CC BY
47
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕНАУКИ PHYSICS AND MATHEMATIS SCIENCES
УДК 621.182
ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ «КОРЗИНА В ЦИЛИНДРЕ»
Дамдын С.И.
Тувинский государственный университет
HOT WATER BOILER «GRILLE IN THE CYLINDER"
Damdyn S.I.
Tuvan state uníversíty, Kyzyl
Рассматривается водогрейный котел высокотемпературного горения, сущность изобретения, устройство и принцип работы, а также результаты экспериментальных испытаний и исследований.
Ключевые слова. Водогрейный котел, топочная камера, канал для угля, канал для возврата сажи и газов.
The article consideres hot water boiler of high-temperature combustion, the inventive device and principle of operation and results of experimental tests and research.
Key words.Hot water boiler, a furnace, a conduit for coal, the channel for the return of soot and gases.
Научно исследовательская и опытно-конструкторская работа (НИОКР) является воплощением в реальной конструкции, заявки на выдачу патента на изобретение №2012128387/20(044415) от 01.07.2012 г. МКИ (МПК) F 23 В 80/00. «Способ отделения несгоревших газов и сажи при горении угля в топочной камере от топочных газов, а также возврата несгоревших газов и сажи обратно в топочную камеру для последующего сжигания и устройство для его осуществления».
Задачей изобретения заключается в создании долговечного устройства, обеспечивающее полное сжигание угля в топочной камере, без выбросов в атмосферу несгоревших газов и сажи.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство, расположенное между стенками водогрейного котла, ниже перекрытия и над колосниковой решеткой, имеющий вертикальный канал для угля, каналы для топочных газов, а также вертикальные каналы для несгоревших газов и сажи, отличается тем, что вертикальный канал для угля сделан из изогнутых труб. В верхней части, углы изогнутых частей труб плотно прижаты друг к другу и образуют, периметр вертикального канала для угля. С верхней части устройства, до нижней части устройства, прямые вертикальные части изогнутых труб, образуют вертикальный канал для угля. Причем, чем ниже и ближе к нижней части устройства, тем дальше расходятся трубы друг от друга, а также расходятся от центра устройства в радиальном направлении к стенкам, образуя сквозное пространство между трубами. В верхних и нижних частях изогнутые концы труб, направлены из центра устройства в радиальном направлении в сторону стен, и оба конца изогнутых труб вставлены в
отверстия в стенках и герметично заварены, образовывая контур для охлаждения изогнутых труб.
На рисунке показан водогрейный котел,который содержит:1-корпус со стальными двойными стенками, образующими водяную рубашку по периметру, 2-боковые стенки; 3-переднюю стенку; 4-заднюю стенку.
На корпусе с передней нижней части установлена дверь поддувала 5, для регулирования поступления воздуха в топочную камеру 6, через поддувало 7 из окружающей среды, и для удаления золы из поддувала. Выше двери поддувала установлена, дверь топочной камеры 8, для доступа в топочную камеру, для шуровки и удаления шлаков или камней. Топочная камера, где происходит процесс горения угля, расположена между колосниковой решеткой 9, и нижней части устройства 10. Колосниковая решетка разделяет поддувало от топочной камеры, и через колосниковую решетку, поступает воздух и несгоревшие газы и сажа из поддувала в топочную камеру, а также из топочной камеры в поддувало поступает зола.
Верхняя часть водогрейного котла, закрыта перекрытием 11, имеющий люк 12, для загрузки угля в вертикальный канал для угля 13.
Устройство состоит из изогнутых труб 14, в верхней части устройства 15, углы изогнутых частей труб плотно прижаты друг к другу, и образуют, периметр вертикального канала для угля. С верхней части устройства, до нижней части устройства, прямые вертикальные части изогнутых труб, образуют вертикальный канал для угля. Причем, чем ниже и ближе к нижней части устройства, тем дальше расходятся трубы друг от друга, а также расходятся от центра устройства в радиальном направлении к стенкам, образовывая сквозные пространства между трубами 16.
Вертикальный канал для угля, предназначен для перемещения угля вертикально вниз в топочную камеру, для формирования вертикальных слоев горения, а также перемещения не сгоревших газов и сажи вертикально вверх.
В верхних и нижних частях устройства, изогнутые концы труб направлены из центра устройства в радиальном направлении в сторону стен и оба конца изогнутых труб вставлены в отверстия в стенках и герметично заварены. Таким образом, образовывая контур для охлаждения изогнутых труб, и образовывая, между изогнутыми трубами и стенками, пространства спереди, с боков и с задней части водогрейного котла.
Переднее пространство и боковые пространства частично закрыты от топочной камеры по нижней части устройства горизонтальными перегородками 17.
Боковые пространства, а также заднее пространство разделены горизонтальными перегородками, на два уровня и образованы горизонтальные каналы для топочных газов 18. Горизонтальные каналы, предназначены для прохождения топочных газов, и для сжигания углей, находящихся в сквозном пространстве между трубами вертикального канала для угля, топочными газами, т.е. для формирования вертикальных слоев горения.
Пространство образованное спереди устройства, служит вертикальным каналом для топочных газов 19, для перехода топочных газов между горизонтальными каналами.
Между перекрытием и верхней частью устройства образованно пространство, для накопления несгоревших газов и сажи 20, которая закрыта от топочных газов в горизонтальных каналах, перегородкой 21 по верхней части устройства.
Спереди устройства, установлены вертикальные каналы для несгоревших газов и сажи 22, соединяющее пространство для накопления несгоревших газов и сажи с поддувалом, и замыкающие пути возврата несгоревших газов и сажи обратно в топочную камеру.
Для создания установочной поверхности и опоры для теплообменника или для вытяжной трубы, установлен поперечник 23, кроме того поперечник служит для циркуляции воды в котле.
Для герметичного перехода топочных газов из водогрейного котла в теплообменник или в вытяжную трубу, в задней верхней части водогрейного котла установлен переходник 24 для топочных газов.
Устройство работает следующим образом. Чтобы растопить водогрейный котел, через дверь топочной камеры, на колосниковую решетку, кладут мелкие дрова или другую растопку, на которую ложатся крупные угли, и зажигают дрова. Когда растопка загорится, дверь топочной камеры закрывают, а дверь поддувала приоткрывают. Когда угли в топочной камере разгорятся, дверь поддувала закрывают, открывают люк, и сверху загружают уголь в вертикальный канал для угля, и уголь попадает в топочную камеру. Уголь загружают, до заполнения углем вертикального канала для угля, и закрывают люк, а дверь поддувала приоткрывают.
При горении угля в топочной камере, выделяются топочные газы и несгоревшие газы и сажа, и основная часть последовательно проходя, по горизонтальным и вертикальным каналам для топочных газов (по пути топочных
газов), выходят из водогрейного котла, а некоторая часть направляется вертикально вверх через сквозные пространства между трубами, и соединяется с топочными газами в горизонтальных каналах для топочных газов. Топочные газы, направляясь вверх, по пути сжигают угли находящиеся в сквозном пространстве между трубами. В начальное время из вытяжной трубы выходит густой черный дым.
По истечении некоторого времени:
1. В устройстве, горение угля происходит с наружной стороны, в сквозном пространстве между трубами и образуются вертикальные слои горения. В приграничных слоях, с вертикальными слоями горения, происходит выделение несгоревших газов и сажи. Уголь внутри вертикального канала для угля не горит и в нем не происходит термический распад угля. Ближе к выходу из вертикального канала для угля увеличивается площадь горения угля в сквозных пространствах между трубами, и на выходе из вертикального канала для угля, отдельные вертикальные слои горения замыкаются, образуют по периметру вертикальные, наружные слои горения.
2. В топочной камере, сгоревшие угли превращаются в золу, падают через колосниковую решетку в поддувало. Вместо сгоревших углей под вертикальным каналом для угля, сверху под собственной тяжестью поступают угли, продавливая золу под колосниковую решетку. В топочной камере по всему периметру, угли формируются по определенной форме в виде столба, с наружной стороны образовывается твердая корка из горящих углей, который стоит и не рассыпается. В горящих наружных слоях, выделение несгоревших газов и сажи прекращается. Наружные вертикальные слои, слой горения полукокса и кокса, т.е. бездымного топлива. Приграничные слои, это пластическая вязкая масса, в которой происходит термический распад угля на жидкие и газообразные продукты, т.е., где происходит выделение несгоревших газов и сажи. Внутренняя часть угля в топочной камере не горит, и в нем не происходит термический распад угля.
Наружный вертикальный слой, это слой горения полукокса и кокса, разделяет несгоревшие газы и сажу от топочных газов. Несгоревшие газы и сажа направляются вертикально верх (по пути несгоревших газов и сажи), во внутрь вертикального канала для угля, заполненного углем, а топочные газы направляются в горизонтальном направлении в горизонтальные каналы. Выделившие в вертикальном канале для угля несгоревшие газы и сажа, вместе с несгоревшими газами и сажей поступившей из топочной камеры, перемещаются вверх, в пространство для накопления несгоревших газов и сажи.
При горении угля в топочной камере создается область низкого давления, т.е. разрежение и усиливается тяга, и из окружающей среды воздух затягивается в топочную камеру. Несгоревшие газы и сажа, из пространства для накопления несгоревших газов и сажи, вместе с воздухом через зазоры в перекрытии, через вертикальные каналы для несгоревших газов и сажи, и поддувала, и оттуда вместе с воздухом через колосниковую решетку затягивается в топочную камеру.
Если какая-то часть несгоревших газов и сажи попадают в топочную камеру или в горизонтальные каналы, то проходя через слой горения, сгорают, т.к. температура
горения полукокса и кокса высокая, а в пространстве топочной камеры и в горизонтальных каналах достаточно кислорода и высокая температура.
Для того чтобы заправить водогрейный котел углем, дверь в поддувало закрывают, открывают люк перекрытия и загружают уголь. Когда вертикальный канал для угля заполняется углем, закрывают люк перекрытия и приоткрывают дверь поддувала. При открытии люка перекрытия, для загрузки угля в вертикальный канал для угля, несгоревшие газы и сажа в пространстве для накопления несгоревших газов и сажи, не попадают в помещение, а наоборот, затягивается вместе с воздухом через вертикальные каналы для несгоревших газов и сажи в поддувало и далее в топочную камеру.
Таким образом, использование устройства в топочной камере позволяет, увеличить долговечность водогрейного котла, а также водогрейный котёл топить углем, но в топочной камере сжигать не только уголь (внутренняя часть), но и полукокс и кокс (наружные слои горения), а также сжигать несгоревшие газы и сажу. Достигается полное сгорание угля в топочной камере, без выбросов несгоревших газов и сажи в атмосферу, а также обеспечивается высокий коэффициент полезного действия (КПД), теплопроизводительность и теплопередача, экономия угля, повышает комфортабельность условий проживания в домах частного сектора.
Данный водогрейный котел, прошел успешно испытания осенью 2014 года, и с осени 2014 года находится в эксплуатации, успешно эксплуатируется в течение отопительного сезона, в двух этажном здании с общей площадью 800 м2. Зимой 2015 года провели исследование водогрейного котла.
От существующих (имеющихся в продаже) водогрейных котлов отличается:
1. Есть пространство для накопления сажи.
2. Есть канал для возврата сажи, из пространства для накопления сажи, обратно в топочную камеру через поддувало (зольник).
3. Кроме того, канал не дает саже попасть в помещение, когда открывают люк, при загрузке угля в водогрейный котел.
4. В топочной камере есть «устройство», которое формирует не только горизонтальное горение угля над колосником, но и вертикальное горение угля в топочной камере, а верхняя часть угля в топке закрыта устройством.
5. Кроме того, устройство обеспечивает разделение сажи от топочных газов, а также направляет сажу по отдельному пути от топочных газов вверх, в пространство для накопления сажи.
6. В водогрейный котел можно засыпать несколько ведер угля, и по мере сгорания угля в топке, уголь, находящийся в устройстве под собственной массой перемещается вниз и поступает в топочную камеру, продавливая золу через колосник в поддувало. Т.е. обеспечивает длительность горения.
Все эти отличия запатентованы в федеральном институте промышленной (интеллектуальной) собственности.
Результаты испытаний и исследований. Конструкция оказалось недостаточно широкой, т.е. из-за недостаточного пространства в топочной камере для полного сгорания угля не достаточен кислород.
В топочной камере необходимо повысить температуру, температура вблизи металлических деталей «очень низкая», даже ниже температуры распада угля на фракции.
Для устранения этого недостатка (низкая температура в топочной камере), планировалась футеровка водогрейного котла, но для той конструкции, которая наиболее удачно пройдет экспериментальные испытания и исследования.
По результатам испытаний и исследований, разработана конструкция водогрейного котла с футеровкой топочной камеры и горизонтальных каналов для топочных газов, с теплообменником.
Планируется создать водогрейный котёл (топочная камера высокотемпературного горения с теплообменником). Если будет создана опытная конструкция экспериментального образца топочной камеры высокотемпературного горения, то можно будет искать здания, для проведения длительного эксперимент на один отопительный сезон.
Эксперименты на длительный период (на один отопительный сезон) необходимы для проведения исследований и проверку на долговечность.
После завершения отопительного сезона, необходимо разобрать опытную конструкцию, проверить футеровку, разобрать футеровку и проверить металлическую конструкцию на износ, коробление и шелушение.
Библиографический список
1. Заявка на изобретение МПК F23B80/00 № 2012128387/06(044415) от 10 января 2014 г. «Способ отделения несгоревших газов и сажи при горении угля в топочной камере от топочных газов, а также возврата несгоревших газов и сажи обратно в топочную камеру для последующего сжигания и устройство для его осуществления».
Bibliograficheskiy spisok
1. Application for invention IPC F23B80/00 No. 2012128387/06(044415) dated 10 January 2014, "Method for separating unburned gases and soot from the combustion of coal in the furnace from the flue gases and the return of unburned gases and soot back into the combustion chamber for incineration and device for its implementation".
Дамдын Сергей Иванович - к.т.н., доцент кафедры транспортно-технологические средства Тувинского государственного университета, г. Кызыл, Email: damdyn.sergei@mail.ru
Damdin Sergey Ivanovich - PhD, Assistant Professor, Department of transport technology Tyva state University, Kyzyl, E-mail: damdyn.sergei@mail.ru
