Водогрейный котел

Область техники.

Изобретение относится к теплоэнергетике, конкретно к водогрейным котлам для отопления помещений и горячего водоснабжения в условиях дефицита углеводородного топлива.

Уровень техники.

Известны водогрейные котлы /SU 78259, 1948; SU 1802863, 1993/, основанные на сжигании природного газа, содержащие газовую камеру сжигании газообразного топлива, в которой установлен теплообменник с жидким рабочим веществом и соответствующей арматурой его подключения к потребителю тепла.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению относится водогрейный котел /SU 1802863, 15.03.1993, «Бойлер каталитического сжигания смеси углеводородного топлива с воздухом для нагрева воды домашнего использования и катализатор для сжигания смеси углеводородного топлива с воздухом в бойлере»/, выбранный в качестве прототипа изобретения.

Известный водогрейный котел /SU 1802863/ содержит патрубок подачи метана, патрубок подвода холодной воды, патрубок вывода нагретой воды, датчик температуры воды, блок управления нагревом воды, воздушный насос и газовую камеру сжигания топлива, в которой установлены газовая горелка, теплообменник, свеча зажигания, воздухозаборник и датчик пламени горелки, причем теплообменник соединен трубопроводами с соответствующими патрубками подвода холодной воды и вывода нагретой воды, сигнальные выходы датчика температуры и датчика пламени соединены с сигнальными входами блока управления, соответствующие управляющие выходы которого соединены с управляющими входами свечи зажигания и воздушного насоса.

При этом воздухозаборник выполнен в виде колосниковой решетки, воздушный насос - в виде вытяжного вентилятора, установленного на выходе дымовых газов камеры сжигания, внутренняя поверхность которой покрыта слоем катализатора из материала платиновой группы и окиси алюминия. Использование указанного катализатора позволяет обеспечить низкотемпературную (170-450^оС) тепловую диссоциацию молекул воды подводимого в газовую камеру влажного (≥40%) воздуха на горючие составляющие водород и кислород и использовать синтезированный водород в качестве добавочного топлива к метану для дожига последнего и снижения потребностей водогрейного котла в углеводородном топливе.

Проблемой известного водогрейного котла является относительно повышенный расход углеводородного топлива (СН₄ - метана) и повышенная стоимость котла из-за использования в нем катализатора из драгоценных металлов платиновой группы.

Задачей изобретения является снижение потребностей водогрейного котла в углеводородном топливе и снижение его стоимости.

Техническим результатом изобретения, обеспечивающим решение поставленной задачи, является замещение части углеродного топлива водородом, синтезированным из воды и применение катализаторов из доступных по цене природных материалов.

Сущность изобретения.

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что водогрейный котел содержит патрубок подачи метана, патрубок подвода холодной воды, патрубок вывода нагретой воды, датчик температуры воды, блок управления нагревом воды, воздушный насос и газовую камеру сжигания топлива, в которой установлены газовая горелка, теплообменник, свеча зажигания, воздухозаборник и датчик пламени горелки, причем теплообменник соединен трубопроводами с соответствующими патрубками подвода холодной воды и вывода нагретой воды, сигнальные выходы датчика температуры и датчика пламени соединены с сигнальными входами блока управления, соответствующие управляющие выходы которого соединены с управляющими входами свечи зажигания и воздушного насоса.

Новыми отличительными признаками в изобретении относительно прототипа /SU 1802863/ являются:

- установка в водогрейном котле (ВК) автономного низкотемпературного преобразователя нагретой воды в водород, управляемого вентилями по температуре пламени горелки и теплоносителя;

- выполнение низкотемпературного преобразователя ВК в виде блока последовательно соединенных кольцевых или спиральных труб из тугоплавкого материала заполненных гранулами низкотемпературного катализатора воды;

- установка низкотемпературного преобразователя в камере сгорания ВК между горелкой и теплообменником;

- введение блока управляемых вентилей для растопки топки ВК метаном и последующего перехода на топку синтезированным водородом, управления процессом синтеза водорода, управления качеством топливной смеси, глушения пламени водорода и обратной продувки труб преобразователя для восстановления в них катализатора в исходное осушенное состояние.

Доказательство достижения заявленного технического результата и решение поставленной задачи

Введении автономного управляемого низкотемпературного преобразователя нагретой воды в водород, а также - соответствующих вентилей водогрейного котла позволяет оперативно отключить подачу в его топку углеводородного топлива и перейти на подогрев теплоносителя с помощью водородного топлива, синтезированного из воды теплоносителя.

Сокращения при этом времени использования углеводородного топлива и замещения его водородным топливом приводит к экономии углеводородного топлива и решению поставленной задачи.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой водогрейного котла, представленной на фиг. 1.

На фиг. 1 обозначены:

1 - водогрейный котел;

2 - патрубок подачи углеводородного газообразного топлива (метана);

3 - патрубок подвода холодной воды;

4 - патрубок вывода нагретой воды;

5 - датчик температуры воды;

6 - блок 6 управления нагревом воды;

7 – нагнетательный воздушный насос;

8 - газовая камера сжигания топлива;

9 - газовая горелка;

10 – теплообменник;

11 - свеча зажигания;

12 – воздухозаборник;

13 - датчик 13 пламени горелки;

14 - низкотемпературный преобразователь воды в водород (генератор водорода);

15 - первый управляемый вентиль дозированной подачи горячей воды в генератор водорода 14 (дозатор воды);

16 - второй управляемый вентиль дозированной подачи синтезированного водорода в горелку 9 (дозатор водорода);

17 - управляемый смеситель топлива (регулятор качества топливной смеси);

18 - третий управляемый вентиль дозированной подачи воздуха в горелку (дозатор воздуха);

19 - четвертый управляемый вентиль дозированной подачи углеводородного топлива (дозатор метана);

20 - пятый управляемый вентиль дозированной подачи воздуха в под газовой камеры сжигания топлива;

21 - шестой управляемый вентиль продувки труб генератора водорода 14 и осушки его катализатора;

22 – воздухозаборный патрубок воздушного насоса 7.

Раскрытие сущности изобретения

Согласно фиг. 1 водогрейный котел 1 содержит патрубок 2 подачи метана, патрубок 3 подвода холодной воды, патрубок 4 вывода нагретой воды, датчик 5 температуры воды, блок 6 управления нагревом воды, воздушный насос 7 с воздухозаборным патрубком 22 и газовую камеру 8 сжигания топлива. В камере 8 сжигания топлива установлены газовая горелка 9, низкотемпературный преобразователь 14 нагретой воды в водород, теплообменник 10, свеча 11 розжига топливной смеси, воздухозаборник 12, и датчик 13 пламени горелки 9. При этом преобразователь 14 нагретой воды в водород (генератор водорода) установлен в камере 8 сгорания между горелкой 9 и теплообменником 10. Теплообменник 10 соединен трубопроводами с патрубком 3 подвода холодной воды, с патрубком 4 вывода нагретой воды. На трубопроводе вывода нагретой воды в патрубок 4 установлен датчик 5 температуры воды. Выход теплообменника 10 соединен через первый управляемый вентиль 15 (дозатор воды) дозированной подачи горячей воды с входом генератора водорода 14 (низкотемпературного преобразователя воды в водород) и через шестой управляемый вентиль 21 продувки труб генератора водорода 14, восстановления оксидной пленки и осушки катализатора - с полостью газовой камеры 8 сжигания топлива. Преобразователь 14 воды выполнен в виде блока последовательно соединенных кольцевых или спиральных труб из тугоплавкого материала, установленных над горелкой 9 в камере 8 сгорания. В качестве тугоплавкого материала труб использован тугоплавкий металл, например, нержавеющая сталь или вольфрам. Для исключения контакта ионизированных паров воды и синтезированного водорода с токопроводящим металлом труб преобразователя 14, указанные трубы и трубы, выводящие водород до горелки, выполнены с внутренним диэлектрическим покрытием из тугоплавкой керамики типа Вайфанг. Для раздельного вывода водорода и кислорода из ионизированных паров воды и исключения возможности подачи в газовую горелку гремучей смеси в полости входной и выходной трубы преобразователя 14 установлены сетчатые вольфрамовые электроды, соединенные с соответствующими разнополярными электродами источника постоянного напряжения (на фигуре не показано). Трубы генератора 14 заполнены гранулами или стружкой низкотемпературного металлического катализатора воды, далее катализационной стружкой. Катализационная стружка, как и в /RU 2253606/ выполнена из сплава алюминия и добавки, разрушающей окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой. Добавка содержит обезвоженный гидроксид щелочного металла в весовом количестве до 10% или обезвоженный гидроксид щелочного металла и медь до 5%, так, чтобы в сумме сплав содержал эти добавки до 10%. В качестве обезвоженного гидроксида щелочного металла сплав может содержать обезвоженный гидроксид натрия, лития или калия. Выход генератора 14 по водороду соединен через второй управляемый керамический вентиль 16 (дозатор водорода) и управляемый керамический смеситель 17 топлива (регулятор качества топливной смеси) с входом горелки 9. Второй вход смесителя 17 соединен с выходом третьего управляемого вентиля 18 (первый дозатор воздуха) непосредственно и через четвертый управляемый вентиль 19 (дозатор метана) с патрубком 2 подвода метана. Вход первого дозатора 18 воздуха соединен с выходом воздушного насоса 7 непосредственно и через пятый управляемый вентиль 20 (второй дозатор воздуха) – с входом воздухозаборника 12. Для исключения возможности оплавления топливных форсунок при сжигании водорода последние или вся газовая горелка 9 выполнена из вольфрама или тугоплавкого керамического материала типа Вайфанг с соплами из кремниевого карбида и керамической оксидацией их внутренней поверхности. Свеча 11 розжига топливной смеси выполнена типа Vfster Gas Seul (арт. 2020337) с автоматикой "630 EUROSiT" безопасности розжига. Датчик 13 пламени выполнен типа Airtronic с возможностью контроля температуры, пламени и перегрева в газовой камере 8 сжигания топлива. Управляющие входы/выходы свечи 11 розжига топливной смеси, датчика 13 пламени, регулятора 17 качества смеси, свечи зажигания 11, воздушного насоса 7, а также вентилей 16, 18, 19, 20, 21 соединены с соответствующими управляющими выходами блока 6 управления.

Водогрейный котел работает следующим образом.

В исходном состоянии все вентили 15, 16, 18, 19, 20 водогрейного котла 1 закрыты, теплообменник 10 заполнен холодной водой и подключен патрубками 4 и 3 к потребителю тепла по прямой и обратной воде теплоносителя соответственно, к патрубку 2 подключен через соответствующий редуктор (на фигуре не показано) переносной баллон с сжиженным газом объемом до 22 литров, в блок 6 введена программа управления розжигом, нагревом и поддержанием требуемой температуры воды в диапазоне (45-80)^оС.

Для нагрева воды на блоке 6 управления нажимают кнопку «Розжиг» (на фигуре не показано). При этом блок 6 управления по заданной программе управления открывает вентиль 19 подачи метана, вентиль 20 подачи воздуха в под топки 8 и включает напорный воздушный насос 7. При этом метан с давлением, заданным редуктором газового баллона, через патрубок 2, открытый вентиль 19 и через сопла горелки 9 поступает в полость газовой камеры 8 сжигания топлива. Одновременно в под указанной камеры 8 насос 7 нагнетает воздух в установленной вентилями 20 и 19 оптимальной для розжига пропорции топливной смеси «метан-воздух», заданной с блока 6 управления.

После истечении заданного времени заполнения газовой камеры 8 топливной смесью блок 6 управления подает сигнал «поджига» на свечу 11 розжига топливной смеси. При этом свеча 11 производит розжиг топливной смеси «метан-воздух». Многофункциональный датчик 13 пламени регистрирует возгорание топливной смеси и температуру её горения. При этом происходит нагрев содержимого труб преобразователя 14 и нагрев воды в теплообменнике 10. При достижении в камере 8 сжигания заданного значения температуры t1=330±30°C, соответствующей началу экзотермической реакции воды с алюминием в преобразователе 14, блок 6 управления открывает вентиль 15 дозированной подачи теплой воды из теплообменника 10 в преобразователь 14. В преобразователе 14 поступающая вода при указанной температуре переходит в парообразное состояние и заполняет водяным паром поры между гранулами или стружкой низкотемпературного металлического катализатора воды.

При соотношении (8,0÷9):1 масс воды и алюминия, содержащегося в стружках катализатора, заполняющего трубы преобразователя 14 возникает экзотермическая реакция с выделением тепла и водорода

Al+2H2O=AlOOH+1,5H2+415,24 кДж/моль (99,17 ккал/моль) … (1)

Выделившийся, в результате экзотермической реакции (1) водород под соответствующим давлением через открытый вентиль 16 поступает в смеситель 17 водорода и метана. Обогащенная топливная смесь поступившая в горелку приводит к резкому (за счет разницы температуры факела горения метана и водорода) скачку температуры пламени горелки 9. Датчик пламени 13 фиксирует указанный скачок и передает его на блок 6 управления для уменьшения подачи метана в горелку 9. Блок 6 управления прикрывает вентиль 19 подачи метана и последовательно заменяет в горелке 9 метан на водород до устойчивого горения в ней синтезированного водорода путем управления вентилем 12 подачи атмосферного воздуха в под камеры 8 сжигания, а также – вентилем 18 и смесителем 17, регулирующими качество водородного топлива. В процессе перехода в камере 8 сжигания с метана на водород за счет дополнительного тепла, выделенного в процессе экзотермической реакции (1), происходит тепловая ионизация молекул воды в преобразователе 14 и распад (диссоциация) на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислорода. Под действием электрического поля, приложенного к разнополярные входу и выходу преобразователя 14 положительно заряженный водород движется к выходу преобразователя 14, а отрицательно заряженный кислород к его входу. При этом диссоциированный из ионизированных паров воды кислород при периодически закрытом вентиле 15 и открытом вентиле 21 стравливается в полость камеры 8 сгорания, а диссоциированный водород дополняет синтезированный (1) водород и вместе с ним через открытый вентиль 16 и смеситель 17 поступает в горелку 9. Выделенный из паров воды кислород, а также кислород атмосферного воздуха, поступающего через воздухозаборник 12 в полость камеры 8 сжигания инициируют экзотермическую экологически чистую реакцию горения водорода с выделением тепла и паров воды, безвредных для окружающей среды

2Н2 + О2 → 2Н2О + 137 ккал/моль. (2)

При нагреве катализационной стружки в преобразователе 14 за счет реакции (2) горения водорода свыше 360^оС снижается химическая активность указанного катализатора. Далее производство водорода из воды происходит преимущественно за счет тепловой диссоциации воды в преобразователе 14 под действием тепла горящего водорода. Переход работы котла на диссоциированный водород фиксируется датчиком 13 пламени по скачку яркости и температуры факела и передается в блок 6 управления. Блок 6 управления с помощью вентиля 18 и смесителя 7 управляет качеством (обогащения или обеднения воздухом) водородного топлива в горелке 9, а вентилями 15 и 18 управляет количеством генерируемого водорода, поддерживая стабильную температуру горения водородной смеси за счет обратной связи через датчик 13 пламени.

Одновременно с процессом генерации водорода в преобразователе 14 в теплообменнике 10 при сжигания водородного топлива происходит нагрев воды и обмен нагретой водой с потребителями тепла, например, батареями отопления, подключенными к патрубкам 4 и 3 по прямой и обратной воде отопления. Контроль и управление температурой воды в теплообменнике производится блоком 6 управления с помощью датчика 5 температуры и соответствующей запорной арматуры, регулирующей температуру горения топливной смеси в камере 8 сжигания. При достижении заданной температуры нагрева воды в теплообменнике 10 блок 6 снижает количество и качество водородного топлива, подаваемого в камеру 8, до пределов, минимально необходимых для поддержания процесса ионизации в преобразователе 14. При снижении температуры в теплообменнике 10 на 10% относительно заданного значения блок 6 управления увеличивает подачу водородного топлива указанными выше вентилями.

В случае случайного гашения факела горелки или для остановки водогрейного котла 1 на профилактическое обслуживания производится безопасная перезагрузка и приведение газового котла в исходное состояние. Для этого закрывается клапан 15 подачи воды в преобразователь 14 и открываются клапаны 21, 18 для обратной продувки труб преобразователя 14 и удаления из них остатков водорода. Одновременно производится осушка катализационной стружки и восстановление её химических свойств в исходное активное состояние.

Данное изобретение не ограничивается представленным примером его осуществления. В рамках данного изобретения возможны и другие варианты исполнения водогрейного котла, не выходящие за пределы материалов заявки.

Так в качестве катализатора в преобразователе 14 может использоваться химически активный к воде материал Catalytic Carbon, доступный от Phillips Company по адресу: 10010 West Oak Ridge Drive, Сан-Сити, Аризона, 85351 или PO Box 52, 311 NW Chickasaw Street, Millerton, Oklahoma 74750 или http: // phillipscompany.4t.com. Этот катализатор является многоразовым и возобновляемым/перезаряжаемым. Может поддерживать скорости потока водорода от 1 до 1500 литра в минуту. Экзотермическая реакция (1) идет при пониженной (79-91^ОС) температуре, что требует уменьшенных затрат метана на запуск водогрейного котла. Реакцию (1) можно контролировать, повышая температуру для получения большего количества водорода или понижая температуру для получения меньшего количества водорода в указанном выше диапазоне температур.

Промышленная применимость

Изобретение разработано на уровне технического проекта и физического моделирования процесса получения водорода из воды. Результаты исследований показали возможность существенного снижения углеводородного топлива в водогрейных котлах за счет использования его только для периодического розжига водогрейного котла, а также – за счет использования для нагрева воды синтезированного из воды водородного топлива, существенно превышающего по удельной энергетике метан и природный газ.