УЗЕЛ СОЕДИНЕНИЯ ПОДА ТОПКИ С ЕЕ ЗАДНЕЙ СТЕНОЙ

Полезная модель относится к котлостроению и может быть использована при конструировании топочных устройств (топок), сжигающих твердые топлива, состоящие из частиц небольшого размера, увлекаемых газовым потоком.
Известны топки, в которых сжигание такого вида твердого топлива происходит в режиме так называемого низкотемпературного горения [1] и [2] - аналоги. Режим низкотемпературного горения позволяет в определенных случаях предотвратить образование и налипание жидкого шлака на поверхности топки. В указанных топках такой режим осуществляется посредством порционной ступенчатой подачи необходимого для горения воздуха с сопутствующим отводом тепла. При этом, общим конструктивным решением для этих топок является наличие в нижней части передней стены (фронтового экрана) каналов (сопел), через которые вдоль пода топок вводится часть предназначенного для горения воздуха. Под подом топок здесь понимается часть конструкции их ограждения снизу. Подаваемый вдоль пода топки воздух, перемешиваясь с вводимым в топку топливом, образует топливо-воздушный поток, движущийся в направлении к задней стене топки. Помимо создания условий, предотвращающих образование отложений жидкого шлака, движущийся вдоль пода топки топливо-воздушный поток предназначен обеспечивать удаление с пода топки летучей золы, а также предотвращать скопление на поде топки частиц несгоревшего топлива. Так как для выполнения перечисленных условий топливо-воздушный поток вдоль пода топки должен обладать существенной кинетической энергией, доля воздуха в этом потоке от общего количества подаваемого в топку необходимого для горении воздуха составляет значительную величину. В связи с этим, рациональное использование, с точки зрения организации качественного сжигания топлива, энергии движущегося вдоль пода топки потока является приоритетной задачей. Известно, что одним из условий организации качественного горения является подготовка на входе в топку, либо в ней самой, однородной смеси топлива и воздуха. Однако, на организацию этого процесса в топках типа [1] и [2] отрицательно влияет конструктивное исполнение узла соединения пода топки с ее задней стеной (узла соединения). Пересекаясь, сориентированные в плоскостях внутренние поверхности пода топки и ее задней стены образуют пространственный угол. Вершина этого угла со стороны топки представляет собой поверхность узла соединения, являющуюся частью внутренней поверхности топки. В известных вариантах исполнения вершина угла может быть усечена плоскостью или цилиндрической поверхностью, вписывающейся в пределы, ограниченные плоскостями, образующими угол. Во всех известных вариантах конфигурация обращенной в топку поверхности узла соединения такова, что после поворота топливо-воздушный поток продолжает свое движение прижатым к задней стене топки, следуя вдоль ее поверхности. В этом и заключается недостаток известных конструкций узлов соединения в топках типа [1] и [2]. При этом, кроме потери энергии потока на поворот, значительная ее часть в результате действия центробежных сил тратится не на образование однородной горючей смеси, а на сепарацию частиц твердого топлива и золы на поверхность заднего экрана. Частицы топлива и золы буквально выдавливают воздух из пристеночной зоны. Таким образом, вблизи поверхности задней стены концентрируется слой, состоящий из частиц несгоревшего топлива при недостатке воздуха для горения. В то же время на периферии потока, стороне, обращенной в сторону внутреннего объема топки, воздух содержится в излишне избыточном количестве. После того, как топливо-воздушный поток пройдет по задней стене топки некоторое расстояние от узла соединения, в лучшем случае он наталкивается на выступ задней стены, если он предусмотрен конструкцией топки. Затем, подвергнувшись после очередного поворота дополнительному расслоению, поток, еще более ослабленный, отбрасывается в сторону топочного объема. Очевидно, что чем менее турбулизированный поток топливо-воздушной смеси будет уходить от задней стены топки в сторону ее топочного объема, тем хуже условия для организации последующего качественного горения. Следует также отметить, что опыт эксплуатации топок описываемой конструкции выявил, например, при сжигании подсолнечной лузги существенный абразивный износ задних стен, вызванный прохождением по их поверхности концентрированного слоя абразивных частиц топлива. Как известно, повышенный износ поверхности трения сопровождается также нерациональным повышенным расходом энергии на преодоление трения.
Одним из мест для ввода порций воздуха в режиме низкотемпературного горения могут являться задние стены (экраны) топок. Вводимый со стороны задней стены поток воздуха может оказывать благоприятное турбулизирующее воздействие на топливо-воздушный поток, одновременно способствуя его отклонению от задней стены. Исходя из вышеизложенного, было бы рационально отклонить топливо-воздушный поток от задней стены топки сразу же после поворота в узле соединения. Однако, для этого, при известных конструктивных исполнениях узла соединения, существуют определенные трудности. Во-первых, если ориентироваться на экономически приемлемый избыток воздуха на выходе из топки, доля воздуха, вводимая со стороны задней стены, не может быть достаточно большой, так как в противном случае это может недопустимо ухудшить условия горения в других местах топки. К тому же, например, как показала практика, долю воздуха, вводимого в топку вдоль пода, со снижением нагрузки котла для нормализации процесса горения приходится еще и увеличивать. Во-вторых, если разместить воздушные каналы в нижней части задней стены вблизи узла соединения пода топки с ее задней стеной, то в этом случае потоку воздуха, направленному со стороны задней стены, будет противодействовать максимальный напор центробежных сил, действующих в топливо-воздушном потоке после поворота. Таким образом, кинетическая энергия воздушного потока со стороны задней стены будет в какой-то мере без пользы гаситься движущимся со стороны пода топливо-воздушным потоком. Кроме этого, в определенных эксплуатационных режимах, которые нельзя исключать, воздушные каналы на задней стене топки могут забиваться частицами топлива и золой. В итоге следует отметить, что известные конструктивные варианты исполнения узла соединения в топках типа [1] и [2] способствуют нежелательному расслоению горючей смеси с последующим ее вынужденным движением вдоль поверхности задней стены топки. В свою очередь, такие конструктивные варианты исполнения ограничивают эффективность использования кинетической энергии воздушного потока в топку из каналов, которые могут быть расположены в нижней части задней стены топки над узлом соединения.
Достигаемым результатом настоящей полезной модели является узел соединения пода топки с ее задней стеной, образующий участок внутренней поверхности топки, являясь частью конструкции ее ограждения. Узел соединения может быть выполнен из разных приемлемых материалов. Принципиальное значение имеет форма поверхности, которую узел соединения образует с внутренней стороны топки.
Указанный результат полезной модели достигается тем, что поверхность узла соединения с внутренней стороны топки состоит из участка цилиндрической или близкой к ней формы, который, в сочетании с прилегающими к нему сориентированными в плоскостях соседними участками внутренних поверхностей пода топки и ее задней стены, образует углубление, вогнутое в сторону задней стены топки.
Применение полезной модели позволит улучшить качество образования и горения горючей смеси за счет более рациональной организации аэродинамики топливо-воздушного потока в зоне задней стены топки и далее по ходу факела. Кроме этого, в случаях, когда это целесообразно, через воздушные каналы, при расположении их в нижней части задней стены топки, предоставляется возможность с наибольшей эффективностью подавать в топку воздух, когда непосредственно под каналами расположен узел соединения и поэтому устья воздушных каналов не подвержены прямому воздействию напора топливо-воздушного потока.
Узел соединения может быть использован в топках, имеющих как вертикальную, так и горизонтальную ориентацию, имеющих в горизонтальных сечениях прямоугольную или близкую к ней форму с выступами стен внутрь топок или без них, имеющих или не имеющих по ходу движения топливо-воздушного потока каналы для дополнительного подвода в топку воздуха.
На фиг. 1 для примера в качестве полезной модели показан главный вид узла соединения в топке для сжигания частиц твердого топлива - разрез А-А; на фиг. 2 - разрез Б-Б; на фиг. 3 - главный вид варианта исполнения узла соединения. Стрелками на фиг. 1 и 3 указаны направления основных воздушных потоков и потоков продуктов сгорания.
Узел соединения 1 расположен между подом топки 2 и ее задней стеной 3. По краям узел соединения ограничивают боковые стены 4. С внутренней стороны топки поверхность узла соединения представляет собой участок цилиндрической или близкой к ней формы 5. При этом, узел соединения образует углубление 6 в сторону задней стены топки. В нижней части передней стены 7 топки расположены воздушные каналы 8. На передней стене топки установлено направленное вниз топливоподающее устройство 9. Задняя стена имеет внутрь топки выступ 10. С учетом целесообразности, дополнительные, направленные в топку воздушные каналы, например, 11, 12, 13 и 14, могут быть расположены в разных частях топки. В частности, узел соединения может быть расположен непосредственно под воздушными каналами 14, установленными в нижней части задней стены.
Полезная модель, узел соединения 1, работает следующим образом. Топливо-воздушный поток, формируемый воздушными каналами 8 и топливоподающим устройством 9, с возможным участием дополнительных воздушных каналов, например, 11 и 12, движется вдоль пода топки 2 в направлении ее задней стены 3. В режиме движения топливо-воздушный поток с примесью золы набегает на узел соединения 1. Далее, благодаря конфигурации поверхности узла соединения 1, обращенной в топку, поток горючей смеси и золы после поворота отбрасывается от задней стены 3 в сторону внутреннего объема топки. К тому же, в случае расположения непосредственно под воздушными каналами 14, узел соединения 1 делает возможным рациональное использование кинетической энергии воздуха, истекающего из каналов 14. В результате, в топочном объеме возникают более благоприятные условия для качественного сжигания топлива.
Источники информации:
1. Патент РФ №2251641, 2003 г.;
2. Патент РФ №2394189, 2009 г.