ВИХРЕВАЯ ТОПКА С ГАЗООТВОДЯЩИМ ОКНОМ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может использоваться в промышленных котлах и топочных устройствах, а именно в топках с вихревым сжиганием твердого топлива, в том числе лузги, опилок, измельченного угля и др.
Известна [патент РФ №КП 2228489 «Вихревая топка»] выбранная в качестве аналога полезной модели вихревая топка с газоотводящим окном, которое установлено в вертикальной стенке топки и выполнено в виде кольцевой кладки из огнеупорного кирпича, выступающей внутрь топки и образующей аэродинамический выступ. Топка ограничена топочными стенами и экранами, оснащена системами ввода топлива и соплами подачи дутья, которые формируют в топочном объеме вихревое течение. Частицы топлива отбрасываются к стенкам центробежной силой. Они удерживаются в вихре за счет пережима стенки топки на выходе потока до размеров газоотводящего окна, а также благодаря его аэродинамическому выступу, который выполнен из кирпича.
Недостатком данного устройства является низкая надежность конструкции. Кирпичи кладки стенки и особенно кольцевой кладки аэродинамического выступа из-за тяжелых условий работы и высокотемпературных напряжений быстро разрушаются. Конструкция из кирпичной кладки ненадежна и трудновыполнима, особенно для вихревой топки с вертикальной осью вихря, то есть с расположением газоотводящего окна сверху над вихревой топкой. Практически нельзя выполнить надежно работающее газоотводящее окно, особенно значительно выступающим в вихревую топку при расположении его сверху над вихревой топкой. Недостатком также является низкая эффективность и экономичность топочного процесса, так как нет дожигания продуктов неполного сгорания, и они покидают топку с большим недожогом.
Известна вихревая топка с газоотводящим окном, которое имеет расположенное в нем и направленное в топку кольцевое сопло дожигающего дутья с закручивающими лопатками, установленными на выходе из кольцевого зазора сопла. Вихревая топка ограничена топочными стенами и экранами, оснащена системой ввода топлива и соплами подачи дутья, которые формируют в топочном объеме вихревое течение. Газоотводящее окно установлено в стенке топки, в принципе оно такой же конструкции - выполнено в виде кольцевой кладки из огнеупорного кирпича. Эта более совершенная полезная модель [патент РФ №Ки 2230980 «Способ подачи дутья и топочное устройство (варианты)»] выбрана в качестве прототипа.
Сопло дожигающего дутья направлено в топку и благодаря закручивающим лопаткам, которые установлены на выходе из кольцевого зазора сопла, создает вихрь дожигающего дутья, движущийся встречно главному вихрю, который истекает из вихревой топки. Эти два вихря взаимодействуют в зоне перед, и собственно в газоотводящем окне, обеспечивают интенсивное перемешивание потоков, глубокое дожигание продуктов неполного сгорания. Отметим, что если кольцевой вихрь дожигающего дутья заглубляется в топочный объем, то он одновременно исполняет роль аэродинамического выступа, обеспечивает отбрасывание и удержание твердых частиц в вихревой топке. Поток дожигающего дутья позволяет организовать более эффективный и экономичный топочный процесс за счет дожигания продуктов неполного сгорания. Кроме того, внутренняя обечайка кольцевого сопла, по сути, образует контур газоотводящего окна, охлаждаемый воздухом.
Недостатком данного устройства является ненадежность конструкции. Кирпич кладки стенки и кладка газоотводящего окна из-за тяжелых условий работы и высокотемпературных напряжений быстро разрушаются. Конструкция из кирпичной кладки ненадежна и трудновыполнима для вихревой топки с вертикальной осью вихря, то есть с расположением газоотводящего окна над вихревой топкой. Кольцевое сопло дожигающего дутья также не увеличивает надежность конструкции, так как расположено только в глубине газоотводящего окна. Кольцевое сопло не может быть выполнено выступающим в топку из-за опасности выгорания от высокотемпературного воздействия раскаленной обмуровки, например, при отключении дутья.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является повышение надежности конструкции вихревой топки, и в частности ее газоотводящего окна.
В принципе, лучшими являются вихревые топки, которые обладают наиболее эффективным удержанием частиц в топочном объеме. Процессы удержания частиц за счет центробежных и гравитационных сил в вихревой топке аналогичны процессам улавливания частиц в циклоне. Соответственно, топки (и циклоны) с выдвинутым в объем камеры газоотводящим патрубком и вертикальной осью вихря более эффективны. В итоге, на основе данной аналогии конструкция вихревой топки должна иметь выступающее в топку, подверженное высокотемпературному воздействию топочной среды газоплотное газоотводящее окно со встречно направленным дожигающим дутьем и допускать возможность его верхнего расположения на потолке вихревой топки.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении надежности за счет применения охлаждаемой водой газоплотной конструкции выступающего в топку газоотводящего окна, подключенной к экранам топки - в том числе, и устанавливаемой на топочном экране, установленном над топкой горизонтально или с небольшим наклоном. Действительно, в котельно-топочной технике наиболее надежно работают только охлаждаемые водой конструкции. Например, топочные экраны и трубы и в какой-то мере охлаждаемые воздухом элементы - горелки и сопла, защищенные охлаждаемыми водой топочными экранами и трубами. Предлагается несколько вариантов исполнения и установки конструкции выступающего в топку газоотводящего окна.
Среди независимых и эквивалентных с позиции технического результата вариантов выделены следующие конструкции газоотводящего окна.
1. В вихревой топке газоотводящее окно, имеющее расположенное в нем и направленное в топку кольцевое сопло дожигающего дутья, предлагается выполнить, по крайней мере, из одного кольцевого коллектора, включенного в рассечку труб топочного экрана, образующего стену топки. При этом сопло дожигающего дутья выполнено выступающим в топку.
Дополнительно предлагается устанавливать эту конструкцию газоотводящего окна над топкой на расположенном горизонтально или с небольшим наклоном экране, то есть использовать ее в вихревой топке с вертикальной осью вращения.
2. В вихревой топке газоотводящее окно, имеющее расположенное в нем и направленное в топку кольцевое сопло дожигающего дутья, предлагается выполнить из пучка труб топочного экрана, отогнутых внутрь топки и вставленных в кольцевой коллектор.
Дополнительно предлагается устанавливать эту конструкцию газоотводящего окна над топкой на расположенном горизонтально или с небольшим наклоном экране, то есть использовать в вихревой топке с вертикальной осью вращения.
3. В вихревой топке газоотводящее окно, имеющее расположенное в нем и направленное в топку кольцевое сопло дожигающего дутья, предлагается выполнить в виде «беличьего колеса» из пучка труб, вставленных в кольцевые коллекторы, которые подключены к трубам топочного экрана, образующего стену топки, причем выступающим в топку.
Дополнительно предлагается устанавливать эту конструкцию газоотводящего окна над топкой на расположенном горизонтально или с небольшим наклоном экране, то есть использовать в вихревой топке с вертикальной осью вращения.
4. В вихревой топке газоотводящее окно, имеющее расположенное в нем и направленное в топку кольцевое сопло до жигающего дутья с закручивающими лопатками, установленными на выходе, предлагается выполнить выступающим в топку и состоящим из двух (правый и левый) пучков труб, образующих контур газоотводящего окна, вставленных в подводящие и отводящие коллекторы, которые подключены к трубам топочного экрана, образующего стену топки.
Дополнительно предлагается устанавливать эту конструкцию газоотводящего окна над топкой на расположенном горизонтально или с небольшим наклоном экране, то есть использовать в вихревой топке с вертикальной осью вращения.
Полезная модель схематично поясняется чертежами, фиг.1-9. Так как заявляемая полезная модель не касается принципов создания вихревого движения в вихревой топке, типично, это обеспечивается установкой сопел подачи первичного и вторичного дутья [патент РФ №Ки 2228489 «Вихревая топка»], здесь приведены преимущественно предлагаемые технические решения по ее газоотводящему окну. На фиг.1 и 2 в сечении А-А и на виде А показан первый вариант газоотводящего окна, причем для вихревой топки с вертикальной осью вращения вихря, выполненный из кольцевого коллектора, включенного в рассечку труб топкой на топочном экране, установленном над топкой горизонтально или с небольшим наклоном. При этом кольцевое сопло дожигающего дутья выполнено выступающим в топку и создает аэродинамический выступ. На фиг.3 и 4 в сечении Б-Б и на виде Б показан второй заявляемый вариант исполнения конструкции газоотводящего окна из пучка труб топочного экрана, отогнутых внутрь топки и вставленных в кольцевой коллектор, с созданием газоплотной конструкции за счет кольцевого сопла дожигающего дутья. На фиг.5 и 5 в сечении В-В и на виде B показан вариант исполнения конструкции газоотводящего окна в виде беличьего колеса. На фиг.7 и 8 в сечении Г-Г и на виде Г дан вариант исполнения газоотводящего окна из двух пучков труб, вставленных в подводящие и отводящие коллекторы, подключенные к топочному экрану, с иллюстрацией создания их газоплотности на рис.9.
На фиг.1 и 2 показан первый вариант газоотводящего окна. Газоотводящее окно 1 выполнено из кольцевого коллектора 2, включенного в рассечку труб 3 топочного экрана 4. Кольцевое сопло 5 газоплотное, оно образует собственно контур газоотводящего окна 1, и выполняется выступающим в объем вихревой топки 6. Кольцевое сопло 5 может иметь ряд закручивающих лопаток 7. На фиг.1 показан вариант установки газоотводящего окна 1 на топочном экране 4, установленном над вихревой топкой горизонтально или с небольшим наклоном.
Во втором из предложенных вариантов, фиг.3 и 4, газоотводящее окно 1 также выполнено из кольцевого коллектора 2, который включен в рассечку труб 3 топочного экрана 4. Он выдвинут в объем вихревой топки 6 и подключен к экрану 4 отогнутыми вовнутрь топки трубами 8. Собственно контур газоотводящего окна 1 образует газоплотное кольцевое сопло (закручивающие лопатки 7 не показаны). Кольцевое сопло защищено от высокотемпературного воздействия кольцевым коллектором 2 и отогнутыми внутрь топки трубами 8. Конкретно на рис.3 показана вихревая топка с горизонтальной осью вращения, конструкция располагается на боковом топочном экране.
Конструкция газоотводящего окна, фиг.5 и 6, соответствующая третьему варианту, выполнена в виде «беличьего колеса», образованного трубами 9, и установлена на вертикальном боковом топочном экране вихревой топки с горизонтальной осью вихря. Эти трубы 9 установлены между кольцевым коллектором 2, который выступает в топку, и дополнительным кольцевым коллектором 10, который включен в рассечку труб вертикального топочного экрана 4. Здесь и в варианте 2, фиг 3 и 4, собственно газоплотный контур газоотводящего окна может быть образован как кольцевым соплом 5, так и проваркой между трубами 8, 9 металлических полос 11, при этом кольцевое сопло 5 может выполняться коротким, рис.5.
Газоотводящее окно 1, соответствующее третьему варианту, выполнено из двух (правый и левый) пучков труб 12, вставленных в подводящие и отводящие коллекторы 13, которые подключены к трубам экрана 4, фиг.7 и 8. Газоплотность контура газоотводящего окна 1 создается проваркой между трубами 12 металлических полос 11 или установкой обмуровки и торкрет массы 14, фиг.9. Таким образом, создается выступающая в топочный объем 6 охлаждаемая водой, надежная в условиях высокотемпературного воздействия топочной среды конструкция газоплотного газоотводящего окна 1.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания надежной в условиях высокотемпературного воздействия топочной среды конструкции газоплотного газоотводящего окна 1, выступающей в топочный объем 6 в нескольких вариантах. Эти охлаждаемые водой конструкции газоотводящего окна 1 могут быть установлены в вихревых топках с горизонтальной и вертикальной осью вращения, соответственно на вертикальном топочном экране, фиг.3, 5, 7 и на установленном над вихревой топкой горизонтально или с небольшим наклоном экране, фиг.1.
При работе топливо благодаря высокой температуре и достаточной подаче дутья горит в топочном объеме вихревой топки 6, передавая тепло топочным экранам 4, а продукты сгорания с мелкими частицами устремляются в газоотводящее окно 1. При этом за счет тангенциальной подачи дутья (тангенциально, то есть не радиально - в направлении оси вихря, а по касательной к условной поверхности вихря) в топке формируется вихрь. В соответствии с законом сохранения момента количества движения вращение вихря резко ускоряется при сжатии перед газоотводящим окном 1. Соответственно, частицы отбрасываются на периферию, и этим удерживаются от выноса из топочного объема 6.
Мелкие частицы выносятся, создавая недожог, удержание частиц топлива в топке повышает ее экономичность. Работа во всех рассматриваемых вариантах в принципе одинакова, но в топках с вертикальной осью сепарация частиц дополнительно усиливается за счет сил гравитации. Выжигание горючих из уносимых частиц и экономичность также улучшаются при подаче дожигающего дутья через кольцевое сопло 5.
Сепарация частиц усиливается благодаря заглублению газоотводящего окна 1 в топочный объем 6 или заглублению кольцевого сопла 5 с подачей в него дожигающего дутья, поток которого играет роль дополнительного удлинения аэродинамического выступа. Эффект дожигающего дутья возрастает при его закрутке завихрителем - закручивающими лопатками 7.
Наиболее важным является факт высокотемпературного воздействия топочной среды на газоотводящее окно. Надежная работа газоотводящего окна 1 обеспечена предлагаемыми охлаждаемыми конструкциями, которые образованы коллекторами 2, 10 и трубами 3, 8, 9 и 12 и включены через трубы 3 в контуры циркуляции охлаждающей воды. Газоплотность газоотводящего окна 1 создается кольцевым соплом 5, фиг.1 и 3, или проваркой между трубами 8, 9 и 12 металлических полос 11 и установкой между этими трубами обмуровки и торкрет массы 14, фиг.9. Газоплотность обеспечивает прохождение и обработку всего потока продуктов сгорания дожигающим дутьем. Газоотводящее окно 1 выступает в топочный объем 6, обеспечивая эффективное удержание частиц в топке.