ПЕЧЬ Российский патент 1999 года по МПК F23B1/00 F24B1/19 

Изобретение предназначено для сжигания твердых видов топлива, преимущественно древесного, например отходов деревообработки, в непрерывном режиме работы с выделением значительного количества тепла в виде горючих продуктов сгорания, что может использоваться в лесосушильных установках, для обогревания помещений и т.д.

Известна печь, содержащая камеру сгорания, средства подачи подогретого воздуха в камеру сгорания, выпускную трубу, снабженную регулируемым вытяжным устройством (см. патент СССР N 2456, МПК F 24 B 1/26, 1927).

Недостатками указанной печи являются сложность конструкции, низкое качество сжигания топлива.

Наиболее близкой к данному изобретению является печь, содержащая загрузочный бункер шахтного типа, размещенный над камерой сгорания, средства подачи подогретого воздуха в камеру сгорания, выпускную трубу, снабженную регулируемым вытяжным устройством (см. патент СССР N 5987, МПК F 24 B 1/02, 1928).

Недостатками указанной печи являются низкая эффективность сжигания топлива, ненадежность и неудобство в обслуживании, низкая удельная мощность.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание печи, отличающейся простотой конструкции, высокой эффективностью сжигания топлива, большой удельной мощностью, надежностью и удобством в обслуживании на всех этапах эксплуатации.

В предлагаемой печи используется загрузочный бункер шахтного типа, размещенный над камерой сгорания, расширительная камера, размещенная за камерой сгорания так, что их продольные оси совпадают, при этом площадь поперечного сечения расширительной камеры превышает площадь поперечного сечения камеры сгорания, печь снабжена выпускной трубой, имеющей регулируемое вытяжное устройство, средства подачи подогретого воздуха в камеру сгорания выполнены с возможностью обеспечения максимального приближения температуры подаваемого воздуха к температуре продуктов сгорания в расширительной камере и включают средства фронтальной, боковой и нижней подачи воздуха, средства фронтальной подачи воздуха в камеру сгорания включают несколько труб, размещенных во внутреннем пространстве расширительной камеры, каждая из которых сообщается одним концом с атмосферой, а другим концом с входным отверстием соответствующего ей сквозного канала, выполненного внутри и вдоль боковых стенок камеры сгорания, выходное отверстие которого сообщается с внутренним пространством камеры сгорания, средства боковой подачи воздуха в камеру сгорания включают несколько сквозных отверстий в ее боковых стенках, сообщающихся с ее внутренним пространством и со сквозными каналами для фронтальной подачи воздуха, средства нижней подачи воздуха в камеру сгорания включают несколько труб, размещенных во внутреннем пространстве расширительной камеры и сообщающихся одним концом с атмосферой, а другим концом - с входным отверстием каналов, выполненных внутри и вдоль ее нижней стенки, при этом каждый такой канал сообщается с внутренним пространством камеры сгорания посредством сквозных отверстий, выполненных между ними. Совмещенная продольная ось камеры сгорания и расширительной камеры может одновременно являться их общей осью симметрии. Продольные оси труб, размещенных в расширительной камере, и сообщающихся с ними сквозных каналов, выполненных внутри и вдоль боковых и нижней стенок камеры сгорания, совмещены и параллельным друг другу и общей оси симметрии камеры сгорания и расширительной камеры. Сквозные отверстия, обеспечивающие боковую подачу воздуха в камеру сгорания, сгруппированы парами таким образом, что оси отверстий в каждой паре пересекаются в пределах половины внутреннего пространства камеры сгорания, ближней к ним. Продольные оси сквозных отверстий, обеспечивающих нижнюю подачу воздуха в камеру сгорания, могут быть параллельны между собой и при этом перпендикулярны оси каналов, выполненных внутри и вдоль нижней стенки камеры сгорания. Загрузочный бункер снабжен крышкой, устанавливаемой с зазором, обеспечивающим доступ воздуха для отсоса водяного пара и горячих летучих фракций, образующихся при пиролизе древесины. При наилучшем варианте выполнения печи количество воздуха, поступающего в камеру сгорания с его фронтальной подачей, соотносится к количеству воздуха, поступающего с боковой подачей, как 10:1, а с нижней подачей - как 100:1. Диаметры сквозных отверстий и каналов камеры сгорания и труб расширительной камеры, а также их количество определяются в зависимости от необходимого выбираемого соотношения количества воздуха, поступающего в камеру сгорания с фронтальной, боковой и нижней подачей. Средства нижней подачи воздуха в камеру сгорания выполнены для уменьшения спекания золы.

Для обеспечения возможности фронтальной подачи воздуха в камеру сгорания из сквозных каналов, выполненных внутри и вдоль ее боковых стенок, между внутренней торцевой поверхностью камеры сгорания и торцевой поверхностью с выходными отверстиями упомянутых сквозных каналов предусмотрен зазор.

Расширительная камера снабжена дверцей в ее нижней части для удаления золы. Площадь поперечного сечения расширительной камеры может многократно превышать площадь поперечного сечения камеры сгорания, что способствует уменьшению скорости потока продуктов сгорания и обеспечивает оседание золы в расширительной камере. Плоскости упомянутых поперечных сечений камеры сгорания и расширительной камеры перпендикулярны их общей оси симметрии. Все элементы конструкции печи выполнены из недорогих и доступных материалов, например из высокотемпературной керамики. Трубы, размещенные в расширительной камере, выполняются из материала с высоким коэффициентом теплопередачи, причем выбор этого материала, определение диаметра труб, толщины их стенок учитываются при обеспечении условия максимального приближения температуры атмосферного воздуха в трубах к температуре продуктов сгорания в расширительной камере. Через каналы, выполненные в нижней стенке камеры сгорания, возможна принудительная подача воздуха в нее, обогащенного кислородом, для создания кратковременных особых высокотемпературных режимов. Предусмотрена максимальная теплоизоляция камеры сгорания и расширительной камеры из материала, обладающего низкой теплопроводностью, например из шамотного кирпича.

Использование в предлагаемой печи шахтной загрузки топлива позволяет обеспечить стационарный процесс горения, а размещение загрузочного бункера непосредственно над камерой сгорания позволяет подготовить топливо к поступлению а камеру сгорания, поскольку при этом топливо до поступления в камеру сгорания проходит этапы просушки, частичного пиролиза и прогрева до температуры воспламенения или близкой к ней.

Фронтальная подача в камеру сгорания атмосферного воздуха, нагретого до температуры продуктов сгорания в расширительной камере, в сочетании с шахтной загрузкой топлива позволяет обеспечить постоянные условия горения при максимально возможной температуре (например, в зависимости от вида топлива) при избытке кислорода, что способствует повышению удельной мощности печи.

Боковая подача воздуха в камеру сгорания способствует интенсификации процесса горения, при этом выполнение сквозных отверстий для боковой подачи воздуха в камеру сгорания таким образом, что они сгруппированы парами, где оси отверстий в каждой паре пересекаются в пределах половины камеры сгорания, ближней к ним, способствует образованию турбулентности промежуточных продуктов горения, что приводит к активации процесса горения за счет улучшения теплопередачи внутри зоны горения, выравнивания градиентов температур, улучшения процессов тепломассопереноса.

Нижняя подача воздуха в камеру сгорания позволяет предотвратить в ней процесс спекания золы, поскольку при этом происходит саморазрушение появляющихся в процессе горения спеков золы.

Применение в предлагаемой печи принудительной вытяжки, которой снабжается расширительная камера, позволяет обеспечить безопасность процесса горения. Кроме того, именно на использовании принудительной вытяжки в предлагаемой конструкции печи основан механизм "отрицательных обратных связей", который позволяет обеспечить саморегулируемый процесс горения в ней.

Испытания опытного экземпляра печи предлагаемой конструкции показали, что температура горения в ней так высока что в выхлопе практически отсутствует CO, что в свою очередь свидетельствует об экологической безопасности предлагаемой печи, не требующей для обеспечения этого никаких дополнительных усилий и затрат.

Указанное взаимное геометрическое расположение камеры сгорания и расширительной камеры определяет геометрию потоков продуктов сгорания, организующих процесс тепломассопереноса, способствующий обеспечению максимальной удельной мощности печи.

Предлагаемая печь поясняется с помощью графических материалов, где на фиг. 1 изображена печь схематически в плане; на фиг. 2 изображен продольный разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 показана часть камеры сгорания в аксонометрической проекции с развернутым поперечным сечением; на фиг. 4 - фрагмент камеры сгорания; на фиг. 5 - сечение В-В фиг. 3; на фиг. 6 - сечение Г-Г фиг. 3; на фиг. 7 изображена расширительная камера в аксонометрической проекции; на фиг. 8 - разрез Д-Д фиг. 1; на фиг. 9 - разрез Е-Е фиг. 1; на фиг. 10 показана принципиальная схема газообмена в предлагаемой печи.

На представленных графических материалах показан загрузочный бункер 1 шахтного типа, размещенный над камерой 2 сгорания, расширительная камера 3, которые все вместе определяют топочный канал предлагаемой печи. Выпускная труба 4, снабженная регулируемым вытяжным устройством 5, размещена в верхней части расширительной камеры 3, которая размещается за камерой 2 сгорания таким образом, что их продольные оси 0-0 совпадают, при этом площадь поперечного сечения расширительной камеры 3 превышает площадь поперечного сечения камеры 2 сгорания, плоскости указанных поперечных сечений камеры сгорания и расширительной камеры перпендикулярны их общей продольной оси, которая также является их осью симметрии. Площадь S сквозного проема между камерой 2 сгорания и расширительной камерой 3 соответствует площади поперечного сечения камеры 2 сгорания. На представленных графических материалах показаны также средства подачи воздуха в камеру 2 сгорания, которые включают средства фронтальной, боковой нижней подачи воздуха. Средства фронтальной подачи воздуха в камеру 2 сгорания включают несколько сквозных каналов 6, выполненных внутри вдоль боковых стенок 7 камеры 2 сгорания и сообщающихся с ней через свои выходные отверстия 8, при этом через свои входные отверстия 9 каждый из этих сквозных каналов 6 сообщается с концом соответствующей ему трубы 10, каждая из которых размещена во внутреннем пространстве расширительной камеры 3 и сообщается другим концом 11 с атмосферой, средства боковой подачи воздуха в камеру 2 сгорания включают сквозные отверстия 12, сообщающиеся с ее внутренним пространством и со сквозными каналами 6 для фронтальной подачи воздуха, средства нижней подачи воздуха в камеру 2 сгорания включают несколько каналов 13, выполненных внутри и вдоль ее нижней стенки 14 и сообщающихся с трубами 15, размещенными внутри расширительной камеры 3 и сообщающимися одним концом с атмосферой, при этом каждый канал 13 сообщается с внутренним пространством камеры 2 сгорания посредством сквозных отверстий 16, выполненных между ними. Совмещенная продольная ось 0-0 камеры сгорания 2 и расширительной камеры 3 является их осью симметрии, продольные оси труб 10 и 15, размещенных в расширительной камере 3, и сообщающихся с ними сквозных каналов 6 и 13, а эти совмещенные оси параллельны друг другу и общей оси симметрии 0-0 камеры 2 сгорания и расширительной камеры 3. Сквозные отверстия 12 для боковой подачи воздуха в камеру 2 сгорания сгруппированы парами таким образом (см. фиг. 4), что оси 02-02 этих отверстий 12 в каждой паре пересекаются в пределах половины внутреннего пространства камеры 2 сгорания, ближней к ним. Оси сквозных отверстий 16, обеспечивающих нижнюю подачу воздуха в камеру 2 сгорания, могут быть параллельны между собой и перпендикулярны оси каналов 13, выполненных в нижней стенке 14 камеры сгорания. Загрузочный бункер 1 снабжен крышкой 17, устанавливаемой с зазором для обеспечения доступа воздуха, необходимого для отсева водяного пара и горячих летучих фракций, образующихся при пиролизе древесины в загрузочном бункере. Средства подачи воздуха в камеру 2 сгорания выполнены таким образом, что количество воздуха, поступающего с фронтальной подачей, соотносится к количеству воздуха, поступающего с боковой подачей, как 10:1, а к количеству воздуха, поступающего с нижней подачей, как 100:1. Это учитывается и берется во внимание при определении диаметров каналов 6 и 13 отверстий 12 и 16, через которые он поступает в камеру 2 сгорания, а также их количества. Внутри камеры 2 сгорания между выходными отверстиями 8 сквозных каналов 6 и внутренней поверхностью 18 ее торцевой стенки 19, расположенной напротив них, имеется зазор X для обеспечения фронтального прохождения воздуха из этих сквозных каналов 6 в камеру 2 сгорания. Расширительная камера 3 в ее нижней части снабжена дверцей 20, через которую происходит удаление золы. Площадь поперечного сечения расширительной камеры 3 превышает площадь поперечного сечения камеры 2 сгорания, что позволяет обеспечить оседание золы в расширительной камере 3 вследствие уменьшения скорости потока продуктов сгорания при переходе из камеры 2 сгорания в расширительную камеру 3. Все элементы конструкции представленной печи выполняются из подходящих для реализации ее назначения доступных и недорогих материалов, например высокотемпературной керамики.

Описанная выше конструкция предлагаемой печи настолько проста, что позволяет выполнять ее по модульной схеме, допускающей сборку и монтаж основных элементов по месту. Трубы 10, размещенные в расширительной камере 3, выполняются также из высокотемпературной керамики, но с высоким коэффициентом теплопередачи. Предусматривается максимальная теплоизоляция камеры 2 сгорания и расширительной камеры 3, выполняемая из подходящих для этого теплостойких и теплоизоляционных материалов, например из шамотного кирпича. В предлагаемой печи для создания особых высокотемпературных режимов может быть использована кислородная инжекция, для чего в каналы 13, выполненные в нижней стенке 14 камеры 2 сгорания, может быть принудительно подан воздух, обогащенный кислородом. Следует заметить, что в предлагаемой печи нагретый атмосферный воздух, поступающий в каналы 6 и 13, создает дополнительный нагрев стенок 7 и 14 камеры 2 сгорания, что также способствует повышению эффективности сгорания топлива.

Работа предлагаемой печи осуществляется следующим образом
Предварительно включают вытяжное устройство 5 для создания в выпускной трубе 4, расширительной камере 3 и камере 2 сгорания отрицательного давления. Загружают топливом внутреннее пространство камеры 2 сгорания и загрузочного бункера 1, поджигают топливо и закрывают крышку 17. По мере сгорания топлива в камере 2 сгорания увеличивается температура продуктов сгорания, поступающих в расширительную камеру 3, происходит нагревание труб 10 и 15 и соответственно атмосферного воздуха в них, который поступает в камеру 2 сгорания, где, участвуя в процессе горения в качестве окислителя, еще больше увеличивает температуру горения, что влечет за собой дальнейшее циклическое повторение процесса до тех пор, пока не наступит равновесие между количеством воздуха, поступающего в камеру 2 сгорания, и количеством топлива, которое может сгореть в данном количестве воздуха. После этого температура сгорания топлива и соответственно мощность печи не повышаются, и печь выходит на стандартный режим.

При поступлении в уже работающую печь более калорийного топлива (например, угля) в камере 2 сгорания увеличивается температура и уменьшается плотность продуктов сгорания, что приводит к уменьшению количества атмосферного воздуха, поступающего в камеру 2 сгорания. Это связано с тем, что давлением, создаваемое принудительной вытяжкой (дымососом), напрямую зависит от температуры подходящих к нему продуктов сгорания: чем меньше эта температура, тем больше давление, создаваемое принудительной вытяжкой (дымососом). Таким образом, давление, создаваемое принудительной вытяжкой, падает, уменьшается количество атмосферного воздуха, поступающего в камеру 2 сгорания, а следовательно, и интенсивность горения топлива в ней.

При поступлении же в камеру 2 сгорания низкокалорийного топлива сначала в ней уменьшается температура и увеличивается плотность продуктов сгорания, что соответственно влечет за собой увеличение давления, создаваемого принудительной вытяжкой (дымососом), что в свою очередь ведет к увеличению расхода атмосферного воздуха и соответственно горение в камере 2 сгорания будет идти более интенсивно.

Очевидно, что совокупность признаков предлагаемой печи обеспечивает саморегулируемый процесс горения твердого топлива в ней, основанный на принципе "отрицательных обратных связей" и поддерживающий постоянную мощность печи, не зависящую от калорийности используемого топлива. Весь процесс обслуживания такой печи прост и практически сводится к слежению за тем, чтобы в загрузочном бункере постоянно было топливо. Удельная мощность печи приближена к максимально возможной, поскольку в процессе горения получаемая тепловая энергия не только не теряется, но и ведет к повышению эффективности этого процесса. При этом конструкция предлагаемой печи настолько проста, что позволяет изготавливать ее по модульной схеме, допуская сборку и монтаж основных элементов по месту.

Вышеизложенное позволяет утверждать, что обеспечение упомянутых преимуществ предлагаемой печи возможно лишь при использовании всей совокупности ее признаков, каждый из которых выполняет свою функцию, а вместе во взаимосвязи они решают поставленную задачу.

Изобретение предназначено для сжигания твердых видов топлива, преимущественно древесного, в непрерывном режиме работы с выделением значительного количества тепла в виде горячих продуктов сгорания, что может использоваться в лесосушильных установках, для обогрева помещений и т.д. Изобретение позволяет упростить конструкцию печи, повысить эффективность сжигания топлива, удельную мощность, надежность и удобство в эксплуатации. Печь включает в себя загрузочный бункер шахтного типа, размещенную под ним камеру сгорания и расширительную камеру, размещенную за ней и снабженную принудительной вытяжкой. В камеру сгорания подается атмосферный воздух, температура которого соответствует температуре продуктов сгорания в расширительной камере. 16 з. п. ф-лы, 10 ил.

1. Печь, содержащая загрузочный бункер шахтного типа, размещенный над камерой сгорания, средства подачи подогретого воздуха в камеру сгорания, выпускную трубу, снабженную регулируемым вытяжным устройством, отличающаяся тем, что за камерой сгорания размещена расширительная камера так, что их продольные оси совпадают, при этом площадь поперечного сечения расширительной камеры превышает площадь поперечного сечения камеры сгорания, средства подачи подогретого воздуха в камеру сгорания выполнены с возможностью обеспечения максимального приближения температуры воздуха к температуре продуктов сгорания в расширительной камере и включают средства фронтальной, боковой и нижней подачи воздуха, средства фронтальной подачи воздуха в камеру сгорания включают несколько труб, размещенных во внутреннем пространстве расширительной камеры, каждая из которых сообщается одним концом с атмосферой, а другим концом с входным отверстием соответствующего ей сквозного канала, выполненного внутри и вдоль боковых стенок камеры сгорания, выходное отверстие которого сообщается с внутренним пространством камеры сгорания, средства боковой подачи воздуха в камеру сгорания включают несколько сквозных отверстий в ее боковых стенках, выполненных с возможностью сообщения ее внутреннего пространства со сквозными каналами для фронтальной подачи воздуха, средства нижней подачи воздуха в камеру сгорания включают несколько труб, размещенных во внутреннем пространстве расширительной камеры и сообщающихся одним концом с атмосферой, а другим концом - с входным отверстием каналов, выполненных внутри и вдоль ее нижней стенки, при этом каждый канал сообщается с внутренним пространством камеры сгорания посредством сквозных отверстий, выполненных между ними. 2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что совмещенная продольная ось камеры сгорания и расширительной камеры является их общей осью симметрии. 3. Печь по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что продольные оси труб, размещенных в расширительной камере, и сообщающихся с ними каналов, выполненных соответственно внутри и вдоль боковых и нижней стенок камеры сгорания, совмещены. 4. Печь по п.3, отличающаяся тем, что совмещенные продольные оси труб и каналов параллельны друг другу и общей оси симметрии камеры сгорания и расширительной камеры. 5. Печь по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что сквозные отверстия, обеспечивающие боковую подачу воздуха в камеру сгорания, сгруппированы парами таким образом, что их оси в каждой паре пересекаются в пределах половины внутреннего пространства камеры сгорания, ближней к ним. 6. Печь по любому из пп.1 - 5, отличающаяся тем, что оси сквозных отверстий, обеспечивающих нижнюю подачу воздуха в камеру сгорания, параллельны между собой и перпендикулярны продольной оси каналов, выполненных внутри и вдоль нижней стенки камеры сгорания. 7. Печь по любому из пп.1 - 6, отличающаяся тем, что загрузочный бункер снабжен крышкой, устанавливаемой с возможностью обеспечения доступа воздуха для отсоса водяного пара и горячих летучих фракций, образующихся при пиролизе древесины. 8. Печь по любому из пп.1 - 7, отличающаяся тем, что количество воздуха, поступающего в камеру сгорания с его фронтальной подачей, соотносится к количеству воздуха, поступающего с боковой подачей, как 10 : 1, а с нижней подачей, как 100 : 1. 9. Печь по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что диаметры сквозных отверстий и каналов камеры сгорания и труб расширительной камеры, а также их количество определяется в зависимости от необходимого выбираемого соотношения количества воздуха, поступающего в камеру сгорания с фронтальной, боковой и нижней подачей. 10. Печь по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что средства нижней подачи воздуха в камеру сгорания выполнены для уменьшения спекания золы. 11. Печь по любому из пп.1 - 10, отличающаяся тем, что для обеспечения возможности фронтальной подачи воздуха в камеру сгорания из сквозных каналов, выполненных внутри и вдоль ее боковых стенок, между внутренней торцевой поверхностью камеры сгорания и торцевой поверхностью с выходными отверстиями упомянутых сквозных каналов предусмотрен зазор. 12. Печь по любому из пп.1 - 11, отличающаяся тем, что расширительная камера снабжена дверцей в ее нижней части для удаления золы. 13. Печь по любому из пп.1 - 12, отличающаяся тем, что для обеспечения оседания золы в расширительной камере предусмотрено многократное превышение площади ее поперечного сечения по сравнению с площадью поперечного сечения камеры сгорания. 14. Печь по любому из пп.1 - 13, отличающаяся тем, что все элементы ее конструкции выполнены из высокотемпературной керамики. 15. Печь по любому из пп.1 - 14, отличающаяся тем, что материал для изготовления труб, размещенных в расширительной камере, диаметр и толщина их стенок выбираются из условия возможности обеспечения максимального приближения температуры продуктов сгорания в расширительной камере к температуре воздуха в этих трубах. 16. Печь по любому из пп.1 - 15, отличающаяся тем, что для создания особых высокотемпературных режимов в камере сгорания предусмотрена возможность принудительной подачи воздуха, обогащенного кислородом, в каналы, выполненные в ее нижней стенке. 17. Печь по любому из пп.1 - 16, отличающаяся тем, что теплоизоляция камеры сгорания и расширительной камеры предусмотрена из материала, обладающего низкой теплопроводностью, например из шамотного кирпича.