CZ29628U1 - Spalovací komora se zlepšeným odvodem popela a/nebo strusky a spalovací hořák s touto spalovací komorou - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká spalovacího hořáku určeného ke spalování tuhého paliva, biomasy a především pelet a nepeletovaného paliva určené zrnitosti ze dřeva a rostlinných materiálů, a opatřeného otáčivou spalovací komorou.

Dosavadní stav techniky

Známé spalovací hořáky vybavené spalovacím roštem tvořeným otočnou válcovou nebo kuže'ovou spalovací komorou s děrovanými stěnami jsou popsané např. v patentových dokumentech EP 034653181, CZ 297587 86, US 7 739 966 82 nebo CZ 18603 Ul.

Otočná válcová spalovací komora je výhodná z hlediska snadného přístupu vzduchu k palivu, do komory se automaticky přivádí palivo pomocí šnekového nebo jiného dopravníku z násypky, a v průběhu spalování při intervalovém a periodickém otáčení spalovací komory kolem její osy dochází k průběžnému promísení a provzdušnění paliva při hoření a k automatickému odstraňování popela propadáním válcovými otvory v plášti spalovací komory. Spalovací hořák s otočnou spalovací komorou je konstruován pro plně automatický provoz, proto je opatřen elektronickou řídící jednotkou, která synchronizuje jednotlivé pohony a ovládací prvky ovlivňující proces hoření a spalování, např. podle sledování teploty ohřívané vody v kotli jak je uvedeno v dokumentu CZ 297587 B6, nebo pomocí dalších teplotních čidel umístěných ve spalovací komoře, na výstupu do komína a na vstupu vzduchu, jak je uvedeno v dokumentu US 7 739 966 B2.

Technický problém, který vykazují známé spalovací hořáky se spalovacími komorami opatřenými válcovými otvory, spočívá v nedokonalém a nedostatečném automatickém odvádění popela, a to zejména při spalování materiálů s nízkou teplotou tavení popela, jako např. kukuřičné pelety, kukuřičné zrno nebo rašelinové pelety.

Jakmile se plášť spalovací komory zahřeje nad teplotu tavení popela, která u výše uvedených materiálů leží již u hranice cca 800 °C, popel se roztaví do tekutého stavu, a tvoří se struska.

Struska postupně ucpává válcové otvory v plášti otočné spalovací komory, což zhoršuje přívod vzduchu a efektivitu spalovacího procesu hořáku. Menší podíl ucpaných otvorů pouze zhoršuje tepelnou účinnost spalovacího hořáku, větší podíl ucpaných otvorů může vést až vypadnutí hořáku do poruchového stavu, což je při provozování topného kotle v automatickém režimu zcela nežádoucí a tento stav vyžaduje častější servisní zásahy a pracné mechanické čištění otvorů v plášti spalovací komory.

Podstata technického řešení

Úkolem technického řešení je odstranit výše uvedené nedostatky známých hořáků a zabránit ucpávání otvorů v plášti spalovací komory struskou i při používání pelet z rostlinných materiálů s nízkou teplotou tavení popela.

Podstata technického řešení spočívá ve vytvoření spalovací komory s jinými než válcovými otvory v plášti, s výhodou s kuželovitými otvory, a ve využití střídavého teplotního cyklu, tj. rozdílu teplot ve spodní a horní úvrati při otáčení spalovací komory. Při otáčení spalovací komory kolem osy je teplejší spodní část komory, ve které vyhořívá palivo, a naopak horní část komory je chladnější, poněvadž dochází k ochlazování okolním vzduchem. Teplotní průběh ohřívání a ochlazování konkrétního otvoru spalovací komory je proto v podstatě sinusoidní. Toto cyklické střídání teplot se využije k odstranění popela a/nebo strusky podle technického řešení tak, že plášť spalovací komory se opatří otvory, jejichž průměr na vnitřní stěně pláště je menší než jejich průměr na vnějším povrchu pláště, a popel a/nebo struska se během otáčení spalovací komory vytlačuje z otvorů ven vlastním periodickým tepelným smršťováním materiálu pláště v horní

-1 CZ 29628 Ul úvrati a naopak tepelným roztahováním pláště ve spodní úvrati otáčivého pohybu spalovací komory.

Ve výhodném provedení technického řešení jsou otvory kuželovité a jejich kuželovitost určená podle vztahu C = (D-d)/L = 2tg (a/2), kde L je tloušťka stěny pláště a a je vrcholový úhel kuželovitého otvoru, leží v rozmezí od 0,03 do 0,7. Kuželovité otvory jsou pro vytlačování popela a/nebo strusky nej výhodnější, posuvný pohyb materiálu podél povrchových přímek kuželového otvoru je nejsnadnější. Základní funkci může ale vyhovovat i jiný než kuželovitý průřez otvorů.

Pro spalování běžně používaných pelet včetně pelet z rostlinných materiálů je výhodné, když velikost průměru otvorů na vnitřní stěně pláště leží v rozmezí od 3,8 mm do 4,2 mm, velikost průměru otvorů na vnějším povrchu pláště leží v rozmezí od 4,5 mm do 5,5 mm. Rozměry mohou být přizpůsobeny konkrétnímu materiálu a rozměru spalovací komory a vlastnostem použitého paliva, ale je výhodné, když hodnota vrcholového úhlu kuželovitého otvoru leží v rozmezí od 27° do 36°.

Nakonec je výhodné, když plášť spalovací komory je z chromniklové ocelolitiny s obsahem niklu vyšším než 20 %, a jeho tloušťka stěny leží v rozmezí od 5 do 10 mm. Tento materiál má potřebné žáruvzdorné vlastnosti a dá se lépe obrábět při výrobě tvarových otvorů.

Výhody řešení podle technického řešení spočívají ve zlepšených podmínkách pro provozování spalovacího hořáku v plně automatickém provozu i při používání peletovaných pevných paliv s nízkými teplotami tavení popela. Spalovací komora je v podstatě samočistitelná během provozu, zvyšuje se celková účinnost hořáku, a snižuje se počet havarijních stavů a servisních zásahů pro čištění spalovací komory.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže objasněno pomocí výkresů, na nichž znázorňuje:

obr. 1 schematický řez spalovacím hořákem, obr. 2 řez válcovou spalovací komorou obr. 3 detail otvoru v plášti spalovací komory v řezu

Příklady uskutečnění technického řešení

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění technického řešení jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení technického řešení na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním technického řešení, která jsou zde popsána, I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících nároků na ochranu.

Hlavní částí spalovacího hořáku 1 zobrazeného na obr. 1 je otočná spalovací komora 2, ve které dochází ke spalování pelet přiváděných ze zásobníku 6 dávkovacím zařízením 7 a šnekovým dopravníkem 8. Otáčky spalovací komory 2, dávkovacího zařízení 7 a šnekového dopravníku 8, jsou synchronizovány. Plášť 3 spalovací komory 2 z chromniklové ocelolitiny s obsahem 20 % niklu je opatřen soustavou otvorů 4, kterými proudí dovnitř spalovací komory 2 vzduch vháněný do skříně 9 spalovacího hořáku I. Rozteče otvorů 4 jsou pravidelné, jak je znázorněno na obr. 1 a obr. 2, případně se mohou zvětšovat směrem k výstupnímu ústí, kde se plošná hustota otvorů 4 může snižovat. Tloušťka L stěny pláště 3 je 6 mm, ale v závislosti na použitém materiálu a požadovaných provozních vlastnostech se může pohybovat v rozmezí od 5 mm do 30 mm.

Chromniklová ocelolitina ČSN 422952 STN 422952 oproti běžně používané litině má srovnatelné žáruvzdorné vlastnosti, aleje měkčí a dá se relativně levně obrábět, což je výhodné při výrobě speciálně tvarovaných otvorů 4 podle technického řešení. Otvory 4 jsou kuželovité, přičemž menší průměr d je na vnitřní stěně pláště 3 a větší průměr D je na vnějším povrchu pláště 3. V provedení znázorněném na obr. 2 a obr. 3 jsou hodnoty d=4±0,2 mm, D = 5±0,5 mm a L = 6 mm, tzn., že kuželovitost C otvoru 4 vypočítaná podle vztahu C = (D-d)/L se pohybuje kolem hodnoty 0,17.

-2CZ 29628 Ul

Z funkčního hlediska může ale hodnota kuželovitosti C otvoru 4 ležet v rozmezí od 0,03 do 0,7, což odpovídá rozmezí hodnot vrcholového úhlu a kuželovitého otvoru 4 v rozmezí od 27° do 36°.

Během spalování pelet ve spalovací komoře 2 se do otvorů 4 dostává popel a/nebo struska 5 vzniklá roztavením popela, což může vést k ucpání otvoru 4. Při pomalém resp. intervalovém otáčení spalovací komory 2 se v horní úvrati plášť 3 ochlazuje a smršťuje, ve spodní úvrati se naopak zahřívá a roztahuje, takže v otvoru 4 na popel a/nebo strusku 5 působí síla, jejíž axiální složka a smykové napětí mezi povrchem popela a/nebo strusky 5 a vnitřní stěnou otvoru 4 vytlačí popel a/nebo strusku 5 ven z otvoru 4 a otvor 4 se tak automaticky vyčistí, aby mohl dále přivádět vzduch do topeniště. Funkce automatického čištění spolehlivě funguje v rozsahu pracovních teplot od 20 °C do 1050 °C. Ve válcových otvorech k tomuto jevu nedochází, tvar otvoru vytlačení materiálu neumožňuje.

Tvar otvorů 4 může být v zásadě i jiný než kuželovitý, je-li splněna podmínka D-d, nicméně kuželovitý tvar je pro samočisticí schopnost spalovací komory 2 nej výhodnější.

Pro další zlepšení kvality spalovacího procesu je na výstupu spalin ze spalovací komory 2 osazeno teplotní čidlo, případně lambda sonda, jejichž signály analyzuje elektronická řídící jednotka a upravuje režim otáčení spalovací komory 2 tak, aby docházelo k minimálnímu tavení popela a vzniku strusky 5.

Průmyslová využitelnost

Řešení podle technického řešení je využitelné u spalovacích hořáků s rotační spalovací komorou, zejména při spalování pelet z rostlinných materiálů.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (6)

1. Spalovací komora (2) spalovacího hořáku (1), s pláštěm (3) rotačně symetrického tvaru, opatřeným soustavou otvorů (4) pro přívod vzduchu a pro odvod popela a/nebo strusky (5), vyznačující se tím, že průměr (d) otvorů (4) na vnitřní stěně pláště (3) je menší než jejich průměr (D) na vnějším povrchu pláště (3).

2. Spalovací komora podle nároku 1, vyznačující se tím, že otvory (4) jsou kuželovité a jejich kuželovitost (C) určená podle vztahu: C = (D-d)/L = 2tg (a/2), kde L je tloušťka stěny pláště (3) a a je vrcholový úhel kuželovitého otvoru (4), leží v rozmezí od 0,03 do 0,7.

3. Spalovací komora podle nároku 2, vyznačující se tím, že velikost průměru (d) otvorů (4) na vnitřní stěně pláště (3) leží v rozmezí od 3,8 mm do 4,2 mm, velikost průměru (D) otvorů (4) na vnějším povrchu pláště (3) leží v rozmezí od 4,5 mm do 5,5 mm.

4. Spalovací komora podle nároku 2, vyznačující se tím, že hodnota vrcholového úhlu (a) kuželovitého otvoru (4) leží v rozmezí od 27° do 36°.

5. Spalovací komora podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že plášť (3) je z chromniklové ocelolitiny s obsahem niklu vyšším než 20 %, a jeho tloušťka stěny (L) leží v rozmezí od 5 do 10 mm.

6. Spalovací hořák (1) pro spalování pevných materiálů, s otočnou spalovací komorou (2), jejíž plášť (3) je opatřen soustavou otvorů (4) pro odvod popela a/nebo strusky (5), vyznačující se tím, že spalovací komora (2) je vytvořena podle některého z nároků 1 až 5.