В целом, проанализировав политику Европейского союза и США в отношении к вторичным энергетическим ресурсам, можно выделить некоторые базисные принципы:

Замена основного топлива на альтернативные ВЭР позволит реализовать государственные программы по нескольким направлениям: увеличить спрос на остаточные энергоресурсы, что служит для предприятий дополнительной материальной выгодой, так и сократить экологическое загрязнение биосферы неутилизированными отходами. Для получения тепловой энергии необходимы устройства и установки с соответствующими параметрами и характеристиками.

В соответствии с Федеральным законом от 24 июня 1998 г. № 89-ФЗ (ред. от 28.12.2016) "Об отходах производства и потребления" производители обязаны внедрять в производство наилучшие доступные малоотходные технологии. Принцип данной программы включает в себя также использование вторичных энергоресурсов с перерасчетом понижающего коэффициента по отношению к нормативу утилизации [3].

Для генерирования твердых видов топлива в тепловую энергию разработаны специализированные устройства. Твердотопливные котлы непосредственно относятся к категории теплогенераторов. Такие котлы имеют относительно упрощенную конструкцию и хорошую ремонтопригодность. Универсальные твердотопливные котлы характеризуются способностью сжигания нескольких видов твердого топлива, включая вторичные энергоресурсы. Такие установки можно использовать основным или резервным источником тепловой энергии, например, в районах с предприятиями по переработке древесины, в соответствии с требованием №261 ФЗ «Об энергосбережении» [1, ст. 14].

1.2 Проблемы реализации с точки зрения истории

Попытки создания устройств сжигания топлива для выработки тепловой энергии присутствовали уже у древних римлян. На протяжении всего развития человеческой расы использование теплогенерирующих устройств было необходимо для создания комфорта.

В период информационного прорыва конца двадцатого столетия, когда научные разработки и технологии, а также наработки самостоятельных мастеров стали общедоступными, люди стали задумываться о модификации стандартных печей. Такой интерес возрос и с осознанием о сокращении запасов основного исчерпаемого топлива. В период энергетического кризиса с 1973 года велись поиски альтернативного возобновляемого топлива. Инженеры различных стран разрабатывали устройства с максимальным коэффициентом полезного действия. Главные задачи - это уменьшение затрат расхода топлива, снижение загрязнений атмосферы, относительная автономность работы котлоагрегатов, возможность перехода устройства на другой вид топлива. В послевоенное время, в связи с дефицитом ресурсов в целом, проводились испытания по переводу печей на сжигание отходов и бросового материала.

Правовые основы, созданные в Дании в 1984 году «О вторичном использовании и сокращении отходов», устанавливающие регламент органов местного порядка по организации оборота ВЭР, позволяет стимулировать товаропроизводителей путем выделения дополнительных инвестиций и субсидий на производство, при условии эффективного использования вторичных ресурсов. При этом установлены жесткие штрафные санкции в отношении лиц, нарушивших законные порядки в отношении производства, утилизации, захоронения и других неправомерных действий с остаточными отходами от производства. Итогом данных мероприятий стал массовый переход населения на твердотопливные котлы. В 2006 году пеллетный котел был признан изделием года, пользующийся наибольшим потребительским спросом [4].

В 1976 году Рудольф Гуннерман изобрел новый тогда вид топлива - пеллеты из опилок, щепы, стружки, торфа и других вторичных ресурсов [6]. Такое изобретение существенно могло сказаться на модернизации и развитии твердотопливных котлов. Однако падение цен в нефтегазовой отрасли отбросили интерес к пеллетам до 90-х годов XX столетия. В это время в Швеции начали производить топливные гранулы и соответствующие котлоагрегаты для продуктивного сжигания пеллет.

В 2005 году Эдмундас Штрупайтис в Литве официально представил схему верхнего горения топлива и зарегистрировал патент на котел STROPUVA. Такое открытие позволило заново взглянуть на эффективность сжигания твердого топлива, включая отходы от переработки древесины [6].

Наряду с появлением новых видов топлива (пеллеты, брикеты, использование ВЭР) в России с 2000-х местные производители занимались разработкой новых котлоагрегатов для эффективного сжигания. Первые линейки котлов имели достаточное количество недостатков, таким образом, приходилось дорабатывать, а зачастую полностью изменять конструкцию установок. Такому значительному интересу населения и предприятий к данным видам котлов способствовали законодательные акты.

Законы, регламентирующие эффективное использование энергоресурсов, обязывали рационально расходовать, утилизировать и хранить ВЭР. Так, например, закон Алтайского края №1-3С от 4 января 2001 года (редакция от 10 ноября 2010 года) «Об энергосбережении, повышении эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в Алтайском крае» обязывает предприятия вести учет потребления энергоресурсов, стимулируя использование ВЭР путем тарифного регулирования [7]. В период с 2010 по 2015 гг в Сибирском Федеральном округе использование вторичных энергетических ресурсов выросло на 15,4 процентов [8]. Подобные законы вводятся повсеместно в регионах России, как на уровнях округов, так и на региональных уровнях.

Закон Красноярского края №4-1329 от 23 ноября 2009 «Об энергосбережении» гласит о содействии инвестиционной деятельности в области энергосбережения [9]. Результатами государственных нововведений на уровне региональной власти и различных наработок твердотопливных агрегатов стало основание крупнейшей в стране компании «Красноярскэнергокомплект», на базе которой производится разработка и промышленный выпуск котлов торговой марки «Zota» различных модификаций [10].

Согласно государственному докладу Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации» вторичное использование отходов производства сельского и лесного хозяйства с 2010 года увеличилось не менее чем в 2 раза. Как отмечено в докладе [8], увеличение уровня переработки возрастает с развитием энергоустановок.

В Вологодской области действует закон №1912-ОЗ от 2 декабря 2008 года «Об обращении с отходами производства и потребления на территории Вологодской области», основным принципом которого является приоритет утилизации отходов перед их захоронением. Результатом действия данного закона стало увеличение процента вторичного использования отходов производства на 27,5 с 2008 по 2016 годы согласно «Доклад о состоянии и охране окружающей среды в Вологодской области в 2016году» [11].

1.3 Описание физического процесса, на основе которого осуществляется разработка технического устройства

Древесное топливо в процессе переработки можно классифицировать по габаритным размерам: измельченное до пыли, опилок, щепы, прессованное в пеллеты или брикеты. При этом древесина может быть как сухой, так и с высокой степенью влажности. Процесс горения топлива при различных условиях будет разным. Но в общем случае горение подразделяется на сгорание крупнокускового, среднекускового (брикетов, щепы) и мелкодисперсного топлива.

В процессе сгорания крупнокускового топлива в котлах выделяют несколько этапов. Первым является этап разогревания единицы топлива. В процессе происходит разогрев наружного участка от внешнего источника тепла до температуры воспламенения. При достижении местного прогрева участка поверхности до температуры 130 - 150° С начинается процесс обугливания древесины с возникновением самовоспламеняющегося угля. Верхний слой начинает гореть без пламени (тлеть) с возникновением белого, либо бурого дыма на поверхности обугливания.

При последующем повышении температуры пиролиз пойдет вглубь древесины. В зоне нагревания пиролизные газы достигают такой концентрации, что возникает их вспышка (возгорание). Температура такого процесса составляет примерно 250-300° С.

Если продолжить разогрев древесины, то возникнет ее возгорание. Время необходимое для разогрева зависит от плотности, структуры, влажности, тяги и других факторов, влияющих на процесс горения. В дальнейшем единица топлива уже самостоятельно продолжит горение, даже при условии изъятия его из очага. Важным является наличие достаточного количества кислорода для поддержания процесса сгорания. Горение дров делится на две фазы - пламенная фаза и фаза тления. Фазы взаимосвязаны друг с другом и будут продолжаться, при условии наличия кислорода, топлива и достаточной концентрации температуры. Если эти условия не соблюдаются, то происходит затухание, либо процесс повторяется заново с первоначального этапа.

Процесс сжигания мелкодисперсного топлива (опилки, пеллеты, щепа) отличается от горения крупнокускового температурными параметрами, способами подачи и регулирования слоя в топке.

При сжигании опилок выделяются различные стадии процесса. Первым происходит процесс нагревания и влаговыделения. Эта стадия длится до начала выхода летучих веществ. Следующий этап - воспламенение летучей горючей массы. Выход газов начинается при температуре от 105° С, а их воспламенение от 200° С. При температуре от 300° С прекращается испарение влаги и начинается процесс образования кокса, его дальнейшее сгорание. На рисунке 1.1 показано, какие условия необходимы для горения частицы твердого топлива, и выделением каких веществ сопровождается данный процесс.

Рисунок 1.1 - Сгорание частицы твердого топлива

Состав летучих горючих веществ меняется в зависимости от температуры и начальной влажности единицы топлива и содержит кислоты, смолы, фенолы, водород, угарный газ и другие. Сложные по строению высокомолекулярные соединения (кислоты, смолы) с ростом температуры (800 °С и выше) разлагаются на более простые соединения.

Быстрота выгорания кокса зависит от правильности подвода кислорода к топливу, при сжигании опилок - частичное перемешивание топлива. При использовании мелкодисперсного топлива процесс сгорания протекает быстрее и площадь горения увеличивается. Важно правильно регулировать подвод кислорода и скорость подаваемого потока, для получения максимального выгорания, как твердого топлива, так и летучих веществ. Высокий коэффициент зольности топлива увеличит время сгорания, при этом возможен физический недожог мелкодисперсного вещества [11].

Виды топочных пространств для сжигания мелкодисперсного топлива подразделяются на слоевые, вихревые, циклонные и факельные. Наиболее распространенными являются слоевые топочные устройства [12].

Слоевое сжигание топлива возможно при следующей организации работы слоя:

1) сжигание в горизонтальном слое;

2) сжигание в наклонном слое;

3) сжигание в зажатом слое;

4) сжигание в вертикальном слое;

5) кучевое сжигание.

Конструктивные особенности сжигания в наклонном слое позволяют использовать топливо различного фракционного состава. Горение мелкодисперсного топлива при таком способе позволяет обеспечить равномерное распределение температуры горения по слою, испарение влаги и выход летучих веществ.

1.4 Классификация характеристик твердотопливных котлов

Котлы различных модификаций и производителей можно структурировано классифицировать. По видам топочных процессов котлоагрегаты подразделяются на слоевые, вихревые, циклонные и факельные. Топки, основанные на слоевом сжигании, могут быть организованны по месторасположению топлива в горизонтальном, наклонном, зажатом и вертикальном слое. Котельные установки классифицируются по способу подачи топлива в топочное пространство. На рисунке 1.2 представлены устройства для подачи мелкодисперсного топлива в топочное пространство котла.

Рисунок 1.2 - Устройства для регулируемой подачи мелкодисперсного топлива в топочное пространство

Устройство котла подразделяется по принципу перемешивания и регулирования процесса горения слоя топлива. На рисунке 1.3 представлены различные устройства котла топок для перемешивания и регулирования процесса горения слоя топлива.

Рисунок 1.3 - Устройства котла топки для перемешивания и регулирования процесса горения слоя топлива

Топочные пространства с механической регулировкой подачи топлива отличаются сложностью конструкций, позволяющие эффективно повысить общий КПД котла. В камерах с шурующими планками и переталкивающими решетками слои топлива перемешиваются. Работа реторта заключает в регулируемой подаче топлива в нижнюю часть топки на колосниковые решетки для его сгорания [13]. Сложность механической регулировки также заключается в необходимости расширения топочного пространства для размещения вспомогательных устройств.

Немеханический способ регулирования позволяет спроектировать топочное пространство таким образом, что при последующей эксплуатации котла отсутствует необходимость использования дополнительного оборудования. Установка комбинированно наклонных планок с шахтным типом топки позволяет постепенно подавать топливо в топочное пространство. Данные комбинированные установки являются достаточно простыми в соотношении с механическими способами регулирования.

Классифицировать котельные установки можно по системам удаления золы и шлака. По правилам безопасной эксплуатации и устройства котлоагрегатов золоудаление может осуществляться различными способами: гидравлически, пневматически и механически. Гидрозолоудаление и пневмозолоудаление являются достаточно эффективными, но зачастую необоснованными в использовании. Так в котлах небольших габаритов и малой мощности установка дополнительного габаритного оборудования не несет собой резонного обоснования эксплуатации. Золоудаление в котлах с образованием шлака и золы до 0,06 кг/с допускается выполнять через имеющиеся колосниковые решетки в отдельно отведенный отсек [14].

Таким образом, при выборе оптимальной топки со слоевым сжиганием необходимо предусмотреть конструкцию, в которой осуществляется эффективное движение (перемешивание) слоев топлива, равномерное поступление мелкого топлива и удаление шлака и золы.

Следующей задачей является повышение эффективности теплопередачи в котле. Для увеличения коэффициента теплопередачи от дымовых газов теплоносителю в водяной «рубашке» применяются: увеличение хода газа в пространстве котла, в том числе лопаток - завихрителей; установка регулирующего клапана и другого дополнительного оборудования. По отношению к теплоносителю применяют способы увеличения площади рекуперации, повышение температурного графика и использование высокоэффективного теплоносителя. На коэффициент теплопередачи влияет гофрирование внутренней поверхности стенок котла, толщина стенки металла и параметры используемых легированных металлов. На рисунке 1.4 представлены способы увеличения коэффициента теплопередачи.

Рисунок 1.4 - Классификация способов увеличения теплопередачи котла

Повысить коэффициент теплопередачи возможно путем изменения характеристик газа, металла или теплоносителя. При внесении в конструкцию котла дополнительных ходов сопротивления произойдет увеличение внутренней площади поверхности металла и проходимого пути дымовыми газами. Установка регулирующего клапана на дымовую трубу позволит сокращать расход топлива и оптимизировать давление газа в котле.

Для эффективного сгорания топлива в котле совместно с основной системы подвода воздуха для горения, уместно использовать дополнительную систему для дожигания горючей массы летучих продуктов топлива в верхней части топочного пространства.

1.5 Перечень основных российских и зарубежных лидеров - производителей

На рынке присутствует большой ассортимент различных твердотопливных котлов. Одним из лидеров российских производителей является компания «Прометей». Основное топливо для сжигания - это уголь различных марок, кроме антрацитов. В устройстве топочного пространства предусмотрена загрузка и использование других видов топлива, таких как древесина и электроэнергия. В каталоге сайта производителя представлены типичные котлы с различными мощностями, позволяющие отапливать помещение площадью до 450 м2 [15].

В Красноярске на заводе «Красноярскэнергокомплект» собираются котлы марок «Zota» и «Дымок». Данные виды котлоагрегатов имеют сравнительно небольшие габариты, при этом присутствует достаточное топочное пространство, позволяющее сжигать различные фракции угля с подключенной электрической регулировкой температуры. Конструкция камеры сгорания обеспечивает длительное время горения топлива до 10 - 12 часов. Котлы марки «Дымок» также позволяют использовать нетипично длинные дрова длиной до 50 сантиметров. Все котлы завода - изготовителя различаются по мощности и конструкции, что позволяет покупателю подобрать оптимальный для него вариант [10].

Помимо представленного выше в России представлена продукция следующих городов - производителей твердотопливных котлов: Траян (Кострома), Зенит (Пермь), Бастион (Санкт-Петербург), Вектор (Бугры), Теплодар (Новосибирск).

Продукция изготовителя твердотопливных котлов из Чехии «Viadrus» представлена на рынке широким ассортиментом. Котлы данной марки представлены двумя модификациями - стандартной и с увеличенной топкой. При этом возможно сжигание таких видов топлива, как дрова, пеллеты, уголь, кокс. Габариты котла требуют выделения отдельного помещения - топочной, что зачастую влияет на мнение покупателя о приобретении. В каталоге на сайте производителя представлена максимальная мощность 58,1 кВт. В Чехии популярны котлы марок Dakon, WATTEK, PROTHERM.

Рынок также представлен марками зарубежных производителей: Hitze (Польша), Baderus (Германия), Ferolli (Италия), Brenner (Турция), BURNIT (Болгания). У модификаций представленных выше котлов имеются свои преимущества и недостатки. На рисунке 1.5 представлена карта производства твердотопливных котлов в Евразии.

Рисунок 1.5 - Карта производства твердотопливных котлов: 1 - Германия; 2 - Чехия; 3 - Италия; 4 - Украина; 5 - Литва; 6 - Польша; 7 - Словакия; 8 - Бельгия; 9 - Болгария; 10 - Турция; 11 - Швеция; 12 - Южная Корея; 13 - Япония

Представленная выше карта показывает степень развития стран в производстве котловых твердотопливных агрегатов. Безусловными лидерами в мире по производству являются Германия (1 - Buderus, Bosch, RoDA, Viessmann), Чехия (2 - DAKON, VIADRUS, Rojek, WATTEK) и Италия (3 - Ariston, BAXI, Electrolux, Ferroli, Fonderie, SIME). Производство в данных странах отлажено для поставки по всему земному шару для разных критериев потребителей.

К следующей категории можно отнести производителей из России (Zola, Прометей, Очаг, Сибирь, Дымок, ЭВАН) и Украины (4 - ATON, Тепло, Огонек), производство налажено для сбыта в странах Российской Федерации и бывшего СНГ.

Производители наибольшей по численности категории более популярны в собственных государствах, однако имеют распространение и за рубежом: Литва (5 - Stropuva, Kalvis, Liepsnele), Польша (6 - Wichlacz, Heiztechnik), Словакия (7 - Protherm), Австрия (8 -WIRBEL), Бельгия (8 - ACV), Болгария (9 - Ecosystem, Sunsystem), Турция (10 - DEMRAD, RIMA), Швеция (11 - PELLUX, Nibe), Корея (12 - Kiturami), Япония (13 - KENTATSU, Furst).

В Норвегии (15 - Jotul) и Финляндии (16 - JASPI) производство твердотопливных котлов не распространено в силу правовых мер принятых в данных странах.

Проведенный анализ моделей твердотопливных котлов позволяет сказать о достаточно широком выборе, но при этом имеются недостатки в каждом котлоагрегате. Недостаточная автономность, быстрое прогорание топлива, невозможность замены вышедших из строя комплектующих и использования определенных видов топлива - все это влияет на потребительский спрос при выборе котла.

1.6 Перечень устройств и способов по теме исследования, защищенных охранными документами

Официальная защита изобретения - важная составляющая в процессе работы исследователя. В России зарегистрировано достаточное количество патентов на изобретения в теплоэнергетике по производству устройств, работающих на различных видах твердого топлива.

Котел водогрейный твердотопливный. Патент №138540 [16].

Полезная модель относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для нагрева воды на отопление с использованием твердого топлива, преимущественно антрацита или каменного угля представлена на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 - Котел водогрейный твердотопливный: 1 - стальная рама; 2 - топочная камера; 3 - зольная дверка; 4 - заслонка подачи первичного воздуха; 4' - наклонный канал подачи топлива; 5 - шибер перекрытия подачи топлива; 6 - топливный бункер; 7 - зольный ящик; 8 - дымогарные трубы; 9 - патрубки для подачи вторичного воздуха; 10 - трубопровод теплоносителя; 11 - планка толкателя золы; 12 - привод толкателя золы

Представленная модель работает по следующему принципу: перед розжигом котла включают водяной циркуляционный насос, входящий в систему отопления, включают дымосос. В топливном бункере закрывается шибер, открывается откидная крышка, производится засыпание мелкодисперсного топлива. Через зольную, она же растопочная, дверку на дно топки закладываются дрова, производится их розжиг, зольная дверка закрывается, открывается на 1/3 хода шибер и растопочный каменный уголь самотеком ссыпается на горящие дрова в топку. После загорания растопочного топлива, шибер открывается полностью и в топку поступает антрацит (или каменный уголь), где он загорается от горящего каменного угля. Топливо (антрацит и/или каменный уголь) поступает по наклонному каналу самотеком в топку, в которой из него формируется горка топлива в форме призмы по ширине топки, и которая после заполнения топливом наклонного канала запирает его дальнейшее поступление из топливного бункера. Для горения топлива в топочную камеру дымососом поступает первичный и вторичный воздух. Шибер закрывается при необходимости прекращения подачи угля в топочную камеру.

Преимуществами данной модели являются:

- возможность комбинированного использования топлива (в том числе мелкодисперсного);

- автоматический механизм удаления шлака из под колосниковой решетки;

- подача вторичного воздуха в зону горения летучих составляющих топлива;

- автоматическое регулирование подачи первичного воздуха для горения основной массы топлива за счет тяги дымососа;

- наличие бункера для мелкодисперсного топлива;

- наличие шибера подачи топлива.

К недостаткам разработки относится:

- необходимость в ручном режиме регулировать шибер подачи топлива;

- неконтролируемое самонасыпание мелкодисперсного топлива в топочное пространство;

- наличие зольного ящика в топочном пространстве котла;

- пожароопасное расположение подводов первичного и вторичного воздуха для горения;

- режим работы возможен только при наличии электрической энергии (либо аккумуляторов энергии).

Топочное устройство для сжигания отходов деревообработки. Патент № 2342600 [17].

Изобретение, представленное на рисунке 1.7, относится к теплоэнергетике и может быть использовано в качестве топочного устройства для водогрейных и паровых котлов, в которых топливом являются отходы деревообработки.

Рисунок 1.7 - Топочное устройство для сжигания отходов деревообработки: 1 - камера сгорания; 2 - шахта с наклонным дном; 3 - дно шахты; 4 - фронтальная стена шахты; 5 - наклонная колосниковая решетка; 6 - горизонтальная колосниковая решетка; 7, 8 - регулируемые воздуховоды

Устройство работает следующим образом. Топливо поступает в верхнюю часть шахты и под действием собственного веса перемещается вниз. При этом размер крупных включений в топливе ограничен только горизонтальным сечением шахты. Благодаря теплопроводности общей фронтальной стенки шахты и камеры сгорания происходит плавление снега и льда, попадающего в шахту вместе с топливом, прогрев топлива. При этом часть топлива, контактирующая со стенкой, прогревается в наибольшей степени. Из прогретого топлива, поступающего на наклонное дно шахты и на наклонную колосниковую решетку, расположенную в камере сгорания, начинает интенсивно испаряться вода под действием излучения горящего топлива. Топливо просыхает и частично воспламеняется. Часть водяных паров поднимается вверх шахты через поры в массе топлива, способствуя дополнительному его прогреву. На горизонтальной колосниковой решетке происходит полное сгорание топлива.

К преимуществам данного изобретения можно отнести:

- прогрев мелкодисперсного топлива по мере поступления в топочное пространство;

- высвобождение водяных паров из топлива до момента возгорания;

- возможность золоудаления во время эксплуатации и работы котлоагрегата;

- наличие наклонной стороны шахты, по которой происходит поступление топлива.

К недостаткам данной модели можно отнести:

- необходимость в ручном режиме производить регулировку подвода воздуха для горения;

- присутствует вероятность полного провала топлива из бункера в камеру сгорания;

- необходимость в ручном режиме регулировать выход дымовых газов на дымовой трубе;

- недоступность топливного пространства при необходимости (при вероятности прожога стенок котла, закупоривание шахты топливом);

- невозможность использования крупного топлива;

- отсутствие подвода вторичного воздуха для горения летучих компонентов топлива.

Топка для котла. Патент №2202068 [18].

Изобретение, представленное на рисунке 1.8, относится к топочным устройствам, а именно к топкам для котлов со слоевым сжиганием твердого топлива на колосниковых решетках, в том числе кускового, гранулированного и пылевидного.

Рисунок 1.8 - Топка для котла: 1 - топочное пространство котла; 2 - устройство подачи топлива; 3 - неподвижная колосниковая решетка; 4 - лобовая стенка котла; 5 - задняя стенка котла; 6 - нижние сопла дутья; 7 - верхние сопла дутья; 8 - вихревая зона

Устройство работает следующим образом. Топливо подается в топку через устройство подачи топлива, где сгорает на неподвижной колосниковой решетке в потоке первичного воздуха, поступающего снизу. Твердые горючие частицы с дымовыми газами выносятся из слоя топлива и под действием струи вторичного воздуха из нижнего сопла образуют вихревую зону горения, которая перемещается вверх и попадает под действие струи вторичного воздуха из верхнего сопла, направление которой совпадает с траекторией вращения горящих частиц топлива и дымовых газов в вихревой зоне.

Преимуществами данной модели можно выделить:

- автоматическое создание вихря над горящим слоем топлива;

- подача первичного воздуха равномерна по периметру горящего слоя;

- регулируемая подача мелкодисперсного топлива;

- вариации установки сопла дутья;

- многоуровневый вихрь;

К недостаткам данного изобретения можно отнести:

- использование только мелкодисперсного топлива;

- отсутствие подачи воздуха для горения летучей массы топлива;

- унос горючей летучей массы топлива через дымовую трубу (физический недожог);

- проваливание мелких частиц топлива через колосниковую решетку (физический недожог);

- возможность эксплуатации котла только при наличии электрической энергии;

- отсутствие перемешивания горящего слоя;

- регулировка подачи первичного воздуха в ручном режиме;

- недоступность топочного пространства в случае необходимости;

- сложность золоудаления из топочного пространства.

1.7 Перечень устройств и способов по теме исследования, отраженных в открытых источниках СМИ

Котел твердотопливный «ZOTA Carbon» (Россия) [10].

Котлы стальные отопительные твердотопливные ZOTA «Carbon», конструкция которых представлена в таблице 1.1, предназначены для теплоснабжения жилых домов и зданий коммунально- бытового назначения, оборудованных индивидуальными системами водяного отопления с естественной или принудительной циркуляцией, в открытых и закрытых системах отопления.

Таблица 1.1 - Твердотопливный котел «ZOTA Carbon»

Устройство работает по данному принципу. Заполняется топка котла растопочным материалом (бумагой, лучиной, сухими дровами), производится розжиг растопочного материала через загрузочную дверцу, закрывается и фиксируется дверца. Дается время на розжиг дровам в топке. Открывается загрузочная дверца, производится загрузка необходимого количества угля фракции 10-50 мм в загрузочную камеру и закрывается дверца. Дается время на розжиг угля в котле.

К преимуществам данной модели можно отнести:

- многоканальность хода дымовых газов;

- режим работы без дозагрузки топлива;

- возможность удаления шлака с наклонного слоя горения.

К недостаткам относится:

- многоэтапность розжига котла;

- ручной режим регулировки подачи воздуха для горения;

- невозможность производить дозагрузку топлива (явление обратной тяги).

Полуавтоматический пеллетный котел «PELLETRON COMPACT 40» (Россия) [19].

Котел из семейства пеллетных полуавтоматов, представлен в таблице 1.2. Процесс горения в котле поддерживается автоматически, а мощность задается вручную поворотом регулятора в диапазоне мощностей. Котлоагрегат имеет в составе горелку, основанную на технологии "Пеллетрон" и кожухотрубчатый трехходовой турбулизованный теплообменник.

Таблица 1.2 - Полуавтоматический пеллетный котел «PELLETRON COMPACT 40»

Принцип работы котла. Пеллеты загружаются в бункер котла, заканчивающийся питателем, под которым установлена горелка "Пеллетрон". Подача пеллета в горелку происходит под действием силы тяжести. Воздух подается за счет тяги дымососа. Сгорающее топливо образует горизонтальный факел, инфракрасное излучение которого воспринимается водоохлаждаемыми стенками топочной камеры. Образующиеся дымовые газы уходят в вертикальный кожухотрубчатый трехходовой теплообменник, где отдают оставшееся тепло теплоносителю и далее в дымоход.

К преимуществам такого котла можно отнести:

- защита от самовозгорания пеллета в бункера (установка противопожарного клапана);

- защита от отключения электроэнергии и перегрева теплоносителя;

- установка горелки для повышения эффективности сгорания топлива;

- верхнее поступление топлива в топочное пространство;

- возможность установки дымососа.

К недостаткам можно отнести:

- расход электрической энергии при эксплуатации котла;

- высокие требования, предъявляемые к топливу;

- невозможность золоудаления в процессе работы котлоагрегата;

- загрузочная высота 1,4 метра.

Котел пеллетный «Теплодар КУППЕР 15 ОК» (Россия) [20].

Котёл ОК-15 производства ООО «ПКФ Теплодар», представленный в таблице 1.3 - это отопительная установка, предназначенная для обеспечения теплом помещения от 150 м2. Котёл ОК-15 с выпускается с универсальным размещением штуцеров для подвода теплонесущей жидкости.

Таблица 1.3 - Котел пеллетный «Теплодар КУППЕР 15 ОК»

Принцип действия котла основан на передаче тепловой энергии, высвобождаемой при сжигании топлива, теплоносителю - воде. В результате горения поверхности труб, стенки, крышка и, частично, дно топки и нагреваются и передают тепло воде, циркулирующей в водяной рубашке и внутри труб. Обратная вода попадает в котёл через штуцер заглушки-переходника в нижней части боковой стенки, омывает поверхности ТЭНа, противоположной стенки, трубной решётки и выходит через штуцер подачи в верхней части котла.

К преимуществам такого котла можно отнести:

- возможность использования ТЭНов;

- верхнее поступление топлива в топочное пространство;

- шахматное расположение труб теплообменника в устройстве котла.

К недостаткам можно отнести:

- вероятность прогорания труб теплообменника;

- невозможность замены комплектующих;

- нет камеры догорания остаточных летучих веществ.

1.8 Анализ результатов теоретических исследований

В ходе поиска было найдено пять устройств, предназначенных для сжигания твердых видов топлива. Все представленные устройства имеют разную конструкцию, но схожий принцип действия.

Далее был проведен детальный анализ патентов и устройств, имеющихся в продаже, по критериям, представленным в таблице 1.1, а также общий анализ результатов поиска, по итогам которого были сделаны следующие выводы: 1) в России имеются предприятия, специализирующиеся на производстве данных видов котлов, однако все они имеют малый круг распространения своей продукции; 2) все устройства можно подразделить на принципы подачи и регулирования топлива в топке котла: немеханизированный (гравитационный), механический и электроприводной.

Сравнительный анализ, достоинства и недостатки патентных устройств представлены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Достоинства и недостатки патентных устройств

В таблице 1.5 представлены сравнительные характеристики действующих устройств - аналогов.

Таблица 1.5 - Сравнительные параметры устройств - аналогов

По итогам обзора и анализа доступных патентов и устройств, предназначенных для сжигания различных видов топлива, можно сделать вывод о том, что все представленные устройства наряду с достоинствами имеют различные существенные недостатки.

1.9 Выводы

Изучив современное состояние исследуемой проблемы, можно сделать следующие выводы:

1. В настоящее время в нашей стране принята и действует нормативно - правовая база, регламентирующая энергоэффективное использование топлива. Существуют меры государственных поощрений и льгот при использовании вторичных энергетических ресурсов.

Но предписываемые нормативно - правовыми документами требования удается соблюдать не всегда ввиду различных причин, в том числе обусловленных технологией производственного процесса, либо экономической нецелесообразностью. В связи с этим, актуальными являются исследования, направленные на реализацию вторичных энергетических ресурсов.

2. Анализ научных исследований, патентный поиск и обзор реализуемых устройств свидетельствуют о развитии в стране данной отрасли. Однако в каждом устройстве присутствуют существенные недостатки, которые снижают потребительский спрос на продукцию.

Таким образом, для нашей страны данное направление исследований не является новыми, но в силу отсутствия единоличного лидера, представленного на рынке, результаты работы могут быть востребованы при промышленном производстве.

2 Физическая модель универсального твердотопливного котла

2.1 Постановка задачи

Одним из путей решения проблемы основного или резервного источника тепловой энергии, как в отдаленных населенных пунктах, так и в условиях отсутствия дефицита топлива, может стать универсальный твердотопливный котел, работающий на различных видах топлива.

Второй раздел диссертации посвящен определению основных параметров конструкции котла, его оптимального устройства топочного пространства и определению предельных нагрузок.

2.2 Определение основных видов твердого топлива

В общей среде пребывания человека, как в городских, так и в сельских населенных пунктах, основными видами твердого топлива для сжигания используются: крупнокусковое (уголь, дрова, щепа, брикеты) и мелкодисперсное (пеллеты, торф, опилко - стружечные древесные материалы).

При проектировании конструкции котла было принято решение руководствоваться основными критериями:

1) принцип загрузки топлива, основанный на максимальной независимости от человеческого воздействия;

2) компенсация выявленных недостатков в конструкции устройств - аналогов, рассмотренных в предыдущей главе;

3) принцип универсальности сжигаемого топлива;

4) принцип саморегулирования процесса горения в этапе эксплуатации;

5) принцип независимости от сторонних энергоносителей.

Таким образом, ставится задача по разработке устройства, применяемого для получения тепловой энергии, с параметрами независимости в процессе работы, имеющего относительно небольшие габариты, простым в эксплуатации и реализации, и в тоже время недорогим. Соответствие выбранным критериям описано в таблице 2.1

Таблица 2.1 - Соответствие решения выбранным критериям

2.3 Описание физической модели котла

При проектировании конструкции топочного пространства котлоагрегата крупнокусковое топливо рассматривалось как первичный тепловой источник.

Торф, как горючий вид топлива распространен и применяется в районах, где является общедоступным. Главным минусом использования торфа как топлива является его высокое содержание влаги и длительный период высушивания. Температура горения каменного угля составляет более 1500°С, при этом температура сгорания продуктов древесного происхождения в центре факела горения в большей мере не превышает 820°С. При проектировании учитывалось использование жаропрочной стали марки 08Х13 с параметрами плавления 1200°С. Применение данного вида также обосновывалось условиями эксплуатации котла - длительное горение топлива с камерой вторичного дожигания летучих веществ.

Основной вид древесного топлива, используемый при сжигании, является крупнокусковой остаточный материал, получаемый в процессе лесопереработки. При термической обработке древесины выделяется определенное количество зольных отложений, однако при правильном проектировании зоны золоудаления данная проблема не беспокоит потребителя. С учетом вышеперечисленных параметров обуславливался выбор древесины в качестве топлива при проектировании котлоагрегата.

На рисунке 2.1 изображена схематичная конструкция твердотопливного котла.

Рисунок 2.1 - Схематичная конструкция твердотопливного котла: 1 - циркулирующий теплоноситель; 2 - планка - ограничитель; 3 - основной клапан подачи воздуха; 4 - камера золоудаления; 5 - регулирующий клапан удаления дымовых газов; 6 - патрубок удаления дымовых газов; 7 - система регулирования удаления дымовых газов; 8 - внешний каркас устройства; 9 - планка подачи воздуха для догорания; 10 -система регулирования загрузки топлива. I - камера сгорания; II - отсек загрузки мелкодисперсного топлива; III - конструкционные ходы удаления дымовых газов

Представленная выше схематичная конструкция является физической моделью твердотопливного котла.

Принцип работы устройства: в бункер II производится загрузка мелкодисперсного топлива. Через имеющееся открытое пространство происходит осыпание топлива в камеру сгорания. По мере увеличения воздействия топлива на систему регулирования подачи топлива 10, регулирующая планка 2 перекрывает доступ топлива в топку, открывается основной клапан подачи воздуха для сгорания 3, при этом планка 9 перекрывает доступ кислорода для догорания выделившихся летучих веществ. Система регулирования 7 под силой тяжести открывает клапан удаления дымовых газов 5 в патрубке дымовой трубы. При верхнем поджоге топлива увеличивается эффективность сгораемого вещества. По мере сгорания масса топлива в камере сгорания уменьшается до расчетной величины, при которой происходит открытие планки 2, что влечет за собой осыпание необходимого количества вещества и согласно принципам гравитации при пополнении планка вернется в вертикальное положение.

В конструкции котла была предусмотрена двойная система подачи воздуха для горения:

- система А - через клапан 3 поступает оптимальное количество воздуха для поддержания стабильного факела пламени;

- система Б - в боковой стенке котла имеются технологические отверстия для подачи воздуха для дожигания. В периоды интенсивного горения топлива данная система не функционирует в силу своей малой эффективности, однако в период остаточного догорания массы вещества под силой тяжести происходит открытие данного подвода воздуха, что способствует сгоранию летучих веществ выделившихся в процессе, таким образом, формируется искусственная камера дожигания.

Движение теплоносителя котлового агрегата устроена по принципу циркуляции по периметру котла по мере прогревания стенок устройства.

Для наглядной визуализации на рисунке 2.3 изображена пространственная конструкция котла при загрузке различного топлива.

Рисунок 2.2 - Внутренняя конструкция котлоагрегата при загрузке различного топлива

В основу принципа подачи крупнокускового топлива использовалась распространенная технология загрузки непосредственно в топочное пространство котла. Это обуславливалось необходимостью разработки компактной конструкции агрегата. В ином случае дополнительное увеличение объемов конструкции противоречило поставленным задачам о компактности котла. Данный способ загрузки топлива применяется довольно долгое время и является наиболее простым с точки зрения конструкции.

Для достижения максимально эффекта при сгорании топлива использовался способ верхнего поджога топлива. При таком сгорании увеличивается время сгорания топлива, летучие вещества, образовавшиеся в процессе горения, в камере догорания выделяют вторичную тепловую энергию.

2.4 Анализ предельных нагрузок, действующих на систему загрузки мелкодисперсного топлива

При правильном подходе к проектированию конструкции котла было необходимо произвести расчет нагрузок на систему регулирования подачи мелкодисперсного топлива, всех ее составляющих.

Нагрузки, которые действуют на конструкцию в течение всего периода ее эксплуатации, называют постоянными. Нагрузки, которые в процессе эксплуатации могут изменяться по величине и расположению, называют временными. Различают также длительно действующие и кратковременно действующие нагрузки. Конструкции должны быть рассчитаны на действие различных сочетаний нагрузок. Одновременное действие постоянной нагрузки, длительно действующих временных нагрузок и одной (наиболее существенной) кратковременно действующей нагрузки называют основным сочетанием нагрузок. Дополнительным сочетанием называют одновременное действие всех нагрузок основного сочетания с добавлением остальных кратковременно действующих временных нагрузок.

На рисунке 2.3 представлена конструкционная система загрузки мелкодисперсного топлива.

Рисунок 2.3 - Конструкционная система загрузки мелкодисперсного топлива

Для удобства расчета рекомендуется определять усилия в стержнях отдельно для каждого вида нагрузки. Так следует составлять расчетные схемы отдельно для следующих нагрузок:

- постоянной, в которую входит собственный вес фермы и вес всей поддерживаемой конструкции;

- временной;

- кратковременной.

Постоянная и временная нагрузки относятся к основному сочетанию нагрузок, и расчет на них ведется с учетом установленных значений коэффициентов перегрузки.

При расчете системы со стержнями из уголков или тавров предполагается, что в узлах системы - идеальные шарниры, оси всех стержней прямолинейны, расположены в одной плоскости и пересекаются в узле в одной точке (в центре узла). Стержни такой идеальной системы работают только на осевые усилия. Напряжения, найденные по этим усилиям, являются основными. В связи с фактической жесткостью узловых соединений в стержнях возникают дополнительные напряжения, которые при отношении высоты сечения стержня к его длине, равном 1/15, расчетом не учитываются, так как они не влияют на несущую способность конструкции. В системах со стержнями, имеющими повышенную жесткость и эксплуатирующимися при высокой температуре, влияние жесткости соединений в узлах более значительно. Поэтому для двутавровых, трубчатых и Н-образных сечений стержней расчет по шарнирной схеме допускается при отношении высоты сечения к длине не более 1/10 для конструкций. При превышении этого отношения надлежит учитывать дополнительные изгибающие моменты в стержнях от жесткости узлов. При этом осевые усилия можно определять по шарнирной схеме, а дополнительные моменты определять приближенно. Кроме того, в стержнях возникают напряжения от моментов в результате неполного центрирования стержней в узлах. Эти напряжения, не являющиеся основными, как правило, расчетом не учитываются, так как они лишь незначительно влияют на несущую способность ферм. Предельным считается состояние, при котором конструкция перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям.