником и нижней кромкой 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 r/2, при этом шаровой сегмент или конус разрезаны на две равных части по оси разреза колосников.
t
t
t
Отличие предлагаемого устройства от наиболее близкого технического решения состоит в том, что изменена форма каждого из колосников. Теперь они имеют не форму полукруга, а образованы соединением горизонтального сегмента окружности с радиусом r и горизонтального прямоугольника, у которого одна из больших сторон, имеющих размер 1,55-1,82 r, является хордой сегмента, вторая расположена по оси разреза между двумя колосниками, из каждого прямоугольника колосников со стороны разреза между колосниками вырезан полукруг таким образом, что образовавшаяся окружность расположена под вертикальной топливной трубой, соосно с ней, имеет радиус, равный внутреннему радиусу вертикальной топливной трубы r, что составляет 0,4-0,6 r, на окружности закреплен составляющий часть колосников шаровой сегмент, очерченный из центра, расположенного на оси симметрии отопительного котла на расстоянии 0,5-0,7 r ниже верхней поверхности колосниковой решетки или конус с углом при основании, равным максимальному значению угла естественного откоса топлива для данного региона, и величиной зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы, определяющейся минимально допустимой толщиной слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, то есть соотношением h=(r-r)tgα+H, где h - величина зазора между колосником и нижней кромкой 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 r/2, при этом шаровой сегмент или конус разрезаны на две равных части по оси разреза колосников.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели, заключается в повышении тепловой мощности отопительного котла путем изменения конструкции колосниковой решетки для увеличения ее площади, достижения стабильной высоты и улучшения газопроницаемости слоя твердого топлива.
Краткое описание чертежей.
Конструкция подвижной колосниковой решетки для отопительных твердотопливных котлов цилиндрической формы с верхней загрузочной трубой приведена на фиг.3 и фиг.4. Здесь 1 - цилиндрический корпус отопительного котла; 2 - зольник; 3 - колосник; 4 - топливная труба; 5 - зазор между колосниками и внутренней поверхностью корпуса цилиндрического котла; 6 - зазор между колосниками; 7 - оси вращения колосников; 8 и 9 - части колосника: сегмент и прямоугольник; 10 - круговой вырез в колосниках для крепления третьей части колосника.
t
При осуществлении полезной модели предложены два варианта конструкции третьей части колосника на окружности 10 (фиг.3 и фиг.4), расположенной под вертикальной топливной трубой 4, соосно с ней, и имеющий радиус, равный внутреннему радиусу вертикальной топливной трубы r.
1. На окружности закреплен составляющий часть колосников шаровой сегмент 11 (фиг.3), очерченный из центра, расположенного на оси симметрии отопительного котла на расстоянии 0,5-0,7 r ниже верхней поверхности колосниковой решетки.
t
t
2. На окружности закреплен составляющий часть колосников конус 12 (фиг.4) с углом при основании, равным максимальному значению угла естественного откоса топлива для данного региона, и величиной зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы, определяющейся минимально допустимой толщиной слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, то есть соотношением h=(r-r)tgα+Н, где h - величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы; α - максимальный угол естественного откоса топлива для данного региона, H - минимально допустимая толщина слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, составляющая не менее r/2.
При реализации любого из двух вариантов обеспечивается получение одного и того же технического результата. Осуществление полезной модели.
Осуществление полезной модели рассмотрим на конкретном примере.
Исходные данные:
- радиус внутренней части цилиндрического корпуса отопительного котла (r) - 490 мм;
t
- радиус внутренней части топливной трубы (r) - 260 мм;
- большая сторона прямоугольной части колосника и хорда сегмента (а) - 760 мм;
t
- минимально допустимая толщина (Н) слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса (r/2) - 130 мм;
- максимальный угол естественного откоса топлива для данного региона (α) - 45°;
- высота конуса (L) - 260 мм;
- радиус шарового сегмента (R) - 300 мм;
- хорда шарового сегмента (а) - 520 мм;
шс
- стрела шарового сегмента (h) - 150 мм.
Реализация технических решений, заложенных в настоящей полезной модели, позволяет увеличить площадь колосника, стабилизировать высоту и улучшить газопроницаемость слоя твердого топлива по сравнению с наиболее близким техническим решением.
Часть площади колосника, имеющая форму кольца, ограниченного внутренней стенкой корпуса котла и проекцией топливной трубы на колосник одинакова для наиболее близкого технического решения и технических решений, заложенных в настоящей полезной модели, а площадь центральной части колосников (под топливной трубой) различна.
общ
t
2
2
2
Площадь кольцевой части колосника: S=π(r-r )=0,5419 м.
окр
t
2
2
2
Площадь центральной части колосника в наиболее близком техническом решении: S=πr =0,2124 м. Общая площадь колосника - 0,7543 м.
окр
шс
2
2
Площадь центральной части колосника в настоящей полезной модели (шаровой сегмент): S=2πRh=0,2828 м. Общая площадь колосника - 0,8247 м.
кон
t
2
2
Площадь центральной части колосника в настоящей полезной модели (конус):S=πrL=0,3003 м. Общая площадь колосника - 0,8422 м.
Использование технических решений, заложенных в настоящей полезной модели, позволяет увеличить площадь поверхности колосников и пропорциональную ей площадь свободного сечения для вдувания воздуха при использовании в центральной части колосников шарового сегмента - на 9,3%, а конуса - на 11,7% по сравнению с параметрами наиболее близкого технического решения.
Качественный анализ толщины слоя твердого топлива на колосниках в наиболее близком техническом решении (фиг.2) и технических решениях, заложенных в настоящей полезной модели (фиг.3 и фиг.4), показывает, что разница в толщине слоя для различных участков колосников при использовании технических решений, заложенных в настоящей полезной модели, существенно ниже. При использовании в центральной части колосников конуса, угол наклона образующих которого соответствует углу внутреннего трения топлива, толщина слоя твердого топлива практически постоянна.
Численная оценка газопроницаемости слоя выполнена исходя из того, что при постоянном перепаде давления количество газа, фильтруемого через слой сыпучего материала (в данном случае твердого топлива), обратно пропорционально толщине его слоя (Плановский A.M. Процессы и аппараты химической технологии/A.M.Плановский, В.М.Рамм, С.З.Каган. - М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы, 1962. - 846 с. (с.178)). Средняя толщина слоя твердого топлива определена методом численного интегрирования для конкретного примера.
Использование технических решений, заложенных в настоящей полезной модели, позволяет увеличить количество фильтруемого через слой твердого топлива воздуха при использовании в центральной части колосников шарового сегмента - на 25%, а конуса - на 32% по сравнению с параметрами наиболее близкого технического решения.
Таким образом, использование технических решений, заложенных в настоящей полезной модели, позволяет увеличить площадь поверхности колосников и пропорциональную ей площадь свободного сечения для вдувания воздуха, количество фильтруемого через слой твердого топлива воздуха и тепловую мощность котла при использовании в центральной части колосников шарового сегмента - на 9,3%, 25% и 37%, а конуса - на 11,7%, 32% и 47% соответственно по сравнению с параметрами наиболее близкого технического решения.