початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2196933

ВОДОГРІЙНИЙ КОТЕЛ

Ім'я винахідника: Кирилов В.А .; Кузин Н.А .; Куликов А.В .; Лук'янов Б.Н .; Онуфрієв І.А .; Мельник О.М .; Попов О.І .; Андрєєв С.Н .; Мітенки О.Б .; Левін Д.І.
Ім'я патентовласника: Інститут каталізу ім. Г.К.Борескова СО РАН; Відкрите акціонерне товариство "Вимірювач"
Адреса для листування: 630090, Новосибірськ, пр. Академіка Лаврентьєва, 5, Інститут каталізу ім. Г.К. Борескова, патентний відділ, Т.Д.Юдіной
Дата початку дії патенту: 2001.03.06

Винахід відноситься до енергетики, до техніки генерування теплової енергії за допомогою каталітичних нагрівальних елементів, що працюють на принципі беспламенного окислення природного газу, і може бути використано для автономного водяного опалення і цілорічного гарячого водопостачання побутових і виробничих приміщень. Конструкція водогрійного котла включає топковий блок, який містить каталітичний нагрівальний елемент, який має трубчасту конструкцію циліндричної або овальної форми і дві склянки, службовців продовженням трубчастої конструкції, з шаром каталізатора, розташованим на поверхні трубчастої конструкції і склянок і виконаним у вигляді газопроникних плоских і гофрованих армованих стрічок , навитих і спечених з трубчастої конструкцією і склянками, з зазорами між витками з утворенням газоповітряних каналів між стрічками. Каталізатором є армований пористий матеріал, що містить в якості активних компонентів З ₃ CO _4, CuO, Cr ₂ О _3, Fе ₂ О _3, Al ₂ О _3, метали VIII групи, закріплені на металевих носіях за допомогою сплавів Ti-Al, Ni- Al, Ni-Cr, Ti-Si. Винахід дозволяє створити котел, який використовує для отримання тепла принцип каталітичного окислення, що забезпечує екологічно чисте окислення вуглеводневих газів.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до енергетики, до техніки генерування теплової енергії за допомогою каталітичних нагрівальних елементів, що працюють на принципі беспламенного окислення природного газу, і може бути використано для автономного водяного опалення і цілорічного гарячого водопостачання побутових і виробничих приміщень.

Відомо, що для локального обігріву приміщень за допомогою водяного опалення використовуються газові водогрійні котли з традиційними полум'яними пальниками [М.Б. Равич, "Газ і ефективність його використання в народному господарстві". Вид-во "Надра", 1987 р, с.238]. Газові побутові нагрівальні апарати з примусовою циркуляцією типу АКГВ-23,2-1 (апарат комбінований газовий побутовий з водяним контуром, "АТ Жуковський машинобудівний завод") мають водяний контур для обігріву приміщення 140-1200 м ^2, шунтирующий контур для гарячого водопостачання, систему підтримки заданої температури в приміщенні, забезпечені електронним блоком автоматики, які забезпечують безпеку роботи і управління котлом, розміщуються в ізольованій частині будинку. Дані щодо викидів відсутні.

Сімейство котлів "Сибіряк" (ГЦО-29-06 / Е "Сибіряк", теплова потужність - 29 кВт, ГЦО-19,8-4 / Е "Сибіряк-М". 19,8 кВт, ГЦО-10-15 / Е "Сибіряк-Н", 10 кВт. ГЦО-29-08 / Е "Сибіряк-2", 29 кВт, ЗАТ "Сібгазпрібор") з примусовою циркуляцією гарячої води обігрівають приміщення від 100 до 300 ^2, мають традиційні електронні блоки управління і допускають настінне або підлогове розташування з відведенням газів, що відходять за межі приміщення. Центром нагріву в топковому вузлі є стандартна инжекционная пальник, забезпечена теплової автоматикою. Відходять гази містять: СО 119 мг / м ^3,_NO X 144 мг / м ^3. Недоліком цих котлів є високі концентрації шкідливих викидів і тільки низька ціна щодо зарубіжних фірм забезпечує їх збут.

Фірма "Vaillant" (Німеччина) випускає всі види котлів на базі одно- або двоступеневих атмосферних пальників з тепловідвідними керамічними стрижнями в трьох видах виконання: міжнародне, для Німеччини, для країн Східної Європи [Прайс-лист 2000. Ч.1, ч.2 ]. Конденсуючий настінний газовий котел VU 506 Е (к.к.д. 109%, діапазон номінальної потужності 13,8-46,0 кВт) має NOx Ј 20 мг / кВт · год (41 мг / м ^3). Газові опалювальні котли VK INT KLASSIK 15 / Kl EH ... 45 / K-1 ЕН (20,9-47,3 кВт, вага 120-195 кг) мають в газах Nox Ј 70 мг / кВт · год (59, 5 мг / м ^3). Котли з двоступеневої атмосферним пальником VK 60 / 7-2EH ... 156 / 7-2ЕН (20,9-47,3 кВт, ККД 93%), котли VKO 22 / 3-70 / 3 (17 , 0-70,0 кВт, ККД 94%) і газові ємнісні водонагрівачі VGH 130 / 5х2 і мають в газах NOx Ј 80 мг / кВт · год (165 мг / м ^3). Як видно з наведених даних, котли фірми "Vaillant" володіють тими ж недоліками за викидами, що і котли, розглянуті вище.

Навісні автоматичні котли фірм Buderus (Чехія), Lamborgini (Італія) потужністю до 25 кВт (к.к.д. 94-95%) мають по викидах близькі значення, як і котли розглянутих німецьких фірм. З екологічних міркувань фірма "Protherm" (Чехія), що випускає відносно легкі (70 кг) котли (50 кВт) обладнає міні-котельні в підвалах або на дахах будинків, застосовуючи каскад з кількох апаратів. Каскадні котельні дозволяють відключитися від централізованого теплопостачання, знижуючи споживання газу на 20-50%, однак проблему придушення викидів NOx і СО не вирішують.

Основним недоліком усіх розглянутих вище котлів є використання в них одного з шести типів пальників: 1) традиційна атмосферний пальник (викиди СО Ј 35 ppm, NOx Ј 320 ppm), 2) проста розподілена пальник (СО Ј 25 ppm, NOx Ј 250 ppm) , 3) пальник з вентиляційним наддувом (СО Ј 20 ppm, NOx Ј 185 ppm), 4) оптимізована розподілена пальник (СО Ј 18 ppm, NOx Ј 170 ppm), 5) пальник з повним попереднім змішуванням (СО Ј 15 ppm, NOx Ј 110 ppm), 6) пальник з вентиляційним наддувом і циліндричної (сферичної) поверхнею спалювання (СО Ј 10 ppm, NOx Ј 60 ppm) [TB Jannemann. The Development of Atmospheric Burners with Respect to the Increasing Emissions Restrictions. In: Proceedings of the First European Conference on Small Burner Technology and Heating Equipment. Zurich, September 25-26, 1996, v. 1, p. 23-34].

Фірма "Viessman" (Німеччина) випускає широку гамму газових опалювальних котлів на рідкому і газоподібному паливі як з традиційними атмосферними пальниками, так і з радіаційними Matrix compact [Vitotec Прайс-листа 2000 GUS Viessman]. Низькотемпературні водогрійні котли "Vitogas-100" з діапазонами номінальної теплової потужності 11-60, 72-144 кВт, мають економічний режим погодозалежної теплогенерації теплоносія, к.к.д. до 92%, забезпечені атмосферним пальником попереднього змішування і дають викиди: NOx Ј 50 мг / кВт · год (103 мг / м ^3), СО Ј 10 мг / кВт · год (4,8 мг / м ^3). Газові водогрійні котли "Vitola 100. ..200" (15-63 кВт), "Vitorond 200" (15-33 кВт), "Vitopend 100" (10,5-24 кВт), газові конденсаційні модулі "Vitodens 100" ( 8-18 кВт) мають водоохолоджувані модульовані пальника з регулюванням сумішоутворення або інфрачервоні пальники (випромінювач з нержавіючої сталі) з рівнем виділення шкідливих викидів нижче екологічного нормативу "Блакитний ангел". За рахунок утилізації прихованої теплоти конденсації нормативний ККД котла зростає до 106%. У настінних котлах Eurola використовуються модульовані матриксні радіаційно-каталітичні пальника, що забезпечують вміст оксидів азоту і вуглецю NOx Ј 9 мг / кВт · год (18,5 мг / м ^3), СО Ј 17 мг / кВт · год (8,2 мг / м ³⁾ [Ein echter Heizkessel fur die Wand extrem schadstoffarm durch Matrix -Strahlungsbrenner. Реклама фірми "Viessman" котла Eurola]. Максимальний діапазон регулювання потужності 1: 2,25, маса котла в розрахунку на кіловат потужності, що генерується становить близько 3-5 кг / кВт.

Котел Eurola-kat, обраний в якості прототипу, з каталітичним нанесеним шаром матричної пальника і сферичною поверхнею нагріву, виконаної з високоякісної сталі, має за рахунок конденсаційної ступені к. П. Д. 108%. Обсяг водяного контуру 30 л дозволяє компенсувати флуктуації при нагріванні теплоносія. Він забезпечений блоком електронного регулювання з інтегрує диагностирующей системою. Для опалення приміщень використовується тільки 8-11 кВт, для нагріву питної води 24 кВт. Габаритні розміри 415 · 560 · 900 мм. Незважаючи на високий рівень автоматизації і високий к.к.д. котлів фірми "Viessman", наявність непереборних викидів окислів азоту, властивих атмосферних пальників, накладає екологічні обмеження на їх використання всередині приміщення.

Винахід вирішує задачу створення водогрійного котла потужністю 25 кВт, в газах якого вміст СО не більше 10 ppm, метану не більше 30 ppm, оксиди азоту відсутні.

Поставлена ​​задача вирішується шляхом створення конструкції водогрійного котла КГК-25 (котел газовий каталітичний потужністю 25 кВт), що містить каркас, в якому розміщені всі вузлові збірки котла: топковий блок, що складається з каталітичної пальника, теплообмінника, вузла запалювання; блок управління і система контролю режимів роботи котла. Як пальника він містить каталітичний нагрівальний елемент, що містить трубчасту конструкцію циліндричної або овальної форми, і дві склянки, службовців продовженням трубчастої конструкції, з шаром каталізатора, розташованим на поверхні трубчастої конструкції і склянок, газорозподільне пристрій з вузлом подачі газоповітряної суміші, місця введення і виведення охолоджуючої води.

Каталізатор в каталітичному нагрівальному елементі виконаний у вигляді газопроникних плоских і гофрованих армованих стрічок, навитих і спечених з трубчастої конструкцією і склянками, з зазорами між витками з утворенням газоповітряних каналів між стрічками, зовнішній шар каталізатора має розмір гофр більше критичного розміру каналів для проникнення полум'я всередину шару каталізатора, ширина шару каталізатора в каталітичному нагрівальному елементі перевершує ширину трубчастої конструкції на ширину склянок, розв'язаних по тепловому контакту з шаром каталізатора.

Газорозподільне пристрій в каталітичному нагрівальному елементі містить одну або кілька перфорованих газорозподільних трубок з діаметром отворів перфорації, менших критичного діаметра для проникнення полум'я всередину газорозподільної трубки, і розсікача струменів, що випливають з отворів перфорації. Трубчаста конструкція в каталітичному нагрівальному елементі виконана у вигляді водоохолоджуваного трубчастого теплообмінника. В якості каталізатора в каталітичному нагрівальному елементі використовують армований пористий матеріал, що містить в якості активних компонентів З ₃ О _4, CuO, Сr ₂ О _3, Fе ₂ О _3, Аl ₂ О _3, метали VIII групи, закріплені на металевих носіях за допомогою сплавів Ti-Al, Ni-Al. Ni-Cr, Ti-Si.

Як паливо використовують природний газ, пропан-бутановую суміш, гази нафтопереробки, факельні гази і ін.

	Котел КГК-25 (фіг.1) виконано у вигляді каркаса 1, до якого кріпляться всі вузлові збірки котла: топковий блок 2, який складається з каталітичного нагрівального елементу номінальною потужністю 25 кВт (фіг.2), теплообмінника, вузла запалювання і контролю полум'я, вузла вентиляції; пульт управління 3; розширювальний бак; маностат; вузол наддуву повітря 4; клапан електромагнітний 5; автоматичний триходовий вентиль 6; покажчик "Тиск" 7; покажчик "Температура" 8; автоматичний продувний вентиль, газовий вентиль 9; датчик граничного тиску; датчик перегріву опалювальної води; датчик температури; датчик температури; напускною кран; запобіжний вентиль; теплообмінник технічної води 10; циркуляційний насос 11; трубопроводи 12; стінки ліва, права і передня 13; стінка лицьова 14; оглядове вікно 15.
	На фіг. 2. представлений каталітичний нагрівальний елемент, який представляє собою трубчасту циліндричну або овальну конструкцію, що складається з трубчастого теплообмінника кільцевого типу 1, всередині якого розташовано газорозподільне пристрій, що представляє собою одну або кілька перфорованих труб 2, всередину яких подається газоповітряна суміш. Навколо газорозподільної труби для кращого розподілу газу і придушення швидкості стікали з отвору струменів розташований рассекатель 3. Каталізатор 4 у вигляді плоских 5 і гофрованих 6 стрічок навитих на трубки теплообмінника 1 і спечений з ними. Шар каталізатора перевершує по ширині трубчастий теплообмінник на величину склянок, розв'язаних по теплу з колекторами 8 теплообмінника. Для подачі холодної води і відведення нагрітої пристрій обладнаний штуцерами 9 і 10 відповідно. Для поліпшення динамічних характеристик нагрівального елементу зовнішній шар каталізатора 11 має розмір гофр більше критичного розміру каналів для проникнення полум'я всередину пористої структури. Передбачено, що котел повинен працювати в двох режимах: "Зима" і "Літо". У режимі "Літо" котел забезпечує споживача тільки технічної теплою водою, а в режимі "Зима" - опалювальної водою. Робоча схема котла вказана на фіг. 3. Після приєднання труби відводу продуктів згоряння, підключення опалювальних батарей і заповнення системи опалення водою (рН Ј 7, м'яка), приєднання газової магістралі і магістралі технічної води, підведення електричної енергії котел КГК-25 готовий до роботи.

При включенні котла установкою перемикача "1" - "0" на "1" на блоці автоматичного управління відбувається самотестування блоку і перевірка стану котла, після чого в разі позитивного результату перевірки на індикаторі приладу висвічується напис: "Все в нормі, можна включати" .

Після натискання кнопки "Запуск" блоком автоматичного управління включається вентилятор витяжної вентиляції 2 і вентилятор системи наддуву 8, система електроіскрового розпалювання 15 запального пальника 7, циркуляційний насос 10 і відкривається електромагнітний клапан запального пальника 14 Після того як буде встановлено за допомогою іонізаційного датчика полум'я наявність стійкого полум'я на запальному пальнику через 5 з блоком управління, відкривається основний газовий вентиль і модулятор в газовій арматурі 9. Газ подається в камеру змішання вузла наддуву і запалюється на поверхні КНЕ-25 4. Одночасно знімається висока напруга з запальних електродів. Через 15 секунд після подачі суміші на КНЕ-25 відключається електромагнітний клапан, подача газу на запальний пальник припиняється. Температура поверхні КНЕ-25 протягом до 300 з піднімається до температури 500 ^o С, після чого починається каталітичний процес окислення газу. КНЕ розігрівається до робочої температури 750-850 ^o С і починається нормальний режим роботи котла. При виході котла КГК-25 на робочий режим на інформаційному табло з'являється повідомлення про температуру на поверхні КНЕ-25.

Після включення циркуляційного насоса 10 вода з опалювальної системи, заповненої під тиском 1,5-2,0 кг / см ^2, подається у внутрішній водоохолоджуваний теплообмінник КНЕ, після чого в теплообмінник попереднього нагріву 27, потім в котельній теплообмінник 3 і через триходовий кран 16 і трубопровід 21 в опалювальну систему і повертається по трубопроводу 25 знову у внутрішній водоохолоджуваний теплообмінник КНЕ-25. Утворені гази відсмоктуються вентилятором 2 і виводяться з приміщення через осьовий трубопровід 28.

Подача повітря в камеру змішання здійснюється вентилятором вузла змішування і нагнітання 8 по осьового трубопроводу з навколишнього середовища Можливі залишки повітря в котлі виштовхуються роботою насоса через продувний вентиль 6. Котел має вмонтований розширювальний посудину з мембраною 5 з номінальним об'ємом 10 л. Для отримання гарячої технічної води відкривається подача води з магістралі по трубопроводу 22, при цьому за допомогою вентиля 16 відключається подача води в опалювальну систему і вона подається в нагрівач технічної води 18. Технічна вода, що проходить через змійовик, нагрівається і через трубопровід 23 надходить споживачеві. Управління роботою котла і забезпеченням безпеки здійснює цифрова система, яка побудована на основі мікроконтролера і забезпечує підключення і обробку датчиків: маностатом 1 (датчик наявності витяжки), тиску води в опалювальній системі, наявності протоку води, наявності полум'я на запальному пальнику, температури КНЕ, температури опалювальної води. Цифрова система забезпечує підключення і управління виконавчими пристроями: електромагнітним клапаном запального пальника, електроіскровим розпалом запального пальника, газовим вентилем, модулятором витрати газу газового вентиля, вентилятора вузла нагнітання в змішувальну камеру.

Відключення котла КГК-25 виробляється натисканням кнопки "Вимкнути" на пульті управління котлом. При цьому відключається газовий вентиль, який перекриває подачу газу на змішувач, КНЕ-25 починає остигати. Протягом 5 хв продовжують працювати вузол наддуву повітря, вузол вентиляції і відцентровий насос, що забезпечує захист КНЕ-25 від руйнування. На інформаційному табло пульта керування з'являється повідомлення "Йде вимикання газового котла" і, якщо все вузли відповідають своїм вимогам, з'являється повідомлення "Все в нормі, можна вимикати". За цим повідомленням котел КГК-25 знеструмлюється установкою перемикача "1" - "0" на "0".

При всіх режимах роботи в разі перевищення критичних значень параметрів котла: температури КНЕ-25 вище 880 ^o С або нижче 550 ^o С, тиску опалювальної води нижче норми, відмову вузлів вентиляції, наддуву системою управління перекривається подача газу, включається індикатор "Аварія" та на рідкокристалічному індикаторі з'являється повідомлення про причини аварійного відключення.

Котел КГК-25 виготовлений в настінному виконанні.

Приклад 1. Котел газовий каталітичний КГК-25 має габаритні розміри, мм:

- Висота - 1290;

- Ширина - 567;

- Довжина - 730.

Маса котла, кг, не більше 70.

На котел КГК-25 подається природний газ складу, (% об.): Метан 97,46, етан 1,11, пропан 0,37, дізобутан 0,06, бутан 0,06, пентан 0,02. Номінальна витрата, (нм ³ / год): газу 2,46; повітря 27,06, газоповітряної суміші 29,52; опалювальної води 0,48, Тиск: газоповітряної суміші на вході в котел 1000-2000 Па; води в опалювальній системі 1,8 кг / см ^2. Обсяг води в опалювальній системі 130 ± 10 л.

В результаті роботи котла отримано:

- Час виходу на номінальний режим, сек - 290;

- Номінальна теплова потужність, кВт - 25 ± 2,5;

- Температура нагріву поверхні КНЕ-25, ^o С - 750-830;

- Температура опалювальної води, ^o С - 90-95;

- Продуктивність нагрівання технічної води, л / хв, не менше

- При нагріванні на 25, ^o С - 12;

- При нагріванні на 35, ^o С - 9;

- Вміст у відхідних газах, ррm

- Монооксиду вуглецю - 2,51;

- Метану - 11,12;

- Оксидів азоту - немає.

Пропонований винахід дозволяє створити водогрійний котел потужністю 10-100 кВт, який використовує для отримання тепла принцип каталітичного окислення природного газу, а й інших вуглеводневих газів. Водогрійний котел забезпечує екологічно чисте окислення вуглеводневих газів так, що вміст СО у відхідних газах відповідає концентрації не більше 10 ppm, метану - не більше 30 ppm при відсутності оксидів азоту.

Винахід може бути використано для автономного водяного опалення і цілорічного гарячого водопостачання побутових і виробничих приміщень.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Водогрійний котел, що містить каркас, в якому розміщені топковий блок, що складається з каталітичної пальника, теплообмінника, вузла запалювання, блок управління і система контролю режимів роботи котла, що відрізняється тим, що в якості пальника він містить каталітичний нагрівальний елемент, що містить трубчасту конструкцію циліндричної або овальної форми і дві склянки, службовців продовженням трубчастої конструкції, з шаром каталізатора, розташованим на поверхні трубчастої конструкції і склянок, газорозподільне пристрій з вузлом подачі газоповітряної суміші, місця введення і виведення води, що охолоджує.

2. Водогрійний котел по п. 1, який відрізняється тим, що каталізатор в каталітичному нагрівальному елементі виконаний у вигляді газопроникних плоских і гофрованих армованих стрічок, навитих і спечених з трубчастої конструкцією і склянками, з зазорами між витками з утворенням газоповітряних каналів між стрічками.

3. Водогрійний котел по пп. 1 і 2, що відрізняється тим, що зовнішній шар каталізатора має розмір гофр більше критичного розміру каналів для проникнення полум'я всередину шару каталізатора.

4. Водогрійний котел по п. 1, який відрізняється тим, що ширина шару каталізатора в каталітичному нагрівальному елементі перевершує ширину трубчастої конструкції на ширину склянок, розв'язаних по тепловому контакту з шаром каталізатора.

5. Водогрійний котел по п. 1, який відрізняється тим, що газорозподільне пристрій в каталітичному нагрівальному елементі містить одну або кілька перфорованих газорозподільних трубок з діаметром отворів перфорації, меншим критичного діаметра для проникнення полум'я всередину газорозподільної трубки і розсікача струменів, що випливають з отворів перфорації.

6. Водогрійний котел по п. 1, який відрізняється тим, що трубчаста конструкція в каталітичному нагрівальному елементі виконана у вигляді водоохолоджуваного трубчастого теплообмінника.

7. Водогрійний котел по п. 1, який відрізняється тим, що в якості каталізатора в каталітичному нагрівальному елементі використовують армований пористий матеріал, що містить в якості активних компонентів З ₃ О _4, CuO, Cr ₂ O _3, Fe ₂ O _3, Al ₂ O _3, метали VIII групи, закріплені на металевих носіях за допомогою сплавів Ti-Al, Ni-Al, Ni-Cr, Ti-Si.

8. Водогрійний котел по п. 1, який відрізняється тим, що в якості палива використовують природний газ, пропан-бутановую суміш, гази нафтопереробки, факельні гази і ін.

Версія для друку
Дата публікації 25.03.2007гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів