CZ29431U1 - Kotel s odhoříváním se samočinnou detekcí optimální velikosti základní vrstvy paliva - Google Patents

Description

Kotel s odhoříváním se samočinnou detekcí optimální velikosti základní vrstvy paliva

Oblast techniky

Technické řešení se týká kotlů s odhoříváním se samočinnou detekcí optimální velikosti základní vrstvy paliva, zejména kotlů na tuhá paliva.

Dosavadní stav techniky

Ve spalování tuhých paliv, se stále více preferují sofistikovanější konstrukce, které se vyznačují vyšší kvalitou spalování a větším komfortem obsluhy. Jsou to zejména kotle se spodním odhoříváním s ručním přikládáním paliva, speciálně kotle zplyňovací.

Kotle se spodním odhoříváním, též nazývané dvoukomorové, jsou buď roštové, nebo zplyňovací.

Roštové kotle mají na dně přikládacího prostoru rošt a obvykle na jedné straně těsně nad roštem štěrbinu pro odvod hořících plynů do dohořívacího prostoru. Přikládací prostor a dohořívací prostor jsou obvykle vedle sebe. Pod roštem je prostor pro popel. Tyto kotle se používají na spalování uhlí případně dřeva.

Zplyňovací kotle mají celistvé dno obvykle rovné se štěrbinou pro odvod hořících plynů uprostřed tohoto dna. Dohořívací prostor je obvykle pod přikládacím prostorem. Tyto kotle se používají převážně na spalování dřeva.

Na rozdíl od topidel s prohoříváním, kde plameny proudí palivem vzhůru, u kotlů s odhoříváním odhořívá palivo jen ve spodní části přikládacího prostoru. Ve štěrbině (trysce) se do proudu hořích plynů přivádí sekundární vzduch a hořlavé plyny dohořívají v dohořívacím prostoru. U roštových kotlů popel propadává pod rošt, u zplyňovacích kotlů obvykle část popela zůstává na dně přikládacího prostoru a část popela je stržena do dohořívacího prostoru proudem spalin.

Kotle se spodním odhoříváním dosahují podstatně lepších parametrů než konstrukčně jednodušší topidla s prohoříváním, též nazývaná jednokomorová. Šetří životní prostředí, mají větší komfort obsluhy a především lepši využití paliva.

Sofistikovanější topidla často umožňují detekovat vyhoření přiloženého paliva na tzv. základní vrstvu. Základní vrstvou se označuje žhnoucí uhlíkové části zbylé ze vsázky paliva.

Pokud je během provozu regulátor topidla detekuje vyhoření paliva na základní vrstvu, zastaví se přísun spalovacího vzduchu a topidlo přejde do stáložámého stavu. Dostatečně velká základní vrstva v tomto stavu udrží oheň několik hodin. To umožňuje následně obnovit provoz bez zapalování pouhým přiložením paliva. Dostatečně velká základní vrstva je žádoucí i v případě, že později uhasne zcela, protože podstatně usnadňuje roztápění tím, že poslouží jako zapalovací palivo.

Současná známá topidla provádějí detekci základní vrstvy na základě teploty spalin, časového úseku od posledního přiložení paliva, nebo množství kyslíku ve spalinách. Nevýhodou všech těchto metod je poměrně značná nepřesnost a nespolehlivost. V provozu dochází k tomu, že detekovaná základní vrstva je buď příliš malá, nebo naopak příliš velká.

Malá základní vrstva je nežádoucí z důvodu ztráty stáložámosti, resp. zkracuje dobu žhnutí paliva, tím zvyšuje nároky na obsluhu při opětovném roztápění. Další nevýhodou je, že při provozu s malou základní vrstvou je velký přebytek vzduchu při hoření, to znamená, že většina spalovacího vzduchu se neúčastní hoření a odvádí teplo do komína bez požadovaného užitku. Velké přebytky vzduchu navíc ochlazují proces hoření, což má za následek větší produkci škodlivin, zejména oxidu uhelnatého.

Příliš velká základní vrstva je nežádoucí proto, že ještě obsahuje prchavé složky paliva, které se během stáložámé odstávky uvolňují ve formě uhlovodíků, kyselin a vodní páry. Uhlovodíky znečišťují atmosféru a způsobují zanášení vnitřních stěn topidel a komínu, zatímco kyseliny a vlhkost způsobují korozi a zkracují tak životnost topidla a komínu.

-1 CZ 29431 UI

Detekování optimální velikosti, resp. objemu či hmotnosti základní vrstvy je klíčová vlastnost topidla, díky které je zvýšen komfort, bezpečnost, životnost topidla, komínu a celková hospodárnost a ekologičnost provozu.

Jediné známé topidlo, u kterého je použit tento princip, je jednokomorové topidlo s prohoříváním - krbová kamna VERNER Ik 13/10.2, která se prodávají od roku 2012. V tomto topidle je rošt umístěn v otočném uložení na jedné straně, tak že umožňuje nepatrné naklápění. Tíha zbylé strany roštu je převáděna vzpěrou na kratší rameno dvouramenné páky. K delšímu rameni této páky je připevněna klapka spalovacího vzduchu a posuvné závaží. Po přiložení tíha paliva působí na rošt a ten prostřednictvím vzpěry převáží páku tak, že je kratší rameno dole a delší nahoře klapka spalovacího vzduchuje otevřená. Po vyhoření paliva na základní vrstvu se rameno převáží do opačné polohy a klapka spalovací vzduchu překryje otvor přívodu vzduchu - topidlo přejde do stáložámého stavu.

Je také známo řešení podle užitného vzoru č. zápisu CZ 24378 U Ing. Roberta Vemera. Toto řešení nárokuje obecně myšlenku řízení spalování na základě průběžného sledování hmotnosti paliva ve spalovacím prostoru. Konkrétně se nezabývá detekcí základní vrstvy.

Není známo, že by existovalo topidlo se spodním odhoříváním, případně dvoukomorovým uspořádáním, které by k detekci optimální velikosti základní vrstvy využívalo informaci o její hmotnosti. Detekce hmotnosti je u topidla s odhoříváním (dvoukomorového) speciálně u zplyňovacího kotle podstatně technicky náročnější než u topidla s odhoříváním (jednokomorového). Vyžaduje originální uspořádání propojení váhového mechanismu s regulátorem, dále pak originální uspořádání přívodu primárního a sekundárního vzduchu. U kotlů zplyňovacích vyžaduje vyřešení kontinuálního odvodu popela, (protože popel, který se u většiny stávajících zplyňovacích kotlů hromadí na dně přikládacího prostoru, znemožňuje přesnou detekci hmotnosti zbylého paliva).

Podstata technického řešení

Nedostatky známých kotlů odstraňuje do značné míry kotel podle technického řešení, který obsahuje pohyblivé dno. Podstata technického řešení spočívá v tom, že pohyblivé dno přikládacího prostoru je propojeno s čidlem polohy nebo čidlem síly pro detekování optimální velikosti základní vrstvy paliva.

Podle prvního výhodného provedení technického řešení, čidlo polohy nebo čidlo síly je propojeno s regulátorem ovládajícím ventilátor spalin.

Kotel pracuje tak, že na základě náklonu dna, regulátor získá informaci, že došlo vyhoření paliva na základní vrstvu.

Na jedné straně pohyblivého dna je např. výložník, který je propojen například s dvouramennou pákou, pod níž je umístěno čidlo polohy. Čidlo polohy je propojeno s regulátorem kotle. Vyhoření paliva na základní vrstvu způsobí vychýlení páky, které aktivuje čidlo polohy. Na základě informace z čidla polohy regulátor vypne ventilátor a kotel přechází do stáložámého stavu. Konstrukčně může být pákový mechanismus nahrazen pružinou. Když je výložník propojen se snímačem síly, tak tento snímač síly během provozu informuje regulátor o síle, kterou na něho výložník vyvíjí. Regulátor tuto informaci dále porovnává s nastavenou hodnotou. Při shodných hodnotách vypne ventilátor spalin, a kotel přechází do stáložámého stavu.

Uvedená provedení lze různě kombinovat, např. namísto čidla polohy, může být v kontaktu s pákovým mechanismem čidlo síly, např. proto, aby síla na výložníku na čidlo byla umenšena a bylo možné zvolit levnější čidlo síly.

Pro použití technického řešení u zplyňovacích kotlů je výhodné, když plochy pohyblivého dna přikládacího prostora jsou celistvé a svažují se směrem dolů k trysce odvodu spalin.

Výše uvedený nedostatek je tedy vyřešen tím, že technické řešení dokáže přesně a spolehlivě detekovat optimální velikost základní vrstvy na základě implementovaného zařízení detekující tíhu této základní vrstvy.

-2CZ 29431 UI

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže objasněno na připojených výkresech, které znázorňují:

OBR. 1 schématický boční pohled na technické řešení, kde je použita páka s čidlem polohy.

OBR. 2 schématický boční pohled na technické řešení, kde je použita pružina namísto pákového mechanismu, jak je tomu u obr. 1.

OBR. 3 schématický boční pohled na technické řešení, kde je použito čidlo síly.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad provedení vynálezu z obr. 1 je popsán na konkrétním topidle - zplyňovacím kotli na kusové dřevo. Jeho základem je ocelové těleso, s vodou chlazenými stěnami 8. Těleso obsahuje přikládací prostor 3, který je ve spodní části propojen tryskou 10 s dohořívacím prostorem 11. který je propojen s výměníkem 2 spalin. Stěny přikládacího prostoru 3 jsou obloženy žáruvzdorným materiálem. Pohyblivé dno 6 přikládacího prostoru 3 tvoří ocelové těleso, tvaru dolů se zužujícího se komolého jehlanu, vyložené žáruvzdorným materiálem tak, že se jeho plochy svažují směrem k trysce 10. Pohyblivé dno 6 je naklápěcí, s osou otáčení v dvojici břitových uložení 7 umístěných na jedné straně pohyblivého dna 6. Na druhé straně pohyblivého dna 6 je výložník 20 prostupující průchodem v tělese, který tvoří přívod 21 spalovacího vzduchu. Výložník 20 je svorníkem 13 propojen s kratším ramenem dvouramenné páky 17, s osou otáčení v břitovém uložení 14 páky. Delší rameno dvouramenné páky 17 obsahuje posuvné závaží 15. Pod delším ramenem páky 17 je umístěno čidlo 19 polohy, které tvoří bezkontaktní elektrický spínač. Čidlo 19 je vodičem propojeno s regulátorem 4, jenž ovládá ventilátor 1 spalin.

Funkce popsaného příkladu provedení z obr. 1 je následující:

V přikládacím prostoru 3, důsledkem primárního vzduchu přiváděného vstupem 12 primárního vzduchu dochází k zplyňování paliva. Palivo se tak přeměňuje na základní vrstvu 5, kterou tvoří žhavé uhlíkové části a současně uvolňuje žhavé plyny, které proudí tryskou 10, kde se do nich přivádí sekundární vzduch vstupem 9 sekundárního vzduchu. Účinkem sekundárního vzduchu hoří hořlavé složky žhavých plynů v dohořívacím prostoru 11. Vzniklé spaliny proudí výměníkem 2 spalin, kde předávají své teplo do vodou chlazených stěn 8. Proudění vzduchu, plynů a spalin v kotli zajišťuje ventilátor 1 spalin ovládaný regulátorem 4. Popel ze spáleného paliva, se po svažujících se plochách pohyblivého dna 6 sesouvá do dohořívacího prostoru Π.. Tíha pohyblivého dna 6 a paliva na něm ležícího z jedné části zachycuje břitové uložení 7, ze zbývající části se výložníkem 20 prostřednictvím svorníku 13 přenáší na kratší rameno páky 17. Na delší rameno páky 17 působí jeho vlastní tíha a tíha závaží 15. Závaží je umístěno v takové poloze, aby k rovnováze sil na páce 17 docházelo při stavu, kdy je na pohyblivém dnu 6 tíha odpovídající optimální velikosti základní vrstvy 5.

Po přiložení paliva obsluhou dojde k tomu, že tíha paliva a pohyblivého dna 6 převáží páku 17 tak že se její delší rameno nadzdvihne a opře o homí doraz 16, zatímco pohyblivé dno 6 se nepatrně sklopí dolů. Když vsázka paliva vyhoří na základní vrstvu 5, delší rameno páky 17 se závažím 15 převáží tíhu základní vrstvy 5 a pohyblivého dna 6, v důsledku čehož delší rameno páky 17 poklesne a aktivuje čidlo 19 polohy, současně se opře o dolní doraz 18. V důsledku toho se pohyblivé dno 6 nepatrně vyklopí vzhůru. Čidlo 19 polohy prostřednictvím vodiče předá regulátoru 4 informaci, že vsázka paliva vyhořela na nastavenou základní vrstvu 5. Regulátor následně přeruší provoz kotle - vypne ventilátor 1 spalin. Obvykle několik hodin po přerušení provozu (3 až 6 hod) kotle obsluha spustí ventilátor, přiloží do přikládacího prostoru 3 kotle další vsázku paliva, a celý proces se opakuje. V případě že základní vrstva 5 zcela uhasne (po cca 8 hodinách), obsluha vrstvu zapálí tak že na ní položí kus zapáleného papíru, nebo podpalovače a teprve pak přiloží další vsázku paliva.

Kotel znázorněný na obr. 2 se od předchozího liší tím, že namísto pákového mechanismu se závažím je použita tažná pružina 22, která je na jednom svém konci připevněna k výložníku 20

-3CZ 29431 UI pohyblivého dna 6 a na svém druhém konci ke šroubu 23 s okem s regulační maticí 25, která šroub 23 s okem zachycuje v úchytu 24.

Funkce kotle z obr. 2 se od příkladu provedení z obr. 1 se liší tím, že výložník 20 je nadzdvihován tahem pružiny 22. Regulační matice 25 je nastavena tak aby předpětí pružiny 22 vytvářelo takovou sílu, aby při dosažení optimální základní vrstvy 5 paliva došlo k vychýlení výložníku 20 směrem vzhůru, a aktivaci čidla 19 polohy.

Kotel znázorněný na obr. 3 se od předchozích liší tím, že výložník 20 je v kontaktu s čidlem 26 síly, které je propojeno s regulátorem 4.

Funkce kotle z obr. 3 se od předchozích příkladů provedení liší tak, že čidlo 26 síly během provozu informuje regulátor 4 o síle, kterou na něho výložník 20 působí. Regulátor 4 tuto informaci porovnává s nastavenou hodnotou, a když jsou hodnoty shodné, regulátor 4 vypne ventilátor 1 spalin a kotel přejde do stáložámého stavu. Nastavování velikosti základní vrstvy se provádí obslužnými prvky (tlačítky) regulátoru 4.

Provedení kotlů z obr. 1. a 2. mají společné to, že obsahují pákový mechanismus či pružinu 22. které vyvažují sílu výložníku, čímž umožňují jeho pohyb. Rovnováha sil pak způsobí vychýlení, které jé detekováno čidlem 19 polohy. Nastavování velikosti základní vrstvy 5 se provádí mechanicky.

U provedení kotle z obr. 3 je síla od výložníku 20 zachycena přímo čidlem 26 síly, které je propojeno s regulátorem 4. Nastavování velikosti základní vrstvy se provádí elektronicky.

Claims (5)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Kotel s odhoříváním se samočinnou detekcí optimální velikosti základní vrstvy paliva, obsahující pohyblivé dno (6), vyznačující se tím, že pohyblivé dno (6) přildádacího prostoru (3) je propojeno s čidlem (19) polohy nebo čidlem (26) síly pro detekování optimální velikosti základní vrstvy paliva.

2. Kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že čidlo (19) polohy nebo čidlo (26) síly je propojeno s regulátorem (4) ovládajícím ventilátor (1) spalin.

3. Kotel podle předchozích nároků, vyznačující se tím, že plochy pohyblivého dna (6) přikládacího prostoru (3) jsou celistvé a svažují se směrem dolů k trysce (10) odvodu spalin.

4. Kotel podle předchozích nároků, vyznačující se tím, že horní okraj pohybli- vého dna (6) určuje vstup (12) primárního vzduchu do přikládacího prostoru (3)

5. Kotel podle předchozích nároků, vyznačující se tím, že dolní okraj pohybli- vého dna (6) určuje vstup (9) sekundárního vzduchu do trysky (10).