Водогрейный котел

Предлагаемая конструкция водогрейного котла, работающего на твердом топливе, относится к теплоэнергетике и может найти применение как часть котельной малой мощности, используемой для отопления зданий, помещений, частных домов. Технический результат заключается в упрощении конструкции при сохранении высокого КПД устройства. Технический результат достигается тем, что в водогрейном котле, включающем систему подачи топлива из бункера шнековым конвейером в камеру сгорания, снабженную горелкой и устройством подачи воздуха, теплообменник, систему удаления продуктов сгорания, систему автоматизации, согласно предлагаемому техническому решению, в камере сгорания установлен радиационный теплообменник со спиральной поверхностью, при этом устройство подачи воздуха включает патрубок первичного дутья, подведенный к горелке, и патрубок вторичного дутья, установленный в камере сгорания тангенциально, с возможностью изменения угла наклона относительно оси топки, параллельно камере сгорания установлен конвекционный теплообменник, соединенный с камерой сгорания дымовым каналом, соединенным с дымососом и с циклонным пылеуловителем, при этом система автоматизации выполнена в виде ЭВМ, аналого-цифровых преобразователей показателей датчиков технологических параметров, ШИМ-преобразователей, контроллера 1-Wire с ключами и ведущим устройством сети. 1 н-з.п. ф-лы; 1 илл.

Предлагаемая полезная модель водогрейного котла, работающего на твердом топливе, относится к теплоэнергетике и может найти применение как часть котельной малой мощности, используемой для отопления зданий, помещений, частных домов.

Известны водогрейные котлы, работающие на твердом топливе, содержащие корпус, засыпной бункер для топлива, топочную камеру с механизмами подачи воздуха, воздушно-газовый проход с расположенным в нем теплообменником, механизмы удаления золы и пыли (патенты РФ 2412400, F24B 1/183, 2363888, F24B 1/183). Конструкции известных водогрейных котлов решают задачу более полного сгорания топлива в воздушной среде и позволяют реже производить загрузку засыпных бункеров топливом. Известные аналоги не предполагают механизацию процессов загрузки и выгрузки топлива, что особенно важно при отоплении частных домов, потребляющих за отопительный сезон 10-15 тонн угля и требуют постоянного наблюдения за работой котла.

Известны водогрейные котлы, снабженные системами управления процессом горения, включающими датчик температуры теплоносителя, подающим сигнал на включение или отключение горелки, например по патенту РФ 2452906, F24H 1/08 или снабженные электронным контроллером, который поддерживает заданную температуру теплоносителя, управляет подачей угля и подачей воздуха поддува, например, по патентам РФ 104668 и 2451239, F23B 40/00.

Из известных аналогов наиболее близок к заявляемому автоматизированный угольный котел, описанный в патенте РФ 2451239, F23B40/00, который включает систему подачи топлива из бункера шнековым конвейером, камеру сгорания (топку), снабженную горелкой и устройством подачи воздуха, включающим две трубки наддува, соединенные с вентилятором, расположенную над топкой камеру дожигания с фильтрами и огнеупорными трубками подачи вторичного воздуха, теплообменник, расположенный над камерой дожигания, зольник а также блок автоматизации, включающий контроллер, датчики температуры, датчики протока, аварийные датчики, газоанализатор.

К недостаткам прототипа, представляющим собой промышленный котел большой мощности, относится сложность конструкции котла, значительные размеры и металлоемкость которого увеличиваются вследствие последовательного вертикального расположения топки, камеры дожигания и теплообменника с фильтрами, к тому же использование промышленного контроллера увеличивает стоимость оборудования и усложняет процесс управления работой котла.

Задача заявителя - создание котла малой мощности, пригодного для малоэтажного строительства, сочетающего достоинства известных аналогов, обеспечивающих высокий КПД (полное сгорание топлива) и автоматизацию процесса горения.

Технический результат заключается в упрощении конструкции при сохранении высокого КПД устройства.

Технический результат достигается тем, что в водогрейном котле, включающем систему подачи топлива из бункера шнековым конвейером в камеру сгорания, снабженную горелкой и устройством подачи воздуха, теплообменник, систему удаления продуктов сгорания, систему автоматизации, согласно предлагаемой полезной модели, в камере сгорания установлен радиационный теплообменник со спиральной поверхностью, при этом устройство подачи воздуха включает патрубок первичного дутья, подведенный к горелке, и патрубок вторичного дутья, установленный в камере сгорания тангенциально, с возможностью изменения угла наклона относительно оси топки, параллельно камере сгорания установлен конвекционный теплообменник, соединенный с камерой сгорания дымовым каналом, соединенным с дымососом и с циклонным пылеуловителем, при этом система автоматизации выполнена в виде ЭВМ, аналого-цифровых преобразователей показателей датчиков технологических параметров, ШИМ-преобразователей, контроллера 1-Wire с ключами и ведущим устройством сети.

Путь прохождения дымовых газов регулируется за счет изменения угла наклона патрубка вторичного дутья, чем ниже он наклонен по отношению к основанию камеры, тем более плотную спираль проходит выходящий из него воздух, а чем больше угол наклона, тем спиральная траектория реже, содержит меньше витков, следовательно, путь воздуха короче, время пребывания газа в топке меньше.

Благодаря наклонному патрубку вторичного дутья происходит интенсификация циркуляции частиц газообразного и пылевидного топлива, что способствует более полному сжиганию топлива. Это же позволяет уловить значительную часть тяжелых фракций золы уноса, что снижает нагрузку и требования к циклонному пылеуловителю на выходе котла, уменьшает запыление поверхностей конвективного и радиационного теплообменников. Кроме того, снижаются требования к топливу по влажности, зольности и выходу летучих веществ, а это позволяет сжигать различные марки топлива с сохранением эффективности и без изменения конструкции котла. Появляется дополнительная гибкость в разделении процессов возгонки летучих, горения кокса и газов, это позволяет снизить температуры зон горения, время пребывания горючих веществ в топке, коэффициент избытка воздуха и, как следствие, резко снизить образование и выброс токсичных газов (NO_x, CO). Наличие конвекционного теплообменника осуществляет дополнительный съем тепла.

Котел управляется ЭВМ, что дает дополнительные потребительские преимущества:

а. Низкую стоимость вычислительного оборудования по сравнению с промышленным контроллером;

b. Легко изменяемую программу управления по сравнению с промышленным контроллером;

с. Привычный пользовательский интерфейс (операционная система, графические и звуковые события, веб-браузер, управление котлом через Интернет и т.п.)

Скорость подачи топлива и воздуха вычисляются ЭВМ в зависимости от заданной марки топлива, температуры дыма, топки и циркулирующей воды, режима котла. Это исключает необходимость контроля со стороны человека, обеспечивает высокую эффективность сжигания топлива все время работы.

На чертеже показан общий вид котла в плане.

Водогрейный котел состоит из камеры сгорания с коническим сводом 1, дымовой канал 2 соединяет камеру сгорания 1 с конвекционным теплообменником 3. Дымовой канал 2 снабжен патрубком 4 к дымососу котла (на чертеже не показан). К камере сгорания 1 топливо из бункера большой емкости, расположенного за пределами котла, подводится с помощью шнекового конвейера 5. Остатки золы после прохождения дымовых газов через теплообменник 3 выносится с помощью зольного шнека 6, пыль улавливается циклонным пылеуловителем 7 с патрубком 8 к транспортеру зольного бункера большой емкости, расположенного вне котла (на чертеже не показан). Камера сгорания 1 снабжена патрубком вторичного дутья 9, установленного тангенциально, с возможностью изменения угла наклона, зольным шнеком 10, для удаления основной массы золы в бункер, горелкой ретортного типа 11 с подведенным к ней патрубком первичного поддува 12. В корпусе камеры сгорания предусмотрена смотровая дверца 13, основную тепловую энергию собирает спиральная поверхность радиационного теплообменника 14. Стенки котла имеют внутренний высокотемпературный теплоизоляционный слой из огнеупорного материала (например, шамот) 15 и наружный низкотемпературный слой теплоизоляции 16.

Описание системы автоматизации (ЭВМ): ключевая технология взаимодействия исполнительных устройств и ЭВМ - технология 1-Wire компании Dallas Semiconductor. Она позволяет создавать разветвленную сеть исполняющих электронных устройств, управляемых программно через ЭВМ. Одно из преимуществ технологии - дешевизна компонентой базы. Кроме того - простота управления сетью, доступная даже неспециалисту. Состав системы управления приводится ниже.

Система автоматизации включает:

- Датчики технологических параметров:

- температуры холодной и горячей воды (на входе и выходе водяного контура), температуры дымовых газов после теплообменников -

- давления воды (на выходе водяного контура) -

- термопара (в топке)

- термостат

- наличия разрежения дымовых газов (в дымоходе)

- датчики СО и О₂

- Управляющие электронные устройства на базе технологии 1-Wire:

- ведущее устройство

- ведомые аналого-цифровые преобразователи (для датчиков давления, разрежения, газоанализатора и термопары)

- ведомые электронные ключи (для переключения скоростей электродвигателей дутья, включения/выключения приводов шнеков, дымососа и привода патрубка вторичного дутья)

- ШИМ-преобразователи¹ (для изменения скоростей электродвигателей дутья)

- Управляющую программу:

- многопоточная программа-служба, не имеющая собственного интерфейса работающая в фоновом режиме (рассчитывает параметры дутья, скорость подачи топлива, расход топлива, утилизированное тепло и др.). Может быть написана на любом высокоуровневом языке, например, на C++, python.

- web-приложение, осуществляющее взаимодействие пользователя с основной программой-службой.

Работа котла осуществляется следующим образом.

Перед началом работы котел посредством патрубков присоединяют к шнековому конвейеру подвода топлива 5, воздуха 9 и 12; отвода продуктов сгорания: золы 6, 8, 10 и дыма 4; и отопления: к теплообменникам 3, 14 (на чертеже подводящие/отводящие водяные патрубки не изображены). Система отопления должна быть водяная, закрытая. Для запуска котла необходимо подать топливо из внешнего бункера (на чертеже не изображен) к горелке 11, воздух в патрубки 9, 12, зажечь топливо через открытую дверцу 13. После воспламенения топлива дверцу 13 закрыть. Далее процесс в автоматическом режиме (под управлением ЭВМ) идет следующим образом.

Газообразные продукты сгорания топлива, поднимаясь вверх и далее в дымовой канал 2, отдают свое тепло циркулирующей в теплообменниках 3, 14 воде. В теплообменнике 3 происходит преимущественно конвекционная теплопередача, а в 14 - конвекционная и радиационная. Миновав теплообменник 3, охлажденные до 150-200°С дымовые газы направляются в циклонный пылеуловитель 7 для осаждения мелкой пылевидной золы (до 50 мкм) и далее выводятся в атмосферу через дымовую трубу, присоединенной к патрубку 4 через дымосос (на чертеже не изображен). Давление и скорость первичного и вторичного дутьевого воздуха, а так же дымососа подбираются таким образом, чтобы обеспечить достаточное количество воздуха для химически полного окисления топлива, скорость для эффективного осаждения пыли в циклонном пылеуловителе 7, время пребывания дымовых газов в камере сгорания 1 и дымовом канале 2. Время также регулируется углом наклона тангенциального патрубка вторичного дутья 9 относительно оси камеры сгорания.

Твердые продукты сгорания топлива выводятся из котла зольными шнеками 6, 10 во внешний бункер (на схеме не изображен). Туда же через пневматический рукав, присоединенный к патрубку 8, периодически выводится мелкая зола уноса, осажденная циклоном 7.

Котел имеет малую массу и при низкой мощности (до 50кВт) не требует специально подготовленного основания, может устанавливаться даже на деревянном межэтажном перекрытии;

Вынесенные за пределы котла шумные механизмы электропривода шнеков, вентиляторов и малые габариты позволяют значительно снизить общий уровень громкости звука, исходящего от него. Это дает возможность устанавливать котлы низкой мощности (например, 20кВт) в жилых помещениях (а не только в котельных, подвалах, пристройках или на улице), если придать им приятный внешний вид.

Водогрейный котел, включающий систему подачи топлива из бункера шнековым конвейером в камеру сгорания, снабженную горелкой, устройство подачи воздуха, теплообменник, систему отвода продуктов сгорания, систему автоматизации, отличающийся тем, что в камере сгорания установлен радиационный теплообменник со спиральной поверхностью, при этом устройство подачи воздуха включает патрубок первичного дутья, подведенный к горелке, и патрубок вторичного дутья, установленный в камере сгорания тангенциально с возможностью изменения угла наклона относительно оси топки, параллельно камере сгорания установлен конвекционный теплообменник, соединенный с камерой сгорания дымовым каналом, соединенным с дымососом и циклонным пылеуловителем, при этом блок автоматизации выполнен в виде ЭВМ, аналого-цифровых преобразователей показателей датчиков технологических параметров, ШИМ-преобразователей, контроллера 1-Wire с ключами и ведущим устройством сети.