CZ18073U1 - Teplovodní kotel na pevná paliva a variabilní sada keramických vložek pro tento kotel - Google Patents

Description

Technické řešení se týká teplovodních kotlů na pevná paliva, a to s konstrukcí, obsahující vestavbu s klenbovitou spalovací komorou či prostorem, s tvarem obráceného U, kde spaliny jsou vedeny, v návaznosti na přednostně spodní odhořívání, bočními dohořívacími kanály okolo spalovací komory vzhůru a následně do komína, případně se zařazením ochlazovacího, resp. teplosměnného labyrintu v horní části kotle. Jedná se o kotle, kde vnější plášť, vestavba s klenbovitou spalovací komorou a případně i rošt jsou dvouplášťové a takto i upravené pro průchod ohřívané vody. Zejména se jedná o úpravu prostorů pro hoření paliva a dohořívání plynů v popsaných kotlích, a to též pomocí keramických tvarovek či vložek v těchto prostorách.

Dosavadní stav techniky

V současnosti jsou známy teplovodní kotle, vykazující znaky této oblasti techniky, jak uvedeno výše. Tedy známy jsou konstrukce teplovodních kotlů s klenbovitou vestavbou a s dohořívacími kanály, umístěnými po stranách této vestavby, kde do těchto kanálů se přivádí sekundární vzduch. V horní části kotle pak bývá provedena úprava s labyrintovým vedením spalin před jejich výstupem do komína, čímž se prodlužuje dráha spalin v kotli, podporuje se víření spalin a celkově se tak zlepšuje přestup tepla do vody v dutinách pláště kotle. Popsaná konstrukce kotle je známa již poměrně dlouhou dobu a je popsána například ve spisech CS 50331, CS 95511, CZ U 12940, ale i v mnoha dalších. Zde se různým způsobem řeší přívod sekundárního vzduchu, přičemž citovaná a i jiná další v současnosti známá řešení vykazují přívody sekundárního vzduchu trubkami v okolí spodních hran klenbovitého spalovacího prostoru, a to s uložením trubek před touto hranou, u této hrany, nebo za touto hranou, tedy již ve spodní části dohořívacích kanálů. Poloha těchto trubek má na jedné straně vliv na intenzitu hoření paliva a nebo plynů, za vyšší teploty z pevného paliva uvolněných, na druhé straně je třeba brát v úvahu tepelné namá25 hání těchto trubek, vyrobených prakticky vždy z oceli. Proto vestavba uvedených trubek působí vždy jednak konstrukční a výrobně-technologické komplikace, jednak bývá zpravidla problém s jejich životností a navíc i jejich čištění nebývá jednoduché. Dále pak zástavba trubek pro přívod sekundárního vzduchu zpravidla vyžaduje jejich vyvedení na vnější povrch pláště, někdy dokonce na dvou stranách, což působí další komplikace, neboť je často nutno, aby tyto trubky prochá30 zely i vodním pláštěm, což znamená další svary s nárokem na těsnost a odolnost proti mimořádnému tepelnému pnutí. U popsaných konstrukcí pak je třeba řešit regulaci přívodu sekundárního vzduchu, která je u dosavadních známých kotlů řešena nezávisle na regulaci přívodu primárního vzduchu. V této souvislosti ovšem je riziko neodborného a tak většinou nesprávného nastavení vzájemného poměru mezi přívodem primárního a sekundárního vzduchu, což zhoršuje jak účin35 nost kotle, tak i složení spalin. Tuto vazbu lze sice řešit přesným manipulačním návodem, nebo dokonce automatizací nastavování vzájemného poměru primárního a sekundárního vzduchu, ale spoléhat se v oblasti neprofesionálního užití na správnou aplikaci manipulačních pokynů je rizikové, resp. na druhé straně konstrukce kotlů s vyšší automatizací vychází jako nákladná. Dalším problémem kotlů popsaného typuje nejen obecně, ale i ve vztahu k úpravě přívodu sekundárního vzduchu, že při provozování kotle na výkon, snížený o více než 30 až 50 % proti nejvyššímu výkonu, dochází především k primárnímu snižování účinnosti kotle spalováním za nízkých teplot a současně i k zanášení kotle sazemi a tím i k sekundárnímu snižování účinnosti kotle následkem tohoto zanášení kotle sazemi, neboť tak vzniká nežádoucí tepelná izolace proti přestupu tepla ze spalin do topné vody. Vedle toho provoz kotle při nízké teplotě má za následek nevýhodné potla45 čené vyvíjení hořlavých plynů z pevného paliva, čímž sekundární dohořívání ztrácí na intenzitě a také na účinnosti, neboť za snížení teploty plynů ani při dostatečném přívodu sekundárního vzduchu nedojde vždy k zapálení těchto plynů a ty odcházejí nespálené do komína. Tím se ještě více zhoršuje v tomto režimu energetická účinnost a také se ještě více zhoršuje složení spalin. Z toho důvodu je žádoucí hledat úpravu pro zlepšení činnosti kotle i v režimu sníženého výkonu a v propojení s řešením konstrukce a režimu přívodu sekundárního vzduchu.

- 1 CZ 18073 Ul

Podstata technického řešení

Uvedené nevýhody se řeší v podstatné míře a kotel se zjednodušeným, ale provozně i regulačně spolehlivým přívodem sekundárního vzduchu do dohořívacích kanálů se získává u teplovodního kotle na pevná paliva, podle předkládaného technického řešení, kde kotel obsahuje klenbovitou vestavbu se spalovacím prostorem, s úpravou pro spodní odhořívání a s postranními vzestupnými dohořívacími kanály, kde v oblasti vstupu do dohořívacích kanálů, nad prostorem popelníku, je vytvořen přívod sekundárního vzduchu a kde alespoň vnější plášť kotle a klenbovitá vestavba kotle jsou vytvořeny jako dvouplášťové, s vodním prostorem, a kde podstata spočívá v tom, že přívod sekundárního vzduchu je vytvořen v keramických vložkách, umístěných po stranách kotle, mezi hlavním roštem a vnitřní stěnou vnějšího pláště kotle, přičemž vstupní otvory do každé keramické vložky jsou směrovány do prostoru popelníku. Výhodné je, jestliže každá keramická vložka se na vnitřní straně opírá o boční okraj hlavního roštu, vytvořený jako podélně vodorovně v kotli uložená roštová trubka, napojená na vodní prostory kotle, kde současně mezi roštovými trubkami je uložena litinová roštová mříž, jejíž okraje spočívají na roštových trub15 kách. S výhodou alespoň část přívodu sekundárního vzduchu je vytvořena v keramické vložce tak, že keramická vložka na každé straně kotle sestává z alespoň dvou segmentů, mezi kterými je vytvořena mezera. Mezera je s výhodou vytvořena bočním vybráním na sebe doléhajících boků segmentů keramických vložek a/nebo čelním vybráním na vnějších okrajích keramických vložek, doléhajících na vnitřní stěny kotle. Výhodné je také, jestliže průchody sekundárního vzduchu v keramické vložce jsou labyrintově tvarovány. Výhodou je ještě, jestliže pod keramickými vložkami na obou stranách kotle je upraven omezovač průchodu vzduchu. Omezovač průchodu vzduchu je s výhodou vytvořen jako válcový nebo plošný uzávěr. S výhodou je omezovač průchodu vzduchu řízen bimetalovým čidlem, vystaveným tepelnému záření keramické vložky. Další podstatou předkládaného technického řešení je sada keramických vložek, vytvořená přede25 vším pro interakci, směřující ke zlepšení účinnosti kotle v režimu sníženého výkonu, kde podstata spočívá v tom, že sada obsahuje keramické vložky sekundárního vzduchu a keramickou vložku spalovacího prostoru, vytvořenou jako vyjímatelná vložka s průřezem pravoúhlého trojúhelníka. S výhodou průřez keramické vložky spalovacího prostoru je pravoúhlý nerovnoramenný trojúhelník, s delší odvěsnou přivrácenou k zadní stěně spalovacího prostoru.

Tím se dosáhne vytvoření teplovodního kotle, kde přívod sekundárního vzduchu je řešen keramickými vložkami, a to jednak v optimálním místě v oblasti vstupu plynů do dohořívacích kanálů, jednak s tepelně odolným materiálem, který navíc přispívá k předehřívání sekundárního vzduchu přiměřenou rovnováhou mezi svojí tepelnou setrvačností a tepelnou vodivostí. Vedle toho zde odpadá nutnost nezávislého seřizování přívodu primárního a sekundárního vzduchu, ovšem s možností jejich seřizování či konstrukčního předvolení nebo i s možností jednoduchého automatizovaného řízení jejich vzájemného poměru. Optimalizace spalování v kotli, v režimu sníženého výkonu, se pak řeší navíc s možností kombinované výhody zlepšeného přívodu sekundárního vzduchu s udržením dostatečné teploty právě v místě vstupu plynů do dohořívacích kanálů, a to aplikací variabilní sady keramických vložek, kde v této sadě, vedle keramických vložek sekundárního vzduchu, je obsažena i keramická tvarovka spalovacího prostoru, kde variabilita sady spočívá v tom, že keramická vložka spalovací komory je vyjímatelná, takže kotel lze provozovat s ní i bez ní, podle aktuálního výkonového topného režimu.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešení je dále podrobněji popsáno a vysvětleno na příkladném provedení, včetně při45 ložených výkresů, kde na obr. 1 je kotel, vytvořený ve shodě s předkládaným technickým řešením, znázorněn v příčném svislém řezu, na obr. 2 je tentýž kotel, tentokrát v podélném svislém řezu, dále pak na obr. 3 je v půdoryse detail keramické tvarovky dohořívacích kanálů a konečně na obr. 4 je v detailu tatáž tvarovka, tentokrát v příčném svislém řezu.

-2CZ 18073 Ul

Příklad provedení technického řešení

Teplovodní kotel v příkladném provedení obsahuje klenbovitou vestavbu 151 se spalovacím prostorem 15, s úpravou pro spodní odhořívání a s postranními vzestupnými dohořívacími kanály 161. Právě v oblasti vstupu do dohořívacích kanálů 161 je, nad prostorem popelníku £8, vytvořen přívod sekundárního vzduchu. Vnější plášť 152 kotle a klenbovitá vestavba 151 kotle jsou vytvořeny jako dvouplášťové, s vodním prostorem, přičemž kotel má obvyklou tepelnou izolaci 14 a je uzavřen do oplechování £3. Podstatné je, že přívod sekundárního vzduchu je vytvořen v keramických vložkách 16 sekundárního vzduchu, umístěných po stranách kotle, mezi hlavním roštem 17 a vnitřní stěnou vnějšího pláště 152 kotle, přičemž vstupní otvory 160 do každé keramické ío vložky 16 jsou směrovány do prostoru popelníku £8. Každá keramická vložka 16 sekundárního vzduchu se zde na vnitřní straně opírá o boční okraj hlavního roštu 17, vytvořený jako podélně vodorovně v kotli uložená roštová trubka 9, napojená na vodní prostory kotle, přičemž mezi těmito roštovými trubkami 9 je uložena litinová roštová mříž 171, jejíž okraje spočívají na roštových trubkách 9. Přívod sekundárního vzduchu je zde vytvořen v každé keramické vložce £6 sekundárního vzduchu tak, že tato keramická vložka 16 na každé straně kotle sestává z více segmentů, mezi kterými je vytvořena vždy mezera. Mezera je zde vytvořena bočním vybráním na sebe doléhajících boků segmentů těchto keramických vložek £6. Pochopitelně jsou možné i varianty, kde otvor, resp. vzduchový průchod, je vytvořen uvnitř keramické vložky £6 sekundárního vzduchu, nebo vybráním na vnějších okrajích těchto keramických vložek 16, tedy na okrajích, doléhajících na vnitřní stěny vnějšího pláště 152 kotle. Průchody sekundárního vzduchu v této keramické vložce 16, resp. zde mezi jejími segmenty, jsou labyrintově tvarovány. Dosáhne se tak lepšího přestupu tepla a současně není nutno pro přiměřené škrcení průchodu vzduchu vytvářet příliš malé mezery s vysokými nároky na přesnost výroby a montáže, neboť labyrintový průchod poskytuje srovnatelné škrcení při větším průřezu srovnatelného průchodu vzduchu. V příkladném provedení je ještě pod keramickými vložkami 16 sekundárního vzduchu na obou stranách kotle upraven omezovač 162 průchodu vzduchu. Omezovač 162 průchodu vzduchu je zde vytvořen jako plošný uzávěr, a to řízený bimetalovým čidlem 1621, vystaveným tepelnému záření keramické vložky 16. Další podstatnou výhodou u popisované konstrukce je použití sady keramických vložek, která je vytvořená především pro interakci, směřující ke zlepšení účinnosti kotle v režimu sníženého výkonu, kterážto sada obsahuje keramické vložky 16 sekundárního vzduchu a keramickou vložku £0 spalovacího prostoru 15, která je vytvořena jako vyjímatelná vložka s průřezem pravoúhlého trojúhelníka. Průřez této keramické vložky £0 spalovacího prostoru £5 je zde pravoúhlý nerovnoramenný trojúhelník, s delší odvěsnou přivrácenou k zadní stěně spalovacího prostoru 15. Jinak kotel, jak je mezi obdobně konstruovanými kotli vesměs známé, je opat35 řen dvířky £ pro čištění kotle, přikládacími dvířky 3, s možností případné regulace přívodu části sekundárního vzduchu nad zásobu paliva, čisticími dvířky 7, opatřenými zde ještě dvířky 6 pro přívod a regulaci primárního vzduchu, kde za čisticími dvířky 7 je ještě instalován sklápěcí rošt

8. V prostoru pod hlavním roštem £7 je umístěn popelník £8. Co se týče vodního pláště, přívod 11 vratné vody je umístěn v zadní dolní části kotle a vývod 2 teplé vody z kotle je umístěn v horní části kotle. V horní části vodního pláště je ještě instalována dochlazovací smyčka 4 a ve spalinových kanálech je v horní části kotle, před vývodem 5 spalin do komína, instalována vířivá vložka £2 spalin.

Funkce kotle je následující. V topném režimu pro snížený výkon je nakonfigurována variabilní sada keramických vložek tak, že vedle keramických vložek £6 sekundárního vzduchuje použita i keramická vložka 10 spalovacího prostoru. Po zatopení v kotli probíhá nejprve hoření za nízké teploty, ale teplota se rychle zvyšuje, neboť jednak spalovací prostor £5 je tepelně přídavně izolován keramickou vložkou 10 spalovacího prostoru 15, a to zejména od zadní stěny, za kterou je upraven na kotli přívod ££ chladné vratné vody, jednak tah není rušen a dohořívací kanály 161 nejsou ochlazovány sekundárním vzduchem, neboť v této fázi je přívod sekundárního vzduchu uzavřen omezovačem 162 přívodu vzduchu, řízeným bimetalovým čidlem 1621. Po vzrůstu teploty spalování i teploty paliva dojde k ohřátí keramických vložek £6 sekundárního vzduchu a také následně k otevření omezovače 162 přívodu sekundárního vzduchu, takže již dochází jednak

-3 CZ 18073 Ul k vyvíjení hořlavých plynů z pevného paliva, jednak k jejich zapálení a dohořívání v dohořívacích kanálech 161, kam se nyní přivádí v keramických vložkách 16 sekundárního vzduchu tento sekundární vzduch jako předehřátý. Takto může být kotel v provozu na snížený výkon, aniž by nevýhodně klesala teplota jak ve spalovacím prostoru 15, tak v dohořívacích kanálech 161. Při provozu na plný výkon se před zapálením kotle vyjme keramická vložka 10 spalovacího prostoru a kotel tak při plném výkonu na jedné straně nebude trpět nevýhodami spalování při nízkých teplotách, neboť bude provozován za vyšších teplot, jednak se v tomto režimu zlepší přestup tepla i ve spodní zadní části spalovacího prostoru 15.

Hospodářská využitelnost ío Zařízení podle předkládaného technického řešení je použitelné jako kotel na přípravu topné a nebo teplé užitkové vody. Především je vhodný pro malé a střední objekty, kde jednak je vhodné mít kotel pro různá paliva, například uhlí, dřevo i brikety či pelety na bázi dřeva, kůry nebo i jiných energetických rostlin, a jednak je zde třeba počítat s obsluhou bez specializovaného topičského vzdělání či zkoušek.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (2)

1. Teplovodní kotel na pevná paliva, obsahující klenbovitou vestavbu se spalovacím prostorem, s úpravou pro spodní odhořívání a s postranními vzestupnými dohořívacími kanály, kde v oblasti vstupu do dohořívacích kanálů, nad prostorem popelníku, je vytvořen přívod sekundárního vzduchu, a kde alespoň vnější plášť kotle a klenbovitá vestavba kotle jsou vytvořeny jako

20 dvouplášťové, s vodním prostorem, vyznačený tím, že přívod sekundárního vzduchu je vytvořen v keramických vložkách (16) sekundárního vzduchu, umístěných po stranách kotle, mezi hlavním roštem (17) a vnitřní stěnou vnějšího pláště (152) kotle, přičemž vstupní otvory (160) do každé keramické vložky (16) sekundárního vzduchu jsou směrovány do prostoru popelníku (18).

25 2. Teplovodní kotel podle nároku 1, vyznačený tím, že každá keramická vložka (16) sekundárního vzduchu se na vnitřní straně opírá o boční okraj hlavního roštu (17), vytvořený jako podélně vodorovně v kotli uložená roštová trubka (9), napojená na vodní prostory kotle, kde současně mezi roštovými trubkami (9) je uložena litinová roštová mříž (171), jejíž okraje spočívají na roštových trubkách (9).

30 3. Teplovodní kotel podle nároků 1 a 2, vyznačený tím, že alespoň část přívodu sekundárního vzduchuje vytvořena v keramické vložce (16) sekundárního vzduchu tak, že keramická vložka (16) sekundárního vzduchu na každé straně kotle sestává z alespoň dvou segmentů, mezi kterými je vytvořena mezera.

4. Teplovodní kotel podle nároku 3, vyznačený tím, že mezera je vytvořena bočním

35 vybráním na sebe doléhajících boků segmentů keramických vložek (16) sekundárního vzduchu a/nebo čelním vybráním na vnějších okrajích keramických vložek (16) sekundárního vzduchu, doléhajících na vnitřní stěny kotle.

5. Teplovodní kotel podle nároků laž4, vyznačený tím, že průchody sekundárního vzduchu v keramické vložce (16) sekundárního vzduchu jsou labyrintově tvarovány.

40 6. Teplovodní kotel podle nároků laž5, vyznačený tím, že pod keramickými vložkami (16) sekundárního vzduchu na obou stranách kotle je upraven omezovač (162) průchodu vzduchu.

-4CZ 18073 Ul

7. Teplovodní kotel podle nároku 6, vyznačený tím, že omezovač (162) průchodu vzduchuje vytvořen jako válcový nebo plošný uzávěr.

8. Teplovodní kotel podle nároků 6a 7, vyznačený tím, že omezovač (162) průchodu vzduchuje řízen bimetalovým čidlem (1621), vystaveným tepelnému záření keramické

5 vložky (16) sekundárního vzduchu.

9. Sada keramických vložek pro teplovodní kotel podle nároků laž8, vyznačená tím, že obsahuje keramické vložky (16) sekundárního vzduchu a keramickou vložku (10) spalovacího prostoru, vytvořenou jako vyjímatelná vložka s průřezem pravoúhlého trojúhelníka.

10. Sada keramických vložek podle nároku 9, vyznačená tím, že průřez keramické ío vložky (10) spalovacího prostoru je pravoúhlý nerovnoramenný trojúhelník, s delší odvěsnou přivrácenou k zadní stěně spalovacího prostoru.

2 výkresy