Твердотопливный котел пиролизного горения

Актуальность работы обусловлена быстрым ростом цен на энергоносители (нефть, газ и электричество), а также стремительным ростом строительства домов и коттеджей, расположенных вдали от газовых магистралей.

Ключевые слова: пиролиз, пиролизный котёл, теплообменная система, оптимальное соотношение воздушных потоков, переходный процесс.

Пиролизный котёл — это одна из разновидностей твердотопливных котлов. В качестве топлива в котле используется недорогая древесина, а особая организация процесса горения позволяет получить несколько существенных преимуществ по сравнению с обычными твердотопливными котлами.

Пиролизный котёл, он же котёл длительного горения, был изобретен относительно недавно, и для того что бы предстать перед нами в том виде, в котором мы его знаем ему понадобился не один десяток лет.

Принцип работы пиролизного котла. Устройство, позволяющее получать газ с помощью пиролиза древесного топлива, называется газогенерирующим котлом. Камера, в которой находится топливо называется реактор или по-другому топливная камера.

Сначала топливо воспламеняют с помощью небольшого огня и дрова начинают гореть как в простом котле, однако при достижении температуры 200…800°С подача кислорода в камеру горения уменьшается и далее начинает происходить процесс пиролиза топлива. В процессе пиролиза выделяется газ, который идёт в камеру сгорания с помощью специальной трубы. Процесс выделения газа является экзотермическим, то есть при этом выделяется тепло.

В камере сгорания газ смешивается с более высоким количеством кислорода и воспламеняется, горение происходит при более высокой температуре и может достигать 110…1200°С. Регулирование подачи осуществляется с помощью шибера или задвижки.

Рис. 1. Пиролизный котёл

По словам производителей, газогенераторных пиролизных котлов КПД таких устройств варьируется в пределах 84…90 %. Следует заметить, что КПД котла существенно зависит от того насколько влажным является топливо.

Ниже для лучшего представления показаны данные — зависимость мощности при сжигании килограмма дров от их влажности.

При горении одного килограмма дров с влажностью в 25 % мощность составляет 4 кВт;

При горении одного килограмма дров с влажностью в 50 % мощность составляет 2 кВт;

Повышенная влажность топлива приводит к существенному выделению воды в виде пара, который смешиваясь с горючим газом уменьшает его концентрацию, в итоге мощность горения существенно падает.

Отличительной особенностью пиролизных котлов является взаимодействие летучих газов и их продуктов сгорания. Подобное взаимодействие существенно очищает выброс тяжёлых веществ в атмосферу.

Температура обратной воды, поступающая в котел должна иметь температуру не менее 50…60°С. Если температура падает ниже указанных пределов на внешнем оборудовании котла выделяется конденсат, который в свою очередь приводит к появлению конденсата, это существенно снижает долговечность оборудования. Внутренняя толщина стенок котла не может быть менее 4 мм.

Отопительная система с пиролизным котлом станет целесообразным решением для загородного дома, дачи, бани и особо полезна будет для деревообрабатывающих предприятий, промышленных помещений где имеется множество отходов древесины. В отдельных случаях в качестве топлива для котла можно использовать не только древесину, но и производственные отходы. Основная проблема данного котла заключается в подборе соотношения воздушных потоков на генерацию и дожигание пиролизных газов. Когда соотношение подобрано наиболее правильно, в дымоходе котла остается минимум пиролизных газов и кислорода, выдаваемая мощность при этом максимальна. В современных пиролизных котлах от этой проблемы ушли, поставив дорогостоящие газовые датчики в дымоходе.

Для удешевления системы можно отказаться от столь дорогостоящего решения и сделать пиролизный котел самому, а с помощью дешевых датчиков температуры косвенно получать значение выдаваемой мощности котлом. Регулируя, соотношение воздушных потоков в точке равновесного состояния, и наблюдая за мощностью, можно найти наиболее энергоэффективные точки работы пиролизного котла и разработать алгоритм управления.

Предложенное в работе решение практически значимо, так как позволит упростить систему управления пиролизными котлами и тем самым существенно снизить их стоимость, сделать в целом более доступными для населения.

Достоинства:

— дополнительная тепловая энергия за счет более полного сгорания топлива и повышенной температуры горения. При обычном горении топлива выделяется гораздо меньше тепла, чем при горении летучего газа. При горении летучих веществ затрачивается меньшее количество кислорода, чем при горении дров в обычном котле;

— при горении практически не появляется сажи либо она формируется в очень небольшом количестве. Пиролизные котлы из-за горения дерева и других видов топлива образуют гораздо меньше тяжёлых веществ и их составляющих, чем обычные твердотопливные газогенераторные котлы;

— топливо сгорает полностью практически без остатка, это означает что количество пепла будет в виде горстки пыли;

— значение КПД достигает 90 %

— очень продолжительная работа котла, время между добавлением дров равно примерно 8…12 часов и имеет зависимость от температуры внешней среды, габаритов отапливаемой площади, типоразмеров котла;

— регулирование выдаваемой мощности котлом от 30 до 100 %. Процесс горения пиролизного газа гораздо легче поддается процессу автоматизации, чем процесс горения дров или другого топлива.

— некоторые модели данных котлов позволяют сжигать не только дрова, но и резину с полимерными соединениями.

Недостатки:

— некоторые модели зависят от электричества, так как дымосос или вентилятор пиролизного котла потребляют электроэнергию. Для повышения надежности системы при провалах напряжения применяют источники бесперебойного питания.

— повышенные запросы к влажности топлива;

— системы с газогенераторными котлами в основном являются одноконтурными для обогрева проточной воды нужно монтировать отдельное оборудование

— температура обратной воды должна быть 50…60 °С.

— небольшой диапазон регулирования мощности.

— пиролизные котлы имеют более высокую стоимость (примерно, в 1,5…2 раза выше стоимости обычных котлов).

Научная новизна работы заключается в следующем:

Разработать модель теплообменной системы с пиролизным котлом;

Предложено отказаться от датчиков газа в обратном дымоходе котла и заменить их датчиками температуры;

Объектом исследования является система управления котлом пиролизного горения.

Предметом исследования является алгоритм управления горением без датчика газа в обратном дымоходе.

По сути общая цель данной работы приближение стоимости пиролизного котла к стоимости обычного.

Задачами исследования является: знакомство с принципом работы пиролизного котла, разработка имитационной модели пиролизного котла, получение переходных процессов температуры, описание алгоритма работы.

Простое и оптимальное решение вышеперечисленных задач:

Изготовление котла из газового баллона, с последующей установкой датчиков температур в дымоходы котла.

Рис. 2. Принцип работы пиролизного котла из газового баллона

Если в хозяйстве есть использованный старый газовый баллон, то из него можно самостоятельно сделать отличный пиролизный котел. Оптимальный объем баллона для работы 50 л. Дополнительно понадобится арматура, полоса стали.

1 этап работы: Баллон обрезать вверху, удалить закругленную часть, из которой можно будет сделать крышку, через которую будет производится загрузка твердого топлива, отшлифовать. Приварить дымоход. Для лучшей тяги он делается разного диаметра в начале и в конце. Сверху конструкцию покрыть огнеупорной краской.

Рис. 3. Вид после 1 этапа

2 этап работы: Сделать поршень из трубы и железного диска, к которому приварить лопасти. При горении лопасти создают вихри воздуха, а диск препятствует возникновению открытого пламени. Дрова тлеют и получается пиролизный эффект.

Рис. 4. Готовый поршень

3 этап работы: Произвести заправку котла твердым сухим топливом. Поджечь верхнюю часть дров (бумагой или тряпочкой, смоченной отработанным маслом, соляркой). Установить поршень сверху дров. Закрыть плотно крышку и наблюдать за началом работы котла.

Вместо датчиков температуры для начала можно воспользоваться контактным цифровым термометром. Регулируя подачу кислорода, выставить оптимальный режим работы котла.

Рис. 5. Заправка твердым топливом

Рис. 6. Готовый котел без водяной рубашки

Литература:

1. Пиролизные котлы отопления // ТеплоГуру URL: http://teplo.guru/kotly/tverdotoplivnye/piroliznye-kotly-otopleniya.html (дата обращения: 02.05.2018).
2. Fuzzy Logic Toolbox // Matlab.ru URL: https://matlab.ru/products/fuzzy-logic- toolbox (дата обращения: 02.06.2018).
3. Пиролизные котлы // ЭкоКотёл URL: http://ecokotel.com.ua/index.php/fuel/pyrolysis.html (дата обращения: 14.03.18).
4. Шилин А. А., Букреев В. Г., Койков К. И. Математическая модель нелинейной системы с запаздыванием // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2013. № 6. С. 3–10.
5. Шилин А. А., Букреев В. Г. Нелинейная математическая модель теплопотребления с учетом характеристик элементов теплового узла // Научный вестник НГТУ. 2012. № 2 (47). С. 107–114.
6. Пиролиз // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пиролиз (дата обращения: 02.05.2018).
7. Пиролизный котёл // Википедия URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пиролизный_котёл (дата обращения: 02.05.2018).
8. История отопительных приборов // Помо URL: http://www.pomo.ru/art/istorija- otopitelnyh-priborov/ (дата обращения: 04.05.18).
9. История камина // История вещей URL: http://история-вещей.рф/predmetyi- interera/istoriya-kamina.html (дата обращения: 05.05.2018).
10. Центральное отопление // Хэлпикс URL: http://helpiks.org/8–90474.html (дата обращения: 05.05.2018).
11. Современные системы отопления // Stoodbooks URL: http://studbooks.net/1982492/matematika_himiya_fizika/sovremennye_sistemy_otopl eniya (дата обращения: 05.05.2018).
12. Доменная революция // klubkom URL: http://klubkom.net/posts/61295 (дата обращения: 05.05.2018).
13. История котлов // Твердокотёл URL: http://tverdo-kotel.com/istoriya/ (дата обращения: 05.05.2018).
14. Научно-технические открытия (конец XIX — начало XX ст.), их влияние на экономическое мировое развитие // Allbest URL: https://revolution.allbest.ru/economy/00448848_0.html (дата обращения: 05.05.2018).
15. Устройство и принцип действия циркуляционных насосов // Проект ТМН URL: http://proekt-tmn.ru/ustrojstvo-i-princip-dejstviya-cirkulyacionnyx-nasosov/ (дата обращения: 05.05.2018).
16. Первый мировой энергетический кризис 1973–1974 годов // Cotinvestor URL: http://www.cotinvestor.ru/obuchajushhie-materialy/jekonomicheskie- krizisy/pervyj-mirovoj-energeticheskij-krizis-1973–1974-godov/ (дата обращения: 05.05.2018).
17. Твердотопливные котлы длительного горения — полная классификация и советы по выбору модели // StoryAqua URL:http://stroy- aqua.com/vodosnab_otopl/kotel/tverdotoplivnye-kotly-dlitelnogo-goreniya.html (дата обращения: 05.05.2018).
18. ГАЗОГЕНЕРАТОР. ПИРОЛИЗНЫЕ КОТЛЫ. // Газогенератор URL: http://gazogenerator.com/oborudovanie/gazogenerator-piroliznye-kotly/ (дата обращения: 05.05.2018).
19. Принцип работы пиролизного твердотопливного котла длительного горения
20. // Гидпроект URL: http://gidproekt.com/princip-raboty-piroliznogo- tverdotoplivnogo-kotla-dlitelnogo-goreniya.html (дата обращения: 05.05.2018).
21. Горение топлива // Топки URL: http://topky.ru/fuel-burning.html (дата обращения: 05.05.2018).