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.
Известен газогенератор для твердого топлива, содержащий корпус с футеровкой, бункер для топлива, камеру для золы (Патент РФ 2147601, кл. C10J 3/20, 2000).
Недостатками известного устройства являются неудобство в обслуживании, сложность конструкции и отсутствие автоматического управления работой устройства.
Известна 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.
Известно 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 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.
В качестве прототипа для заявляемой конструкции твердотопливного котла выбрано устройство (патент РФ 122465, м. кл. F23B 40/00, 2012). Котел содержит бункер для твердого топлива, теплообменник, топку, устройства подачи топлива и воздуха в топку, систему утилизации золы, блок управления, содержащий контроллер, датчики параметров, электрические приводы. Котел снабжен размольным устройством, установленным под бункером твердого топлива. В топке установлены реторта, соединенная узкой стороной с трубой шнека для подачи топлива через наклонную камеру, и расположенная над ретортой, поворотная чаша. Система утилизации золы снабжена механизмом очистки дымогарных труб, в котором очистные спирали расположены внутри дымогарных труб. Система оснащена шнеком для удаления золы, расположенным под шнеком для подачи топлива, и подсоединенными к одному приводу. Котел снабжен датчиками контроля технологических параметров, соединенных электрической связью с управляющим компьютером. 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 подачи 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. По сравнению с другими котлами подобного типа, предлагаемая конструкция имеет полный автоматический цикл.
Однако конструкция прототипа обладает таким недостатком, как наличие двух приводов в устройстве, что приводит к повышенному расходу электроэнергии и усложняет конструктив привода.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является разработка конструкции котла, обладающего пониженным расходом электроэнергии, компактной планировкой конструктивных элементов и, при этом, позволяющего работать в полностью автоматическом режиме без участия оператора весь цикл, начиная с подачи топлива и до золоудаления, 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 заключается в разработке конструкции, позволяющей достигнуть поставленную задачу и обладающей пониженным энергопотреблением и оптимальной компоновкой конструкции.
Поставленный технический результат достигается тем, что в автоматизированном твердотопливном котле, содержащем бункер для твердого топлива, теплообменник, топку, горелку, устройства подачи топлива в топку, систему утилизации золы, механизм очистки дымогарных труб, блок управления, содержащий контроллер, датчики параметров, электрический привод, размольное устройство, реторту, и расположенный над ретортой поворотный элемент, снабженный механизмом для преобразования вращательного движения вала привода в поворот реторты и элемента в горизонтальной плоскости, в заявляемой конструкции, в нижней части котла, над трубой шнека для подачи топлива установлена с возможностью свободного извлечения горелка, часть торцевой стенки которой выполнена наклонной и формой соответствующей примыкающей стороне топки, а в боковой поверхности средней части реторты выполнены отверстия, соединяющие внутреннюю полость реторты с горелкой, при этом, шнек для удаления золы, системы утилизации золы расположен на одном валу, соосно со шнеком для подачи топлива, и шнеки подсоединены к приводу размольного устройства.
Полезную модель дополняют частные отличительные признаки.
В качестве размольного устройства использована валковая дробилка.
Поворотный элемент выполнен в виде кольца, закрепленного в верхней части реторты на трубе, установленной на выходе из горелки, и поворотный элемент снабжен лопатками для удаления золы.
Механизм для преобразования вращательного движения вала шнека для подачи топлива в поворот реторты и кольца в горизонтальной плоскости состоит из ведущей шестерни, закрепленной на валу шнека, шестерни и цевочного механизма, закрепленных на реторте и поворотном кольце с возможностью вращения реторты и поворотного кольца в противоположных направлениях.
В боковой части трубы, выполнено отверстие для подачи горячего воздуха в реторту.
Котел снабжен датчиком пламени, установленным на наклонной стенке горелки, аварийным датчиком и датчиком температуры теплоносителя, установленными в верхней части теплообменника, датчиком веса, установленным в нижней части размольного устройства, а все датчики соединены электрической связью с блоком управления.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено изображение автоматизированного котла, вид сбоку, на фиг. 2 - фотография опытного образца котла.
На фигурах отмечены конструктивные элементы:
Бункер для хранения топлива 1
Размольное устройство 2,
Горелка 3,
Топка 4,
Теплообменник 5,
Емкость для золы 6,
Привод с электромотором 7,
Редуктор 8,
Шнек для подачи топлива 9,
Труба шнека 10,
Отвод трубы 11,
Реторта 12,
Отверстия реторты 13,
Наклонная стенка горелки 14,
Труба горелки 15,
Поворотное кольцо 16,
Лопатки 17,
Технический фен 18,
Вентилятор 19,
Передающий механизм 20,
Кривошип 21,
Тяга 22,
Коромысло 23,
Ось коромысла 24,
Тяги 25,
Очистные спирали 26,
Дымогарные трубы 27,
Выхлопная труба 28,
Датчик температуры 29,
Аварийный датчик 30,
Датчик веса 31,
Датчик пламени 32,
Шнек для золы 33,
Труба шнека для золы 34,
Лоток для золы 35,
Блок управления 36.
Бункер для хранения топлива 1 установлен над размольным устройством 2. В качестве размольного устройства может быть использована валковая дробилка. Твердотопливный котел снабжен горелкой 3. Горелка 3 вставлена в топку 4. Сверху над топкой 4 установлен теплообменник 5. Твердотопливный котел имеет лоток для золы 35 для сбора просыпавшейся золы в нижнюю часть горелки 3. Размольное устройство 2 соединено приводом с электромотором 7 посредством редуктора 8. Редуктор 8 соединен с возможностью передачи крутящего момента и на шнек для подачи топлива 9. Крутящий момент с редуктора 8 передается посредством зубчатой передачи на вал шнека для подачи топлива 9. На валу шнека 9 установлена ведущая шестерня, передающая крутящий момент через промежуточный вал-шестерню на вал дробилки 2. Шнек 9 расположен в трубе 10, выполненной с отводом 11. На отвод 11 трубы шнека 10 установлена реторта 12. В средней части реторты 12 выполнены отверстия 13 для подачи воздуха. В горелке 3, стенка около топки 4, выполнена наклонной. Наклонная стенка 14 горелки 3 присоединена к наклонной стенке топки 4, а другим концом прикручена к размольному устройству 2. Наклонная стенка 14 приварена к трубе 15, установленной в передней части горелки 3. На трубе 15 расположено поворотное кольцо 16, с возможностью поворота в горизонтальной плоскости. На поворотном кольце 16 закреплены лопатки 17 для удаления золы с наклонной стенки 14. Для подачи горячего воздуха в нижнюю часть реторты 12, твердотопливный котел имеет технический фен 18 и вентилятор 19. Вентилятор 19 закреплен на наклонной перегородке, внутри горелки 3. Передающий механизм 20 соединен со шнеком для подачи топлива 9 для передачи крутящего момента на реторту 12, поворотное кольцо 16 и вращения на кривошип 21. Передающий механизм 20 состоит из ведущей шестерни, закрепленной на валу шнека, который передает крутящий момент на вал шестерню, которая в свою очередь цевочным механизмом совершает поворот реторты 12. Ведущая шестерня соединена с другой вал-шестерней, которая передает крутящий момент при помощи цевочного механизма на поворотное кольцо 16 (на фигуре не показаны). Кривошип 21 расположен на валу, перед передающим механизмом 20 и соединен с тягой 22, которая приводит в движение коромысло 23, установленное на оси 24, закрепленной в верхней части теплообменника 5. К коромыслу 23 прикреплены тяги 25, подвижно соединенные со спиралями 26 для очистки дымогарных труб 27. В верхней части теплообменника 5 имеется выхлопная труба 28. Очистные спирали 26 расположены внутри дымогарных труб 27. В системе очистки дымогарных труб преобразуется вращательное движение привода 7 в возвратно-поступательное движение очистных спиралей 26. Теплообменник 5 состоит из дымогарных труб 27, по которым циркулируют горячие газы, уходящие в выхлопную трубу 28, расположенную в верхней части задней стенки теплообменника 5. В верхней части теплообменника 5 установлен датчик температуры теплоносителя 29, который определяет заданную температуру теплоносителя и аварийный датчик 30. Датчик 30 определяет аварийную остановку котла, подачу воздуха и топлива. В нижней части размольного устройства 2 установлен датчик веса 31. На наклонной стенке горелки установлен датчик пламени 32.
Датчик веса указывает на наличие топлива в бункере. Для удаления осыпавшейся золы из дымогарных труб 27 и поворотного кольца 16 под горелкой 3 установлен шнек 33. Шнек 33 установлен соосно, на одной оси со шнеком 9 для подачи топлива. Шнек 33 заключен в трубу 34 и расположен с возможностью транспортировки золы в емкость для золы 6, установленной рядом с горелкой 3. Блок управления 36 установлен на бункере 1.
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 блок управления компьютером. Основной параметр задает человек, а именно: максимальную температуру воды в котле. Чтобы выдержать заданный 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 поворотном кольце, 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 блока управления также поддерживает необходимое количество топлива в горелке и при необходимости подает топливо из бункера.
Системы автоматического золоудаления и автоматической очистки 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 9 подается через отвод 11 в реторту 12, где происходит непосредственное сгорание топлива. Через отверстия 13, выполненные в средней части реторты 12, происходит подача горячего воздуха при помощи технического фена 18 и вентилятора 19. Горячий воздух разжигает твердое топливо в реторте 12. Горящее твердое топливо попадает на поворотное кольцо 16. Под наклонной стенкой горелки 14, в трубе 15 выполнены каналы для прохода воздуха, который подается вентилятором 19. Воздух попадает в нижнюю часть реторты 12 и проходит через отверстия 13. Температура подаваемого горячего воздуха составляет 600°C. В процессе горения топлива, происходит его автоматическое перемешивание в реторте 12. При подаче топлива, с вала шнека передается крутящий момент для вращения реторты и поворотного кольца в противоположных направлениях.
По мере сгорания топлива образуются горячие газы, которые поступают из топки в теплообменник 5 и проходят через дымогарные трубы 27, нагревая находящуюся в теплообменнике жидкость. Далее охлажденные газы выходят наружу через выхлопную трубу 28. Также горячие газы, проходящие через дымогарные трубы 27, 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. Механизм очистки дымогарных труб 27, приводится в движение кривошипом 21 через тягу 22. При вращении вала шнека 9 приводится в движение коромысло 23, закрепленное на оси 24. Коромысло 23 приводит в движение тяги 25, на которых закреплены очистные спирали 26. Теплоноситель циркулирует в пространстве между дымогарными трубами 27 в теплообменнике 5.
Датчик пламени 32 является оптическим датчиком, при фиксации пламени, передает сигнал в блок управления 36 на компьютер на дальнейшую подачу топлива, по определенной программе, затем включается вентилятор 19. Датчик температуры теплоносителя 29 определяет заданную температуру теплоносителя. По показаниям датчика выдаются сигналы в контроллер блока управления, который управляет подачей топлива и воздуха. В процессе сгорания топлива образуется зола, которая осыпается вниз из поворотного кольца 16, где сгорает топливо. Вся осыпавшаяся зола из дымогарных труб 27 и поворотного кольца 16 автоматически удаляется шнеком 33 в емкость для золы 6.
Преимущества заявляемой конструкции заключаются в том, что твердотопливный котел обладает пониженным расходом электроэнергии, компактной планировкой конструктивных элементов и, 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 под держки нужного температурного режима;
4. Автоматическое перемешивание твердого топлива при горении;
5. Автоматическая очистка дымогарных труб;
6. Автоматическая чистка нижней части корпуса котла от золы и выгрузка золы в емкость