ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЁЛ

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления на твердом топливе, и может быть использовано для создания отопительных котлов с повышенной эффективностью и расширенными функциональными возможностями.

В настоящее время существует проблема образования в котлах смолистых отложений и сажи, которые существенно снижают их теплотехнические характеристики. Это связано с тем, что при горении твердого топлива в частности древесины в котле из нее выделяются компоненты в виде твердых, жидких и газовых фракций. Основная часть из которых окисляется поступающим с воздухом кислородом с выделением тепловой энергии. Однако часть частиц в твердой и жидкой, фазе (особенно в периферийной зоне топки возле холодных по отношению к температуре ядра горящего топлива) не успевает сгореть, и попадают с газовым потоком в газовый тракт. В газовом тракте температура газового потока начинает быстро снижаться из-за того, что газовые молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии, отдают свою энергию при излучении квантов электромагнитного излучения и при соударении со сравнительно холодными стенками рубашки котла и становится меньше температуры воспламенения углерода и его соединений. Поэтому частицы в твердой и жидкой фазе (в основном это углерод и его соединения, в том числе с парами воды) увлекаемые газовым потоком, оседают на теплообменных поверхностях газового тракта, снижая их теплопроводность. Особенно это характерно для маломощных котлов, в которых отношение объема топки к ее теплообменной поверхности значительно меньше, чем в топках средней и большой мощности. Поэтому в маломощных котлах в топке образуется и попадает в газовый тракт больший процент частиц в твердой и жидкой фазе, особенно при использовании топлива с повышенной влажностью. Поскольку в таких котлах во избежание увеличения сопротивления газовому потоку и как следствие увеличения высоты дымохода, сечение газового тракта выбирается не меньше площади сечения дымохода, то скорость движения газового потока в таких котлах оказывается близка к скорости дымовых газов в дымоходе и может достигать нескольких метров в секунду. Это приводит к тому, что при работе котла особенно на большой мощности дымовые газы не успевают отдать свою тепловую энергию теплообменным поверхностям газового тракта, вследствие чего КПД котла в этом режиме снижается. Ситуацию усугубляет наличие отложений из смол и сажи на теплообменных поверхностях топки и газового тракта котла. В результате существенно снижается мощность котла и его КПД.

Известны отопительные котлы (см. например, отопительные котлы ZOTA, сертификат №ТС RU C-RU.AE88.B.01300, серия RU №0059232, Ю.Л. Гусев. Основы проектирование котельных установок. 1967, стр. , 55-57, К.Ф. Роддатис, Э.И. Ромм, Н.А. Семененко и др. Котельные установки. Т.2. М. Л.: Госэнергоиздат, 1946, с. 9-19, патент РФ №2213907), в которых газовый тракт проходит между одной или несколькими поперечными дополнительными полостями (или трубными пучками) с теплоносителем, размещаемыми между боковыми стенками «рубашки» котла, к дымоходу, расположенному в верхней стенке или вверху задней стенки котла. Недостатком известных конструкций является быстрый рост отложений на теплообменных поверхностях и необходимость их периодической чистке для восстановления теплотехнических характеристик котла. Кроме того, в котлах известных конструкций диапазон изменения генерируемой мощности оказывается сравнительно небольшой (около 2 крат). Это обусловлено тем, что максимальная мощность ограничивается допустимыми потерями, уносимыми горячими дымовыми газами, а минимальная мощность ограничена минимально допустимой температурой дымовых газов, при которой не образуется конденсат и резко не увеличиваются отложения сажи в дымоходе.

Известен отопительный котел (патент РФ №2409793), выбранный в качестве прототипа, в котором над и под топкой установлены поперечные трубы с теплоносителем, связанные с рубашкой, которая охватывает часть дымохода. Недостатком этой конструкции является быстрый рост отложений на теплообменных поверхностях и необходимость их чистки для восстановления теплотехнических характеристик котла. Это обусловлено тем, что вокруг всего объема топки имеется низкотемпературная периферийная зона, в которой из-за сравнительно низкой температуры не сгорают частицы в твердой и жидкой фазе и восходящим потоком дымовых газов выносятся в теплообменную полость выше топки и дымоход, где оседают на теплообменных поверхностях, снижая их теплопроводность. Кроме того, в котле диапазон изменения генерируемой мощности также оказывается сравнительно небольшой, по указанным выше причинам.

Технический результат состоит в уменьшении отложений на теплообменных поверхностях, в том числе трудноудаляемых и расширении диапазона генерируемых мощностей.

Технический результат достигается тем, что в котел, содержащий корпус с двойными стенками, образующими герметичную полость для теплоносителя, с загрузочной дверцей, патрубок дымохода и теплоизолирующий кожух, содержит вертикальный дымоход с установленным на нем переходным патрубком с заслонкой, несколько продольных полостей для теплоносителя, расположенных над топкой с воздушным зазором относительно верхней стенке котла, поперечную перегородку и поперечную полость, установленную с зазором относительно задней стенки котла, причем поперечная перегородка установлена за топкой, с зазором относительно задней стенки котла, а вертикальный дымоход размещен на задней внутренней стенке котла и сообщается с патрубком дымохода, полостью между задней стенкой и поперечной полостью и переходным патрубком с заслонкой, которая имеет ручное или автоматическое управление от терморегулятора температуры дымовых газов.

Технический результат достигается также тем, что стенки топки закрыты экранами или футерованы термостойким материалом, поперечная перегородка выполнена полой и сообщается через отверстия с воздушной полостью зольника и трубными воздуховодами, установленными под продольными полостями.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и 2, где показаны продольный разрез котла (фиг. 1) и горизонтальное сечение на уровне патрубка дымохода (фиг. 2). На фиг. 1 и 2 обозначено: корпус 1, загрузочная дверца 2, патрубок дымохода 3, колосниковая решетка 4, зольный ящик 5, управляющая объемом входного воздуха заслонка 6, продольные полости 7, поперечная полость 8, крышка котла 9, воздушный зазор 10, вертикальный дымоход 11, переходной патрубок 12, заслонка 13, поперечная полая перегородка (воздуховод) 14, отверстие 15, трубчатые воздуховоды 16, отверстия 17 в трубчатых воздуховодах 16, экраны 18. На фиг. 1 показан вариант выполнения корпуса 1 в виде прямоугольной призмы с двойной стенкой, образующей герметичную полость для теплоносителя с четырех боковых сторон. Снизу корпус закрывается днищем и размещенным под ним зольником, а сверху закрывается теплоизолированной крышкой 9. Также возможен вариант выполнения водяной рубашки котла цилиндрической формы и кроме боковых сторон и в верхней стенке корпуса, вместо крышки 9. Если вертикальный дымоход размещен внутри корпуса 1, то теплоизолирующий кожух (не показан на рисунке) выполняется вокруг корпуса 1. Если вертикальный дымоход размещен снаружи, то кожух может выполняться, как только вокруг корпуса 1, так и вокруг корпуса и вертикального дымохода. Требования к материалу корпуса 1 не выходят за рамки известных требований к подобным изделиям, поэтому не уточняются. Загрузочная дверца 2, патрубок дымохода 3, колосниковая решетка 4, зольный ящик 5, заслонка 6 также особенностей не имеют, поэтому подробно не рассматриваются. Продольные полости 7 выполняются над топкой между передней и задней стенками котла с воздушным зазором 10 в несколько сантиметров между крышкой котла 9 и верхними кромками полостей 7. Ширина полостей 7 и 8 выбирается не меньше расстояния между наружной и внутренней стенками корпуса 1, а площадь сечения между полостями в продольном и поперечном направлении многократно превышает площадь сечения дымохода. Количество полостей 7 зависит от мощности котла, с увеличением которой возрастает число полостей 7. В зависимости от высоты корпуса котла поперечная перегородка может выполняться полой и служить в качестве воздуховода вторичного воздуха 14, либо дополняться поперечной полостью 8 для котлов с небольшой высотой корпуса 1. Поперечная полость 8, так же, как и воздуховод 14, выполняется на высоту топки и устанавливается с зазором относительно задней стенки котла, обеспечивающим свободный проход дымовых газов и служит для дополнительного охлаждения дымовых газов. Полость 8 также может служить для установки резервного источника тепловой энергии - электрического нагревателя. Вертикальный дымоход 11 может быть выполнен из прямоугольной или круглой трубы. При размещении дымохода 11 внутри корпуса он может выполняться из П-образного профиля и крепиться на задней стенке котла. В верхней части дымохода 11, напротив патрубка дымохода 3, устанавливается переходной патрубок 12, с размещенной внутри него заслонкой 13. При размещении дымохода 11 снаружи корпуса 1 переходной патрубок 12 устанавливается в верхней части корпуса 1 и дымохода 11, а патрубок дымохода 3 в нижней их части (не показаны на рисунке). Воздуховод 14 устанавливается на днище корпуса 1 над одним или несколькими отверстиями 15. В верхней части воздуховода 14 под продольными полостями в сопряженные отверстия вставляются трубчатые воздуховоды 16. С одной стороны, воздуховоды 16 заглушены, а открытыми концами вставляются в отверстия в воздуховоде 14. Воздуховоды 16 могут быть выполнены как стационарными, так и съемными. Вдоль боковых сторон воздуховодов 16 выполняются отверстия 17 общей площадью 20-25% от площади дымохода. При этом площадь отверстий 15 равна общей площади отверстий 17. В зависимости от мощности котла на боковых и передней стенках топки устанавливаются металлические экраны 18 из жаропрочного металла, либо бока топки по периметру закрываются термостойким материалом, например, шамотным кирпичом или плитами.

Работает отопительный котел следующим образом. После загрузки через загрузочную дверцу 2 топлива в топку оно поджигается. Заслонки 6 и 13 устанавливаются в открытое положение, а загрузочная дверца 2 закрывается. После того как топливо разгорится заслонка 6 устанавливается в положение, обеспечивающего подачу в топку дозированного объема воздуха для поддержания требуемой интенсивности его горения (в ручном режиме или с помощью терморегулятора). При этом часть дымовых газов проходят через переходной патрубок 12 в дымоход 3. После того как температура дымовых газов достигнет значений 140-150 градусов заслонка 13 закрывается и дымовые газы начинают проходить между продольными полостями 7 восходяще-нисходящим потоком к задней стенке котла. При возникновении неравенства температур дымовых газов между полостями 7 и между полостями 7 и боковыми стенками корпуса 1 они могут свободно перемещаться через зазоры 10 из одной воздушной полости в другую. Возле задней стенки преобладает нисходящий газовый поток, который за счет тяги дымохода, проходя между поперечной полостью 8 и задней стенкой, дополнительно охлаждается и увлекается через вертикальный дымоход 11 и патрубок дымохода 3 в атмосферу. Это позволяет снизить температуру дымовых газов на больших мощностях до предельно низких значений (при которой не выпадает конденсат в дымоходе) и тем самым обеспечить уменьшение тепловых потерь и повышение КПД котла. При снижении интенсивности горения для предотвращения снижения температуры дымовых газов ниже допустимой, открывается на соответствующий угол заслонка 13, через которую дымовые газы с высокой температурой добавляются к потоку остывших дымовых газов, проходящих через дымоход 11. Таким образом обеспечивается поддержание температуры дымовых газов в области минимально допустимых значений практически во всем диапазоне генерируемых мощностей, за счет чего достигается расширение диапазона генерируемых мощностей и поддержание во всех режимах предельно высокого КПД. Кроме того, установка экранов в топке (или ее футеровка) позволяет почти полностью исключить периферийную низкотемпературную зону, тем самым снизить образование паров смол и частиц сажи. Поскольку экраны нагреваются до температуры в несколько сот градусов то на них практически не остаются пары смол так как испаряются и сгорают под действием высокой температуры, воздействующей из ядра топки, которое существенно расширяется (на 20-30%) за счет почти полного исключения низкотемпературной периферийной зоны. Более высокая средняя температура в топке способствует более полному сгоранию частиц топлива в жидкой, твердой и газовой фазе. Однако из-за неоднородности температур в топке часть этих частиц не сгорает в ней и увлекается восходящим газовым потоком между продольными полостями 7. В связи с тем, что площадь сечений между продольными полостями 7 и между полостями 7 и боковыми поверхностями корпуса 1 выбирается примерно на порядок больше площади сечения дымохода, то скорость движения газового потока в продольном направлении будет во столько же раз меньше чем в дымоходе. Во время движения (увеличивающегося в той же пропорции) частиц углерода (сажи) и его соединений в восходяще-нисходящем потоке дымовых газах на них воздействует интенсивное электромагнитное излучение из топки от горящего топлива. Поскольку эти частицы имеют коэффициент поглощения близкий к единице, то они поглощают практически все попадающее на них излучение и при достижении температуры выше температуры воспламенения (более 600 градусов) сгорают. Необходимый для этого воздух подается через перегородку-воздуховод 14 и отверстия 17 в воздуховодах 16. Одновременно в этих воздуховодах происходит нагрев воздуха, для того чтобы он существенно не снижал температуру восходящего потока дымовых газов. Кроме того, сгорание этих частиц приводит к локальному повышению температуры и при наличии в этой области горючих газовых компонент, если температура превысит температуру их возгорания, то они также будут сгорать, выделяя дополнительное тепло. Основная часть частиц, в том числе и в жидкой фазе, которые оседают на вертикальных теплообменных поверхностях, также выгорает при поглощении интенсивного электромагнитного излучения из топки, поскольку больше по времени подвергаются облучению и находятся в зоне прямой видимости горящего топлива. Тем самым обеспечивается существенное снижение отложений на всех теплообменных поверхностях котла и сохранение теплопроводности этих поверхностей на длительный интервал времени. При этом сгорание частиц топлива в твердой, жидкой и газовой фазах в газовом тракте, приводит к выделению дополнительной тепловой энергии и повышению коэффициента использования топлива (характеризует эффективность теплового генератора).

Таким образом, в описанной конструкции отопительного котла обеспечивается существенное снижение отложений на теплообменных поверхностях, что позволяет сохранять стабильными его технические характеристики на длительный интервал времени, повысить коэффициент использования топлива и улучшить эксплуатационные характеристики. Кроме того, в котле достигнуто существенное расширение диапазона генерируемых мощностей (минимальная мощность может быть в пять раз меньше максимальной) и поддержание предельно высокого КПД в этом диапазоне.

После экспериментальной отработки конструкции котлов различной мощности уровень разработки находится на стадии освоения серийного производства отопительных котлов малой и средней тепловой мощности.