Устройство подачи твёрдого топлива
SOLID FUEL SUPPLY DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение.
Устройство относится к области теплоэнергетики и котлостроения, преимущественно к отопительным и промышленным устройствам при сжигании топлива.
Уровень техники.
В мире известно множество устройств для сжигания твёрдого топлива с целью получения тепловой энергии. К таким устройствам относятся котлы для сжигания угля, древесины, пеллетов или топливных брикетов.
В настоящем изобретении рассматривается устройство подачи топлива в котлы для сжигания угля.
Устройство котлов, как для сжигания угля, так и для сжигания иных видов твёрдого топлива и принцип их работы схожи.
Котёл состоит из камеры сгорания, воздуховодов, системы шлако-золоудаления и устройства для подачи топлива в камеру сгорания.
Принцип работы таких котлов заключается в порционной загрузке топлива в камеру сгорания котла, последующее сжигание топлива и удаления остатков топлива.
С развитием уровня техники в конструкцию котлов или дополнительного оборудования встраивают системы автоматизации соответствующих процессов, позволяющее свести к минимум участие человека в регулировании работы котла. Для этого в числе прочего, используют устройства подачи топлива в котёл различных конструкций, облегчающие и упорядочивающие подачу топлива в котёл.
Для работы автоматизированных твёрдотопливных котлов, как правило, используют уголь класса С (семечка) размером 6-13 мм, класса М (мелкий) размером 13-25 мм и класса О (орех) размером 25 - 50 мм. Использование угля больших фракций, чем указано выше, приводит к преждевременному выходу котла из строя, либо не полному сгоранию топлива. Поэтому перед производителями и пользователями твёрдотопливных котлов, работающих на угле, встаёт проблема сепарации топлива или его предварительной обработки, т.к. для этого необходимы дополнительные механизмы, влекущие за собой усложнение конструкции котлов или системы питания котлов, что в свою очередь приводит к увеличению затрат, связанных с покупкой и обслуживанием котельного оборудования.
Также производители и пользователи котлов сталкиваются с проблемами некачественной эксплуатации котлов, одной из причин которых может быть неправильная работа персонала, в частности оператора котла. Загрузка топлива в котёл производится оператором котла исходя из температуры воды, которую такой котёл нагревает. Количество топлива, которое оператор котла подгружает в котёл может быть более или менее необходимого количества, что в свою очередь может привести либо к перегреву котла и последующему выходу из строя, либо к недостаточному нагреву. В первом случае потребуется остановка и ремонт котла, что несёт дополнительные затраты, как временные, так и материальные.
Помимо проблемы использования разнофракционного угля перед авторами изобретения также стояла задача оптимизировать конструкцию устройства для подачи топлива, за счёт повышения эффективности используемых узлов.
Кроме обозначенных задач авторы также преследовали цель увеличения механизации и автоматизации процессов работы твёрдотопливного котла, позволяющие упростить эксплуатацию такого котла и исключить риски, связанные с ошибками такой эксплуатации обслуживающим персоналом.
Из уровня техники известно изобретение по патенту RU 2628366C1, дата приоритета 18.08.2016г. В данном изобретении раскрыт твёрдотопливный питатель содержащий бункер, размещенный над топкой, выпускное отверстие которого сообщено через камеру топливо подачи с поверхностью решетки, снабженной кривошипно-шатунным механизмом ее возвратно-поступательного движения, и привод этого механизма, при этом в полости камеры топливоподачи размещены дозатор топлива, верхняя и нижняя шиберные заслонки, установленные с возможностью поворота вокруг горизонтальных осей, параллельных передней стенки топки, и отбойный лист с наклоном не меньше угла скольжения угля по стали. Дозатор содержит цилиндрический топливный барабан, снабженный равноудаленными друг от друга треугольными выступами, ориентированными вдоль образующих, установлен с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси, параллельной передней стенки топки, снабжен приводом вращения и выполнен длиной, равной ширине камеры топливоподачи, причем верхняя шиберная заслонка верхней кромкой шарнирно скреплена с задней стенкой камеры топливо подачи, а нижней - оперта на обращенный к ней участок топливного барабана, при этом нижняя шиберная заслонка верхней кромкой шарнирно скреплена с задней стенкой камеры топливоподачи, ниже оси вращения топливного барабана, а нижней - оперта на обращенный к ней участок поверхности решетки, причем питатель снабжен узлом согласования работы привода возвратно-поступательного движения колосниковой решетки и привода топливного барабана. Кроме того, между бункером и камерой топливоподачи выполнена приемная камера в виде сопряженного с ними пустотелого корпуса, в полости которого установлена наклонная разгрузочная пластина с наклоном не меньше угла скольжения угля по стали, верхняя кромка которой жестко скреплена с задней стенкой приемной камеры, а нижняя - размещена с зазором к передней стенке приемной камеры. Обеспечено повышение глубины регулирования подачи топлива и точности его дозирования при работе на малых нагрузках. Изобретение позволяет повысить глубину регулирования подачи топлива и точность его дозирования при работе на малых нагрузках. К недостаткам данного изобретения можно отнести отсутствие механизма, предохраняющего от использования некондиционного угля, т.е. угля больших фракций, чем это допустимо, при отсутствии такого механизма у изделия по данному патенту возникает риск заклинивания механизма подачи топлива в камеру сгорания, нет возможности использовать разнофракционный уголь, процесс подачи угля не автоматизирован.
По патенту RU 99856 U1 «Устройство для подачи твёрдого топлива к установкам для сжигания», дата приоритета 21.04.2010г., известна полезная модель, раскрывающая устройство для подачи твердого топлива к установкам для сжигания, имеющее расходный бункер, а также расположенный под ним и размещенный в кожухе, соединенном с бункером, подающий шнек, один конец которого соединен с приводом, а другой имеет возможность соединения с установкой для сжигания, отличающееся тем, что расходный бункер выполнен в виде цилиндра и снабжен радиально расположенным на дне с возможностью вращения относительно оси цилиндра ворошителем топлива, имеющим расположенный снаружи привод, оси подающего шнека и расходного бункера расположены в параллельных вертикальных плоскостях, а в месте соединения бункера и кожуха шнека имеется загрузочное устройство, выполненное в виде жестко прикрепленного к бункеру и кожуху короба с поперечной заслонкой, имеющей возможность горизонтального перемещения, и соответствующего окна на дне бункера. К недостаткам данного патента можно отнести отсутствие механизма, предохраняющего от использования некондиционного угля, нет механизма дозирования подачи угля, нет возможности использовать разнофракционный уголь, процесс подачи угля не автоматизирован, наличие нескольких двигательных механизмов, приводящих в движение шнеки.
Также из уровня техники известно устройство по патенту RU 134616 U1, дата приоритета 22.05.2013 г. В данном патенте раскрыто устройство подачи твёрдого топлива содержащее бункер хранения топлива, шнек-дозатор, расположенный в бункере, поворотный шлюз, подающий шнек, колосниковую решетку, механизм привода, в котором шнек-дозатор, поворотный шлюз и подающий шнек выполнены с параллельными осями и установлены последовательно друг под другом, отличающееся тем, что подающий шнек содержит рабочую часть и буферную часть, а поворотный шлюз выполнен над рабочей частью подающего шнека. К недостаткам данного патента можно отнести риск засорения колосниковой решётки при использовании разнофракционного угля, наличие дополнительного привода приводящего в действие поворотный шлюз, что ведёт к усложнению конструкции и обслуживания устройства, наличие отдельного двигателя для каждого привода, отсутствие автоматизации процесса, наличие нескольких двигательных механизмов, приводящих в движение шнеки и дозатор.
Из приведённых аналогов заявленного изобретения наиболее близким является патент на полезную модель RU 134616 U1, дата приоритета 22.05.2013 г. Признаки этой полезной модели, совпадающие с признаками заявленного изобретения являются: наличие бункера для хранения топлива или приёмной воронки, шнека дозатора, расположенного в бункере, колосниковой решётки, механизм привода, подающего шнека. Данный патент взят за прототип.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение является отсутствие возможности без дополнительной обработки использовать в твёрдотопливных угольных котлах разнофракционный уголь при наличии одного двигательного механизма с автоматизированной подачей такого угля в топку котла.
4. Раскрытие сущности изобретения.
Для решения обозначенной технической проблемы авторы изобретения предлагают устройство подачи твёрдого топлива, состоящее из приёмной воронки для топлива, механизма шнековой подачи топлива, включающего дробящий шнек, выводной шнек, решётку-дозатор, приводной механизм с механическим редуктором.
Для автоматизированной подачи угля необходимо устройство для его хранения с возможностью автоматической подачи. Таким устройством является приёмная воронка для топлива, выполненный цилиндрической, прямоугольной или иной формы, но в любом случае имеющий сужение ко дну, образуя выходное отверстие в виде воронки, по средствам которого уголь под собственной тяжестью продвигается вниз к дробящему шнеку.
Дробящий шнек выполнен в виде единого шнека с лопастями, имеющими разный диаметр в разных его частях. Дробящий шнек условно разделён на 2 части: рабочая и отводящая. Рабочая часть дробящего шнека находится непосредственно под выходным отверстием приёмной воронки, а отводящая часть – в корпусе устройства. Диаметр лопастей дробящего шнека, расположенных в рабочей его части выполнен размером примерно равным размеру кусков исходного топлива. Диаметр лопастей дробящего шнека, расположенных в отводящей его части, выполнен меньшего размера по сравнению с диаметром лопастей, находящихся на рабочей части дробящего шнека. Такое решение обусловлено тем, что рабочая часть дробящего шнека, помимо дробления через решетку-дозатор, выполняет функцию захвата больших кусков топлива. Отводящая часть, находящаяся в узком отверстии на выходе из рабочей зоны, дробит оставшиеся куски до необходимой фракции.
Под рабочей частью дробящего шнека расположена решётка-дозатор, выполняющая сепарационные и дробильные функции. В ходе экспериментов авторы установили, что дробление угля происходит в момент взаимодействия лопастей дробящего шнека, топлива и решётки-дозатора. За счёт трения, возникающего между лопастями, решёткой-дозатором и топливом последнее измельчается до необходимых размеров и проходит чрез выходные отверстия решётки-дозатора.
Решётка-дозатор огибает лопасти дробящего шнека до половины диаметра лопастей, но не прилегает к нему вплотную, выполнена с ячейками, хотя бы один из размеров которых не превышает 50 мм. Необходимость использования таких размеров ячеек обусловлена классом угля, который может быть использован для твердотопливных котлов, а именно: класс С (семечка), класс М (мелкий) и класс О (орех). Уголь, попадая посредством дробящего шнека на решётку-дозатор, просеивается. Через решётку-дозатор проходит уголь, соответствующий размеру ячейки, а тот, что не соответствует - подвергается дроблению до необходимого размера и в итоге также проходит через выходные отверстия решётки-дозатора.
Форма самих отверстий решётки-дозатора может быть различной: в виде квадрата, ромба, круга, прямоугольника и иной. Основное требование к такой форме, чтобы она не пропускала топливо фракцией более 50 мм.
В наружной части решётки-дозатора имеются направленные наружу, т.е. направленные в сторону выводного шнека, крепления, позволяющие путём установки заградительных пластин, частично закрыть выходные отверстия решётки-дозатора. Такое решение позволяет дополнительно регулировать количество подаваемого топлива, т.к. при полностью открытой решётке-дозаторе количество топлива, попадаемого на выводной шнек больше по сравнению с частично закрытой решёткой-дозатором. Крепления, позволяющие установить заградительные пластины к решётке-дозатору и частично закрыть её выходные отверстия, могут быть выполнены в виде болтов или шпилек с резьбой, на которые надевается соответствующая заградительная пластина или пластины и закрепляется с помощью гаек. Такое решение необходимо применять в зависимости от характеристик используемого топлива. Например, при использовании угля, необходимо учитывать его влажность и фракционный состав. Чем меньше фракционный состав и меньше влажность, тем большее количество угля будет попадать через решётку-дозатор на выводной шнек, не зависимо от работы дробящего шнека. И в этом случае установка заградительных пластин уменьшает попадание угля на выводной шнек и в котёл, и нормализует работу последнего.
Для регулировки фракционности подаваемого топлива, допустима замена решётки дозатора с одним размером ячеек на решётку-дозатор с иным размером ячеек. Например, твёрдотопливный котёл, работающий преимущественно на угле, перерабатывает уголь исключительно класса С (семечка), фракционный размер которого составляет 6 – 13 мм. Для этого котла уголь класса О (орех) с фракционным размером 25 - 50 мм не подойдёт. Поэтому необходима будет установка решётки-дозатора с размером ячеек минимум 6 мм.
Выводной шнек соединён с дробящим шнеком, преимущественно, через цепную передачу и расположен под ним. В реализации данной части изобретения авторы допускают, что цепная передача может быть заменена зубчатой, ременной или механической редукторной. Но в этом случае надёжность и ремонтопригодность этого узла уменьшается. Поэтому авторы применили именно цепную передачу. Такое решение авторами было принято для увеличения эффективности используемого в заявленном изобретении оборудования, в частности электродвигателей, т.к. для движения выводного шнека, как правило, используют отдельный двигатель, а в заявленном изобретении используется один двигательный механизм на оба шнека.
Дробящий и выводной шнеки могут двигаться с одинаковой или разной частотой относительно друг друга. Выбор подходящей частоты вращения каждого шнека зависит от характеристик используемого топлива и характеристик котла, в который такое топливо подаётся. Разность частота вращения, дробящего и выводного шнеков, достигается преимущественно, за счёт разности диаметра шкивов или звёзд, находящихся в торцах шнеков, которые соединены между собой приводным ремнём или цепью.
Направление движения дробящего и выводного шнеков может быть одинаковое или противоположное относительно друг друга. Выбор направления движения шнеков зависит от компоновочных решений котельной (топочной), т.к. позволит расположить приемную воронку ближе к котлу и тем самым сместить бункер.
Диаметр, толщина и шаг лопастей дробящего и выводного шнеков определяются исходя из характеристик котла, в который будет подаваться топливо. Чем меньше расход и исходная фракция угля, тем меньше диаметр и шаг лопастей шнеков. И наоборот, чем больший расход и исходная фракция угля, тем больше необходимый диаметр, шаг и толщина лопастей.
Двигательный механизм, приводящий в движение дробящий шнек и выводной шнек, состоит из электрического двигателя, передающего крутящий момент на дробящий шнек, выводной шнек или оба одновременно через механический редуктор. Допустима установка двигательного механизма через зубчатую передачу между шнеками.
После попадания угля через решётку-дозатор на выводной шнек происходит движение угля к топке котла. Количество угля, которое необходимо доставить в топку котла определяется электронной системой, включающей в себя датчики температуры воды, подогреваемой котлом. За счёт считывания показания этого датчика электронная система определяет достаточное количество угля или не достаточное находится в топке и при необходимости производит дополнительную подачу, увеличивает или уменьшает подачу топлива путём увеличения или уменьшения скорости вращения выводного шнека. Такое решение позволяет исключить ошибочную работу оператора котла, т.к. подача угля, в том числе его порционирование и скорость подачи, определяются электронной системой и происходят в автоматическом режиме.
Помимо указанной электронной системы регулирования работы устройства для подачи топлива допустимо её упростить. В частности, при наличии данных о количестве угля, подаваемого в котёл устройством для подачи топлива в единицу времени, можно настроить скорость и периодичность подачи топлива, соответствующую времени сжигания угля котлом.
Для регулирования количества подаваемого на дробящий шнек топлива над дробящим шнеком в выходном отверстии приёмной воронки установлены задвижки, перекрывающие полностью или частично подачу топлива к дробящему шнеку.
Лопасти дробящего шнека выполнены с прорезями.
Благодаря описанному выше осуществлению изобретения авторы достигли следующего технического результата: создали устройство, позволяющее полностью автоматизировать подачу твёрдого топлива различных фракций в котёл для последующего эффективного сжигания.
Описание фигур.
1) На фигуре 1 изображено устройство подачи топлива - вид сбоку. 2) На фигурах 2 изображён дробящий шнек – вид сбоку 3) На фигуре 3 изображён дробящий шнек - вид с торцов.
Осуществление изобретения.
Предлагаемое в настоящем описании изобретение может реализовываться, по меньшей мере, следующим образом: бункер или конвейер для топлива устанавливается на приемную воронку (1), установленную над дробящим шнеком (2). Загружается уголь. Загрузка может происходить как с использованием ручной лопаты, так и с использованием механизированного транспортёра, подающего уголь от места складирования или хранения. Дробящий шнек, состоящий из рабочей части (3) с узлами захвата топлива (4) и отводящей части (5) располагается в корпусе устройства (6) для подачи топлива. При этом отверстие в стенке корпуса (7), через которое продавливается топливо, имеет диаметр меньше, чем у витков рабочей части дробящего шнека. Лопасти рабочей части (8) дробящего шнека больше в диаметре и расположены дальше друг от друга по сравнению с лопастями (9) отводящей части. Узлы захвата (4) необходимы при попадании в приемную ворону (1) кусков топлива больше, чем расстояние между витками в рабочей части (3) дробящего шнека (2). Дробящий шнек соединён с двигательным механизмом, представляющим собой электрический двигатель через механический редуктор (10). Под дробящим шнеком (2) в одном корпусе расположен выводной шнек (11). Выводной шнек (11) соединён с дробящим шнеком (2) через цепную передачу (12). Между дробящим шнеком (2) и выводным шнеком (11) закреплена решётка-дозатор (13) с размерами ячеек не более 50 мм в длину и ширину. После попадания угля из приемной воронки (1) на дробящий шнек (2) фракционный уголь проходит через решётку-дозатор (13) и сразу попадает на выводной шнек (11). Нефракционный уголь, движимый рабочей частью (3) дробящего шнека (2), проходя через решётку-дозатор (13), сортируется, перемалывается и попадает на выводной шнек (11). Часть фракционного угля, не прошедшая через решётку-дозатор (13) двигается к отводящей части (5) дробящего шнека (2) дробится через отверстие в стенке и попадает на выводной шнек (11). После попадания угля в корпус с выводным шнеком (11) уголь продвигается к топке котла. Дробящий шнек вращается с меньшей частотой чем выводной шнек. Такое решение позволяет избежать затора угля внутри данного устройства. Если дробящий шнек будет вращаться быстрее выводного шнека, то выводной шнек не будет успевать транспортировать уголь в топку котла. Однако допустимо вращение дробящего и выводных шнекой с одинаковой частотой при мелко фракционном угле.
В котле установлены датчики температуры, считывающие температуру подогреваемой воды. Электронная система, связанная с двигательным механизмом, анализирует эти данные и на их основе определяет запустить или остановить подачи твёрдого топлива в целом. Благодаря этому устройство подачи твёрдого топлива точно определяет какое количество топлива необходимо подать в топку котла, исключая риск избытка или недостатка топлива в котле.
Авторы изобретения отмечают, что, учитывая конструкцию заявленного изобретения, оно может быть адаптировано под любой котёл, работающий на твёрдом топливе. Само устройство подачи твёрдого топлива располагается горизонтально, но это не исключает возможности расположения устройства под наклоном. Технические характеристике позволяют подавать топливо в котёл при монтаже устройства как под наклоном вниз, так и поднаклоном наверх.
Выше описаны только один из возможных примеров реализации и изобретения. Другие варианты осуществления, модификации и усовершенствования описанного изобретения могут быть выполнены без отклонения от сущности заявленного устройства для подачи твёрдого топлива.