RU2723656C1

RU2723656C1 - Hot-water boiler

Info

Publication number: RU2723656C1
Application number: RU2019131582A
Authority: RU
Inventors: Сергей Федотович Боев; Александр Александрович Звонов; Александр Анатольевич Храмичев
Original assignee: Сергей Федотович Боев; Александр Александрович Звонов; Александр Анатольевич Храмичев
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2020-06-17

Abstract

FIELD: heat exchange.SUBSTANCE: invention relates to heat engineering, specifically to hot-water boilers for heating of rooms and hot water supply in conditions of shortage of hydrocarbon fuel. Hot-water boiler 1 comprises water heating control unit 6, air pump 7, gas fuel combustion chamber 8 and controlled shut-off valves. In chamber 8 low-temperature converter 11 of heated water is installed in hydrogen, gas burner 9, heat exchanger 10, ignition plug 11, air intake 12 and sensor 13 of burner flame 9. Low-temperature converter 11 is connected on feed water with heat exchanger cavity 10, and on hydrogen outlet - with gas burner 9 through corresponding shutoff valves. Converter 11 is made in the form of a block of serially connected annular or spiral pipes from refractory material filled with granules of low-temperature water catalyst. Low-temperature metal water catalyst used is an aluminium alloy and an alkali metal dehydrated hydroxide which destroys the aluminium oxide film when reacted with water. Shutoff valves comprises a block of controlled valves for ignition of furnace hot-water boiler methane and subsequent transition to furnace with synthesized hydrogen, control of synthesis of hydrogen, control of quality of fuel mixture, killing of hydrogen flame and blowdown of converter tubes for catalyst recovery into initial dried state.EFFECT: invention allows reducing requirements of hot-water boiler in hydrocarbon fuel and reducing its cost by replacing part of carbon fuel with hydrogen synthesized from water and using catalysts from affordable natural materials.4 cl, 1 dwg

Description

Область техники.The field of technology.

Изобретение относится к теплоэнергетике, конкретно к водогрейным котлам для отопления помещений и горячего водоснабжения в условиях дефицита углеводородного топлива.The invention relates to a power system, specifically to hot water boilers for space heating and hot water supply in conditions of a shortage of hydrocarbon fuel.

Уровень техники.The level of technology.

Известны водогрейные котлы /SU 78259, 1948; SU 1802863, 1993/, основанные на сжигании природного газа, содержащие газовую камеру сжигании газообразного топлива, в которой установлен теплообменник с жидким рабочим веществом и соответствующей арматурой его подключения к потребителю тепла.Known hot water boilers / SU 78259, 1948; SU 1802863, 1993 /, based on the burning of natural gas, containing a gas chamber for burning gaseous fuels, in which a heat exchanger is installed with a liquid working substance and corresponding fittings for connecting it to a heat consumer.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению относится водогрейный котел /SU 1802863, 15.03.1993, «Бойлер каталитического сжигания смеси углеводородного топлива с воздухом для нагрева воды домашнего использования и катализатор для сжигания смеси углеводородного топлива с воздухом в бойлере»/, выбранный в качестве прототипа изобретения.The closest in purpose and technical essence to the claimed invention relates to a hot water boiler / SU 1802863, 03/15/1993, “A boiler for catalytic combustion of a mixture of hydrocarbon fuel with air for heating domestic water and a catalyst for burning a mixture of hydrocarbon fuel with air in a boiler” /, selected as a prototype of the invention.

Известный водогрейный котел /SU 1802863/ содержит патрубок подачи метана, патрубок подвода холодной воды, патрубок вывода нагретой воды, датчик температуры воды, блок управления нагревом воды, воздушный насос и газовую камеру сжигания топлива, в которой установлены газовая горелка, теплообменник, свеча зажигания, воздухозаборник и датчик пламени горелки, причем теплообменник соединен трубопроводами с соответствующими патрубками подвода холодной воды и вывода нагретой воды, сигнальные выходы датчика температуры и датчика пламени соединены с сигнальными входами блока управления, соответствующие управляющие выходы которого соединены с управляющими входами свечи зажигания и воздушного насоса.A well-known hot water boiler / SU 1802863 / contains a methane supply pipe, a cold water supply pipe, a heated water outlet pipe, a water temperature sensor, a water heating control unit, an air pump and a gas fuel combustion chamber in which a gas burner, a heat exchanger, and a spark plug are installed, an air inlet and a flame detector of the burner, the heat exchanger being connected by pipelines to the corresponding cold water supply and heated water outlet pipes, the signal outputs of the temperature sensor and the flame sensor are connected to the signal inputs of the control unit, the corresponding control outputs of which are connected to the control inputs of the spark plug and air pump.

При этом воздухозаборник выполнен в виде колосниковой решетки, воздушный насос - в виде вытяжного вентилятора, установленного на выходе дымовых газов камеры сжигания, внутренняя поверхность которой покрыта слоем катализатора из материала платиновой группы и окиси алюминия. Использование указанного катализатора позволяет обеспечить низкотемпературную (170-450^оС) тепловую диссоциацию молекул воды подводимого в газовую камеру влажного (≥40%) воздуха на горючие составляющие водород и кислород и использовать синтезированный водород в качестве добавочного топлива к метану для дожига последнего и снижения потребностей водогрейного котла в углеводородном топливе. In this case, the air intake is made in the form of a grate, the air pump is in the form of an exhaust fan installed at the flue gas outlet of the combustion chamber, the inner surface of which is covered with a catalyst layer of platinum group material and aluminum oxide. The use of this catalyst enables low-temperature (170-450 ° ^C) thermal dissociation of water molecules in the gas supplied moist chamber (≥40%) Air combustible components and oxygen, hydrogen and hydrogen synthesized use as additional fuel for reburning to methane and reduction of the latter requirements boiler in hydrocarbon fuel.

Проблемой известного водогрейного котла является относительно повышенный расход углеводородного топлива (СН₄ - метана) и повышенная стоимость котла из-за использования в нем катализатора из драгоценных металлов платиновой группы.The problem of the known hot water boiler is the relatively increased consumption of hydrocarbon fuel (CH ₄ methane) and the increased cost of the boiler due to the use of a catalyst made of precious metals of the platinum group.

Задачей изобретения является снижение потребностей водогрейного котла в углеводородном топливе и снижение его стоимости.The objective of the invention is to reduce the needs of a hot water boiler for hydrocarbon fuel and reduce its cost.

Техническим результатом изобретения, обеспечивающим решение поставленной задачи, является замещение части углеродного топлива водородом, синтезированным из воды и применение катализаторов из доступных по цене природных материалов.The technical result of the invention, which provides a solution to the problem, is the replacement of part of the carbon fuel with hydrogen synthesized from water and the use of catalysts from affordable natural materials.

Сущность изобретения.SUMMARY OF THE INVENTION

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что водогрейный котел содержит патрубок подачи метана, патрубок подвода холодной воды, патрубок вывода нагретой воды, датчик температуры воды, блок управления нагревом воды, воздушный насос и газовую камеру сжигания топлива, в которой установлены газовая горелка, теплообменник, свеча зажигания, воздухозаборник и датчик пламени горелки, причем теплообменник соединен трубопроводами с соответствующими патрубками подвода холодной воды и вывода нагретой воды, сигнальные выходы датчика температуры и датчика пламени соединены с сигнальными входами блока управления, соответствующие управляющие выходы которого соединены с управляющими входами свечи зажигания и воздушного насоса.The achievement of the claimed technical result and, as a result, the solution of the problem is ensured by the fact that the hot water boiler contains a methane supply pipe, a cold water supply pipe, a heated water outlet pipe, a water temperature sensor, a water heating control unit, an air pump and a gas fuel combustion chamber, in which a gas burner, a heat exchanger, a spark plug, an air intake and a flame detector of a burner are installed, wherein the heat exchanger is connected by pipelines to the corresponding pipes for supplying cold water and output of heated water, the signal outputs of the temperature sensor and the flame sensor are connected to the signal inputs of the control unit, the corresponding control outputs of which connected to the control inputs of the spark plug and air pump.

Новыми отличительными признаками в изобретении относительно прототипа /SU 1802863/ являются:New distinctive features in the invention regarding the prototype / SU 1802863 / are:

- установка в водогрейном котле (ВК) автономного низкотемпературного преобразователя нагретой воды в водород, управляемого вентилями по температуре пламени горелки и теплоносителя;- installation in a hot water boiler (VK) of an autonomous low-temperature transducer of heated water into hydrogen, controlled by valves according to the flame temperature of the burner and coolant;

- выполнение низкотемпературного преобразователя ВК в виде блока последовательно соединенных кольцевых или спиральных труб из тугоплавкого материала заполненных гранулами низкотемпературного катализатора воды;- the implementation of the low-temperature Converter VK in the form of a block of series-connected annular or spiral pipes of refractory material filled with granules of a low-temperature water catalyst;

- установка низкотемпературного преобразователя в камере сгорания ВК между горелкой и теплообменником;- installation of a low-temperature converter in the VK combustion chamber between the burner and the heat exchanger;

- введение блока управляемых вентилей для растопки топки ВК метаном и последующего перехода на топку синтезированным водородом, управления процессом синтеза водорода, управления качеством топливной смеси, глушения пламени водорода и обратной продувки труб преобразователя для восстановления в них катализатора в исходное осушенное состояние.- the introduction of a block of controlled valves for kindling the VK furnace with methane and subsequent transition to the furnace with synthesized hydrogen, controlling the process of hydrogen synthesis, controlling the quality of the fuel mixture, suppressing the hydrogen flame and blowing back the converter tubes to restore the catalyst to their original dried state.

Доказательство достижения заявленного технического результата и решение поставленной задачиProof of achievement of the claimed technical result and solution of the problem

Введении автономного управляемого низкотемпературного преобразователя нагретой воды в водород, а также - соответствующих вентилей водогрейного котла позволяет оперативно отключить подачу в его топку углеводородного топлива и перейти на подогрев теплоносителя с помощью водородного топлива, синтезированного из воды теплоносителя.The introduction of an autonomous controlled low-temperature converter of heated water into hydrogen, as well as the corresponding valves of the boiler allows you to quickly turn off the supply of hydrocarbon fuel to its furnace and switch to heating the coolant using hydrogen fuel synthesized from coolant water.

Сокращения при этом времени использования углеводородного топлива и замещения его водородным топливом приводит к экономии углеводородного топлива и решению поставленной задачи. The reduction in this time of using hydrocarbon fuel and replacing it with hydrogen fuel leads to savings in hydrocarbon fuel and the solution of the problem.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой водогрейного котла, представленной на фиг. 1.The invention is illustrated by the functional diagram of the boiler shown in FIG. 1.

На фиг. 1 обозначены:In FIG. 1 marked:

1 - водогрейный котел;1 - hot water boiler;

2 - патрубок подачи углеводородного газообразного топлива (метана);2 - pipe supply hydrocarbon gas fuel (methane);

3 - патрубок подвода холодной воды;3 - pipe for supplying cold water;

4 - патрубок вывода нагретой воды;4 - pipe outlet hot water;

5 - датчик температуры воды;5 - water temperature sensor;

6 - блок 6 управления нагревом воды;6 - block 6 controls the heating of water;

7 – нагнетательный воздушный насос;7 - discharge air pump;

8 - газовая камера сжигания топлива;8 - gas chamber for burning fuel;

9 - газовая горелка;9 - gas burner;

10 – теплообменник;10 - heat exchanger;

11 - свеча зажигания;11 - a spark plug;

12 – воздухозаборник;12 - air intake;

13 - датчик 13 пламени горелки;13 - sensor 13 of the flame of the burner;

14 - низкотемпературный преобразователь воды в водород (генератор водорода);14 - low-temperature Converter of water into hydrogen (hydrogen generator);

15 - первый управляемый вентиль дозированной подачи горячей воды в генератор водорода 14 (дозатор воды);15 - the first controlled valve dosed supply of hot water to a hydrogen generator 14 (water dispenser);

16 - второй управляемый вентиль дозированной подачи синтезированного водорода в горелку 9 (дозатор водорода);16 - the second controlled valve for the dosed supply of synthesized hydrogen into the burner 9 (hydrogen dispenser);

17 - управляемый смеситель топлива (регулятор качества топливной смеси);17 - controlled fuel mixer (fuel mixture quality regulator);

18 - третий управляемый вентиль дозированной подачи воздуха в горелку (дозатор воздуха);18 - the third controlled valve dosed air supply to the burner (air meter);

19 - четвертый управляемый вентиль дозированной подачи углеводородного топлива (дозатор метана);19 - the fourth controlled valve dosed supply of hydrocarbon fuel (methane dispenser);

20 - пятый управляемый вентиль дозированной подачи воздуха в под газовой камеры сжигания топлива;20 - fifth controlled valve dosed air supply under the gas chamber for burning fuel;

21 - шестой управляемый вентиль продувки труб генератора водорода 14 и осушки его катализатора;21 - the sixth controlled valve blowing pipes of the hydrogen generator 14 and drying its catalyst;

22 – воздухозаборный патрубок воздушного насоса 7.22 - air intake pipe of the air pump 7.

Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention

Согласно фиг. 1 водогрейный котел 1 содержит патрубок 2 подачи метана, патрубок 3 подвода холодной воды, патрубок 4 вывода нагретой воды, датчик 5 температуры воды, блок 6 управления нагревом воды, воздушный насос 7 с воздухозаборным патрубком 22 и газовую камеру 8 сжигания топлива. В камере 8 сжигания топлива установлены газовая горелка 9, низкотемпературный преобразователь 14 нагретой воды в водород, теплообменник 10, свеча 11 розжига топливной смеси, воздухозаборник 12, и датчик 13 пламени горелки 9. При этом преобразователь 14 нагретой воды в водород (генератор водорода) установлен в камере 8 сгорания между горелкой 9 и теплообменником 10. Теплообменник 10 соединен трубопроводами с патрубком 3 подвода холодной воды, с патрубком 4 вывода нагретой воды. На трубопроводе вывода нагретой воды в патрубок 4 установлен датчик 5 температуры воды. Выход теплообменника 10 соединен через первый управляемый вентиль 15 (дозатор воды) дозированной подачи горячей воды с входом генератора водорода 14 (низкотемпературного преобразователя воды в водород) и через шестой управляемый вентиль 21 продувки труб генератора водорода 14, восстановления оксидной пленки и осушки катализатора - с полостью газовой камеры 8 сжигания топлива. Преобразователь 14 воды выполнен в виде блока последовательно соединенных кольцевых или спиральных труб из тугоплавкого материала, установленных над горелкой 9 в камере 8 сгорания. В качестве тугоплавкого материала труб использован тугоплавкий металл, например, нержавеющая сталь или вольфрам. Для исключения контакта ионизированных паров воды и синтезированного водорода с токопроводящим металлом труб преобразователя 14, указанные трубы и трубы, выводящие водород до горелки, выполнены с внутренним диэлектрическим покрытием из тугоплавкой керамики типа Вайфанг. Для раздельного вывода водорода и кислорода из ионизированных паров воды и исключения возможности подачи в газовую горелку гремучей смеси в полости входной и выходной трубы преобразователя 14 установлены сетчатые вольфрамовые электроды, соединенные с соответствующими разнополярными электродами источника постоянного напряжения (на фигуре не показано). Трубы генератора 14 заполнены гранулами или стружкой низкотемпературного металлического катализатора воды, далее катализационной стружкой. Катализационная стружка, как и в /RU 2253606/ выполнена из сплава алюминия и добавки, разрушающей окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой. Добавка содержит обезвоженный гидроксид щелочного металла в весовом количестве до 10% или обезвоженный гидроксид щелочного металла и медь до 5%, так, чтобы в сумме сплав содержал эти добавки до 10%. В качестве обезвоженного гидроксида щелочного металла сплав может содержать обезвоженный гидроксид натрия, лития или калия. Выход генератора 14 по водороду соединен через второй управляемый керамический вентиль 16 (дозатор водорода) и управляемый керамический смеситель 17 топлива (регулятор качества топливной смеси) с входом горелки 9. Второй вход смесителя 17 соединен с выходом третьего управляемого вентиля 18 (первый дозатор воздуха) непосредственно и через четвертый управляемый вентиль 19 (дозатор метана) с патрубком 2 подвода метана. Вход первого дозатора 18 воздуха соединен с выходом воздушного насоса 7 непосредственно и через пятый управляемый вентиль 20 (второй дозатор воздуха) – с входом воздухозаборника 12. Для исключения возможности оплавления топливных форсунок при сжигании водорода последние или вся газовая горелка 9 выполнена из вольфрама или тугоплавкого керамического материала типа Вайфанг с соплами из кремниевого карбида и керамической оксидацией их внутренней поверхности. Свеча 11 розжига топливной смеси выполнена типа Vfster Gas Seul (арт. 2020337) с автоматикой "630 EUROSiT" безопасности розжига. Датчик 13 пламени выполнен типа Airtronic с возможностью контроля температуры, пламени и перегрева в газовой камере 8 сжигания топлива. Управляющие входы/выходы свечи 11 розжига топливной смеси, датчика 13 пламени, регулятора 17 качества смеси, свечи зажигания 11, воздушного насоса 7, а также вентилей 16, 18, 19, 20, 21 соединены с соответствующими управляющими выходами блока 6 управления.According to FIG. 1, the boiler 1 contains a methane supply pipe 2, a cold water supply pipe 3, a heated water outlet pipe 4, a water temperature sensor 5, a water heating control unit 6, an air pump 7 with an air intake pipe 22 and a gas combustion chamber 8. A gas burner 9, a low-temperature transducer 14 of heated water to hydrogen, a heat exchanger 10, a candle 11 for igniting the fuel mixture, an air intake 12, and a flame detector 13 of the burner 9 are installed in the fuel combustion chamber 8. In this case, the transducer 14 of the heated water into hydrogen (hydrogen generator) is installed in the combustion chamber 8 between the burner 9 and the heat exchanger 10. The heat exchanger 10 is connected by pipelines to a pipe 3 for supplying cold water, with a pipe 4 for outputting heated water. On the outlet pipe of the heated water in the pipe 4 is installed a sensor 5 of the water temperature. The output of the heat exchanger 10 is connected through the first controlled valve 15 (water dispenser) of dosed hot water supply to the inlet of the hydrogen generator 14 (low-temperature converter of water to hydrogen) and through the sixth controlled valve 21 of blowing pipes of the hydrogen generator 14, reduction of the oxide film, and drying of the catalyst - with a cavity gas chamber 8 burning fuel. The water transducer 14 is made in the form of a block of series-connected annular or spiral pipes of refractory material mounted above the burner 9 in the combustion chamber 8. As a refractory material of pipes used refractory metal, for example, stainless steel or tungsten. To exclude contact of ionized water vapor and synthesized hydrogen with the conductive metal of the tubes of the converter 14, these pipes and pipes that remove hydrogen to the burner are made with an internal dielectric coating made of Weifang refractory ceramics. To separate the removal of hydrogen and oxygen from the ionized water vapor and to exclude the possibility of supplying a detonating mixture to the gas burner, mesh tungsten electrodes are installed in the cavity of the inlet and outlet pipes of the transducer 14, connected to the corresponding bipolar electrodes of a constant voltage source (not shown in the figure). The pipes of the generator 14 are filled with granules or shavings of a low-temperature metal catalyst of water, then catalytic shavings. Catalytic shavings, as in / RU 2253606 /, are made of an alloy of aluminum and an additive that destroys the aluminum oxide film when interacting with water. The additive contains dehydrated alkali metal hydroxide in a weight amount of up to 10% or dehydrated alkali metal hydroxide and copper up to 5%, so that in total the alloy contains these additives up to 10%. As the dehydrated alkali metal hydroxide, the alloy may contain dehydrated sodium, lithium or potassium hydroxide. The hydrogen output of the generator 14 is connected through a second controlled ceramic valve 16 (hydrogen dispenser) and a controlled ceramic fuel mixer 17 (fuel mixture quality regulator) to the burner inlet 9. The second input of the mixer 17 is connected directly to the output of the third controlled valve 18 (first air dispenser) and through the fourth controlled valve 19 (methane dispenser) with a methane supply pipe 2. The inlet of the first air dispenser 18 is connected directly to the outlet of the air pump 7 and through the fifth controllable valve 20 (second air dispenser) to the inlet of the air intake 12. To exclude the possibility of fusion of the fuel nozzles during hydrogen combustion, the last or the entire gas burner 9 is made of tungsten or refractory ceramic Weifang type material with silicon carbide nozzles and ceramic oxidation of their inner surface. Spark plug 11 for the fuel mixture is made of the Vfster Gas Seul type (art. 2020337) with automatic safety "630 EUROSiT" ignition. The flame sensor 13 is made of the type Airtronic with the ability to control temperature, flame and overheating in the gas chamber 8 for burning fuel. The control inputs / outputs of the spark plug 11 of the fuel mixture, the flame sensor 13, the mixture quality controller 17, the spark plug 11, the air pump 7, as well as the valves 16, 18, 19, 20, 21 are connected to the corresponding control outputs of the control unit 6.

Водогрейный котел работает следующим образом.The hot water boiler operates as follows.

В исходном состоянии все вентили 15, 16, 18, 19, 20 водогрейного котла 1 закрыты, теплообменник 10 заполнен холодной водой и подключен патрубками 4 и 3 к потребителю тепла по прямой и обратной воде теплоносителя соответственно, к патрубку 2 подключен через соответствующий редуктор (на фигуре не показано) переносной баллон с сжиженным газом объемом до 22 литров, в блок 6 введена программа управления розжигом, нагревом и поддержанием требуемой температуры воды в диапазоне (45-80)^оС. In the initial state, all valves 15, 16, 18, 19, 20 of the boiler 1 are closed, the heat exchanger 10 is filled with cold water and connected by pipes 4 and 3 to the heat consumer through direct and return water of the coolant, respectively, connected to pipe 2 through the corresponding gearbox (on the figure is not shown) a portable cylinder with liquefied gas up to 22 liters, a control program for ignition, heating and maintaining the required water temperature in the range (45-80) ^о С.

Для нагрева воды на блоке 6 управления нажимают кнопку «Розжиг» (на фигуре не показано). При этом блок 6 управления по заданной программе управления открывает вентиль 19 подачи метана, вентиль 20 подачи воздуха в под топки 8 и включает напорный воздушный насос 7. При этом метан с давлением, заданным редуктором газового баллона, через патрубок 2, открытый вентиль 19 и через сопла горелки 9 поступает в полость газовой камеры 8 сжигания топлива. Одновременно в под указанной камеры 8 насос 7 нагнетает воздух в установленной вентилями 20 и 19 оптимальной для розжига пропорции топливной смеси «метан-воздух», заданной с блока 6 управления. To heat water on the control unit 6, press the "Ignition" button (not shown in the figure). At the same time, the control unit 6, according to the specified control program, opens the methane supply valve 19, the air supply valve 20 to the furnaces 8 and turns on the pressure air pump 7. At the same time, methane with a pressure specified by the gas cylinder reducer through the pipe 2, open valve 19 and through the nozzle of the burner 9 enters the cavity of the gas chamber 8 for burning fuel. At the same time, under the indicated chamber 8, the pump 7 pumps air in the proportion of the methane-air fuel mixture, which is set from the control unit 6 and is optimal for ignition, set by the valves 20 and 19.

После истечении заданного времени заполнения газовой камеры 8 топливной смесью блок 6 управления подает сигнал «поджига» на свечу 11 розжига топливной смеси. При этом свеча 11 производит розжиг топливной смеси «метан-воздух». Многофункциональный датчик 13 пламени регистрирует возгорание топливной смеси и температуру её горения. При этом происходит нагрев содержимого труб преобразователя 14 и нагрев воды в теплообменнике 10. При достижении в камере 8 сжигания заданного значения температуры t1=330±30°C, соответствующей началу экзотермической реакции воды с алюминием в преобразователе 14, блок 6 управления открывает вентиль 15 дозированной подачи теплой воды из теплообменника 10 в преобразователь 14. В преобразователе 14 поступающая вода при указанной температуре переходит в парообразное состояние и заполняет водяным паром поры между гранулами или стружкой низкотемпературного металлического катализатора воды.After the specified time has elapsed to fill the gas chamber 8 with the fuel mixture, the control unit 6 supplies a “ignition” signal to the spark plug 11 of the fuel mixture ignition. At the same time, the candle 11 ignites the methane-air fuel mixture. A multifunctional flame sensor 13 detects the ignition of the fuel mixture and its combustion temperature. In this case, the contents of the tubes of the transducer 14 are heated and the water in the heat exchanger 10 is heated. When the preset temperature t1 = 330 ± 30 ° C, corresponding to the beginning of the exothermic reaction of water with aluminum in the transducer 14, is reached in the combustion chamber 8, the control unit 6 opens the dosed valve 15 supply of warm water from the heat exchanger 10 to the transducer 14. In the transducer 14, the incoming water at a specified temperature goes into a vapor state and fills the pores between the granules or the shavings of the low-temperature metal water catalyst with water vapor.

При соотношении (8,0÷9):1 масс воды и алюминия, содержащегося в стружках катализатора, заполняющего трубы преобразователя 14 возникает экзотермическая реакция с выделением тепла и водородаWith a ratio of (8.0 ÷ 9): 1 masses of water and aluminum contained in the chips of the catalyst filling the tubes of the converter 14, an exothermic reaction occurs with the release of heat and hydrogen

Al+2H2O=AlOOH+1,5H2+415,24 кДж/моль (99,17 ккал/моль) … (1)Al + 2H2O = AlOOH + 1.5H2 + 415.24 kJ / mol (99.17 kcal / mol) ... (1)

Выделившийся, в результате экзотермической реакции (1) водород под соответствующим давлением через открытый вентиль 16 поступает в смеситель 17 водорода и метана. Обогащенная топливная смесь поступившая в горелку приводит к резкому (за счет разницы температуры факела горения метана и водорода) скачку температуры пламени горелки 9. Датчик пламени 13 фиксирует указанный скачок и передает его на блок 6 управления для уменьшения подачи метана в горелку 9. Блок 6 управления прикрывает вентиль 19 подачи метана и последовательно заменяет в горелке 9 метан на водород до устойчивого горения в ней синтезированного водорода путем управления вентилем 12 подачи атмосферного воздуха в под камеры 8 сжигания, а также – вентилем 18 и смесителем 17, регулирующими качество водородного топлива. В процессе перехода в камере 8 сжигания с метана на водород за счет дополнительного тепла, выделенного в процессе экзотермической реакции (1), происходит тепловая ионизация молекул воды в преобразователе 14 и распад (диссоциация) на положительные ионы водорода и отрицательные ионы кислорода. Под действием электрического поля, приложенного к разнополярные входу и выходу преобразователя 14 положительно заряженный водород движется к выходу преобразователя 14, а отрицательно заряженный кислород к его входу. При этом диссоциированный из ионизированных паров воды кислород при периодически закрытом вентиле 15 и открытом вентиле 21 стравливается в полость камеры 8 сгорания, а диссоциированный водород дополняет синтезированный (1) водород и вместе с ним через открытый вентиль 16 и смеситель 17 поступает в горелку 9. Выделенный из паров воды кислород, а также кислород атмосферного воздуха, поступающего через воздухозаборник 12 в полость камеры 8 сжигания инициируют экзотермическую экологически чистую реакцию горения водорода с выделением тепла и паров воды, безвредных для окружающей среды Hydrogen released as a result of exothermic reaction (1) under appropriate pressure through an open valve 16 enters the mixer 17 of hydrogen and methane. The enriched fuel mixture entering the burner leads to a sharp (due to the difference in the temperature of the flame of methane and hydrogen) flame temperature of the burner 9. The flame sensor 13 detects this jump and transfers it to the control unit 6 to reduce the methane supply to the burner 9. Control unit 6 it closes the methane supply valve 19 and successively replaces the methane in the burner 9 with hydrogen until the synthesized hydrogen is burned in it by controlling the atmospheric air supply valve 12 into the combustion chambers 8, as well as by the valve 18 and mixer 17, which regulate the quality of hydrogen fuel. During the transition in the combustion chamber 8 from methane to hydrogen due to the additional heat released during the exothermic reaction (1), thermal ionization of water molecules in the transducer 14 and decomposition (dissociation) into positive hydrogen ions and negative oxygen ions occur. Under the influence of an electric field applied to the opposite-polarity input and output of the transducer 14, positively charged hydrogen moves to the output of the transducer 14, and a negatively charged oxygen to its input. In this case, oxygen dissociated from ionized water vapor with a periodically closed valve 15 and open valve 21 is discharged into the cavity of the combustion chamber 8, and dissociated hydrogen supplements the synthesized (1) hydrogen and with it passes through the open valve 16 and mixer 17 to the burner 9. The separated from water vapor, oxygen, as well as oxygen from atmospheric air entering through the inlet 12 into the cavity of the combustion chamber 8, initiates an exothermic environmentally friendly hydrogen combustion reaction with the release of heat and environmentally friendly water vapor

2Н2 + О2 → 2Н2О + 137 ккал/моль. (2)2Н2 + О2 → 2Н2О + 137 kcal / mol. (2)

При нагреве катализационной стружки в преобразователе 14 за счет реакции (2) горения водорода свыше 360^оС снижается химическая активность указанного катализатора. Далее производство водорода из воды происходит преимущественно за счет тепловой диссоциации воды в преобразователе 14 под действием тепла горящего водорода. Переход работы котла на диссоциированный водород фиксируется датчиком 13 пламени по скачку яркости и температуры факела и передается в блок 6 управления. Блок 6 управления с помощью вентиля 18 и смесителя 7 управляет качеством (обогащения или обеднения воздухом) водородного топлива в горелке 9, а вентилями 15 и 18 управляет количеством генерируемого водорода, поддерживая стабильную температуру горения водородной смеси за счет обратной связи через датчик 13 пламени.When heating the catalytic chips in the Converter 14 due to the reaction (2) of burning hydrogen above 360 ^about With reduced chemical activity of the specified catalyst. Further, the production of hydrogen from water occurs mainly due to the thermal dissociation of water in the transducer 14 under the action of the heat of burning hydrogen. The transition of the boiler to dissociated hydrogen is detected by the flame sensor 13 according to the jump in brightness and temperature of the torch and transmitted to the control unit 6. The control unit 6 using the valve 18 and the mixer 7 controls the quality (enrichment or depletion of air) of hydrogen fuel in the burner 9, and the valves 15 and 18 controls the amount of hydrogen generated, maintaining a stable combustion temperature of the hydrogen mixture due to feedback through the flame sensor 13.

Одновременно с процессом генерации водорода в преобразователе 14 в теплообменнике 10 при сжигания водородного топлива происходит нагрев воды и обмен нагретой водой с потребителями тепла, например, батареями отопления, подключенными к патрубкам 4 и 3 по прямой и обратной воде отопления. Контроль и управление температурой воды в теплообменнике производится блоком 6 управления с помощью датчика 5 температуры и соответствующей запорной арматуры, регулирующей температуру горения топливной смеси в камере 8 сжигания. При достижении заданной температуры нагрева воды в теплообменнике 10 блок 6 снижает количество и качество водородного топлива, подаваемого в камеру 8, до пределов, минимально необходимых для поддержания процесса ионизации в преобразователе 14. При снижении температуры в теплообменнике 10 на 10% относительно заданного значения блок 6 управления увеличивает подачу водородного топлива указанными выше вентилями. Simultaneously with the process of hydrogen generation in the transducer 14 in the heat exchanger 10, when the hydrogen fuel is burned, water is heated and heated water is exchanged with heat consumers, for example, heating batteries, connected to the pipes 4 and 3 through direct and return heating water. Monitoring and controlling the temperature of the water in the heat exchanger is carried out by the control unit 6 using the temperature sensor 5 and the corresponding shutoff valves, which regulates the combustion temperature of the fuel mixture in the combustion chamber 8. Upon reaching a predetermined temperature for heating water in the heat exchanger 10, block 6 reduces the quantity and quality of hydrogen fuel supplied to the chamber 8 to the minimum necessary to maintain the ionization process in the converter 14. When the temperature in the heat exchanger 10 is reduced by 10% relative to the set value, block 6 control increases the supply of hydrogen fuel by the above valves.

В случае случайного гашения факела горелки или для остановки водогрейного котла 1 на профилактическое обслуживания производится безопасная перезагрузка и приведение газового котла в исходное состояние. Для этого закрывается клапан 15 подачи воды в преобразователь 14 и открываются клапаны 21, 18 для обратной продувки труб преобразователя 14 и удаления из них остатков водорода. Одновременно производится осушка катализационной стружки и восстановление её химических свойств в исходное активное состояние.In case of accidental extinguishing of the torch of the burner or for stopping the boiler 1 for preventive maintenance, a safe reboot is performed and the gas boiler is restored to its initial state. For this, the valve 15 for supplying water to the converter 14 is closed and the valves 21, 18 are opened for backwashing of the pipes of the converter 14 and removal of hydrogen residues from them. At the same time, the catalytic shavings are dried and their chemical properties restored to the initial active state.

Данное изобретение не ограничивается представленным примером его осуществления. В рамках данного изобретения возможны и другие варианты исполнения водогрейного котла, не выходящие за пределы материалов заявки.The present invention is not limited to the presented example of its implementation. In the framework of the present invention, other embodiments of the boiler are also possible without departing from the scope of the application materials.

Так в качестве катализатора в преобразователе 14 может использоваться химически активный к воде материал Catalytic Carbon, доступный от Phillips Company по адресу: 10010 West Oak Ridge Drive, Сан-Сити, Аризона, 85351 или PO Box 52, 311 NW Chickasaw Street, Millerton, Oklahoma 74750 или http: // phillipscompany.4t.com. Этот катализатор является многоразовым и возобновляемым/перезаряжаемым. Может поддерживать скорости потока водорода от 1 до 1500 литра в минуту. Экзотермическая реакция (1) идет при пониженной (79-91^ОС) температуре, что требует уменьшенных затрат метана на запуск водогрейного котла. Реакцию (1) можно контролировать, повышая температуру для получения большего количества водорода или понижая температуру для получения меньшего количества водорода в указанном выше диапазоне температур.For example, Catalytic Carbon water-reactive material available from Phillips Company at 10010 West Oak Ridge Drive, Sun City, Arizona, 85351 or PO Box 52, 311 NW Chickasaw Street, Millerton, Oklahoma, can be used as a catalyst in converter 14 74750 or http: // phillipscompany.4t.com. This catalyst is reusable and renewable / rechargeable. It can support hydrogen flow rates from 1 to 1,500 liters per minute. The exothermic reaction (1) is at a low (79-91 ° ^C) temperature, which requires reduced cost of methane to run the boiler. Reaction (1) can be controlled by raising the temperature to produce more hydrogen or lowering the temperature to produce less hydrogen in the above temperature range.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Изобретение разработано на уровне технического проекта и физического моделирования процесса получения водорода из воды. Результаты исследований показали возможность существенного снижения углеводородного топлива в водогрейных котлах за счет использования его только для периодического розжига водогрейного котла, а также – за счет использования для нагрева воды синтезированного из воды водородного топлива, существенно превышающего по удельной энергетике метан и природный газ. The invention was developed at the level of technical design and physical modeling of the process of producing hydrogen from water. The research results showed the possibility of a significant reduction in hydrocarbon fuel in boilers due to its use only for periodic ignition of a boiler, and also due to the use of hydrogen fuel synthesized from water for heating water, which significantly exceeds methane and natural gas in specific energy.

Claims

1. A water boiler containing a methane supply pipe, a cold water supply pipe, a heated water outlet pipe, a water temperature sensor, a water heating control unit, an air pump and a gas combustion chamber in which a gas burner, a heat exchanger, and a fuel mixture ignition plug are installed, an air inlet and a flame detector of the burner, the heat exchanger being connected by pipelines to the corresponding cold water supply and heated water outlet pipes, the signal outputs of the temperature sensor and the flame sensor are connected to the signal inputs of the control unit, the corresponding control outputs of which are connected to the control inputs of the ignition plug and air pump, characterized the fact that it further comprises a low-temperature transducer of heated water into hydrogen, mounted in the combustion chamber between the burner and the heat exchanger and connected at the feed inlet to the hot water outlet of the heat exchanger through a first controllable valve, and at the exit to the burner inlet and through a second controlled valve and a controlled mixer, the second input of which is connected directly to the output of the third controlled valve and through the fourth controlled valve with a methane supply pipe, the input of the third controlled valve is connected directly to the air pump output and through the fifth controlled valve to the air intake inlet, the furnace cavity is connected to the inlet of the converter through a sixth controlled valve, the control input of the mixer, and the control inputs of the valves are connected to the corresponding control outputs of the control unit, while the low-temperature transducer of heated water into hydrogen contains a block of series-connected annular or spiral pipes made of refractory metal with an internal dielectric coating of refractory material and filled with granules or shavings of a metal low-temperature catalyst of water, as a refractory material of pipes of a low-temperature converter I chose stainless steel or tungsten, Weifang ceramics as a refractory dielectric coating, and an alloy of aluminum and an additive that destroys an oxide film when interacting with water as a low-temperature metal catalyst for water.

2. The hot water boiler according to claim 1, characterized in that as an additive that destroys the aluminum oxide film when interacting with water, it contains dehydrated alkali metal hydroxide in a weight amount of up to 10% or dehydrated alkali metal hydroxide and copper up to 5%, so so that the total alloy contains these additives up to 10%.

3. The hot water boiler according to claim 2, characterized in that, as the dehydrated alkali metal hydroxide, the alloy contains dehydrated sodium, lithium or potassium hydroxide.

4. The hot water boiler according to claim 1, characterized in that the gas burner is made of tungsten or refractory ceramic material of Weifang type with silicon carbide nozzles and ceramic oxidation of their inner surface.