УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ
HEATING DEVICE

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в технологиях автономного отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов, промышленных зданий и сооружений.
Известны устройства для отопления, например, зданий (патент WO 93/05347, 18.03.1993), содержащие изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для теплоносителя, а также коллектор дымовых газов.
2
Недостатком известных устройств является значительный расход топлива на единицу получаемой теплоты при повышенном содержании оксидов углерода и азота (СО, NO и NO) в составе продуктов сгорания.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности отопления зданий при снижении вредного воздействия продуктов сгорания.
Такой технический результат достигается тем, что устройство для отопления, содержащее изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности труб с отражательными пластинами и входом и выходом для теплоносителя, а также коллектор дымовых газов, дополнительно оснащено термоэлектрическими преобразователями в виде батареи термопар, размещенных в топочной камере, выход которых через последовательно включенные инвертор напряжения и коммутатор связан с цепью питания нагнетающего насоса и озонатором, соединенным посредством воздуховода через нагнетательный насос с топочной камерой.
Устройство (Фиг.1) для отопления, представляющее собой отопительный котел, содержит изолированный корпус 1, включающий размещенные в нижней части топочную камеру 2 с горелками 3, над которыми расположен теплообменник 4, выполненный из совокупности труб с отражательными пластинами 5 и подключенный ко входу 6 и выходу 7 коллектора, а также коллектор 8 дымовых газов с выходным отверстием 9. В топочной камере 2 между горелками 3 и теплообменником 4 размещены термоэлектрические преобразователи 10 в виде батареи термопар. Термоэлектрические преобразователи 10 подсоединены ко входу инвертора 11 напряжения. Выход инвертора 11 напряжения подключен ко входу коммутатора 12 и цепи 13 питания (например, к электродвигателю) нагнетающего насоса 14. Выход коммутатора 12 соединен с озонатором 15, который посредством воздуховода 16 через нагнетающий насос 14 соединен с топочной камерой 2.
Устройство работает следующим образом. При подаче топлива к горелкам 3 топочной камеры 2, теплоноситель из системы поступает внутрь изолированного корпуса котла 1 через вход 6 коллектора, далее теплоноситель проходит по совокупности труб теплообменника 4, нагревается и выходит через выход 7 коллектора к потребителю. Теплообменник 4 выполнен малоемкостным (например, с трубами из меди или медно-никелевого сплава с внутренним диаметром, равным 21-23 мм), и с наружным оребрением, что позволяет эффективно забирать теплоту от теплосодержащих дымовых газов, проходящих от горелок 3 в топочной камере 2 через теплообменник 4 в коллектор 8 дымовых газов. На трубах теплообменника 4 укреплены отражательные пластины 5, создающие завихрение потока дымовых газов, тем самым увеличивая эффективность использования их теплоты. Дымовые газы, отдав теплоту через теплообменник 4 теплоносителю, поступают в коллектор 8 дымовых газов, откуда через выходное отверстие 9 выводятся наружу. Термоэлектрические преобразователи 10, находясь под влиянием разнотемпературных сред в топочной камере 2, преобразуют часть тепловой энергии отопительного котла в электрическую энергию. В соответствии с физическим явлением Зеебека на выходе термоэлектрических преобразователей 10 появляется постоянное электрическое напряжение (термоЭДС), которое подводится к инвертору 11 напряжения, где преобразуется в переменное.
2
2
5
Озоно-воздушная смесь может подаваться как непрерывно, так и дискретно, импульсно. При непрерывном режиме ее подачи это напряжение подается в цепь 13 питания нагнетающего насоса 14 и через коммутатор 12 к озонатору 15. В озонаторе 15 происходит озонирование воздуха за счет барьерного разряда. В результате образуется озоно-воздушная смесь, которая нагнетается насосом (вентилятором) 14 в топочную камеру 2. В топочной камере 2 озоно-воздушная смесь, обладающая повышенными окислительными свойствами, участвует в сжигании топлива, интенсифицирует процесс горения и улучшает состав дымовых газов, окисляя азот и углерод до менее токсичных оксидов с высшими степенями окисления элементов (СО, NO).
При импульсной подаче озоно-воздушной смеси постоянное электрическое напряжение, вырабатываемое термоэлектрическими преобразователями 10 и преобразованное в переменное напряжение инвертором 11, подается к озонатору 15 периодически, за счет прерывания цепи коммутатором 12.
Обоснование положительного влияния озоно-воздушной смеси на эффективность горения газа представлено ниже. Природный газ, поступающий в большинство современных котельных, в объеме одного кубического метра имеет следующий состав:
4
1. CH(метан) - 941,2 л
2
2. H(водород) - 4,4 л
2
3. N(азот) - 24,6 л
2
6
4. CH(этан) - 24,1 л
3
8
5. CH(пропан) - 4,3 л
4
10
6. CH(бутан) - 0,5 л
5
12
7. СН(пентан) - 0,6 л
6
14
8. CH(гексан) - 0,3 л
При полном сгорании природного газа будут происходить следующие химические реакции:
4(Г)
2
2(Г)
2
1. CH+2O=CO+2HO
0
ΔcrH=-802,25 кДж/моль
2(Г)
2(Г)
2
2. 2Н+O=2HO
0
ΔcrH=-241,84 кДж/моль
2(Г)
2(Г)
2
5(Г)
3. 2N+5O=2NO
0
ΔcrH=12,5 кДж/моль
2
6(Г)
2(Г)
2(Г)
2
(Г)
4. 2CH+7O=4CO+6HO
0
ΔcrH=-84,67 кДж/моль
3
8(Г)
2(Г)
2(Г)
2
(Г)
5 CH+5O=3CO+4HO
0
ΔcrH=-103,9 кДж/моль
4
10(Г)
2(Г)
2(Г)
2
(Г)
6. 2СН+13O=8CO+10HO
0
ΔcrH=-124,7 кДж/моль
5
12(Г)
2(Г)
2(Г)
2
(Г)
7. CH+8O=5CO+6HO
0
ΔcrH=-146,4 кДж/моль
6
14(Г)
2(Г)
2(Г)
2
(Г)
8. 2CH+19O=12CO+14HO
0
ΔcrH=-167,19 кДж/моль,
0
где ΔcrH - энтальпия сгорания.
4
Теоретический расчет количества теплоты, выделившегося при полном сгорании 1 куб. метра природного газа, дает величину 35811,154 кДж. Как видно из представленных уравнений реакций при сгорании образуются пары воды, которые вступают в реакцию с метаном и другими газами, особенно при температуре более 600°К. Поскольку в природном газе основным компонентом является метан CH, то становятся возможными следующие режимы (реакции):
4(Г)
2
(Г)
2(Г)
2(Г)
1. CH+2HO=CO+4H
4(Г)
2
(Г)
(Г)
2(Г)
2. СН+HO=СО+3H
4(Г)
2(Г)
(Г)
2(Г)
3. CH+CO=2СО+2H
4(Г)
2(Г)
(Г)
2
(Г)
4. 2CH+3O=СО+2HO
Первые три режима, как видно, идут с поглощением теплоты (эндотермические), четвертый режим (уравнение) представляет процесс неполного сжигания метана до оксида углерода (II), что ведет к потере 282 кДж/моль теплоты. Итак, неполное сгорание ведет к резкому падению теплоотдачи реакции до 35%. Кроме того, оксид углерода (II) относится к особо опасным веществам, загрязняющим окружающую среду.
Исходя из вышесказанного, становится очевидным, что для интенсификации процесса горения и создания условий для более полного сгорания природного газа имеется значительный резерв.
O
Согласно уравнению Аррениуса, константа скорости химической реакции определяется температурой (T) и энергией (E) активации молекул:
O
K=Zexp(-E/RT),
где К - константа скорости химической реакции; Z - стерический фактор.
Таким образом, чтобы увеличить константу скорости химической реакции в среде, необходимо повысить температуру или понизить энергию активации молекул. Повышение температуры связано со значительными техническими трудностями, поэтому более приемлемым остается второй путь.
Известно, что скорость реакций в основном определяется энергией, запасенной на колебательной степени свободы молекулы. В связи с этим, необходимо обеспечить условия протекания химических реакций, при которых основная часть подводимой энергии расходуется на колебательное возбуждение молекул. В этом случае образуется неравновесный молекулярный газ, который способствует активизации химических превращений веществ в воздушной среде.
Наиболее просто понизить энергию активизации молекул и получить неравновесный молекулярный газ в воздушной среде возможно путем создания в ней высоковольтного резко неоднородного электрического поля. Кроме того, ионы газа и свободные электроны при соударениях с молекулами топлива изменяют внутреннюю структуру последних. В результате этих изменений молекула топлива переходит в возбужденное состояние, а энергия активации молекул снижается.
Одной из типичных реакций в электрическом разряде является реакция образования озона. Основную роль при образовании озона играют электронно-возбужденные молекулы кислорода, получающиеся при столкновении молекул с электронами. Под действием энергии электронов молекула кислорода переходит в возбужденное состояние, характеризующееся повышенной реакционной способностью, что и приводит к реакциям образования озона. Озон устраняет период индукции, характерный для окисления насыщенных углеводородов кислородом, причем, окисление углеводородов ускоряется очень незначительными количествами озона.
Термически озон начинает заметно разлагаться при 100°C, поэтому при комнатной температуре окисление углеводородов происходит преимущественно при реакции с озоном:
,
n
2n+2
где CH - формула члена гемологического ряда предельных углеводородов (алканов); n - целое натуральное число (n=1, 2, 3,…)
2
Тепловой эффект для метана составляет 48,07 кДж/моль. При температуре, превышающей 100°C заметную роль начинает играть атомарный кислород, образующийся при распаде озона на O и О. Влияние озона на кинетику окисления углеводородов обусловлено в основном его ролью в инициировании цепной реакции. Эффективная энергия активации окисления углеводородов в присутствии озона значительно снижается, что довольно сильно изменяет условия воспламенения, сдвигая нижний предел воспламенения в сторону более низких температур и давлений. Кроме того, озон ускоряет распространение пламени в смесях углеводородов с воздухом в результате ускорения окислительных реакций.
Таким образом, за счет использования озоно-воздушной смеси при горении органического топлива можно значительно интенсифицировать этот процесс и достичь более полного использования природного газа в отопительных котлах. В конечном итоге это отражается на сокращении расхода газа на 15…20% и уменьшении вредных выбросов в атмосферу.
Рассмотрим эффективность работы заявляемого изобретения, реализованного на базе серийного отопительного котла тепловой мощности 11,6 кВт. Этот котел в штатном режиме эксплуатации потребляет 1,18 куб.м природного газа в час (или 28,32 куб.м в сутки). Для нормальной работы топочной камеры 2 этого котла в течение суток потребуются 283,2 куб.м осушенного воздуха.
3
Принимая во внимание, что в воздухе обычно содержится 21% кислорода (одна пятая часть), можно заключить, что для горения обозначенного количества природного газа потребуются 59,47 куб.м кислорода. При замене кислорода на озон последнего потребуется значительно меньше, так как окислительные свойства озона заметно превосходят окислительные свойства кислорода. Установлено, что с учетом технологических требований положительный результат влияния озоно-воздушной смеси на сжигание природного газа достигается при добавках 400 мг озона на 1 м газа. В пересчете на условия нашего примера для работы котла в течение суток понадобятся 0,011 кг озона.
При получении озона на современных электроозонаторах затраты энергии составляют 14…18 кВтч на один килограмм озона. Таким образом, в нашем примере на работу озонатора 14 в течение суток потребуются 0,2 кВтч электрической энергии.
Для нагнетания требуемого количества озоно-воздушной смеси в топочную камеру 2 с помощью нагнетающего насоса 13 потребуется электродвигатель 12 мощностью 60…80 Вт. В течение суток для работы электродвигателя 12 будет израсходовано 1,92 кВтч электрической энергии.
ЭЛ'
Итого, на получение и подачу озоно-воздушной смеси в топочную камеру 2 отопительного котла в течение суток потребуется электрическая энергия в количестве Q=0,2+1,92=2,12 кВтч. Эта энергия преобразуется термоэлектрическими преобразователями 10 за счет части тепловой энергии, вырабатываемой отопительным котлом. При этом, тепловая энергия, преобразованная в электрическую и направляемая на работу озонатора 14 и электродвигателя 12 нагнетающего вентилятора 13 в течение суток может быть определена в соответствии с выражением:
,
озон
озон
стат
стат
где η - к.п.д. термоэлектрических преобразователей 10, η=0,1, η - к.п.д. инвертора 11 напряжения, (статического преобразователя), η=0,97.
тепл
После подстановки в выражение численных значений получим: Q=21,9 кВтч.
При дискретной, импульсной подаче озоно-воздушной смеси в топочную камеру 2 наблюдается эффект дополнительной интенсификации горения за счет кратковременных термодинамически неравновесных процессов превращения озона и его взаимодействия с углеводородами, входящими в состав топлива. Например, при подаче озона в начальный момент происходит повышение температуры реакционной смеси, увеличивается скорость реакции горения, но вместе с тем увеличивается скорость разложения озона, в результате чего устойчивость подаваемого озона и его эффективная концентрация падает, а скорость и температура реакции горения уменьшается.
2
Предлагаемое техническое решение позволяет сократить расход природного газа на 15…20%, что в течение суток составит величину 4,5 куб.м. Сэкономленное количество природного газа при его сжигании позволит получить тепловую мощность 1,84 кВт или тепловую энергию в количестве 44,16 кВтч в сутки, что вдвое превышает величину тепловой энергии, отобранной у котла на обеспечение работоспособности озонатора 14 и электродвигателя 12 нагнетающего насоса 13. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет уменьшить токсичность продуктов сгорания за счет снижения в них содержания оксидов углерода и азота в низких степенях окисления (СО, NO и NO).