Вихрова топка
Формула / Реферат
1. Вихрова топка, що містить камеру згоряння, яка має стінки, що переходять у звужену нижню частину камери згоряння, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку камери згоряння, а також сопла для подачі повітря, одне з яких - нижнє - встановлене в нижній частині камери згоряння, а друге - верхнє - встановлено на стінці камери згоряння, протилежній пальнику, яка відрізняється тим, що стінки камери згоряння виконані таким чином, що мають у вертикальному перерізі форму зустрічних дуг, які нижніми кінцями утворюють звужену частину камери згоряння, а верхнє сопло встановлене на виступі стінки камери згоряння так, що поздовжня вісь цього сопла утворює з прилеглою частиною суміжної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°.
2. Вихрова топка за п. 1, яка відрізняється тим, що верхнє сопло є розподіленим соплом.
3. Вихрова топка за п. 1 або п. 2, яка відрізняється тим, що верхнє сопло встановлене не нижче рівня пальника.
4. Вихрова топка за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що пальник є розподіленим.
Текст
Реферат: Винахід належить до топок та топок-реакторів, а саме сучасних вихрових топок, призначених для одержання теплової енергії згоряння палива, насамперед твердого органічного палива, зокрема в котлах-реакторах. Створена вихрова топка містить камеру згоряння, яка має стінки, що переходять у звужену нижню частину камери згоряння, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку камери згоряння, а також сопла для подачі повітря. Одне з сопел - нижнє - встановлене в нижній частині камери згоряння, а друге - верхнє - встановлено на стінці камери згоряння, протилежній пальнику. Відповідно до винаходу, стінки камери згоряння виконані таким чином, що мають у вертикальному перерізі форму зустрічних дуг, які нижніми кінцями утворюють звужену частину камери згоряння, а верхнє сопло встановлене на виступі стінки камери згоряння не нижче рівня пальника, та поздовжня вісь цього сопла утворює з прилеглою частиною суміжної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°. У додаткових варіантах верхнє сопло є розподіленим соплом, верхнє сопло встановлене не нижче рівня пальника, та/або пальник є розподіленим. Вихрова топка забезпечує зменшення механічної ерозії та забруднення стінки топки та знижені витрати енергії на організацію вихрового руху потоку при більш повному спалюванні палива, що дозволяє збільшити теплову та реакційну ефективність котла та котла-реактора. UA 105746 C2 (12) UA 105746 C2 UA 105746 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до топок та топок-реакторів, а саме сучасних вихрових топок, призначених для одержання теплової енергії згоряння палива, насамперед твердого органічного палива, зокрема в котлах-реакторах. Сучасні топки для спалювання твердого органічного палива, як правило, передбачають вихрову технологію спалювання - паливо та іншу сировину подрібнюють та у вигляді паливноповітряної суміші подають під тиском через пальники в топку, де подачею повітря для горіння створюють вихровий рух потоку палива, що горить. Така технологія забезпечує більш повне спалювання палива в умовах обмеженого об'єму топки та зменшує кількість шкідливих відходів. Найбільш близьким аналогом є вихрова топка (патент України на винахід UA83761C2, опубл. 11.08.2008, МПК F23C 5/00, F23C 7/00), що містить камеру згоряння, яка має стінки, що переходять в нижній частині у лійку, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку камери згоряння, а також сопла для подачі повітря, одне з яких встановлене в нижній частині лійки, а друге - на стінці камери згоряння, протилежній пальнику, і нижче пальника. При цьому це сопло встановлене на стінці камери згоряння так, що його подовжня вісь перетинає суміжну стінку лійки, розташовану з боку сопла. Недоліками цієї топки є те, що струмінь повітря захоплює частинки палива, що горять, і під певним кутом попадає на нижню частину камери згоряння - стінку лійки, та відбивається від неї. Це призводить до підвищеного механічного ерозійного зносу цієї стінки, яка потребує більш частого планового ремонту, та додаткових витрат енергії на організацію вихрового руху. Коли сопло входить в камеру згоряння звичайним чином, під великим кутом до суміжної з ним стінки камери згоряння, то потік повітря з цього сопла перетинає потік з пальника. Ці потоки поєднуються, перемішуються і продовжують рух по сумарній траєкторії, яка обумовлена цільностями та швидкостями цих потоків. При цьому проходить значне перемішування, і характер потоків змінюється на турбулентний. Таке перемішування не завжди бажано, адже великі частинки палива при цьому виходять із потоку та рухаються в небажаних напрямках (залипають на стінках камери згоряння, падають донизу і т.д.). В основу винаходу поставлена задача створити вихрову топку, яка забезпечує зменшення механічної ерозії та забруднення стінки топки та знижені витрати енергії на організацію вихрового руху потоку при більш повному спалюванні палива, що дозволяє збільшити теплову та реакційну ефективність котла та котла-реактора. Поставлена задача вирішується тим, що створена вихрова топка містить камеру згоряння, яка має стінки, що переходять у звужену нижню частину камери згоряння, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку камери згоряння, а також сопла для подачі повітря. Одне з сопел - нижнє - встановлене в нижній частині камери згоряння, а друге - верхнє - встановлено на стінці камери згоряння, протилежній пальнику. Згідно винаходу, стінки камери згоряння виконані таким чином, що мають у вертикальному перерізі форму зустрічних дуг, які нижніми кінцями утворюють звужену частину камери згоряння, а верхнє сопло встановлене на виступі стінки камери згоряння не нижче рівня пальника, та поздовжня вісь цього сопла утворює з прилеглою частиною суміжної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°. У додаткових варіантах верхнє сопло є розподіленим соплом, верхнє сопло встановлене не нижче рівня пальника, та/або пальник є розподіленим. У запропонованій конструкції топки сопло розміщено на виступі та направлено під невеликими кутами до суміжної стінки топки. Внаслідок цього біля стінки камери згоряння виникає повітряна подушка, яка захищає стінку від забруднення, і при цьому (зважаючи на заокруглену форму стінки камери згоряння, що має у вертикальному перерізі форму дуги) захоплює і направляє потік із пальника по дуговій траєкторії вздовж стінки. Сопло бажано розміщувати не нижче пальника, в іншому випадку складно забезпечити однорідній потік повітря із розподіленого сопла в місцях, де він поєднується із потоком з пальника, та захистити сопло від забруднення. Також це дозволяє спрямувати потік з пальника таким чином, щоб траєкторія вихору була більш заокругленою, чим зменшити витрати енергії на створення вихору. Сопло важливо розміщувати на виступі, щоб забезпечити напрямок руху повітря на виході з сопла практично паралельно суміжній стінці камери згоряння. Регулювання тиску та витрати через сопло досягають такої швидкості потоку повітря, при якій в зоні контакту із потоком з пальника вона дещо перевищує швидкість цього потоку, необхідних для захоплення потоку та надання йому напрямку руху та достатньої швидкості, щоб утворився вихор. Сопло входить в камери згоряння у напрямку дотичної до суміжної стінки камери згоряння (тобто від -5° до 1°). При цьому потік повітря, сировини та палива, що горить, рухається паралельно стінці камери згоряння, і під дією сил гравітації повертає донизу вздовж скривленої стінки нижньої частини камери згоряння. 1 UA 105746 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Із-за практично нульового кута падіння потоку палива і сировини на стінку площа поверхні безпосереднього контакту між потоком та стінкою в цьому разі багаторазово збільшується із-за малого кута, і розповсюджується на всю стінку нижньої частини камери згоряння, а тиск потоку палива та сировини на стінку одночасно багаторазово зменшується. В сукупності це значно зменшує ерозійне зношування стінки. При цьому забезпечується достатнє перемішування та подрібнювання часток палива та сировини в потоці. Рухаючись під вказаними кутами, потік повітря з нижнього сопла зустрічається із потоком палива, повітря і диму, що йде з пальника. Внаслідок цього контакту загальний вектор потоків змінюється на такий, що рухається по дотичній до стінки камери згоряння. Завдяки тому, що стінка камери згоряння має форму дуги - потік набирає заокругленої траєкторії, яка разом із дією інших потоків з сопел і пальника загалом утворює стабільний циклічний вихровий рух вздовж стінок топки. Розподілене сопло являє собою декілька розташованих на невеликій відстані одне від одного дрібних сопел, які направлені у внутрішню порожнину камери згоряння. Така конструкція не створює аеродинамічних перешкод вихору, що рухається поблизу стінки камери згоряння, адже потоки повітря з цих дрібних сопел біля стінки камери згоряння мають високу швидкість і малий переріз. Також розподілене сопло не ускладнює конструкцію топки, адже не заважає розташуванню теплообмінних поверхонь у стінках топки. Це також стосується випадку, коли пальник є розподіленим пальником. При певних температурах горіння, або певних режимах роботи топки (наприклад, для топки котла-реактора, призначеного для виробництва будівельних матеріалів чи іншої промислової сировини) можливе злипання часток палива або іншої сировини, та залипання їх на стінках нижньої частини камери згоряння, із значним погіршенням тепловіддачі до неї. У запропонованому технічному рішенні завдяки наявності повітряної подушки біля стінок камери згоряння забруднення стінок нижньої частини камери згоряння не відбувається. Крім того, збільшується інтенсивність радіаційного (тепловим випромінюванням) та конвекційного теплообміну між частками палива, що горять, та стінками камери згоряння за рахунок близької відстані між ними. Разом із незначним ерозійним зношуванням стінки це дозволяє розмістити в нижній та інших частинах котла теплообмінні елементи для зняття теплової енергії з котла. Завдяки тому, що процес горіння відбувається у вихорі, який рухається близько до стінки топки, спостерігається більша ефективність теплообмінних процесів між паливом, що горить, та розташованими на стінках топки теплообмінними елементами. Важливою перевагою є те, що досягається більш рівномірне теплове навантаження та розподіл тиску вздовж внутрішньої поверхні стінки камери згоряння, що є дуже важливим для котла-реактора. Внаслідок більш рівномірної температури з'являється можливість зменшити верхню межу температури, що дуже важливо в котлах-реакторах, призначених для отримання промислових продуктів. Внаслідок більш рівномірного розподілу тиску зменшується забруднення стінки розплавленими частками сировини, а отже відбувається зменшення частоти планового ремонту. Внаслідок більш рівномірної температури та тиску є можливість зменшити небажані хіміко-фізичні ефекти, що мають місце в котлах-реакторах, і пов'язані із контактом палива, що горить, із сировиною (наприклад, частки сировини поєднуються з частками палива та заважають його горінню). Форма лійки з плоскими у перерізі поверхнями та обмеженими перегинами, звісно, спрощує виготовлення поверхонь нагріву котла та їх монтаж, однак заміна лійки дугоподібними поверхнями стінок якісно змінює та спрощує процес утворення високоякісного вихору без численних турбулентностей в пристінному просторі, чим перетворює рух газів та речовин у вихорі у квазіламінарний. Подання газів, сировини та палива практично по дотичній траєкторії до поверхні камери згоряння дає всі вищезазначені переваги - знижену зношуваність поверхонь нагріву, збільшену радіаційну та конвекційну складові теплообміну, більш рівномірний розподіл температури та відсутність місцевих перегрівів та плавлення шлаку, забруднень поверхонь нагріву. Форма та кривизна дуг, які складають переріз стінок нижньої частини камери згоряння, може бути підібрана в широких межах, що залежить від можливих кутових швидкостей обертання вихору, виду та параметрів сировини, палива та іншого. Загалом результатом вірного розрахунку, побудови та експлуатації котла є забезпечення стійкого пристінного руху вихору з мінімальними втратами енергії, в тому числі на тертя потоку та стінки, та мінімальною ерозію стінки. Використання швидкісного вихору дозволяє наблизити процес горіння до стінок, чим покращити радіаційну та конвективну тепловіддачу до корисної площі теплообмінних поверхонь топки (труб, де рухається теплоносій), так як внаслідок відцентрових сил у вихорі у центрі 2 UA 105746 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 камери згоряння процес горіння практично не відбувається, горіння йде вздовж стінок топки, де розташовані теплообмінні поверхні. Також використання вихору дозволяє подовжити час знаходження сировини та палива у робочій зоні котла, що дуже важливо для котла-реактора. Суть винаходу пояснює креслення. Вертикальний переріз топки зображений на кресленні. Топка містить камеру згоряння 1, яка звужується в нижній частині, щонайменше один розподілений пальник 2, вмонтований в стінку камери згоряння, і встановлене в нижній частині камери згоряння сопло 3 для подання повітря в камери згоряння. Вертикальний переріз стінок нижньої частини камери згоряння 6 та 7 має форму зустрічних дуг, внутрішня поверхня яких складає зовнішню поверхню камери згоряння, і які нижніми кінцями утворюють звужену частину камери згоряння У верхній частині камери згоряння розміщене розподілене сопло 4 для подання повітря, встановлене на виступі 5 стінки 7, не нижче пальника 2, і входить в камеру згоряння під кутом від -5° до 1° до прилеглої частини суміжної стінки 7 камери згоряння. Нижня частина топки обладнана під'єднаним до топки транспортером 8. Верхня частина камери згоряння через димохід 9 приєднана до димососу. Топка працює таким чином: Через розподілений пальник 2 у камеру згоряння 1 подають підготовлене (підігріте, просушене, доведене до певної фракції, змішане з іншими компонентами та ін.) паливо та димові гази, відібрані через димосос котла. Потік палива рухається у напрямку до протилежної стінки камери згоряння 7, запалюється, і далі рухається вздовж цієї стінки донизу під дією сил гравітації. При такій конструкції пальників паливо починає горіти не одразу, а ближче до протилежної стінки 7, коли потік з пальників стає менш щільним та швидким, відбувається розбризкування потоку. Вертикальний переріз стінки 7 камери згоряння має форму дуги, завдяки чому потік рухається вздовж неї по дуговій траєкторії, утворюючи вихор. Утворити вихор допомагає розподілене сопло 4, розташоване на виступі 5 на протилежній відносно пальника стінці камери згоряння, через яке подається повітря по майже дотичній траєкторії до суміжної цьому соплу стінки нижньої частини топки 7, а саме під кутом від -5° до 1°. Це сопло знижує залипання палива та інших продуктів на стінці, знижує її абразивне зношування та дозволяє в широких межах регулювати швидкість вихору. В нижній частині камери згоряння через сопло 3 під тиском подають повітря. Потік повітря входить у камеру згоряння 1 по дотичній до протилежної стінки 6. Цей потік направляє вихор по траєкторії, дотичній до вказаної стінки, яка також має форму дуги. В результаті вихор, який утворений частками палива, що горять, повітрям та димовими газами, рухається догори вздовж внутрішньої стінки камери згоряння, якомога ближче до неї. Великі частки палива або іншої сировини, які не втримуються у вихорі, можуть випадати донизу, злипатись між собою. Потік повітря з сопла знизу по дотичній до вихору заважає виходу цих часток з вихору, і піднімає їх догори. Більш великі частки можуть випасти донизу та видаляються з топки підвішеним до топки охолоджуваним транспортером 8, наприклад шнековим, який має затвор або діє як затвор, що не порушує герметичність топки. Далі потік вихору рухається нагору. Завдяки дуговій формі стінки, дії пальника та сил гравітації у верхній частині камери згоряння переважна частина потоку повертається до вихору, і продовжує кільцевий рух по краю камери згоряння 1. Надлишкові димові гази видаляються з камери згоряння звичайним чином через газохід 9 за допомогою димососа, і частково повертаються в котел разом із паливом через розподілений пальник 2. В цілому забезпечується отримання всіх вищевказаних ефектів, а саме зниження механічної ерозії та забруднення стінок топки, зниження витрат енергії на організацію вихрового руху потоку палива, що горить, та сировини при достатньо повному спалюванні палива та більшій тепловій ефективності топки за рахунок покращеного теплообміну між потоком палива, що горить, та стінками камери згоряння. Вихрова топка може бути побудована на базі відомого енергетичного та іншого промислового обладнання і технологій. Особливою перевагою є те, топка може бути побудована на вже існуючих енергетичних підприємствах (зокрема, теплових електростанціях, котельнях) після невеликої їх модернізації. 55 3 UA 105746 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Вихрова топка, що містить камеру згоряння, яка має стінки, що переходять у звужену нижню частину камери згоряння, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку камери згоряння, а також сопла для подачі повітря, одне з яких - нижнє - встановлене в нижній частині камери згоряння, а друге - верхнє - встановлено на стінці камери згоряння, протилежній пальнику, яка відрізняється тим, що стінки камери згоряння виконані таким чином, що мають у вертикальному перерізі форму зустрічних дуг, які нижніми кінцями утворюють звужену частину камери згоряння, а верхнє сопло встановлене на виступі стінки камери згоряння так, що поздовжня вісь цього сопла утворює з прилеглою частиною суміжної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°. 2. Вихрова топка за п. 1, яка відрізняється тим, що верхнє сопло є розподіленим соплом. 3. Вихрова топка за п. 1 або п. 2, яка відрізняється тим, що верхнє сопло встановлене не нижче рівня пальника. 4. Вихрова топка за будь-яким з пп. 1-3, яка відрізняється тим, що пальник є розподіленим. Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4
ДивитисяДодаткова інформація
Автори англійськоюKudenko Hryhorii Ovsiiovych
Автори російськоюКуденко Григорий Овсеевич
МПК / Мітки
МПК: F23C 6/00, F23C 7/00, F23C 5/24, F23C 9/00
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/6-105746-vikhrova-topka.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Вихрова топка</a>
Попередній патент: Спосіб вилучення золота з рудних концентратів
Наступний патент: Вихрова топка
Випадковий патент: Формувач періодичної послідовності з перенастроюваною тривалістю імпульсів і паузи і програмованою затримкою початку формування відносно стартового імпульсу