CZ228U1

CZ228U1 - Hot water boiler

Info

Publication number: CZ228U1
Application number: CZ1993329U
Authority: CZ
Inventors: Jiří Čech; Pavel Ing. Kučera
Original assignee: Jiří Čech; Pavel Ing. Kučera
Priority date: 1991-05-23
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1993-03-24
Also published as: CZ154491A3

Description

Technické řešení se vztahuje na teplovodní kotel proospálování hořlavé směsi plynu a vzduchu v pracovním prostoru, který je alespoň z části vyplněn aktivní hmotou, složenou z vrstev.The technical solution relates to a hot-water boiler for combustion of a flammable mixture of gas and air in the working space, which is at least partially filled with an active substance composed of layers.

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 plást 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. Proteze značná část tepla, získaná spalováním, se přenáší na teplosménné stéby zářením, označují se kotle tohoto druhu jako kotle radiační.Hot-water boilers for burning a flammable mixture of gas and air, in which at least a part of the working space is filled with active matter, are known, among others, from a number of descriptions for Czechoslovak author certificates. A very simple solution is given in the description of the Czechoslovak author's certificate number 2Ó2 101. The hot-water boiler is shrunk by two coaxial shells of the shape of closed vessels, where the inner shorter sheath forms the working space of the boiler filled with active matter. In such boilers, a portion of the combustible mixture is combusted in the free space, but most of the mixture is combusted by flameless combustion on the surface of the active material bodies. Protest a significant part of the heat obtained by combustion is transferred to the heat-exchange stalks by radiation, boilers of this kind are referred to as radiation boilers.

Uvedené kotle mají vysokou účinnost a přitom poměrné krátkou stavební délku. Ve své vstupní oblasti pracují však s vysokými teplotami mezi l?00 až 1800 ^cC. 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. NejeD to. V nejnižších partiích kotle působí keramická hmota jako špatný vodič tepla. To znemožňuje efektivnější využití tepla ve vystupujících spalinách, případné využití až latenního tepla obsaženého ve vodních parách vystupujících spalin.These boilers have a high efficiency and a relatively short construction length. In its inlet region but work with high temperatures between L? 00-1800 ^c C. Therefore active, namely, the ceramic material must be very high quality refractory. In the lower parts of the boiler, however, the temperature drops sharply, so the use of high-quality active material is no longer necessary there. NejeD to. In the lowest parts of the boiler ceramic material acts as a bad heat conductor. This prevents the more efficient use of heat in the exiting flue gas, or the possible use of latent heat contained in the water vapor of the exiting flue gas.

Tuto nevýhodu odstraňuje vynález podle popisu k česko, renskému autorskému osvědčení č. 269 l>0, kde náplň aktivní hmoty je rozdělena na dvě pásma. Horní pásmo, na něž 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.This disadvantage is overcome by the invention as described in the Czech-Austrian Author's Certificate No. 269 l > 0, where the charge of active substance is divided into two zones. The upper zone on which the burning mixture strikes contains a ceramic mass, while the lower zone is made of a material of high thermal conductivity, for example metal bodies. This solution * is a significant advancement as it allows the use of the heat released by condensation. However, as the theoretical analysis and practical experience have shown, this is an inconsistent solution.

fodstata technického řešení úkolem řešeni je upravit aktivní nápln v jednotlivých pásmech pracovního prostoru kotle tak, aby co nejlépe odpovídala tepelným poměrům v jednotlivých pásmech.principle of the technical solution The task of the solution is to adjust the active charge in the individual zones of the working space of the boiler so that it best corresponds to the thermal conditions in the individual zones.

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.SUMMARY OF THE INVENTION The problem is solved by providing a hot water boiler for combusting a flammable mixture of gas and air in a working space which is at least partially filled with an active substance composed of layers. It consists of a material with a minimum thermal conductivity and maximum heat resistance, a middle layer with a medium thermal conductivity and resistance, and an output layer with a material with high thermal conductivity.

Uvedené rozdělení aktivní hmoty do tří vrstev a tím i pracovního prostor’.), kotle do tří pásem vyplývá z rozdílných tepelných podmínek, jež vznikají v jednotlivých pásmech kotle.This division of the active mass into three layers and hence the working space '), of the boiler into three zones results from different thermal conditions that occur in the individual zones of the boiler.

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 i vysokou tepelnou odolnost, aby se při těchto teplotách ani nerozpadala, ani nespékala. Ve vstupní vrstvě dochází též k disociaci všech oxidů dusíku, pokud jsou v hořlavé směsi obsa ženy.In the zone of the inlet layer, particularly near its upper surface, there is a high temperature in the range of 1200 to 1400 ° C. At these temperatures, most of the energy obtained by burning the combustible mixture is transferred to the heat exchange walls of the hot water boiler by radiation. All of the nitrogen oxides are also dissociated in the inlet layer if they are contained in the flammable mixture.

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 teplosměnnýrai stěnami a předat jim teplo převážně přestupem. V tomto pásmu se ještě neprojevuje uvolňování tepla kondenzací vodních par, obsažených ve spalinách.In the middle layer zone the conditions are completely different. The heat output transmitted by radiation is dependent on the fourth power of the absolute temperature. This means, for example, that when the temperature drops from 1400 ° C to 800 ° C, the radiated power drops to only about 17 from the power at 1400 ° C. The active level performs a different task in the middle layer than the input layer. Its task is to whirl the flue gas flow as much as possible and to reach the maximum amount of the flue gas with the heat exchanger walls and to transfer heat to them mainly by transfer. The release of heat by the condensation of the water vapor contained in the flue gas is not yet evident in this zone.

Je důležité dosáhnout i toho, aby teplota ve středním pásmu rychle klesla z óca 800 °0, kterážto teplota se přibliž ně vyskytuje v oblasti horní hranice středního pásma, na teplotu pod cca 4C0 °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 vrstva aktivní hmoty má tepelnou vodivost kovu.It is also important to ensure that the temperature in the middle zone drops rapidly from about 800 ° C, which is approximately at the upper limit of the middle zone, to a temperature below about 40 ° C. Indeed, nitrogen oxides can be formed in this temperature range by recombination if they are given enough time to do so. Therefore, it is necessary to cool the flue gases as quickly as possible to a temperature below about 400 ° C. This will help if the middle layer of the active material has a thermal conductivity of the metal.

V pásmu výstupní vrstvy klesají teploty spalin ještě níže a to v konečné fázi pod 100 °C, například až na 70 °C. Při těchto teplotách nemá záření již význam. Uplatňuje se však nový faktor a to předávání tepla, zachyceného aktivní hmotou do teplosrcěnných stěn sdílením. Proto musí mít aktivní hmota ve výstupní vrtsvě vysokou tepelnou vodivost.In the outlet layer zone, the flue gas temperatures drop even below 100 ° C, for example up to 70 ° C. At these temperatures, radiation is no longer relevant. However, a new factor applies, namely the transfer of heat captured by the active matter to the heat-wall by sharing. Therefore, the active substance in the outlet layer must have a high thermal conductivity.

Teplovodní kotel, vytvořený podle -řešení , 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. Podle 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.The hot water boiler according to the invention has the advantage, inter alia, of saving the required quantity of high-quality active material of low thermal conductivity and high heat resistance, which is relatively expensive. According to the state of the art, that is to say with two layers of active material, not only the inlet zone but also the central zone of the working space of the boiler must be filled with this high-quality active substance, even though such a high quality medium is no longer necessary. that the highly conductive mass from the exit zone does not have sufficient resistance to temperatures prevailing in the intermediate zone.

Další významnou předností kotle podle vynálezu je rychlý pokles teploty spalin v tepelném pásmu od cca 800 °C 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 muže pracovat 3 minimálním přebytkem vzduchu za podmínek téměř stechiometric kých. Teplovodní kotel podle vynálezu je tedy nejen energeticky úsporný, ale i ekologicky výhodný.Another important advantage of the boiler according to the invention is the rapid drop in the temperature of the flue gas in the temperature range from about 800 ° C to about 400 ° C, thereby preventing the possible recombination of atomic nitrogen with oxygen to nitrogen oxides. The low thermal conductivity of the high-quality active mass in the mid-range proves to be an environmental disadvantage, as it reduces the rate of cooling of the flue gas and thus increases the possibility of nitrogen oxides. The formation of nitrogen oxides by recombination is also prevented by the fact that the boiler according to the invention, due to the effective swirling of the afterburning mixture, can operate with 3 minimal excess air under almost stoichiometric conditions. The hot-water boiler according to the invention is therefore not only energy-saving, but also environmentally friendly.

Množství kvalitní aktivní hmoty lze dále podle řešení _ 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.According to the solution, the quantity of high-quality active mass can also be saved by using a free working space between the flammable mixture distributor and the upper surface of the inlet layer, which is located in an area where combustion of the gas-air mixture is practically finished. . This also reduces the internal resistance of the boiler.

Celkové uspořádání kotle podle řešení . umožňuje, aby maximální teploty v pracovním prostoru kotle poklesly z původních 1700 až 1800 °C na pouhých 1200 až 1400 °C, čímž se podstatně zvýši bezpečnost provozu kotle za cenu mírného zvětšení jeho vnějších rozměrů.Overall arrangement of the boiler according to the solution. it allows the maximum temperatures in the boiler working space to fall from the original 1700 to 1800 ° C to just 1200 to 1400 ° C, thus significantly increasing the safety of the boiler operation at the cost of a slight increase in its external dimensions.

Aktivní hmota v jednotlivých vrstvách se volí tak, aby odpovídala tepelným poměrům v jednotlivých vrstvách.The active matter in the individual layers is chosen to correspond to the thermal conditions in the individual layers.

Ve vstupní vrstvě je podle řešení použita jako aktivní hmot a hnjo-ta- keramická s co nejnižší tepelnou vodivostí při co nejvyšší tepelné odolnosti, nejlépe ve tvaru tělísek.According to the invention, it is used in the inlet layer as an active mass and as a clay-ceramic with the lowest thermal conductivity and the highest thermal resistance, preferably in the form of bodies.

Střední vrstva poskytuje podle řešení . již více možností. Jako aktivní hmota muže být použita keramická hmota horší jakosti, nebo litina. Nejisvnější, avšak technicky plné vyhovující je možnost použít odpadního kovu, například vyřazených kuliček, nebo válečku z valivých ložisek.The middle layer provides according to the solution. more options. Poor quality ceramic material or cast iron may be used as the active material. The brightest but technically fully satisfactory is the possibility of using waste metal, for example discarded balls, or a roller bearing.

Základním požadavkem na aktivní hmotu ve výstupní vrstvě je vysoká tepelná vodivost. Podle řešení - 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, tepelné vodivě upevněné na teplosměnných stěnách, případně i soustava vodivě připojených mříží.The basic requirement for the active substance in the output layer is high thermal conductivity. According to the solution - best suits aluminum or its alloys. According to the invention, the active substance in the output layer can have different shapes. These may be individual bodies, but also a honeycomb-shaped body, heat conductively mounted on heat exchange walls, or possibly a system of conductively connected grilles.

přehled _report _

Na připojeném výkresu je zobrazen podélný řez teplovodním kotlem podle ·,. řešení ve schematickém znázornění.The accompanying drawing shows a longitudinal section through a hot water boiler according to. solution in schematic representation.

Pří Teplovodní kotel, vytvořený podle řešení má vnější plást 1, do něhož je vestavěna teplosměnná stěna ď. Mezi vnějším pláštěm 1 a teplosměnnou stěnou Z je vytvořen kapalinový prostor 2, naplněný proudícím teplonosným mediem, ve znázorněném příkladě vodou. Teplosrcěnr.á stěna 2 obklopuje pracovníThe hot water boiler formed according to the solution has an outer jacket 1 into which a heat exchange wall ï is built. Between the outer shell 1 and the heat exchange wall Z is formed a liquid space 2 filled with a flowing heat transfer medium, in the example shown, with water. The heat-reflecting wall 2 surrounds the working wall

- 6 prostor 4 kotle. V nejvysšíra bole 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 nem hořlavá směs plynu a vzduchu téměř úplně shořela. pod volným pracovním prostorem ó je upravena vstupní vrstva A aktivní hmoty, která je od volného pracovního prostoru 6 oddělena pomyslnou horní plochou K. 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 dohcřívají 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 spalin 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.- 6 space 4 boilers. In the widest part of the working space 4 of the boiler is mounted a distributor of flammable gas / air mixture, under which a free working space 6 of the boiler is arranged. The free working space 6 is dimensioned and shaped so that the flammable gas-air mixture almost completely burns in it. below the free working space 6 there is an inlet layer A of the active material which is separated from the free working space 6 by an imaginary upper surface K. The inlet layer A is composed of ceramic bodies of low thermal conductivity and high heat resistance. In the highest part of the inlet layer A, just below the imaginary upper surface H, the remnants of the flammable gas-air mixture are heated by flame-free combustion. In the other parts of the inlet layer A, the flue gases transfer their heat to the ceramic bodies, which are then heated and transfer the heat thus obtained to the heat exchange walls 2 by radiation. In the vicinity of the notional upper surface H of the inlet layer A there is a temperature in the range of 1200 to 1400 ° C at full output of the hot water boiler. By passing the flue gas through the inlet layer A, the flue gas is cooled and reaches a temperature of about 800 ° C at its lower edge. At this temperature, the heat transfer decreases to about one fifth to sixth of its maximum output.

Z těch důvodu je pcd vstupní vrstvou A umístěna střední vrstva B aktivní hmoty, ótředr.í vrstva B je tvořena litinovými tělísky nepravidelného tvaru. To přispívá k víření spalin v této oblasti, opallny ve střední vrstvě B předávají své teplo ...tepl-o teplosrcěnné stěně d převážně kontaktem. Víření má ten účel, aby co největší množství horkých spalina se dostalo do styku s teplosménnou 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.For this reason, the central layer B of the active substance is placed in the input layer A, the central layer B being formed of irregularly shaped cast iron bodies. This contributes to the swirling of the flue gas in this area, the opallny in the middle layer B transmit their heat ... temp-o heat-reflecting wall d mainly by contact. The purpose of the swirling is to ensure that the greatest amount of hot flue gas comes into contact with the heat exchange wall 2 and imparts to it its heat content. The vigorous swirling of still relatively hot flue gas allows the boiler to operate with minimal excess air. This increases both the thermal efficiency of the boiler and reduces the amount of free oxygen that could be recombined with atomic nitrogen to form nitrogen oxides. The formation of the middle layer B of the active mass thus has a fundamental influence on the parameters of the hot water boiler.

- 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 teplosměnhé stěny 2. Proto je výstupní vrstva C tvořena tělísky ze slitiny hliníku o vysoké tepelné vodivosti.- 7 The purpose of the output layer C, located below. The intermediate layer B is to cool the flue gas to a temperature below the condensation temperature of the vapors and to transfer the heat obtained by condensation to the heat exchange wall 2 by sharing. Therefore, the output layer C is formed of aluminum alloy bodies of high thermal conductivity.

Výstupní vrstva C spočívá na roštu pod. nímž je uspořádán plynový výstup. 8.The outlet layer C rests on the grate below. through which the gas outlet is arranged. 8.

Teplovodní kotel podle řešení . je vhodný pro ústřední či etážové topení, jakož i pro výrobu teplé užitkové vody.Hot water boiler according to the solution. It is suitable for central or multi-level heating as well as for the production of domestic hot water.

Claims

narok y n.a protection

A hot-water boiler for the combustion of a flammable mixture of gas and air in a working space which is at least partially filled with an active substance composed of layers, characterized in that the active substance layers are at least three, wherein the inlet layer (A) is composed of with a minimum thermal conductivity and maximum heat resistance, a middle layer (B) with a medium thermal conductivity and resistance, and an exit layer (0) with a high thermal conductive mass.

The hot-water boiler according to claim 1, characterized in that a free working space (6), which is not filled with active material, is arranged in front of the inlet layer (A) as a combustion space.

The hot-water boiler according to claim 6, characterized in that the inlet layer (a) of the active substance is bounded by an imaginary upper surface (ti) with respect to the free working space (6).

Hot-water boiler according to claim 1, characterized in that the inlet layer (A) consists of a ceramic mass, in particular ceramic bodies of high thermal resistance and minimal thermal conductivity.

>. The hot-water boiler according to claims 1 to 4, characterized in that the middle layer (2) is formed of a ceramic material of lower heat resistance.

»

Hot-water boiler according to claims 1 to 4, characterized in that the middle layer (B) is made of cast iron, in particular cast iron bodies.

O

- <

ID

- 9

The hot-water boiler according to claims 1 to 4, characterized in that the middle layer (B) is composed of waste metal, in particular discarded balls and rollers of rolling bearings.

A hot water boiler according to claims. 1-7 #, characterized in that the output layer (C) is made of a metal of high thermal conductivity.

A hot water boiler according to claim 8, characterized in that the outlet layer (C) is made of aluminum and / or its alloys, in particular of aluminum and / or its alloys.

A hot-water boiler according to claim S, characterized in that the outlet layer (C) is formed by a honeycomb body.

A hot water boiler according to claim 8, characterized in that the outlet layer (C) is formed by a grid system.