CS197610B1 - High-grade fuel combusting device - Google Patents

Description

(54) Zařízení ke spalování ušlechtilých paliv

Vynález se týká zařízení ke spalování ušlechtilých paliv к zahřívání kapalného nebo plynného média převážně bezplamenným nekatalytickým spalováním palivové směsi v plynopropustné náplni radiační hmoty. Pojmem „ušlechtilá paliva“ se rozumějí plyny a tekutá paliva. Vynález je určen к použití u zařízení (kotlů), u nichž se využívá tohoto druhu spalování к tomu, aby se teplo, vyvinuté spalováním, předalo převážně sáláním teplosměnným plochám, jež je předávají zahřívanému médiu, stýkajícímu se bezprostředně s těmito teplosměnnými plochami.

Zařízení podle vynálezu je určeno především . к zahřívání kapalin, ale při vhodné úpravě jej lze použít též к zahřívání plynů.

Zařízením к bezplamennému nekatalytickému spalování ušlechtilých paliv je již známa celá řada a vynález se netýká bezplamenného spalování jako takového. Rovněž ták jsou již známy radiační kotle, pracující převážně sáláním (radiací). Známá zařízení mají však určité nedostatky a je právě účelem vynálezu vytvořit takové zařízení, které by pomáhalo tyto nedostatky odstranit.

Je znám kotel, obsahující spalovací komoru, v níž hoří směs plynu a ^ vzduchu, která je na jedné· straně uzavřena slinutou, deskou, opatřenou soustavou rovnoběžných kanálků. Pó počátečním nažhavení jedné strany desky se spalovací reakce vtlačí do tělesa' desky, jejíž teplota se tím prudce zvýší. I když še u tohoto kotle dosáhne velmi vysoké teploty, která splňuje předpoklad sálavého předávání tepla, nejde tu v pravém slova smyslu o radiační kotel, protože se sáláním předá jen poměrně malá, část tepla, neboť prostor za deskou je prázdný a hořké zplodiny spalování se odvádějí tímto prostorem к dalšímu použití, aniž vydaly sáláním své teplo.

Dále jsou známy četné kotle, využívající bezplamenného spalování, u nichž je upraven rošt a nad ním spalovací komora, uzavřená nahoře dalším roštem, například trubkovým, který nese náplň keramické hmoty. Hořící plynná směs se ze spalovací komory vede₄ roštem do keramické náplně, kde se její spalování dokončí. Ani tyto kotle nejsou radiačními kotly v pravém slova smyslu, protože se sáláním předá pouze část tepla, kdežto další jeho značná část še předává zahřívanému prostředí konvekcí v té části zařízení, jež je napojéna za reakční komorou kotle. V praxi se ukázalo, že radiační kotle, vybavené spalovací komorou, mají poměrně'nízkou účinnost.

Dále je znám kotel, u něhož se směs plynu se vzduchem zavádí nezapálená a nepředehrátá do plynopropustné náplně radiační hmoty rychlostí převyšující rychlost šíření plamene, kterážto hmota se při vysokých teplotách uvede do stavu, v němž vyzařuje prakticky celou tepelnou energii, uvolněnou na Jejím povrchu sáláním na teplosměnné plochy. Tento kotel se vyznačuje velmi vysokou účinností, protože spalovací reakce nastává v · poměrně^: úzkém pásmu radiační hmoty, z. něhož prakticky veškerá tepelná energie vyzáří sáláním, ' takže za tímto pásmem jsou spaliny již značně ochlazeny a ' není třeba· žádných dalších dochlazovacícli · teplosměnných ploch, jako je tomu u dříve popisovaných · · kotlů.

Radiační kotle jsou určeny převážně pro plně nebo alespoň částečně automatický provoz, například pro vytápění rodinných domů, domovních bloků, občanské výstavby apod., kde kotel není pod stálým dohledem. Jednou ze základních podmínek je tedy co největší jistota proti havárii · kotle v důsledku selhání · některého pomocného zařízení, například při porršší v dodávce plynu, výpadku elektrického proudu, selhání kapalinového čerpadla atd. Nejnebezpečnější z těchto havarijních stavů je krátkodobá porucha dodávky plynu, při níž by hoření směsi v kotli na · čas ustalo, načež po obnovení · dodávky plynu by se nezapálený plyn hromadil v kotli a mohlo by dojít k výbuchu.

. Obdobné nebezpečí by · mohlo nastat i tehdy, kdyby plynná směs hořela jen v části aktivního průřezu kotle, takže by se v ostatní části mohl nahromadit _: nezapálený plyn, · který by mohl ohrozit bezpečnost kotle.

Je tedy nutno · zabezpečit kotel proti těmto havarijním stavům a především · proti nebezpečí, vznikajícímu při poruše v dodávce plynu anebo · výpadku proudu. Takového zajištění lze docílit tím, že ve spalovací komoře, v níž hoří plyn · před- vstupem do · kotle, · se · upraví · čidla reagující na otevřený plamen, v jejichž proudovém · obvodu je vřazen ventil, který při zhasnutí plamene nebo výpadku proudu uzavře přívod plynu. Tato · čidla jsou sama o sobě známá a netvoří součást tohoto . vynálezu.

Těchto čidel by však bylo možno použít jen u těch · kotlů, · u nichž je před roštem zařazena spalovací komora. U kotle, v · němž se do náplně,· spočívající na roštu, přivádí směs nezapálená, těchto čidel použít nelze. Kdyby se u těchto kotlů mělá tato · čidla · upravit, musela by · se směs ještě· před . · vstupem do. · .. náplně zapálit, ale tím by tento kotel klesl · na úroveň * dříve známých kotlů · se spalovací komorou, které mají menší · ' účinnost.. · Bez tohoto opatření však kotel neposkytuje požadovanou bezpečnost proti výbuchu. Jde tu tedy · o · dva zcela protichůdné požadavky.

Úkolem vynálezu je · ·vytvořit takový · soubor opatření, aby oběma těmto požadavkům bylo vyhověno, tj.·, · aby kotel, u něhož · je vynálezu použito, měl · jednak velmi vysokou účinnost, a jednak aby byl bezpečný, proti výbuchu nebo jiné havárii. .

Vynález vychází ze známého zařízení, u něhož se používá bezplamenného nekatalytlckého spa- . lování hořlavé směsi na povrchu zrn keramice ké · radiační hmoty. · U Jkotle;, · na · nějž · se vynález vztahuje, · jsou teplosměnné plochy uspořádány jednak na obvodě náplně · radiační hmoty a jednak procházejí vnitřkem náplně a jsou ve styku s ohřívaným · médiem, · jímž může být jak kapalina, tak plyn.

Výše bylo uvedeno,· že vynález se vztahuje na spalování · jak plynných, tak i tekutých paliv. Tekutá paliva je však nutno nejprve přeměnit v páry, · aby mohla být dále zpracována podobně jako plyn. V dalším popise bude tedy používáno výrazu „plynné palivo“, · ale tento výraz nutno interpretovat tak, že še vztahuje nejen· · na vlastní plynné · palivo, ale také · na kapalné palivo, převedené v páru.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že zařízení je opatřeno · zapalovací a indikační mezerou, připojenou · k přívodu palivové směsi a opatřenou · alespoň · jedním · čidlem, reagujícím na otevřený · · plaméň.-v · mezeře, jež · je na · · ' spodu ohraničena volnou horní hladinou náplně radiační hmoty, jíž procházejí teplosměnné trubkové články, protékané zahřívaným médiem, jejichž teplosměnňý povrch je v dolní části náplně větší než v horní částí náplně.

Ve výhodném provedení obsahuje zařízení spojitý obvodový plášť, tvořený alespoň částečně trubkami, jejichž osy jsou rovnoběžné se směrem proudění plynné směsi v plášti, v němž jo uložena náplň radiační · hmoty a jehož horní kryt tvoří horní ohraničení zapalovací a indikační mezery, přičemž alespoň některé · trubkové články jsou tvořeny základním dílem, rozvětvujícím se v dolní části náplně radiační hmoty alespoň ve dvě větve, jejichž spodní konce jsou napojeny na společný sběrač.

Náplň radiační hmoty sestává · účelně ze dvou nebo více vrstev · granulometricky ·anebo kvalitativně odlišných, přičemž v pásmu nejvyšších teplot je vrstva · tvořena materiálem · na · bázi korundu, kdežto v pásmech nižších teplot materiálem méně náročným.

Toto · opatření je velmi výhodné, protože změnou vzdálenosti · mezi teplosměnnými plochami, velikostí jejich povrchů a vedením provozního režimu kotle lze .fixovat výšku, popřípadě polohu pásma nejvyšších teplot do té vrstvy náplně, jež sestává z velmi kvalitního materiálu, zatímco · v pásmech méně namáhaných stačí méně hodnotný materiál.

Do zapalovací a indikační mezery nad volnou horní hladinou náplně radiační hmoty ústí soustava trubek, napojených na přívod palivové směsi.

Ke zvýšení bezpečnosti zařízení jsou trubky obvodového pláště a trubkové články, procházející náplní radiační hmoty napojeny na přívodní potrubí pro zahřívanou kapalinu, jež · je připojeno jednak na čerpadlo kapaliny a · jednak na bezpečnostní nádrž na · kapalinu, · · umístěnou nad zařízením, přičemž · potrubí vedoucí z bezpečnostní nádrže jsou napojena na vstup kapaliny do kotle a výstup kapaliny z něj. Do těchto potrubí jsou . vřazeny · uzavírající ventily, bud elektromagnetické nebo jiného typu.

Tímto uspořádáním · se dosáhne toho, · že při selhání přívodu kapaliny do kotle v důsledku výpadku elektrického proudu, kdy se zastaví čerpadlo, se samočinně zapojí na topný obvod .kotle · bezpečnostní nádrž, takže teplo akumulované · v radiační náplni · kotle se předává kapalině v · bezpečnostním okruhu, v němž kapalina proudí účinkem gravitace. ' · ' Při výpadku · proudu · se zároveň uzavře přívod · plynu,· · a to· tím, že· čidla, upravená v zapalovací a indikační mezeře, zůstanou bez proudu, na kterýžto stav reagují uzavřením plynového ventilu.

Trubky, jimiž proudí zahřívaná kapalina, jsou vystavený značným teplotám, především ve žhavém pásmu, v němž se přímo dotýkají vysoce rozžhavené radiační hmoty. Je proto nutné, aby byly dobře chlazeny. I když jimi proudí kapalina, mohlo by se stát,že by se vytvořil lamínární proud bublin páry podél stěny trubky, jejíž kondenzace by způsobovala rázy v kotli. Aby se tomu zabránilo, vkládají se podle dalšího význaku vynálezu do trubek šroubovité vodicí plochy, např. tvaru vrtulek nebo pod., jež zajišťují dokonalé omývání stěn kapalinou v trubkách a vyloučí tvorbu laminárního proudu.

Zařízení (kotel) podle vynálezu má četné výhody ve srovnání s dosud známými kotly. Tím, že se úpravou trubkových článků mění velikost teplosměnných ploch a též protočný průřez pro plyny po délce kotle a vhodnou volbou granulometrie a jakosti náplně radiační hmoty, lze ovládat přestupy tepla v kotli a dospět к optimálním hodnotám. Tím se také vysvětluje velmi vysoká účinnost kotle. Dále lze kotel uzpůsobit podle požadavků na teplotu spalin, a to podle jeho umístění bud na střeše budovy — pro kterýžto případ platí určité předpisy co do této teploty — nebo v kotelně nebo ve sklepních prostorách, kde opět je žádoucí vyšší teplota spalin. Na rozdíl od některých známých kotlů, které je nutno startovat ve dvou fázích, tj. nejprve nahřát keramiků na určitou teplotu a pak teprve spustit kotel na plný výkon, není u kotle podle vynálezu dvoufázové startování nutné, protože kotel lze spustit hned na plný výkon. Náběh kotle je rychlý a ve velmi krátké době se dosáhne plného výkonu.

Další velká výhoda vynálezu spočívá v tom, že kotel nemá* rošt, protože hořící směs vstupuje do náplně radiační hmoty shora na volnou horní plochu této náplně. Jak známo, je rošt poměrně choulostivou a poruchovou částí kotlů, jež jím jsou vybaveny, takže odstranění roštu je velmi výhodné.

Jde-li o zařízení, jež je určeno jen pro malé výkony, lze konstrukci zjednodušit tím, že trubkový článek, procházející náplní radiační hmoty, má podobu jednoduché trubky.

Při provozu kotle se ukázalo, že pracuje téměř bezhlučně, což je z hlediska ochrany životního prostředí další velká výhoda.

Na připojených výkresech je znázorněn příklad provedení zařízení podle vynálezu v podobě kotle pro vytápění místností, přičemž obr. 1 je schematický osový řez kotlem, obr. 2 je řez podle II—II z obr. 1, obr. 3 je řez kotlem rovinou III—III z obr. 1, obr. 4 je řez rovinou IV—IV z obr. 1 a obr. 5 znázorňuje zapojení kotle do topného systému.

Kotel obsahuje spojitý obvodový plášť, 1, tvořený trubkami 2, jejichž osy jsou rovnoběžné se měrem proudění plynné směsi. Trubky 2 se mohou navzájem přímo dotýkat, nebo mohou být mezi nimi spojnice 3, jimiž mohou být buď zvláštní části, nebo lze použít trubek, na nichž jsou tato boční křídla již přímo vytvořena. Do kotle ústí na jeho spodním konci vstup 4 chladné kapaliny a na jeho horním konci je upraven výstup 5 ohřáté kapaliny. Plást 1 kotle je nahoře uzavřen dvojitým víkem 6 a na spodním konci je upraveno síto 7, pod nímž je hrdlo 8 pro výstup spalin. Směs paliva se vzduchem se přivádí potrubím 9 do prostoru 10, který je indikační a zapalovací mezerou a leží pod dvojitým víkem 6.

V plášti 1 kotle jsou upraveny trubkové články, označené povšechně vztahovou značkou 11. Každý trubkový článek 11 sestává ze dvou dílů, a to základního dílu 12, který se rozvětvuje nejméně ve dvě větve 13, jejichž spodní konce jsou napojeny na společný vstup 4 chladné kapaliny, který přivádí také vodu do pláště 1. Základní díly 12 trubkových článků 11 jsou připojeny na sběrač 15, jenž vyúsťuje do společného výstupu 5, do něhož je vedena též voda z pláště 1.

Dvojdílné víko 6 sestává z vrchního krytu 1G a ze spodního krytu 17, který tvoří horní omezení zapalovací a indikační mezery 10. Hořlavá směs se přivádí do mezery 10 z potrubí 9 soustavou propojovacích trubek 18, které zároveň slouží к předehřívání směsi.

Vnitrní prostor pláště 1 je vyplněn náplní radiační hmoty 19, jež sestává účelně ze dvou event. více vrstev 20, 21, jež sestávají z materiálů, které jsou granulometricky anebo kvalitativně odlišné. Tak na příklad je v pásmu nejvyšších teplot použita vysoce kvalitní vrstva 20 z materiálů ná bázi korundu, kdežto méně kvalitní vrstva* 21 může být z materiálu méně náročného.

Zapalovací a indikační mezera 10 je tedy omezena nahoře spodním krytem 17 a dole volnou horní hladinou 22 radiační hmoty 20. Pojem „volná horní hladina“ značí, že směs vstupuje na tuto hladinu bez prostřednictví jakéhokoliv roštu.

Do mezery 10 ústí zapalovací orgán 23, jímž může být orgán к zapalování elektrickou jiskrou nebo pomocný plynový hořák apod., a na protilehlé straně jsou umístěna čidla 24, reagující na otevřený plamen.

Do vodního systému 25 celého zařízení je přímo u kotle vřazena bezpečnostní nádrž 26 (viz obr. 5). Tato nádrž je přes elektromagnetický ventil 27 napojena propojovacím potrubím 28 na výstup 5 ohřáté kapaliny a propojovacím potrubím 29 přes elektromagnetický ventil 30 zpět do vstupu 4 chladné kapaliny. Místo elektromagnetických ventilů lze však použít i ventilů jiného typu.

V systému 25 je zařazena předepsaná expanzní nádrž 31.

Kotel podle vynálezu pracuje takto:

Do kotle, zapojeného na systém 25 topného okruhu, se při zapáleném zapalovacím orgánu 23 zavede hořlavá směs, která še v mezeře 10 zapálí a tato hořící směs se zavádí na volnou horní hladinu 22 radiační hmoty 20. Při prostupu touto hmotou vzroste její rychlost a vytvoří se žhavé - pásmo radiační hmoty. Jak bylo již řečeno, leží toto pásmo ve vrstvě 20 kvalitního materiálu. V tomto pásmu se předá pře^ vážné množství tepla radiací teplosměnným · plochám. Při · dalším postupu náplní 19 teplota směsi klesá a ve vrstvě 21 radiační náplně je zbytek 'tepla předáván zvětšenému povrchu teplosměnných ploch, a zároveň se v důsledku odlišné granulometrie radiační hmoty · 21 zvýhodní přestup tepla. .

Toto zvětšení povrchu teplesměnných ploch je zřejmé z obr. 3 a 4. Obr. 3 je řez žhavým pásmem, · kde je počet trubek · · menší, kdežto obr. 4 je řez ve spodní části · náplně · 21, kde je počet trubek zvětšen.

Mezera · 10 je tvořena minimálním prostorem, který je nezbytně nutný k zapálení směsi a k indikaci plamene a nelze · ji v žádném případě pokládat za spalovací komoru, · protože rychlost proudící směsi je tak velká, že směs nestačí v této mezeře shořeť.

Do trubek jsou vloženy šroubové vodicí plochy, na příklad ve formě vrtulek 32, jež znemožňují vytvoření laminárního proúdu bublinek páry tím, · že promíchávají kapalinu proudící trubkou. Při výpadku · proudu se zároveň otevřou oba elektromagnetické · nebo jiné ventily · ·27, 30, takže se bezpečnostní nádrž 26 zapojí do okruhu kotle a . voda začne proudit gravitací tímto okruhem a přejímá akumulované teplo z radiační hmoty 19.

Claims (7)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Zařízení ke spalování ušlechillých paiiv · к zahřívání kapalného nebo plynného média převážně bezplamenným nekatalytickým spalování palivové směsi v plynopropustné náplni radiační hmoty vyznačené tím, že v zapalovací a indikační mezeře (10), do které ústí přívod (9) palivové směsi, je umístěno alespoň jedno idlo (24), reagující na otevřený plamen v mezeře (10), · · jež je na spodu ohraničena volnou horní hladinou (22 J náplně (19) radiační hmoty, v níž jsou umístěny teplosměnné trubkové články (11), obsahující zahřívané médium, jejichž teplosměnný povrch je v dolní části · náplně (191 větší než · v -horní části.
2. 2. · Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že obsahuje spojitý obvodový plášť · (1), tvořený alespoň částečně. trubkami (2), jejichž osy jsou rovnoběžné se směrem proudění plynné · směsi · v plášti (1), v němž je ulo. žena náplň (19) radiační hmoty a jehož hor^ ní kryt (17) tvoří · · horní ohraničení zapalovací a indikační mezery (10), přiemž alespoň · některé trubkové články · (11) jsou tvořeny základním dílem (12), rozvětvujícím se v dolní části náplně (19) radiační hmoty alespoň ve dvě větve (13), jejichž · spodní· konce jsou napojeny na společný sběrač (14).
3. 3. Zařízení podle bodů 1 a 2, vyznačené tím, že · náplň (19) radiační hmoty sestává · ze dvou nebo více vrstev (20,21) granulometricky anebo · kvalitativně odlišných, přičemž v pásmu nej vyšších teplot sestává · vrstva (20) z materiálu na bázi korudu, kdežto v pásmech nižších teplot z materiálu méně náročného.
4. 4. Zařízení podle bodu 1, vyznačené tím, že do zapalovací a indikační mezery (10) nad volnou horní hladinou · (22) náplně · (19) radiační · · hmoty ústí soustava · trubek (18), · napojených na · přívod (9) palivové směsi.
5. 5. Zařízení podle · bodů 1 a -2, vyznačené tím, že trubky (2) obvodového pláště (1) a trubkové články (11) procházející náplní (19) radiační hmoty, · jsou napojeny na’ vstup (4)· zahřívané kapaliny, jenž je připojen jednak na čerpadlo kapaliny a jednak na · bezpečnostní nádrž (26) · na kapalinu, umístěnou nad zařízením, · přičemž potrubí · (29,28), vedoucí z bezpečnostní nádrže (26) jsou napojena na vstup (4) kapaliny do kotle, resp. výstup (5) kapaliny z něj.
6. 6. Zařízení podle bodů 1 a 2, vyznačené tím, že v trubkách trubkových článků (11), ' · popřípadě i v trubkách (2J obvodového pláště (1) · jsou · vloženy šroubové vodicí plochy (32).
7. 7. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že pro malé výkony · má trubkový činek (11) podobu jednoduché trubky.