ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2007 года по МПК F22B7/08 

Изобретение относится к устройствам для сжигания топлива, предпочтительно твердого, и может быть использовано для генерирования пара.

Известна теплогенерирующая установка, содержащая топку с колосниками, поддувало и водонагревательный узел, включающий водонаполненную полость, поверхность нагрева которой установлена с возможностью взаимодействия газообразных продуктов сгорания, и дымовую трубу (см. Альбом отопительных и бытовых печей. Ч.1. Печи отопительные. М.: Госстройиздат, 1961, лист.86).

Недостаток этого устройства - недостаточная эффективность сжигания топлива, приводящая к большому его недожогу и выбросу горючих газов в атмосферу, а также необходимость обеспечения хорошей тяги для поддержания процесса горения.

Известна также теплогенерирующая установка, содержащая топку, дожигательную камеру, продольная ось которой ориентирована вертикально, теплообменную камеру, включающую водонаполненную полость, поверхность нагрева которой установлена с возможностью взаимодействия газообразных продуктов сгорания, и дымоход, связанный с дымовой трубой (см. пат. РФ №2243450).

Недостаток этого устройства - недостаточная эффективность процесса передачи тепла, генерируемого при сжигании топлива, рабочему агенту (воде, заполняющей водонаполненную полость).

Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в повышении полноты использования тепла, генерируемого при сжигании топлива.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении высокого КПД установки, увеличении ее тепловой мощности (паропроизводительности) при минимизации ее габаритов.

Для решения поставленной задачи теплогенерирующая установка, содержащая топку, дожигательную камеру, продольная ось которой ориентирована вертикально, теплообменную камеру, включающую водонаполненную полость, поверхность нагрева которой установлена с возможностью взаимодействия газообразных продуктов сгорания, и дымоход, связанный с дымовой трубой, отличается тем, что дожигательная камера размещена в полости теплообменной камеры соосно с ее продольной осью, с зазором по отношению к вертикальным стенкам теплообменной камеры, выполненным в виде водонаполненного кожуха, при этом верхний торец теплообменной камеры выполнен в виде парогенерирующей емкости, полость которой сообщена с полостью водонаполненного кожуха, кроме того, в зазоре между дожигательной камерой и вертикальными стенками теплообменной камеры размещены по меньшей мере в два яруса вертикальные водогрейные трубы, сообщающиеся своими верхними и нижними патрубками с полостями водонаполненных элементов теплообменной камеры, причем верхние патрубки нижележащего яруса вертикальных водогрейных труб расположены выше нижних патрубков вышележащего яруса вертикальных водогрейных труб, а водоприемное отверстие полости водонаполненного кожуха размещено на уровне нижнего яруса вертикальных водогрейных труб. Кроме того, верхние патрубки самого верхнего яруса вертикальных водогрейных труб связаны с полостью парогенерирующей емкости. Кроме того, нижняя поверхность парогенерирующей емкости выполнена в виде поверхности вращения, выпуклой вниз. Кроме того, в полости парогенерирующей емкости, выше ее дна, размещена мембрана, выполненная в виде конической поверхности, выпуклой вниз и снабженной радиальными гофрами. Кроме того, дно парогенерирующей емкости и дно мембраны снабжены трубками для удаления примесей. Кроме того, водоприемное отверстие полости водонаполненного кожуха размещено не выше уровня нижних патрубков нижнего яруса вертикальных водогрейных труб.

Сопоставление признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «...дожигательная камера размещена в полости теплообменной камеры соосно с ее продольной осью, с зазором по отношению к вертикальным стенкам теплообменной камеры» обеспечивает возможность рациональной организации движения газов в теплообменной камере: сверху вниз, при контактировании наиболее разогретых дымовых газов с наиболее разогретыми объемами рабочего агента и, по мере движения газов вниз, контактировании остывающих газов соответственно с менее разогретыми объемами рабочего агента.

Признак, указывающий на выполнение «...теплообменной камеры в виде водонаполненного кожуха» обеспечивает возможность продолжительного контакта дымовых газов со стенками теплообменной камеры и, соответственно, с находящимися за ними объемами рабочего агента.

Признаки «...верхний торец теплообменной камеры выполнен в виде парогенерирующей емкости» обеспечивают привязку наиболее разогретых объемов рабочего агента к участку теплообменной камеры, подвергающемуся наиболее мощному термическому потоку, что снижает энергоемкость процесса теплогенерирования.

Признаки, указывающие на связь полости парогенерирующей емкости с полостью водонаполненного кожуха, обеспечивают подпитку объема рабочего агента (воды), находящегося в полости парогенерирующей емкости, по мере его испарения. Причем подпитка ведется уже разогретым рабочим агентом, температура которого соответствует температуре рабочего агента, уже имеющегося в парогенерирующей емкости, что исключает изменение режима генерирования пара при восполнении объема рабочего агента.

Признаки «...в зазоре между дожигательной камерой и вертикальными стенками теплообменной камеры размещены по меньшей мере в два яруса вертикальные водогрейные трубы, сообщающиеся своими верхними и нижними патрубками с полостями водонаполненных элементов теплообменной камеры, причем верхние патрубки нижележащего яруса вертикальных водогрейных труб расположены выше нижних патрубков вышележащего яруса вертикальных водогрейных труб, обеспечивают увеличение удельной тепловоспринимающей поверхности теплообменной камеры. При этом заявленное размещение водогрейных труб обеспечивает формирование в объеме водонаполненного кожуха нескольких зон циркуляции воды (рабочего агента), размещенных на нескольких уровнях по его высоте, причем температура воды в этих зонах увеличивается от нижней к верхней, при этом обеспечивается обмен рабочего агента между соседними зонами таким образом, что вышележащая зона принимает воду из соседней - нижележащей и отдает в соседнюю вышележащую. Таким образом, ввод в самую нижнюю зону (ярус) подпиточной воды сказывается на температуре воды только в этой зоне, при этом вода из нее попадает в соседнюю вышележащую зону уже прогретой.

Признаки «...водоприемное отверстие полости водонаполненного кожуха размещено на уровне нижнего яруса вертикальных водогрейных труб» обеспечивает ввод питательной воды в самую «холодную» зону теплообменной камеры.

Признаки второго пункта формулы изобретения раскрывают оптимальный вариант выполнения верхнего яруса водогрейных труб.

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают аккумуляцию неплавучих примесей и облегчают их удаление.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения уменьшает выброс воды вместе с паром в систему транспортирования и распределения пара.

Признаки пятого пункта формулы изобретения обеспечивают аккумуляцию плавучих примесей и облегчают их удаление.

Признаки шестого пункта формулы изобретения обеспечивают повышение интенсивности циркуляции воды в пределах нижнего яруса вертикальных водогрейных труб.

На чертеже показан вертикальный разрез теплогенерирующей установки.

На чертеже показаны топка 1, с питателем (узлом подачи) топлива 2, дожигательная камера 3, размещенная в полости 4 теплообменной камеры, дымоход 5, связанный с дымовой трубой 6, вертикальные стенки 7 теплообменной камеры, водонаполненный кожух 8, верхний торец 9 теплообменной камеры, парогенерирующая емкость 10, полость которой сообщена с полостью водонаполненного кожуха 8, зазор 11 между дожигательной камерой 3 и вертикальными стенками 7 теплообменной камеры, ярусы 12 вертикальных водогрейных труб 13, сообщающиеся своими верхними 14 и нижними 15 патрубками с полостями водонаполненных элементов теплообменной камеры, мембрана 16, трубки 17 и 18 для удаления примесей, водоприемное отверстие 19 полости водонаполненного кожуха.

Дожигательная камера 3 размещена в полости 4 теплообменной камеры соосно с ее продольной осью 20, при этом продольная ось дожигательной камеры 3 ориентирована вертикально.

В качестве питателя 2 использован узел подачи пылеугольного топлива - топлива известной конструкции. При использовании кускового топлива в конструкции топки соответственно изменяется питатель, и часть ее нижнего объема оформляется как поддувало, отделенное от остального объема колосниками.

Верхние патрубки 14 нижележащего яруса вертикальных водогрейных труб 13 расположены выше нижних патрубков 15 вышележащего яруса вертикальных водогрейных труб, а водоприемное отверстие 19 полости водонаполненного кожуха 8 размещено на уровне нижнего яруса 12 вертикальных водогрейных труб 13 (не выше уровня нижних патрубков 15). Кроме того, верхние патрубки самого верхнего яруса вертикальных водогрейных труб могут быть непосредственно связаны с полостью парогенерирующей емкости 10. Нижняя поверхность 21 парогенерирующей емкости 10 выполнена в виде поверхности вращения, выпуклой вниз. Мембрана 16 размещена в полости парогенерирующей емкости, выше ее дна. Она выполнена в виде конической поверхности, выпуклой вниз, и снабжена радиальными гофрами 22. Зольник 23 выполнен на нижнем конце дожигательной камеры, ниже уровня топки. Внешняя поверхность устройства снабжена покрытием 24 из термостойкого теплоизоляционного материала, например на основе асбеста, минеральной ваты и т.п., если отвод тепла в помещение, где расположена печь, не предусмотрен. Материалом для изготовления устройства служит термостойкая сталь. Наиболее предпочтительным материалом для изготовления дожигательного канала будет керамика на основе шамота. Стенки топки выполнены из термостойкого материала, например шамотного кирпича. Установка снабжается комплектом известной контрольно-измерительной аппаратуры (не показан), обеспечивающим контроль над параметрами работы установки (уровнем рабочего агента, температурой, давлением пара и т.п.).

Заявленное устройство работает следующим образом.

При сжигании топлива идет разогрев стенок топки и других элементов печи, выполненных из термостойкого материала. Горение топлива поддерживается кислородом воздуха, поступающим через колосники, отделяющие топку от поддувала.

Нагретые в топке газы (СО, метан, пылевидные несгоревшие частицы топлива и т.п.) - продукты газифицирования и возгонки твердого топлива и летучие мелкие частицы нагреваются и, так как в топке нет отвода тепла, «всплывают» в ее верхнюю часть и попадают в нижнюю зону камеры дожигания, где вступают во взаимодействие с кислородом воздуха, поступающим через зольник 23 с дополнительным воздухом (стенки дожигательной камеры, разогретые горячими газами, отдавая часть своего тепла дополнительному воздуху, обеспечивают его подогрев до вступления этого воздуха в контакт с газами и другими продуктами газифицирования и возгонки твердого топлива). Реакция взаимодействия воздуха с газами и другими продуктами газифицирования и возгонки твердого топлива идет с выделением тепла, поэтому продукты сгорания топочных газов не остывают и стремятся к верхнему концу камеры дожигания. При прохождении газов через камеру дожигания их температура поднимается более 1000°С. При этом сгорают все возможные горючие частицы и газы, не образуя копоти на стенках камеры, что способствует лучшему теплообмену. Всплывающие раскаленные газообразные продукты сгорания взаимодействуют с днищем парогенерирующей емкости и, отдав ей часть тепла, опускаются вниз, последовательно контактируя (по мере своего остывания) с менее разогретыми объемами рабочего агента, находящегося за стенками водонаполненного кожуха, и так стекают к дымоходу 5, откуда попадают в дымовую трубу 6. По мере этого движения дымовые газы остывают до температуры, не превышающей 150°С. На выходе дымовой трубы 6 газы бесцветны, не содержат частиц копоти и дыма.

При стекании дымовых газов по зазору между дожигательной камерой и вертикальными стенками теплообменной камеры они последовательно взаимодействуют с ярусами 12 вертикальных водогрейных труб, прогревая находящуюся и циркулирующую в них воду. При этом в каждую водогрейную трубу через нижний патрубок из водонаполненного кожуха 8 поступает вода с температурой, минимальной для данного яруса, а через верхние патрубки в водонаполненный кожух 8 возвращается вода с температурой, максимальной для данного яруса, а поскольку верхние патрубки нижележащего яруса вертикальных водогрейных труб расположены выше нижних патрубков вышележащего яруса вертикальных водогрейных труб, обеспечивается зонирование по температуре объема воды (рабочего агента), размещенного в пространстве водонаполненного кожуха 8 (при этом температура увеличивается снизу вверх, т.е. температура в соседней вышележащей зоне всегда выше, чем в нижележащей). Иначе говоря, обеспечивается формирование в объеме водонаполненного кожуха 8 нескольких зон циркуляции воды (рабочего агента), размещенных на нескольких уровнях по его высоте, причем температура воды в этих зонах увеличивается от нижней к верхней, при этом обеспечивается обмен рабочего агента между соседними зонами таким образом, что вышележащая зона принимает воду из соседней - нижележащей и отдает в соседнюю вышележащую. Таким образом, ввод в самую нижнюю зону (ярус) подпиточной воды сказывается на температуре воды только в этой зоне, при этом вода из нее попадает в соседнюю вышележащую зону уже прогретой.

При работе котла на пониженном давлении, когда процесс кипения является значительно более бурным, вынос воды (рабочего агента) в систему транспортирования и распределения пара исключается мембраной 16, которая размещена в полости парогенерирующей емкости. По мере того как пузырьки пара всплывают сквозь слой воды и достигают поверхности мембраны, они окончательно затормаживаются ею, сталкиваются и объединяются друг с другом в более крупные пузыри, которые «всплывают» у краев мембраны. При этом взрыв пузырька пара ведет к разрушению пленки воды, окружающей пар, но отношение объема пленки к объему парового пузыря у крупных пузырей меньше, чем у мелких, поэтому вынос воды с паром уменьшается.

Нижняя часть парогенерирующей емкости 10 выполнена в виде конуса или полусферы, в которой накапливается солевой осадок. Солевой осадок периодически сбрасывается через трубку 17. Через трубку 18 периодически сбрасываются плавучие примеси, накапливающиеся над мембраной.

Изобретение предназначено для генерирования пара и может быть использовано в энергетике. Установка содержит топку, дожигательную камеру и теплообменную камеру, включающую водонаполненную полость. Дожигательная камера размещена в полости теплообменной камеры соосно с ее продольной осью, с зазором по отношению к вертикальным стенкам теплообменной камеры, выполненным в виде водонаполненного кожуха. Верхний торец теплообменной камеры выполнен в виде парогенерирующей емкости, полость которой сообщена с полостью водонаполненного кожуха. В зазоре между дожигательной камерой и вертикальными стенками теплообменной камеры размещены по меньшей мере, в два яруса вертикальные водогрейные трубы, сообщающиеся своими верхними и нижними патрубками с полостями водонаполненных элементов теплообменной камеры, причем верхние патрубки нижележащего яруса вертикальных водогрейных труб расположены выше нижних патрубков вышележащего яруса вертикальных водогрейных труб, а водоприемное отверстие полости водонаполненного кожуха размещено на уровне нижнего яруса вертикальных водогрейных труб. Изобретение обеспечивает повышении полноты использования тепла, генерируемого при сжигании топлива. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплогенерирующая установка, содержащая топку, дожигательную камеру, продольная ось которой ориентирована вертикально, теплообменную камеру, включающую водонаполненную полость, поверхность нагрева которой установлена с возможностью взаимодействия газообразных продуктов сгорания, и дымоход, связанный с дымовой трубой, отличающаяся тем, что дожигательная камера размещена в полости теплообменной камеры соосно с ее продольной осью, с зазором по отношению к вертикальным стенкам теплообменной камеры, выполненным в виде водонаполненного кожуха, при этом верхний торец теплообменной камеры выполнен в виде парогенерирующей емкости, полость которой сообщена с полостью водонаполненного кожуха, кроме того, в зазоре между дожигательной камерой и вертикальными стенками теплообменной камеры размещены, по меньшей мере, в два яруса вертикальные водогрейные трубы, сообщающиеся своими верхними и нижними патрубками с полостями водонаполненных элементов теплообменной камеры, причем верхние патрубки нижележащего яруса вертикальных водогрейных труб расположены выше нижних патрубков вышележащего яруса вертикальных водогрейных труб, а водоприемное отверстие полости водонаполненного кожуха размещено на уровне нижнего яруса вертикальных водогрейных труб.2. Теплогенерирующая установка по п.1, отличающаяся тем, что верхние патрубки самого верхнего яруса вертикальных водогрейных труб связаны с полостью парогенерирующей емкости.3. Теплогенерирующая установка по п.1, отличающаяся тем, что нижняя поверхность парогенерирующей емкости выполнена в виде поверхности вращения, выпуклой вниз.4. Теплогенерирующая установка по п.1, отличающаяся тем, что в полости парогенерирующей емкости, выше ее дна, размещена мембрана, выполненная в виде конической поверхности, выпуклой вниз и снабженной радиальными гофрами.5. Теплогенерирующая установка по п.1, отличающаяся тем, что дно парогенерирующей емкости и дно мембраны снабжены трубками для удаления примесей.6. Теплогенерирующая установка по п.1, отличающаяся тем, что водоприемное отверстие полости водонаполненного кожуха размещено не выше уровня нижних патрубков нижнего яруса вертикальных водогрейных труб.