ТОПОЧНЫЙ УЗЕЛ КОТЛА ОТОПЛЕНИЯ
HEATING UNIT OF HEATING BOILER

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в бытовых обогревательных системах, в частности для сжигания твердого топлива в топочных узлах котлов отопления как частных домов, так и в различных областях промышленности, например, для отопления рабочих и бытовых зон промышленных и сельскохозяйственных помещений.
Известны технические решения, описывающие горелки: №2058, UA, Бюл. №9, 2003 г., №59866, UA, Бюл. №9, 2003 г., №39688, UA, Бюл. №5, 2001 г., патент на изобретение RU 2406028 С1, патент на изобретение RU 2454605 С1, патент на изобретение RU 2429413 С2, патент на изобретение RU 2324115 С2, патент на изобретение RU 2488041 С2.
Указанные выше технические решения рассчитаны для сжигания газо-воздушной смеси и не пригодны для сжигания твердого топлива.
Из области техники известны горелки для сжигания твердого топлива: Патенты на изобретение RU 2358194 С1 «ГОРЕЛКА ДЛЯ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА»; RU 2482390 С2 «СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ»; RU 2282105 С2 «ГОРЕЛКА, РАБОТАЮЩАЯ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ».
Известные решения не обеспечивают удовлетворительную и одновременно устойчивую стабильность пламени, полноту сгорания топлива, они рассчитаны для работы с пылевидным угольным топливом и не пригодны для сжигания гранулированного топлива (в том числе, например, пеллет, агропеллет).
Известна горелка лоткового типа, описанная в патенте RU 2129687, в которой подача топлива осуществляется в зону горения непосредственно шнеком в одной плоскости горизонта. Горелка пригодна для сжигания пеллет, однако для сжигания угля и агропеллет горелка малопригодна в связи с отсутствием системы самоочистки горелки от спека топлива.
Известны горелки, описанные в патентах RU 2420689 С2, RU 155426 U1, в которых горение пеллет происходит по центру горелки, сжигается верхний слой топлива, воздух подается через нижние слои топлива по периметру зоны горения. Соответственно, при работе на спекаемом топливе (уголь, агропеллеты) возможно образование шлаковой корки в верхнем горящем слое топлива. Шлаковая корка препятствует полноценному попаданию воздуха в зону горения и приводит к затуханию процесса горения, что не обеспечивает полного сгорания топлива.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявленного изобретения является патент RU 2420690 С2, в котором представлена установка для сжигания гранулированного топлива, включающая горелку, состоящую из головки, коллектора распределения воздуха и шнека подачи гранулированного топлива из бункера на сжигание, и котел, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена устройством, регулирующим подачу воздуха, прикрепленным к фланцу горелки и имеющим каналы связи с головкой горелки и котлом, также снабжена блоком, регулирующим подачу холодного и горячего теплоносителей, кроме того, над шнеком горелки установлен шибер ирисовый, при этом установка связана с выносным щитом автоматики.
Прототип, а также большинство других известных конструкций топочного узла котла отопления (например, http://www.kolton-kotly.ru/ru-kotly-zasypowe/podajniki, http://solar-tt.com/kotly-na-tverdom-toplive-galmet/, http://santehsklad.com.ua/retortnaya-fakelnaya-gorelka.html, http://6sotok-dom.com/dom/otoplenie/pelletnaya-gorelka-dlya-kotla.html) устроены следующим образом: подача твердого топлива обеспечивается за счет шнека, подающего топливо из топливного бункера в центр горелки. Горение топлива происходит по центру горелки. Подача топлива и воздуха осуществляется периодически с заданными параметрами. Горящее топливо в процессе горения перемещается от центра горелки к его краю. Основной проблемой при таком виде сжигания является спекание топлива. Спекающийся уголь образует шапку (корж) по центру горелки и препятствует нормальному поступлению свежей порции топлива и воздуха в зону горения, что в итоге препятствует качественному горению.
В известных конструкциях ретортных горелок сгорание топлива и его расход напрямую зависят от качественных характеристик топлива: вида, сортности, калибровки. Как следствие, известные ретортные горелки для сжигания твердого топлива не всегда достаточно эффективны. Следствием несгоревшей части топлива в котлах с традиционными ретортными горелками являются: повышенное шлакование (спекание) топлива, избыток сажи и золы, высокая дымность. Неполное сгорание топлива ведет и к увеличению его расхода и снижению КПД котельной установки. Также неравномерное и неполное сгорание топлива обуславливает вероятность частых перепадов температур в зоне горения и необходимость пользователю постоянно проверять наличие шлака на горелке и периодически его очищать, чтобы не случился возможный перегрев или остановка котла.
Таким образом, котлы с традиционными конструкциями топочного узла требуют постоянного контроля из-за неравномерного сгорания топлива и наличия большего объема сажи, золы и шлака.
В названиях известных технических решений, описывающих технологию отопления и организации горения в топочном узле котла отопления, используется наименование «горелка», которая, на самом деле, выступает как часть «топочного узла». Поскольку разделить механизмы подачи топлива и процесс его горения невозможно, то описать их только «горелкой» - невозможно. Так, сама горелка ретортного типа; воздушная камера; узел подачи топлива - составляют «топочный узел котла отопления» и обеспечивают равномерную подачу топлива, подачу воздуха, равномерное горение и получение требуемого технического результата. Этим и обусловлен выбор названия заявляемого изобретения.
Задачами настоящего изобретения являются:
1. Создание надежного в работе, удобного в эксплуатации, простого и недорогого в изготовлении топочного узла (горелки) для сжигания твердого топлива (например: уголь, пеллеты, агропеллеты, угольный штыб, опилки, щепу);
2. Обеспечение максимально полного сгорания топлива в котле отопления;
3. Увеличения теплоотдачи при сжигании топлива;
4. Оптимизация расхода топлива;
5. Качественное снижение уровня отходов (уменьшение объема продуктов сгорания).
Для решения поставленных задач предложен топочный узел котла отопления, включающий горелку, воздушную камеру, шнек подачи твердого топлива из бункера на сжигание, котел, устройство подачи воздуха, выносной блок автоматики. Согласно заявленному изобретению горелка отлита одной цельной деталью в виде усеченного конуса с меньшим диаметром основания в нижней части и большим диаметром в верхней части центрального сопла горелки и встроена в воздушную камеру цилиндрической формы, имеющую на боковой поверхности горловину, соединенную с корпусом шнека, при этом шнек оснащен двигателем и редуктором, обеспечивающими подачу топлива в горелку; диск периферийного горения коаксиально расположен относительно центрального сопла горелки, его внешний край жестко закреплен на корпусе воздушной камеры, а на поверхности выполнены равномерно распределенные отверстия; устройство подачи воздуха имеет канал связи с боковым патрубком воздушной камеры; на конце вала шнека, входящего во внутреннюю полость горелки, имеются приспособления для рыхления топлива.
Сущность технического решения установки для сжигания твердого топлива поясняется чертежом на фиг. 1. На чертеже изображено устройство для сжигания твердого топлива (топочный узел котла отопления).
Топочный узел котла отопления включает:
- встроенную в воздушную камеру 1 цилиндрической формы; чугунную горелку 2, выполненную цельнолитой в виде усеченного конуса с меньшим диаметром основания в нижней части и центральным соплом 3 большего диаметра и диском периферийного горения 4 в верхней части;
- диск периферийного горения 4, коаксиально расположенный относительно центрального сопла 3 горелки 2 имеет выполненные в нем отверстия 5, равномерно распределенные, например, по концентрическим окружностям вокруг оси центрального сопла 3 горелки;
- корпус горелки 2, имеющий на боковой поверхности горловину 6, соединенную с помощью разъемного фланцевого соединения с внешним корпусом 18 шнека 7;
- шнек 7 подачи твердого топлива, установленный внутри корпуса 18, состоящий из вала 8 с приспособлениями для рыхления топлива 9 и укрепленными на нем витками транспортирующего винта 10, оснащенный двигателем 11 и редуктором 12;
- устройство подачи воздуха13, имеющее канал связи 14, соединенный с помощью разъемного фланцевого соединения с боковым патрубком 15 воздушной камеры 1 для подачи первичного воздуха в отверстия 5 диска периферийного горения 4, а также дополнительный канал связи 16 с внешним корпусом 18 шнека 7 для подачи вторичного воздуха в горелку 2, выполненный через разъемное резьбовое соединение;
- выносной блок автоматики 17.
Горелка 2 встроена в воздушную камеру 1 и полностью отлита из чугуна, как одна деталь. Соединения на ней отсутствуют. Что положительно влияет как на себестоимость, так и на срок службы горелки, который превосходит срок службы горелок изготовленных, например, из стали, либо горелок, имеющих соединения. Через горловину 6 горелки 2 происходит подача топлива в зону горения. Горелка 2 выполнена в форме перевернутого усеченного конуса, для того чтобы топливо равномерно распределялось в зоне горения, а также во избежание заклинивания шнека 7. Диаметр горловины 6 и габаритные размеры горелки 2 зависят от мощности котла отопления.
Шнек 7 предназначен для подачи топлива в горелку 2. Шнек 7 установлен внутри корпуса 18 и состоит из вала 8 с укрепленными на нем витками транспортирующего винта 10. Из топливного бункера (на фиг. 1 не показан), топливо под своим весом поступает в корпус 18 шнека 7, выполненный в виде трубы и скользит внутри нее при вращении винта 10. На конце вала 8, который входит во внутреннюю полость горелки 2, имеются приспособления для рыхления топлива 9, например, стержни, которые предназначены для рыхления топлива, что предотвращает заклинивание шнека 7 в горловине 6 горелки 2.
Воздушная камера 1 выполнена в форме цилиндра из листовой стали. Такая форма способствует равномерному распределению воздуха на отверстия 5 диска периферийного горения 4 горелки 2, встроенной в воздушную камеру 1 и соединенной с ней сварным соединением. Также воздушная камера 1 снабжена специальным люком для чистки (на фиг. 1 не показан). Диаметр и высота воздушной камеры 1 зависит от размеров горелки.
Диск периферийного горения 4 горелки 2 оснащен равномерно распределенными, например, по концентрическим окружностям отверстиями (воздушными каналами) 5 вокруг оси центрального сопла 3 горелки 2, в которые подача воздуха для горения осуществляется принудительно за счет установленного на узле устройства подачи воздуха 13. Воздух, нагнетаемый через отверстия 5, создает достаточные условия для горения топлива в зоне горения. Количество отверстий 5 зависит от мощности котла отопления. Объем подаваемого воздуха зависит от мощности горелки 2 и параметров настройки работы устройства подачи воздуха 13.
Первичный воздух подается в зону горения из отверстий 5, расположенных на диске периферийного горения 4, куда он принудительно поступает от устройства 13, обеспечивающего подачу воздуха по каналу связи 14 в боковой патрубок 15 воздушной камеры 1. Канал связи 14 имеет разъемное фланцевое соединение с боковым патрубком 15 воздушной камеры 1.
Подача вторичного воздуха производится вместе с топливом в корпус 18 шнека 7, через дополнительный канал связи 16 с корпусом 18 шнека 7, выполненный через разъемное резьбовое соединение. Таким образом, воздух, поданный в зону горения вместе с топливом, помогает дожигать дымовые и угарные газы и охлаждает шнек, что обеспечивает более эффективное сжигание и высокий КПД горелки.
Помимо этого, за счет реализации подачи топлива и воздуха в зону горения выше описанным способом, обеспечивается постоянное ворошение (перемещение) горящего топлива по диску горелки, что препятствует его спеканию.
Розжиг топлива можно произвести как ручным способом, так и воздушным электрическим ТЭНом (на фиг. 1 не показан) в канал подачи воздуха для автоматического розжига.
Горение топлива происходит не по центру горелки 2 (в зоне центрального сопла 3 горелки 2), а непосредственно по внешней стороне диска периферийного горения 4. Зона горения имеет небольшой наклон к центральной оси сопла 3 горелки 2, что позволяет топливу удерживаться в зоне горения, в результате чего оно сгорает максимально полно, повышая эффективность топочного узла. Площадь зоны горения зависит от мощности котла отопления. Край диска периферийного горения 4 жестко закреплен к корпусу воздушной камеры 1, что позволяет исключить потери силы нагнетаемого воздуха.
Таким образом, топливо распределяется по всему диску 4 горелки 2 равномерным слоем и горит одновременно. Топливо по мере сгорания перемещается от центрального сопла 3 горелки 2 к краю диска периферийного горения 4 за счет движущей силы шнека 7 и вновь поступающей порции топлива, а отходы горения (пепел, зола) ссыпаются с края диска периферийного горения 4 вниз в зольный ящик (на фиг. 1 не показан), расположенный под топочным узлом в нижней части котла отопления.
Подача топлива и воздуха регулируется установленным выносным блоком автоматики 17, что позволяет получать высокую мощность котла, даже при использовании топлива низкой теплотворной способности.
Устройство работает следующим образом.
Топливо через горловину топливного бункера (на фиг. 1 не указан) подается непрерывно фракциями и под собственным весом просыпается в корпус 18 шнека 7. При вращении транспортирующего винта 10 топливо перемещается в центральное сопло 3 горелки 2. Вращение винта 10 осуществляется посредством двигателя 11 с редуктором 12. Скорость вращения вала 8 шнека 7 постоянная, объем подачи топлива регулируется за счет управления периодами вращения (работы) и паузами между включением двигателя 11. Управление мотором осуществляется от выносного блока автоматики 17.
Из центрального сопла 3 горелки 2 топливо выдавливается на диск периферийного горения 4. Перемещение топлива по диску 4 горелки 2 обеспечивается за счет подачи новой порции топлива, т.е. очередная порция топлива проталкивает топливо на диске периферийного горения 4 от центра к его краю.
Розжиг происходит непосредственно на диске периферийного горения 4 и осуществляется вручную или с помощью автоматического розжига (например, под управлением выносного блока автоматики 17).
Подача воздуха в зону горения (на диск периферийного горения 4) осуществляет устройство подачи воздуха 13, через канал 14 в боковой патрубок 15 воздушной камеры 1. Воздух подается в воздушную камеру 1, распределяется в ней и выходит через отверстия 5. Проходя через отверстия 5, воздух попадает в зону горения, тем самым происходит интенсификация горения на диске 4 горелки 2.
Процессами подачи воздуха (управление мощностью устройства подачи воздуха 13), подачи топлива (включение/выключение привода шнека 7) управляет выносной блок автоматики 17.
Горящее топливо в процессе горения перемещается по диску горелки 4 и сгорает. Остатки продуктов горения (пепел, зола) сталкиваются по внешнему краю диска периферийного горения 4 в зольный ящик, расположенный под топочным узлом (на фиг. 1 не указан). Угарные и дымовые газы удаляются из котла через выход дымохода (на фиг. 1 не указан), под воздействием силы тяги дымохода и принудительного наддува воздуха через устройство подачи воздуха 13.
Обеспечиваемый заявленным изобретением технический результат заключается в том, что настоящее изобретение позволяет добиться равномерного распределения топлива в зоне горения за счет перемещения горящего топлива по направлению от центрального сопла к краю диска периферийного горения горелки; увеличения площади горения за счет организации горения по внешнему периметру диска периферийного горения; интенсификации сжигания топлива за счет равномерной подачи по всей площади горения первичного и вторичного воздуха; качественного сгорание топлива и низкого уровня отходов.
Таким образом, положительными эффектами заявляемого изобретения являются:
- универсальность топочного узла котла отопления: можно сжигать практически любое твердое топливо, например: уголь, пеллеты, агропеллеты, угольный штыб, опилки, щепу;
- твердое топливо распределяется по всему диску горелки равномерным слоем, с равномерным распределением воздуха на отверстия горелки, и горит в зоне горения одновременно по всей своей массе;
- подача топлива и подача первичного воздуха регулируется установленной автоматикой, что позволяет получать высокую мощность котла, даже при использовании топлива низкой теплотворной способности;
- организован поддув вторичным воздухом, который идет от устройства, обеспечивающего подачу воздуха и заходит в корпус шнека. Благодаря этому происходит более полное (качественное) обогащение топлива, что обеспечивает качественное сгорание на горелке. Вторичный воздух поданный в топочное пространство котла вместе с топливом помогает дожигать дымовые и угарные газы, что обеспечивает более эффективное сжигание и высокий КПД и низкий уровень выбросов продуктов горения;
- за счет реализации подачи топлива и воздуха в зону горения выше описанным способом обеспечивается постоянное ворошение (перемещение) горящего топлива по диску горелки, что препятствует его спеканию;
- экономичность: меньшее потребление топлива обусловлено равномерностью сгорания топлива и высокой теплоотдачей;
- высокая теплоотдача: топливо сгорает практически полностью с высокой температурой и равномерно из-за подачи первичного и вторичного воздуха в зону горения и равномерного распределения топлива на горелке;
- экологичность: низкий уровень отходов (шлака, сажи, золы).