БЕЗЫНЕРЦИОННЫЙ ГАЗОГЕНЕРАТОР Российский патент 2005 года по МПК F24H1/00 

Изобретение относится к области отопления и горячего теплоснабжения и может быть использовано:

- в промышленности для автономного обогрева промышленных и административных зданий и производства горячей воды для производственно-хозяйственных нужд предприятий и учреждений;

- в сельском хозяйстве для производства горячей воды и автономного отопления животноводческих ферм, оранжерейно-тепличных хозяйств и отдельно стоящих объектов;

- в других областях: для производства горячей воды и автономного отопления жилых домов, коттеджей, квартир жилых многоэтажных домов, зданий больниц, школ, детских садов и других объектов жилищно-коммунального и муниципального городского хозяйства; например, для обогрева войсковых казарм, пограничных застав, таможенных постов, а также для оснащения грузовых, почтовых, пассажирских и других железнодорожных вагонов.

Известно устройство [1], представляющее собой газогенератор, работающий на твердом топливе, содержащий корпус с футеровкой и топочной дверцей, подвижную колосниковую решетку, бункер для топлива с загрузочным люком, сводчатый рассекатель, поворотные лопасти, камеру для золы с устройством для подачи и регулирования первичного воздуха, жаровую трубу с устройством подачи и регулирования вторичного воздуха для отвода газа.

Действие устройства основано на газификации твердого топлива при его сжигании и подаче горючего газа в жаровую трубу для дожига с дальнейшей подачей в нагревательные устройства.

Недостатками устройства являются:

- возможность работы устройства только совместно с водогрейными или паровыми котлами,

- отсутствие теплообменного устройства для воздушного обогрева помещений непосредственно в газогенераторе,

- отсутствие теплообменного устройства для нагрева жидкости непосредственно в газогенераторе.

Указанные недостатки обуславливают сравнительно низкий коэффициент полезного действия и ограниченную сферу применения устройства, используемого только совместно с водогрейными или паровыми котлами.

Предлагается устройство - газогенератор, работающий на твердом топливе, содержащий корпус, камеру газификации, подвижную колосниковую решетку, бункер для топлива с загрузочным люком, сводчатый рассекатель, поворотные лопасти, камеру для золы с устройством для подачи и регулирования первичного воздуха, жаровую трубу с устройством подачи и регулирования вторичного воздуха для дожига газа. В корпусе газогенератора размещено кольцевое безынерционное теплообменное устройство с интенсификаторами теплообмена, в которое подаются продукты сгорания топлива после их дожига.

В предлагаемом изобретении кольцевое устройство для подачи и регулирования вторичного воздуха перфорировано отверстиями и размещается с внешней стороны камеры газификации, охватывая последнюю с внешней стороны таким образом, что обеспечивает прохождение и дожиг максимального объема горючего газа, образующегося при газификации топлива.

В предлагаемом газогенераторе кольцевое безынерционное теплообменное устройство размещается соосно с камерой газификации и бункером для топлива. Соосное расположение камеры газификации, безинерционного теплообменного устройства и бункера для топлива обеспечивает предварительный подогрев и сушку топлива, размещенного в бункере.

Действие предлагаемого устройства основано на известном способе преобразования твердого топлива в тепловую энергию путем газификации с последующей организацией интенсивного теплообмена между раскаленными продуктами сгорания и нагреваемой средой (воздухом, водой).

Таким образом, работа безынерционного газогенератора осуществляется в два последовательных и непрерывных этапа:

- газификация топлива и сжигание смеси горючих газов,

- интенсивный теплообмен.

Газификация - это процесс полного превращения твердого топлива в газообразное состояние. Газообразное топливо по сравнению с твердым имеет ряд преимуществ. Температура сжигания газа выше температуры горения топлива. Газ требует меньшего количества воздуха, чем твердое топливо, благодаря чему снижаются потери тепла.

Интенсивный теплообмен между раскаленными продуктами сгорания и нагреваемым воздухом (водой) происходит в безынерционном теплообменном устройстве, размещенном непосредственно в корпусе безынерционного газогенератора. Максимальная интенсификация теплообмена происходит на направляющих элементах интенсификаторов и обуславливается осевой закруткой (например, по часовой стрелке) и максимальной турбулизацией потока раскаленных газов, омывающих внешнюю поверхность теплообменного канала, а также осевой закруткой (например, против часовой стрелки) и максимальной турбулизацией потока воздуха (воды), омывающего внешнюю поверхность теплообменного канала. В результате эффективная длина теплообменного канала не ограничивается линейными размерами теплообменного устройства и может значительно их превышать.

Зонами эффективного теплообмена являются теплообменные каналы, что обеспечивает эффективный съем тепла от раскаленных газов. Этим обуславливается то, что один и тот же объем топлива, по сравнению с [1], может быть израсходован с меньшими потерями тепла, следовательно, с более высокой эффективностью (КПД).

При увеличении эффективного пути прохождения раскаленных газов и увеличении эффективного пути прохождения нагреваемой среды (воздуха, воды) возрастает эффективная площадь теплообмена за счет многократного омывания потоков при их осевой закрутке. При осуществлении встречного поступательного и вращательного движения двух разделенных теплообменным каналом потоков теплообмен между ними происходит с максимально возможной интенсивностью. Оптимальный шаг и угол наклона направляющих элементов внутренних и внешних интенсификаторов теплообмена выбирается расчетным путем для каждой конкретной конструкции устройства.

С помощью безынерционного газогенератора может быть реализована схема воздушного или водяного отопления зданий и помещений, где, например, вода или другая жидкость, нагреваясь в устройстве, может циркулировать по отопительному контуру, а нагретый воздух может раздаваться по воздуховодам в удаленные от самого устройства части здания или помещения.

В предлагаемом устройстве предварительный подогрев и сушка топлива в бункере обеспечиваются теплом раскаленных горючих газов, движущихся в теплообменном устройстве и многократно омывающих внешнюю стенку камеры газификации, что обеспечивает устойчивость тепловых процессов при сжигании и газификации топлива практически любой влажности. Соответственно, обеспечивается устойчивость работы безынерционного газогенератора. При этом отпадает необходимость предварительной подготовки топлива и существенно снижаются требования к влажности топлива. Предлагаемое устройство может работать как на твердом топливе (уголь, дрова, торф, опилки, биотопливо и др.), включая высоковлажное твердое топливо, так и на всех видах нетоксичных отходов с непрерывной или дискретной подачей из специального бункера. Появляется возможность термической, безотходной переработки неподготовленных бытовых отходов и организации линий по промышленной утилизации бытовых отходов на базе безынерционных газогенераторов.

Кроме того, предлагаемое устройство может быть оснащено приспособлениями для решения ряда дополнительных задач, помимо нагрева воды и воздуха, например: плитой для разогрева и приготовления пищи, духовкой для выпечки или подогрева пищи, приспособлениями для сушки посуды, вещей, каминным окном и т.д.

Предлагаемое устройство может работать как за счет естественной тяги, так и при искусственном нагнетании или просасывании воздуха с помощью реверсивного вентилятора через теплообменное устройство газогенератора. Изменением расхода вентилятора можно регулировать температуру нагреваемой среды на выходе из теплообменного устройства. Организация принудительного движения нагреваемой среды (воздуха, воды) сверху вниз противотоком нагревающей среде (раскаленным горючим газам) обеспечивает еще более лучшие условия для интенсификации теплообмена.

В предлагаемом устройстве внутри устройства подачи и регулирования вторичного воздуха можно размещать катализатор для каталитической очистки уходящих газов, обеспечивающих экологичность безынерционного газогенератора.

В безынерционном газогенераторе существенно возрастает удельная плотность тепловой энергии, снимаемой с единицы объема устройства, а его тепловая безынерционность обуславливается высокой эффективностью безынерционного теплообменного устройства, на выходе которого, практически сразу после розжига, можно получать горячий воздух или горячую воду.

Основными техническими задачами, на решение которых направлено изобретение, являются:

- повышение КПД устройства,

- возможность максимального нагрева воздуха за счет максимальной турбулизации и осевой закрутки потока,

- возможность максимального нагрева жидкости за счет максимальной турбулизации и осевой закрутки потока,

- повышение удельного количества тепла, снимаемого с единицы объема поверхности теплообменного устройства,

- уменьшение линейных размеров и достижение максимальной компактности устройства.

Указанная совокупность признаков обеспечивает решение указанных выше технических задач во всех случаях использования изобретения.

Указанные отличия описываемого устройства, по сравнению с [1], позволяют говорить о расширенных полезных функциях устройства и сфере его применения, а также обуславливают лучшие характеристики, а именно, более высокий КПД, что приводит к снижению расхода топлива любого применяемого источника тепла.

Кроме того, описываемое устройство отличается логичностью и простотой изготовления.

Изложенное свидетельствует о том, что между отличительными признаками и техническим результатом имеется причинно-следственная связь. Достигаемый указанный технический результат при использовании предлагаемого способа обуславливает общественно полезный результат:

- экономичность - снижение расхода топлива устройством;

- компактность - повышение удельного количества тепла, снимаемого с единицы объема газогенератора;

- тепловая безынерционность,

- непрерывность работы во времени при непрерывной подаче топлива и увеличение времени работы в автономном режиме при одной загрузке топлива;

- возможность термической безотходной переработки неподготовленных бытовых и промышленных отходов;

- расширенные потребительские характеристики устройства и сфера применения;

- высокие экологические показатели газогенератора обуславливаются реализацией режима газогенерации с возможностью дожига горючих газов на катализаторах.

По имеющимся у заявителя сведениям, предлагаемая совокупность существенных признаков, характеризующих безынерционный газогенератор, неизвестна из уровня техники, следовательно, изобретение обладает новизной.

Как следует из вышеприведенного, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники. Совокупность признаков, характеризующих известные газогенераторы, не обеспечивает новый технический результат и получение новых свойств, которые присущи предлагаемому изобретению. Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует критерию изобретательский уровень.

Предлагаемое изобретение может быть использовано в энергетической, нефтехимической промышленности в виде нового безынерционного газогенерирующего отопительного устройства и более эффективным, надежным принципом действия. Предлагаемое изобретение может многократно обеспечить получение указанного технического результата, что позволяет сделать вывод о промышленной применимости предлагаемого изобретения.

Сущность предложенного устройства поясняется чертежами, где изображены:

- фиг.1 - вариант выполнения безынерционного газогенератора для комплексного нагрева воды и воздуха;

- фиг.2 - вариант выполнения безынерционного газогенератора для конвективного нагрева воздуха;

- фиг.3 - вариант выполнения безынерционного газогенератора для нагрева воздуха с принудительной прокачкой компрессором.

На указанных фигурах изображены элементы конструкции газогенератора, а также направление движения различных сред, взаимодействующих друг с другом при работе устройства: нижний воздухонапорный короб - 1, вход нагреваемой среды (холодного воздуха) - 2, входной патрубок - 3, теплообменный канал - 4, корпус - 5, направляющие элементы наружного интенсификатора теплообмена - 6, выход нагретой среды (горячего воздуха) - 7, патрубок - 8, верхний воздухонапорный короб - 9, бункер для топлива - 10, крышка бункера - 11, топливо - 12, патрубок - 13, выход нагревающей среды (продуктов сгорания топлива) - 14, направляющие элементы внутреннего интенсификатора теплообмена - 15, камера газификации топлива - 16, дверца для розжига топлива - 17, входной патрубок золоприемника для подачи и регулирования первичного воздуха - 18, устройство для подачи и регулирования вторичного воздуха - 19, перфорированные отверстия устройства подачи и регулирования вторичного воздуха - 20, колосниковая решетка - 21, золоприемник - 22, дверца золоприемника для удаления золы - 23, входной патрубок устройства подачи и регулирования вторичного воздуха - 24, реверсивный вентилятор - 25, нагреваемая вода (жидкая нагреваемая среда) - 26, дозирующее устройство-пленкообразователь для подачи воды в теплообменный канал - 27, водоприемное устройство для сбора нагретой воды - 28, нагретая вода - 29, вентилятор - 30.

Предложенное устройство работает следующим образом.

Горение твердого топлива в безынерционном газогенераторе происходит в три стадии:

- розжиг топлива и пламенное горение до частичного обугливания,

- процесс коксования и газификации твердого топлива,

- процесс горения смеси выделяющихся горючих газов.

В процессе газификации твердое топливо 12 при подаче первичного кислорода воздуха из патрубка 18, подаваемого в нижнюю часть камеры газификации 16, нагревается и разлагается на раскаленный углерод и водяной пар. Взаимодействие раскаленного углерода с кислородом происходит при высокой температуре с последующей реакцией образования углекислого газа СO₂ и окиси углерода СО, который является основным компонентом получаемого при газификации горючего газа. Водород, метан и другие горючие газы образуются при высокотемпературном разложении смол и масел, содержащихся в твердом топливе. Образовавшаяся смесь горючих газов выдавливается вниз и проходит через кольцевое устройство 19 подачи и регулирования вторичного воздуха, перфорированное отверстиями. Подача и регулирование вторичного воздуха осуществляется через патрубок 24. Раскаленные горючие газы при взаимодействии с кислородом вторичного воздуха воспламеняются и сгорают высокотемпературным бездымным пламенем. Раскаленные продукты сгорания поступают на направляющие элементы 6 наружного интенсификатора теплообмена, размещенного на наружной поверхности теплообменного канала 4, в котором происходит осевая закрутка и максимальная турбулизация потока раскаленных газов. Эффективный путь, проходимый раскаленными продуктами сгорания до выходного патрубка 13, многократно возрастает, что приводит к возрастанию количества тепла, переданного теплообменному каналу 4 от раскаленных продуктов сгорания, а именно, к увеличению температуры нагрева теплообменного канала 4.

Окружающий воздух 2 (фиг.1, 2) за счет тепловой конвекции (режим естественной циркуляции) поступает снизу внутрь теплообменных каналов 4 на направляющие элементы 15 внутренних интенсификаторов теплообмена, размещенных на внутренних поверхностях теплообменных каналов 4, при этом испытывая многократную осевую закрутку на внутренней поверхности теплообменных каналов. При этом эффективный путь, проходимый нагреваемым воздухом 2, многократно возрастает, что приводит к возрастанию количества тепла, переданного нагретому воздуху 7 от теплообменного канала 4, а именно, к увеличению температуры нагрева воздуха 7, поступающего на обогрев помещения. При этом температура воздуха 7 на выходе из теплообменных каналов 4 будет неизменно высокой, а время нагрева воздуха будет определяться только временем его прохождения t₁ через теплообменный канал 4. Этим обеспечивается быстрый, безынерционный нагрев воздуха в предлагаемом устройстве. Газогенератор приобретает свойства тепловой безынерционности.

Эффективная длина теплообменных каналов 4 не ограничивается линейными размерами теплообменного устройства и может значительно их превышать. Зонами эффективного теплообмена являются теплообменные каналы 4, что обеспечивает интенсивный теплообмен между раскаленными продуктами сгорания и потоком нагреваемой среды. Этим обуславливается более высокая эффективность (КПД) безынерционного газогенератора.

При увеличении эффективного пути прохождения потока нагревающей среды (раскаленных продуктов сгорания) и увеличении эффективного пути прохождения нагреваемой среды (воздуха, воды) существенно возрастает эффективная площадь теплообмена за счет многократного омывания внутренней и внешней поверхностей теплообменного канала при их осевой закрутке.

При осуществлении встречного поступательного и вращательного движения двух разделенных теплообменным каналом 4 потоков теплообмен между ними происходит более интенсивно. Окружающий воздух 2 с помощью реверсивного вентилятора 25 (фиг.3) через патрубок 8 подается (режим принудительной циркуляции) в напорный короб 9 и раздается в теплообменные каналы 4. Поток холодного воздуха 2 принудительно движется сверху вниз, испытывая осевую закрутку и максимальную турбулизацию потока. При этом теплообмен происходит эффективнее по сравнению с режимом естественной циркуляции. Горячий воздух 7 через патрубок 3 подается на обогрев помещения или в коллектор, что позволяет организовать воздушное отопление помещений, удаленных от места размещения газогенератора.

Оптимальный шаг и угол наклона внутренних 15 и внешних 6 направляющих элементов интенсификаторов теплообмена выбирается расчетным путем для каждой конкретной конструкции устройства.

В устройстве 19 подачи и регулировании вторичного воздуха возможно размещение катализаторов с целью каталитической очистки продуктов сгорания и достижения высоких экологических показателей.

Безынерционный газогенератор позволяет производить также нагрев жидкости, например воды 26 (фиг.1) для бытовых нужд или водяного отопления. Для этого теплообменный канал 4 может содержать дозирующее устройство-пленкообразователь 27, обеспечивающее дозированное поступление воды в теплообменный канал 4 и пленочное движение жидкости по внутренней поверхности его стенки. Пленка жидкости движется по внутренней поверхности стенки теплообменного канала 4 сверху вниз. Попадая на направляющие элементы 15 внутреннего интенсификатора теплообмена, пленка жидкости испытывает многократную осевую закрутку на внутренней поверхности стенки теплообменного канала 4 и попадает в водоприемное устройство 28. Эффективный путь, проходимый пленкой жидкости, многократно возрастает, что приводит к возрастанию количества тепла, переданного пленке воды от теплообменного канала 4, а именно, к увеличению температуры нагрева воды, поступающего на отопление помещения или бытовые нужды. При этом температура нагретой воды 29 на выходе из водоприемного устройства 28 будет неизменно высокой, а время нагрева воды t₂ будет определяться только временем прохождения нагреваемой воды через теплообменный канал. Этим обеспечивается быстрый, безынерционный нагрев воды в предлагаемом устройстве. Все это ведет к повышению КПД всего устройства.

Таким образом, безынерционный газогенератор позволяет достичь более высокого КПД, уменьшить потери тепла, уносимого продуктами сгорания, снизить расход топлива и этим продлить время работы устройства на одной загрузке топлива. Кроме того, в устройстве обеспечивается решение ряда дополнительных задач, что расширяет сферу применения устройства и делает его универсальным.

Исходя из различных требований, предлагаемое устройство может выполняться с автоматическим регулированием параметров нагревающей среды в газогенераторе тепла, а также параметров нагреваемой среды.

Регулирование параметров нагревающей среды, например, температуры продуктов сгорания и скорости горения топлива, может осуществляться либо путем создания отрицательного давления (разрежения) по всему тракту движения нагревающей среды за счет изменения расхода вентилятора 30 (фиг.3), размещенного на выходе газогенератора, например на патрубке 13, либо путем создания давления по всему тракту движения нагревающей среды за счет изменения расхода вентилятора - 30, размещенного на входе устройства 19 подачи и регулирования вторичного воздуха, например, на патрубке 24.

Регулирование параметров нагреваемой среды, например, температуры и расхода нагреваемого воздуха и/или воды, может осуществляться путем изменения расхода нагреваемого воздуха с помощью реверсивного вентилятора 25 (фиг.3), обеспечивающего принудительную циркуляцию воздуха в одну или другую сторону.

Это позволит осуществить:

- получение горячего воздуха необходимой заданной температуры,

- получение горячей воды необходимой заданной температуры,

- максимально быстрый прогрев помещения до заданной температуры и поддержание этой температуры в дальнейшем,

- сжигание топлива в наиболее экономичном режиме при непрерывном процессе сжигания топлива или для получения максимального времени горения на одной загрузке топлива,

- прочие режимы, которые могут быть основаны на вспомогательных функциях устройства, например, поддержание заданной температуры в камере сгорания для приготовления пищи на встроенной плите или духовке.

Использованная литература

1. Описание изобретения (аналог) к патенту RU №2147601 С1, опубликовано 20.04.2000.

2. Описание изобретения к патенту SU №59410 А, опубликовано 31.03.1941.

3. Описание изобретения к патенту SU №1273385 А1, опубликовано 30.11.1986.

4. Описание изобретения к патенту SU №1788150 А1, опубликовано 30.11.1992.

5. Описание изобретения к патенту US №4659340 А, опубликовано 21.04.1987.

6. Описание изобретения к патенту FR №2422712 А1, опубликовано 09.11.1979.

7. Описание изобретения к патенту GB №1445418 А, опубликовано 11.08.1976.

8. Описание изобретения к патенту DE №2249444 А, опубликовано 25.07.1974.

9. В.И.Частухин, В.В.Частухин. Топливо и теория горения. Киев: Высшая школа, 1989.

10. Л.К.Коллеров, В.П.Джуваго. Бытовые полугазовые печи для кизяка и торфа. - Москва, 1940.

11. Сборник докладов научной сессии научного совета "Твердые горючие ископаемые в решении экологических и экономических проблем топливно-энергетического комплекса России", 11-13 февраля 1998 г. Научный Совет РАН по химии и технологии твердого и ископаемого топлива (стр.272, глава 8.4).

Изобретение относится к области отопления и может быть использовано в промышленности, сельском хозяйстве, жилищно-коммунальном хозяйстве, на транспорте и других областях для стационарного и автономного обогрева и горячего водоснабжения помещений, зданий и сооружений. Техническими задачами, решаемыми изобретением, являются: повышение КПД, снижение расхода топлива, улучшение экологических характеристик. Указанные технические задачи решаются тем, что в корпусе газогенератора, содержащем камеру газификации, бункер для топлива с загрузочным люком, камеру для золы с устройством для подачи и регулирования первичного воздуха, жаровую трубу с устройством подачи и регулирования вторичного воздуха для дожига газа, размещено безынерционное теплообменное устройство, содержащее нагревательные каналы с интенсификаторами теплообмена, обеспечивающими возможность максимальной интенсификации теплообмена и турбулизации потока продуктов сгорания топлива и потока нагреваемой среды, при этом кольцевое устройство подачи и регулирования вторичного воздуха, обеспечивающее дожиг образующихся газов и подачу раскаленных продуктов сгорания в безынерционное теплообменное устройство, размещено с внешней стороны камеры газификации. Максимальная интенсификация теплообмена происходит на направляющих элементах интенсификаторов и обуславливается осевой закруткой и максимальной турбулизацией потока раскаленных газов, многократно омывающих внешнюю поверхность теплообменного канала, а также осевой закруткой и максимальной турбулизацией потока воздуха (воды), многократно омывающей внешнюю поверхность теплообменного канала. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство, представляющее собой газогенератор, работающий на твердом топливе, содержащий корпус, камеру газификации, подвижную колосниковую решетку, бункер для топлива с загрузочным люком, сводчатый рассекатель, поворотные лопасти, камеру для золы с устройством для подачи и регулирования первичного воздуха, жаровую трубу с устройством подачи и регулирования вторичного воздуха для дожига газа, отличающееся тем, что в корпусе газогенератора размещено безынерционное теплообменное устройство, содержащее нагревательные каналы с интенсификаторами теплообмена, обеспечивающими возможность максимальной интенсификации теплообмена и турбулизации потока продуктов сгорания топлива и потока нагреваемой среды, при этом кольцевое устройство подачи и регулирования вторичного воздуха, обеспечивающее дожиг образующихся газов и подачу раскаленных продуктов сгорания в безынерционное теплообменное устройство, размещено с внешней стороны камеры газификации.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что безынерционное теплообменное устройство размещено соосно с корпусом камеры газификации, охватывая последнюю с внешней стороны для обеспечения предварительного подогрева топлива в бункере продуктами его сгорания.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что устройство подачи и регулирования вторичного воздуха перфорировано отверстиями.4. Устройство по п.1, или 2, или 3, отличающееся тем, что устройство подачи и регулирования вторичного воздуха содержит катализатор для дожига образующихся в камере газификации газов.