ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ С ВЕРХНЕЙ ЗАГРУЗКОЙ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к теплоэнергетике, может быть использована в отопительных системах, производящих в качестве продукта-теплоносителя горячую воду или любой другой жидкий теплоноситель, и направлена на улучшение условий теплообмена между горячими продуктами сгорания твердого топлива и жидким теплоносителем.
Использование автономного теплоснабжения на базе энергоэффективных, надежных и недорогих отопительных котлов позволяет предприятиям ЖКХ, малого и среднего бизнеса, владельцам частных домов и коттеджей избежать диктата энергопроизводящих и энергопередающих компаний, завышающих тарифы на тепловую энергию, необходимости оплаты потерь в пришедших в негодность тепловых сетях и, как следствие, существенно сократить энергетическую составляющую в себестоимости своей продукции и стоимости содержания жилья.
k
t
max
t
Уровень техники. Известно техническое решение, в котором отопительный котел (патент на изобретение №2357156 РФ, МПК F24Н 1/08, 2009), содержит колосник, зольник, цилиндрический корпус с расположенной по его оси топливной трубой, образующей с корпусом кольцевую водяную рубашку, снабженную патрубками подвода и отвода воды, патрубком подачи воздуха, установленное в камере сгорания дополнительное топочное устройство, выполненное в виде вертикальной топливной трубы, соосно с которой над зольником расположен круглый колосник с диаметром, равным диаметру внутренней поверхности цилиндрического корпуса, представляющий собой два разрезанных по диаметру полукруга, имеющих свободу перемещения, достигаемого путем вращения колосников вдоль осей, проходящих через центр тяжести колосника, расположенных параллельно оси разреза таким образом, что длина дуги L, отсекаемая осью, связана с размерами колосника соотношением  где, r - радиус внутренней поверхности цилиндрического корпуса, на угол, равный ±10 градусов относительно горизонтали, а величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы определяется максимальным значением угла естественного откоса топлива с учетом минимально допустимой толщины слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, то есть соотношением  где h - величина зазора между колосником и нижней кромкой топливной трубы; D - диаметр цилиндрического корпуса; D - диаметр топливной трубы; α - максимальный угол естественного откоса топлива для данного региона, Н - минимально допустимая толщина слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, составляющая не менее D/4.
Недостатком известного решения являются не вполне удовлетворительные условия теплообмена между горячими продуктами сгорания твердого топлива и жидким теплоносителем, что приводит к повышенным потерям тепла из-за высокой температуры сбрасываемых газов, и, как следствие, относительно невысокому КПД агрегата (около 80%).
k
t
k
t
Наиболее близким из известных технических решений к описываемому является отопительный котел с верхней загрузкой твердого топлива (патент на полезную модель №95388 РФ, МПК F24Н 1/08, 2010) содержащий колосник, зольник, топливную трубу, цилиндрический корпус с патрубком отвода продуктов горения, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя и крышкой, систему отвода горячих продуктов горения, состоящую из цилиндрических трубопроводов, вертикально расположенных в один или несколько (2-5) рядов по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве, причем цилиндрические трубопроводы отделены от цилиндрического корпуса и топливной трубы потоком теплоносителя, что для однорядного расположения цилиндрических трубопроводов обеспечивается выполнением соотношений:  и , где D, D и d - диаметры цилиндрического корпуса, топливной трубы и цилиндрического трубопровода, N - количество цилиндрических трубопроводов, для многорядного расположения цилиндрических трубопроводов величина зазоров между цилиндрическими трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой составляет не менее 0,05(D-D), а в зоне горения тепло снимается теплоносителем, циркулирующим в кольцевой рубашке. В зависимом пункте формулы полезной модели предусмотрена возможность приваривания на трубопроводы для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности трубопровода ребер в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающих на расстояние 0,05 d-0,5 d от внешней поверхности трубопроводов.
Недостатком наиболее близкого из известных технических решений являются не вполне удовлетворительные условия теплообмена между горячими продуктами сгорания твердого топлива и жидким теплоносителем, что приводит к повышенным потерям тепла из-за высокой температуры сбрасываемых газов, и, как следствие, относительно невысокому КПД агрегата (около 80%).
Раскрытие полезной модели. Задачей настоящей полезной модели является улучшение условий теплообмена между горячими продуктами сгорания твердого топлива и жидким теплоносителем.
k
t
k
t
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном отопительном котле, содержащем колосник, зольник, топливную трубу, цилиндрический корпус с патрубком отвода продуктов горения, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, крышкой и системой теплообмена, включающей трубопроводы, по которым отводятся горячие продукты горения, расположенные в один или несколько (2-5) рядов по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, теплоноситель, циркулирующий в кольцевой рубашке вокруг зоны горения и в межтрубном пространстве, причем трубопроводы отделены от цилиндрического корпуса и топливной трубы потоком теплоносителя, трубопроводы для отвода горячих продуктов горения, имеющие сечение в виде окружности, смонтированы таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением левой или правой винтовой линии: , ,  где t - угол между радиусами окружности, лежащей в основании цилиндрической поверхности, по которой проходит винтовая линия, проведенными через начальную точку винтовой линии и проекцию произвольной точки винтовой линии на окружность, где D и D - диаметры цилиндрического корпуса и топливной трубы, х, у и z - декартовы координаты, угол наклона оси симметрии трубопровода к вертикали изменяется в диапазоне 5-45 градусов, а величина зазоров между трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой составляет не менее 0,05(D-D).
k
t
k
t
Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что трубопроводы для отвода горячих продуктов горения, представляют собой не вертикальные цилиндрические трубопроводы, а, имея сечение в виде окружности, смонтированы таким образом, что ось симметрии их описывается уравнением левой или правой винтовой линии: , , , где t - угол между радиусами окружности, лежащей в основании цилиндрической поверхности, по которой проходит винтовая линия, проведенными через начальную точку винтовой линии и проекцию произвольной точки винтовой линии на окружность, где D и D - диаметры цилиндрического корпуса и топливной трубы, х, у и z - декартовы координаты, угол наклона оси симметрии трубопровода к вертикали изменяется в диапазоне 5-45 градусов, а величина зазоров между трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой составляет не менее 0,05(D-D).
k
t
Для однорядного расположения трубопроводов здесь нельзя применить использованные в наиболее близком техническом решении соотношения:  и ,  где D, D и d - диаметры цилиндрического корпуса, топливной трубы и цилиндрического трубопровода, N - количество цилиндрических трубопроводов, так как трубопроводы в полезной модели в горизонтальных сечениях имеют форму эллипса.
На трубопроводах для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности могут быть приварены ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05 d-0,5 d от внешней поверхности трубопроводов.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели по сравнению с наиболее близким техническим решением, заключается в улучшении условий теплообмена между горячими продуктами сгорания твердого топлива и жидким теплоносителем, повышении величины коэффициента теплоотдачи между продуктами горения угля и стенкой трубопроводов на 17,4%, снижении температуру сбрасываемых топочных газов с 200 до 100°С, увеличении КПД отопительного котла на 4,8%.
Краткое описание чертежей. Отопительный котел состоит (фиг.1) из колосника 6, зольника 7, вертикальной топливной трубы 3 для загрузки твердого топлива 4, цилиндрического корпуса 13 с патрубком отвода продуктов горения 2, патрубками подвода 8 и отвода 12 жидкого теплоносителя. Корпус сверху закрыт крышкой 1. Поверхность теплообмена между горячими продуктами горения 11 и жидким теплоносителем 9 сформирована таким образом, что оси симметрии трубопроводов 10, по которым отводятся продукты горения, расположены по эллипсу между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве (сечение А-А), а в зоне горения тепло снимается теплоносителем, циркулирующим в кольцевой рубашке 5.
На фиг.2 показано расположение винтовой линии на цилиндрической поверхности. Винтовая линия ABCER образуется при равномерном движении точки В по образующей DR в свою очередь равномерно вращающейся по поверхности цилиндра. Независимый параметр t - это угол между радиусами окружности ОА и OD, лежащей в основании цилиндрической поверхности, по которой проходит винтовая линия, проведенными через начальную точку винтовой линии А и проекцию произвольной точки винтовой линии на окружность D. Прямолинейный путь AC=h, проходимый точкой М по образующей за время полного оборота последней, является шагом винтовой линии.
Если наблюдать движение точки В со стороны основания, к которому она движется, то вращение образующей будет либо положительным (против движения стрелки часов), либо отрицательным (по направлению движения стрелки часов). В первом случае винтовая линия называется правой (фиг.2), во втором - левой (Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике / М.Я.Выгодский. - М.: Большая медведица, 1999. - 804 с.(с.509-511)).
t
На фиг.3 цилиндрическая поверхность развернута на плоскость и схематично показано увеличение в полезной модели длины трубопроводов, ось симметрии которых описывается формулой винтовой линии. Здесь ВС (h) - высота теплообменника или вертикального цилиндрического трубопровода наиболее близкого технического решения. АВ (l) - ось симметрии винтовой линии - наклонного трубопровода, α - угол наклона оси симметрии трубопровода к вертикали.
На трубопроводах для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности могут быть приварены ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05 d-0,5 d от внешней поверхности трубопроводов (фиг.4).
Осуществление полезной модели. Технический результат полезной модели показан в сравнении с конструкцией отопительного котла наиболее близкого технического решения тепловой мощностью 100 кВт.
В полезной модели в виде альтернативы предложены два варианта: трубопроводы для отвода горячих продуктов горения, имеющие сечение в виде окружности, могут быть смонтированы таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением левой или правой винтовой линии. При любом допускаемом альтернативой выборе в совокупности с другими признаками, включенными в формулу полезной модели, обеспечивается получение одного и того же технического результата.
t
Соотношение площадей теплообмена теплообменников полезной модели и конструкции с вертикальным расположением цилиндрических трубопроводов для отвода газовых продуктов горения (наиболее близкое техническое решение), с достаточной для целей практики точностью будет определяться соотношением длин осей симметрии трубопровода (l) полезной модели и высоты теплообменника (h) наиболее близкого технического решения.
k
t
Ось симметрии трубопровода в виде винтовой линии для полезной модели описывается уравнениями: , ,  где t - угол между радиусами окружности, лежащей в основании цилиндрической поверхности, по которой проходит винтовая линия, проведенными через начальную точку винтовой линии и проекцию произвольной точки винтовой линии на окружность, где D и D - диаметры цилиндрического корпуса и топливной трубы, х, у и z - декартовы координаты.
1
Длина l одного витка винтовой линии равна:  что для условий полезной модели составит
(Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике / М.Я.Выгодский. - М.: Большая медведица, 1999. - 804 с. (с.509-511)) и Бронштейн И.М. Справочник по математике для инженеров и учащихся ВУЗов / И.М.Бронштейн, К.Л.Семендяев. - М.: Наука, 1986. - 544 с. (с.411)).
Из фиг.3 может быть получено выражение для определения отрезка винтовой линии в зависимости от угла наклона оси симметрии трубопровода к вертикали (α):
Для отопительного котла тепловой мощностью 100 кВт выполнены расчеты улучшения условий теплообмена при использовании технических решений, заложенных в полезной модели.
k
t
t
внеш
внут
Исходные данные для расчета: D=700 мм; D=500 мм; D=600 мм; h=942 мм; d=89 мм; d=89 мм; угол α=45 градусов. Здесь d - диаметр трубопровода.
Подставив исходные данные в формулу (1), получим l=1332 мм. Это означает, что при одинаковом диаметре трубопроводов длина их, а, следовательно, и площадь теплообмена, в полезной модели на 41%  больше, чем у наиболее близкого технического решения.
а
а
Однако, при расположении трубопроводов для отвода горячих продуктов горения, имеющих сечение в виде окружности, таким образом, что ось симметрии их будет описываться уравнением эллипса, количество их уменьшится вследствие того, что в горизонтальном сечении теплообменника сечение трубопровода будет представлять собой эллипс. У этого эллипса удвоенная (2b) малая полуось эллипса равна диаметру трубопровода (d), удвоенная большая полуось (2) эллипса -  Для данного случая 2b=89 мм, 2=126 мм. Для однорядного расположения трубопроводов количество их в полезной модели, а, следовательно, и площадь теплообмена в полезной модели на 41% меньше, чем у наиболее близкого технического решения.
Это означает, что применение технических решений, заложенных в полезной модели, при сохранении габаритов теплообменника отопительного котла, сохраняет поверхность теплообмена на уровне наиболее близкого технического решения.
Количество трубопроводов наиболее близкого технического решения (вертикальное расположение):
Количество трубопроводов полезной модели (расположение по винтовой линии):
верт
внутр
t
верт
винт
внутр
винт
2
2
Площадь теплообмена в первом случае составит: S=πdhN=4,36 м, во втором: S=πdlN=4,46 м. Как следует из приведенных вычислений, разница между площадями теплообмена наиболее близкого технического решения и полезной модели практически одинакова (разница составляет около 2% и объясняется округлением расчетных данных при определении целого числа трубопроводов).
Однако, площадь проходного сечения для продуктов горения угля изменится весьма существенно: у наиболее близкого технического решения она составит , а у полезной модели  или в 1,4 раза меньше.
Результаты расчета, выполненного для универсального отопительного котла тепловой мощностью 100 кВт, конструкция которого предложена в настоящей полезной модели, для твердого топлива (уголь марки Т Кузнецкого бассейна с теплотой сгорания 26,33 МДж/кг, зольностью на сухую массу 14,6%, рабочей влажностью 7% и выходом летучих веществ на горючую массу 12,5%) (КПД принят 0,84) приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры эксплуатации отопительного котла с верхней загрузкой твердого топлива тепловой мощностью 100 кВт
Вид топлива
Низшая теплота сгорания
Количество потребленного топлива на 100 кВт тепловой мощноти
Количество топочных газов на ед. топлива
Количество топочных газов (нормальные условия)
Количество топочных газов (при средней температуре в теплообменнике 600°С)
Уголь
26,33
16,28 кг
7,35
119,7 нм<sup>3</sup>/час
383,0 м<sup>3</sup>/час
марки Т
МДж/кг
нм<sup>3</sup>/кг
или 0,106 м<sup>3</sup>/с
Скорость перемещения продуктов горения угля в трубопроводах теплообменника у наиболее близкого технического решения составит  м/с, а у полезной модели  м/с в 1,4 раза выше.
Как известно (Кухлинг X. Справочник по физике / X.Кухлинг. - М.: Мир, 1985. - 492 с. (с.470)), значение коэффициента теплоотдачи между газом и стенкой при неизменной величине площади теплообмена прямо пропорционально зависит от скорости движения газов: , где W - скорость движения газов в метрах в секунду. Подставив значение скорости перемещения продуктов горения угля в трубопроводах теплообменника в это выражение, получим значение коэффициента теплоотдачи для наиболее близкого технического решения  и полезной модели - . Это означает, что величина коэффициента теплоотдачи между продуктами горения угля и стенкой трубопроводов при использовании технических решений, заложенных в полезной модели, возрастает на 17,4%, то есть условия теплообмена будут существенно улучшены. Пропорционально может быть увеличено количество тепла, отдаваемое путем теплоотдачи от горячих топочных газов стенкам трубопроводов. Для 100 кВт отопительного котла эта величина составит 63,4 МДж (360 МДж*0,174).
Конечно, в расчетах показан идеальный случай процесса теплоотдачи при максимально возможном значении угла наклона оси симметрии трубопроводов к вертикали (45°). На практике величина коэффициента теплоотдачи будет несколько ниже. Тем не менее, достигнутого эффекта вполне достаточно для снижения энтальпии топочных газов с 2071,58 до 1021,89 кДж/кг твердого топлива, снизив их температуру с 200 до 100°С, для чего, в пересчете на отопительный котел тепловой мощностью 100 кВт, необходимо отнять у топочных газов дополнительно 17,6 МДж тепловой энергии. КПД отопительного котла при этом возрастет на 4,8%.
k
t
Трубопроводы отделены от цилиндрического корпуса и топливной трубы потоком теплоносителя, что для однорядного и многорядного расположения трубопроводов обеспечивается величиной зазоров между трубопроводами, цилиндрическим корпусом и топливной трубой не менее 0,05(D-D).
Полезной моделью предусмотрена возможность на трубопроводы для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности приваривать ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05 d-0,5 d от внешней поверхности цилиндрических трубопроводов. Это позволяет увеличить площадь теплообмена отопительного котла. В таблице 2 приведено увеличение площади теплообмена в зависимости от числа приваренных ребер (принято, что ребра выступают 0,1 d oт внешней поверхности трубопроводов).
Таблица 2
Отношение площади ребер (S<sub>r</sub>) к площади поверхности трубопроводов (S<sub>c</sub>) в зависимости от числа приваренных ребер (n)
n
2
4
6
8
12
16
S<sub>r</sub>/S<sub>c</sub>
0,127
0,255
0,382
0,510
0,764
1,019
Количество ребер отопительного котла может быть выбрано, исходя из конкретных задач.
Действие отопительного котла с верхней загрузкой твердого топлива. Для розжига топлива на колосник укладывают легковозгораемое топливо, например, щепки, стружки и т.п. После прогрева котла топливную трубу заполняют твердым топливом. Твердое топливо, загруженное сверху в топливную трубу, под действием силы тяжести поступает на колосник и под углом естественного откоса ссыпается на периферийную часть колосника в зону горения, расположенную между стенками цилиндрического корпуса и топливной трубы, где формируется слой топлива постоянной толщины и происходит основной процесс его сгорания. Подача воздуха осуществляется из зольника через всю площадь колосника. По мере горения топлива зола из зоны, расположенной под топливной трубой, поступает под действием силы тяжести в зольник. Газы сгорания из этой зоны часть своего тепла передают слою топлива, которое уже подогретым поступает в зону горения, а сами через слой топлива поступают в зону горения, и, смешиваясь с образующимися там газами, отдают тепло жидкому теплоносителю, циркулирующему в кольцевой рубашке, далее эвакуируются из котла через трубопроводы, ось симметрии которых описывается уравнением винтовой линии, отдавая тепло жидкому теплоносителю, циркулирующему в межтрубном пространстве.
Отопительный котел имеет КПД 85%, температура получаемой горячей воды составляет 95°С, периодичность обслуживания - один раз в течение 8 до 24 часов в зависимости от качества топлива и погодных условий. Для поддержания наиболее экономичного режима работы системы температуры отходящих газов должна быть около 100°С (не менее 85-90°С).
Полезной моделью предусмотрена возможность на трубопроводы для отвода газовых продуктов горения радиально, равномерно по окружности приварить ребра в количестве 2-16 штук из стального листа толщиной 2-10 мм, выступающие на расстояние 0,05 d-0,5 d от внешней поверхности трубопроводов. В случае выступания ребер на 0,1 d площадь теплообмена отопительного котла увеличивается на 12,7-101,9% при количестве ребер 2-16.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели по сравнению с наиболее близким техническим решением, заключается в улучшении условий теплообмена между горячими продуктами сгорания твердого топлива и жидким теплоносителем, повышении величины коэффициента теплоотдачи между продуктами горения угля и стенкой трубопроводов на 17,4%, снижении температуру сбрасываемых топочных газов с 200 до 100°С, увеличении КПД отопительного котла на 4,8%.