Цилиндрическая стенка. На поверхности действует источник теплоты, радиусом r рисунок 10, тепловой поток равномерно распределен с плотностью q, Вт/м2. Поскольку процесс теплообмена установился, то температура в любой точке наружной Qн и внутренней Qв поверхности во времени не меняется. Изотермические поверхности будут иметь форму цилиндров, коаксиальных оси Z. При установившемся тепловом режиме через любую изотермическую поверхность радиусом r в единицу времени протекает одно и то же количество теплоты.
Общетехнические дисциплины / Теплофизика / Цилиндрическая стенка. На поверхности действует источник теплоты, радиусом r рисунок 10, тепловой поток равномерно распределен с плотностью q, Вт/м2. Поскольку процесс теплообмена установился, то температура в любой точке наружной Qн и внутренней Qв поверхности во времени не меняется. Изотермические поверхности будут иметь форму цилиндров, коаксиальных оси Z. При установившемся тепловом режиме через любую изотермическую поверхность радиусом r в единицу времени протекает одно и то же количество теплоты.
Основываясь на законе Фурье, можно решать задачи, возникающие при описании тепловых процессов в твердых телах различной формы. Температура поверхности стенки Q1 и Q2 непрерывно меняются. При установившемся теплообмене рисунке 9.,q1-q2, а Q1 и Q2 сохраняют свои значения во времени. Можно полагать температурное поле в пластине стационарным одномерным, и поэтому закон Фурье можно представить
после преобразования получим
Это позволяет сделать важный вывод о том что, используя закон Фурье, можно вместо переменного значения (Q) применить среднее в интервале действующих температур постоянного значения коэффициента теплопроводности и этим существенно упростить расчетные формулы без потери прочности расчета.
Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано в теплоэнергетике. Котел включает систему охлаждения, топку, теплообменный блок, выполненный двухходовым с нижним и верхним пучками труб с расположенной на его входе камерой дожигания, оснащенной устройством для регулирования подачи воздуха. С торцов теплообменного блока расположены передняя и задняя газовые камеры. Топка снабжена охладителями свода, выполненными в виде двух экранов из труб, расположенных симметрично по обе стороны теплообменного блока вдоль его продольной оси, и снабженными средствами подключения к системе отопления. В нижней части топки установлена с уклоном в сторону ее задней стенки, оснащенной выступами, обращенными внутрь топки, двухскатная в направлении дна топки колосниковая решетка, под которой расположена зольная камера с, по меньшей мере, одним накопителем золы, выполненным с возможностью свободного перемещения за ее пределы, имеющая, по меньшей мере, один люк для удаления золы. В передней стенке зольной камеры поддувало. Изобретение позволяет повысить эффективность сжигания топлива при одновременном повышении эксплуатационных удобств и снижении шлакообразования на низкотемпературных поверхностях. 3 з.п.ф-лы, 2 ил.
Рисунки к патенту РФ 2263852
Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к водогрейным котлам, работающим на возобновляемом биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы.
Производство тепловой энергии из возобновляемых источников является характерной тенденцией развития мировой энергетики. В этой связи биомасса (солома злаковых культур, отходы деревообработки и т.д.) рассматриваются в качестве широко доступного, возобновляемого, СО 2 - нейтрального топлива.
Традиционно сжигание твердого топлива с целью получения тепловой энергии осуществляется в котлах с жаровыми или дымогарными трубами (Щеголев М.М. Топливо, топки и котельные установки. М., Гостоптехиздат, 1953 г., с.543).
Как правило, такие котлы включают в себя стальной цилиндрический корпус, заполненный нагреваемой водой, расположенную внутри или снаружи корпуса цилиндрическую камеру сгорания (топку), которая соединяется газовыми панелями с пакетом окружающих камеру сгорания параллельных дымогарных труб, коллектор отработанных газов, выходной газоход, а также устройства для ввода топлива в камеру сгорания.
Сжигание биотоплива в таких котлах сопряжено с необходимостью обеспечения эффективного распределения воздуха по топочному объему и его качественного перемешивания с дымовыми газами, что не всегда осуществимо. Невыполнение этих условий снижает общий коэффициент полезного действия котла и ведет к неоправданному расходу топлива.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является фермерский котел периодической загрузки для сжигания крупных брикетов соломы (Гелетуха Г.Г., Железная Т.А. Обзор технологий сжигания соломы с целью выработки тепла и электроэнергии. "Экотехнологии и ресурсосбережение" №6, 1998 г., с.3-11).
Котел содержит горизонтальную цилиндрическую топку, закрываемую с торца дверью. Непосредственно над топкой расположен теплообменный блок, представляющий собой кожух с расположенным в нем пучком жаровых труб. Межтрубное пространство кожуха, стенки котла, а также дверь связаны в единый контур, охлаждаемый водой. Котел снабжен системой подачи воздуха в зону горения топлива, состоящую из газодувки с регулируемой заслонкой и коллекторов. Отработанные дымовые газы выводятся из котла через газоход.
Работа котла осуществляется в следующей последовательности. В топку устанавливается один или несколько (в зависимости от габаритов) брикетов соломы и с помощью внешнего источника производится их розжиг. Дверь топки закрывается, и в зону горения подается воздух с определенным расходом. Выделяющиеся в процессе горения дымовые газы нагревают воду, циркулирующую через теплообменный блок, стенки и дверь котла. По мере выгорания соломы производится выгрузка золы из топки и закладка следующего брикета топлива.
Конструкцию известного котла нельзя признать технически совершенной, поскольку при ее эксплуатации возникают затруднения в обеспечении равномерности выгорания брикета соломы, связанные главным образом с локальным подводом воздуха в зону горения и обусловливающие невысокую температуру в топке, длительность самого процесса горения брикета. При этом на низкотемпературных поверхностях котла возможно появление шлаковых отложений, что существенно снижает эффективность его работы Громоздкая система теплообменных поверхностей котла, подверженных коррозии и отложению накипи, снижает его функциональную надежность и требует наличия сложной системы водоподготовки (обезгаживание и обессоливание). Кроме того, при эксплуатации котла возникают неудобства при выгрузке золы, некомпактно накапливающейся на дне топки.
Задачей настоящего изобретения является разработка конструкции водогрейного котла, работающего на биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы, позволяющей повысить эффективность сжигания топлива за счет обеспечения равномерного горения брикета во всем его объеме путем оптимального распределения по топочному объему воздуха, поступающего в зону горения и эффективного дожигания летучих компонентов при одновременном повышении эксплуатационных удобств, надежности и снижении шлакообразования на низкотемпературных поверхностях.
Поставленная задача решается предложенным водогрейным котлом, включающим систему охлаждения, средства подключения к системе отопления, дымогарный теплообменный блок, топку с дверью, обмуровкой и средством дозированной подачи воздуха, особенность заключается в том, что теплообменный блок выполнен двухходовым с нижним и верхним пучками труб, с расположенной на его входе камерой дожигания, образованной стенами топки, решеткой нижнего пучка труб и горизонтальной пластиной, размещенной между пучками труб, и оснащенной устройством для регулирования подачи воздуха, с торцов теплообменного блока расположены передняя и задняя газовые камеры, каждая из которых снабжена теплоизолированным люком для чистки пучков труб, а последняя соединена с выходным газоходом, при этом топка снабжена охладителями свода, выполненными в виде двух экранов из труб, расположенных симметрично по обе стороны теплообменного блока вдоль его продольной оси, и снабженными средствами подключения к системе отопления, в нижней части топки установлена с уклоном в сторону ее задней стенки, оснащенной выступами, обращенными внутрь топки, двухскатная в направлении дна топки колосниковая решетка, под которой расположена зольная камера с, по меньшей мере, одним накопителем золы, выполненным с возможностью свободного перемещения за ее пределы, имеющая, по меньшей мере, один люк для удаления золы, расположенный на ее задней стенке, а в передней стенке зольной камеры размещено средство дозированной подачи воздуха, выполненное в виде поддувала.
При этом уклон колосниковой решетки в сторону задней стенки топки составляет 3-5°.
Кроме того, плоскости двухскатной в направлении дна топки колосниковой решетки имеют угол наклона 10-20°.
Предпочтительно двери топки выполнять двухстворчатыми.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что предложенный котел отличается иным конструктивным выполнением системы охлаждения, включающей межтрубное пространство теплообменного блока и охладители свода, позволяющие снять избыточную тепловую нагрузку в этой зоне и в итоге увеличить общий коэффициент полезного действия котла (в прототипе - единый контур из межтрубного пространства теплообменного блока, стенок котла и двери); наличием камеры дожигания, позволяющей повысить тепловую эффективность котла путем оптимизации дожига летучих компонентов кислородом воздуха, подаваемого в камеру; наличием колосниковой решетки, делящей внутреннее пространство топки с образованием зольной камеры; наличием накопителей золы; иным выполнением средства дозированной подачи воздуха - в виде поддувала, создающего естественную тягу (в прототипе - воздух подается под давлением воздуходувкой, оснащенной заслонкой); иным выполнением теплообменного блока (из двух пучков труб), позволяющим существенно увеличить площадь тепловоспринимающих поверхностей при незначительном увеличении габаритов и сопротивления газового тракта, а следовательно, и повысить эффективность работы котла с оснащением его газовыми камерами, обеспечивающими возможность чистки труб и одновременно являющимися элементами газового тракта.
Таким образом, заявляемый котел соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявляемой конструкции с прототипом и другими техническими решениями показало, что неизвестен котел, в котором бы имело место предложенное сочетание признаков.
Но именно совокупность отличительных от прототипа признаков с остальными существенными признаками заявляемого решения позволила расширить номенклатуру выпускаемых водогрейных котлов, работающих на биотопливе в брикетах цилиндрической формы, создать конструкцию, обладающую повышенными эксплуатационными удобствами и надежностью, снижающей риск возникновения аварийной ситуации из-за прогорания свода топки и нарушение нормального режима функционирования системы охлаждения; уменьшение площади поверхностей охлаждения, их иное конструктивное исполнение позволяет упростить конструкцию котла при обеспечении высокой тепловой эффективности котла; предлагаемая совокупность признаков, включающая колосниковую решетку, установленную определенным образом и создающую сопротивление поступающему в топку воздуху и обеспечивающую его равномерное распределение по сечению топки, зазор между брикетом сжигаемого топлива и стенкой котла, обеспеченный наличием упоров на ней, позволяет так перераспределить воздушные потоки, что брикет горит равномерно по всему своему объему с более высокой температурой и оптимальным временем, что дает возможность повысить эффективность работы котла и одновременно снизить шлакообразование на низкотемпературных поверхностях, что непременно влечет за собой повышение надежности всей конструкции.
При этом наклон колосниковой решетки в направлении задней стенки котла обеспечивает удобство загрузки брикетов цилиндрической формы в топку. При углах наклона менее 3° загрузка брикета сопряжена с необходимостью применения значительных усилий по его перемещению. При углах наклона более 5° в процессе загрузки возможно возникновение значительных ударных нагрузок на заднюю стенку, что также не желательно.
Кроме того, плоскости двухскатной в направлении дна топки колосниковой решетки должны иметь угол наклона не менее 10° для обеспечения условий обдува нижней части брикета и предотвращения зашлаковывания решетки вследствие низкой температуры плавления золы и не более 20° для предотвращения преждевременного прогара охладителей свода.
Предпочтительно двери топки выполнять двухстворчатыми из соображений удобства обслуживания котла.
Заявляемое изобретение представлено на фиг.1, на которой изображен продольный разрез котла, и на фиг.2, где приведен разрез А-А фиг.1
Предлагаемый котел включает дымогарный теплообменный блок 1, внутри которого размещены пучки 2 и 2" труб, а с торцов к нему примыкают передняя 3 и задняя 4 газовые камеры, имеющие теплоизолированные люки 5 и 6, являющиеся одновременно торцовыми стенками соответствующих камер, задняя камера 4 непосредственно соединена с выходным газоходом 7. Теплообменный блок 1, межтрубное пространство которого в рабочем состоянии заполнено водой, имеет патрубки 8 для подсоединения к коллекторам системы отопления. Топка 9 котла представляет собой стальную конструкцию из проката, являющуюся опорой для теплообменного блока 1 и охладителей свода 10, а также каркасом для обмуровки 11. Охладители свода 10 имеют патрубки (не показаны) для подсоединения к соответствующим коллекторам системы отопления. В передней части топки 9 расположены двухстворчатые теплоизолированные двери 12 для загрузки топлива. В верхней части топки 9 размещена камера дожигания газов 13 с пластиной 14, размещенной между верхним 2 и нижним 2 пучками труб, и с устройством для регулирования подачи воздуха 15 (например, шибер). В нижней части топки 9 установлена двухскатная колосниковая решетка 16, на которой размещают брикет 17 биотоплива. Задняя стенка топки 9 оснащена упорами 18, выполненными в виде выступающих частей обмуровки либо из металлических элементов, вмонтированных в обмуровку. Непосредственно под колосниковой решеткой 16 расположена зольная камера 19 с накопителями золы 20. В передней стенке зольной камеры 19 размещено средство дозированной подачи воздуха, выполненное в виде поддувала 21. На задней стенке зольной камеры 19 расположены люки 22 для удаления золы, собранной в накопителях 20. Снаружи водогрейный котел теплоизолирован слоем минеральной ваты и закрыт металлическим кожухом.
Водогрейный котел работает следующим образом. Водяной контур котла, образованный дымогарным теплообменным блоком 1 и охладителями овода 10, подключают через соответствующие патрубки к коллекторам системы отопления. Через двери 12 топки 9, нагретой предварительно до 400-500°С, на колосниковую решетку 16 вкатывают брикет соломы 17. Через поддувало 21 в топку 9 поступает необходимый для горения воздух, расход которого регулируют степенью открытия поддувала 21. Воздух охлаждает колосниковую решетку 16, двери 12 топки 9 и, нагреваясь далее от обмуровки 11, обеспечивает интенсивное горение брикета соломы, что позволяет существенно увеличить температуру горения. Продукты горения поступают из топки 9 в камеру дожигания 13. Поступающий в камеру 13 через устройство 15 регулируемый поток воздуха обеспечивает дожигание летучих компонентов и дополнительное тепловыделение. Поток горячих дымовых газов проходит через нижний пучок 2" дымогарных труб, переднюю газовую камеру 3 и верхний пучок 2 дымогарных труб. При этом снимается основное количество тепла, содержащегося в дымовых газах. Далее газы последовательно проходят через заднюю газовую камеру 4 и под действием разрежения, создаваемого дымовой трубой (не показана), поступают в выходной газоход 7. Часть тепла от сгорания брикета соломы 17 снимается непосредственно в топке 9 котла с помощью охладителей свода 10. Зола с колосниковой решетки 16 падает в накопители 20 (например, выполненные в виде тележек) и удаляется из зольной камеры 19 через люки 22. Сажа и копоть из дымогарных труб 2 и 2" удаляются через люки 5 и 6. После полного сгорания брикета соломы двери 12 открывают и производят загрузку очередного брикета соломы.
Таким образом, предлагаемая конструкция водогрейного котла, работающего на биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы, практически реализуема. Изготовлены два образца, прошедшие опытную проверку. Изобретение позволяет решить давно существующую потребность в надежных и эффективно работающих котлах, функционирующих на возобновляемом и доступном виде топлива, решить поставленную задачу. Следовательно, заявляемое техническое решение обладает промышленной применимостью.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Водогрейный котел, работающий на биотопливе, преимущественно из соломы в брикетах цилиндрической формы, включающий систему охлаждения, средства подключения к системе отопления, дымогарный теплообменный блок, топку с дверью, обмуровкой и средством дозированной подачи воздуха, отличающийся тем, что теплообменный блок выполнен двухходовым с нижним и верхним пучками труб, с расположенной на его входе камерой дожигания, образованной стенами топки, решеткой нижнего пучка труб и горизонтальной пластиной, размещенной между пучками труб и оснащенной устройством для регулирования подачи воздуха, с торцов теплообменного блока расположены передняя и задняя газовые камеры, каждая из которых снабжена теплоизолированным люком для чистки пучков труб, а последняя соединена с выходным газоходом, при этом топка снабжена охладителями свода, выполненными в виде двух экранов из труб, расположенных симметрично по обе стороны теплообменного блока вдоль его продольной оси, и снабженными средствами подключения к системе отопления, в нижней части топки установлена с уклоном в сторону ее задней стенки, оснащенной выступами, обращенными внутрь топки, двухскатная в направлении дна топки колосниковая решетка, под которой расположена зольная камера с, по меньшей мере, одним накопителем золы, выполненным с возможностью свободного перемещения за ее пределы, имеющая, по меньшей мере, один люк для удаления золы, расположенный на ее задней стенке, а в передней стенке зольной камеры размещено средство дозированной подачи воздуха, выполненное в виде поддувала.
2. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что уклон колосниковой решетки в сторону задней стенки топки составляет 3-5°.
3. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что плоскости двускатной в направлении дна топки колосниковой решетки имеют угол наклона 10-20°.
4. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что двери топки выполнены двухстворчатыми.
Хозяева домов в частном секторе часто сталкиваются с проблемами эффективности . Один из современных способов рационального их решения – монтаж в своем жилище буферной ёмкости. Она способна равномерно распределять тепло по комнатам и экономить деньги и время на обслуживание. Поставить ёмкость собственными руками несложно. В статье собраны советы специалистов по составлению чертежа и подробной схемы, рекомендации по подключению.
Принцип работы и виды буферной ёмкости
Если вы когда-либо видели термос, то поймёте и принцип работы буферной ёмкости. Её еще называют аккумулирующей или тепловым аккумулятором. С виду это бак цилиндрической формы. Стенки внутри него заизолированы поролоном или другим материалом. Это своеобразный посредник, который хранит тепло и равномерно распределяет его по отопительной системе. Это полезно и выгодно по таким причинам:
Внимание! Есть у буферной ёмкости и минусы. Например, при своих габаритах она должна располагаться рядом с котлом. К тому же современный аккумулирующий бак стоит недешево, чтобы окупить его потребуется не менее 2-х лет.
Виды и строение теплоаккумуляторов
Ёмкости различают по материалу, который применяется как термоаккумулирующий:
- твердотельные;
- паровые;
- а также термохимические;
- жидкостные;
- с добавочным нагревом.
Вверху бака расположены пара штуцеров (патрубков), предназначенные для совмещения с котлом и всей системой, а также клапаном-предохранителем для спуска лишнего воздуха, если давление в глубине повысится. Внизу есть кран, через который можно спустить воду. Также производитель иногда размещает тут фланцы для монтажа датчика давления и температуры.
Внимание! Ёмкость работает за счет разности давления воды, создаваемой насосом. Встроенный тепловой аккумулятор в разы увеличивает инерционность всей отопительной системы.
Как правильно рассчитать объем
Перед покупкой следует вычислить объем бака, который сможет обеспечить рациональный обогрев вашего дома. Если буферную ёмкость вы монтируете вместе с системой отопления, то для начала соберите данные:
- Площадь дома.
- Тепловые потери при различных значениях температуры воздуха (кВт/ч).
- Объем воды, которая проходит по системе за 1 ч при минимальном значении температуры.
- Чтобы использовать ёмкость в периоды отключения котла, посчитайте, на сколько часов максимально вы собираетесь его выключать. Полученное число умножьте на величину из пункта 3.
Если система отопления установлена, тогда рассчитать объем бака легче. В таком случае вы опытным путём можете установить количество воды и временной отрезок между топками в самые холодные периоды (в случае с твердотопливным котлом). Чтобы из этих данных получить подходящий размер ёмкости, просто их перемножьте. Для дома площадью около 200 кв. м, как правило, используется котел мощностью 25-32 кВт. Из описанной формулы объем теплоаккумулятора должен составить 1 тыс. л. Именно такой расход нагретой жидкости в системе нужен при температуре -25 C, хотя в более тёплые дни вам понадобится меньше.
Совет. Не нужно увеличивать объем и покупать бак «с запасом», предполагая, что система может работать некорректно или температура опустится ниже заданного вами минимума. Даже если в вашей местности наступят чересчур сильные морозы, вы всегда можете пустить котел в обход ёмкости.
Покупка буферной ёмкости: что проверить в магазине
Теплоаккумулятор – не сложный для понимания механизм. Однако в заводском баке немало разных нюансов, которые производитель предусмотрел для повышения функциональности. При покупке обратите внимание на такие важные особенности ёмкости:
- На какой максимум давления жидкости в системе отопления рассчитаны стенки.
- Какова наибольшая потенциальная температура воды для неё.
- Из чего она изготовлена. Лучший материал – мягкая углеродистая сталь. Она должна быть покрыта «нержавейкой» или другим непромокаемым слоем.
- Имеет ли она изоляцию. Полезное свойство, но не обязательное.
Хороший бак разделен на несколько секций. В них собирается вода разной температуры. Эта опция и позволяет ёмкости равномерно распределять тёплую воду по системе отопления. Она может быть снабжена вспомогательными полезными приспособлениями:
- электронагреватель;
- теплообменники для подсоединения к разным источниками или горячей воде;
- резиновые фланцы.
Совет. Выбирайте только тот котел, который подойдёт по размерам вашей комнаты. Как правило, производители предлагают широкую линейку моделей, объемом от 300 л до 5 тыс. л. Обязательно проверяйте наличие всех сертификатов.
А вот самостоятельно изготавливать буферную ёмкость специалисты не советуют. Вам, как минимум, придётся проводить сварку металла толщиной в 5 мм и вырезать бак в форме сферы (технологическая необходимость для корректной работы). А ещё заводские ёмкости оборудованы змеевиками, которые затем подключаются к водоснабжению и горячей воде. Сделать их своими руками крайне сложно. Купленный бак может быть даже экономичнее по стоимости и временным затратам и, конечно, более надежным.
Подключение буферной емкости
Как подключить буферную ёмкость
Главное правило при подключении аккумулятора тепла – он должен быть вмонтирован в систему параллельно котлу. С помощью верхних патрубков следует включить бак в систему. Один из штуцеров внизу котла следует соединить с самим котлом – на эту обратную магистраль монтируется циркуляционный насос. Второй нижний патрубок крепится к обратной магистрали отопительной системы, на которой также обустроен насос. Кроме того, система допускает наличие двух теплообменников:
Схема подключения буферной емкости
- вверху бака, для поступления горячей воды;
- вверху или снизу для подсоединения к добавочным источникам тепла.
Совет. Нередко бывает, что бак рассчитанного вами объёма попросту не помещается в доме. Тогда следует посчитать его объем, снижая до минимального показателя объём циркулирующей в системе воды. Размер бака тоже уменьшится, а вам просто придётся чаще топить котел.
Буферная ёмкость – очень полезное усовершенствование автономной отопительной системы, новый шаг к созданию энергоэффективного жилища. Наибольшая выгода ждёт хозяина: топить котел нужно меньше, времени на другие дела больше, а в доме не будет перепадов температуры.
Тепловой аккумулятор: видео
Буферная емкость для отопления: фото
