ГОРЕЛКА НА ДРЕВЕСНОМ ГРАНУЛИРОВАННОМ ТОПЛИВЕ
BURNER ON WOOD GRANULATED FUEL

Изобретение относится преимущественно к области бытовых отопительных приборов, может быть использовано в фермерских хозяйствах, а также в промышленных установках для перевода котельных установок на другой вид топлива - древесные пеллеты.
Заявленное техническое решение возможно использовать в любых видах котельных установок, печах, котлах, иных отопительных устройствах, использующих в качестве топлива природный газ, мазут, солярку, древесину, уголь, древесные отходы и.т.д., посредством замены горелки, например газовой, на заявленную. Заявленная конструкция горелки также может быть использована как самостоятельное нагревающее устройство для прямого обогрева воздуха в производственных и бытовых помещениях, без наличия, собственно, топки, т.к. процесс горения происходит собственно в корпусе горелки и вихревой камере, в которой дожигаются не сгоревшие частицы топлива при избытке воздуха, что практически сводит к минимуму выделение экологически вредных продуктов сгорания топлива. С помощью заявленной горелки при необходимости имеется возможность обогрева помещений посредством непрямого нагрева воздуха (или иного теплоносителя), посредством нагрева продуктами сгорания соответствующего теплоносителя.
Известна конструкция циклонного предтопка, патент РФ №2196273, предназначенного для сжигания отходов переработки древесной биомассы, содержащего циклонную камеру, камеру дожигания крупных фракций топлива, колосниковую решетку, тангенциальные сопла ввода потока и выходной патрубок, отличающийся тем, что камера дожигания смонтирована под циклонной камерой, причем эти камеры разделены между собой пережимом с буртиком, колосниковая решетка выполнена конической и расположена в камере дожигания, а выходной патрубок размещен на боковой поверхности камеры дожигания.
Недостатком конструкции является отсутствие возможности регулирования объема вторичного (подогретого) воздуха к горелке, что сказывается как на качестве сгорания топлива, теплотворной способности сжигаемого топлива, так и на полноте сгорания топлива, при повышенной влажности пеллет, низкой температуре подаваемого воздуха, высокой влажности воздуха не создаются оптимальные условия для полного сгорания топлива, в результате этого образуется сажа, остаются элементы недогоревшего топлива в зольнике в виде золы, что приводит к снижению КПД горелки, кроме этого часть топливных гранул(при увеличения расхода топлива в автоматическом, либо ручном режиме) уносится воздушным потоком в трубу и далее в атмосферу, что также способствует снижению КПД горелки и увеличивает пожароопастность котла.
Кроме этого у известной конструкции отсутствует универсальность, т.е. известный котел невозможно использовать в качестве мобильной передвижной установки, при наличии необходимости подачи тепла к различным потребителям, например, для нагрева воды, приготовления пищи, в том числе и для скота на фермерских хозяйствах, использование устройства для обогрева производственных и бытовых помещений.
Известна конструкция топки водяного котла, патент РФ №2099925, МПК F23C 5/32. Используется для сжигания топлива в газомазутных водогрейных котлах, содержит призматическую камеру сгорания с горелками, которые выполнены вихревыми с одинаковым направлением вращения воздуха, расположены по одной на фронтальных и боковых стенах.
Недостатком конструкции является невозможность сжигания твердых видов топлива, сложность конструкции, высокая материалоемкость и, как следствие, стоимость установки, низкая ремонтопригодность, отсутствие универсальности, т.е. невозможность использования устройства в качестве мобильной установки.
Известен способ и устройство для сжигания топлива, заявка РФ №92014434, МПК 6 F23B 1/36, F23C 5/24, F23C 5/32, F23C 6/04, F23C 11/02, в устройстве, содержащем расположенные соосно и включенные последовательно форкамеру с завихрителем и устройством подачи топлива в камеру сгорания, каналы, соединяющие завихрители с источником воздуха, выпускной канал, расположенный на выходе камеры сгорания, соединенный с газоходом и выполненный в виде раскруточного диффузора, установленного соосно камере сгорания, завихритель камеры сгорания выполнен лопаточным и установлен в выходном сечении форкамеры между ее внешней поверхностью и внутренней поверхностью камеры сгорания, каналы для подвода воздуха в форкамеру и камеру сгорания выполнены раздельными и в каждом установлена регулирующая форсунка.
Недостатком устройства является сложность конструкции, высокая материалоемкость и, как следствие, стоимость установки, низкая ремонтопригодность, отсутствие универсальности, т.е. невозможность использования устройства в качестве мобильной установки.
Наиболее близким техническим решением к заявленному по совокупности совпадающих признаков и достигаемому техническому результату, выбранному в качестве прототипа, является конструкция по патенту РФ №2228489 Вихревая топка.
Изобретение используется в промышленных и энергетических котлах, сжигающих лузгу, измельченные растительные, горючие и древесные отходы или твердое топливо. Вихревая топка содержит, по крайней мере, одну экранированную вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое обрамлено направленным в сторону вихревой камеры сгорания аэродинамическим выступом с размером 100-200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2-6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1,4-5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пола, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30-45° и ориентированны под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25-2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8-0,5, а также газовую горелку. Вихревая топка может содержать две вихревые камеры сгорания и расположенную между ними камеру дожигания. Газовая горелка располагается в вихревой камере сгорания или в камере дожигания и наклонена к полу вихревой камеры сгорания.
При этом известное техническое решение имеет ряд недостатков:
- в силу своего функционального назначения может использоваться только в промышленных и энергетических котлах, что ограничивает его применение для бытовых отопительных приборов, и не может быть использовано в фермерских хозяйствах в качестве мобильного устройства,
- не технологична в сборке и эксплуатации и, как следствие, обладает высокой стоимостью мантажных, пусконаладочных работ,
- обладает низкой ремонтопригодностью, вследствие своего предназначения и конструктивных особенностей может быть использовано только в промышленных условиях для котлов большой мощности,
- обладает низкими показателями КПД в силу своих конструктивных особенностей - высокой материалоемкости, высоких массогабаритных параметров и отсутствия пиролизной камеры (которая способствует повышению КПД установки в целом),
- не может использоваться в качестве мобильной установки вследствие своего предназначения и необходимости применения специальных огнеупорных материалов.
Заявленное техническое решение направлено на устранение вышеназванных недостатков горелки и позволяет обеспечить реализацию следующих целей:
- повысить КПД горелки,
- уменьшить объем вредных выбросов в атмосферу, в том числе и сернистых соединений за счет обеспечения оптимальных условий для горения топлива, а именно возможности плавного регулирования подачи топлива и воздуха, обеспечения гибкого распределения потоков первичного и вторичного воздуха при подаче их в пиролизную камеру,
- снизить материалоемкость горелки, за счет конструктивных особенностей выполнения как отдельных элементов конструкции, так и их взаимного расположения и взаимодействия, обеспечивающих достижение заявленных результатов (целей),
- снижению стоимости горелки за счет оптимальной компоновки конструктивных элементов и применения жаро и химически стойких материалов горелки,
- повысить ремонтопригодности горелки за счет обеспечения возможности быстрого демонтажа элементов конструкции горелки, выпуска и поставки в комплекте с горелкой быстро изнашиваемых оригинальных запасных частей,
- обеспечить мобильность установки (монтаж, демонтаж горелки) за счет создания горелки, характеризующейся малым весом и в следствие этого обладающей возможностью быстрой передислокации горелки силами одного человека.
Реализация заявленных целей осуществляется за счет того, что горелка на древесном гранулированном топливе, содержащая корпус, бункер, вентилятор, сопла дутья, камеру сгорания и камеру дожигания, характеризуется тем, что содержит трубу-дозатор для подачи топлива в горелку, в корпусе горелки размещен шток с возможностью осевого перемещения и фиксации для регулирования расхода топлива, в штоке соосно установлен резьбовой стержень с конусным клапаном с возможностью плавного регулирования подачи первичного и вторичного воздуха в горелку посредством вентилятора, обеспечивающего подачу воздуха в бункер и горелку, при этом перед камерой сгорания и дожигания размещена пиролизная камера, а камеры сгорания и дожигания топлива размещены последовательно и представляют собой собственно сопло горелки, соединенное по касательной с вихревой камерой сгорания, выполненной в виде полой цилиндрической обечайки, заглушенной в нижней части и зауженной в верхней части, с возможностью обеспечения вращательного движения продуктов сгорания топлива в вихревой камере, при этом кожух снабжен окном для розжига, бункер снабжен герметично закрывающейся крышкой, кроме того, горелка имеет дополнительный воздушный канал с перекрывным клапаном для подачи первичного воздуха в бункер, горелка по п.1 характеризуется тем, что вихревая камера сгорания выполнена многоступенчатой с количеством ступеней не менее двух, при этом ступени разделены между собой посредством перегородок, выполненных в виде колец, установленных на обечайке, при этом площадь проходного сечения кольцевых перегородок уменьшается по направлению к выходу продуктов сгорания.
Горелка, изготовленная в соответствии с заявленным техническим решением, может быть установлена как стационарно, так и на колесах(по требованию заказчика), комплектуется бункерами различной емкости, например от 200 кг., и до 1000 кг., в зависимости от потребности заказчика, работает в автоматическом режиме, при этом длительность работы без дозаправки гранулами в зависимости от условий эксплуатации горелки (температура в обогреваемом помещении, температура, которую надо поддерживать, площадь, объем) колеблется от 24 часов до 144 часов(от суток до 6 суток). Горелка в зависимости от требований заказчика может комплектоваться индивидуальными средствами автоматизации - датчиками температуры исходящих газов, датчиками температуры теплоносителя, датчиками температуры наружного воздуха, а также средствами дистанционного контроля работы и управления горелкой, в том числе и с помощью элементов проводной и сотовой связи.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами, на Фиг.1 приведен общий вид горелки, Фиг.2 - сечение вихревой горелки (на Фиг.1 А-А), Фиг.3 - вид вихревой камеры сверху (на Фиг.1 Вид Б).
Заявленное устройство выполнено из следующих конструктивных элементов: крышки бункера 1, бункера 2, питателя, выполненного в виде цилиндрического корпуса-трубы дозатора 3, переходящего в сопло эжектора подачи топлива, который размещен в кожухе 4, корпуса горелки 5, штока 6, стержня с резьбой и клапаном 7, сопла 8, вихревой камеры 9, окна для розжига с заглушкой 10, дверцы кожуха 11, направляющего канала для штока 12, фиксирующего болта 13, канала для подачи первичного воздуха 14, вентилятора 15, перекрывного клапана 16, пиролизной камеры 17, камеры сжигания 18 и камеры дожигания 19, разделенные кольцевой перегородкой 20 (Фиг.2).
При этом элементы горелки расположены следующим образом: корпус горелки 5 размещен в кожухе 4 горелки, передняя часть корпуса горелки 5 выполнена в виде сопла 8 (см. Фиг.1) и соединена с двухступенчатой вихревой камерой 9, внутри корпуса горелки 5 размещен шток 6 с возможностью перемещения вдоль направляющего канала 12 и зафиксирован в направляющем канале 12 посредством болта 13. В полости штока 6 находится резьбовой стержень с конусным клапаном 7. Сбоку к кожуху 4 подсоединен вентилятор 15 посредством патрубка (на фиг. не показан). От вентилятора 15 к верхней части бункера 2 подведен канал 14 для подачи первичного воздуха в герметичный бункер 2, при этом на конце канала 14 установлен перекрывной клапан 16, который при открытии крышки 1 бункера 2 автоматически перекрывает подачу первичного и увеличивая объем вторичного воздуха в бункер 2, предотвращая тем самым возможность попадания обратного пламени из пиролизной камеры 17 в бункер 2. При этом первичный воздух подается сверху из герметичного бункера 2 посредством трубы - дозатора 3 круглого сечения в пиролизную камеру 17, образованную (состоящую) из корпуса 5, штока 6, внутри которого размещен резьбовой стержень с конусным клапаном 7(см. Фиг.1 поз.17 - обведенная
штрих пунктиром).
Горелка работает следующим образом. Бункер 2 заполняется гранулированным древесным топливом и герметично закрывается крышкой 1. Топливо через трубу-дозатор 3 под действием собственного веса поступает внутрь горелки (пиролизную камеру 17). Необходимый расход топлива устанавливается с помощью штока 6, передвигая вдоль канала 12 вперед (меньше) или назад (больше). Открывается дверца 11 кожуха 4, разжигается топливо через окошко с заглушкой 10, которое после розжига закрывается. Затем закрывается дверца 11 кожуха 4 и включается дутьевой вентилятор 15. Необходимый объем первичного и вторичного воздуха регулируется с помощью резьбового стержня с клапаном 7. Правильное соотношение определяется практическим путем по цвету факела.
Наиболее эффективными технико-экономическими показателями обладает конструкция(вариант выполнения горелки), представленная на фиг.2, в котором вихревая камера 9 разделенная посредством кольцевой перегородки 20, которая представляет собой кольцо, размещенное в полой цилиндрической обечайке, делящее ее по меньшей мере на две камеры: камера сжигания 18 и камера дожигания 19, при этом внутренний диаметр кольцевой перегородки выполнен по размеру большим, чем соответствующий диаметр зауженного в верхней части вихревой камеры выходного отверстия(на фиг.2 поз. не указана).
Оснащение вихревой камеры 9 кольцевыми перегородками(в количестве от одной и более в соответствии с приведенной редакцией признаков в зависимом пункте изобретения)позволяет повысить степень сгорания топлива в вихревой камере, благодаря тому, что они (кольцевые перегородки) обеспечивают увеличение центробежной силы, с которой горящее топливо прижимается к стенкам обечайки, тем самым сводя к минимуму возможность выброса несгоревшего элемента топлива в атмосферу.
При этом количество кольцевых перегородок может быть выбрано и изготовлено в соответствии с заданием заказчика и, исходя из показателей мощности, расхода и т.д., указанных заказчиком при индивидуальном изготовлении горелки, адаптированной к практически любому виду котлов, эксплуатирующихся в настоящее время в народном хозяйстве(промышленности). Кроме этого горелка может комплектоваться колесами по требованию заказчика для облегчения ее транспортировки к месту назначения.
Применение конусного клапана 7 (вместо примененных в аналоге по патенту РФ №2296920 калиброванных отверстий), а так же подогрев вторичного воздуха и установка вихревой камеры, которая может быть оснащена в зависимости от потребностей заказчика несколькими кольцевыми перегородками (см. фиг.2), позволяет более гибко распределять потоки первичного и вторичного воздуха и достичь оптимального режима горения, в связи с чем происходит более полное сгорание газов, в том числе и сернистых соединений, в следствие этого значительно уменьшаются выбросы вредных газов в атмосферу, повышается срок службы теплообменника, воздуховодов и иных комплектующих собственно котла, повышается КПД котла, в котором устанавливается заявляемая горелка.
Таким образом, использование заявляемого изобретения позволит существенно (не менее чем в 2 раза) повысить срок службы котла, т.к. полное сгорание продуктов горения обеспечивает снижение соединений серы, которые вызывают коррозию элементов горелки: сопла, вихревой и пиролизной камеры и корпуса горелки. Вследствие более полного сгорания топливных гранул повышается КПД котла примерно на 10%, с 85% до 93%.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из уровня техники не выявлены технические решения, обладающие совокупностью признаков, присущих заявленной горелке, позволяющих достигнуть заявленные цели.
Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, т.к. из уровня техники не выявлены технические решения, совпадающие с отличительными признаками заявленного решения, также не установлена известность влияния отличительных признаков на указанные заявителем достигнутые технические результаты, кроме этого, по мнению заявителя, заявленное техническое решение не следует явным образом из уровня техники, т.к. достижение заявленных результатов потребовало длительной творческой работы, в результате которой разрешены, казалось бы, не разрешимые противоречия, а именно:
увеличение теплоотдачи горелки, которое предполагает увеличение расхода подачи топлива, что в свою очередь требует пропорционального увеличения расхода подачи воздуха, при этом поданое из питателя топливо должно по логике увлекаеть напором воздуха и вылетать в трубу не догорев, либо попадать в зольник (этот негативный эффект наблюдается в котле, изготовленном по патенту РФ №2296920, в котором установлена горелка, описанная в первом аналоге), однако этого в заявленном техническом решении не происходит, ввиду того, что при увеличении расхода подачи топлива происходит автоматическое увеличение расхода воздуха, при этом, увеличивается температура, создаваемая в пиролизной камере, что в свою очередь приводит к увеличению теплоотдачи при горении топлива и нагреву подаваемого воздуха в горелку, при этом топливо, продолжая гореть, попадает в многоступенчатую вихревую камеру, в которой несгоревшее топливо начинает вращаться в вихревой камере и интенсивно гореть, при этом оно (топливо) не может произвольно попасть (вылететь) во вторую ступень вихревой камеры без полного сгорания, т.к. центробежная сила топлива прижимает его к обечайке тем сильнее, чем больше вес топлива, при этом в вихревой камере создается дополнительное избыточное давление, которое можно идентифицировать по звуку (гулу), издаваемому горелкой при ее работе на максимальных режимах расхода топлива, а также по разогреву вихревой камеры, изготовленной из жаропрочной стали до красного свечения (около 800-1000°С). Далее, недогоревшее топливо в виде искр, кусков небольшого размера плавно, по мере постепенного выгорания и естественного уменьшения веса, перемещается во вторую ступень, сгорает там полностью, образуя практически бесцветный дым и тонко дисперсную золу выходящие из зауженной (верхней) части вихревой камеры, в топке при этом образуется минимальное количество золы (около 0,001-0,005%), что характеризует высокую степень сгорания топлива по сравнению с известными аналогами, например дровяными печами и приведенным в качестве аналога устройстве по патенту на изобретение РФ №2296920. Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. горелка изготовлена и апробирована в промышленных условиях, показала достижение заявленных результатов при опытной эксплуатации в котлах нескольких частных хозяйств и при отоплении нескольких промышленных зданий и сооружений в сельской местности.