CS215984B1 - Kotel pro ohřev nebo odpařování kapalin tepelným zářením - Google Patents

Description

Vynález se týká kotlů pro ohřev kapalin v nejširším slova smyslu, jejich odpařování nebo tepelného zpracování, dále prostého ohřevu plynných látek, popřípadě spojený s jejich tepelnou přeměnou. Přenos tepla se děje téměř výhradně tepelným zářením radiační hmoty bezprostředně z místa, na němž probíhá uvolňování tepla z plynného nebo kapalného paliva řízeným průběhem kontaktně-kinetického principu bezplamenného spalování. Touto koncepcí řízeného průběhu spalování byl zahájen zcela nový vývojový směr v konstrukčních pokusech o reálný typ radiačních kotlů, které se v posledním desítiletí v různých variantách znova staly předmětem zájmu pro své vynikající technické i ekonomické parametry, které se obecně nabízejí.

Dosud ale pokusy o vytvoření kotle pro ohřívání kapalin zářením narážely na obtíže buá pro nedostatky základní technologické koncepce, příliš připomínající orientaci na podmínky katalytického vedení bezplamenného spalování, prováděné před první polovicí dvacátého století, anebo po pozdějším zavedení kontaktně-kinetického principu bezplamenného hoření zase narůstaly obtíže se stabilizací pásma zapalování a pásma intenzivního průběhu hoření, které se měnily s tepelným režimem kotle a nedaly se jako zdroje záření situovat do trvale výhodné polohy k teplosměnným plochém. Navíc směr proudění plynů dříve probíhal zásadně v celé oblasti souběžně nebo podél teplosměnných ploch a přinášel s sebou jednak nevýhodu úniku předčasně zchlazených a tedy i nespálených zbytků plynů do odtahové části kotle, avšak současně i podmínky pro vznik intenzivních samobuzených kmitů. Radiační kotle svými miniaturními rozměry nepřipouštějí cirkulaci hořících plynů, která by zlepšila účinnost spalování.

Částečného řešení se dosáhlo oddělením spalovacího a radiačního pásma, tím však byla porušena základní a limitující myšlenka vytváření velmi intenzivního zářiče, který musí být schopen i přes vysoký odvod tepla si udržovat vysokou a stejnou povrchovou teplotu, pravidelně rozloženou po celé teplosměnné ploše a současně být schopen si na témže povrchu své hmoty potřebné teplo také uvolňovat a předávat je teplosměnným plochám převážně přímo, aniž by se horkých plynů použilo jako hlavního nosného média k přenosu tepla. K starším pokusům přistoupily další obtíže s dodržováním podmínek schvalovacích orgánů, jejichž splnění by u starších konstrukcí těchto kotlů bylo těžko uvést v soulad s principiálními technologickými požadavky a neúměrně by se zvyšovaly nároky na rozsah a cenu regulační a zabezpečovací techniky.

fiešení těchto nedostatků je účelem tohoto vynálezu, podle něhož kotel pro ohřev nebo odpařování kapalin tepelným zářením vznikajícím řízeným průběhem bezplamenného spalování kontaktně kinetickým principem se sběrnými komorami spojenými systémem teplosměnných ploch s přirozeným nebo nuceným oběhem ohřívané kapaliny se vyznačuje tím, že alespoň jedna ze dvou sběrných komor je opatřena v ose symetrie kotle průchodným otvorem napojeným s vnější strany kotle na přívod palivové směsi a ústícím svou vnitřní stranou do volné centrální dutiny s obvodovým tepelněizolačním pláštěm, která je spojena skupinou průduchů s prostorem kotle obklopujícím centrální dutinu, v kterémžto prostoru určeném pro vyplnění radiační hmotou pro plyny propustnou jsou uloženy nejméně dva systémy teplosměnných ploch pro ohřev nebo odpařování kapalin průtočně spojujících obě sběrné komory, přičemž každý z těchto systémů teplosměnných ploch má vždy větší radiální vzdálenost od osy symetrie kotle než systém teplosměnných ploch, který mu ve směru od osy symetrie předchází. Centrální dutina může být vytvořena jako vnitřní prostor tělesa z keramické hmoty nebo může být vytvořena jako prostor vymezený svazkem trubek opatřených na povrchu tepelnou izolací.

Teplosměnné systémy vytvořené jako trubky jsou soustředně rozloženy kolem centrální dutiny a vzájemné rozestupy mezi trubkemi teplosměnného systému s menší radiální vzdáleností od centrální dutiny jsou větší než rozestupy mezi trubkami dalšího teplosměnného systému vzdálenějšího od centrální dutiny.

Rozestupy mezi trubkami teplosměnného systému nejbližšího centrální dutině jsou větší než je průměr vlastní trubky a rozestupy mezi trubkami dalšího teplosměnného systému vzdálenějšího od centrální dutiny jsou menší než průměr vlastní trubky.

Teplosměnný systém vzdálenější od centrální dutiny se může skládat z dutých plášlů, zvláště ve tvaru segmentové klínovité dutiny, rovnoměrně rozložených kolem osy symetrie kotle a mezi jednotlivými dílčími plášti jsou upraveny štěrbinové mezipro3tory radiálně uspořádané v rovinách ležících v ose symetrie kotle.

Jednotlivé teplosměnné systémy trubek mohou být vytvořeny ve tvaru trubkových šroubevic s odlišnými rozestupy mezi jednotlivými sousedními závity.

Toto uspořádání, vycházející ze zásady řízeného průběhu kontaktně kinetického principu bezplamenného spalování, stabilizuje především ve věech fázích provozu kotle vzněcování do centrální dutiny na vnitřní plochy keramické vložky nebo na tepelně izolovanou vrstvu chlazených trubek, tuto dutinu vymezující. Tím se stává poloha místa zapalování nezávislou na změnách tepelného režimu kotle i za tak nepříznivých podmínek, kdy průtočný průřez, kterým plyny proudí, narůstá kvadraticky s radiální vzdáleností oč obvodu centrální dutiny a má snahu posouvat místo vzněcování do místa menší rychlosti proudění. Teplota centrální dutiny se konstrukční úpravou volí v rozmezí od 900 °C až 1 700 °C podle podmínek použitého paliva a účelu použití zařízení. Jiná závažné změna nového uspořádání se projevuje v tom, že geometrické místo intenzivního hoření a pásma nejvyěěích teplot se libovolně zvolí, převážně se však umísluje na začátek vrstvy radiační hmoty, hned na vnější plochu keramické vložky nebo do prostoru radiační hmoty za svazkem chlazených a tepelně izolovaných trubek, vytvářejících volnou centrální dutinu. Avšak v druhém extrémním případě se řízeným průběhem pochodu spalování nechá místo intenzivního spalování a záření posunout též až za první systém teplosměnných ploch.

V obou případech si však pásmo intenzivního spalování a nejvyěších teplot zachovává v podmínkách nového reakčního prostoru i konstrukčním uspořádáním podle vynálezu nejen konstantní radiální vzdálenost a tím i stálou polohu vůči teplosměnným plochám, ale nemění během celého rozsahu tepelného výkonu ani Šířku spalovacího pásma, jak tomu bylo vždy u dosud známých modelů radiačních kotlů, ale s výhodou se mění jen teplota radiační hmoty, což je zvláší příznivý ukazatel přenosu tepla zářením. Studené i horké plyny se vůbec poprvé přímo setkávají s chladicím účinkem kovových ploch na rozdíl od známých konstrukci klasických i radiačních kotlů až na konci spalovacího pásma a proto je spalováni obecně zcela dokonalé i s minimálním přebytkem vzduchu. Největší objem uvolněného tepla se předává zářením přímo ze spalovacího pásma, takže dochlazování je nenáročné na teplosměnné plochy a kotel podle vynálezu snižuje objem radiační hmoty proti srovnatelným předchozím typům radiačních kotlů na část původní hmotnosti a také dále snižuje svou vlastní hmotnost. Tím se zmenši i množství akumulovaného tepla v radiační hmotě, čímž se rozsah bezpečnostních zařízení při selhání oběhového čerpadla kapaliny snižuje na minimum a ve většině případů taková opatření zcela odpadnou.

V neposlední řadě se zcela odstraňuje zdroj vzniku samobuzených kmitů v celém frekvenč ním rozsahu použitím volného tvaru centrální volné dutiny při vzněcování palivové směsi a projevuje se zásadním zjednodušením a nenáročností řídicích a zabezpečovacích zařízení. Spalování i záření probíhá výhradně za proudění plynů napříč svazků varných trubek, zatímco dochlazování podle úvahy se provádí prouděním plynů ve šroubovicích napříč svazků trubek, anebo se změní na opakované proudění podél trubkových stěn. Tuto volbu a možnosti starší radiační kotle neměly a neměly v podstatě proto žádný výběr variant.

Další výhodu lze zdůraznit v tom, že u kotlů podle vynálezu lze vytvořit libovolně širokou výkonovou řadu kotlů, měnících se co do průměru i co do výšky.

Na připojených výkresech je schematicky znázorněno v pěti obrazech sedm variant provedení kotlů pro ohřev kapalin podle vynálezu. Na obr. 1 je znázorněn vodotrubný kotel na ohříváni vody se svislými varnými trubkami v řezu, vedeném svislou rovinou, ležící v ose symetrie kotle, obr. 2 je příkladem uveden schematicky kotel na výrobu páry v kombinaci svislých varných trubek a trubkových šroubovic, a to ve dvou variantách uspořádání vlastní centrální dutiny v řezu, vedeném svislou rovinou v ose symetrie, v obr. 3 jsou zakresleny dvě varianty provedení centrální dutiny teplovodního kotle tlakového se schematicky znázorněným systémem tří různých trubkových šroubovic v řezu rovinou, vedenou osou symetrie kotle, v obr. 4 je zase ve zjednodušeném příkladu uvedena část horní poloviny půdorysného řezu kotlem v rovině kolmé na jeho osu symetrie a představuje kotel s vodotrubnými a plástovými teplosměnnými plochami a obr. 5 znázorňuje schematicky část spodní, poloviny půdorysného řezu kotlem zase v rovině kolmé na osu symetrie v kombinovaném provedení trubkových a plástových segmentů teplosměnných ploch.

Kotel podle obr. ! je vodotrubný kotel vertikálního uspořádání se svislou osou O symetrie, který schematicky a příkladem znázorňuje určitý výměník na ohřívání vody ve tvaru rotačního válce, který je vytvořen tak, že mezi horní sběrnou komorou X opatřenou vrchním průchodním otvorem 2 a mezi dolní sběrnou komorou 2 se spodním průchodním otvorem 6, kuželo vitě tvarovaném, je v ose symetrie 0 sestaven z keramických distančních vložek £ dutý verti kální válec, který tvoří obvodový pléšt volné funkční centrální dutiny £. Jednotlivé distanční vložky X jsou ze žérupevné keramiky, s výhodou skládané jako vícenásobné výseče mezikruží z důvodu odstranění následků tepelného pnutí a nerovnoměrné dilatace, Jednotlivé distanční vložky X se na sebe skládají tak, aby mezi nimi se utvořily vodorovné štěrbinové průduchy j_· Vhodným materiálem pro distanční vložky £ je např. korund, silicium karbid, kysličník zirkonia nebo hmoty se slabými přídavky lithia, thoria apod. Horní i dělní sběrná komora £ a 2 mají odnímatelná čela, která umožní shora i ze zdola přístup jednak ke dvěma systémům varných trubek, prvnímu systému 8 a druhému systému £ β jednak ke dvěma systémům předehřívacích trubek prvnímu systému 10 a druhému systému 11 . které paralelně spojují obě sběrné komory £ a 2 a zpravidla jsou rovnoběžné s osou 0 symetrie kotle, ale z důvodů dilatačních se mohou propojit šikmo nebo v oblouku. Všechny systémy trubek jsou v daném příkla215984 du a pro zjednodušení vytvořeny jako jednořadé svazky trubek, uspořádaných v soustředných válcových plochách o různých radiálních vzdálenostech, přičemž volné vzdálenosti mezi jednotlivými trubkami prvního systému 8 varných trubek jsou zpravidla větší, než je vnější průměr těchto trubek a jsou zaplněny vrstvou radiační hmoty 12. zatímco vzdálenosti mezi trubkami druhého systému 2 varných trubek radiálně vzdálenějšího od osy 0 symetrie jsou menší než průměr jeho trubek, což zabraňuje pronikáni radiační hmoty 12 za tyto trubky.

Vrstva radiační hmoty 12. které může být stejného složení jako pro distanční vložky £ se plní do kotle vrchním průchodním otvorem 2, který slouží současně jako zásobník radiační hmoty 12, která vyplňuje ve tvaru dutých válců prostor mezi sloupcem keramických distančních vložek 1, dále prochází mezi trubkami prvního systému 8 varných trubek a zcela vyplňuje meziprostor až k druhému systému £ varných trubek, kde na jejich vnitřní povrchové ploše náplň radiační hmoty 12 končí. Tu část kotle, která zahrnuje prostor od volné centrální dutiny 2 až do prostoru druhého systému £ varných trubek a je s výjimkou centrální dutiny 2 vyplněna vrstvou radiační hmoty 1 2. tvoří vlastní reakční prostor kotle. V něm probíhá dokonalá spalování a předáváni převážná části tepla výhradně radiací.

První i druhý systém předehřívacích trubek 10 a 11 tvoři předehřívači trubky napojené s libovolnými rozestupy také do obou sběrných komor 1 a 2, jenže jsou mezi sebou spojeny přivařenými prvními a druhými mezižebry 16. 17 a tvoří první a druhou membránovou trubkovou stěnu. Rozdíl je v tom, že přivařené první mezižebra 16 jsou spojena jen s horní sběrnou komorou 1, ale svým dolním koncem nedosahují až k dolní sběrné komoře 2, takže vytvářejí mezi předehřívačími trubkami 10 prvního systému před jejich zaústěním do dolní sběrné komory 2 otvory pro volný průtok plynů. Totéž je uspořádáno u druhých přivařených mezižeber 17 v tom smyslu, že tato žebra nedosahují zase až k horní sběrné komoře 1, čímž zase zde vznikají po celém obvodě kotle otvory pro druhý volný průtok plynů, jenže na protilehlém místě kotle. Při svislých trubkových systémech se často s výhodou opatří prostor mezi přivařenými prvními a druhými mezižebry 16. 17 membránových trubkových stěn výplní ze zrnité keramické hmoty 12, které se výběrem materiálu a funkčně zcela liší od vrstvy radiační hmoty 12.

Vstup vratné vody hrdlem 18 je zaveden tangenciálně do víka horní sběrné komory 1 a voda krouží po jejím obvodě nad prvním a druhým systémem předehřívacích trubek 10, H, protože je oddělena rozdělovacím prstencem 19 od prostoru s teplou vodou, jejíž výstupní hrdlo 20 je také umístěno ve víku horní sběrné komory 1· Vrchní průchodný otvor 1 je uzavřen přírubou vodou chlazená vložky 22. v niž je umístěno nahlížecí okénko 21 a ve výkresu nezakreslené zapalovací a zabezpečovací přístroje. Spodní průchodný otvor 6 má kuželovitý tvar a na jeho přírubě jsou připojeny jednak víko dolní sběrné komory 2, dále hrdlo 14 s přívodem palivové směsi a konečně hrdlo s kuželovitou homogenizační a ochrannou sítovou vložkou 12. Kotel je opatřen pláštěm 22, s nímž je spojen sběrný prstenec 24 spalin a hrdlo 25 odtahu spalin se připojuje na nezakreslený exhaustor, takže celý kotel je v tomto přípúdě trvale vystaven podtlaku.

Kotel podle vynálezu se uvede do chodu a pracuje takto: Přívod směsi paliva a okysličovadla hrdlem 14 se seřídí tak, aby jím proudila 1/10 až 1/4 objemu směsi nominálního výkonu kotle. Směs proudí následkem podtlaku v celém kotli, který je vyvoláván nezakresleným exhaustorem, připojeným na hrdlo 25 odtahu spalin přes homogenizační a ochrannou sílovou vložku 12, do spodního průchodného otvoru 6, upraveného do tvaru trysky, zde se uklidní a odstraní dříve vzniklé viry a vniká do navazující volné centrální dutiny 2· Nezakresleným zapalovacím zařízením se volně proudící směs v centrální dutině 2 zapálí a při počáteční nízké rychlosti proudění hoří otevřeným plamenem. Slabá povrchová vrstva vnitřního pláště centrální dutiny 2» tvořeného keramickými distančními vložkami 1 se rychle ohřeje nad zápalnou teplotu palivové směsi do výše 800 až 900 °C. V této periodě ohřívání, která trvá asi 30 s ještě zůstane vlastní hmota distančních vložek 1 uvnitř studené, ale už se může plynule zvyšovat výkon kotle tak, že během dalších 1,5 a 2 minut dosáhne plného výkonu.

Tím je také dán i rozsah provozní regulace kotle s tím rozdílem, že kotel uvedený nad zápalnou teplotu v centrální dutině 2 má regulační dobu závislou už jen od citlivosti regulačních prvků.

Na konci periody ohřívání centrální dutiny J při startu kotle zmizí samy od *sebe z celého jejího prostoru viditelné plameny a hoření se změní na bezplamenné povrchové a soustředí se výhradně na vnitřní obvodovou plochu keramických distančních vložek i, kde se začne vzněcovat část z palivové směsi, která proudí podle naznačených šipek v daném případě vzhůru centrální dutinou J. Vzněcování se však týká pouze té části proudu palivové směsi, která přichází bezprostředně do kontaktu s vnitřním pláštěm centrální dutiny J, zatímco ostatní objem směsí plynů proudí v daném omezeném prostoru, jakým je centrální dutina J, déle nezapálená a rychlostí vyšší, než je frontální rychlost šíření plamene a vyšší rychlostí i v tom smyslu, že neumožní na tak krátké dráze ohřát zářením všechno proudící médium na jeho zápalnou teplotu. Proto se obvodové vzněcování přenáší dále do štěrbinových průduchů 2 ^a v místech, kde tyto štěrbinové průduchy % ústí do navazující vrstvy radiační hmoty 12. dojde .v kinetických podmínkách hoření a výhradně za styku s členitým povrchem této radiační hmoty 12 k prudkému vzplanutí palivové směsi výhradně bezplamenným hořením. Zde se také lokalizuje pásmo intenzivního spalování a nejvyšších teplot a nemění se výkonem kotle, protože i začátek vzněcování je dán neměnnou plochou na vnitřním obvodě volné centrální dutiny Poloha pásma intenzivního spalování je odvislá od povrchové teploty vnitřního obvodu centrální dutiny J a^ ta zase závisí na odvádění části tepla z prostoru keramických distančních vložek 4, které je tím větší, čím je menší jejich radiální vzdálenost od prvního systému 8 varných trubek.

V případě naprosto těsné blízkosti prvního systému 8 varných trubek od distančních vložek 4 se přenese hlavní spalování mezerami mezi sousedními trubkami vyplněnými radiační hmotou až do vrstvy radiační hmoty 12. uložené mezi oběma systémy 8, 2 varných trubek.

V takovém případě jde sice o extrémní případ, nikoliv však vzácný. Konstrukční uspořádání, uvedené jako příklad na obr. 1 vyvolá však jen střední teplotu centrální dutiny, kolem 1 200 °C. Vrstva radiační hmoty 12 mezí prvním a druhým systémem 8, 2 varných trubek je zcela souvislá a neobsahuje elementy, které by průběh hořeni zhoršovaly nebo dokonce přerušovaly. Proto toto pásmo, at už převezme funkci extrémně vysunutého pásma intenzivního spalování, anebo v převážné většině zůstane jen místem dohořívání náhodných zbytků paliva, se ve spalovacím procesu chová jako ochrana proti unikání nespálených složek paliva do spalin a je to první případ takového opatření vůbec k ochraně čistoty ovzduší v kotelní technice. A při tom to není jen funkce hlavní. Dokonale spálené a silně ochlazené kouřové plyny projdou soustavou úzkých vertikálních štěrbin mezi varnými trubkami druhého systému 2 a přivařená první mezižebra 16 na prvním systému předehřívacích trubek 10 změní příčné proudění spalin, označené v příkladu silnými čárami a šipkami na proudění směrem dolů podél membránové trubkové mezistěny. Protože první mezižebro 16 nedosahuje až k dolní sběrné komoře 2, pronikají spaliny vzniklými mezerami do prostoru mezi systémy předehřívacích trubek 10 a 11 a protože i předehřívací 11 trubky druhého systému jsou spojeny do trubkové mezistěny druhými přivařenými žebry 17. proudí spaliny podél nich směrem nahoru. Protože ani druhá žebra 17 nedosahují v tomto případě horní sběrné komory 1, přecházejí spaliny podobnými mezerami jako předtím v dolní partii kotle do prostoru za trubkovou mezistěnu druhého systému 11 předehřívacích trubek do válcovitého prostoru, ohraničeného z vnější strany pláštěm 23 kotle a dále proudí podél něho směrem dolů do sběrného prstence 24 spalin odkud jsou potrubím, připojeným na hrdlo 25 odtahu spalin odsávány neznázorněným exhaustorem.

Účinek dochlazování spalin mezi prvním a druhým systémem předehřívacích trubek 10 a 11 se zvýší, když tento prostor, v daném případě jako dutý válec o síle stěny rovnající se radiální vzdálenosti přivařených prvních a druhých žeber 16, 17. prvních 16 a druhých 17 se vyplní hrubě zrnitou náplní keramické hmoty 13. který má při teplotě 250 °C větší součinitel sáláni tepla než je celkový součinitel přestupu tepla z plynů na trubkové stěny. Kromě toho svou přítomností způsobuje vytvářeni vírů spalin na stěnách trubek 10, 11 předehřívacích systémů prvního a druhého a zvyšuje součinitel přestupu tepla konvekci. Sálavý účinek povrchově členité výplně keramické hmoty 13 však je svým účinkem nejdůležitější a podstatně se podílí na zmenšení teplosměnných ploch i v nízkých teplotách odpadních spalin, které jsou provozně ještě tolerovány jako ekonomicky přijatelné. Výplň keramické hmoty 13 je z důvodu větší přehlednosti zakreslena křížovým šrafovóním (řídce šrafováno) jen v pravé polovině obr. 1. V levé polovině jsou znatelná přivařená první a druhá mezižebra ,16, 17. v obr. 1 však zakreslena bez keramické hmoty 13.

Zde je nutno zdůraznit, že se na konstrukci všech znázorněných kotlů v obr. 1, 2, 3, 4, 5 nic nemění, bude-li kotel zapojen na přetlakové zavádění směsi paliva, to znamená, že prostory těchto kotlů jsou schopny pracovat s přetlakovým jako podtlakovým režimem bez jakýchkoliv úprav.

Proudění vody nebo jiné kapaliny ohřívané v kotli podle vynálezu probíhá tím způsobem, že chladná kapalina se zavádí do kotle potrubím přes hrdlo 18 vstupu vratné vody, které ústí tangenciálně do víka horní sběrné komory 1 a vratné voda krouží mezi vnějším obvodem horní sběrné komory i a rozdělovaclm prstencem 19 a rozděluje se pravidelně do obou systémů předehřlvaeíeh trubek 10, H, jimi proudí do dolní sběrné komory 2 a vztlakem, vyvolaným ohřátou kapalinou v trubkách varných systémů 8 a 2 stoupá zpět do vzhůru do horní sběrné komory i, kde se odděluje zmíněným rozdělovaclm prstencem 19 od chladné vstupní kapaliny. Kromě toho může docházet i k vnitřní samovolné cirkulaci, při níž se část méně ohřáté kapaliny z prvního systému 8 varných trubek vrací částečně druhým systémem 2 varných trubek, protože rozdělovači prstenec 19 se jak na svém horním, tak i na dolním obvodě zhotoví pro plyny i kapaliny přiměřeně propustný.

Veškeré čidla k řízení a ochraně kotle se v oddělených trubkách zapustí vodou chlazenou vložkou 22 do prostoru centrální dutiny Ve vodou chlazené vložce 22 je i nahlížecí okénko 21. Právě tak se všechno dá umístit do spodního průchodného otvoru 6 a do jeho bezprostředního okolí.

Při použití tekutého paliva se do spodního průchodného otvoru ,6 v kuželovitém uspořádání vloží speciální rozprašovací a směšovací a usměrňovači zařízení na výrobu dokonale homogenního aerosolu, které není předmětem tohoto vynálezu, a proto není ani zakresleno.

Jeho funkce věak je přizpůsobena a proto také vázána na spolupůsobeni s funkční centrální dutinou J a nemůže pracovat ve volném prostoru dnešních klasických kotlů.

V obr. 2 je znázorněna druhá varianta radiačního kotle podle vynálezu, který je znázorněn schematicky zkráceně svislým řezem jako kotel na výrobu suché nebo předehřáté póry.

Na první pohled je jasné, že i zde dominuje funkční centrální dutina J, ale rozdíl je v tom, že levá polovina ukazuje na možnost použití keramických distančních vložek £, zatímco pravá polovina zase znázorňuje provedeni centrální dutiny 3 ohraničené svazkem pomocných trubek 28 s povrchovou tepelnou izolací. Tyto dvě možné úpravy centrální dutiny J přinášejí určité konstrukční změny do jinak stejná koncepce tohoto parního kotle. Společným znakem jsou obě sběrné komory i, 2, jenže jsou proti obr. 1 podstatně menší, protože odpadá část určená pro přivádění vratné kapaliny ohraničená rozdělovacím prstencem 19. Varné trubky prvního systému 8 a druhého systému 2 jsou na pravé straně umístěny ve větší vzdálenosti od osy 0 symetrie, což je způsobeno tím, že pásmo intenzivního hoření se vlivem svazku pomocných trubek 28 s povrchovou tepelnou izolaci přemísti až mezi první a druhý systém 8, 2 varných trubek a proto také vrstva radiační hmoty 12 se musí rozšířit až za varné trubky druhého systému 2» zatímco v levé polovině obr. 1 končí radiační hmota 12 mezi oběma systémy 8 a 2·

Společné znaky kotle podle obr. 2,jsou ty, že hrdlo 18 vstupu vratné vody je spojeno s první konvekčni trubkovou šroubovicí 27. vytvořenou bez mezižeber nebo s nimi, která ohřívá vratnou vodu a předává ji přívodním potrubím 29 do nejnížšího místa dolní sběrné komory 2 a rozvádí ji ve smyslu dvojitě značených šipek. Pára, která se shromáždí nad hladinou vody v horní sběrné komoře 1 se odvádí druhou konvekčni trubkovou šroubovicí 26. které může být provedena s výhodou i ve vícenásobném svazku trubkových šroubovic až k výstupní trubce 30 páry, kterou opouští jako suchá nebo přehřátá péra. Přehřívání páry je výhodnější podle pravé poloviny obr. 2, kde se radiační náplň dotýká až druhé konvekčni trubkové šroubovice 26.

I

Kotel znázorněný v obr. 2 má hrdlo 14 přívodu palivové směsi na rozdíl od obr. 1 napojený na horní straně funkční centrální dutiny 2, je veden do spirálního směšovače 33 tangenciálně k ose 0 symetrie, tím palivová směs rotuje kolem homogenizační a ochranné sítové vložky £2, prostupuje ji a proudí středem vodou chlazené vložky 22 do centrální dutiny 2· Z toho důvodu se všechny provozní, regulační a měřicí čidla zavádějí odděleně několika nebo jednou průchodnou trubkou 32 v dolní sběrné komoře 2, ale nahlížecí okénko 21 zůstává v nejvyšší poloze kotle. Podle obr. 2 je exhaustor 31 vytvořen jako podstavec stojatého kotle. Jinak jsou vztahové značky ve všech obrazech pro funkčně a tvarově stejné díly označeny stejně a proto nejsou ve výkladu opakována.

Jinou variantu kotle podle vynálezu znázorňuje obr. 3. Jde o typickou střední část kotelní konstrukce na výrobu tlakové vody nebo jiné kapaliny se zvýšenou užitnou teplotou, upravenou podle zásad radiačního kotle, který je předmětem vynálezu. Vyznačuje se tím, že nejen systémy 8, 2, 10 a 11 trubek z obr. 1, ale i systémy konvekčních trubkových šroubovic 26 a 27 z obr. 2 jsou nahrazeny do série zapojenými třemi trubkovými šroubovicemi stejného průřezu první 21, druhou 35 a třetí 36. Které jsou vinuty soustředně k ose 0 a liší se od sebe navzájem nejen různými radiálními vzdálenostmi od osy 0, ale především stoupáním závitů, čímž se vytvářejí technologicky nutné, šířkově odlišné a dříve diskutované mezery mezi trubkami, jak to bylo vysvětleno v textu popisu kotle podle obr. 1. Spodní část obr. 3 ukazuje uspořádání centrální dutiny 2 s keramickými distančními vložkami £, ve střední části obr. 3 je naznačena možnost jejich náhrady svazkem pomocných trubek 28 s povrchovou tepelnou izolací. Označení směru proudění kapalin a plynů různě znázorněnými šipkami odpovídá popisu předchozích obrazů 1, 2, 3. Je samozřejmé, že osa 0 symetrie podle obr. 3 může zaujímat libovolnou polohu právě tak, jako i u všech kotlů podle obr. 1 a obr. 2, budou-li vytvořeny konstrukční předpoklady pro správný oběh kapaliny v celé soustavě.

Zvláštní místo v konstrukčním uspořádání kotlů podle vynálezu zaujímají pláštové kotle podle obr. 4 a obr. 5. Toto pojmenování však charakterizuje pouze ony části radiačních kotlů podle vynálezu, které se nacházejí na vnějším obvodu vlastního reakčního prostoru, ale zato zahrnují celý úsek dochlazování. To znamená, že kolem funkční centrální dutiny 2, která je v obr. 4 příkladem uvedena jako pravidelný čtyřboký hranol, je vytvořen její plášt ve tvaru skládaných distančních vložek £ čtvercovítého profilu, oddělených mezi sebou štěrbinovými průduchy 2, které v obr. 4 nejsou viditelné. Podle toho, jak se zvolí poloha budoucího spalovacího pásma se určí radiální vzdálenost prvního systému 8 varných trubek, jejichž funkce je stejná jako v obr. 2 a obr. 1. Avšak druhý systém 2 varných trubek v obr. 1 a 2 je nahrazen jednak vnitřními dutými prostory 43 a jednak dutým obvodovým pláštěm které jsou protékány vodou, protože jsou spolu s prvním systémem 8 varných trubek připojeny nahoře i dole na sběrné komory, které nejsou v obr. 4 zakresleny. Všechny meziprostory 22, vzniklé buň mezi sousedícími vnitřními dutými prostory 43 nebo mezi těmito prostory 43 a dutým obvodovým pláštěm 44 jsou zpravidla všechny nebo jejich větší část klínovitého tvaru se zužováním směrem k obvodu kotle a jsou vyplněny vrstvou keramické hmoty ih zatímco prostor od pláště centrální dutiny 2 ež za první systém 8 varných trubek je vyplněný radiační hmotou 12. Křížovým Šrafováním nejsou od sebe rozlišeny. Meziprostory 22 jsou vlastně místa, kde dochází k dochlazování spalin, které ústí do svislých kanálů 38. odkud se teprve odvádějí do odtahu.

Varianta rotačního kotle podle vynálezu zobrazená půdorysem řezu v obr. 5 je obdobou kotle v obr. 4 s tím rozdílem, že funkční centrální dutina 2 je vymezena svazkem pomocných trubek 28, v tomto případě s částečnou povrchovou tepelnou izolací, nasměrovanou dovnitř centrální dutiny 2, která má ještě silnější ochlazovací vliv na centrální dutinu 2 než trub· ky s izolační vrstvou po celém svém obvodu a tím se zesiluje řídicí vliv na průběh kontaktně kinetického způsobu bezplamenného spalování, který se v tomto případě projeví lokalizováním pásma intenzivního spalování a maximálních teplot převážně do prvního systému 8 mezi varné trubky nebo těsně za ně směrem od osy 0 symetrie. Obvodový plášt kotle je opatřen po obvodě větším počtem klínovitých dutin 39 se silně zaoblenou špičkou dutiny a naplněných vodou s výjimkou plochých kouřových trubek £0. Klínovité dutiny 39 jsou rozděleny přepéž215984 koti £1, které rozděluje klínovité dutiny 39 na dva nestejně veliké a samostatné prostory. Větším prostorem blíže pléště kotle 23 proudí směrem dolů chladnější vratné voda a je ohřívána proudem spalin od plochých kouřových trubek 40. Menším prostorem ve špičce klínovité dutiny 39 proudí vzhůru teplé voda, oddělená přepážkou 41 z nezakreslené dolní sběrné komory 2 do horní sběrné komory 1· Meziprostory 37 jako v obr. 4 slouží k dochlazování, jsou vyplněny keramickou hmotou 13, zatímco vlastní reakční prostor radiační hmotou 12 a obě jsou znázorněny stejným křížovým šrafováním bez rozlišení. Z meziprostorů 37 proudí téměř vychlazené spaliny do obvodového sběrného prostoru 42 a šroubovicovým pohybem mezi pláštěm 23 kotle a zadními stěnami klínovitých dutin 39 se převádějí do plochých kouřových trubek 40 a dále do odtahu spalin. Tyto partie nejsou v obr. 5 zaznamenány.

V obr. 2, 3, 4 a 5 bylo poukázáno na to, jak se v praxi uplatni hlavní konstrukční zásady, uvedené podrobně na příkladě v obr. I a jak lze kombinaci některých použitých konstrukčních prvků odvodit řadu dalších variant s použitím jednotného systému reakčního prostoru, tvořeného některým z uvedených typů obvodové plochy centrální dutiny se zákonitě rozmístěnými teplosměnnými plochami až do míst, kde konči spalování a intenzívní radiace tepla. Tak se kotel podle vynálezu a všechny jeho varianty, které se řídí stejným základním principem stal univerzálním představitelem kotlů všech výkonů od nejmenších až do největších energetických typů. To je znak novosti v koncepci vývoje kontinuálních řadových typů kotlů s rovnoměrným a současným růstem všech dimenzí. Odpadá tedy nutnost seskupovat pro velké výkony rady malých jednotek a spojovat je nákladnou ovládací a řídicí technikou, protože kotle podle vynálezu se dají ve svém výkonu plynule regulovat v rozsahu 1:10. Přitom efektivní účinnost kotle při jeho maximálním výkonu, při němž teploty kouřových plynů nepřekročí 240 °C, neklesne účinnost pod 92 %.

Není-li limitujícím znakem kotle předepsané rozmezí komínových teplot spalin, ale jen hranice rosného bodu pro kotel, pak při teplotě kouřových plynů volených s bezpečnosti kolem 100 °G byla změřena už účinnost kotle na 96 %. To je znakem dokonalého spalování a nízkých ztrát tepla sáláním, plynoucích z miniaturizace zařízení. Tyto základní parametry s výhodami rychlého ohřevu malého objemu ohřívané kapaliny a malého potřebného prostoru i půdorysné plochy, velké přizpůsobivost předurčuje tento typ kotlů pro použití jako jednotkových tepelných zdrojů u výrobních průmyslových linek, v energetickém průmyslu libovolných výkonů i parametrů, ale i v nevýrobní sféře v oblasti blokových kotelen apod.

Claims (7)

1. Kotel pro ohřev nebo odpařování kapalin tepelným zářením vznikajícím řízeným průběhem bezplamenného spalování kontaktně kinetickým principem se sběrnými komorami spojenými systémem teplosměnných ploch s přirozeným nebo nuceným oběhem ohřívané kapaliny, vyznačující se tím, že alespoň jedna ze dvou sběrných komor (1, 2) je opatřena v ose (O) symetrie kotle průchodným otvorem (6, 7) napojeným z vnější strany kotle na přívod (14) palivové směsi a ústícím svou vnitřní stranou do volné centrální dutiny (3) s obvodovým tepelněizolačním pláštěm, která je spojena skupinou průduchů (5) s prostorem kotle obklopujícím centrální dutinu (3), v kterémžto prostoru určeném pro vyplnění radiační hmotou (12) pro plyny propustnou jsou uloženy nejméně dva systémy (8, 9) teplosměnných ploch pro ohřev nebo odpařováni kapalin průtočně spojujících obě sběrné komory (1, 2), přičemž každý z těchto systémů (8, 9) teplosměnných ploch má vždy větší radiální vzdálenost od osy (0) symetrie kotle než systém (8, 9) teplosměnných ploch, kteitý au ve směru od osy (0) symetrie předchází.

2. Kotel podle bodu 1, vyznačující 3β tím, že centrální dutina (3) je vnitřním prostorem tělesa z keramické hmoty.

9 215984

3. Kotel podle bodu 1, vyznačující se tím, že centrální dutina (3) je vytvořena jako prostor vymezený svazkem trubek (28) opatřených na povrchu tepelnou izolací.

4. Kotel podle bodů 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že teplosměnné systémy (8, 9) vytvořené jako trubky jsou soustředně rozloženy kolem centrální dutiny (3) a vzájemné rozestupy mezi trubkami teplosměnného systému (8) s menSí radiální vzdáleností od centrální dutiny (3) jsou větáí než rozestupy mezi trubkami dalšího teplosměnného systému (9) vzdálenějšího od centrální dutiny (3).

5. Kotel podle bodů 1, 2 nebo 3 a 4, vyznačující se tím, že rozestupy mezi trubkami teplosměnného systému (8) nejbližšiho centrální dutině (3) jsou větší než je průměr vlastní trubky a rozestupy mezi trubkami dalšího teplosměnného systému (9) vzdálenějšího od centrál ní dutiny (3) jsou menší než průměr vlastní trubky.

6. Kotel podle bodů 1 a 2 nebo 3, vyznačující se tím, že teplosměnný systém (9) vzdálenější od centrální dutiny (3) se skládá z dutých plášťů, zvláště ve tvaru segmentové klínovité dutiny (39), rovnoměrně rozložených kolem osy (0) symetrie kotle a mezi jednotlivými dílčími plášti jsou upraveny štěrbinové meziprostory (37) radiálně uspořádané v rovinách ležících v ose (0) symetrie kotle.

7. Kotel podle bodů 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že jednotlivé teplosměnné systémy trubek jsou vytvořeny ve tvaru trubkových šroubovic (34, 35) s odlišnými rozestupy mezi jednotlivými sousedními závity.