Водогрійний твердопаливний котел

Реферат: Водогрійний твердопаливний котел містить корпус, виконаний у вигляді водяної сорочки, та розміщені в корпусі паливну камеру, конвекційну частину теплообмнника та конфузор виходу димових газів. Паливна камера містить колосникову решітку, під якою розташований зольний бункер, та відокремлена від конвекційної частини теплообмінника подвійною стінкою і повітряним зазором. Конвекційна частина теплообмінника виконана у вигляді ємності із встановленими перфорованими гребінками та має порожнисті задню та нижню стінки, між якими розміщений отвір для виходу газів, порожнисті бічні стінки із встановленими перфорованими гребінками, між якими розміщений отвір для виходу останніх, дві порожнисті бічні стінки, одна з яких має отвір для очищення конвекційної частини, на яких паралельно задній стінці розташовані рідинні канали, що утворюють своїми зовнішніми поверхнями газові канали. Задня стінка конвекційної частини і рідинні канали нахилені у бік від вхідного отвору. Рідинні канали встановлені так, що конвекційна частина ділиться рідинним каналом на газоопускну зону і зону підйому газу. Внутрішня частина котла повністю або частково емальована силікатною термостійкою емаллю. UA 109624 C2 (12) UA 109624 C2 UA 109624 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до енергетики і може бути використаний в котлах водогрійних твердопаливних для водяного опалення житлових, промислових, адміністративних, складських та інших приміщень. Як тверде паливо може бути використано як кускове паливо (дрова, вугілля, торф, макулатура, відходи деревообробки) так і дрібнофракційне паливо (пелети). Відомий комбінований опалювальний котел [Пат. UA № 65428 U, F24H 1/24, опубл. 12.12.2011 бюл. № 23, 2011 р.], що містить корпус, виконаний у вигляді водяної сорочки, яка утворена подвійними стінками, та розміщені в корпусі паливна камера і теплообмінник, розташований поряд з паливною камерою, паливна камера містить дві топки, колосники та відокремлена від теплообмінника сполученою з водяною сорочкою корпусу Г-подібною подвійною стінкою і повітряним зазором, в якому встановлені принаймні в два ряди водонагрівальні труби, які сполучені з водяною сорочкою корпусу. Водонагрівальні труби встановлені горизонтально, а теплообмінник виконаний з системи вертикальних перегородок, наповнених теплоносієм (водою), які сполучені з водяною сорочкою корпусу. Вертикальні перегородки встановлені з повітряними зазорами для проходження через них димових газів. Відомий котел водогрійний твердопаливний [Пат. UA № 89156 U, F24H 1/24, опубл. 10.04.2014 бюл. №7, 2014 p.] містить корпус, виконаний у вигляді водяної сорочки, яка утворена подвійними стінками, та розміщені в корпусі паливну камеру і теплообмінник, розташований поряд з паливною камерою. Паливна камера містить дві топки, колосники та відокремлена від теплообмінника сполученою з водяною сорочкою корпусу Г-подібною подвійною стінкою і повітряним зазором, в якому встановлені принаймні в два ряди водонагрівальні труби, які сполучені з водяною сорочкою корпусу. Водонагрівальні труби в суміжних рядах нахилені до горизонтальної площини під кутом до 5° в протилежних напрямках, а теплообмінник виконаний у вигляді ємності, сполученої з водяною сорочкою корпусу, всередині якої вертикально встановлені жароміцні прямокутні повітряні труби. Жароміцні прямокутні повітряні труби виконані з косими зрізами. Найбільш близькою за сукупністю ознак і технічним результатом до пристрою, що заявляється, є виготовлена з металу конвекційна частина опалювального котла [патент RU № 69206 U1, F24B 1/183, опубл. 10.12.2007], має корпус зі сталевими подвійними стінками, що утворюють зовнішню водяну сорочку, конвективні повітряно-газові проходи, з'єднані з газозбірним колектором, засипний бункер, що замикається на паливну камеру з колосників, під якими розташований зольний бункер, підведення холодної і відведення гарячої води. У внутрішньому просторі корпусу подвійні стінки утворюють додаткову водяну сорочку у вигляді фронтально розташованих верхнього і нижнього виступів, з'єднаних щонайменше одним рядом водонагрівальних труб, зазори між якими утворюють конвективні повітряно-газові проходи, засипний бункер виконаний похилим, обмежений знизу колосниками і розташований суміжно з паливною камерою, а решітка складається з горизонтальної і похилої ділянок, де похила ділянка колосників є складовою частиною однієї зі стінок засипного бункера. Технічною задачею, для вирішення якої пропонується даний пристрій, є створення оптимальних умов дляциркуляції води при її нагріванні в котлі, підвищення ефективності згоряння палива і збільшення тривалості часу його горіння від завантаження до завантаження, полегшення умов обслуговування та експлуатації котла. В основу винаходу поставлена задача удосконалення котла за рахунок конструкції конвекційної частини опалювального котла шляхом створення умов для руху топкових газів переважно під кутом атаки до поверхонь газових каналів, турбулізації потоку газів, розподілення останніх по різних газових каналах в залежності від їх енергії, зменшення кількості місць для випадання сажі, чим забезпечується підвищення ефективності конвекційного теплообміну і підвищення коефіцієнта корисної дії конвекційної частини опалювального котла. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому твердопаливному котлі, що містить корпус, виконаний у вигляді водяної сорочки, яка утворена подвійними стінками, та розміщені в корпусі паливну камеру і конвекційну частину теплообмінника, розташовану поряд з паливною камерою, конфузор виходу димових газів, колосники, зольник, паливна камера відокремлена від конвекційної частини теплообмінника подвійною стінкою і повітряним зазором, згідно з винаходом конвекційна частина теплообмінника виконана у вигляді ємності із встановленими перфорованими гребінками та має порожнисті задню та нижню стінки, між якими розміщений отвір для виходу газів, порожнисті бічні стінки із встановленими перфорованими гребінками, між якими розміщений отвір для виходу останніх, дві порожнисті бічні стінки одна з яких має отвір для очищення конвекційної частини, на яких паралельно задній стінці розташовані рідинні канали, що утворюють своїми зовнішніми поверхнями газові канали, задня стінка конвекційної частини і рідинні канали нахилені у бік від вхідного отвору, причому рідинні канали встановлені так, що конвекційна частина ділиться рідинним каналом на газоопускну зону і зону підйому газу. 1 UA 109624 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Згідно з винаходом, внутрішня частина котла повністю або частково емальована силікатною термостійкою емаллю. Крім того, у пристрої, згідно з винаходом, теплообмінник із встановленими перфорованими гребінками містить щонайменше два рідинні канали, по яких розподіляється теплоносій. Згідно з винаходом, задня стінка конвекційної частини і рідинні канали нахилені у бік від вхідного отвору так, що кут між вектором надходження потоку газів у конвекційну частину і площинами рідинних каналів з боку такого потоку складає 40-80°. Крім того, у пристрої, згідно з винаходом, розташування конфузора може бути, як у верхній, так і в нижній частині котла. Крім того, у пристрої, згідно з винаходом, поділ на зони виконано з перегородкою або із сполученням рідинного каналу з верхньою водяною сорочкою. Суть запропонованого винаходу пояснюється кресленнями, де: Фіг. 1 - загальний вигляд котла; Фіг. 2 - бічний переріз котла; Фіг. 3 - поздовжній переріз котла, в рівні конвекційної частини; Фіг. 4 - виносний елемент - фрагмент фронтального розрізу вертикального поперечного перерізу сполучення теплообмінника котла з верхньою водяною сорочкою. Загальна схема опалювального котла пояснюється на прикладі конкретного виконання. Водогрійний твердопаливний котел виготовлений з металу і містить камеру згоряння 1 і конвекційну частину 2, нагнітальний вентилятор 25, дверцята 26, повітряні канали 27, 28 подачі повітря, циліндричні канальці 29 та отвір 30, штуцер 31 подачі теплоносія, вихідний штуцер 32 теплоносія. На фіг. 3 зображено вертикальний поздовжній переріз котла водогрійного твердопаливного, а саме конструкція конвекційної частини. Котел містить камеру згоряння 1 і конвекційну частину 2, конфузор 18, зольник 3 топки, зольник 4 конвекційної частини, розділені між собою перегородкою 6, люк чистки 17 конвективної частини, люк чистки 19 конфузора, перфоровані гребінки 20, люк чистки зольника конвективної частини 5, перегородка 23 між газоопускними каналами 21 і каналами підйому газів 22, плавникові елементи 24, фронтову водяну сорочку (не показана на схемі), бічних водяних сорочок 15, верхньої водяної сорочки 16, пустотілих теплообмінників 8-14 і труб решітки охолоджуваних колосників 7. Всі елементи сполучаються між собою, тим самим утворюючи "водяний" об'єм котла. Кут нахилу теплообмінників 9-14, ширина газових каналів 2122, форма теплообмінників 8-14, кількість і їх взаємне розташування визначаються виходячи з теплового, аеродинамічного і гідравлічного розрахунку. Конструктивні особливості конвекційної частини полягають в наступному: теплообмінник 8 розділяє котел на дві зони: камера згоряння 1 і конвекційна частина 2. Конвекційна частина в свою чергу теж ділиться теплообмінником 9 на зони: газоопускна зона (газові канали 21, які утворюються теплообмінниками 8, 9, 12, 13 і зона підйому газу (газові канали 22 - утворюються теплообмінниками 9, 10, 14). Теплообмінник 11 може бути відсутнім в деяких моделях котлів. Теплообмінники 8, 9, 10 присутні у всіх моделях котлів даного типу. Кількість теплообмінників 9, який розділяє конвекційну частину на газоопускну підйомну зони, може бути більше ніж один, отже, кількість газоопускних каналів 21 і каналів підйому газів 22 може бути більше, ніж показано на схемі. Розташування конфузора 18 виходячи з кількості газоопускних каналів 21 і каналів підйому газів 2 може бути, як у верхній частині котла (як показано на схемі), так і в нижній. На фіг. 4 зображено фрагмент вертикального поперечного перерізу сполученням теплообмінника 9 котла водогрійного твердопаливного з верхньою водяною сорочкою 16. Поділ на зони (фіг. 4) у різних моделях котлів може бути виконано двох типів: перший з перегородкою 23 - виноска А-1 і другий із сполученням теплообмінника 9 з верхньою водяною сорочкою 16 - виноска А-2. Запропонований водогрійний твердопаливний котел працює наступним чином. Принцип роботи котла оснований на використанні енергії твердого палива, що спалюється, для отримання гарячої води. Паливо завантажується через дверцята 26 у камеру згоряння 1 на решітку охолоджуваних колосників 7. Паливо починає загорятися. Далі процес горіння продовжується самостійно протягом тривалого часу без участі людини. Гарячі гази, що утворюються при згорянні палива в камері згоряння 1, заповнюють внутрішній об'єм корпусу 2 котла, нагрівають водяні сорочки 15 і 16, а потім проходять по трубах решітки водоохолоджуваних колосників 7, обходячи всі конвективні поверхні, в яких нагрівається вода. Між верхньою водяною сорочкою 16 і верхньою частиною теплообмінника 8 утворюється газовий канал, проходячи через який, продукти 2 UA 109624 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 згоряння (далі "газ") потрапляють в конвективну частину 2, далі проходячи по каналах газоопускної зони 21 газ опускається в зольник конвективної частини 4 в якому розгортається і потрапляє в канали зони підйому газу 22, пройшовши по яких газ потрапляє в конфузор 18 і далі в димохід. У процесі згоряння утворюється зола, яка збирається в зольнику топки 3, в зольнику конвективної частини 4 (зольник 3 і 4 розділені між собою перегородкою 6, в конфузорі 18, на стінках теплообмінників і т.д. Для видалення золи конструктивно передбачені люки чищення (люк чистки зольника топки (не показаний на схемі), люк чистки зольника конвективної частини 5, люк чистки конвекційної частини 17, люк чистки конфузора 19, форма, розміри, розташування і кількість люків визначаються виходячи зі зручності обслуговування конкретно кожної моделі котла. Для забезпечення горіння здійснюється подача повітря від нагнітального вентилятора 25, розташованого на задній частині котла: перед подачею в зону полум'я, повітря нагрівається за допомогою розташування повітряних каналів подачі 27, 28 безпосередньо на зовнішніх стінках бічних водяних сорочок 15 та/або верхньої водяної сорочки 16, які вже підігріті теплоносієм. Підігріте повітря забезпечує найбільш повне спалювання горючих матеріалів з мінімальними залишками золи і сажі. Оптимально підібрані перерізи повітряних каналів подачі 27, 28, циліндричних канальців 29 та отвору 30, для введення в камеру згоряння 1 первинного і вторинного повітря сприяють повному спалюванню палива. Первинне повітря подається у камеру згоряння 1 по повітряному каналу подачі 27 через циліндрічні канальці 29 та через отвір 30 під колосникові водоохолоджувані труби 7. Вторинне повітря подається у камеру згоряння 1 по повітряному каналу подачі 28 через циліндрічні канальці 29, які розташовані в різних зонах, як бічних так і фронтових, по висоті камери згоряння 1. Котел використовує простий принцип: у процесі горіння палива за допомогою первинного повітря виділяється теплова енергія, котра нагріває металеві стінки водяної сорочки камери згоряння 1, утвореної фронтовою водяною сорочкою (не показана на схемі), бічними водяними сорочками 15, верхньою водяною сорочкою 16, які, в свою чергу, передають теплову енергію теплоносію. Також при згорянні палива разом із димовими газами генерується піролізний газ, який, в свою чергу, спалюється за допомогою вторинного повітря, що подається по повітряному каналу подачі 28 по циліндрічних канальцях 29 за допомогою нагнітального вентилятора 25, розташованих у верхніх зонах бічних водяних сорочок 15 камери згоряння 1, та, таким чином, виділяє додаткову теплову енергію, яка йде на додатковий підігрів конвективної частини 2 котла. Топкові гази, що утворюються в процесі горіння, з температурою близько 700 °C, виходять з камери згоряння через отвір у верхній частині її задньої стіни, утвореної теплообмінником 8, і потрапляють в конвективний газохід, утворений пакетом конвективних теплообмінників 8-14. В залежності від потужності котла конвективний газохід може бути двоходовому по газам або більше. Гази омивають конвекційні теплообмінники 8-14, рухаючись послідовно спадними і висхідними потоками, і в наслідку видаляються в димову трубу через конфузор 18, розташований з тилу котла. Використання конвективних елементів під нахилом дозволяє досягти турбулізації потоку димових газів, що сприяє найбільш ефективному теплообміну та осадженню золових часток в зольні. Оптимальна швидкість в газовому каналі сприяє досягненню ефективного теплообміну та зменшенню відкладень золових часток на конвективних поверхнях. Вода подається в котел через штуцер подачі теплоносія 31 в нижній частині котла і потрапляє паралельно в конвекційні теплообмінники 8-14 та бічні водяні сорочки 15, що утворюють стіни камери згоряння 1. За рахунок охолодження гарячих газів вода поступово нагрівається потрапляє у верхню частину котла і йде в систему теплопостачання через вихідний штуцер теплоносія 32 на верхній частині котла. Для найкращого розподілу потоків організована примусова циркуляція теплоносія у всіх водних сорочках і конвективних теплообмінниках 8-14, за допомогою використання напрямних перфорованих гребінок 20, які встановлені у внутрішній ємності згідно з гідравлічного та теплового розрахунку, що сприяють більш рівномірному розподілу теплоносія та його найбільш тривалого перебування в зоні теплообміну. Для значного збільшення теплообмінної поверхні конвективної частини котла на зовнішній поверхні теплообмінників 8-14 можуть бути знаходитись так звані плавникові елементи 24, що зроблені з металу та прикріплені к поверхні за допомогою зварювання MIG/MAG. Внутрішня частина котла може бути повністю або частково емальована силікатною термостійкою емаллю, за допомогою чого значно зростає рівень захищеності поверхонь від розшарування металу під час роботи з відкритим полум'ям, нівелюється корозія поверхонь конвективної частини та негативні наслідки утворення "точки роси". 3 UA 109624 C2 5 10 Таким чином, винахід, що заявляється, забезпечує інтенсифікацію процесу теплообміну в котлі, що в свою чергу сприяє підвищенню його ефективності. Використання перфорованих гребінок дозволяє досягти рівномірного розподілу теплоносія. Завдяки використанню конвективних елементів під нахилом дозволяє досягти турбулізації потоку димових газів, що сприяє більш ефективному теплообміну та осадженню золових часток в зольнику. Оптимальна швидкість в газовому каналі сприяє досягненню ефективного теплообміну та зменшенню відкладень золових часток на конвективних поверхнях. Оптимально підібрані перетини для введення в паливню первинного і вторинного повітря сприяють повному спалюванню палива. Конструкція камери згоряння з охолоджуваними водою колосниковими трубами на використання водяної сорочки дозволяють відмовитись від важких вогнетривких обмурованих матеріалів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 1. Водогрійний твердопаливний котел, що містить корпус, виконаний у вигляді водяної сорочки, яка утворена подвійними металевими стінками, та розміщені в корпусі паливну камеру і конвекційну частину теплообмінника, розташовану за паливною камерою, конфузор виходу димових газів, паливна камера містить колосникову решітку, під якою розташований зольний бункер, та відокремлена від конвекційної частини теплообмінника стінкою і повітряним зазором, який відрізняється тим, що конвекційна частина теплообмінника виконана у вигляді ємності із встановленими перфорованими гребінками та має порожнисті задню та нижню стінки, між якими розміщений отвір для виходу газів, порожнисті бічні стінки із встановленими перфорованими гребінками, між якими розміщений отвір для виходу останніх, дві порожнисті бічні стінки, одна з яких має отвір для очищення конвекційної частини, на яких паралельно задній стінці розташовані рідинні канали, що утворюють своїми зовнішніми поверхнями газові канали, задня стінка конвекційної частини і рідинні канали нахилені у бік від вхідного отвору, причому рідинні канали встановлені так, що конвекційна частина ділиться рідинним каналом на газоопускну зону і зону підйому газу, внутрішня частина котла повністю або частково емальована силікатною термостійкою емаллю. 2. Котел за п. 1, який відрізняється тим, що теплообмінник із встановленими перфорованими гребінками містить щонайменше два рідинні канали, по яких розподіляється теплоносій. 3. Котел за п. 1, який відрізняється тим, що задня стінка конвекційної частини і рідинні канали нахилені у бік від вхідного отвору так, що кут між вектором надходження потоку газів у конвекційну частину і площинами рідинних каналів з боку такого потоку складає 40°-80°. 4. Котел за п. 1, який відрізняється тим, що розташування конфузора може бути як у верхній, так і в нижній частині котла. 5. Котел за п. 1, який відрізняється тим, що поділ на зони руху газів виконано з перегородкою або із сполученням рідинного каналу з верхньою водяною сорочкою. 4 UA 109624 C2 5 UA 109624 C2 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6