CZ308311B6 - Cirkulační topný kotel pro kombinovanou výrobu tepla a páry - Google Patents

Abstract

Cirkulační topný kotel pro kombinovanou výrobu tepla a páry, opatřený přívodem paliva, zkapalněného vzduchu a plynného okysličovadla, sestává ze spalovací části a výměníkové části, kde jeho stěnu (98) tvoří soustava plášťů, zahrnující první plášť (1) obklopený druhým pláštěm (2), jež jsou uzavřeny v oblasti, kde obklopují teplosměnné prostory spalovací části, kterou tvoří směrem vzhůru na sebe navazující sekce (II) inicializace plamenného víru, alespoň jedna sekce (III) spalování paliva, sekce (V) srážení a separace spalitelných částic a sekce (VI) vytápění s prostupem tepla opatřená na rozhraní s výměníkovou částí alespoň jedním tlakovým ventilem. Sekci (II) inicializace plamenného víru tvoří přiléhající část stěny (98), uvnitř které je uspořádána spirální skříň (7) s alespoň jedním tangenciálním vstupem plamene, která je napojena svým výstupem na rychlostní komoru (8), dále propojenou s prstencem (9). Do rychlostní komory (8) ústí přívod paliva a okysličovadla, přičemž spirální skříň (7), rychlostní komora (8) a prstenec (9) obklopují zásobník (34) spalitelného popela, který je uspořádán ve středu sekce (II) inicializace plamenného víru tak, že jej protíná vertikální osa (86) cirkulačního kotle. Do sekce (II) ústí svod (89) spalitelného popela, který je opatřen alespoň jedním otvorem propojujícím jej se zásobníkem (34) spalitelného popela, přičemž zásobník (34) spalitelného popela je dále propojen s prstencem (9). Zásobník (34) spalitelného popela spolu s vnitřní částí přiléhajícího prstence (9) shora uzavírá první oddělovací deska (10) opatřená v oblasti, ve které překrývá prstenec (9), alespoň jedním otvorem, po jehož stranách vystupují směrem ke svodu (89) spalitelného popela vertikální výztužné lopatky (13). Druhá oddělovací deska (12) shora uzavírá rychlostní komoru (8) s vnější částí prstence (9) a je opatřena radiálními rozváděcími lopatkami (15), které mají půdorys ve tvaru oblouku.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká cirkulačního topného kotle pro kombinovanou výrobu tepla a páry sestávajícího ze sekcí uspořádaných v těle kotle, které lze podle volitelné sestavy kotle měnit.

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou obecně známy a využívány následující topné systémy, solární panely pro ohřev vody, tepelná čerpadla, kotle různé konstrukce. Ze současných technologických znalostí víme, že energetické systémy určené k výrobě upotřebitelné energie určené, jak pro průmysl, tak pro domácnosti, mohou narušovat svou činností životní prostředí. Relativně čistou energii je možné obdržet jen ze solárního zdroje, například solární systém založený na Trombeho stěně, proudu vody či vzduchu nebo použitím utilizačních kotlů využívající geotermální zdroj tepla. Výše jmenované energetické systémy můžeme počítat jako zdroje energie nezávadné pro životní prostředí, tedy ekologické při výrobě energie.

Energii je možné získat také spalováním. Kotel je zařízení vyrábějící horkou vodu nebo tlakovou páru pro otopné, technologické nebo energetické účely. Sestává v obecném případě ze spalovací části (s případným příslušenstvím) a z výměníkové části. Není účelem zde rozebírat veškeré způsoby výroby energie nebo dělení kotlů třeba podle způsobu jejich nasazení, použití, provedení, použitého paliva, pracovního média nebo jejich výzbroje. Hlavní funkcí kotlů je přenos tepla produkovaného spalováním paliva do vody, a nakonec k výrobě páry. Páry vyrobené v kotli se používá pro různé účely, včetně vytápění, sterilizace a sušení a zvlhčování a výroby elektrické energie. Na kotle lze nahlížet jako na použitelná technologická zařízení, která svým provozem při využití různého paliva generují při svém výrobním provozu nejen upotřebitelnou energii, ale různé pevné i plynné technologické odpady. Tyto odpady mají většinou negativní dopady na životní prostředí, ale přes tyto nevýhody jsou doposud pro lidstvo nezbytnými technickými zařízeními. V současné době se pro výrobu páry anebo teplé vody používají kotle o výkonu až po několik tisíc tun páry za hodinu, tj. použitelné pro elektrárenský blok až do výkonu 2000 MW, přitom tlak páry se může volit od barometrického tlaku až do nadkritické oblasti tlaku cca 25 MPa. Tyto kotle mohou být např. v uspořádání jako roštové, s válcovým roštem pro spalování odpadu, strmotrubné, bubnové, nízkotlaké kotle, vysokotlaké kotle apod.

Klasické uspořádání technologie pro výrobu elektrické energie sestává z kotle, tvořeného pláštěm s topeništěm s roštem a popelníkem, do kterého ústí trysky primárního vzduchu. Do prostoru topeniště ústí přívody paliva a sekundárního vzduchu. Nad topeništěm je uspořádán výměník, který je vstupem napojený na přívod vody, přičemž z jeho výstupu je odváděna pára pro turbínu pohánějící generátor. Kotel je ukončen odvodem spalin, do něhož je vřazen odlučovač pevných částí, který vrací zpět do kotle zbytky nespáleného paliva a dále je obvykle do odvodu spalin napojen další stupeň čištění, a to v místě před únikem spalin do komína. Kotel se souosým vodním pláštěm a spalovacím prostorem je popsán ve francouzském patentu FR 2154347. Zde je popsán topný kotel, u něhož jsou dva válcové vodní pláště uspořádány vzájemně souose. Přitom vnitřní prostor, obklopený vnitřním vodním pláštěm, vytváří spalovací prostor, zatímco meziprostor mezi vodními plášti slouží jako kanál kouřového plynu. V tomto kanálu kouřového plynu se nachází šroubová vložka. Tento topný kotel je relativně konstrukčně komplikovaný. Zhotovení je tedy relativně drahé a servisní práce jsou těžko proveditelné a časově náročné. Zvlášť nepříznivé je nebezpečí chladných míst, u nichž může při redukovaném výkonu hořáku nastat kondenzace škodlivých látek z kouřových plynů, což pak vede k problémům s korozí. Tento topný kotel se tedy nehodí pro provoz s vícestupňovým hořákem. Tento známý topný kotel nemá žádný prostředek pro přípravu teplé vody, to znamená, takzvanou přípravu užitkové vody. Je důležité, aby výkon topného kotle a hořáku byl ve vzájemném souladu. Proto bylo dosud

- 1 CZ 308311 B6 v dolní oblasti výkonu nutné vyrábět velikosti kotlů s odstupňováním asi po 5 kW, což je velmi nevýhodné. Nedostatky výše popisovaného řešení částečně odstraňuje topný kotel popisovaný v patentovém spisu České republiky CZ 281126. Jedná se o kotel opatřený vícestupňovým nebo modulovým hořákem uvnitř kterého je vytvořen teplosměnný prostor obklopený prvním vodním pláštěm, který je tvořen vnější a vnitřní stěnou, přičemž v teplosměnném prostoru je umístěn druhý vodní plášť, který se rozprostírá po části délky teplosměnného prostoru. Mezi vodními plášti je vytvořen první meziprostor s prvním výstupem kouřového plynu. Uvnitř druhého vodního pláště je vytvořen vnitřní prostor, který je na odvrácené straně od hořáku opatřen druhým výstupem kouřového plynu. Topný kotel je opatřen prostředkem pro regulaci proudu kouřového plynu z prvního výstupu kouřového plynu a /nebo pro regulaci proudu plynu z druhého výstupu kouřového plynu z prvního výstupu kouřového plynu a/nebo pro regulaci proudu kouřového plynu. Prostředek pro regulaci proudu kouřového plynu je tvořen klapkou kouřového plynu. Výstupy kouřového plynu ústí do společné kouřové trubky a klapka kouřového plynuje společná pro oba dva výstupy kouřového plynu.

Dále je znám cirkulační fluidní kotel na uhlí a biomasu, který je popsán v přihlášce vynálezu České republiky PV 2007-909. Konstrukce fluidního kotle na uhlí a biomasu vycházejí z českých patentů CZ 283457 a CZ 294451. Cirkulační fluidní kotel na uhlí a biomasu má topeniště, které je vymezeno z boků membránovými stěnami, z čela membránovou stěnou, zezadu membránovou stěnou, shora přesazeným stropem tvořeným membránovými stěnami propojenými trubkami, ze spodu je topeniště vymezeno trubkovým propadovým roštem propojeným s ventilátorem primárního spalovacího vzduchu a recyklačních spalin, membránová stěna je přes sesyp nebo sesypy propojena s dávkovačem nebo dávkovači uhlí a biomasy, sesyp nebo sesypy jsou propojeny přívodem sekundárního vzduchu nebo sekundárního vzduchu a recyklačních spalin, v topeništi je obsažena sypaná vrstva křemičitého písku, v této vrstvě je instalována trubková vestavba, která je demontovatelná a vyjímatelná z topeniště, trasa spalin je na začátku vymezena trubkami a je tvořena systémem konvenčních výměníků fluidního cirkulačního kotle, chladičem spalin s pneumatickými vodními tryskami, cyklonem nebo cyklony, tkaninovým filtrem nebo tkaninovými filtry a kouřovým ventilátorem, teplota spalin na vstupu do spalinového kanálu přesazeného stropu topeniště je min. 700 °C.

U dosud známých kotlů probíhá spalování ve spalovací části za atmosférického tlaku a veškeré doposud známé systémy kotlů ve věci snížení emisí pod jejich stanovenou normu jen řeší uspořádání ohniště a způsob chemické a/nebo mechanické cesty. Žádný známý topný systém přitom neřeší při snižování emisí svou konstrukcí a/nebo svou technologickou funkcí spalování podtlakem.

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je konstrukce cirkulačního topného kotle pro kombinovanou výrobu tepla, páry a případně i elektrické energie, který by bez masivních investic dokázal spalovat odpady a jakákoliv paliva s množstvím nežádoucích příměsí, které jsou pro ekologii životního prostředí nepřijatelné. A zároveň by zajistil nezbytné zdroje energie tepelné i elektrické, např. na těžko dostupných místech.

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny cirkulačním topným kotlem pro kombinovanou výrobu tepla a páry, opatřený přívodem paliva, zkapalněného vzduchu a plynného okysličovadla, sestávajícím ze spalovací části a výměníkové části, který spočívá v tom, že jeho stěnu tvoří soustava plášťů, zahrnující první plášť obklopený druhým pláštěm, které jsou uzavřeny v oblasti, kde obklopují teplosměnné prostory spalovací části, kterou tvoří směrem vzhůru na sebe navazující sekce inicializace plamenného víru, alespoň jedna sekce spalování paliva, sekce srážení a separace spalitelných částic a sekce vytápění s prostupem tepla opatřená na rozhraní s výměníkovou částí alespoň jedním tlakovým ventilem. Topný kotel dle tohoto provedení je

-2 CZ 308311 B6 vhodný zejména pro spalování plynného i kapalného paliva, která obsahují mnoho příměsí a nečistot.

Cirkulační kotel je řešen jako přetlakový, tj. ve spalovací části kotle, která je uzavřena v soustavě plášťů a izolována od vnějšího prostředí, je dosahován oproti atmosférickému tlaku zvýšený tlak. Navíc je při spalování dosahováno také vysokých teplot, až kolem cca 1650 °C. Konstrukce kotle a uvedené tlakové a teplotní podmínky významně ovlivní proces spalování probíhající ve spalovací části kotle, jak je popsáno níže.

Pojem sekce cirkulačního kotle představuje technologický celek zajišťující konkrétní činnost nebo funkci zvolené celkové sestavy kotle. Sekce zahrnuje konkrétní přiléhající soustavu plášťů kotle, případný přívod paliva, odpadu, okysličovadla a kapalného vzduchu a vnitřní technologické vybavení dané sekce. Dle potřeby mohou jednotlivé prvky vnitřního technologického vybavení jednotlivých sekcí zasahovat i do prostoru sekcí sousedních, případně mohou některé prvky vnitřního technologického vybavení sdílet.

V případě, že nespalujeme ušlechtilé palivo, ale palivo obsahující příměsi a/nebo nečistoty, tudíž očekáváme vznik pevných nespalitelných částí, pak do spalovací části kotle zařadíme dále sekci separace nespalitelných částic, která je uspořádána mezi sekcí spalování paliva a sekcí srážení a separace spalitelných částic.

Nespalitelné částice je třeba z teplosměnného prostoru kotle odvádět. Odběr nespalitelného popela může být ve stěně kotle instalován kdekoli pod sekcí separace nespalitelných částic, s výhodou pak je do spalovací části kotle zařazena sekce nespalitelného odpadu, která je uspořádána pod sekcí inicializace plamenného víru. Do této sekce částice nespalitelného popela padají a jsou odtud odebírány prostřednictvím odběru nespalitelného popela.

Veškeré doposud známé stěny kotlů jsou tvořeny obecně soustavou plášťů, které mají za úkol kotel izolovat od vnějšího prostředí, případně využít pláštěm prostupující teplo k ohřevu tekutiny, typicky vody, čímž se sníží tepelné ztráty a zvýší celková účinnost kotle. Vysoký tlak a vysoká teplota ve spalovací části kotle s sebou přináší zvýšené nároky na jeho stěny, které jsou tvořeny více plášti, které jsou s výhodou uspořádány souose vůči sobě bez nutnosti jeho připojení na chladicí soustavy. Uvedené pláště tvoří stěnu kotle, dále také nazývanou soustava plášťů. Kotel má v ideálním případě kruhový průřez, ovšem průřez může být v podstatě libovolný obecný mnohoúhelník alespoň s třemi stranami.

Stěnu cirkulačního topného kotle tvoří první plášť, u kterého je vhodné, aby byl vytvořen z žáruvzdorného materiálu, který je obklopen druhým pláštěm, který je s výhodou vytvořen z tlakuodolného materiálu, typicky oceli.

U některých provedení cirkulačního topného kotle prochází prvním pláštěm svod nespalitelného popela.

Z důvodu minimalizace úniků sálavého teplaje druhý plášť s výhodou obklopen vodním pláštěm, který je dále obklopen venkovním pláštěm. Vodní plášť je konstruován typicky jako průtočný a plní funkci předehřívače a ohřívače teplé vody. Výhodné je, že cirkulační kotel nejen minimalizuje technologické úniky sálavého tepla, ale naopak toto teplo technologicky využívá, a to prostřednictvím Peltierova článku k výrobě elektrické energie, který je z jedné strany ohříván tepelnými průniky z vnitřních plášťů a z druhé strany je ochlazován vodním pláštěm, přičemž voda z vodního pláště je využívána pro ohřev teplé vody pro další spotřebu. Na základě tohoto technologického uspořádání takto dochází k vzniku elektrického proudu odebíratelného z tohoto Peltierova článku za současného pohlcení vyzařovaného tepla z teplosměnného prostoru cirkulačního kotle jeho prvním a druhým pláštěm. V tomto výhodném provedení je tedy Peltierův článek uspořádán mezi druhým vnitřním ocelovým pláštěm a vodním pláštěm.

-3 CZ 308311 B6

Z důvodu snížení tepelného prostupu z teplosměnného prostoru kotle do okolí může stěnu ze soustavy na sebe navazujících uspořádaných plášťů uzavírat z vnější strany izolační plášť.

Je pochopitelně výhodné, nejen z konstrukčních důvodů, když jsou jednotlivé pláště uspořádány souose.

Cirkulační topný kotel sestává ze sekce inicializace plamenného víru, kterou s výhodou tvoří přiléhající část stěny, uvnitř které je uspořádána spirální skříň s alespoň jedním tangenciálním vstupem plamene, která je napojena svým výstupem na rychlostní komoru, dále propojenou s prstencem, kdy do rychlostní komory ústí přívod paliva a okysličovadla, přičemž spirální skříň, rychlostní komora a prstenec obklopují zásobník spalitelného popela, který je uspořádán ve středu sekce inicializace plamenného víru tak, že jej protíná vertikální osa cirkulačního kotle, kdy do sekce ústí svod spalitelného popela, který je opatřen alespoň jedním otvorem propojujícím jej se zásobníkem spalitelného popela, přičemž zásobník spalitelného popela je dále propojen s prstencem a zásobník spalitelného popela spolu s vnitřní částí přiléhajícího prstence shora uzavírá první oddělovací deska opatřená v oblasti, ve které překrývá prstenec, alespoň jedním otvorem, po jehož stranách vystupují směrem ke svodu spalitelného popela kotle vertikální výztužné lopatky, přičemž druhá oddělovací deska shora uzavírá rychlostní komoru s vnější částí prstence a je opatřena radiálními rozváděcími lopatkami, které mají půdorys ve tvaru oblouku. Plamenný vír, vzniká přidáním paliva a okysličovadla a udělením rotačního pohybu plamenu výztužnými a rozváděcími lopatkami, které jsou uspořádány v sekci II inicializace plamenného víru. Pomocí výztužných a rozváděčích lopatek dochází k rozdělení plamene vstupujícího do následující sekce na soustavu dílčích plamenů úhlově posunutých pohybujících se kolem společné spirálovité osy směrem vzhůru. Tuto soustavu dílčích plamenů nazýváme plamenným vírem.

Pro lepší usměrnění plamenného víru, u kterého je výhodné, když postupuje pomalu směrem vzhůru, tj. po trajektorii, která se co nejméně odchyluje od horizontálního směru, je výhodou, když druhá oddělovací deska přesahuje přes okraj prstence směrem k ose kotle. Takto je plamen pomalu veden ve směru vertikálním po výstupu z otvorů v první oddělovací desce. Ze stejných důvodů je výhodné, když druhá oddělovací deska má oproti horizontální rovině mírný sklon tak, že okraj druhé oddělovací desky blíže ose kotle je výš než okraj obvodový, a zároveň když mezi rozváděcími lopatkami je plamen dále veden směrem k obvodu kotle pomalu vzhůru, čehož je dosaženo tím, že na druhé oddělovací desce mezi rozváděcími lopatkami je uspořádán prstencový klín, jehož výška se směrem k obvodu kotle zvyšuje.

Cirkulační topný kotel sestává ze sekce spalování paliva, kterou tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující tlakovou vírovou komoru sestávající ze dvou stupňů, středem ve směru vertikálním prochází svod spalitelného popela, kdy první stupeň představuje prostor tlakového hoření, do kterého ústí přívod paliva, kapalného vzduchu a plynného okysličovadla, kdy první stupeň je zakončen horizontální první přepážkou, která je při obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene, přičemž na tuto první přepážku navazuje druhý stupeň tlakové vírové komory, který je představován labyrintem zakončeným horizontální druhou přepážkou. V sekci spalování paliva dochází ktomu, že plamenný vír získá teplotu až cca 1650 °C. Tato sekce se může dle požadavků na kotel a palivo v rámci sestavy kotle i opakovat.

Do labyrintu vstupuje plamenný vír prostřednictvím alespoň jednoho průchodu plamene, kterým může podélná štěrbina, soustava štěrbin nebo soustava otvorů apod. Labyrint zajišťuje, aby plamenný vír jeho průchodem tzv. cykloval, tj. stlačoval a rozpínal se, a aby se spalované části popeloviny, které v labyrintu hoří, co nejdéle při průchodu labyrintem zdržely. Labyrint slouží v podstatě také jako tlakový uzávěr. Cyklování plamenného víru je dosaženo tím, že labyrint je tvořen oddělenými dílčími prostory uzavřenými mezi oddělovacími deskami, kterými je veden procházející plamenný vír, přičemž sousední dílčí prostory jsou propojeny průchody plamene uspořádanými v oddělovacích deskách, jejichž průřez je menší než průřez propojených dílčích prostorů. Zdržení spalovaných částí v labyrintu, a tím i jejich dokonalejší spálení, je dosaženo již zmiňovaným cyklováním, které zajišťuje střídavé urychlení nebo zpomalování (rotačního)

-4 CZ 308311 B6 pohybu plamenného víru, čímž celkově zpomalí průchod plamenného víru labyrintem, a také tím, že uspořádané dílčí prostory labyrintu vedou plamenný vír po dráze, která je delší, než kdyby plamenný vír prošel oblastí labyrintu přímo. V jednom z příkladných provedení může být labyrint tvořen soustavou horizontálních oddělovacích desek, které ve směru vertikálním mají vůči sobě odstup, jenž může být vytvořen vložením vymezovacího prstence, přičemž v těchto oddělovacích deskách jsou při jejich obvodu uspořádány průchody plamene pro průchod plamenného víru mezi prostory labyrintu. Tyto průchody mají s výhodou tvar štěrbiny. Horizontální oddělovací desky mohou s výhodou vykazovat sklon oproti horizontální rovině, přičemž průchod mezi prostory labyrintu je na každé oddělovací desce uspořádán při dolní části jejího obvodu a skloněné sousední oddělovací desky jsou navzájem vůči sobě pootočeny podle osy rotace shodné s vertikální osou kotle (oddělovací desky nejsou uspořádány se souhlasným sklonem, ale jsou navzájem vůči sobě pootočeny), aby procházející plamenný vír musel urazit mezi navazujícími průchody mezi prostory labyrintu delší dráhu a během této dráhy se průřez procházeného dílčího prostoru labyrintu zvětšil a zase zmenšil. V případě horizontálních desek se sklonem oproti horizontální rovině zpravidla u sousedních oddělovacích desek horní část obvodu spodní oddělovací desky nezasahuje výše než spodní část obvodu horní oddělovací desky. Pro zajištění rotačního pohybu plamenného víru je výhodné, když jsou oddělovací desky vůči sobě navzájem otočeny o 125 až 180°, s výhodou o 135° a průchody byly nejlépe uspořádány v této úhlové výseči.

Sběr nespalitelných částic je založen na odstředivé síle působící na obvodu rotujícího plamenného víru a sběrném žlábku. Cirkulační topný kotel sestává ze sekce V srážení a separace spalitelných částic, kterou tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující separační komoru, do které ústí přívod ionizovaného vzduchu, kapalného vzduchu a ohřáté vody a jejíž sténaje v horní části zakončena výstupkem, jenž je vytvořen po obvodu prvního pláště kotle a vstupuje do teplosměnného prostoru kotle, přičemž víko sekce V srážení a separace spalitelných částic je tvořen odraznou deskou, jejíž stěny ve směru k ose kotle stoupají, která je v oblasti kolem osy kotle opatřena usměrňovacím prvkem, jehož stěny ve směru k ose kotle klesají, a ke které jsou na jejím obvodu upevněny rozváděči lopatky, které jsou též připevněny k třetímu výstupku, přičemž ve spodní části separační komory je uspořádán sběrný kužel (prvek), který ústí do svodu spalitelných částic v předcházející sekci.

Průřez v horizontálním řezu separační komory se směrem vzhůru zvětšuje.

Usměrňovači prvek má s výhodou tvar kuželovitý a odrazná deska kónický tvar. Jak usměrňovači prvek, tak odrazná deska přispívají ktomu, že rotující plamen, který vystoupá při obvodu separační komory, je sveden k ose kotle, kde se vnitřní hrana vzniklého rotujícího plamenného prstence protáhne směrem dolů. Plameny při vnitřní hraně prstence zpomalí, ztratí unášecí schopnost a spalitelné částice padají do sběrného kužele.

Cirkulační topný kotel dále sestává ze sekce vytápění s prostupem tepla, kterou tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující vyhřívací prostor vymezený zdola odraznou deskou, vůči které je v odstupu uspořádána protilehlá odpařovací deska opatřená alespoň jedním prostupem tepla opatřeným zpětným ventilem. V této sekci je již očištěný plamen, který ohřívá odpařovací desku, přičemž teplo prostupuje prostupy tepla dále do výměníkové části. S výhodou mají prostupy tepla trubkový tvar a vystupují z odpařovací desky směrem vzhůru.

Cirkulační topný kotel může být s výhodou opatřen sekcí separace nespalitelných částic, jak již bylo uvedeno výše. Sekci separace nespalitelných částic tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující dohořívací komoru sestávající ze dvou stupňů, středem ve směru vertikálním prochází svod spalitelného popela, kdy první stupeň představuje prostor separace nespalitelných částic vymezený zdola dnem, tvořeným jednak deskou, která je při jejím obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene, a jednak po obvodu sběrným žlábkem, ve kterém je vyústěn alespoň jeden vstup svodu nespalitelného popela, přičemž do prostoru separace nespalitelných částic ústí přívod kapalného vzduchu a ionizovaného vzduchu a na jehož obvodu (z pláště

-5 CZ 308311 B6 směrem dovnitř vystupuje) je uspořádán alespoň jeden Reynoldsův práh, první stupeň je zakončen horizontální první deskou, která je při obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene, přičemž na tuto desku navazuje druhý stupeň dohořívací komory, který je představován labyrintem zakončeným horizontální přepážkou, která je při obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene. Tuto sekci využijeme v případě, že v kotli není spalováno tzv. ušlechtilé palivo, tj. očekáváme, že palivo bude obsahovat různé příměsi a nečistoty. Sběr nespalitelných částic je založen na odstředivé síle působící na obvodu rotujícího plamenného víru a sběrného žlábku, který mění rychlostní poměry na spodním okraji plamenného víru pohybujícího se v teplosměnném prostoru dohořívací komory.

Je výhodné, když je první stupeň dohořívací komory nej širší ve své spodní části a průřez prvního stupně dohořívací komory se směrem vzhůru zmenšuje.

Sběrný žlábek může mít různý tvar, aby plnil funkci sběru nespalitelných částic. Výhodně má sběrný žlábek v řezu tvar hyperboly a spád jeho dna je alespoň 3 %o, a to vždy po 1/2 své délky mezi vyústěním vstupů svodu nespalitelného popela.

Nespalitelné částice svedené do svodu/ů nespalitelného popela mohou být z teplosměnného prostoru kotle odváděny různým způsobem, musí však být zachován tlak uvnitř kotle. Výhodné je, když cirkulační topný kotel dále obsahuje sekci nespalitelného odpadu, kterou tvoří přiléhající část soustavy plášťů, uvnitř které je uspořádán zásobník nespalitelného popela, do kterého ústí jednak alespoň jeden svod nespalitelného popela a jednak alespoň jeden odběr nespalitelného popela. Nespalitelný popel ze zásobníku nespalitelného popela může být odebírán jak za provozu, tak v odstávkách kotle.

Z bezpečnostních důvodů je výhodné, aby do sekce I nespalitelného odpadu ústil také alespoň jeden pojistný tlakový ventil.

Dále je výhodné, aby plamenný vír při svém postupu vzhůru v oblasti prvního stupně tlakové vírové komory byl v horizontální rovině stlačován a rozpínán. Děje se tak za využívání Reynoldsových poznatků aplikovaných do výstupků (dále jen Reynoldsovy prahy), které mění tlakové a rychlostní poměry proudu plamenného víru v jeho horizontální rovině. Plamenný vír pn svém postupu po spirále proudí laminámě a z pláště dovnitř vystupující Reynoldsovy prahy zajišťují stlačení (při průchodu přes Reynoldsův práh) a rozpínání proudu plamene (za Reynoldsovým prahem), přičemž charakter laminámího proudění zůstává zachován.

V souvislosti se stlačováním a rozpínáním dochází také ke zrychlení a zpomalení uspořádaného lineárního proudění. Z výše uvedených důvodů je tedy výhodné, aby z prvního pláště v oblasti prvního stupně tlakové vírové komory směrem do teplosměnného prostoru kotle vstupoval alespoň jeden Reynoldsův práh.

S výhodou je Reynoldsův práh rovnoběžný s vertikální osou kotle a je vhodné, když má stejnou výšku jako první stupeň tlakové vírové komory. Reynoldsův práh může být vytvořen jako součást prvního pláště úpravou jeho profilu, tj. např. úpravou tvaru vyzdívky kotle.

V sekci inicializace plamenného víru, sekci spalování paliva, sekci separace nespalitelných částic a sekci srážení a separace spalitelných částic jsou do teplosměnného prostoru kotle pod tlakem prostřednictvím přívodů vháněny palivo včetně spalitelného odpadu, voda a okysličovadlo v různé kombinaci.

Palivo, voda a okysličovadla mohou být do kotle vháněny samostatně a promíseny až v prostoru kotle, ovšem s výhodou dochází k jejich promísení ještě před vstupem do kotle.

Přívodem, který umožňuje vytvoření směsi paliva a/nebo okysličovadla nebo vody a okysličovadla ještě před vstupem do kotle, může být ve výhodném provedení ejektor. Jedná se o čerpací zařízení, které má svou funkci založenou na využití podtlaku. Pro vytvoření podtlaku

-6 CZ 308311 B6 ejektor používá pracovní médium. Pracovním médiem může být kapalina, vzduch, pára nebo plyn, ale také kal o různé vazkosti, zrnitosti nebo složení, přičemž jako výhodné pracovní médium se jeví kapalina. Kapalina vykonává práci svým prouděním v trysce, čímž dochází k vytvoření nezbytného pracovního podtlaku a tím následného sání čerpaného média.

Ve smyslu tohoto vynálezu čerpaným médiem ejektoru může být jakékoliv rozemleté, tekuté nebo plynné palivo nebo spalitelný odpad anebo voda. Okysličovadlo může být jak v kapalném, tak plynném stavu, s výhodou se v řešeních dle vynálezu použijí zkapalněný vzduch a ionizovaný vzduch, například směs tlakového vzduchu obohaceného O3, kde tato okysličovadla nebo voda musí být dopravovány do ejektoru pod dostatečným pracovním tlakem.

Z důvodu lepšího promísení směsi v ejektoru, a to zejména u paliv tuhých, je výhodné, když vstupem čerpaného média do směšovacího prostoru ejektoru je spirální skříň.

Výhodou cirkulačního kotle pro kombinovanou výrobu tepla a páry je jeho řešení jako integračního kotle pro výrobu tepla a ohřev teplé vody, páry bez nutnosti trubkových předehřívačů i výpamíků a který také funguje jako spalovna obtížně spalitelných odpadů. Výhodné je, že cirkulační kotel navíc umožňuje přímou výrobu elektrické energie např. pro pohon parní kondenzační turbíny a rotačních generátorů nebo dynam.

Výhodné je, že cirkulační kotel podle tohoto vynálezu lze díky svým vyměnitelným sekcím použít pro vytvoření sestavy kotle, která může být využita při vytápění domácností nebo při průmyslové výrobě tepla a páry nebo elektrické energie. Cirkulační kotel lze konstruovat o tepelném výkonu od 15 kW po 1000 MW i více. Cirkulační kotel lze výhodně modifikovat také s ohledem na spalované palivo, kterým může být kromě běžných paliv, jako je uhlí, uhelný mour, také odpad s problematickými příměsemi, a to bez jejich úniku do ovzduší a vzniku problematických odpadních popelovin.

Výhodou je též, že ke svému provozu nepotřebuje technologická zařízení, jako jsou komíny pro odvod spalin do ovzduší, chladiče a další výzbroj obvyklou pro provoz kotle. Jedná se o uzavřený systém, který produkuje teplou vodu, páru a elektrickou energii. Produkovaná pára o požadovaném tlaku je použitelná např. pro parní turbíny, a i zbytkové teplo vyzářené spalovací sekcí je využitelné k výrobě teplé vody, případně elektrické energie.

Konstrukce cirkulačního kotle podle tohoto vynálezu umožňuje dosažení vysokých teplot, i teplot vyšších než 1650 °C, a tuto teplotu udržet alespoň po dobu pěti minut. Udržení tak vysoké provozní teploty se dosáhne několikero vstupy okysličovadla vháněného do prostoru spalování paliva i spalitelného odpadu, dodávaných do teplosměnného prostoru výhodně prostřednictvím ejektorů a pomocí plamenného vím. Tato teplota umožní shoření životnímu prostředí závadných látek, takže nespalitelný odpad je ekologicky nezávadný a může být dále využíván. Kotel tedy produkuje nezávadný odpad, a to v minimálním množství.

Zanedbatelné není ani to, jak je řešeno několikanásobné vratné dávkování spalitelného popela do spalovacího procesu.

Je známo, že ve všech známých kotlích probíhá proces spalování - hoření, jen při atmosférických tlakových podmínkách. Tento proces je realizován i u fluidního kotle. Jedná se v těchto známých kotlích přitom vždy o proces generování tepla pomocí spalování hořlavé látky za přítomnosti okysličovadla a atmosférického tlaku, a to jak u průmyslových, tak i domácích kotlů. Dané výchozí podmínky hoření způsobují, že při tomto procesu spalování hořlavé látky za atmosférického tlaku je vyprodukované nejen žádané teplo, ale i spaliny, kterými jsou vždy různé sloučeniny uhlíku a kyslíku s jejich různými příměsemi.

-7 CZ 308311 B6

V těchto známých procesech hoření paliva u současných známých technických konstrukcí kotle je zaručující podmínkou správné funkce hoření jak přísun okysličovadla - vzdušného kyslíku, tak přísun paliva za nezbytné podmínky zajištění vlastního tahu kotle.

Tedy víme, že při spalování paliva nebo odpadů probíhá oxidace tuhých, kapalných či plynných spalitelných složek na oxid uhličitý, vodu, popel a další látky. Tento proces je kontrolovatelný a ovlivnitelný např. použitou teplotou spalování, druhem odpadu (obsahem hořlavých látek), fyzikálními vlastnostmi odpadu (stupněm dělitelnosti), intenzitou okysličování. Odpad je zlikvidován rychle, jeho objem je zmenšen cca na 10 % původního objemu, jeho hmotnost je snížena cca na 30% původní hmotnosti. Odpad je dokonale hygienizován, tj. zbaven choroboplodných zárodků a nebezpečné polutanty jsou solidifikovány. Pn spalování paliva nebo odpadů vzniká velké množství tepelné energie, kterou je možné dále využít, doposud ale tento proces u známých konstrukcí kotlů probíhá za atmosférického či velmi malého přetlaku vzniklého z tlakového vhánění vzdušného kyslíku, vždy za podmínky přísunu jen tolik jeho množství, aby nedošlo k uhašení tohoto probíhajícího procesu hoření paliva. Hoření je vlastně jen jednofázové, tedy není dále využívaná vázaná energie vzniklá z tohoto prvotního procesu hoření ve vzniklých nových formách plynných složek.

Použije-li se jen princip vzniku hořlavé dokonalé směsi pomocí nasycení paliva jak kapalným vzduchem, a to před jeho smícháním se stlačeným vzduchem syceným ozonem, a to před přísunem této relativně velmi hořlavé až výbušné směsi do teplosměnného prostoru kotle dle vynálezu, dojde k dostatečné podmínce velmi výkonného procesu spalování za podmínky konstrukce současného atmosférického kotle.

Dostatečným prvotním kontaktem paliva s okysličující látkou (stlačeným vzduchem či ozonem) by měl být snížen vznik zplodin nedokonalého spalování (např. nasycených a nenasycených uhlovodíků, kyanovodíků a kyseliny kyanovodíkové, aminů, oxidu fosforitého). Dostatečnou destrukci složek obsažených v palivu zajistí vysoká teplota plamene (až 1300 °C).

Jelikož také v této konstrukci víme, že do teplosměnného prostoru - ohniště bude přidáván uhelný prach a vodní pára, je zjevné, že dojde v daném teplosměnném prostoru našeho cirkulačního kotle ke vzniku smíšeného generátorového plynu (H2+ CO), který bude dalším zdrojem energie.

Při odlučování příměsí z nosného plynu bude uplatněn gravitační vlastně mechanický odlučovač, který je přímo součástí vnitřní konstrukce kotle, tedy jeho jednou možnou sekcí, ve kterém se uplatní gravitační a odstředivý princip, a to bez nutného přísunu dodatečné energie k zajištění jeho správné funkce.

Ze spalování nebezpečných odpadů vznikne popel, který slouží jako puzzolanové pojivo. Díky tomuto pojivu budou solidifikovány nebezpečné produkty hoření, které případně vzniknou. Solidifikující médium (popel) obalí (enkapsuluje) částečky jedovatých látek. Tím dojde k jejich izolaci.

Přitom tyto procesy probíhají za atmosférického nebo jen mírně zvýšeného vnitřního tlaku kotle.

Z výše uvedeného je jednoznačná ta skutečnost, že pokud do procesu hoření přidáme další, a to fyzikální, podmínku, tj. zvýšený tlak, vznikají jiné procesy a principy hoření, tedy i chování plamenného víru v teplosměnném prostoru hoření.

Realizujeme-li tedy proces spalování paliva za zvýšeného tlaku, tedy přetlaku, a tento bude konstantní, je z výše uvedeného chemického a fyzikálního aspektu zjevná skutečnost, že dojde v daném teplosměnném prostoru k dvojstupňovému procesu hoření paliva a okysličovadla, kdy na počátku dojde ke shoření prvotních složek paliva a vygenerování dostatečné teploty a tlaku a zároveň k reakcím paliva, viz výše, které umožní vznik následných složek paliva hořících za vyšších teplot a tlaků při podmínce dostatečného okysličovadla. Takto dojde k potřebnému

-8 CZ 308311 B6 proběhnutí generujícímu vznik plazmatického principu hoření směsi jako následnému druhému cyklu hoření plynných složek paliva, a to v její minimální nutné teplotní podmínce 1650 °C za dostatečného kompresního tlaku 5 až 7 MPa zamčených technickou konstrukcí kotle a jeho zpevňujícím pláštěm.

Tímto jsou splněny technologické podmínky nutné pro vznik nezbytných reakcí vedoucích k dokonalému hoření a tím i dosažení možného dokonalého bezezbytkového uvolnění vázané energie v použitém palivu a dosažení procesem plazmatického hoření vzniklých plynných složek z procesu k jejich bezezbytkovému strávení a přeměně v teplo.

Jedná o kotel pracující v přetlakovém režimu a palivo je vháněno pod tlakem za dostatečného a optimálního množství okysličovadla udržující nutnou podmínku hoření směsi, a to i pod tlakem, a tím i dosažení velmi vysokých teplot hoření min 1650 °C, tím je zaručen nezbytný tah v kotli a odvod zbytkového tepla do komínové soustavy pomocí přetlakových ventilů.

Další výhody cirkulačního kotle podle tohoto vynálezu jsou následující:

• využívá energii vzniklou spalováním všech odpadů. Jedná se o zcela nový, účinný zdroj výroby elektrické a tepelné energie;

• provoz cirkulačního kotle je ekologický, nedochází k vypouštění ani k úniku žádných škodlivých látek do ovzduší;

• produkce elektrické energie vyráběná tímto cirkulačním kotlem zaručuje velmi rychlou investiční návratnost při minimalizaci vynucených činností spojených s dosavadními způsoby likvidace odpadů, umožňuje vznik nových ziskových aktivit • každá dodávaná sestava cirkulačního kotle je přesně přizpůsobena požadavkům zákazníka dle tímto předpokládané varianty spalovaného paliva a likvidovaného odpadu a požadované vzájemné produkce elektrické a tepelné energie;

• cirkulační kotel je určen pro jakéhokoliv výrobce tepla a elektrické energie, a i k ekonomickému zhodnocení odpadu;

Objasnění výkresů

Vynález bude objasněn pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno zjednodušené schéma příkladného provedení cirkulačního kotle pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie s energetickými vstupy a výstupy a na obr. 2 je znázorněno detailní schéma tohoto provedení cirkulačního kotle pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie, na obr. 3a je v příčném řezu znázorněn detail stěny tohoto provedení kotle tvořené sestavou plášťů těla kotle spolu s ejektorem 44, na obr. 3b je znázorněn v horizontálním řezu znázorněn detail stěny tohoto provedení kotle tvořené sestavou plášťů těla kotle spolu s ejektorem 44 obr. 4 znázorňuje detail zaústění ejektoru 51 s přívodem tlakového vzduchu a okysličovadla, obr. 5 znázorňuje detail zaústění ejektoru 53 s přívodem tlakového vzduchu, okysličovadla a přívodu vody, obr. 6a znázorňuje detail ukončení difuzoru 71, obr. 6b znázorňuje detail uzávěru trysky ejektoru 40, 44 obr. 6c znázorňuje detail ukončení trysky ejektoru 51, 53, obr. 7 znázorňuje detail ejektoru 40, obr. 8 znázorňuje detail ejektoru 44, obr. 9 znázorňuje detail ejektoru 51, obr. 10 znázorňuje detail ejektoru 53, obr. 11 znázorňuje řez F-F v těle kotle v sekci VI, obr. 12 znázorňuje řez G-G v těle kotle v sekci V, obr. 13 znázorňuje řez H-H v těle kotle v sekci IV, obr. 14 znázorňuje řez I-I v těle kotle v sekci III z pohledu shora, obr. 15 znázorňuje řez J-J v těle kotle v sekci III z pohledu ze spodu, obr. 16 znázorňuje řez K-K v těle kotle v sekci IV a rozmístění Reynoldsových prahů a svodů částic nespalitelného popela, obr. 17a znázorňuje odraznou desku, obr. 17b znázorňuje usměrňovači kužel, obr. 17c znázorňuje detail ventilu trubkového prostupu, obr. 18 znázorňuje schéma příkladného provedení cirkulačního kotle pro plynné i kapalné palivo, obr. 19 znázorňuje schéma příkladného provedení cirkulačního kotle pro tuhé ušlechtilé palivo, obr. 20a znázorňuje řez stěnou kotle s izolačním pláštěm bez vodního chlazení, obr. 20b znázorňuje řez stěnou kotle bez vodního chlazení, obr. 21a znázorňuje řez stěny kotle

-9 CZ 308311 B6 s Peltierovým článkem a vodním chlazením a obr. 21b znázorňuje řez stěny kotle s vodním chlazením.

Příklady uskutečnění vynálezu

Princip konstrukce cirkulačního kotle podle tohoto vynálezu bude objasněn na příkladných provedeních, která nemají z hlediska ochrany žádný omezující vliv.

Cirkulační topný kotel pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie s rotujícím plamenem v teplosměnném prostoru podle jednoho z provedení je znázorněn na obr. 1 a obr. 2. Jedná se o plně vybavený univerzální cirkulační kotel pro spalování libovolného paliva, tedy i problematického tuhého paliva s nežádoucími příměsemi, nebo nebezpečných průmyslových odpadů spolu se spalitelným domovním odpadem. Cirkulační kotel v tomto provedení sestává ze spalovací části, uvnitř které jsou uspřádány jednotlivé na sebe navazující sekce. Jedná se o sekci I nespalitelného odpadu, sekci II inicializace plamenného víru, dvě sekce III spalování paliva viz obr. 14 a obr. 15, sekci IV separace nespalitelných částic, viz obr. 13 a obr. 17, sekci V srážení a separace spalitelných částic, viz obr. 12, a sekci VI vytápění s prostupem tepla, viz obr. 11. Spalovací část je shora uzavřena výměníkem.

Stěnu kotle tvoří soustava několika na sebe navazujících souose uspořádaných válcovitých plášťů, jak je patrné z obr. 3a a obr. 3b. Tato soustava válcovitých plášťů obklopuje teplosměnné prostory jednotlivých sekcí I až VI. jak je patrné z obr. 1. Soustavu plášťů tvoří první plášť 1, který je z důvodu snadné montáže dělený a uvnitř kterého je vytvořen teplosměnný prostor. Vzhledem k dosahovaným vysokým teplotám v teplosměnném prostoru je vhodné, aby první plášť 1 byl těmto teplotám odolný. Na tento první plášť 1 navazuje druhý ocelový plášť 2, jenž zpevňuje první plášť 1 tak, aby bezpečně odolával vnitřním tlakům, které mohou dosáhnout až cca 25 MPa. Na druhém plášti 2 je uspořádán Peltierův článek 3. Tento článek 3 je obklopen vodním pláštěm 6, který poskytuje chladicí kapalinu pro Peltierův článek 3. Vodní plášť 6 je obklopen venkovním pláštěm 4, na který navazuje izolační plášť 5. Vodní plášť 6 je konstruován jako průtočný a zároveň plní i funkci předehřívače a ohřívače teplé vody. Jeho průtočnost je zajištěna prostřednictvím přívodu 48 chladicí vody a odvodu 47 teplé vody. Jak je z obr. 1 a obr. 2 patrné, Peltierův článek 3, vodní plášť 6, venkovní plášť kotle 4 i izolační plášť 5 kotle částečně obklopují zbývající pláště kotle v oblasti kolem spalovací části kotle. V jiném provedení však mohou tyto pláště obklopovat i výměníkovou část kotle. Přívod paliva, spalitelného odpadu a okysličovadla do cirkulačního kotle je zajišťován pomocí prvního ejektoru 40, dvou druhých ejektorů 44. dvou třetích ejektorů 51 a čtvrtého ejektoru 53. které jsou zaústěny do těla kotle v různých místech jednotlivých sekcí a budou popsány níže.

Konstrukce prvního ejektoru 40 je znázorněna na obr. 7. Ejektor sestává z částí vzájemně spojených pomocí přírub. Tyto části tvoří druhá směšovací komora 77, do níž jsou zaústěny dvě trubice 78 pro přívod pracovního média, které jsou uspořádány vůči sobě pod úhlem od 15 do 45°, přičemž komora je dále opatřena otvorem 79 pro uložení regulačního tmu a na svém plášti má po celém obvodu upraven přívod 75 paliva v podobě spirální skříně. Ve druhé směšovací komoře 77 je směšovací tryska 76 uspořádaná v odstupu vůči konvergentní trysce 74, které je uspořádána na výstupu z druhé směšovací komory 77. a která zasahuje do prostoru první směšovací komory 73. Na první směšovací komoru 73 navazuje krček 72 ejektoru, který je ukončen difuzorem 71, který má v řezu kolmém k své ose rotace tvar kruhu, zatímco na svém výstupu má upraveno zešikmení pod úhlem od 5 do 75°, s výhodou 30°, které má v řezu vůči vertikální ose 86 cirkulačního kotle tvar kapky. Pro zajištění podtlaku je delší konec zešikmení difuzoru 71 prvního ejektoru 40 orientován v horizontální rovině proti proudu rotujícího plamenného vím tak, jak je znázorněno na obr. 6a. Dále je difuzor 71 opatřen ochranným pláštěm 69. První ejektor 40 má palivo 43 napojeno na přívod paliva 75 v podobě spirální skříně a okysličovadlo, kterým je kapalný vzduch 41, vháněno do trubice 78.

- 10CZ 308311 B6

Konstrukce druhého ejektoru 44 je znázorněna na obr. 8. Ejektor sestává z částí vzájemné spojených pomocí přírub. Tyto části tvoří, druhá směšovací komora 77. do níž jsou zaústěny dvě trubice 78 pro přívod pracovního média, které jsou uspořádány vůči sobě pod úhlem od 15 do 45°, přičemž komora je dále opatřena otvorem 79 pro uložení regulačního tmu a na svém plášti má po celém obvodu upravenu spirální skříň pro přívod 75 paliva, jako čerpaného média. V druhé směšovací komoře 77 je směšovací tryska 76 uspořádaná v odstupu vůči konvergentní trysce 74, která je uspořádána na výstupu z druhé směšovací komory 77 a která zasahuje do prostoru první směšovací komory 73, do níž je v místě za konvergentní tryskou 74 zaústěna trubice 80 přívodu nasávaného media. Na první směšovací komoru 73. navazuje krček 72 ejektoru, který je ukončen difúzorem 71. který má v řezu kolmém k své ose rotace tvar kruhu, zatímco na svém výstupu má upraveno zešikmení pod úhlem od 5 do 75°, s výhodou 30°, které má v řezu vůči vertikální ose 86 vírového kotle tvar kapky. Pro zajištění podtlaku je delší konec zešikmení difuzoru 71 prvního ejektoru 40 orientován v horizontální rovině proti proudu rotujícího plamenného víru tak, jak je znázorněno na obr. 6a. Dále je difúzor 71 opatřen ochranným pláštěm 69. Druhý ejektor 44 má palivo 43 napojeno na spirální skříň 75. kapalný vzduch 41. který představuje pracovní médium, na trubice 78 a ionizovaný vzduch 42 na trubici 80.

Konstrukce třetího ejektoru 51 je znázorněna na obr. 9 a detail jeho zaústění do stěny kotle na obr. 4. Ejektor sestává z částí vzájemné spojených pomocí přírub. Tyto části tvoří druhá směšovací komora 77, do níž jsou zaústěny dvě trubice 78 pro přívod pracovního média, které jsou uspořádány vůči sobě pod úhlem od 15 do 45°, přičemž komora je dále opatřena otvorem 79 pro uložení regulačního tmu. Druhá směšovací komora 77 je na výstupu opatřena konvergentní tryskou 74, která zasahuje do prostoru první směšovací komory 73, do níž je v místě za konvergentní tryskou 74 zaústěna trubice 80 přívodu čerpaného media. Na první směšovací komoru 73 navazuje krček 72 ejektoru, který je ukončen difúzorem 71. který má v řezu kolmém k své ose rotace tvar kruhu, zatímco na svém výstupu má upraveno zešikmení pod úhlem od 5 do 75°, s výhodou 30°, které má v řezu vůči vertikální ose 86 vírového kotle tvar kapky, přičemž difúzor 71 je opatřen ochranným pláštěm 69.

Konstrukce čtvrtého ejektoru 53 je znázorněna na obr. 10, detail jeho zaústění do stěny 98 kotle na obr. 5. Ejektor sestává z částí vzájemně spojených pomocí přírub. Tyto části tvoří druhá směšovací komora 77. do níž jsou zaústěny dvě trubice 78 pro přívod pracovního média, které jsou uspořádány vůči sobě pod úhlem od 15 do 45°, přičemž komora je dále opatřena otvorem 79 pro uložení regulačního tmu. Druhá směšovací komora 77 je na výstupu opatřena konvergentní tryskou 74. která zasahuje do prostoru první směšovací komory 73. do níž jsou v místě za konvergentní tryskou 74 proti sobě zaústěny dvě trubice 80 přívodu čerpaného (nasávaného) media. Na první směšovací komoru 73, navazuje krček 72 ejektoru, který je ukončen difúzorem 71. který má v řezu kolmém ke své ose rotace tvar kruhu, zatímco na svém výstupu má upraveno zešikmení pod úhlem od 5 do 75°, s výhodou 30°, které má v řezu vůči vertikální ose 86 cirkulačního kotle tvar kapky, přičemž difúzor 71 je dále opatřen ochranným pláštěm 69.

Příkladnou sestavu cirkulačního kotle, jak je znázorněna na obr. 1 a 2, tvoří výše jmenované sekce teplosměnného prostoru a výměníková část.

První částí kotle je sekce I nespalitelného odpadu. Tuto sekci tvoří zásobník 37 nespalitelného popela, do kterého ústí, jednak dvojice pojistných ventilů 66. jednak svody 36 nespalitelného popela a odběr 38 nespalitelného popela.

Druhou částí kotle je sekce II inicializace plamenného víru. Tato sekce slouží k rozdělení a zajištění kruhového pohybu plamene a zároveň tím i jeho prvotní unášecí síly. Stěna kotle v této sekci lije tvořena prvním pláštěm 1, který je odolný vysokým teplotám, na který navazuje druhý ocelový plášť 2. Prvním pláštěm j_prochází svod 36 nespalitelného popela. Iniciační plamen je veden přes tangenciální vstup, který je řešený pomocí spirálové skříně 7 (šnekoidu), do prstencové rychlostní komory 8, kde iniciační plamen vystupuje středem pomocí prstence 9

- 11 CZ 308311 B6 rychlostní komory 8, Iniciační plamen může být do rychlostní komory 8 veden vícero tangenciálními vstupy 7. Tímto se docílí, že iniciační plamen se pohybuje v lineárních proudnicích směrem vzhůru proti gravitační síle. Do mohutnosti v rychlostní komoře 8 nabytý iniciační plamen pomocí prvního ejektoru 40 prochází přes prstenec 9 rychlostní komory 8 do vírové tlakové komory 14.

První ejektor 40 zajišťuje přísun směsi paliva a okysličovadla do tlakové rychlostní komory 8. Tento první ejektor 40 ústí do prostoru rychlostní komory 8. Rychlostní komora 8 je konstruována tak, aby na ni navazoval prstenec 9 zajišťující pomocí podtlakové síly plamenného víru dopravu částic 33 spalitelného popela ze zásobníku 34 spalitelného popela. Tento zásobník 34 je uspořádán souose s vnitřním pláštěm ]_ kotle tak, aby se částice 33 spalitelného popela cyklicky vracely opět do spalovacího procesu probíhajícího ve vírové tlakové komoře 14. Ukončení vstupu iniciačního plamene je řešeno pomocí druhé oddělovací desky 12 a první oddělovací desky 10, a mezi tyto jsou umístěné výztužné lopatky 13 vymezující tak vlastní výstupy. Dále první a druhá oddělovací deska 10 a 12 plní zde v této sestavě funkci dna vírové tlakové komory 14. Je žádoucí, aby druhá oddělovací deska 12 byla opatřena rozváděcími lopatkami 15 ve tvaru spirály, které jsou upořádány vertikálně. Dále je žádoucí, aby prostup vytvořený mezi první a druhou oddělovací deskou 10 a 12 umožňoval plamennému víru průchod z prostoru prstence 9 tlakové rychlostní komory 8 do prostoru vírové tlakové komory 14. Přitom je tento prostup řešen pomocí výztužných lopatek 13. uspořádaných mezi oddělovací druhou deskou 12 a první oddělovací deskou 10, navazujících kolmo k rovině této druhé oddělovací desky 12 pevně na její lícové straně opatřené rozváděcími lopatkami 15. které mají společně nejlépe tvar několikanásobné Archimédovy spirály. Na tyto rozváděči lopatky 15 navazují, a to prostupem plamenného víru výztužnými lopatkami 13 vzniklé proudy iniciačního plamene, jak je patrné z obrázku 15. Je žádoucí, aby plamen ve svém vzestupném pohybu urychlovací komorou 9 nasával částice 33 spalitelného popela ze zásobníku 34 spalitelného popela.

Tímto uspořádáním sekce II získáme na výstupu iniciačního plamene z této sekce do následné sekce III soustavu soustředně a úhlově posunutých proudů iniciačního plamene, kterou dále nazýváme plamenný vír.

Třetí částí kotle je sekce III spalování paliva. Stěna kotle v této sekci lije tvořena prvním pláštěm 1, který je odolný vysokým teplotám, na který navazuje druhý ocelový plášť 2. Na druhém plášti 2 je uspořádán Peltierův článek 3. Tento článek 3 je obklopen vodním pláštěm 6, který poskytuje chladicí kapalinu pro Peltierův článek 3. Vodní plášť 6 je obklopen venkovním pláštěm 4, na který navazuje izolační plášť 5. Prvním pláštěm J_prochází svod 36 nespalitelného popela a středem sekce svod 89 spalitelného popela. Tuto sekci tvoří tlaková vírová komora 14. která má dva stupně, kde první z nich má tvar mírně se zužujícího komolého kužele, na který navazuje druhý stupeň ve tvaru válce. První stupeň tlakové vírové komory 14 je v řezu znázorněn na obr. 15. Plamenný vír spolu s unášenými částmi 33 spalitelného popela do tlakové vírové komory 14 vstupuje přes prostup vytvořený mezi první a druhou oddělovací deskou 10 a 12. Dodatečný vstup paliva do vírové tlakové komory 14 pro zvýšení tlaku i rychlosti plamenného víru v této komoře je řešen pomocí druhého ejektoru 44 s přívodem paliva 43. s přívodem kapalného vzduchu 41 a přívodem plynného okysličovadla - ionizovaného vzduchu 42 viz obr. 8. Druhý ejektor 44 má palivo 43 napojeno pomocí spirální skříně (dále také šnekoid) 75 a okysličovadlo, kterým je kapalný vzduch 41 vstupující do trubice 78. Druhý ejektor 44 zajišťuje přísun směsi paliva a okysličovadla do vírové komory 14. přičemž pro zajištění podtlaku je delší konec zešikmení difůzoru 71 paliva druhého ejektoru 44 orientován v horizontální rovině proti proudu rotujícího plamenného víru. Zaústění druhého ejektoru 44 do teplosměnného prostoru je znázorněno na obr. 3a a obr. 3b. Jak je z obr. 15 patrné, z prvního pláště tlakové vírové komory 14 vystupují Reynoldsovy prahy 58. Reynoldsovy prahy 58 plní funkci jak zpevnění konstrukce kotle, tak zajištění cyklické změny tlakových poměrů plamenného víru procházejícího tlakovou vírovou komorou 14. přičemž v těchto Reynoldsových prazích 58 se zároveň nachází svod 36 nespalitelného popela ústící do zásobníku 37 nespalitelného popela. Obsah zásobníku 37 nespalitelného popela může mít další průmyslové využití.

- 12CZ 308311 B6

Tlakovou vírovou komorou 14 může procházet alespoň jeden Reynoldsův práh 58. přičemž jako výhodné se jeví, procházejí-li talkovou vírovou komorou 14 tři Reynoldsovy prahy 58 uspořádané na vnitřní stěně prvního pláště 1 kotle. První stupeň tlakové vírové komory 14 je zakončen první přepážkou 16. která má v tomto provedení konvexní tvar s nejnižším místem ve svém středu. Dále je první přepážka 16 v místě svého nejvyššího místa na obvodu opatřena podélnou štěrbinou 56 pro vstup rotujícího plamenného víru. Na první přepážku 16 navazuje druhý stupeň tlakové vírové komory 14, představovaný labyrintem 17, ve kterém je uspořádána první soustava oddělovacích desek 55 uspořádaných navzájem tak, že vytváří oddělené dílčí prostory. Sousední dílčí prostory jsou propojeny průchody plamene uspořádanými v oddělovacích deskách 55, jejichž průřez je menší než průřez propojených dílčích prostorů. Oddělovací desky 55 vykazují sklon ve směru horizontálním, a to jak ve směru k vertikální ose kotle, tak ve směru na osu kolmém, přičemž ve směru vertikálním vůči sobě mají odstup, přičemž sklon jednotlivých oddělovacích desek 55 ve výsledném součtu obou sklonů vykazuje v tomto provedení hodnoty v rozmezí 0,25 až 0,40 %o. Odstup oddělovacích desek 55 vůči sobě je zajištěn vložením vymezovacího prstence 87.

Dále je žádoucí, aby první soustava oddělovacích desek 55 umístěná v tlakové vírové komoře 14 měla průchody plamene v oddělovacích deskách 55 v podobě štěrbin 56 uspořádány do spirály. Uspořádání štěrbin 56 do spirály a vzájemný sklon desek 55 zajišťují urychlování nebo zpomalování rotačního pohybu plamenného víru, který postupuje směrem vzhůru po spirále.

Dále je žádoucí, aby oddělovací desky 55 umístěné ve vírové tlakové komoře 14 byly při spodní části svého obvodu nebo přímo v místě svého nejnižšího bodu na obvodu, opatřeny podélnými štěrbinami 56, které jsou zároveň místem průchodu plamenného víru do následujícího dílčího prostoru, přičemž je výhodné, aby délka štěrbiny 56 činila 1/15 z celkového obvodu oddělovací desky 55. Dále je žádoucí, aby oddělovací desky 55 a tudíž i podélné štěrbiny 56 vytvořené na jednotlivých oddělovacích deskách 55 byly vůči sobě pootočeny o úhel 125° až 180°.

Dále je žádoucí, aby plamenný vír ve svém vzestupném rotačním pohybu nesl spalitelný popel a palivo dodatečně dodávané do prostoru prvního dílu vírové tlakové komory 14 pomocí druhého ejektoru 44. Regulace plamenného víru může být řešena pomocí výztužných lopatek 13. které mohou být pohyblivé a jsou upevněny v místě, okrajů štěrbin 56 mezi sousedními oddělovacími deskami 55.

Čtvrtou částí kotle je znovu sekce III spalování paliva. Tato druhá sekce III spalování paliva může být s výhodou využita ke spalování odpadů, případně jiných obtížně spalitelných paliv, proto sekci III spalování paliva v tomto uspořádání říkáme spalovna. Oproti výše popsané sekci III spalování paliva v jejím základním uspořádání je v tomto případě do vírové komory 14 navíc zaústěn alespoň jeden třetí ejektor 51 s přívodem kapalného vzduchu 41 a přívodem ionizovaného vzduchu 42 tak, jak je znázorněn na obr. 9. Druhý a třetí ejektor 44 a 51 zajišťují, kromě paliva, přísun kapalného vzduchu 41a ionizovaného vzduchu 42 do vírové komory 14. Vyústění těchto ejektorů do vírové komory 14 je uspořádáno v její první třetině, přičemž pro zajištění podtlaku je delší konec zešikmení difuzoru 71 i u třetího ejektoru 51 orientován v horizontální rovině proti proudu rotujícího plamenného víru tak, jak je znázorněno na obr. 6a. Okysličovadlo tvoří směs kapalného vzduchu 41 s obsahem O3 v množství až 40 %.

Sklon jednotlivých oddělovacích desek 55 labyrintu 17 v této čtvrté části kotle ve výsledném součtu obou sklonů vykazuje v této druhá sekci III spalování paliva hodnoty v rozmezí 0,35 až 0,60 %o.

Dále je žádoucí, aby délka štěrbiny 56 zaujímala 3/32 z celkového obvodu oddělovací desky 55. Přitom je výhodné, aby u dvou následných oddělovacích desek 55 štěrbina 56 u horní oddělovací desky 55 byla pootočena o 125° až 180° oproti štěrbině 56 u spodní oddělovací desky 55 a to ve směru rotace plamenného víru.

- 13 CZ 308311 B6

Dále je žádoucí, aby plamenný vír ve svém vzestupném rotačním pohybu nesl spalitelný popel a odpad.

Pátou částí kotle je sekce IV separace nespalitelných částic. Stěna kotle v této sekci IV je stejně jako v sekci III tvořena prvním pláštěm 1, který je odolný proti vysokým teplotám, na který navazuje druhý ocelový plášť 2. Na druhém plášti 2 je uspořádán Peltierův článek 3. Tento článek 3 je obklopen vodním pláštěm 6, který poskytuje chladicí kapalinu pro Peltierův článek 3. Vodní plášť 6 je obklopen venkovním pláštěm 4, na který navazuje izolační plášť 5. Prvním pláštěm 1 prochází svod 36 nespalitelného popela a středem sekce svod 89 spalitelného popela.

Sekce IV separace nespalitelných částic je tvořena dohořívací komorou 211. Tato komora je řešena obdobným způsobem, jako tlaková vírová komora 14. tj. sestává ze dvou stupňů, kdy první stupeň představuje prostor separace nespalitelných částic, na který navazuje druhý stupeň dohořívací komory 211, který je představován labyrintem 17. Plášť prvního stupně dohořívací komory 211 je řešen jako komolý kužel orientovaný ve směru osy těla kotle, který se zužuje směrem vzhůru ve směru postupu plamenného víru.

První stupeň dohořívací komory 211 tvoří prostor separace nespalitelných částic vymezený zdola dnem 202. které je po obvodu opatřeno sběrným žlábkem 35. který obklopuje čtvrtou přepážku 16 v provedení dle obr. 2 (nebo druhou přepážkou 16 v provedení dle obr. 19) a ve kterém jsou vyústěny vstupy 201 svodu 36 nespalitelného popela. Sběrný žlábek 35 svádí nespalitelný popel do vstupu 201 svodu 36 nespalitelného popela, má v řezu tvar hyperboly a spád jeho dna je 3 %o, a to vždy 1/2 své délky mezi vyústěním vstupů 201 svodu 36 nespalitelného popela. Tyto vstupy 201 zároveň umožňují plnit funkci pojistného ventilu. Do dohořívací komory 211 ústí třetí ejektor 51 s přívody 78 kapalného vzduchu 41 a přívodem 80 ionizovaného 42 vzduchu tak, jak je znázorněno na obr. 9 a detail jeho zaústění do stěny 98 kotle na obr. 4, přičemž jejich vyústění je uspořádáno ve spodní polovině dohořívací komory 211. Pro zajištění podtlaku na vyústění difuzoru 71 pomocí plamenného víru je třetí ejektor 51 konstruován tak, aby delší konec zešikmení difuzoru 71 byl orientován v horizontální rovině proti proudu rotujícího plamenného víru tak, jak je znázorněno na obr. 6a, a umožnil tak podporu vstřiku směsi ionizovaného vzduchu-okysličovadla. Dohořívací komora 211 je ukončena třetí přepážkou Í6. s výhodou vypouklou směrem dolů, na kterou navazuje labyrint 17 tvořený soustavou oddělovacích desek 55, který je ukončen horizontální čtvrtou přepážkou Í6, která je při obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene. Sklon jednotlivých oddělovacích desek 55 labyrintu 17 v této páté části kotle (v sekci IV) ve výsledném součtu obou sklonů vykazuje hodnoty v rozmezí 0,45 až 0,80 %o.

Přitom je výhodné, aby u dvou následných oddělovacích desek 55 labyrintu štěrbina 56 u horní oddělovací desky 55 byla pootočena o 135° oproti štěrbině 56 u spodní oddělovací desky 55 a to ve směru rotace plamenného víru, přičemž délka štěrbiny 56 zaujímá 3/32 celkového obvodu oddělovací desky 55. Dále je žádoucí, aby plamenný vír ve svém vzestupném rotačním pohybu nesl spalitelný popel a palivo s přidávaným spalitelným odpadem.

Na sekci IV navazuje sekce V srážení a separace spalitelných částic. Tato sekce je tvořena separační komorou 212. která má tvar směrem vzhůru se rozšiřujícího komolého kužele. Plamenný vír bude po průchodu labyrintem 17 předchozí sekce a následně po vstupu do separační komory 212 zpomalen ve své rychlosti a donucen vykonávat rotaci, jak ve vertikálním směru za svého současného rozpínání, tak v horizontálním směru za současné rotace kolem osy vnitřního pláště 2 kotle. Tato změna způsobu proudění plamenného víru v jeho postupném pohybu vzhůru je docílena směrem vzhůru vypouklým tvarem odrazné desky 23 viz obr. 19 opatřené směrem dolů vystupujícím usměrňovacím kuželem 24, přičemž k této desce jsou otočně upevněny výztužné lopatky Í3. které jsou též připevněny k třetímu výstupku 61, jenž je vytvořen po obvodu prvního pláště 1 kotle. Tato náhlá změna rychlosti i směru proudění plamenného víru má za důsledek zmenšení dostředné síly víru v horizontálním směru jeho rotace. Přitom za

- 14CZ 308311 B6 pomoci odrazné desky 23 s usměrňovacím kuželem 24 umožní spad spalitelných částí popela usměrněného gravitační silou, a to směrem do sběrného kužele 32. který přechází v trubici 89 zaústěnou do zásobníku 37 spalitelného popela. Tímto způsobem je zajištěn návrat spalitelného popela do procesu hoření. Mezi odraznou deskou 23 a třetím výstupkem 61 je po obvodu pláště 1 vytvořena mezera osazená výztužnými lopatkami 13. Teplonosný plamen z plamenného víru zbavený nečistot prochází výztužnými lopatkami 13 do vyhřívacího prostoru 214. který tvoří sekci VI vytápění s prostupem tepla.

Vyhřívací prostor 214 sekce VI vytápění s prostupem tepla vymezuje zdola odrazná deska 23. viz obr. 17a a obr. 17b, vůči které je v odstupu uspořádána protilehlá kónická směrem dolů vystupující odpařovací deska 25 opatřená hlavním prostupem 26 tepla s ventilem 82, trubkovými prostupy 29 opatřené ventily 82 viz obr. 18a vstupy trubkového výměníku 31. Do vyhřívacího prostoru 214 prochází mechanických částí zbavený teplonosný plamen, který ohřívá kónickou odpařovací desku 25 s odpařovacími prostory 27.

Výměníková část VII. která navazuje na sekci VI vytápění s prostupem tepla, přičemž tyto části od sebe vymezuje dělicí rovina 88. Výměníková část VII kotle je tvořena pláštěm 85, uvnitř kterého je uspořádán výměník 81. Plášť 85 je opatřen prvním pojistným ventilem 66 a dále je přes plášť 85 vyveden odvod 91 zbytkového tepla z prostoru 84 výměny energií. Výměník 81 je opatřen přívodem 31 chladné vody, v kterém je zabudován uzavírací ventil a výstupem 49 páry.

Jednotlivé labyrinty, ale třeba i celé sekce modulárního kotle mohou být uspořádány na výstupcích 60. 61. 62 nebo 63. jak je vidět na obr. 1.

Obr. 18 znázorňuje schéma příkladného provedení cirkulačního kotle pro plynné i kapalné palivo a ušlechtilá pevná paliva, kterými je např. dřevo, antracit. Díky dodávání tohoto typu paliva při spalování nevzniká nespalitelný odpad, konstrukce kotle tedy může být jednodušší. Cirkulační kotel v tomto provedení sestává z výměníkové části a spalovací části, uvnitř které jsou uspřádány jednotlivé na sebe navazující sekce. Jedná se o sekci II inicializace plamenného víru, sekci III spalování paliva, sekci V srážení a separace spalitelných částic a sekci VI vytápění s prostupem tepla. Uvedené sekce mají stejné uspořádání a plní stejné funkce jako v příkladném provedení výše.

Obr. 19 znázorňuje schéma příkladného provedení cirkulačního kotle pro ušlechtilá i neušlechtilá paliva, kdy není možné se s jistotou vyhnout nespalitelným příměsím. Konstrukce kotle přesto může být jednodušší, než jak je zobrazeno na obr. 1 a obr. 2 a cirkulační kotel v tomto provedení sestává z výměníkové části a spalovací části, uvnitř které jsou uspřádány jednotlivé na sebe navazující sekce. Jedná se o sekci I nespalitelného odpadu, sekci II inicializace plamenného víru, sekci III spalování paliva, sekci IV separace nespalitelných částic, sekci V srážení a separace spalitelných částic a sekci VI vytápění s prostupem tepla. Uvedené sekce mají stejné uspořádání a plní stejné funkce jako v příkladných provedeních výše.

Stěny cirkulačního kotle mohou mít různá provedení. Obr. 20b znázorňuje nejjednodušší variantu řezů stěny bez vodního chlazení, kde je stěna tvořena prvním pláštěm 1, na který navazuje druhý plášť 2, jenž zpevňuje první plášť 1 (naznačen je také svod 36 nespalitelného popela a hrana Reynoldsova prahu 68). Stěna bez vodního chlazení může být ještě obklopena izolačním pláštěm 5, jak je znázorněno na obr. 20a nahoře.

Obr. 21a znázorňuje variantu řezů stěny s vodním chlazením, kde je stěna tvořena prvním pláštěm 1, na který navazuje druhý plášť 2. Na druhém plášti 2 je uspořádán Peltierův článek 3, který je obklopen vodním pláštěm 6. Vodní plášť 6 je dále obklopen venkovním pláštěm 4, na který navazuje izolační plášť 5. V provedení znázorněném na obr. 21b je stěna v řezu stejná pouze s tím rozdílem, že mezi vnitřním pláštěm 2 a vodním pláštěm 6 není uspořádán Peltierův článek 3.

- 15 CZ 308311 B6

Spalovací část cirkulačního kotle se skládá ze sekcí na základě své konstrukce a následně se může proto začlenit do stávajících systémů výroby energie.

Funkce cirkulačního kotle znázorněného na obr. 1 a obr. 2 je následující. Cirkulační kotel pracuje v přetlakovém režimu. Iniciační plamen na tangenciálním vstupu do spirální skříně 7 do cirkulačního kotle musí dosahovat teploty minimálně 600 °C.

Iniciační plamen 39 vchází tangenciálně do vstupního hrdla spirální skříně 7 ústící do prstencové rychlostní komory 8 cirkulačního kotle přiléhající svou vnitřní stěnou na kuželovitý zásobník 34 spalitelného popela. Spirální skříň 7 zajišťuje lineární a rovnotlaký proud iniciačního plamene do rychlostní komory 8, do které je prostřednictvím prvního ejektoru 40 vstřikováno palivo 43 a zkapalněný vzduch 41. Iniciační plamen zde nabírá na mohutnosti a rychlosti za současného zvyšování tlaku. Iniciační plamen dále z rychlostní komory 8 vstupuje do podtlakového prstence 9 mající funkci savky. Zároveň iniciační plamen při svém výstupu z podtlakového prstence 9 umožňuje nasávání částic spalitelného popela 33 podtlakem, shromažďovaných v zásobníku 34 popela, přes nasávací otvory 11 zpět do spalovacího procesu. Přitom výstup iniciačního plamene z podtlakového prstence 9 do teplosměnného prostoru následující sekce je proveden pomocí několika otvorů umístěných soustředně vzhledem k vertikální ose kotle a opatřených výztužnými lopatkami 13. které mají své spodní okraje umístěny na první oddělovací desce 10 a horní okraje na druhé oddělovací desce 12. Iniciační plamen je tímto způsobem rozdělen na provazce úhlově navzájem posunuté, které směřují ke svodu 89 spalitelných částic 33. Každý z provazců míjí tangenciálně svod 89 spalitelných částic 33 a vstupuje mezi svislé rozváděči lopatky 15 spirálovitého tvaru zajišťující vznik plamenného vím.

Ve vírové tlakové komoře 14 je plamenný vír veden a usměrněn spirálovými výstupky 15 do teplosměnného prostoru vírové tlakové komory 14. v níž je prostřednictvím tvarovaného dna vírové tlakové komory 14 zajištěno dokonalé promíchání plamenného vím s částicemi 33 spalitelného popela. Do vírové tlakové komory 14 je pomocí druhého ejektoru 44 vháněna směs paliva 43 kapalného vzduchu 41 a okysličovadla v podobě ionizovaného vzduchu 42. čímž je docíleno masivního vývinu teploty plamenného vím až do 1650 °C. Plamenný vír v teplosměnném prostoru vírové tlakové komory 14 při rotačním pohybu směrem vzhůru je, jak urychlován, tak brzděn pomocí Reynoldsových prahů 58 zajišťujících jeho cyklické rozpínání a stlačování. Plamenný vír o teplotě cca 1650 °C dále postupuje štěrbinou 56 první přepážky 16 do prvního labyrintu 17 tvořeného soustavou oddělovacích desek 55. Jednotlivé oddělovací desky 55 zajišťují pohyb plamenného vím po spirále a jeho rozpínání a stlačování.

Do druhé vírové tlakové komory 14 prochází plamenný vír pomocí štěrbiny 56 uspořádané v druhé přepážce 16. V této komoře je plamenný vír obohacován o směs spalitelného odpadu, kapalného vzduchu 41 a okysličovadla v podobě ionizovaného vzduchu 42 vháněné do teplosměnného prostoru druhé vírové tlakové komory 14 pomocí druhého ejektoru 44 a prvního ejektoru 51. Tímto způsobem jev druhé vírové tlakové komoře 14 dosahováno shodné teploty plamenného vím cca 1650 °C, jako je tomu v první vírové tlakové komoře 14.

Plamenný vír v teplosměnném prostoru obou vírových tlakových komor 14 vykonává rotační pohyb směrem vzhůru a je, jak urychlován, tak brzděn, a to pomocí Reynoldsových prahů 58 zajišťujících jeho cyklické rozpínání a stlačování. Druhá vírová tlaková komora 14 je oddělena třetí přepážkou 16 opatřenou štěrbinou 56 zajišťující vstup plamenného vím do druhého labyrintu 17 tvořeného soustavou oddělovacích desek 55. Jednotlivé oddělovací desky 55 zajišťují pohyb plamenného víru po spirále a jeho rozpínání a stlačování. Prostupem plamenného víru druhým labyrintem 17 s oddělovacími deskami 55 se štěrbinami 56 dosahujeme maximálního zdržení částic 33 spalitelného popela v tomto labyrintu 17 a to z důvodu jejich dokonalého shoření.

Plamenný vír do dohořívací komory 211 vstupuje nejprve přes štěrbinu 56 uspořádanou ve čtvrté přepážce 16, jež tvoří spolu se sběrným žlabem 35 dno 202 dohořívací komory 211. Plamenný vír obsahuje minimální množství částic 33 spalitelného popela. Do teplosměnného prostoru

- 16CZ 308311 B6 dohořívací komory 211 je pomocí druhého ejektoru 51 vháněna směs zkapalněného vzduchu 41 a okysličovadla v podobě ionizovaného vzduchu 42 tvořeného stlačeným vzduchem s podílem O3 minimálně 40 %. Tímto je docíleno opětovné zvýšení teploty plamenného víru a tím možnosti maximální eliminace, jak nevhodných příměsí spalin, tak částic 33 spalitelného popela.

Dále v dohořívací komoře 211 se pomocí po obvodu dna 202 umístěných sběrných žlabů 35 a do nich ústících vstupů 201 svodů 36 nespalitelného popela umožňuje sběr nespalitelných částic 93 oddělených od plamenného víru. Sběr nespalitelných částic je založen na odstředivé síle působící na obvodu rotujícího plamenného víru a sběrného žlábku 35. který mění rychlostní poměry na spodním okraji plamenného víru pohybujícího se v teplosměnném prostoru dohořívací komory 211,

Plamenný vír očištěný o nespalitelné částice po průchodu třetím labyrintem 17 soustavy oddělovacích desek 55, který plní shodnou funkci, jako první i druhý labyrint 17, vstupuje do prostoru separační komory 212. Zde je plamenný vír posílen směsí zkapalněného vzduchu 41, okysličovadla v podobě ionizovaného vzduchu 42 tvořeného stlačeným vzduchem s podílem O3 minimálně 40 % a vody, která je pomocí ejektoru 53 vháněna do separační komory 212. V separační komoře 212 pomocí odrazné desky 23 s kuželem 24 vymezující srážecí prostor 213 je docíleno u plamenného víru změny tlaku, rychlosti a způsobu jeho rotace, a to jak v horizontálním, tak i vertikálním směru. Tímto způsobem změny proudění plamenného víru dochází k změně jeho unášecích schopností. Pomocí rozprašované vody za minimálního zvlhčení unášených částic 33 spalitelného popela a pomocí odrážecí desky 23 s usměrňovacím kuželem 24 tyto zbývající spalitelné částice 33 spalitelného popela, ještě obsažené v plamenném víru, nucené padají do sběrného kužele 32 napojeného na svod 89 spalitelného popela.

Následně již jen jako teplo prostupuje plamenný vír do vyhřívacího prostoru 214 průchodem vymezeným odraznou deskou 23 s výztužnými lopatkami 13 a třetím výstupkem 61, přičemž výztužné lopatky 13 jsou uspořádány pod úhlem po obvodu odrážecí desky 23.

Ve vyhřívacím prostoru 214 teplo ohřívá dno odpařovací desky 25 a prochází, jednak hlavním prostupem 26 tepla a jednak trubkovými prostupy 29 opatřenými zpětnými tlakovými ventily a vstupuje do prostor výměníkové části kotle.

Průmyslová využitelnost

Cirkulační kotel podle tohoto vynálezu lze nejen použít i jako vlastní energetický zdroj pro vytápění domácností. Lze ho též využít i k likvidaci vlastního odpadu, a tak se stát nezávislým na dodávkách energie velkých distributorů a zanedbatelné není ani to, že lze nadbytečnou tepelnou i elektrickou energii, prodávat.

Claims (36)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Cirkulační topný kotel pro kombinovanou výrobu tepla a páry, opatřený přívodem paliva, zkapalněného vzduchu a plynného okysličovadla, sestávající ze spalovací části a výměníkové části kde jeho stěnu (98) tvoří soustava plášťů, zahrnující první plášť (1) obklopený druhým pláštěm (2), jež jsou uzavřeny v oblasti, kde obklopují teplosměnné prostory spalovací části, kterou tvoří směrem vzhůru na sebe navazující sekce (II) inicializace plamenného víru, alespoň jedna sekce (III) spalování paliva, sekce (V) srážení a separace spalitelných částic a sekce (VI) vytápění s prostupem tepla opatřená na rozhraní s výměníkovou částí alespoň jedním tlakovým ventilem, vyznačující se tím, že sekci (II) inicializace plamenného víru tvoří přiléhající část stěny (98), uvnitř které je uspořádána spirální skříň (7) s alespoň jedním tangenciálním vstupem plamene, která je napojena svým výstupem na rychlostní komoru (8), dále propojenou s

   - 17CZ 308311 B6 prstencem (9), kdy do rychlostní komory (8) ústí přívod paliva a okysličovadla, přičemž spirální skříň (7), rychlostní komora (8) a prstenec (9) obklopují zásobník (34) spalitelného popela, který je uspořádán ve středu sekce (II) inicializace plamenného víru tak, že jej protíná vertikální osa (86) cirkulačního kotle, kdy do sekce (II) ústí svod (89) spalitelného popela, který je opatřen alespoň jedním otvorem propojujícím jej se zásobníkem (34) spalitelného popela, přičemž zásobník (34) spalitelného popela je dále propojen s prstencem (9) a zásobník (34) spalitelného popela spolu s vnitřní částí přiléhajícího prstence (9) shora uzavírá první oddělovací deska (10) opatřená v oblasti, ve které překrývá prstenec (9), alespoň jedním otvorem, po jehož stranách vystupují směrem ke svodu (89) spalitelného popela vertikální výztužné lopatky (13), přičemž druhá oddělovací deska (12) shora uzavírá rychlostní komoru (8) s vnější částí prstence (9) a je opatřena radiálními rozváděcími lopatkami (15), které mají půdorys ve tvaru oblouku.
2. 2. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhý plášť (2) je obklopen vodním pláštěm (6), který je průtočný a je dále obklopen venkovním pláštěm (4).
3. 3. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že pro výrobu elektrické energie je mezi druhým pláštěm (2) a vodním pláštěm (6) uspořádán Peltierův článek (3).
4. 4. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že stěnu (98) z na sebe navazujících plášťů uzavírá z vnější strany navazující izolační plášť (5).
5. 5. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že pláště jsou uspořádány souose.
6. 6. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že spalovací část kotle dále obsahuje sekci (IV) separace nespalitelných částic, která je uspořádána mezi sekcí (III) spalování paliva a sekcí (V) srážení a separace spalitelných částic.
7. 7. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že spalovací část kotle dále obsahuje sekci (I) nespalitelného odpadu, která je uspořádána pod sekcí (II) inicializace plamenného víru.
8. 8. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhá oddělovací deska (12) přesahuje přes okraj prstence (9) směrem k ose kotle.
9. 9. Cirkulační topný kotel podle nároku 1 nebo 8, vyznačující se tím, že na druhé oddělovací desce (12) mezi rozváděcími lopatkami (15) je uspořádán prstencový klín (70).
10. 10. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekci (III) spalování paliva tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující tlakovou vírovou komoru (14) sestávající ze dvou stupňů, středem ve směru vertikálním prochází svod (89) spalitelného popela, kdy první stupeň představuje prostor tlakového hoření, do kterého ústí přívod paliva, kapalného vzduchu (41) a plynného okysličovadla (42), kdy první stupeň je zakončen horizontální první přepážkou (16), která je při obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene, přičemž na tuto první přepážku (16) navazuje druhý stupeň tlakové vírové komory (14), který je tvořen labyrintem (17) zakončeným horizontální druhou přepážkou (16).
11. 11. Cirkulační topný kotel podle nároku 10, vyznačující se tím, že z prvního pláště (1) v oblasti prvního stupně tlakové vírové komory (14) směrem do teplosměnného prostoru kotle vstupuje alespoň jeden Reynoldsův práh (58).
12. 12. Cirkulační topný kotel podle nároku 11, vyznačující se tím, že Reynoldsův práh (58) je rovnoběžný s vertikální osou (86) kotle.

    - 18 CZ 308311 B6
13. 13. Cirkulační topný kotel podle nároku 11 nebo 12, vyznačující se tím, že Reynoldsův práh (58) je vytvořen jako součást prvního pláště úpravou jeho profilu.
14. 14. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 10 až 13, vyznačující se tím, že labyrint (17) je tvořen oddělenými dílčími prostory uzavřenými mezi oddělovacími deskami (55), přičemž sousední dílčí prostory jsou propojeny průchody plamene uspořádanými v oddělovacích deskách (55), jejichž průřez je menší než průřez propojených dílčích prostorů.
15. 15. Cirkulační topný kotel podle nároku 14, vyznačující se tím, že oddělovací desky (55) jsou horizontální, kdy ve směru vertikálním mají vůči sobě odstup, přičemž v těchto oddělovacích deskách (55) jsou uspořádány průchody plamene při jejich obvodu.
16. 16. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 14 a 15, vyznačující se tím, že oddělovací desky (55) vykazují sklon oproti horizontální rovině, přičemž průchod mezi dílčími prostory labyrintu (17) je na každé oddělovací desce (55) uspořádán při dolní části jejího obvodu a sousední skloněné oddělovací desky (55) jsou navzájem vůči sobě pootočeny podle osy rotace shodné s vertikální osou (86) vírového kotle.
17. 17. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 14 až 16, vyznačující se tím, že sousední oddělovací desky (55) jsou vůči sobě navzájem pootočeny o 125 až 180°.
18. 18. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 10 a 11, vyznačující se tím, že průřez prvního stupně tlakové vírové komory (14) se v horizontálním řezu směrem vzhůru zmenšuje.
19. 19. Cirkulační topný kotel podle nároku 10, vyznačující se tím, že přepážka (16) má jednu stranu vypouklou a druhou stranu rovnou.
20. 20. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 10, 14, 15, 16, vyznačující se tím, že průchodem plamene je podélná štěrbina (56) nebo soustava štěrbin nebo otvorů.
21. 21. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekci (V) srážení a separace spalitelných částic tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující separační komoru (212), do které ústí přívod ionizovaného vzduchu, kapalného vzduchu (41) a ohřáté vody a jejíž sténaje v horní části zakončena třetím výstupkem (61), jenž je vytvořen po obvodu prvního pláště kotle a vstupuje do teplosměnného prostoru kotle, přičemž víko sekce (V) srážení a separace spalitelných částic je tvořeno odraznou deskou (23), jejíž stěny ve směru k ose (86) kotle stoupají, která je v oblasti kolem osy (86) kotle opatřena usměrňovacím prvkem (24), jehož stěny ve směru k ose (86) kotle klesají, a ke které jsou na jejím obvodu upevněny rozváděči lopatky (13), které jsou též připevněny k třetímu výstupku (61), přičemž ve spodní části separační komory (212) je uspořádán sběrný kužel (32) ústící do svodu (89) spalitelných částic v předcházející sekci.
22. 22. Cirkulační topný kotel podle nároku 21, vyznačující se tím, že průřez v horizontálním řezu separační komory (212) se směrem vzhůru zvětšuje.
23. 23. Cirkulační topný kotel podle nároku 21, vyznačující se tím, že usměrňovači prvek (24) má kuželovitý tvar.
24. 24. Cirkulační topný kotel podle nároku 21, vyznačující se tím, že odrazná deska (23) má kónický tvar.
25. 25. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že sekci (VI) vytápění s prostupem tepla tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující vyhřívací prostor (214) vymezený zdola odraznou deskou (23), vůči které je v odstupu uspořádána protilehlá odpařovací deska (25) opatřená alespoň jedním prostupem tepla opatřeným zpětným ventilem (82).

    - 19CZ 308311 B6
26. 26. Cirkulační topný kotel podle nároku 25, vyznačující se tím, že prostupy tepla mají trubkový tvar a vystupují z odpařovací desky (25) směrem vzhůru.
27. 27. Cirkulační topný kotel podle nároku 6, vyznačující se tím, že sekci (IV) separace nespalitelných částic tvoří přiléhající část soustavy plášťů obklopující dohořívací komoru (211) sestávající ze dvou stupňů, středem ve směru vertikálním prochází svod (89) spalitelného popela, kdy první stupeň představuje prostor separace nespalitelných částic vymezený zdola dnem (202), tvořeným jednak horizontální druhou přepážkou (16), která je při jejím obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene, a jednak po obvodu dna (202) sběrným žlábkem (35), ve kterém je vyústěn alespoň jeden vstup (201) svodu (36) nespalitelného popela, přičemž do prostoru separace nespalitelných částic ústí přívod kapalného vzduchu (41) a ionizovaného vzduchu (42), první stupeň je zakončen horizontální třetí přepážkou (16), která je při obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene, přičemž na tuto třetí přepážku (16) navazuje druhý stupeň dohořívací komory (211), který je tvořen labyrintem (17) zakončeným horizontální čtvrtou přepážkou (16), která je při obvodu opatřena alespoň jedním průchodem plamene.
28. 28. Cirkulační topný kotel podle nároku 27, vyznačující se tím, že průřez prvního stupně dohořívací komory (211) se směrem vzhůru zmenšuje.
29. 29. Cirkulační topný kotel podle nároku 27, vyznačující se tím, že sběrný žlábek (35) má v řezu tvar hyperboly a spád jeho dna je alespoň 3 %o, a to vždy po 1/2 své délky mezi vyústěním vstupů (201) svodu (36) nespalitelného popela.
30. 30. Cirkulační topný kotel podle nároku 7, vyznačující se tím, že sekci (I) nespalitelného odpadu tvoří přiléhající část soustavy plášťů, uvnitř které je uspořádán zásobník (37) nespalitelného popela, do kterého ústí jednak alespoň jeden svod (36) nespalitelného popela a jednak alespoň jeden odběr (38) nespalitelného popela.
31. 31. Cirkulační topný kotel podle nároku 30, vyznačující se tím, že do zásobníku (37) nespalitelného popela dále ústí alespoň jeden pojistný ventil (66).
32. 32. Cirkulační topný kotel podle některého z nároků 27 a 30, vyznačující se tím, že svod (36) nespalitelného popela prochází sekcí (II) inicializace plamenného vím a sekcí (III) spalování paliva.
33. 33. Cirkulační topný kotel podle nároku 27, 30 a 32, vyznačující se tím, že svod (36) nespalitelného popela je veden v prvním plášti (1) kotle.
34. 34. Cirkulační topný kotel podle nároku 32, vyznačující se tím, že svod (36) nespalitelného popela v sekci III spalování paliva prochází Reynoldsovým prahem (58).
35. 35. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že přívodem paliva, vzduchu a okysličovadla je ejektor.
36. 36. Cirkulační topný kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že vstupem čerpaného média do směšovacího prostoru ejektoru je spirální skříň.