УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ НАГРЕВА ОТ ЗОЛОВЫХ И ШЛАКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Предлагаемое техническое решение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для более эффективной очистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений с меньшими топливоэнергетическими затратами.
Аналогичные технические решения известны: см., например, патент Российской Федерации на изобретение №2017057, который содержит следующую совокупность существенных признаков:
- котел;
- поверхность нагрева (теплообменник), выполненный в виде многотрубных пучков, установленных внутри верхней части котла;
- источник с теплоносителем, подсоединенный своими выходами к входам многотрубных пучков теплообменника;
- сборник нагретого теплоносителя, подсоединенный своим входом к выходам многотрубных пучков теплообменника и своим выходом к потребителю тепловой энергии;
- «N» запорно-регулирующих клапанов, установленных своими выходами во внутренней полости котла;
- источник сжатого воздуха, подсоединенный своими соответствующими выходами к соответствующим входам «N» запорно-регулирующих клапанов;
- систему управления, подсоединенную своим входом к выходу источника сигналов задания и своими соответствующими выходами к управляющим входам «N» запорно-регулирующих клапанов.
Общими признаками предлагаемого технического решения и охарактеризованным выше техническим решением являются:
- котел;
- теплообменник (поверхность нагрева), установленный внутри верхней части котла;
- источник с теплоносителем, подсоединенный своим выходом ко входу теплообменника;
- сборник нагретого теплоносителя, присоединенный своим входом к выходу теплообменника и своим выходом к потребителю тепловой энергии;
- «N» запорно-регулирующих клапанов, установленных своими выходами во внутренней полости котла;
- источник сжатого воздуха, подсоединенный своими соответствующими входами к соответствующим входам «N» запорно-регулирующих клапанов;
- контроллер (система управления) подсоединенный своим первым входом к выходу источнику сигналов задания и своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам «N» запорно-регулирующих клапанов.
Известно также аналогичное техническое решение: см., патент Российской Федерации на изобретение №2094728, которое выбрано в качестве ближайшего аналога (прототипа) и которое содержит следующую совокупность существенных признаков:
- котел;
- поверхность нагрева (теплообменник), установленный во внутренней полости верхней части котла;
- источник с теплоносителем, подсоединенный своим выходом ко входу теплообменника;
- сборник нагретого теплоносителя, присоединенный своим входом к выходу теплообменника и своим выходом к потребителю тепловой энергии;
- первый датчик температуры, установленный своим входом во внутренней полости камеры дымовых газов котла;
- второй датчик температуры, установленный своим входом во внутренней полости камеры дымовых газов котла;
- «М» датчиков температуры, установленные своими входами во внутренней полости камеры нагревания котла;
- «N» электромагнитных клапанов, установленных своими выходами во внутренней полости котла и подсоединенных одними из выводов своих обмоток к одному из выходов источника постоянного напряжения и другими выводами своих обмоток через «N» управляемых ключей соответственно к другому выходу источника постоянного напряжения;
- источник сжатого воздуха, подсоединенный своими соответствующими выходами к соответствующим входам «N» электромагнитных клапанов и своими первым и вторым входами к выходам сети переменного напряжения;
- систему автоматического управления, подсоединенную своим первым входом к выходу источника сигналов задания, своими соответствующими входами к соответствующим выходам датчиков температуры и своими соответствующими последующими выходами к соответствующим управляющим входам «N» управляемых ключей.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются:
- котел;
- теплообменник, установленный во внутренней полости верхней части котла;
- источник с теплоносителем, подсоединенный своим выходом ко входу теплообменника;
- сборник нагретого теплоносителя, присоединенный своим входом к выходу теплообменника и своим выходом к потребителю тепловой энергии;
- первый датчик температуры, установленный своим входом во внутренней полости камеры дымовых газов котла;
- второй датчик температуры, установленный своим входом во внутренней полости камеры дымовых газов котла;
- третий датчик температуры;
- четвертый датчик температуры;
- «N» электромагнитных клапанов, установленных своими выходами во внутренней полости котла и подсоединенных одними из выводов своих обмоток к одному из выходов источника постоянного напряжения и другими выводами своих обмоток через «N» управляемых ключей соответственно к другому выходу источника постоянного напряжения;
- источник сжатого воздуха, подсоединенный своими соответствующими выходами к соответствующим входам «N» электромагнитных клапанов и одним из своих выводов к одному из выходов сети переменного напряжения;
- контроллер (систему автоматического управления), подсоединенный своим первым входом к выходу источника сигналов задания, своим вторым входом к выходу первого датчика температуры, своим третьим входом к выходу второго датчика температуры, своим четвертым входом к выходу третьего датчика температуры, своим пятым входом к выходу четвертого датчика температуры и своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам «№» управляемых ключей.
Технический результат, который невозможно достичь ни одним из охарактеризованных выше технических решений заключается в обеспечении более достоверного контроля за процессом образования золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях нагревания теплообменника и в снижении топливоэнергетических затрат.
Причиной невозможного достижения вышеуказанного технического результата является то, что в отдельных известных аналогичных технических решениях вообще отсутствует контроль за изменением температуры внутри котла и ее использование при создании процесса разрушения золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях нагревания теплообменника, а в других аналогичных технических решениях, в т.ч. и в прототипе, измерение температуры тепловой энергии внутри котла осуществляют не в камере сгорания, а в камере нагревания, не учитывая при этом потери тепловой энергии, поступающей в камеру нагревания, измерение которой не обеспечивает более достоверного контроля за процессом образования золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях нагрева теплообменника и несвоевременного разрушения золовых и шлаковых отложений, что, в свою очередь, приводит к значительным топливоэнергетическим затратам.
Учитывая характеристики анализ известных аналогичных технических решений, можно сделать вывод, что задача создания средств более эффективной очистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений является актуальной на сегодняшний день.
Технический результат, указанный выше, достигается тем, что в устройстве для очистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений, содержащем котел, теплообменник, установленный внутри котла, источник с теплоносителем, подсоединенный своим выходом к входу теплообменника, сборник нагретого теплоносителя, подсоединенный своим входом к выходу теплообменника и своим выходом к потребителю тепловой энергии, первый датчик температуры, установленный своим входом во внутренней полости камеры дымовых газов котла, второй датчик температуры, установленный своим входом во внутренней полости камеры дымовых газов котла, третий датчик температуры, четвертый датчик температуры, «N» - электромагнитных клапанов, установленных своими выходами (соплами) внутри котла и подсоединенных одними выводами своих обмоток к одному из выходов источника постоянного напряжения и другими выводами своих обмоток к другому выходу источника постоянного напряжения через «N» - управляемых ключей, соответственно, источник сжатого воздуха, подсоединенный своими соответствующими выходами к соответствующим входам «N» - электромагнитных клапанов и своим первым входом к одному из выходов сети переменного напряжения и контроллер, подсоединенный своими первым входом к выходу источника сигналов задания, своим вторым входом к выходу первого датчика температуры, своим третьим входом к выходу второго датчика температуры, своим четвертым входом к выходу третьего датчика температуры, своим пятым входом к выходу четвертого датчика температуры и своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам «N» - управляемых ключей, при этом третий и четвертый датчики температуры установлены своими входами во внутренней полости камеры сгорания котла, а второй из питающих входов источника сжатого воздуха подсоединен к другому выходу сети переменного напряжения, через дополнительный управляемый ключ, подсоединенный своим управляющим входом к соответствующему (четвертому) выходу контроллера.
Установка третьего и четвертого датчиков температуры и подсоединение второго входа источника сжатого воздуха к другому выходу сети переменного напряжения, как указано выше, позволяет при подаче напряжения питания на электроды - 11 (12), воздуха от насоса - 9 и топлива через бункер - 7, последнее сгорает и образовавшаяся при этом теплая энергия в камере сгорания - 2 котла - 1 поступает в камеру - 3 нагревания котла - 1, осуществляя нагрев внешних поверхностей теплообменника - 14 и теплоносителя, поступающего с выхода источника - 15 с теплоносителем.
В процессе нагрева внешних поверхностей теплообменника - 14, на его внешних поверхностях образуется теплоизоляционный слой из золовых и шлаковых отложений и температуры нагревания теплоносителя, поступающего к потребителю снижается, а потребление топлива и электрической энергии возрастают.
Посредством первого - 25 и второго - 27 датчиков температуры осуществляют измерение температуры дымовых газов котла - 1, значения которой поступают на второй и третий входы контроллера - 33.
Посредством третьего - 29 и четвертого - 31 датчиков температуры осуществляют измерение температуры в камере - 2 сгорания топлива в котле - 1, значения которой поступают на четвертый и пятый входы контроллера - 33.
При этом необходимо отметить, что при отсутствии теплоизоляционного слоя из золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях теплообменника - 14, температура от сгораемого топлива в камере - 2 сгорания котла - 1 больше чем температура дымовых газов в камере 4 дымовых газов в котле 1, причем большая часть тепловой энергии, поступающей на внешние поверхности нагрева теплообменника - 14 в основном расходуется на нагрев теплоносителя, находящегося в теплообменнике - 14, а меньшая часть тепловой энергии, поступающей в камеру - 4 дымовых газов котла - 1, имеет температуру дымовых газов, выходящих через выходной патрубок - 5, меньшего значения, чем температура сгорания топлива в камере сгорания - 2 котла - 1.
При наличии образовавшегося теплоизолирующего слоя из золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях теплообменника - 14, температура дымовых газов в камере - 4 дымовых газов котла - 1 становится соизмеримой с температурой сгорания топлива в камере - 2 сгорания котла - 1, что свидетельствует о наличии теплоизолирующего слоя из золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях теплообменника - 14.
Поступившие сигналы с выходов первого - 25, второго - 27, третьего - 29 и четвертого - 31 датчиков температуры на соответствующие входы контроллера - 33 и поступившие сигналы с выхода источника сигналов задания - 34, обрабатывается в соответствии с программой, записанной в блоке памяти контроллера - 33, на выходах контроллера - 33 формируются соответствующие сигналы, которые поступают на соответствующие управляющие входы управляемых ключей - 24; 20; 21 и 22, обеспечивают подключение питающих входов источника сжатого воздуха - 23 к выходам сети переменного напряжения и создание сжатого воздуха высокого давления, а также обеспечивают подачу постоянного напряжения на выводы обмоток электромагнитных клапанов - 17; 18; 19 и подачу сжатого воздуха во внутреннюю полость камеры - 3 нагревания котла - 1, который воздействует на теплоизолирующий слой золовых и шлаковых отложений и разрушает его.
Тепловая энергия от сгоревшего топлива в камере сгорания - 2, котла - 1 вновь осуществляет нагрев внешних поверхностей теплообменника - 14, очищенных от золовых и шлаковых отложений.
При этом большая часть тепловой энергии от сгоревшего топлива используется на нагрев внешних поверхностей теплообменника - 14 и теплоносителя, находящегося в теплообменнике - 14, а меньшая часть тепловой энергии в виде дымовых горячих газов, имеющих температуру много меньшую, чем температура тепловой энергии, поступающей на внешние поверхности нагрева теплообменника - 14, направляется через выходной патрубок - 5 в окружающее пространство.
Измереные значения температур первым - 25, вторым - 27, третьим - 29 и четвертым - 31 датчиками температуры, на данном этапе работы, поступают на второй, третий, четвертый и пятый входы контроллера - 33 и в соответствии с сигналами задания, поступившими на первый вход контроллера - 33 с выхода источника - 34 сигналов задания и в соответствии с программой, записанной в блоке памяти контроллера - 33, обрабатываются, и контроллер - 33 прекращает осуществлять формирование соответствующих управляющих сигналов. Управляемые ключи - 24; 20; 21 и 22 размыкают свои замкнутые контакты и предотвращают подачу напряжения питания на входы источника - 23 сжатого воздуха и на электромагнитные клапаны - 17; 18; 19 и процесс очистки внешних поверхностей нагрева теплообменника - 14 от золовых и шлаковых отложений приостанавливается до появления последующих золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях нагрева теплообменника - 14 и появления изменений измеряемых значений температуры датчиками температуры. Поэтому предлагаемый контроль за появлением золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях теплообменника, путем измерения значений температур в камере - 2 сгорания и в камере - 4 дымовых газов, зависящими от толщины теплоизолирующего слоя из золовых и шлаковых отложений, позволяет своевременно осуществить разрушение теплоизолирующего слоя и предотвратить таким образом затраты топлива и электроэнергии необходимых для нагревания теплоносителя, в чем и проявляется достижение указанного выше технического результата.
Предлагаемое устройство для отчистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений, поясняется нижеследующим описанием и чертежом, где представлена функциональная схема устройства для очистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений.
Предлагаемое устройство для отчистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений содержит:
- котел - 1 с камерой - 2 сгорания прямоугольной формы, с камерой - 3 нагревания прямоугольной формы и с камерой - 4 дымовых газов прямоугольной формы;
- патрубок - 5 для отвода горючих газов (дыма) из внутренней полости камеры - 4 дымовых газов, выполненный в нижней части котла - 1;
- патрубок - 6 для вывода шлака из камеры - 2 сгорания, выполненный в нижней части котла - 1;
- бункер - 7 для подачи угля в камеру - 2 сгорания котла - 1, установленный своим выходом в окне - 8, выполненном в одной из боковых стенок (левой) камеры - 2 сгорания котла - 1;
- насос - 9 для подачи воздуха в камеру - 2 сгорания котла - 1, установленный своим выходом в окне - 10, выполненном в одной из боковых стенок (левой) камеры - 2 сгорания котла - 1;
- как минимум, одну горелку, выполненную, например, в виде двух графитовых стержней (электродов) - 11; 12, установленных в отверстии - 13, выполненном в одной из боковых стенок (левой) камеры сгорания 2 котла 1, расположенных одними концами своих выводов во внутренней полости камеры - 2 сгорания и подсоединенных другими концами своих выводов к выходам источника питания (на чертеже не показан);
- теплообменник - 14, выполненный, например, в виде труб «U»-образной формы, установленных во внутренней полости камеры - 3 нагревания котла - 1, параллельно друг другу своими плоскостями и параллельно боковым внутренним стенкам камеры - 3 нагревания котла - 1;
- источник - 15 с теплоносителем (вода, пар), подсоединенный своими соответствующими выходами к входам «U»-образных труб теплообменника - 14;
- сборник - 16 нагретого теплоносителя, подсоединенный своими соответствующими входами к выходам «U»-образных труб теплообменника - 14 и своим выходом через выходной патрубок к потребителю тепловой энергии (позиции патрубка и потребителя тепловой энергии на чертеже не представлены);
- «N» - электромагнитных клапанов - 17; 18; 19, установленных своими выходами в отверстиях (на чертежах не представлены), выполненных в одной из боковых (правой) стенок камеры - 3 нагревания котла - 1 и сообщающихся своими выходами с внутренней полостью камеры - 3 нагревания котла - 1 и подсоединенных одними из выводов своих обмоток к одному из выходов источника постоянного напряжения и другими выводами своих обмоток через «N» - управляемых ключей - 20; 21; 22 соответственно к другому выходу источника постоянного напряжения;
- источник - 23 сжатого воздуха (компрессор с воздухораспределителем), подсоединенный своими соответствующими выходами к соответствующим входам "N” - электромагнитных клапанов - ; 17; 18; 19 (то есть первый выход подсоединен к входу первого электромагнитного клапана - 17, второй выход подсоединен к входу второго электромагнитного клапана - 18, третий выход подсоединен к входу третьего электромагнитного клапана - 19 и т. д.), одним своим входом к одному из выходов сети переменного напряжения 220 В и другим своим входом через управляемый дополнительный ключ - 24 к другому выходу сети переменного напряжения 220 В;
- первый датчик - 25 температуры, установленный в отверстии - 26, выполненном в одной из боковых стенок (левой) камеры - 4 дымовых газов котла - 1 и расположенный своим входом во внутренней полости камеры - 4 дымовых газов котла - 1;
- второй датчик - 27 температуры, установленный в отверстии - 28, выполненном в другой боковой (правой) стенке камеры - 4 дымовых газов котла - 1;
- третий датчик - 29 температуры, установленный в отверстии - 30, выполненном в одной из боковых стенок (левой) камеры - 2 сгорания котла - 1;
- четвертый датчик - 31 температуры, установленный в отверстии - 32, выполненном в другой боковой (правой) стенке камеры - 2 сгорания котла - 1 и расположенный своим входом во внутренней полости камеры - 2 сгорания котла - 1;
- контроллер - 33, подсоединенный своим первым входом к выходу источника - 34 сигналов задания, своим вторым входом к выходу первого датчика температуры - 25, своим третьим входом к выходу второго датчика - 27 температуры, своим четвертым входом к выходу третьего датчика - 29 температуры, своим пятым входом к выходу четвертого датчика - 31 температуры и своими соответствующими выходами к соответствующим управляющим входам «N» - управляемых ключей - 20; 21; 22 и т.д. (то есть первый выход контроллера - 33 подсоединен к управляющему входу первого из «N» - управляемых ключей - 20, второй выход контроллера - 33 подсоединен к управляющему входу второго из «N» - управляемых ключей - 21, третий выход контроллера - 33 подсоединен к управляющему входу третьего из «N» - управляемых ключей - 22 и т.д., а четвертый выход контроллера - 33 подсоединен к управляющему входу дополнительного управляемого ключа - 24).
Предлагаемое устройство для отчистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений работают следующим образом. Подключают напряжение питания к, как минимум, двум графитовым электродам - 11; 12. подают во внутреннюю полость камеры - 2 сгорания котла - 1 из бункера - 7 топливо и воздух посредством насоса - 9, в результате сгорания которых осуществляется, в камере - 3 нагревание котла - 1, нагрев внешних поверхностей теплообменника, выполненного в виде "U″-образных трубок - 14 и теплоносителя поступающего в "U″-образные трубки - 14, с выходов которых нагретый теплоноситель поступает в сборник теплоносителя - 16, а из него через выходной патрубок к потребителю тепловой энергии. Образовавшийся в процессе сгорания топлива в котле - 1, шлак удаляется через выходной патрубок - 6, а горючие газы через выходной патрубок 5.
При этом на внешних поверхностях "U" образных труб - 14 теплообменника откладываются золовые и шлаковые отложения, которые при длительной эксплуатации котла - 1 образуют теплоизоляционный слой, требующий для нагревания теплоносителя больших топливных и энергетических затрат.
С помощью первого датчика - 25 температуры и второго датчика - 27 температуры измеряют температуру дымовых газов в камере - 4 дымовых газов котла - 1, значения которых поступают на второй и третий входы контроллера - 33.
С помощью третьего датчика - 29 температуры и четвертого датчика - 31 температуры измеряют температуру сгораемого топлива в камере сгорания - 2 котла - 1, значения которых поступают на четвертый и пятый входы контроллера - 33.
В соответствии с сигналами задания, поступившими на первый вход контроллера - 33 и в соответствии с программой, записанной в блоке памяти контроллера - 33, контроллер - 33 анализирует и обрабатывает сигналы, поступившие с выходов первого - 25, второго - 27, третьего - 29 и четвертого - 31 датчиков температуры, и в случае равенства измеренных значений температуры в камере - 2 сгорания топлива в котле - 1 и в камере - 3 нагревания в котле - 1, что свидетельствует о наличии теплоизолирующего слоя из золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях теплообменника - 14 и температуры дымовых газов котла - 1, соизмеримой с температурой сгорания топлива в камере - 2 сгорания котла - 1, формирует управляющие сигналы, которые с первого выхода контроллера - 33 поступают на управляющий вход первого - 20 из «N» управляемых ключей и обеспечивают замыкание его контактов и срабатывание (открывание) первого - 17 из «N» электромагнитных клапанов, со второго выхода контроллера - 33 поступают на управляющий вход второго - 21 из «N» управляющих ключей и обеспечивают замыкание его контактов и срабатывание (открывание) второго - 18 из «N» - электромагнитных клапанов, с третьего выхода контроллера - 33 поступают на управляющий вход третьего - 19 из «N» управляемых ключей и обеспечивают замыкание его контактов и срабатывание (открывание) третьего из «N» управляемых ключей и обеспечивают замыкание его контактов и срабатывание (открывание) третьего из «N» электромагнитных клапанов и т.д., с четвертого выхода контроллера - 33 поступают на управляющий вход дополнительного управляемого ключа - 24 и обеспечивают замыкание его контактов и подачу напряжения сети переменного напряжения на первый и второй входы источника - 23 сжатого воздуха, который обеспечивает создание сжатого воздуха высокого давления и его подачу через электромагнитные клапаны - 17; 18; 19 во внутреннюю полость котла - 1. Поступивший сжатый воздух высокого давления в камеру - 3 нагревания теплообменника - 14, разрушает теплоизолирующий слой из золовых и шлаковых отложений и освобождает внешние поверхности теплообменника - 14 от этих отложений.
В результате разрушения теплоизолирующего слоя из золовых и шлаковых отложений внешние поверхности теплообменника - 14 освобождаются от золовых и шлаковых отложений, и тепловая энергия от сгорающего топлива поступает на очищенные внешние поверхности теплообменника - 14 и нагревает теплоноситель, поступающий в теплообменник - 14 с выхода источника - 15 с теплоносителем.
При этом температура дымовых газов в камере - 4 дымовых газов в котле - 1 снижается, и контроллер - 33 с вновь поступившими измеряемыми значениями температур с выходов первого 25, второго - 27, третьего - 29 и четвертого - 31 датчиков температуры, а также в соответствии с программой, записанной в блоке памяти контроллера - 33, прекращает формирование управляющих сигналов и управляемые ключи - 20; 21; 22 и 24 обесточиваются и поступление сжатого воздуха высокого давления с выходов источника - 23 сжатого воздуха через электромагнитные клапаны - 17; 18; 19 во внутреннюю полость камеры - 3 нагревания котла - 1 прекращается, а устройство для очистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений переходит в режим ожидания и появления следующих золовых и шлаковых отложений на внешних поверхностях теплообменника - 14.
Таким образом предлагаемое устройство для очистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений позволяет, за счет постоянного измерения температуры сгораемого топлива и температуры дымовых газов и за счет их отклонений от заданных значений, осуществить своеобразный и достоверный контроль о наличии на внешних поверхностях теплообменника золовых и шлаковых отложений и обеспечить их разрушение за счет подачи сжатого воздуха высокого давления на внешние поверхности теплообменника, осуществляя при этом экономию топливо-энергетических затрат. Поэтому предлагаемое устройство для очистки поверхностей нагрева от золовых и шлаковых отложений займет достойное место среди известных объектов аналогичного назначения.