Вихрова топка

Реферат: Винахід належить до топок та топок-реакторів, а саме сучасних вихрових топок, призначених для одержання теплової енергії згоряння палива, насамперед твердого органічного палива, та отримання продукції з вуглецевмісної сировини внаслідок екзотермічної реакції. Створена вихрова топка містить камеру згоряння, яка звужується у нижній частині, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку, і встановлене в нижній частині камери згоряння сопло для подачі повітря. 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 сопло встановлене таким чином, що його поздовжня вісь утворює з найближчою частиною протилежної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°. Вихрова топка забезпечує зменшення механічної ерозії та забруднення стінки топки і знижені витрати енергії на організацію вихрового руху потоку сировини та палива, що горить, при більш повному спалюванні палива, що дозволяє збільшити теплову та реакційну ефективність котла та котла-реактора. UA 105747 C2 (12) UA 105747 C2 UA 105747 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до топок та топок-реакторів, а саме сучасних вихрових топок, призначених для одержання теплової енергії згоряння палива, насамперед твердого органічного палива, та отримання продукції з вуглецевмісної сировини внаслідок екзотермічної реакції. 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 подають 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 UA83759C2, 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, і встановлений в нижній частині лійки сопловий пристрій для подачі повітря в топку, що містить два сопла. При цьому одне з сопел спрямоване на внутрішню поверхню лійки, розташовану з боку пальника під кутом 65≥≥1, а друге сопло орієнтоване так, що кут між подовжніми осями обох сопел становить 15≥≥5 в площині, перпендикулярній внутрішній поверхні лійки з боку пальника. Недоліком цієї топки є те, що струмінь повітря із сопла, що спрямоване на внутрішню поверхню лійки, захоплює паливо, що падає з верхньої частини топки, і під певним кутом попадає на нижню частину камери згоряння - стінку лійки, та відбивається від цієї стінки. Це призводить до підвищеного механічного ерозійного зношення цієї стінки, частому її шлакуванню, і потребує більш частого планового ремонту, додаткових витрат енергії на організацію вихрового руху та витрат часу та коштів на очищення стінок. В основу винаходу поставлена задача створити вихрову топку, яка забезпечує зменшення механічної ерозії та забруднення стінки топки і знижені витрати енергії на організацію вихрового руху потоку сировини та палива, що горить, при більш повному спалюванні палива, що дозволяє збільшити теплову та реакційну ефективність котла та котла-реактора. Поставлена задача вирішується тим, що у вихровій топці, що містить камеру згоряння, яка звужується у нижній частині, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку, і встановлене в нижній частині камери згоряння сопло для подачі повітря. 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 сопло встановлене таким чином, що його поздовжня вісь утворює з найближчою частиною протилежної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°. У додатковому варіанті сопло є розподіленим соплом. 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. 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 в стінках топки. 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 камери згоряння 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 1 UA 105747 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 процесів між паливом, що горить, та розташованими на стінках топки теплообмінними елементами. 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 - знижене зношування поверхонь нагріву, збільшену радіаційну та конвекційну складові теплообміну, більш рівномірний розподіл температури та відсутність місцевих перегрівів та плавлення шлаку, забруднень поверхонь нагріву. 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 рівномірному 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 та кривизна дуг, які складають переріз стінок нижньої частини камери згоряння, може бути підібрана в широких межах, що залежать 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 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 пальник 2, вмонтований в стінку топки, і розподілене сопло 3 для подання повітря, встановлене в нижній частині камери згоряння таким чином, що його поздовжня вісь утворює з найближчою частиною протилежної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°. Стінки нижньої частини камери згоряння 4 та 5, мають вертикальний переріз у формі зустрічних дуг, внутрішня поверхня яких складає зовнішню поверхню камери згоряння, і які нижніми кінцями утворюють звужену частину камери згоряння. Нижня частина камери згоряння обладнана під'єднаним до топки транспортером 6. Верхня частина топки через димохід 7 приєднана до димососу. Топка працює таким чином: Через пальник 2 у камеру згоряння подають підготовлене (підігріте, просушене, доведене до певної фракції, змішане з іншими компонентами та ін.) паливо. Потік палива рухається у напрямку до протилежної пальнику стінки 5 камери згоряння, запалюється, і дали під дією сил гравітації рухається вздовж цієї стінки донизу. Вертикальний переріз стінки 5 нижньої частини камери згоряння має форму дуги, завдяки чому потік рухається вздовж неї по дуговій траєкторії, утворюючи вихор. В нижній частині топки через сопло 3 під тиском подають повітря. Потік повітря входить у камеру згоряння 1 під кутом від -5° до 1° до протилежної йому стінки 4 нижньої частини камери згоряння. Цей потік направляє вихор по траєкторії, дотичній до вказаної стінки 4, яка також має форму дуги. В результаті вихор, який утворений частками палива, що горять, повітрям та утвореними димовими газами, рухається вздовж внутрішньої стінки камери згоряння 4, якомога ближче до неї, і під дією скривленої догори поверхні стінки повертає у верхню частину камери згоряння. 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 2 UA 105747 C2 5 10 цих часток з вихору, і піднімає їх догори. Більш великі частки можуть випасти донизу та видаляються з топки підвішеним до топки охолоджуваним транспортером 6, наприклад шнековим, який має затвор або діє як затвор, що не порушує герметичність топки. Димові гази видаляються звичайним чином з верхньої частини топки через газохід 7 за допомогою димососу. 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. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 1. Вихрова топка, що містить камеру згоряння, яка звужується у нижній частині, щонайменше один пальник, вмонтований в стінку, і встановлене в нижній частині камери згоряння сопло для подачі повітря, 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 сопло встановлене таким чином, що його поздовжня вісь утворює з найближчою частиною протилежної стінки камери згоряння кут від -5° до 1°. 2. Вихрова топка за п. 1, яка відрізняється тим, що сопло є розподіленим соплом. 3 UA 105747 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 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