Устройство управления тепловой мощностью твёрдотопливного котла
SOLID FUEL BOILER HEAT OUTPUT CONTROL DEVICE

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам управления мощностью отопительных котлов на твердом топливе, и может быть использовано для создания энергонезависимых отопительных котлов с высокоточной механической системой управления тепловой мощностью.
Известно, что точность работы механической системы управления тепловой мощностью котла зависит от точности дозировки входного воздуха и инерционности терморегулятора, которая включает инерционность самого терморегулятора и инерционность процесса изменения температуры теплоносителя возле терморегулятора при изменении мощности котла или теплосъема в системе отопления. Что касается точности управления объемом входного воздуха, который в большинстве конструкций регулируется простой заслонкой, то она оказывается сравнительно низкой. Дело в том, что объем воздуха, проходящего в котел, зависит не только от площади проходного сечения щели между заслонкой и входным воздуховодом, но и от скорости движения воздуха, которая в свою очередь зависит от тяги, пропорциональной температуре дымовых газов. Поэтому точность управления объемом воздуха на средних и небольших мощностях оказывается недостаточной, и котел может перейти в неуправляемый режим или угаснуть. При одинаковом управляющем воздействии от терморегулятора при небольших углах открытия заслонки ее отклонение приводит к существенному изменению проходного сечения щели и, соответственно, объема поступающего в котел воздуха. Вследствие чего точность управления тепловой мощностью котла оказывается низкой. Вторым фактором, существенно влияющим на точность работы устройства управления тепловой мощностью котла, является большая тепловая инерционность процесса формирования управляющего воздействия в терморегуляторе. В основном это связано с низкой скоростью изменения температуры теплоносителя возле терморегулятора. Так, если время срабатывания терморегулятора (при изменении температуры вокруг него) может составлять десятки секунд, то изменение температуры теплоносителя возле терморегулятора может достигать нескольких десятков минут. Это связано с большой разницей объемов теплоносителя в рубашке котла и поступающего в нее по обратному трубопроводу теплоносителя с изменившейся температурой. Поэтому изменение температуры теплоносителя в рубашке котла занимает большое время. В целом точность механического устройства управления тепловой мощности котла оказывается низкой, в связи с чем возможны существенные колебания генерируемой мощности, что требует частого контроля работы котла и снижает его эксплуатационные характеристики.
Известно устройство управления тепловой мощностью отопительного котла /Патенты RU №№2561806, 2213907, котлы ZOTA, сертификат № ТС RU C-RU.AE88.B.01300, серия RU №0059232, котлы «Universal» НПП Пеллетрон (www.Pelletron.ru)/, которое содержит входной воздуховод, соединенный с подколосниковой полостью и заслонку, управляемую вручную или от терморегулятора. Недостатком такого устройства является низкая точность управления воздушным потоком и, как следствие, генерируемой тепловой мощностью. Это обусловлено перечисленными выше причинами.
Известно устройство управления тепловой мощностью отопительного котла /Патент RU №2743867/, выбранное в качестве прототипа, которое содержит входной воздуховод, двухступенчатую заслонку, соединенную приводом с терморегулятором, установленным в рубашке котла. В этом устройстве за счет использования двухступенчатой заслонки удалось существенно повысить точность управления входным воздушным потоком, однако из-за большой инерционности процесса выработки управляющего воздействия терморегулятором точность устройства управления в целом оказывается сравнительно низкой.
Техническим результатом является повышение точности динамического управления тепловой мощностью твердотопливного котла за счет высокой точности управления входным воздушным потоком и малого времени реакции на нестабильности, возникающие в котле или системе отопления.
Технический результат достигается тем, что в устройстве управления тепловой мощностью твердотопливного котла, содержащем входной воздуховод, двухступенчатую заслонку, привод заслонки, терморегулятор, соединенный через привод с заслонкой, рубашку котла, патрубок обратного трубопровода, содержится ограничитель, направляющая трубка и отражатель, размещенные последовательно внутри рубашки котла, между терморегулятором и патрубком обратного трубопровода.
Сущность изобретения поясняется на упрощенном рисунке на фиг. 1. На фиг. 1 показаны: 1 - входной воздуховод, 2 - двухступенчатая заслонка, 3 - привод заслонки, 4 - терморегулятор, 5 - рубашка котла, 6 - патрубок обратного трубопровода, 7 - ограничитель, 8 - направляющая трубка, 9 - отражатель.
Входной воздуховод 1, двухступенчатая заслонка 2 (патент РФ №2651393), привод заслонки 3, терморегулятор 4, рубашка котла 5, патрубок обратного трубопровода 6 в предлагаемой конструкции, по сравнению с прототипом и другими аналогами, существенных особенностей не имеют, поэтому подробно не рассматриваются. Ограничитель 7 предназначен для концентрации теплоносителя, поступающего из направляющей трубки 8, вокруг термочувствительной части терморегулятора 4. Ограничитель 7 может быть выполнен из металлической трубки квадратного или круглого сечения, имеющей с одной стороны донышко с отверстием, в которое вставляется направляющая трубка 8. Площадь проходного сечения между ограничителем 7 и термочувствительной частью терморегулятора 4 и между ограничителем и передней стенкой рубашки котла выбирается в несколько раз больше проходного сечения направляющей трубки 8. Направляющая трубка 8 предназначена для канализации теплоносителя от патрубка обратного трубопровода 6 непосредственно к термочувствительной части терморегулятора 4. Трубка 8 может быть выполнена, например, из металлопластиковой трубы и крепится на внутренней стенке рубашки котла. Отражатель 9 предназначен для дополнительной концентрации и направления теплоносителя на вход направляющей трубки 8. Отражатель 9 может быть выполнен из плоской или криволинейной пластинки, в зависимости от особенностей конструкции котла.
Работает устройство управления следующим образом. Перед розжигом топлива в котле, после его загрузки, с помощью привода 3 терморегулятором 4 за скобу на второй ступени заслонки 2 открываются обе ступени заслонки 2 на угол 30 - 40 градусов. Топливо поджигается и через непродолжительное время огонь охватывает большую часть топлива. По мере нагрева теплоносителя в котле терморегулятором 4 через привод 3 для предотвращения избыточной интенсификации горения заслонка 2 опускается, прикрывая входной воздуховод 1 и ограничивая поступление воздуха в котел. На больших мощностях воздух в котел поступает через щель, образующуюся между первой ступенью заслонки 2 и воздуховодом 1 и через отверстие в первой ступени, а на меньших мощностях через щель между первой и второй ступенями заслонки 2 и отверстие в первой ступени. При работе второй ступени заслонки точность управления потоком входного воздуха в несколько раз выше, чем при работе первой ступени, поскольку площадь отверстия в первой ступени заслонки в несколько раз меньше площади входного воздуховода. И при одном и том же воздействии от терморегулятора в заслонке с меньшей площадью изменение объема потока воздуха будет происходить на меньшую величину.
При изменении интенсивности (условий) горения твердого топлива или изменении теплосъема в контуре системы отопления достаточно быстро изменяется температура теплоносителя в обратном трубопроводе, поскольку скорость движения теплоносителя в системе отопления значительно больше, чем в рубашке котла. Часть потока теплоносителя, отражаясь от отражателя 9 и проходя через направляющую трубку 8, попадает в ограничитель 7, омывая термочувствительную часть терморегулятора 4. Через непродолжительное время (десятки секунд) терморегулятор 4 через привод 3 изменяет угловое положение заслонки, изменяя тем самым интенсивность горения в противоположную сторону и тем самым стабилизируя генерацию заданной тепловой мощности. Поскольку скорость изменения температуры теплоносителя в обратном трубопроводе и, как следствие, в ограничителе 7 значительно больше, чем в рубашке котла возле терморегулятора за пределами ограничителя 7, то время срабатывания терморегулятора 4 также существенно сокращается.
Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом и другими аналогами достигается высокая точность управления тепловой мощностью твердотопливного котла за счет высокой точности управления входным воздушным потоком и небольшого времени реакции на нестабильности, возникающие в котле или системе отопления. Тем самым обеспечивается высокая точность поддержания тепловой мощности котла на заданном уровне в автоматическом режиме в течение длительного времени. Возможность поддержания тепловой мощности с высокой точностью позволяет изменить подход к конструированию твердотопливных котлов. В частности, появляется возможность существенного увеличения объема топки котла и загружаемого в него топлива. Как следствие, увеличивается продолжительность горения. Еще одно важное следствие высокой точности управления тепловой мощностью котла является надежная автоматизация процесса горения, что увеличивает период его обслуживания и повышает безопасность и удобство эксплуатации. Экспериментальная проверка предлагаемого устройства, в том числе в экстремальных условиях эксплуатации котла, подтвердила заявляемые его характеристики.
Уровень разработки находится в стадии использования в серийно выпускаемых котлах различной мощности.