Универсальный вертикальный жаротрубный котел Российский патент 2024 года по МПК F22B7/12 F24H1/22 

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к системам отопления с котлами на твердом топливе, и может быть использовано для создания систем отопления с повышенной эффективностью и расширенными функциональными возможностями.

Известен: котел (патент РФ №2561806) шахтного типа, в котором реализуется принцип нижнего горения. В котле топливо выгорает только в нижней части бункера, заполненного большим объемом топлива с встречной подачей первичного воздуха относительно движения дымовых газов, с последующей подачей вторичного воздуха и известны котлы с большой камерой сгорания (см. например, Твердотопливный котел верхнего длительного горения LIEPSNELE ARCTIC Патент РФ № 187524; 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.

Недостаток известных котлов, в том что в котлах коэффициент избытка воздуха существенно больше оптимального и значительная часть тепловой энергии уносится с избыточным воздухом, снижая его КПД. Кроме того, короткий газовый тракт - рабочий ход горячих газов, из-за небольшого времени взаимодействия горячих газов с теплообменной поверхностью, не позволяет полностью передать тепловую энергию к теплоносителю и это также снижает эффективность котла. Вследствие короткого газового тракта диапазон изменения мощности оказывается небольшим по причине избыточных тепловых потерь на большой мощности и недостаточной температуре дымовых газов на небольшой мощности. В связи с этим интегральный КПД оказывается сравнительно низким, а низкая эффективность сжигания древесного топлива обусловлено тем, что независимо от того, сверху поджигается топливо или снизу, через непродолжительное время в горении участвует почти весь объем топлива. Для предотвращения лавинообразного увеличения выделяющейся тепловой мощности ограничивается объем подаваемого в котел воздуха. При этом из-за сравнительно большого объема периферийных зон в камере сгорания, в которых температура значительно ниже 600°С, необходимой для воспламенения выделяющихся из топлива компонентов в газовой, жидкой и твердой фазах и недостатка кислорода, происходит значительный химический недожог этих компонентов. Часть из них вместе с дымовыми газами вылетают в дымоход, а часть откладывается на теплообменных поверхностях, снижая теплопередачу Это обуславливает низкую эффективность такого типа котлов, не говоря о ряде других недостатках в т.ч. невозможность использования в качестве топлива лигниты/бурые и каменный уголь т.к. в следствии образования большого количества шлака, при этом с большим содержанием углерода образующей твердый шлак приводит к быстрой остановке процесса окисления/горения из-за прекращения доступа воздуха в зону горения.

Наиболее близким техническим решением является вертикальный газовый трехходовой трех секционный жаротрубный котел состоящий из первой секции, цилиндрического корпуса разделенного перегородкой на полости первого и второго хода горячих газов; второй секции, вставленного в секцию полости второго хода трубы с полостью третьего хода газов сообщающейся дымоходной трубой и третьей секции установочной платформы с горизонтальной плитой, на которую устанавливается вертикально первая секция с зазором заполненным песком между ограждающей перекладиной системы взрывобезопасности.

Недостатками данного котла являются снижение эффективности теплопередачи в следствии образовании ламинарных потоков горячих газов в первом, втором и третьем рабочих ходах, а также усложнение конструкции, соответственно технического обслуживания и ремонта, в следствии наличия диаметральной перегородки в корпусе с полостью для жидкого теплоносителя.

Целью предлагаемого изобретения является повышение мощности и экономичности.

Указанная цель достигается тем, что корпус выполнен цилиндрическим с полостью для жидкого теплоносителя и установлен на платформу с горизонтальной плитой, на верхнем торце корпуса закреплен фланец, на котором с эксцентриситетом к оси корпуса, установлен цилиндр секции камеры сгорания с полостью для жидкого теплоносителя, образующий полость камеры сгорания и полость первого хода горячих газов, причем на верхнем торце цилиндр секции камеры сгорания снабжен люком с воздушными окнами и шиберами, вертикальной осевой газовой или жидкостной горелкой, а на открытом нижнем торце цилиндра камеры сгорания закреплено кольцо с винтовыми радиальными лопастями, причем, в нижней части цилиндра камеры сгорания выполнены радиальные выпускные щели с наружными завихрителями, с возможностью направления горячих газов из полости первого хода, под углом 90 градусов к оси выпускных щелей, в полость второго хода горячих газов, расположенную горизонтально и ограниченную внутренней поверхностью цилиндрического корпуса c полостью, нижним торцом цилиндра камеры сгорания и плитой, при этом полость третьего хода ограничена внутренней поверхностью цилиндрического корпуса с полостью и внешней поверхностью цилиндра камеры сгорания.

Предлагаемое изобретение состоит из цилиндрического полого корпуса 1 с полостью 2 для жидкого теплоносителя 3 сообщающейся трубками ввода 4 и отвода 5 с системой 6 отопления и установленного на плиту 7 установочной рамы с зазором по внешнему периметру между перегородкой 8 системы взрывобезопасности засыпанным песком 9.

Секция первого хода состоит из цилиндра 10 с полостью 11 жидкого теплоносителя сообщающейся трубками ввода 12 и отвода 13 с системой отопления 6, фланца 14, люка 15 с впускными окнами 16 с шибером 17 и осевой горелкой 18 соединенной топливопроводом 19 с системой питания 20, а также выпускной трубой 21 с вставленной дымоходной трубой 22.

В осевой полости цилиндра 10 образованы камера сгорания 23 и полость первого хода 24 горячих газов. Выступающая нижняя часть 25 внешней трубы цилиндра 10 имеет радиальные отверстия 26 с наружными направляющими 27 струю горячих газов по касательной к поверхности части 25 цилиндра 10.

На торце цилиндра прикреплен завихритель потока горячих газов 28 с винтовыми лопастями.

Второй ход 29 горячих газов расположена горизонтально в полости корпуса 1 ниже торца цилиндра 10 и ограничена внутренней поверхностью корпуса 1 и плитой 7.

Третий ход 30 ограничен поверхностями: внутренним корпуса 1 и внешним цилиндра 10.

При твердотопливном варианте.

На нижнем торце цилиндра 10 вместо завихрителя 26 крепится колосниковая решетка 31 с осевым отверстием 32. для воздуховодной трубы 33 воздушной фурмы 34 с горизонтальными отвестиями.

Горелка 18 с топлипроводом 19 отсоединяется от люка 15 цилиндра. Впускные окна 16 закрыты шибером 17.

Плита 7 имеет отверстие с втулкой с вставленным вертикально трубой 35 с воздуховодной трубой 33 воздушной фурмы 34 связанной с системой подачи воздуха 36.

На нижнем торце трубы 35 крепится штурвал 37 кинематически связанный механизмом 38 привода, а на верхнем торце, в камере сгорания 23 полости цилиндра 10, закреплена ступица 39 с радиальными стержнями-рыхлителями 40.

Осевое отверстие люка 15 цилиндра 10 закрыта пробкой 41.

В полость цилиндра 10 ограниченной с низу колосниковой решеткой 31 через люк 15 загружено твердое топливо 42 - древесина или уголь.

Полость первого хода 43 при данном варианте работы совпадает с полостью камеры сгорания 23.

Колосниковая решетка крепится с радиальным зазором 44 к торцу выступающей части 25 внешней трубы цилиндра 10.

Плита 7 имеет технологическое окно 45 с люком 46.

Иллюстративная часть представлена на:

Фиг. 1 Вертикальный разрез предлагаемого изобретения в газожидкостном варианте;

Фиг. 2 Горизонтальное Сечение А-А в газожидкостном варианте;

Фиг. 3 Вертикальный разрез в твердотопливном варианте;

Фиг. 4 Горизонтальное Сечение В-В в твердотопливном варианте ;

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.

1. Режим работы на газожидкостном топливе.

Газовое или жидкое топлива из системы питания 20 подается через топливопровод 19 к горелке 18 размещенной в зоне камеры сгорания цилиндра 10 и образовывающиеся горячие газы переходят в полость первого хода цилиндра 10 и далее через радиальные выпускные щели 26 выступающей части 25 внешней трубы цилиндра 10 и открытый нижний торец цилиндра переходят в зону второго хода 28. Впускные отверстия 16 фланца 15 с регулируемыми шибером 17 сечениями обеспечивают необходимый коэффициент избытка воздуха для полного сгорания газа или жидкого топлива.

Потоки горячих газов выходящие из радиальных выпускных щелей 26 и торца цилиндра обеспечивают горизонтальное вращательное движение горячих газов в полости второго хода 29 в следствии контакта с завихрителями 27 выпускных щелей 26 и с винтовыми радиальными лопастями 28 кольца закрепленного к нижнему торцу выступающей части 25 внешней трубы цилиндра 10.

Температура газов первого хода 24 передается к внутренней стенке цилиндра 10 и выступающей части 25 внешней трубы цилиндра 10 и далее к жидкому теплоносителю 3 в полости 12 цилиндра 10 и нагретый жидкий теплоноситель по трубе отвода 13 переходит в систему отопления 6 и охладившийся через трубу ввода 12 возвращается в полость 11.

Горячие газы сохраняя вращательное движение перемещаются в зону полости третьего хода 30 передавая дополнительное тепло жидкому теплоносителю 3 в полости 11 через внешнюю трубу цилиндра 10 и жидкому теплоносителю 3 в полости 2 корпуса 1.

Из полости 2 жидкий теплоноситель переходит через отводную трубу 5 в систему теплоснабжения 6 и через трубу 4 подвода обратно в полость 2.

Горячие газы через выпускную трубу 21 фланца 14 цилиндра через дымоходную трубу 22 выводятся в атмосферу.

2. Режим работы на твердом топливе.

Впускные отверстия 16 люка 15 цилиндра 10 закрыты шибером 17.

Горелка 18 с топливопроводом 19 удалены, а отверстие герметизировано.

Кольцо с винтовыми лопастями 28 удален и вместо нее к торцу выступающей части 25 внешней трубы цилиндра 10 закреплена колосниковая решетка 31.

В полости цилиндра 10 образована топливная камера и твердое топливо загружено через люк 15.

Поджиг топлива в камере сгорания 23 совпадающей с первым ходом 24 при твердотопливном варианте ограничена полостью выступающей частью 25 и осуществляется с нижней стороны колосниковой решетки 31.

Подача воздуха осуществляется из системы подачи 36 через воздуховод 35 с фурмой 34 введенной в камеру сгорания 23 через трубу 35 вращающейся на втулке 33 плиты 7.

Разрушение золы и шлака и очистка поверхности колосниковой решетки 31 производится или вручную вращением штурвала 37 с вертикальной трубой 35 или механизмом вращения 38 кинематически связанным с ним, при котором совместно с трубой 35 вращается ступица 39 с радиальными стержнями-рыхлителями 40 и образовавшиеся комки шлака препятствующие прохождению горячих газов вытесняются через радиальный зазор 44 между колосниковой решеткой 31 и торцом выступающей части цилиндра 10 в нижнюю полость корпуса 1 и удаляются через технологическое окно с люком 41 плиты 7 установочной рамы.

Противовзрывная система в случае взрыва газа в корпусе 1 под действием повышения давления в полости корпус 1 перемещается по оси вверх и через образовавшийся зазор между поверхностью торца корпуса 1 и установочной плитой 7 взрывная волна выходит из полости с одновременным уносом песка 8 сбивающего пламя.

Техническое обслуживание по очистке производится через открытые технологический люк 41 плиты 7, при отсоединенной дымоходной трубе 32 и открытый люк 15 цилиндра 10.

При ремонте корпус 1, стаканчатый цилиндр 10, труба 15 четвертого хода, дымоходная труба 32 и плита 7 установочной рамы разъединяются что обеспечивает 100% доступ ко всем поверхностям.

Предлагаемое изобретение обеспечивает повышение мощности и экономичности не менее чем 10% за счет создание вихревого перемещения газов в полостях второго и третьего ходов горячих газов обеспечивающий устранение ламинарных потоков при котором температура передается только от слоя потока горячих газов контактирующего с теплопоглощающей поверхностью в следствии которого средние слои потока не участвуют в процессе теплопередачи;, снижение расходов на изготовление, техническое обслуживание и ремонт, а также повышение надежности за счет разборной конструкции и доступности ко всем деталям и агрегатам при любых видах ТО и ремонта.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано в котлах для отопления. В вертикальном газовом трехходовом жаротрубном котле, содержащем корпус, выполненный цилиндрическим, с полостью для жидкого теплоносителя; корпус установлен на платформу с горизонтальной плитой, на верхнем торце корпуса закреплен фланец, на котором с эксцентриситетом к оси корпуса установлен цилиндр секции камеры сгорания с полостью для жидкого теплоносителя, образующий полость камеры сгорания и полость первого хода горячих газов. На верхнем торце цилиндр секции камеры сгорания снабжен люком с воздушными окнами и шиберами, вертикальной осевой газовой или жидкостной горелкой, а на открытом нижнем торце цилиндра камеры сгорания закреплено кольцо с винтовыми радиальными лопастями. В нижней части цилиндра камеры сгорания выполнены радиальные выпускные щели с наружными завихрителями, с возможностью направления горячих газов из полости первого хода, под углом 90 градусов к оси выпускных щелей, в полость второго хода горячих газов, расположенную горизонтально и ограниченную внутренней поверхностью цилиндрического корпуса с полостью, нижним торцом цилиндра камеры сгорания и плитой. Полость третьего хода ограничена внутренней поверхностью цилиндрического корпуса с полостью и внешней поверхностью цилиндра камеры сгорания. Технический результат - повышение эффективности работы котла за счет образования вихревого движения газов внутри котла. 4 ил.

Вертикальный газовый трехходовой жаротрубный котел, содержащий корпус с трубками ввода и отвода теплоносителя, выпускной трубой и камерой сгорания, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим с полостью для жидкого теплоносителя и установлен на платформу с горизонтальной плитой, на верхнем торце корпуса закреплен фланец, на котором с эксцентриситетом к оси корпуса установлен цилиндр секции камеры сгорания с полостью для жидкого теплоносителя, образующий полость камеры сгорания и полость первого хода горячих газов, причем на верхнем торце цилиндр секции камеры сгорания снабжен люком с воздушными окнами и шиберами, вертикальной осевой газовой или жидкостной горелкой, а на открытом нижнем торце цилиндра камеры сгорания закреплено кольцо с винтовыми радиальными лопастями, причем в нижней части цилиндра камеры сгорания выполнены радиальные выпускные щели с наружными завихрителями, с возможностью направления горячих газов из полости первого хода, под углом 90 градусов к оси выпускных щелей, в полость второго хода горячих газов, расположенную горизонтально и ограниченную внутренней поверхностью цилиндрического корпуса с полостью, нижним торцом цилиндра камеры сгорания и плитой, при этом полость третьего хода ограничена внутренней поверхностью цилиндрического корпуса с полостью и внешней поверхностью цилиндра камеры сгорания.