CZ11318U1 - Uspořádání spalovacího prostoru u kotle na spalování pevných paliv - Google Patents

Description

Uspořádání spalovacího prostoru u kotle na spalování pevných paliv

Oblast techniky

Technické řešení se týká konstrukce kotle na pevná paliva, pracujícího s minimálním přebytkem spalovacího vzduchu, nízkou emisí škodlivin a vysokou účinností.

Dosavadní stav techniky

Teplovodní kotle pro vytápění rodinných domků, v nichž se spaluje pevné palivo, například tříděné černé uhlí, hnědé uhlí, hnědouhelné nebo dřevěné brikety či dřevní pelety, jsou v novějším konstrukčním pojetí postaveny na principu pyrolytického spalování, při němž nejprve pevné palivo předehřáté na teplotu min. 500 °C částečně zplyní za nedostatku primárního ío vzduchu a poté pyrolýzou uvolněné plynné složky paliva dohoří přidáváním dospalovacího sekundárního vzduchu.

Použité pevné palivo potřebuje ke zplynění takový způsob spalování, při němž probíhá hoření za nedostatku primárního spalovacího vzduchu ajeho množství přiváděné do vrstvy paliva ke spalování musí být jen tak velké, aby bylo dosaženo rovnovážného stavu mezi teplem potřebným pro zplynění a teplem uvolněným ze spalovaného paliva.

Po zplynění nastává druhá fáze spalování, v níž pyrolýzou vzniklý otopný plyn s reziduálním primárním spalovacím vzduchem se přivádí do prostoru, v němž dochází ke spalování spojenému s přívodem sekundárního dospalovacího vzduchu a při tomto typu hoření dochází ke spalování produktů pyrolýzy, především oxidu uhelnatého. V tomto dospalovacím prostoru musí být sekundární vzduch optimálně využit tzn., že musí být intenzivně a co nejdokonaleji smísen s otopným plynem, což se prakticky může dít zvýšením tlakové ztráty v dospalovacím prostoru různými konstrukčními zásahy do uspořádání spalovacího a dospalovacího traktu kotlů, nevýhodněji pak přiváděním sekundárního vzduchu nebo spalin ke spalovacímu procesu pomocí ventilátoru.

Nedostatky některých současných řešení spočívají v příliš velké tlakové ztrátě sekundárního vzduchu ovlivněné konstrukcí spalovací komory spolu s tvarem a uspořádáním teplosměnných výměníků, které nepřihlížejí příliš důsledně k požadavku, aby kolísání rychlosti proudu odtahovaných spalin bylo minimální. Velká tlaková ztráta sekundárního vzduchu pak vyžaduje, aby jeho účinné množství přiváděné ke spalování bylo podpořeno instalací spalinového a/nebo vzduchového ventilátoru, který komplikuje a prodražuje provedení kotle. Některé vstupní parametry kotle jsou konstantní, například velikost spalovacího prostoru, druh paliva, jeho výhřevnost a rychlost hoření a proto jakákoliv změna některého z parametrů, například zvýšená vlhkost paliva, může podstatně zhoršit parametry kotle a vznikají také časté problémy s dehtováním a zanášením členitých částí spalovacího traktu.

Předložené technické řešení si předsevzalo za cíl vytvořit takové konstrukční uspořádání kotlového spalovacího prostoru, které umožní pyrolytické spalování tuhých paliv s minimální potřebou primárního spalovacího vzduchu, zdokonalené míšení sekundárního vzduchu se zplyněnou složkou pevného paliva, izokinetiku spalin v teplosměnném prostoru, podstatně sníženou emisi škodlivin, teplosměnné plochy uspořádané tak, aby kotel měl příznivě nízké vnitřní tlakové ztráty a umožňoval provoz i s malým komínovým tahem, a to vše při dodržení vysoké tepelné účinnosti kotle.

Podstata technického řešení

Stanovený cíl a popsané nedostatky stávajícího stavu řeší dále pojednávané uspořádání spalovacího prostoru u kotle na spalování tuhých paliv, kde takový kotel sestává obvykle kromě dalších z násypky, odhořívací šachty, roštovacího ústrojí s popelníkem, spalovací komory s hořákovým

-1 CZ 11318 Ul ústrojím, přívodem pro plynnou složku spalování a sekundární vzduch, hydraulicky propojenými teplosměnnými tělesy, odtahovým spalinovým prostorem s komínovou klapkou a vyústěním kouřovodu, žáruvzdornou vyzdívkou a opláštěním s tepelnou izolací. Podstata technického řešení spočívá v tom, že spalovací komora kotle navazující na spodní část odhořívací šachty je zdola otevřená aje ohraničena plochými teplosměnnými tělesy skloněnými vůči sobě pod ostrým úhlem a zvnitřku obloženými keramickou výstelkou a kde přední teplosměnné těleso tvoří odzdola zkrácenou stěnu odhořívací šachty, přičemž napříč spalovací komorou jsou vodorovně vedle sebe ve společné rovině uspořádány přívody sekundárního vzduchu uložené u vnitřních stěn obou teplosměnných těles a klínový V-prostor spalovací komory mezi teplosměnnými tělesy v oblasti přívodů sekundárního vzduchu tvoří konfuzor-difuzor spalovací komory kotle.

Mezi vnitřními stěnami teplosměnných těles a mezi přívody sekundárního vzduchuje ponechána obtoková mezera pro recirkulaci spalin, přičemž tato mezera může mít tvar nepřerušované podélné štěrbiny.

Ve vodorovné rovině protínající podélné osy přívodů sekundárního vzduchu stěna každého z těchto přívodů, odvrácená od plochých teplosměnných těles, je opatřena řadou vzduchových tiysek. Ve výhodném provedení přívody sekundárního spalovacího vzduchu mají vnitřní kruhový průřez.

Spodní část spalovací komory, tvořící konfuzor/difuzor, je nad přívody sekundárního vzduchu opatřena alespoň jedním keramickým zapalovačem plnícím současně funkci stabilizátoru plamene, který je uspořádán symetricky mezi nárazovým párem teplosměnných těles.

Ve směru proudících spalin jsou keramické výstelky spolu nárazovým párem teplosměnných těles v oblasti spalovací komory odkloněny od keramického zapalovače a stabilizátoru pod ostrým úhlem a naopak teplosměnná tělesa nacházející se za obratem spalin v odtahové části kotle jsou vůči sobě přikloněna pod ostiým úhlem.

Teplovodní kotel se spalovacím prostorem podle předloženého technického řešení pracuje na katalyticko-pyrolytickém principu spalování ajeho nízká tlaková ztráta umožňuje topný provoz od 8 Pa i méně. Konstrukce kotle zajišťuje ekologické a ekonomické spalování velkého spektra pevných paliv, od černého a hnědého uhlí až po granulovaný dřevní odpad, přičemž podmínkou je pouze granulometrie paliva. V plnoautomatickém provedení kotel pracuje, podle velikosti násypky, bez nutnosti obsluhy i několik týdnů.

Přehled obrázků na výkrese

Podstata technického řešení je blíže objasněna v dalším popisu, který odkazuje na připojený výkres na němž obr. 1 představuje ve schematickém zjednodušení řez teplovodním kotlem a obr. 2 v detailu znázorňuje oblast spalovací komory s přívody sekundárního vzduchu a s kera35 mickým zapalovačem a stabilizátorem plamene.

Příklad provedení technického řešení

Obr. 1 představuje pohled do vnitřku teplovodního kotle, na němž pro lepší přehlednost nejsou znázorněny detaily a prvky, většinou obecně známé a které nejsou nutné pro pochopení podstaty technického řešení, jako je například tepelná izolace, vodní propojení teplosměnných těles a jejich tvar, obvodový vodní plášť, násypné a roštovací zařízení, komínová klapka a její ovládání atd. V tomto vyobrazení je patrná násypka i z níž klesá pod přirozeným sypným úhlem odhořívací šachtou 2 postupně předehřívané palivo a za nedostatku primárního spalovacího vzduchu vyhořívá v ohništi 3, přičemž dochází kjeho zplyňování. Vodorovná rovina proložená přívody 4 tvoří myšlený předěl, pod nímž se nachází konfuzor a nad ním difuzor spalovací prostoru. Společně je tato oblast dále pojmenována jako spalovací komora 5. Otopné plyny uvolněné postupným zahříváním paliva stoupají ke spalování mezi přívody 4 sekundárního vzduchu do spalovací komory 5. Dokonalé spálení těchto plynných zplodin umožňuje přívod

-2CZ 11318 Ul přebytku atmosférického sekundárního spalovacího vzduchu z trysek 6 přívodů 4, podle obr. 2. Stabilizaci plamene tohoto hoření zajišťuje keramický zapalovač a stabilizátor 7, ve formě desky, kteiý slouží současně jako zapalovací hlava s teplotou postačující k zapálení otopného plynu pro případ utržení plamene. Přívody 4 sekundárního vzduchu probíhají po celé šířce ohniště 3 kotle ajsou ustaveny ke stěnám prvního páru teplosměnných těles 8, 9 s obtokovou mezerou 12. Teplosměnná tělesa 8, 9 tvoří nárazový pár ajsou obložena keramickými výstelkami 13 ajsou vůči sobě, resp. vůči keramickému zapalovači a stabilizátoru 7 skloněna pod ostrým úhlem a vytvářejí tak klínový V-prostor spalovací komory 5, který respektuje izokinetiku spalin v závislostí na růstovém teplotním gradientu při jejich víceméně vertikálním prostupu spalovací komorou 5. Podobně, po ohybu spalin opouštějících nárazový pár teplosměnných těles 8, 9 v horní části spalovací komory 5 postupně ochlazující se spaliny jsou vedeny klínovitě uspořádanými prostory mezi teplosměnnými tělesy 9, 10. Keramická výstelka 13 tvoří vlastně hořák ve spalovací komoře 5 a v této oblasti pak dochází k dokonalému katalytickému spalování. V-tvar této spalovací komory 5 a prostorová orientace teplosměnných těles 8,9,10, Π. umožňuje zachovávat konstantní rychlost spalin při jejich proměnném průtočném objemu a dovoluje zvyšovat jejich teplotu až na 1450 °C.

Sklon teplosměnných těles 8, 9, JO, J_1 totiž kontinuálně respektuje okamžitý stav objemu protékajících spalin, který se zvětšuje při růstu teploty spalin a v oblasti odtahu se zmenšuje, protože spaliny předáváním tepla teplosměnným plochám se ochlazují. Tímto způsobem vznikají v celém objemu kotle příznivé tlakové poměry a proto se zde nevyžaduje ventilační jednotka, která by musela upravovat tlakové poměry v kotli tím, že by se ke spalování musel dopravovat z j iného místa sekundární vzduch.

Vznikající tlaková ztráta spalin je využívána k tomu, aby jejich část byla strhávána do obtokové mezery J2 a opětně vtahována mezi trysky 6 přívodů 4 sekundárního vzduchu ve smyslu šipek na obr. 2. Recirkulující spaliny v tomto místě zdokonalují míšení otopných plynů se sekundárním vzduchem z trysek 4 a zajišťují jeho přísun v dostatečném přebytku k dokonalému spalování otopného plynu ve spalovací komoře 5.

Ostatní teplosměnná tělesa 14 jsou velikosti, sklonem a prostorovým uspořádáním ve vnitřku kotle navržena tak, aby kotel měl nízké vnitřní tlakové ztráty a umožňoval provoz i s malým komínovým tahem.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Uspořádání spalovacího prostoru u kotle na spalování pevných paliv, kde tento kotel sestává obvykle kromě dalších z násypky (1), odhořívací šachty (2), roštovacího ústrojí s popelníkem, spalovací komory (5) s hořákovým ústrojím, přívodem pro plynnou složku spalování a sekundární vzduch, hydraulicky propojenými teplosměnnými tělesy (8, 9, 10, 11), odtahovým spalinovým prostorem s komínovou klapkou a vyústěním kouřovodu, žáruvzdornou vyzdívkou a opláštěním s tepelnou izolací, vyznačující se tím, že spalovací komora (5) kotle navazující na spodní část odhořívací šachty (2) je zdola otevřena aje ohraničena plochými teplosměnnými tělesy (8, 9) skloněnými vůči sobě pod ostrým úhlem a zvnitřku obloženými keramickou výstelkou (13) a kde přední teplosměnné těleso (8) tvoří odzdola zkrácenou stěnu odhořívací šachty (2), přičemž napříč spalovací komorou (5) jsou vodorovně vedle sebe ve společné rovině uspořádány přívody (4) sekundárního vzduchu uložené u vnitřních stěn obou teplosměnných těles (8, 9) a klínový V-prostor spalovací komory (5) mezi teplosměnnými tělesy (8, 9) v oblasti přívodů (4) sekundárního vzduchu tvoří konfuzor-difuzor spalovací komory (5) kotle.

   -3 CZ 11318 Ul
2. 2. Uspořádání spalovacího prostoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi teplosměnnými tělesy (8, 9) a přívody (4) sekundárního vzduchu je ponechána obtoková mezera (12) pro recirkulaci spalin.
3. 3. Uspořádání spalovacího prostoru podle nároku 2, vyznačující se tím, že

   5 obtoková mezera (12) má tvar podélné nepřerušované štěrbiny.
4. 4. Uspořádání spalovacího prostoru podle nároků la2, vyznačující se tím, že ve vodorovné rovině, protínající podélné osy přívodů (4) sekundárního vzduchu, je stěna každého z přívodů (4) odvrácená od plochých teplosměnných těles (8, 9) opatřena řadou vzduchových trysek (6).

   io
5. 5. Uspořádání spalovacího prostoru podle nároků laž3, vyznačující se tím, že přívody (4) sekundárního spalovacího vzduchu mají vnitřní kruhový průřez.
6. 6. Uspořádání spalovacího prostoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve spalovací komoře (5) je nad přívody (4) sekundárního vzduchu a symetricky mezi teplosměnnými tělesy (8,9) ustaven nejméně jeden keramický zapalovač a stabilizátor (7) plamene.

   15 7. Uspořádání spalovacího prostoru podle nároku 1, vyznačující se tím, že ve směru proudících spalin jsou keramické výstelky (13) spolu s teplosměnnými tělesy (8, 9) odkloněny od keramického zapalovače a stabilizátoru (7) a naopak teplosměnná tělesa (9, 10) jsou k sobě přikloněna, přičemž oba sklony jsou provedeny pod ostrým úhlem.