CZ154491A3 - Teplovodní kotel - Google Patents

Abstract

Teplovodní kotel pro spalování hořlavé směsi plynu a vzduchu v pracovním prostoru, který je alespoň z části vyplněn aktivní hmotou, složenou z vrstev má vstupní vrstvu /A/ s minimální tepelnou vodivostí a maximální tepelnou odolností, výhodně keramickými tělísky,střední vrstvu /B/ se střední tepelnou vodivostí a odolností a výstupní vrstvu /C/ vysoké tepelné vodivosti, tvořenou hlůiníkem a/nebo jeho slitinami.

Description

Vynález se vztahuje na teplovodní kotel pro spalováni hořlavé směsi plynu a vzduchu v pracovním prostoru, který je alespoň z části vyplněn aktivní hmotou, složenou z vrstev.

Teplovodní kotle na spalování hořlavé směsi plynu a vzduchu, u nichž alespoň část pracovního prostoru je vyplněna aktivní hmotou, jsou známy, mimo jiné z řady popisů k československým autorským osvědčením. Velmi jednoduché řešení je uvedeno v popisu k československému autorskému osvědčení číslo 2ó2 101. Teplovodní kotel je zvořen dvěma souosými plášti tvaru uzavřených nádob, kde vnitřní kratší pláší tvoří pracovní prostor kotle, vyplněný aktivní hmotou. U takovýchto kotlů se část hořlavé směsi spaluje ve volném prostoru, avšak většina směsi se spaluje bezplamenným spalováním na povrchu tělísek aktivní hmoty. Protože značná část tepla, získaná spalováním, se přenáší na teplosměnné stěby zářením, označují se kotle tohoto druhu jako kotle radiační.

Uvedené kotle mají vysokou účinnost a přitom poměrně krátkou stavební délku. Ve své vstupiť oblasti pracují však s vysokými teplotami mezi 1700 až 1800 °C. Proto aktivní, jmenovitě keramická hmota musí být velmi kvalitní, žáruvzdorná. V nižších částech kotle však teplota prudce klesá, takže použití kvalitní aktivní hmoty je tam již-zbytečné. Nejen to. V nejnižších partiích kotle působí keramická hmota jako špatný vodič tepla. To znemožňuje efektivnější využití tepla ve vystupujících spalinách, případně využití až latenního tepla obsaženého ve vodních parách vystupujících spalin.

Tuto nevýhodu odstraňuje vynalez podle popisu k československému autorskému osvědčení č. 269 l>0, kde náplň aktivní hmoty je rozdělena na dvě pásma. Horní pásmo, na než dopadá hořící směs, obsahuje keramickou hmotu, kdežto dolní pásmo je tvořeno materiálem o vysoké tepelné vodivosti, například kovovými tělisky. Toto řešení znamená'významný pokrok, protože umožňuje využívat i teplo uvolněné kondenzací vodních par. Jak však ukázal teoretický rozbor i praktické zkušenosti, jde o řešení nedůsledné.

Úkolem vynálezu je upravit aktivní náplň v jednotlivých pásmech pracovního prostoru kotle tak, aby có nejlépe odpovídala tepelným poměrům v jednotlivých pásmech.

Úloha je řešena vytvořením teplovodního kotle na spalování hořlavé směsi plynu a vzduchu v pracovním prostoru, který je alespoň z části vyplněn aktivní hmotou, složenou z vrstev, jehož podstata je podle vynálezu v tom, že vrstvy aktivní hmoty jsou nejméně tři, přičemž vstupní vrstva je tvořena hmotou s minimální tepelnou vodivostí a maximální tepelnou odolností, střední vrstva se střední tepelnou vodivostí a odolností a výstupní vrstva hmotou s vysokou tepelnou vodivostí.

Uvedené rozdělení aktivní hmoty do tří vrstev a tím i pracovního prostoru kotle do tří pásem vyplývá z rozdílných tepelných podmínek, jež vznikají v jednotlivých pásmech kotle.

V pásmu vstupní vrstvy, zejména v blízkosti její horní plochy, panuje vysoká teplota v rozmezí 1200 až 1400 °C. Při těchto teplotách se většina energie, získané spálením hořlavé směsi, předává na teplosměnné stěny teplovodního kotle zářením. Aktivní hmota musí mít nejen minimální tepelnou vodivost, ale

- 3 i vysokou tepelnou odolnost, aby se při těchto teplotách ani nerozpadala, ani nespékala. Ve vstupní vr3tvě dochází též k di3ociaci všech oxidů dusíku, pokud jsou v hořlavé směsi obsa ženy.

V pásmu střední vrstvy jsou již podmínky zcela jiné. Tepelný výkon, přenášený zářením, je totiž závislý na čtvrté mocnině absolutní teploty. To například znamená, že při pokle su teploty z 1400 °C na 800 °C klesá teplem vyzařovaný výkon na pouhých cca 17 z výkonu při teplotě 1400 °C. Aktivní hmo ta plní ve střední vrstvě jiný úkol, než ve vrstvě vstupní. Jejím úkolem je maximálně rozvířit proud spalin a dosáhnout kontaktu maximálního množství spalin s teplosměnnými stěnami a předat jim teplo převážně přestupem. V tomto pásmu se ještě neprojevuje uvolňování tepla kondenzací vodních par, obsažených ve spalinách.

Je důležité dosáhnout i toho, aby teplota ve středním pásmu rychle klesla z^A dcar8Q0 :°C, kterážto teplota se přibliž ně vyskytuje v oblasti horní hranice středního pásma, na teplotu pod cca 400 °C. V tomto teplotním rozmezí mohou totiž vznikat oxidy dusíku rekombinací, pokud se jim dá k tomu dostatek času. Proto je třeba schladit spaliny co nejrychleji na teplotu pod cca 400 °C. K tomu přispěje, když střední vrst va aktivní hmoty má tepelnou vodivost kovu.

V pásmu výstupní vrstvy klesají teploty spalin ještě níže a to v konečné fázi pod 100 °C, například až na 7θ °G. Při těchto teplotách nemá záření již význam. Uplatňuje se však no vý faktor a to předávání tepla, zachyceného aktivní hmotou do teplosměnných, stěn sdílením. Proto musí mít aktivní hmota ve výstupní vrtsvě vysokou tepelnou vodivost.

Teplovodní kotel, vytvořený podle vynálezu , má přednost mimo jiné v tom, že šetří potřebné množství kvalitní aktivní hmoty o nízké tepelné vodivosti a vysoké tepelné odolnosti, která je poměrně drahá, iodle současného stavu techniky, to je při dvou vrstvách aktivní hmoty, musí být touto kvalitní aktivní hmotou naplněno nejen pásmo vstupní, ale i střední pásmo pracovního prostoru kotle, přesto že tak vysoká kvalita aktivní hmoty ve středním pásmu již není nutná. To je způsobeno tím, že vysoce vodivá hmota z výstupního pásma nemá dostatečnou odolnost pro teploty panující v pásmu středním.

Další významnou předností kotle podle vynálezu je rychlý pokles teploty spalin v tepelném pásmu od cca 800 °G do cca 400 °C, čímž se zabraňuje případné rekombinaci atomárního dusíku s kyslíkem na oxidy dusíku. Nízká tepelná vodivost vysoce kvalitní aktivní hmoty se ve středním pásmu projevuje jako ekologická nevýhoda, protože snižuje rychlost ochlazování spalin a tak zvyšuje možnost vzniku oxidů dusíku. Vzniku oxidů dusíku rekombinaci brání i okolnost, že kotel podle vynálezu vlivem účinného rozvíření dohořívající směsi může pracovat s minimálním přebytkem vzduchu za podmínek téměř stechiometric kých. Teplovodní kotel podle vynálezu je tedy nejen energeticky úsporný, ale i ekologicky výhodný.

Množství kvalitní aktivní hmoty lze dále podle vynálezu ušetřit i tím, že ke spálení převážného množství hořlavé směsi se využije volný pracovní prostor mezi rozdělovačem hořlavé směsi a horní plochou vstupní vrstvy, která je umístěna do oblasti, kde spalování směsi plynu a vzduchu je prakticky ukončeno . Tím se sníží i vnitřní odpor kotle.

Celkové uspořádání kotle podle vynálezu umožňuje, aby maximální teploty v pracovním prostoru kotle poklesly z původních 1700 až 1800 °C na pouhých 1200 až 1400 °C, čímž se podstatně zvýší bezpečnost provozu kotle za cenu mírného zvětšení jeho vnějších rozměrů.

-μ Aktivní hmota v jednotlivých, vrstvách se volí tak, aby odpovídala tepelným poměrům v jednotlivých vrstvách.

Ve vstupní vrstvě je podle vynálezu použita jako aktivní hmota hmota keramická s co nejnižší tepelnou vodivostí při co nejvyšši tepelné odolnosti, nejlépe ve tvaru tělísek.

Střední vrstva poskytuje podle vynálezu již víoe možností. Jako aktivní hmota muže být použita keramická hmota horší jakosti, nebo litina. Nejlevnější, avšak technicky plně vyhovující je možnost použít odpadního kovu, například vyřazených kuliček, nebo válečků, z valivých ložisek.

Základním požadavkem na aktivní hmotu ve výstupní vrstvě je vysoká tepelná vodivost. Podle vynálezu nejlépe vyhovuje hliník, nebo jeho slitiny. Aktivní hmota ve výstupní vrstvě může mít podle vynálezu různý tvar. Mohou to být jednotlivá tělíska, ale také těleso voštinového tvaru, tepelně vodivě upevněné na teplosměnných stěnách, případně i soustava vodivě připojených mříží.

Přehled_obrázků_na_výkresech

Na připojeném výkresu je zobrazen podélný řez teplovodním kotlem podle vynálezu ve schematickém znázornění.

Teplovodní kotel, vytvořený podle vynálezu, má vnější plᚣ 1, do něhož je vestavěna teplosměnná stěna 2. Mezi vnějším pláštěm 1 a teplosměnnou stěnou 2 je vytvořen kapalinový prostor j>, naplněný proudícím teplonosným mediem, ve znázorněném příkladě vodou. Teplosměnná stěna 2 obklopuje pracovní

- 6 prostor 4 kotle. V nejvyšším bodě pracovního prostoru. 4 kotle je upevněn rozdělovač £ hořlav< směsi plynu a vzduchu, pod nímž je uspořádán volný pracovní prostor 6 kotle. Volný pracovní prostor 6 má takový rozměr a tvar, aby v něm hořlavá směs plynu a vzduchu téměř úplně shořela. Pod volným pracovním prostorem 6 je upravena vstupní vrstva A aktivní hmoty, která je od volného pracovního prostoru 6 oddělena pomyslnou horní plochou H. Vstupní vrstva A je složena z tělísek keramické hmoty o nízké tepelné vodivosti a vysoké tepelné odolnosti. V nejvyšší části vstupní vrstvy ..A, tedy těsně pod pomyslnou horní plochou H dohořívají zbytky hořlavé směsi plynu a vzduchu a to bezplamenným spalováním. V ostatních částech vstupní vrstvy A předávají spaliny své teplo tělískům keramické hmoty, které se tím rozpalují a předávají takto získané teplo teplosměnným stěnám 2 zářením. V blízkosti pomyslné horní plochy H vstupní vrstvy A panuje teplota v rozsahu 1200 až 1400 °C při plném výkonu teplovodního kotle. Prostupem epalin vstupní vrstvou A se spaliny ochlazují a na jejím spodním okraji dosahují teplotu kolem 800 °C. Při této teplotě klesá přenos tepla zářením asi na jednu pětinu až šestinu svého maximálního výkonu.

Z těch důvodů je pod vstupní vrstvou A umístěna střední vrstva B aktivní hmoty. Střední vrstva B je tvořena litinovými tělísky nepravidelného tvaru. To přispívá k víření spalin v této oblasti. Spaliny ve střední vrstvě B předávají své teplo teplo teplosměnné stěně 2 převážně kontaktem. Víření má ten účel, aby co největší množství horkých spalina se dostalo do styku s teplosměnnou stěnou 2 a předalo jí svůj tepelný obsah. Prudké rozvíření ještě poměrně horkých spalin umožňuje, aby kotel pracoval s minimálním přebytkem vzduchu. Tím se jednak zvyšuje tepelná účinnost kotle, jednak snižuje množství volného kyslíku, který by se mohl rekombinovat s atomárním dusíkem na oxidy dusíku. Vytvoření střední vrstvy B aktivní hmoty má tedy zásadní vliv na parametry teplovodního kotle.

- 7 Smyslem výstupní vrstvy C, umístěné pod. střední vrstvou B, je ochladit spaliny na teplotu ležící pod kondenzační teplotou par a teplo získané kondenzací převést sdílením do teplosměnné stěny 2. Proto je výstupní vrstva C tvořena tělísky ze slitiny hliníku o vysoké tepelné vodivosti.

Výstupní vrstva C spočívá na roštu 2* pod nímž je uspořádán plynový výstup. 8.

Prúmysloyá_vvužitelnost

Teplovodní kotel podle vynálezu je vhodný pro ústřední či etážové topení, jakož i pro výrobu teplé užitkové vody.

Claims (10)

1. Teplovodní kotel pro spalování hořlavé směsi plynu a vzduchu v pracovním prostoru, který je alespoň z části vyplněn aktivní hmotou, složenou z vrstev, vyznačující se tím, že vrstvy aktivní hmoty jsou nejméně tři, přičemž vstupní vrstva /A/ je tvořena hmotou s minimální tepelnou vodivostí a maximální tepelnou odolností, střední vrstva /B/ se střední tepelnou vodivostí i odolností a výstupní vrstva /G/ s hmotou o vysoké tepelné vodivosti.

2. Teplovodní kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že před vstupní vrstvou /A/ je uspořádán volný pracovní prostor /6/, nevyplněný aktivní hmotou, jako prostor spalovací.

Teplovodní kotel podle nároku 2, vyznačující se tím, že vstupní vrstva /a/ aktivní hmoty je vzhledem k volnému pracovnímu prostoru /6/ ohraničena pomyslnou horní plochou /H/.

4. Teplovodní kotel podle nároků 1 až vyznačující se tím, že vstupní vrstva /A/ je tvořena keramickou hmotou, zejména keramickými tělísky o vysoké tepelné odolnosti a minimální tepelné vodivosti.

5. Teplovodní kotel podlé nároků. 1 až 4, vyznačující se tím, že střední vrstva vrstva /B/ je tvořena keramickou hmotou nižší tepelné odolnosti.

6. Teplovodní kotel podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že 3třední vrstva /B/ je tvořena litinou, zejména tělísky z litiny.

TJ 30 r' Τ» 33 > o —· O < o CD > m >c r< m N -< o

M·

CO tO in ςη in

- 9

7. Teplovodní kotel podle nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že střední vrstva /3/ je tvořena odpadním kovem, zejména vyřazenými kuličkami a válečky valivých, ložisek.

8. Teplovodní kotel podle nároků. 1 až 7» vyznačující se tím, že výstupní vrstva /C/ je vytvořena z kovu o vysoké tepelné vodivosti.

9. Teplovodní kotel podle nároku 8, vyznačující se tím, že výstupní vrstva /0/ je vytvořena z hliníku a/něho jeho sli tin, zejména tělísky z hliníku a/nebo jeho slitin.

10. Teplovodní kotel podle nároku 8, vyznačující se tím, že výstupní vrstva /0/ je tvořena voštinovým tělesem.

11. Teplovodní kotel podle nároku 8, vyznačující se tím, že výstupní vrstva /0/ je tvořena soustavou mříží.