УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ С ВЕРХНЕЙ ПОДАЧЕЙ ТВЕРДОГО ИЛИ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Область техники, к которой относится полезная модель. 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 повышение универсальности отопительного котла, обеспечение эксплуатации его на различных видах топлива: твердом или газообразном.
Использование автономного теплоснабжения на базе энергоэффективных, надежных и недорогих отопительных котлов позволяет предприятиям ЖКХ, малого и среднего бизнеса, владельцам частных домов и коттеджей избежать диктата энергопроизводящих и энергопередающих компаний, завышающих тарифы на тепловую энергию, необходимости оплаты потерь в пришедших в негодность тепловых сетях и, как следствие, существенно сократить энергетическую составляющую в себестоимости своей продукции и стоимости содержания жилья.
Уровень техники. Известно техническое решение, в котором отопительный котел (патент на изобретение №2357156 РФ, МПК F24Н 1/08, 2009), содержит 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, выполненное 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
k
t
max
t
, 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.
Известное решение имеет следующий недостаток: отсутствие универсальности, то есть отопительный котел может потреблять только твердое топливо, что существенно ограничивает возможности использования агрегата.
k
t
k
t
k
t
k
t
Наиболее близким из известных технических решений к описываемому является отопительный котел с верхней загрузкой твердого топлива (патент на полезную модель №95388 РФ, МПК F24Н 1/08, 2010) содержащий колосник, зольник, топливную трубу, цилиндрический корпус с патрубком отвода продуктов горения, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя и крышкой, систему отвода горячих продуктов горения, состоящую из цилиндрических трубопроводов, вертикально расположенных 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: π(D+D)/2Nd≥1,1 и π(D-D)/2Nd≥1,1, 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. В зависимом пункте формулы полезной модели предусмотрена возможность приваривания на трубопроводы для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности трубопровода ребер в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающих на расстояние 0,05d-0,5d от внешней поверхности трубопроводов.
Наиболее близкое из известных технических решений имеет следующий недостаток: отсутствие универсальности, то есть отопительный котел может потреблять только твердое топливо, что существенно ограничивает возможности использования агрегата.
Раскрытие полезной модели. Задачей настоящей полезной модели является обеспечение эксплуатации отопительного котла не только на твердом, но и на газообразном топливе.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном отопительном котле, содержащем колосник, зольник, цилиндрический корпус с крышкой, патрубками отвода продуктов горения, подвода и отвода жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива над колосником, цилиндрическую топливную трубу для верхней загрузки твердого топлива, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса, и систему теплообмена, в которой эвакуируемые по газоходам горячие продукты горения передают тепло циркулирующему жидкому теплоносителю через разделяющие стенки, в центре крышки отопительного котла установлено горелочное устройство для подачи вертикально вниз и сжигания газообразного топлива в верхней части топливной трубы, что позволяет эксплуатировать отопительный котел на различных видах топлива: твердом или газообразном.
Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что в центре крышки отопительного котла установлено горелочное устройство для подачи вертикально вниз и сжигания газообразного топлива в верхней части топливной трубы, и, таким образом, в топливной трубе организована камера сгорания газообразного топлива.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели по сравнению с наиболее близким техническим решением, заключается в том, что отопительный котел становится универсальным, он может эксплуатироваться на различных видах топлива: твердом или газообразном.
Краткое описание чертежей.
При осуществлении полезной модели рассмотрены два варианта формирования системы теплообмена:
1. Из цилиндрических трубопроводов (фиг.1) для эвакуации горячих продуктов горения, вертикально расположенных по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой и циркулирующего в кольцевой рубашке вокруг зоны горения и в межтрубном пространстве жидкого теплоносителя;
2. Из соединенных посредством патрубков кольцевых рубашек (фиг.2) корпуса и топочной трубы с жидким теплоносителем и эвакуируемых между рубашками горячих продуктов горения.
При реализации любого из двух вариантов обеспечивается получение одного и того же технического результата.
Универсальный отопительный котел с верхней подачей топлива состоит (фиг.1) из колосника 1, зольника 2, цилиндрического корпуса 3 с крышкой 4, патрубком отвода продуктов горения 5, патрубками подвода 6 и отвода 7 жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива 8 над колосником, цилиндрической топливной трубы 9 для верхней загрузки твердого топлива, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса. Система теплообмена между горячими продуктами горения и жидким теплоносителем сформирована таким образом, что цилиндрические трубопроводы 10, 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 11. В центре крышки отопительного котла установлено горелочное устройство 12 для подачи вертикально вниз и сжигания газообразного топлива в верхней части топливной трубы.
Универсальный отопительный котел с верхней подачей топлива состоит (фиг.2) из колосника 1, зольника 2, цилиндрического корпуса 3 с крышкой 4, патрубком отвода продуктов горения 5, патрубками подвода 6 и отвода 7 жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива 8 над колосником, цилиндрической топливной трубы 9 для верхней загрузки твердого топлива, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса. Система теплообмена между горячими продуктами горения и жидким теплоносителем сформирована таким образом, что жидкий теплоноситель циркулирует в кольцевых рубашках корпуса 13 и топочной трубы 14, соединенных между собой посредством патрубков 15, а горячие продукты горения эвакуируются между рубашками корпуса и топочной трубы. В центре крышки отопительного котла установлено горелочное устройство 12 для подачи вертикально вниз и сжигания газообразного топлива в верхней части топливной трубы.
Осуществление полезной модели. Технический результат полезной модели показан в сравнении с конструкцией отопительного котла наиболее близкого технического решения тепловой мощностью 100 кВт.
При реализации полезной модели рассмотрены два варианта формирования системы теплообмена (фиг.1 и фиг.2), при реализации любого из которых обеспечивается получение одного и того же технического результата.
В обоих вариантах в центре крышки отопительного котла установлено горелочное устройство для подачи вертикально вниз и сжигания газообразного топлива в верхней части топливной трубы, и, таким образом, в топливной трубе организована камера сгорания газообразного топлива.
В качестве горелочного устройства может быть использована, например, газовая одноступенчатая горелка ELCO VG 02.120, KN с пневматическим регулированием газо-воздушной смеси. Горелка состоит из: корпуса со стандартной жаровой трубой с устройством смешения газо-воздушной смеси, газовой рампы с газовым клапаном, реле давления газа, газовым фильтром и устройства розжига EBI-M 1*11 kV.
Основные технические параметры горелки приведены в таблице 1.
Таблица 1
- Основные технические параметры горелки
Горелка
Мощность горелки, кВт
Длина огневой трубы, мм
Диаметр огневой трубы, мм
Давление газа, мбар
Газовая линия
ELCO VG 02.120, KN
70-120
150
115
20
MB-DLE 407 Rp3/4<sup>II</sup>
3
3
В качестве газообразного топлива могут быть использованы, например, природный газ или пропан. Низшая теплота сгорания их составляет 33,41 МДж/м и 86,53 МДж/м соответственно. Результаты расчета, выполненного для универсального отопительного котла тепловой мощностью 100 кВт, конструкция которого предложена в настоящей полезной модели, для твердого топлива (уголь марки Т Кузнецкого бассейна с теплотой сгорания 26,33 МДж/кг, зольностью на сухую массу 14,6%, рабочей влажностью 7% и выходом летучих веществ на горючую массу 12,5%) и для двух вышеупомянутых видов газообразного топлива (КПД для твердого топлива принят 0,84, для газообразного - 0,90) приведены в таблице 2.
Таблица 2
- Параметры эксплуатации универсального отопительного котла тепловой мощностью 100 кВт
Вид топлива
Низшая теплота сгорания
Количество потребленного топлива на 100 кВт тепловой мощности
Количество топочных газов на ед.топлива
Количество топочных газов на 100 кВт тепловой мощности
Уголь марки Т
26,33 МДж/кг
16,28 кг
7,35 нм<sup>3</sup>/кг
119,7 нм<sup>3</sup>
Природный газ
33,41 МДж/м<sup>3</sup>
11,97 нм<sup>3</sup>
10,43 нм<sup>3</sup>/нм<sup>3</sup>
117,5 нм<sup>3</sup>
Пропан
86,53 МДж/м<sup>3</sup>
4,62 нм<sup>3</sup>
25,57 нм<sup>3</sup>/ нм<sup>3</sup>
118,1нм<sup>3</sup>
Из представленных данных следует, что количество приходящихся на единицу тепловой мощности топочных газов для рассмотренных топлив практически не изменяется (разница не превышает 2%). Это позволяет сделать вывод о том, что система теплообмена отопительного котла будет функционировать практически в одинаковых условиях и не требует перенастройки.
Реализация настоящей полезной модели позволяет эксплуатировать универсальный отопительный котел с верхней подачей топлива, как на твердом, так и на газообразном топливе, переходя с одного на другое без изменения конструкции агрегата. Горелочное устройство для подачи вертикально вниз и сжигания газообразного топлива установлено в крышке отопительного котла.
Действие универсального отопительного котла на твердом топливе. Газ в горелочное устройство не подается. Для розжига твердого топлива на колосник укладывают легковозгораемое топливо, например, щепки, стружки и т.п. После прогрева котла топливную трубу с верхней части заполняют твердым топливом. Твердое топливо, загруженное сверху в топливную трубу, 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. 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 систему трубопроводов или между соединенных посредством патрубков кольцевых рубашек жидкого теплоносителя корпуса и топочной трубы (два варианта), отдавая тепло жидкому теплоносителю, циркулирующему в межтрубном пространстве или в кольцевых рубашках.
Действие универсального отопительного котла на газообразном топливе. Газообразное топливо подается в установленное в крышке отопительного котла горелочное устройство. Газовая одноступенчатая горелка с пневматическим регулированием газо-воздушной смеси осуществляет розжиг (с помощью специального устройства), дозирование и перемешивание газо-воздушной смеси с заданным коэффициентом избытка воздуха. Газообразное топливо сжигается в верхней части топливной трубы. Топочные газы проходят вниз по топочной трубе, отдавая часть (35-45%) своего тепла теплоносителю в рубашке топливной трубы (фиг.1) или теплоносителю, циркулирующему в межтрубном пространстве с внешней стороны топливной трубы (фиг.2).
Затем топочные газы эвакуируются из котла через систему трубопроводов или между соединенных посредством патрубков кольцевых рубашек жидкого теплоносителя корпуса и топочной трубы (два варианта), отдавая оставшееся тепло жидкому теплоносителю, циркулирующему в межтрубном пространстве или в кольцевых рубашках, и охлаждаясь при этом до температуры 150-180°С.
При эксплуатации универсального отопительного котла на газообразном топливе зольник плотно закрывается для минимизации подсосов воздуха.
Для перехода отопительного котла с твердого топлива на газообразное следует прекратить подачу твердого топлива в топливную трубу, сработать его остатки (в случае необходимости можно эвакуировать недогоревший уголь в зольник) и удалить золу из зольника. Далее подать газообразное топливо в горелочное устройство и произвести его розжиг.
Для перехода отопительного котла с газообразного топлива на твердое следует прекратить подачу газообразного топлива и осуществить пуск отопительного котла на твердом топливе, как это указано выше.
Отопительный котел имеет КПД 84% на твердом топливе и 90% на газообразном, температура получаемой горячей воды составляет 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 предлагаемого в полезной модели отопительного котла обеспечивает его универсальность, возможность эксплуатации на различных видах топлива: твердом или газообразном.