КОТЕЛ ВОДОГРЕЙНЫЙ

Полезная модель относится к источникам получения тепловой энергии, в частности к водогрейным котлам с каталитическими нагревательными элементами для глубокого окисления углеводородных топлив, в том числе газообразных (газ природный, сжиженный).
Известен водогрейный котел, содержащий цилиндрический корпус, каталитический нагревательный элемент (КНЭ) с «кипящим» слоем, выполненный в виде набора сеток с ячейками, имеющих размер 30×30 мм и 10×10 мм, и гранул катализатора, теплообменники, выполненные в виде змеевиков с шахматно-коридорным расположением труб, при этом около 0,1 части теплообменника погружено в «кипящий» слой, а остальная часть в надслоевом пространстве выполняет роль экономайзера (Симонов А.Д. и др., Каталитические теплофикационные установки, ж.Теплоэнергетика №4, 1999, с.15-16). В известной установке топливо вводится непосредственно в «кипящий» слой гранул катализатора через форсунки, а принудительно «кипящий» слой в зоне форсунок предназначен для распределения и смешения топлива с воздухом, при этом около 80% топлива сгорает в этой зоне. Необходимый градиент температур между верхней и нижней зонами корпуса задается отношением размера ячеек сеток к диаметру гранул катализатора и определяется эмпирическими формулами. Неизотермичность слоя между зонами сжигания топлива и отвода тепла облегчает пуск и экстлуатацию реактора. Выполнение теплообменнкиков в виде змеевиков, расположенных в шахматном порядке, обеспечивает максимальные коэффициенты теплопередачи от «кипящего» слоя к трубам из-за отсутствия крупных неоднородностей в виде газовых пузырей и «шапок» катализатора на верхней поверхности труб. Котел работает полностью в автоматическом режиме, кроме режима пуска и загрузки катализатора.
Недостатком известного устройства является быстрый износ гранул катализатора, т.к. под воздействием высоких температур, механических нагрузок и реакционной среды происходит его истирание и вынос в виде пыли, загрязняющей окружающую среду.
Другим недостатком КНЭ является нерациональная конструкция теплоприемников, при которой до 30% инфракрасной излучающей радиации (ИКР) не воспринимается тепловоспринимающей поверхностью змеевика, что приводит к дополнительным потерям энергии.
В силу диамагнитных свойств гранул катализатора, малой удельной реакционной активности окисления, не полностью осуществляется цикл глубокого окисления углеводородов, что сопровождается их недожогом с выбросом оксидов азота NO и углерода СО. По этой же причине в известном устройстве нельзя достигнуть широкого регулирования мощности водонагрева за счет регулирования расхода газа. Отсутствие на змеевике дополнительных теплоприемных поверхностей приводит к низкому тепловому КПД аналога с соответствующим повышением его габаритов, массы и соответственно стоимости.
Эти недостатки прежде всего обусловлены тем, что носитель катализатора, выполнен из диамагнитного материала, следствием чего является выше приведенные негативные свойства.
Известен бытовой котел водогрейный, содержащий трубчатой формы каталитический нагревательный элемент (КНЭ), вокруг которого с зазором размещен теплообменник с циркулирующей водой (Кирилов В.А и др., Применение каталитического способа окисления углеводородных газов для получения тепла в бытовой теплоэнегргетике, ж.Теплоэнергетика, №1, 2000, с.22). В известном котле происходит спутная подача реагентов: природный газ или пропан-бутан по трубе поступает в редуктор, а воздух из атмосферы по трубе подается вентилятором, при этом внутрь цилиндра по газораспределительной трубе заранее подготовленная топливовоздушная смесь подается приблизительно с коэффициентом избытка воздуха α=1,05. При этом теплообменник не имеет селективного покрытия, поглощающего инфракрасную радиацию (ИКР) при отсутствии тепловоспринимающей поверхности с геометрией повышающей тепловое восприятие бинарной радиационно-конвективной тепловой энергии, излучаемой КНЭ. Нагрев жидкости осуществляется вследствие радиационной и конвективной теплопередачи от нагревательного элемента. Достоинством известного котла является повышение экологической чистоты сгорания топлива по сравнению с котлами с «кипящим» слоем.
Недостатками известного котла являются невысокий коэффициент преобразования химически связанной энергии топлива, при глубоком каталитическом окислении углеводородов имеет место эмиссия оксидов азота и др. токсических веществ, а также значительные теплопотери ИКР при тепловосприятии теплообменником.
Наиболее близким техническим решением полезной модели является котел водогрейный, содержащий корпус с экономайзерной и активной зонами, каталитические нагревательные элементы, выполненные из пористого материала, включающие
катализатор, расположенный на носителе, и теплообменники (Поливода Ф.А. Каталитические котлы и энергоустановки, Изд-во МЭИ, 2003, с.54-55).
Недостатками известного котла являются: нерациональное конструктивное выполнение излучающих каталитических элементов, которое снижает на 30% интенсивность инфракрасного излучения и уменьшает бинарную радиационно-конвективную теплопередачу к теплоприемникам, а также повышает взрывоопасность котла.
Техническим результатом полезной модели является повышение качества сгорания углеводородных топлив, обеспечение экологически чистого низкотемпературного их каталитического сжигания путем уменьшения выброса оксидов азота и углерода, а также повышение температурного диапазона теплоснабжения.
6
6
Технический результат полезной модели достигается тем, что котел водогрейный, содержащий корпус с экономайзерной и активной зонами, каталитические нагревательные элементы, выполненные из пористого материала и включающие катализаторы, расположенные на носителе, и теплообменники, дополнительно снабжен отражающим замкнутым экраном, установленным в активной зоне с зазором относительно внутренней поверхности корпуса, каждый каталитический элемент выполнен из магнитного материала с магнитной восприимчивостью χ от 3,6·10 до 106·10 Гс·Э/г в виде полой камеры с продольным сечением в форме трапеции, две противоположно расположенные боковые стенки которой выполнены в виде излучающих пластин, теплообменники выполнены в виде трубчатых змеевиков с ребрами, при этом змеевики с ребрами, размещенные в активной зоне, на внешней своей стороне имеют покрытие, обладающее селективными свойствами, с толщиной 50-80 мкм и выполненное из оксидов магнитных металлов переходных групп, причем змеевики с ребрами, расположенные в активной зоне, установлены вокруг каталитических нагревательных элементов на расстоянии от внешней поверхности излучающих пластин, равным 7-14 мм, а между змеевиками, расположенными в экономайзерной зоне в средней ее части, установлены средства для сбора конденсата.
Согласно полезной модели излучающие пластины каталитических нагревательных элементов выполнены с объемной плотностью пор, соответствующей 45-80% относительно объема пластин.
Согласно полезной модели излучающие пластины каталитических нагревательных элементов имеют анизотропную микроструктуру с переменной плотностью по толщине.
Согласно полезной модели каталитические нагревательные элементы содержат слой катализатора с толщиной 50-80 мкм из оксидов магнитных металлов переходных групп.
Согласно полезной модели носитель катализатора выполнен либо из пористого железа, либо из пористого кобальта, либо из пористого никеля, либо из сплавов магнитных металлов с редкоземельными элементами.
Согласно полезной модели ребра змеевиков, расположенных в активной зоне, выполнены в виде дисков с толщиной ребра 0,5-3 мм, шагом 2-10 мм и диаметром каждого диска в 1,8-2 раза больше размера внешнего диаметра трубы змеевика, при этом внешний диаметр трубы змеевика соответствует 4-5 толщин излучающей пластины.
Согласно полезной модели ребра змеевиков, размещенных в активной зоне, имеют форму дисков со срезанными сегментами с шириной оснований, равным 10-18 мм, расположенных своими основаниями параллельно излучающей поверхности пластин.
Согласно полезной модели ребра змеевиков, расположенных в экономайзерной зоне котла, выполнены в виде квадратов или дисков.
Согласно полезной модели внутренний отражающий экран выполнен из титана.
Согласно полезной модели средство для сбора конденсата выполнено в виде лотков.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где: на фиг.1 представлена схема котла водогрейного; на фиг.2 - пластина каталитического нагревательного элемента, вид сбоку; на фиг.3 - анизотропная микроструктура пластины каталитического нагревательного элемента.
Котел водогрейный включает аэродинамический и гидравлический контура. Аэродинамический контур содержит корпус 1 прямоугольной формы с входной трубой 2 для подачи воздушной среды, расположенной в центре основания корпуса, средство для ввода газа 3, установленное с внешней стороны входной трубы 2, выхлопную трубу 4, расположенную на верхней стороне корпуса. Внутри входной трубы 2 размещено средство нагнетания воздушной среды 5 в корпус, выполненное в виде вентилятора или компрессора с изменяемой производительностью. В верхней части входной трубы 2 размещен газосмеситель 6 вихревой или струйный с набором сопл для подачи газообразного или парообразного топлива, при этом газовые сопла газосмесителя 6 подключены к средству ввода газа 3 посредством отсечного электроклапана 8 и газорегулирующего электроклапана 7 известного типа. Корпус 1 котла включает две
зоны: верхнюю - экономайзерную и центральную - активную. В активной зоне расположены: газомолекулярный смеситель 9, состоящий из одной или нескольких пластин, и выполненный из магнито-пористого материала, например, пористого никеля или пористого железа, или пористого кобальта, три каталитических нагревательных элемента 10 (КНЭ), электроклапан запальный 11 известного типа, а также отражающий замкнутый экран 12, отражающий инфракрасную радиацию в спектре длин волн от 1 до 8 мкм. Экран 12 расположен в активной зоне корпуса с зазором относительно внутренней поверхности корпуса и выполнен из материала с постоянным коэффициентом отражения, например, из титана. Экран 12 может быть выполнен, например, сборным и состоять из четырех прямоугольных секций. Отражающий экран 12 установлен в активной зоне вдоль внутренней поверхности корпуса вокруг КНЭ.
Каталитические нагревательные элементы установлены в активной зоне на равном расстоянии друг от друга в ряд в горизонтальной плоскости над газомолекулярным смесителем на панели, имеющей отверстия для поступления топливно-воздушной смеси. Каждый каталитический нагревательный элемент 10 выполнен из пористого магнитного материала в виде полой камеры с продольным сечением в форме трапеции, две противоположно расположенные боковые стенки которой выполнены в виде излучающих пластин 13 заданной толщины, а основание снабжено прорезями (на чертеже не указано) для обеспечения входа в камеру топливно-воздушной смеси (ТВС).
2
3
2
3
Газовыхлопная полость активной зоны сообщается с газовой полостью экономайзера. Котел 1 содержит теплообменники 14, 15, выполненные в виде трубчатых змеевиков, снабженных ребрами (на чертеже не показаны), при этом теплообменники 14 и 15, расположенные в экономайзерной и активной зонах, связанны между собой посредством коллекторов 16. В средней части экономайзерной зоны между трубчатыми змеевиками 14 установлены средства для сбора конденсата 17, которые могут быть выполнены в виде лотков. В экономайзерной зоне змеевики 14 имеют ребра, выполненные в виде дисков или квадратов. В активной зоне котла змеевики 15 расположены вокруг каждого КНЭ на расстоянии 7-14 мм от излучающей поверхности пластин 13, при этом ребра змеевиков 15 имеют форму дисков с толщиной 0,5-3 мм, шагом 2-10 мм, причем величина диаметра каждого диска змеевиков 15 в 1,8-2 раза больше внешнего диаметра трубы змеевика 15, который в свою очередь соответствует 4-5 толщин излучающей пластины 13. При этом змеевики 15 и их ребра имеют покрытие, обладающее селективными свойствами, с толщиной слоя 50-80 мкм и с высокой степенью адгезии к несущей поверхности. Покрытие выполняют из оксидов металлов переходных групп, например, LaО, СrО. Покрытие наносят на змеевики 15 и ребра
вакуумным, гальваническим или электрохимическим способом, а также пассивацией (в атмосфере кислорода). Селективное покрытие на теплообменниках 15 обеспечивает повышение поглощения ИК радиации и снижение собственных эмиссионных потерь, т.е. покрытие повышает эффективность преобразования лучистой энергии в тепловую.
Следует отметить, что для увеличения теплопередачи ребра змеевиков 15, размещенных в активной зоне, могут иметь форму дисков со срезанными сегментами с шириной оснований, равной 10-18 мм, расположенных своими основаниями параллельно излучающей поверхности пластин 13 КНЭ.
Каждый КНЭ снабжен: двумя датчиками температуры 28, выполненными, например, в виде термопар и установленными на каждой металлопористой пластине КНЭ, двумя ионизационными или оптическими датчиками открытого пламени известного типа (на чертеже не показаны), двумя электроискровыми запальными свечами известного типа, входящими в сосгав электровоспламеняющей горелки 19 известного типа, подключенными к автоматической системе управления технологическими процессами (АСУ ТП). Электровоспламеняющие горелки 19 подключены к средству ввода газа 3 через запальный электроклапан 11.
Гидравлический циркуляционный контур включает трубчатые змеевики 15 активной зоны, последовательно соединенные с трубчатыми змеевиками 14 экономайзерной зоны через соединительные разъемы 20, 21 и 22. Гидравлический контур подключен к внешней теплосети потребителя и содержит циркуляционный насос 23 и байпас 24.
Вентилятор 5 и циркуляционный насос 23 снабжены частотно регулируемыми электроприводами (ЧРП на фиг.1 не показан) с сигнализацией и обратными связями для АСУ ТП при работе котла водогрейного, к которой подключены также электроклапаны 11, 7 и 8. При этом котел водогрейный снабжен датчиками давления: воды 18, 25, газа 26, топливо-воздушной смеси 27 и датчиками температуры 28.
При этом верхний гидроколлектор 16 может быть снабжен клапаном известного типа для выпуска пузырей воздуха из гидросистемы в пусковом режиме водогрейного котла. Регулирование температуры воды осуществляют с помощью АСУ ТП по сигналам датчиков температур 28.
Конструкция плоской пластины 13 КНЭ, (фиг.2), имеющая размер, например, 500×250×5 мм, выполнена из магнитнопористого металла с анизотропной микроструктурой 29 переменной плотности по толщине (см. фиг.3) и с малым аэродинамическим сопротивлением не более 5 мм водяного столба. Изготавливают пластины 13 КНЭ из магнитных металлов переходных групп 4 ряда и 4 периода системы
6
6
2
элементов Д.И.Менделеева с магнитной восприимчивостью χ от 3,6·10 до 106·10 Гс·Э/г, обладающих газоселективными свойствами всасывания из воздуха кислорода О в зону каталитического горения. При этом КНЭ содержат катализатор с толщиной слоя 50-80 мкм, выполненный из оксидов магнитных металлов переходных групп, расположенный на носителе, а носитель катализатора выполнен либо из пористого железа, либо из пористого никеля, либо из сплавов магнитных металлов с редкоземельными элементами, например, из никеля с неодимом. Следует отметить, что пористость излучающей пластины может составлять 45-80% относительно объема пластины, а диаметр пор составляет 0,1-0,8 мм с толщиной проницаемых стенок 0,05-0,2 мм. Для обеспечения подачи очищенного воздуха в котел на входе трубы 2 установлен фильтр 32.
Водогрейный котел с каталитическими нагревательными элементами глубокого окисления углеводородов работает в трех режимах: пусковом, основном и режиме выключения.
В пусковом режиме для обеспечения взрывобезопасности предварительно устанавливают минимальный расход воздуха, например, с помощью вентилятора 5 (фиг.1) посредством ЧРП, и начинают осуществлять в течение одной минуты продувку котла воздухом. Затем по истечении одной минуты работы вентилятора 5 происходит автоматически открывание электроклапана 11 и на электровоспламенительные горелки 19 подается запальный газ. При этом, при открывании электроклапана 11 с блока запальнозащитного устройства (не показано) на запальные свечи горелок 19 с частотой 50 гц подают импульсы высокого напряжения 10 кВ в течение, например, 20 сек. Происходит воспламенение запальных факелов горелок 19, что приводит к возникновению ионного тока. При наличии ионного тока, свидетельствующего о появлении запального открытого пламени микрофакела на электровоспламяняющих горелках 19, происходит открытие отсечного электроклапана 8 и газ из средства для ввода 3 поступает через открытый на 15% газэрегулирующий электроклапан 7 на сопла газосмесителя 6. В газосмесителе 6 воздух, нагнетаемый вентилятором 5 через входную трубу 2, и газ, поступающий из средства ввода 3, смешивается, а затем поступает в газосмеситель 9 тонкого газосмешения, откуда подготовленная ТВС поступает внутрь камеры КНЭ 10 на излучающую поверхность пластин 13, что приводит к воспламенению всех излучающих поверхностей пластин 13 и повышению температуры (фиг.3) до 1200°С. Затем происходит открывание газорегулирующего электроклапана 7 в течение нескольких минут на 85%, что обеспечивает начало развития процесса
каталитического сгорания вначале на излучающей поверхности с последующим переходом его на всю толщину пластин 13 (фиг.1) и разогревом их на всю толщину до внутренней поверхности 30 при одновременном исчезновении открытого пламени с поверхности 31 (фиг.2), а также одновременном снижении температуры на поверхности пластины 31 (фиг.2) до 850°С. После этого происходит закрытие электроклапана 11 и подача газа на электровоспламенительные горелки 19 прекращается. Котел переходит в основной режим работы.
2
2
В основном рабочем режиме вентилятор 5 (фиг.1) по заданной программе продолжает нагнетать воздух в вихревой газосмеситель 6, в котором происходит подготовка топливо-воздушной смеси (ТВС) в стехиометрическом соотношении 1:10 при коэффициенте избытка воздуха α=1,05-1,35. Поток подготовленной смеси ТВС поступает в магнитно-пористый газосмеситель 9 тонкого газосмешения, в котором молекулы магнитного кислорода O воздуха (1/5 объема) частично отделяются от немагнитных молекул нейтрального азота N (4/5 объема), после чего разделяясь на несколько параллельных потоков, ТВС входит в полости КНЭ, в которых каждый поток еще разделяется на два одинаковых потока, поступающих на внутренние поверхности 30 пластин 13 КНЭ.
x
Поток ТВС, по мере продвижения по толще каталитических пластин, повышает интенсивность процесса сгорания (глубокого каталитического окисления углеводородов), что приводит к повышению температуры, которая на излучающей поверхности 31 (фиг.2) достигает 850°С, причем 2/3 инфракрасной радиации излучается на ребра трубчатых змеевиков 15, одновременно принимающих конвективную часть потока выхлопных газов с низким уровнем оксидов азота NO и углерода СО.
Часть инфракрасной радиации, излучаемой пластинами 13, обращенными к ограждающим поверхностям экрана 12 активной зоны котла, проходя через зазоры между ребрами трубчатых змеевиков 15 отражается отражающим экраном 12 на обратную поверхность трубчатых змеевиков с ребрами и тем самым дополнительно повышает температуру циркулирующего теплоносителя (воды). Конвективная тепловая энергия, уносимая потоком продуктов сгорания при температуре 500°С, поступает в экономайзер и воспринимается ребрами змеевиков 14, где передается циркулирующему теплоносителю (воде).
Радиационная часть бинарного теплового потока поглощается с коэффициентом поглощения А=0,8-0,92 в ИК спектре ребрами трубчатых змеевиков 15 активной зоны и передается циркулирующему теплоносителю.
В процессе движения газообразных продуктов сгорания вверх и попадания их в верхнюю часть котла (экономайзерную зону) выше каталитических нагревательных элементов, на ребрах трубчатых змеевиков 14 температура снижается с 500°С до 40-80°С. Происходит конденсация паров воды, синтезированной при каталитическом сгорании из топлива и кислорода воздуха, а конденсат улавливают системой лотков 17, после чего он поступает в бак технической воды, которая может полезно использоваться для различных целей, в том числе для подпитки теплосети потребителя. Циркуляция теплоносителя (воды) по гидросистеме осуществляется насосом 23 через входной разъем 20 и коллекторы 16, причем движение воды сверху вниз через разъем 22 происходит в противотоке с движением горячих газов снизу вверх.
При выходе из строя в процессе работы одного или нескольких рабочих элементов, обозначенных позициями 5, 6, 11, 10, 19, 7, 8 по сигналу с датчиков 18, 25, 26, 27 и 28 в целях обеспечения взрывобезопасности происходит автоматическое выключение водогрейного котла с последующим устранением причин неполадок.
В режиме выключения водогрейного котла отсечной электроклапан 8 (фиг.1) перекрывают, что приводит к прекращению подачи газа, падении температуры пластин 13 (фиг.1), а следовательно и падении температуры воды на выходе. После прекращения подачи газа, производят продувку котла воздухом с последующим выключением вентилятора 5 (фиг.1).
x
Q
2
Использовании котла водогрейного, согласно полезной модели, обеспечивает повышение энергетических и экологических характеристик каталитического беспламенного сгорания (глубокого окисления углеводородов на пластинах КНЭ) путем обеспечения практически абсолютной полноты сгорания (до 99,9%), т.е. снижение выбросов оксидов азота и угарного газа NO и СО (не более 0,001% от объема выброса) при получении тепловой энергии мощностью N 350 кВт/м.
Водогрейный котел, согласно полезной модели, предназначен для экологически чистой выработки тепловой энергии в целях теплоснабжения населения и промышленности, в том числе: для отопления жилых и производственных помещений, горячего водоснабжения, пищевых, банно-прачечных и других бытовых объектов, для кондиционирования воздуха в комплексе с системой теплоаккумулирования с одновременным получением технической воды из продуктов сгорания.