Отопительный котел со вставкой для сжигания древесных отходов
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 повышение эффективности эксплуатации отопительного котла при использовании в качестве твердого топлива низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов: щепы и опилок. Использование автономного теплоснабжения на базе энергоэффективных и надежных отопительных котлов позволяющих сжигать низкокалорийные мелкодисперсные древесные отходы, такие как щепа и опилки, дает возможность утилизировать отходы, которые в большом количестве образуются на деревоперерабатывающих предприятиях и наносят ущерб окружающей среде, получать недорогую тепловую энергию. Отопительный котел со вставкой для сжигания древесных отходов, содержащий колосник, зольник, цилиндрический корпус с крышкой, патрубками отвода продуктов горения, подвода и отвода жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива над колосником, цилиндрическую топливную трубу для верхней загрузки твердого топлива, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса, и систему теплообмена, позволяющий за счет вставки с внешним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического корпуса, снабженной кольцевой рубашкой для циркуляции жидкого теплоносителя, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, соединенными соответственно с подводом и отводом жидкого теплоносителя системы теплообмена отопительного котла и дверцей из жаропрочного материала, повысить коэффициент полезного действия агрегата на 10-12% и увеличить время его автономной эксплуатации без дозагрузки топлива в 2,5 раза.
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 повышение эффективности эксплуатации отопительного котла при использовании в качестве твердого топлива низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов: щепы и опилок.
Использование автономного теплоснабжения на базе энергоэффективных и надежных отопительных котлов позволяющих сжигать низкокалорийные мелкодисперсные древесные отходы, такие как щепа и опилки, дает возможность утилизировать отходы, которые в большом количестве образуются на деревоперерабатывающих предприятиях и наносят ущерб окружающей среде, получать недорогую тепловую энергию.
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, к - 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; Dk - диаметр цилиндрического корпуса; Dt - диаметр топливной трубы; 
max- максимальный угол естественного откоса топлива для данного региона, Н - минимально ' допустимая толщина слоя топлива вблизи внутренней стенки цилиндрического корпуса, составляющая не менее Dt/4.
Известное решение имеет следующие недостатки: относительно малые объемы цилиндрической топливной трубы для верхней загрузки твердого топлива и камеры горения над колосниками, что существенно снижает время автономной работы отопительного агрегата на низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходах без дозагрузки, а также наличие повышенного провала мелкодисперсного топлива через колосники, что приводит к горению топлива в зольнике, где выделяющееся тепло будет рассеиваться, снижая тепловые показатели процесса.
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: 
(Dk+Dt)/2Nd
1,1 и (Dk-Dt)/2d1,1, где Dk, Dt 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(Dk-Dt) 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.
Наиболее близкое из известных технических решений имеет следующие недостатки: относительно малые объемы цилиндрической топливной трубы для верхней загрузки твердого топлива и камеры горения над колосниками, что существенно снижает время автономной работы отопительного агрегата на низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходах без дозагрузки, а также наличие повышенного провала мелкодисперсного топлива через колосники, что приводит к горению топлива в зольнике, где выделяющееся тепло будет рассеиваться, снижая тепловые показатели процесса.
Раскрытие полезной модели. Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности эксплуатации отопительного котла при использовании в качестве твердого топлива низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов: щепы и опилок.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном отопительном котле, содержащем колосник, зольник, цилиндрический корпус с крышкой, патрубками отвода продуктов горения, подвода и отвода жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива над колосником, цилиндрическую топливную трубу для верхней загрузки твердого топлива, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса, и систему теплообмена, состоящую из цилиндрических трубопроводов для эвакуации горячих продуктов горения, вертикально расположенных в один или несколько (2-5) рядов по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, жидкого теплоносителя, циркулирующего в кольцевой рубашке вокруг зоны горения и в межтрубном пространстве или соединенные посредством патрубков кольцевые рубашки жидкого теплоносителя корпуса и топочной трубы и эвакуируемые между ними горячие продукты горения, между зольником и цилиндрическим корпусом установлена вставка с внешним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического корпуса, и высотой, равной 0,4-1,2 диаметра цилиндрического корпуса, снабженная кольцевой рубашкой для циркуляции жидкого теплоносителя, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, соединенными соответственно с подводом и отводом жидкого теплоносителя системы теплообмена отопительного котла и дверцей из жаропрочного материала, расположенной на равном расстоянии от верхней и нижней частей вставки, высота и длина которой равны 0,3-0,6 и 0,4-0,8 диаметра цилиндрического корпуса соответственно, что позволяет повысить эффективность эксплуатации отопительного котла при использовании в качестве твердого топлива низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов.
Отличие предлагаемого устройства от известного состоит в том, что между зольником и цилиндрическим корпусом установлена вставка с внешним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического корпуса, и высотой, равной 0,4-1,2 диаметра цилиндрического корпуса, снабженная кольцевой рубашкой для циркуляции жидкого теплоносителя, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, соединенными соответственно с подводом и отводом жидкого теплоносителя системы теплообмена и дверцей из жаропрочного материала, расположенной на равном расстоянии от верхней и нижней частей вставки, высота и длина которой равны 0,3-0,6 и 0,4-0,8 диаметра цилиндрического корпуса соответственно.
Технический результат, получаемый от использования полезной модели по сравнению с наиболее близким техническим решением, заключается в том, что при использовании в качестве твердого топлива низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов на 10-12% повышается коэффициент полезного действия отопительного котла и в 2,5 раза увеличивается время автономной работы отопительного агрегата без дозагрузки топлива.
Краткое описание чертежей.
В полезной модели в виде альтернативы предложены два варианта формирования системы теплообмена:
1. Из цилиндрических трубопроводов (фиг.1) для эвакуации горячих продуктов горения, вертикально расположенных в один или несколько (2-5) рядов по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, циркулирующего в кольцевой рубашке вокруг зоны горения и в межтрубном пространстве жидкого теплоносителя;
2. Из соединенных посредством патрубков кольцевых рубашек (фиг.2) жидкого теплоносителя корпуса и топочной трубы и эвакуируемых между ними горячих продуктов горения.
При любом допускаемом альтернативой выборе в совокупности с другими признаками, включенными в формулу полезной модели, обеспечивается получение одного и того же технического результата.
Универсальный отопительный котел с верхней подачей топлива состоит (фиг.1) из колосника 1, зольника 2, цилиндрического корпуса 3 с крышкой 4, патрубками отвода продуктов горения 5, подвода 6 и отвода 7 жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива 8 над колосником, цилиндрической топливной трубы 9, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса, для верхней загрузки твердого топлива. Поверхность теплообмена между горячими продуктами горения 10 и жидким теплоносителем 11 сформирована таким образом, что цилиндрические трубопроводы 12, по которым отводятся продукты горения, расположены вертикально по окружности 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 13. Между зольником и цилиндрическим корпусом установлена вставка 14, снабженная кольцевой рубашкой 15 для циркуляции жидкого теплоносителя, патрубками подвода 16 и отвода 17 жидкого теплоносителя, соединенными соответственно с подводом и отводом жидкого теплоносителя системы теплообмена отопительного котла 6 и 7, и дверцей из жаропрочного материала 18.
Универсальный отопительный котел с верхней подачей топлива состоит (фиг.2) из колосника 1, зольника 2, цилиндрического корпуса 3 с крышкой 4, патрубками отвода продуктов горения 5, подвода 6 и отвода 7 жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива 8 над колосником, цилиндрической топливной трубы 9 для верхней загрузки твердого топлива, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса. Поверхность теплообмена между горячими продуктами горения 10 и жидким теплоносителем 11, 12 сформирована таким образом, что жидкий теплоноситель циркулирует в кольцевых рубашках корпуса 11 и топочной трубы 12, соединенных между собой посредством патрубков 13, а горячие продукты горения эвакуируются между рубашками корпуса и топочной трубы 10. Между зольником и цилиндрическим корпусом установлена вставка 14, снабженная кольцевой рубашкой 15 для циркуляции жидкого теплоносителя, патрубками подвода 16 и отвода 17 жидкого теплоносителя, соединенными соответственно с подводом и отводом жидкого теплоносителя системы теплообмена отопительного котла 6 и 7, и дверцей из жаропрочного материала 18.
Осуществление полезной модели. Технический результат полезной модели показан в сравнении с конструкцией отопительного котла наиболее близкого технического решения тепловой мощностью 100 кВт.
В расчетах использованы следующие исходные данные: внешний и внутренний диаметр цилиндрического корпуса - 800 мм; диаметр топливной воды - 500 мм; высота вставки - 800 мм; внешний и внутренний диаметры вставки - 800 и 700 мм; высота камеры сгорания - 100 мм.
В предыдущем разделе показано, что в полезной модели в виде альтернативы предложены два варианта формирования системы теплообмена (фиг.1 и фиг.2). При любом допускаемом альтернативой выборе в совокупности с другими признаками, включенными в формулу полезной модели, обеспечивается получение одного и того же технического результата.
Между зольником и цилиндрическим корпусом установлена вставка с внешним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического корпуса, и высотой, равной внешнему диаметру цилиндрического корпуса (высота вставки может быть определена в каждом конкретном случае в зависимости от физико-механических свойств древесных отходов и необходимого времени автономной эксплуатации без дозагрузки топлива), снабженная кольцевой рубашкой для циркуляции жидкого теплоносителя, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, соединенными соответственно с подводом и отводом жидкого теплоносителя системы теплообмена и дверцей из жаропрочного материала (чугуна), расположенной на равном расстоянии от верхней и нижней частей вставки, высота и длина которой равны 0,4 (320 мм) и 0,5 (400 мм) диаметра цилиндрического корпуса соответственно.
Это существенно увеличивает объем топливной трубы и камеры горения и, как следствие, увеличивает время автономной работы отопительного агрегата без дозагрузки топлива. Через дверцу вставки на колосниковую решетку могут быть уложены крупнокусковые отходы деревообработки, а загрузка низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов производится сверху в топливную трубу на слой крупнокусковых отходов деревообработки. Это позволяет уменьшить величину провала мелкодисперсных древесных отходов через колосниковую решетку, исключить потери теплового потенциала топлива при бесполезном горении его в зольнике и повысить коэффициент полезного действия отопительного котла.
Для сопоставления использованы данные об угле марки Т Кузнецкого бассейна с зольностью на сухую массу 14,6%, рабочей влажностью 7%, выходом летучих веществ на горючую массу 12,5% и мелкодисперсных древесных отходов. Низшая теплота сгорания их составляет 26,33 МДж/кг и 12,40 МДж/кг, насыпная плотность 800 кг/м3 и 250 кг/м3 соответственно. Угол внутреннего трения принят в обоих случаях 45 градусов. Результаты расчета, выполненного для наиболее близкого технического решения и отопительного котла, конструкция которого предложена в настоящей полезной модели приведены в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||
| Технические параметры отопительного котла со вставкой для сжигания древесных отходов и наиболее близкого технического решения при тепловой мощности 100 кВт | |||||
 | Топливо | Объем топливной трубы, м3 | Масса загружаемого топлива, кг | Время автономной работы, час | КПД |
| Наиболее близкое технич. решение | Уголь марки Т | 0,206 | 164,8 | 12,1 | 84 |
| Древесные от ходы | 0,206 | 51,5 | 1,8 | 72-74 | |
| Полезная модель | Древесные от ходы | 0,514 | 128,5 | 4,5 | 84 |
Из представленных данных следует, что при использовании наиболее близкого технического решения для сжигания мелкодисперсных древесных отходов (опилок, щепы) вследствие относительно низкой насыпной плотности топлива существенно уменьшается время автономной работы агрегата без до-загрузки: с 12,1 часа у качественного Кузнецкого угля марки Т до 1,8 часа у древесных отходов, что заметно снижает удобство использования котла. Кроме этого, мелкодисперсное топливо крупностью, как правило, 0-3 мм, в количестве, примерно, 10-15% проваливается сквозь колосниковую решетку зольника, ширина щелей которой составляет 15-20 мм. Это на 10-12% снижает КПД отопительного агрегата, так как тепло от сгорающего в зольнике топлива большей частью рассеивается в атмосфере.
Конструкция предлагаемого в полезной модели отопительного котла со вставкой для сжигания древесных отходов обеспечивает увеличение в 2,5 раза объема топливной трубы, массы загружаемого топлива и времени автономной работы без дозагрузки топлива. Слой крупнокусковых отходов деревообработки (100-300 мм) укладывается на колосниковую решетку зольника, а загрузка низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов производится сверху в топливную трубу на этот слой. Это позволяет уменьшить величину провала мелкодисперсных древесных отходов через колосниковую решетку, исключить потери теплового потенциала топлива при бесполезном горении его в зольнике и повысить коэффициент полезного действия отопительного котла на 10-12%.
Действие универсального отопительного котла с верхней подачей топлива на твердом топливе. Для розжига топлива на колосник укладывают легковозгораемое топливо, например, щепки, стружки и т.п.После прогрева котла через дверцу вставки на колосниковую решетку зольника укладывается слой крупнокусковых отходов деревообработки (100-300 мм), а загрузка низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов производится сверху в топливную трубу на этот слой. Это позволяет уменьшить величину провала мелкодисперсных древесных отходов через колосниковую решетку, исключить потери теплового потенциала топлива при бесполезном горении его в зольнике и повысить коэффициент полезного действия отопительного котла.
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 зоны горения 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 систему трубопроводов (фиг.1) или между соединенных посредством патрубков кольцевых рубашек жидкого теплоносителя (фиг.2) корпуса и топочной трубы (два альтернативных варианта), отдавая тепло жидкому теплоносителю, циркулирующему в межтрубном пространстве или в кольцевых рубашках, и охлаждаясь при этом до температуры 150-180°С.
Вставка устанавливается только в процессе эксплуатации отопительного котла на низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходах. При эксплуатации отопительного котла на бурых, каменных углях, антраците, угольных брикетах или коксе вставка снимается. Для перехода отопительного котла с низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов на бурые, каменные угли, антрацит, угольные брикеты или кокс следует прекратить подачу низкокалорийных мелкодисперсных древесных отходов в топливную трубу, сработать остатки (в случае необходимости можно эвакуировать недогоревший материал в зольник), удалить золу из зольника, остудить агрегат до температуры 30-40°С, отключить от тепловой системы отопительного котла тепловая систему вставки, удалить ее, а цилиндрический корпус агрегата установить непосредственно на зольник. Далее производится розжиг отопительного котла на бурых, каменных углях, антраците, угольных брикетах или коксе.
Отопительный котел имеет КПД 84%, 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 в пределах 140-150°С (не более 180°С и не менее 85-90°С).
Конструкция предлагаемого в полезной модели отопительного котла со вставкой для сжигания древесных отходов обеспечивает повышение коэффициента полезного действия агрегата на 10-12% и увеличивает время его автономной эксплуатации без дозагрузки топлива в 2,5 раза.
Отопительный котел со вставкой для сжигания древесных отходов, содержащий колосник, зольник, цилиндрический корпус с крышкой, патрубками отвода продуктов горения, подвода и отвода жидкого теплоносителя, камерой горения твердого топлива над колосником, цилиндрическую топливную трубу для верхней загрузки твердого топлива, ось симметрии которой совпадает с осью симметрии цилиндрического корпуса, и систему теплообмена, состоящую из цилиндрических трубопроводов для эвакуации горячих продуктов горения, вертикально расположенных в один или несколько (2-5) рядов по окружности между цилиндрическим корпусом и топливной трубой, жидкого теплоносителя, циркулирующего в кольцевой рубашке вокруг зоны горения и в межтрубном пространстве или соединенные посредством патрубков кольцевые рубашки жидкого теплоносителя корпуса и топочной трубы и эвакуируемые между ними горячие продукты горения, отличающийся тем, что между зольником и цилиндрическим корпусом установлена вставка с внешним диаметром, равным внешнему диаметру цилиндрического корпуса, и высотой, равной 0,4-1,2 диаметра цилиндрического корпуса, снабженная кольцевой рубашкой для циркуляции жидкого теплоносителя, патрубками подвода и отвода жидкого теплоносителя, соединенными соответственно с подводом и отводом жидкого теплоносителя системы теплообмена отопительного котла и дверцей из жаропрочного материала, расположенной на равном расстоянии от верхней и нижней частей вставки, высота и длина которой равны 0,3-0,6 и 0,4-0,8 диаметра цилиндрического корпуса соответственно.
