Отопительный котел

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности, к теплогенераторам, и предназначена для автономного отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов, промышленных зданий и сооружений.

Отопительный котел содержит изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с газовыми горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для воды, а также коллектор дымовых газов. Новым в отопительном котле является то, что он дополнительно оснащен термоэлектрическими преобразователями в виде батареи термопар, размещенных в топочной камере между газовыми горелками и теплообменником, выход которых через инвертор напряжения связан с электродвигателем нагнетающего насоса и озонатором, соединенным посредством воздуховода через нагнетательный насос с топочной камерой.

Отопительный котел характеризуется повышенной эффективностью вследствие использования в нем явления интенсификации горения природного газа озоно-воздушной смесью и является электронезависимым устройством. Кроме того, отопительный котел обладает улучшенными экологическими свойствами, так как в продуктах сгорания уменьшено количество окиси углерода и окислов азота.

Библ.1, илл. 1.

Отопительный котел относится к теплоэнергетике, в частности, к теплогенераторам, и может быть использован для автономного отопления и горячего водоснабжения индивидуальных домов, промышленных зданий и сооружений.

Известен отопительный котел, содержащий изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с газовыми горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для воды, а также коллектор дымовых газов (см. патент WO 93/05347, 18.03.1993).

Недостатком такого котла является относительно большой расход топлива на единицу получаемой теплоты, а также повышенное содержание окиси углерода и окислов азота (NO и NO₂) в составе продуктов сгорания.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение эффективности отопительного котла и снижение вредного воздействия продуктов сгорания.

Такой технический результат достигается тем, что отопительный котел, содержащий изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с газовыми горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для воды, а также коллектор дымовых газов, отличающийся тем, что дополнительно оснащен термоэлектрическими преобразователями в виде батареи термопар, размещенных в топочной камере между газовыми горелками и теплообменником, выход которых через инвертор напряжения связан с электродвигателем нагнетающего насоса и озонатором, соединенным посредством воздуховода через нагнетательный насос с топочной камерой.

На фиг.1 представлен разрез отопительного котла.

Отопительный котел содержит изолированный корпус 1, включающий размещенные в нижней части топочную камеру 2 с газовыми горелками 3, над которыми расположен теплообменник 4, выполненный из совокупности труб из меди или медно-никелевого сплава с отражательными пластинами 5 и подключенный ко входу 6 и выходу 7 для воды, а также коллектор дымовых газов 8 с выходным отверстием 9. В топочной камере 2 между газовыми горелками 3 и теплообменником 4 размещены термоэлектрические преобразователи 10 в виде батареи термопар. Выход термоэлектрических преобразователей 10 через инвертор 11 напряжения связан с электродвигателем 12 нагнетающего насоса 13 и озонатором 14. Озонатор 14 посредством воздуховода 15 через нагнетающий насос 13 соединен с топочной камерой 2.

Отопительный котел работает следующим образом. Теплоноситель из системы подается внутрь изолированного корпуса котла 1 через вход 6, далее проходит по совокупности труб теплообменника 4, нагревается и выходит через выход 7 к потребителю. Теплообменник 4 выбран малоемкостным (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 газовых горелок 3 в топочной камере 2 через теплообменник 4 в коллектор 8. Трубы теплообменника 4 покрыты сверху отражательными пластинами 5, создающими завихрение потока дымовых газов, тем самым увеличивая эффективность использования их теплоты. Дымовые газы, отдав теплоту через теплообменник 4 теплоносителю, поступают в коллектор 8, откуда через выходное отверстие 9 выводятся наружу.

Термоэлектрические преобразователи 10, находясь под влиянием разно-температурных сред в топочной камере 2, преобразуют часть тепловой энергии отопительного котла в электрическую энергию. В соответствии с явлением Зеебека на выходе термоэлектрических преобразователей 10 появляется постоянное электрическое напряжение (термоЭДС), которое подводится к инвертору 11 напряжения, где преобразуется в переменное электрическое напряжение. Далее это напряжение подается к электродвигателю 12 нагнетающего насоса 13 и к озонатору 14. В озонаторе 14 происходит озонирование воздуха за счет барьерного разряда. В результате образуется озоно-воздушная смесь, которая нагнетается нагнетающим вентилятором 13, приводимым во вращение электродвигателем 12, в топочную камеру 2. В топочной камере 2 озоно-воздулшая смесь, обладающая повышенными окислительными свойствами, участвует в сжигании газа, интенсифицирует процесс горения и улучшает состав дымовых газов. Таким образом, происходит экономия топлива и улучшение экологических показателей котла.

Теоретическое обоснование положительного влияния озоно-воздушной смеси на процесс горения газа представлено ниже.

Природный газ, поступающий в большинство современных котельных, в объеме одного кубического метра имеет следующий состав:

1. CH₄ (метан) - 941,2 л

2. H₂ (водород) - 4,4 л

3. N₂ (азот) - 24,6 л

4. C₂ H₄ (этан) - 24,1 л

5. C₃ H₈ (пропан) - 4,3 л

6. С₄ H₁₀ (бутан) - 0,5 л

7. С₅ H₁₂ (пентан) - 0,6 л

8. С₆ H₁₄ (гексан) - 0,3 л

При полном сгорании природного газа будут происходить следующие химические реакции:

1. СН₄(r)+O₂=СО₂ (r)+2H₂O

crH⁰=-802,25 кДж/моль

2. 2Н ₂(r)+O₂(r)=2H₂O

crH⁰=-241,812 кДж/моль

3. N ₂(r)+2O₂(r)=2NO₂(r)

crH⁰=66 кДж/моль

4. 2С₂ H₆(r)=7O₂(r)=4С0₂(r)+6Н ₂O(r)

crН⁰=-1427?8 кДж/моль

5 C ₂H₅(r)+5O₂(r)=3CO₂(r)+4H ₂O(r)

crH⁰=-2043,13 кДж/моль

6. С ₅P₁₂(r)+13O₂(r)=8CO₂(r)+10H ₂O(r)

crH⁰=-2658,4 кДж/моль

7. C ₂H₁₂(r)+8O₂(r)=5СO₂(r)+6H ₂0(r)

crH⁰=-3271,9 кДж/моль

8. 2С ₆Н₁₄(r)+19O₂(r)=12СО₂(r)+14H ₂O(r)

crH⁰=-3883,7 кДж/кг,

где crH⁰ - энтальпия сгорания.

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 CH₄, то становятся возможными следующие реакции:

1. CH₄ (r)+2Н₂O(r)=СО₂(r)=4H₂(r)

crH⁰₁=+165,6 кДж/моль

2. CH₄ (r)+H₂O(r)=CO(r)+3H₂(r)

crH⁰₁=+206,15 кДж/моль

3. CH ₄(r)+CO₂(r)=2CO(r)+2H₂(r)

crH⁰₁=+247,35 кДж/моль

4. 2CH ₄(r)+3O₂(r)=CO(r)+2H₂O(r)

crH⁰₁=-520 кДж/моль

Первые три режима, как видно, идут с поглощением теплоты (эндотермические), четвертое уравнение представляет процесс неполного сжигания метана до окиси углерода, что ведет к потере 282 кДж/моль теплоты. Итак, неполное сгорание ведет к резкому падению теплоотдачи реакции до 35%. Кроме того, окись углерода 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.

Согласно уравнению Аррениуса, константа скорости химических превращений определяется температурой T и энергией активации молекул Е₀:

K₁=K₀exp(-E₀/RT),

где K₁ - константа скорости химических превращений;

К₀- коэффициент, отражающий число всех столкновений реагирующих молекул в единицу времени;

exp(-E₀/RT) - доля общего числа способных к реакции молекул.

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 можно, создав в ней высоковольтное резко неоднородное электрическое поле. Кроме того, газовые ионы 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 Е снижается.

Одной из типичных реакций в плазме разряда 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 малыми количествами озона.

Термически озон начинает заметно разлагаться при 100°С, поэтому при комнатной температуре окисление углеводородов происходит преимущественно при реакции с озоном:

RH+O₃RO+H₂O

Тепловой эффект для метана составляет 11,5 ккал/моль. При температуре, превышающей 100°C заметную роль начинает играть атомарный килород, образующийся при распаде озона на О₂ 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 1520% и уменьшении вредных выбросов в атмосферу.

Рассмотрим эффективность работы заявляемой полезной модели, реализованной 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.

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 м³ 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 1418 кВт ч на один килограмм озона. Таким образом, в нашем примере на работу озонатора 14 в течение суток потребуются 0,2 кВт ч электрической энергии.

Для нагнетания требуемого количества озоно-воздушной смеси в топочную камеру 2 с помощью нагнетающего насоса 13 потребуется электродвигатель 12 мощностью 6080 Вт. В течение суток для работы электродвигателя 12 будет израсходовано 1,92 кВт ч электрической энергии.

Итого, на получение и подачу озоно-воздушной смеси в топочную камеру 2 котла в течение суток необходима электрическая энергия в количестве Q_эл'=0,2+1,92=2,12 кВт ч. Эта энергия преобразуется термоэлектрическими преобразователями 10 за счет части тепловой энергии, вырабатываемой котлом.

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:

,

где _озон - к.п.д. термоэлектрических преобразователей 10, _озон=0,1.

_стат - к.п.д. статического преобразователя 11, _стат=0,97.

После подстановки численных значений получим: Q_тепл=21,9 кВт ч.

В результате работы заявляемой полезной модели сокращается расход природного газа на 1520%, 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 кВт ч. в сутки, что вдвое превышает величину тепловой энергии, отобранной у котла на обеспечение работоспособности озонатора 14 и электродвигателя 12 нагнетающего насоса 13. Кроме того, использование заявляемой полезной модели позволяет уменьшить экологический вред продуктов сгорания за счет снижения содержания окиси углерода и окислов азота.

Отопительный котел, содержащий изолированный корпус с размещенной в нижней его части топочной камерой с газовыми горелками, над которыми расположен теплообменник в виде совокупности металлических труб с отражательными пластинами и входом и выходом для воды, а также коллектор дымовых газов, отличающийся тем, что дополнительно оснащен термоэлектрическими преобразователями в виде батареи термопар, размещенных в топочной камере между газовыми горелками и теплообменником, выход которых через инвертор напряжения связан с электродвигателем нагнетающего насоса и озонатором, соединенным посредством воздуховода через нагнетательный насос с топочной камерой.