ТОПОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЖИГАНИЯ СЫПУЧИХ ДРЕВЕСНЫХ МАТЕРИАЛОВ
FURNACE INSTALLATION FOR COMBUSTION OF LOOSE WOOD MATERIALS

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в топочных устройствах, предназначенных для сжигания сыпучих древесно-растительных материалов, в частности древесной щепы и опилок.
Известно топочное устройство для сжигания сыпучих древесных материалов, содержащее вертикальный цилиндрический кожух, коаксиально расположенную внутри него обмуровку топочной камеры, имеющую окно ввода сыпучих древесных материалов, расположенную в ее нижней части колосниковую решетку, а в верхней части - канал отвода дымовых газов, при этом между внутренней поверхностью кожуха и обращенной к ней поверхностью обмуровки образована кольцевая полость, которая разделена перегородками с образованием рабочих полостей, каждая из которых сообщается с воздуховодом и с внутренним объемом топочной камеры через выполненные в ее обмуровке дутьевые каналы, при этом выходы дутьевых каналов в камеру поярусно расположены вдоль образующих ее внутренней поверхности, подколосниковое пространство топки сообщено с воздуховодом (см. патент US №4233914, F23J 15/00, публ. 18.11.80).
В данном техническом решении окно ввода сыпучих древесных материалов расположено в колосниковой решетке. Продольные оси дутьевых каналов в верхней части камеры радиально ориентированы и расположены в горизонтальных плоскостях. Продольные оси дутьевых каналов надколосниковой зоны тангентально ориентированы относительно внутренней поверхности топочной камеры и расположены под углом к вертикали в направлении колосниковой решетки.
Однако подача сыпучих древесных материалов в топочную камеру через колосниковую решетку, расположение дутьевых каналов надколосниковой зоны с наклоном их к колосниковой решетке приводит к нерациональному использованию топочной камеры и снижает эффективность горения сыпучих древесных материалов в ее объеме. Данные обстоятельства особенно существенны при различном фракционном составе и влажности древесных элементов сжигаемого топлива. В результате увеличиваются потери теплоты от механической и химической неполноты сгорания топлива.
Выполнение в обмуровке дутьевых каналов при тангентальном их ориентировании усложняет конструкцию топочного устройства, увеличивает затраты на его изготовление.
Данное техническое решение выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Задача заявляемого изобретения состояла в создании топочного устройства для сжигания сыпучих древесных материалов, обеспечивающего технический результат:
повышение эффективности и устойчивости горения сыпучих древесных материалов в объеме топочной камеры с уменьшением зависимости горения от фракционного состава и влажности древесных элементов топлива;
упрощение конструкции топочного устройства.
Для решения поставленной технической задачи предложено топочное устройство для сжигания сыпучих древесных материалов, содержащее вертикальный цилиндрический кожух, коаксиально расположенную внутри него обмуровку топочной камеры, имеющую окно ввода сыпучих древесных материалов, расположенную в ее нижней части колосниковую решетку, а в верхней части - канал отвода дымовых газов, при этом между внутренней поверхностью кожуха и обращенной к ней поверхностью обмуровки образована кольцевая полость, которая разделена перегородками с образованием рабочих полостей, каждая из которых сообщается с воздуховодом и с внутренним объемом топочной камеры через выполненные в ее обмуровке дутьевые каналы, при этом выходы дутьевых каналов в камеру поярусно расположены вдоль образующих ее внутренней поверхности, подколосниковое пространство топки сообщено с воздуховодом, в котором согласно заявляемому изобретению окно ввода сыпучих древесных материалов выполнено в обмуровке, расположено в верхней части надколосниковой зоны камеры и ниже канала отвода топочных газов, продольные оси дутьевых каналов каждого яруса радиально ориентированы и расположены в общей для данного яруса горизонтальной плоскости, во внутреннем объеме каждого дутьевого канала со стороны его выхода в камеру установлено сопло, которое имеет отверстие, образованное входным участком, соосным с дутьевым каналом, и выходным участком, расположенным под углом 100°-130° к первому названному, при этом каждое сопло установлено в дутьевом канале с возможностью поворота вокруг его продольной оси для изменения ориентации продольной оси выходного участка отверстия сопла относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось канала, вершины углов между участками отверстий сопел всех дутьевых каналов однонаправленно ориентированы.
Согласно заявляемому изобретению угол поворота сопел вокруг продольных осей дутьевых каналов относительно горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось канала, не более 45° по обе стороны от названной плоскости, при повороте сопел в дутьевых каналах, расположенных в нижней части надколосниковой зоны камеры, продольные оси их выходных участков направлены к каналу отвода дымовых газов, а при повороте сопел в дутьевых каналах, расположенных в верхней зоне камеры над окном ввода топлива, продольные оси их выходных участков направлены к колосниковой решетке.
Согласно заявляемому изобретению наружная поверхность втулок имеет выемки с размещенными в них уплотнительными прокладками.
При реализации изобретения обеспечивается создание в объеме топочной камеры интенсивной зоны горения сыпучих древесных материалов с уменьшением зависимости горения от фракционного состава и влажности древесных элементов топлива, что объясняется следующим образом:
поярусное расположение дутьевых каналов, радиальное ориентирование их продольных осей в горизонтальных плоскостях, наличие в каналах сопел, отверстия которых образованы соосными с дутьевыми каналами входными участками и расположенными под углом к последним выходными участками, однонаправленная ориентация вершин углов между указанными участками во всех соплах дутьевых каналах реализуют режим тангентального направления подаваемых в топочную камеру воздушных потоков. При указанном направлении подачи воздушных потоков обеспечивается круговое движение подаваемых в топочную камеру древесных элементов в объеме топочной камеры, что интенсифицирует нагрев древесных элементов по всей высоте топочной камеры, обеспечивает сгорание мелких фракций древесных элементов в средней зоне камеры и выпадение крупных подсушенных фракций топлива в интенсивную зону горения на колосниковой решетке;
регулирование углового положения сопел в дутьевых каналах позволяет реализовать режим встречного направления подачи воздушных потоков к средней зоне внутреннего объема топочной камеры, что способствует интенсификации нагрева и полноты горения древесных элементов при различном составе их фракций и влажности.
Упрощается конструкция топочного устройства и снижаются затраты на его изготовление вследствие наличия в дутьевых каналах сопел, выходные участки отверстий которых реализуют режим тангентального ориентирования воздушных потоков относительно внутренней поверхности камеры.
Использование в составе топочного устройства сопел позволяет эффективно влиять на процесс интенсификации сгорания сыпучего древесного материала, в том числе, за счет использования сопел с различным поперечным сечением их отверстий для изменения скоростных параметров подаваемых в камеру воздушных потоков.
При анализе известного уровня техники не выявлено технических решений, имеющих аналогичную заявляемому техническому решению совокупность конструктивных признаков, что свидетельствует о соответствии заявляемого технического решении критериям изобретения: «новизна», «изобретательский уровень».
Заявляемое изобретение может быть использовано в топочных устройствах для сжигания топлив на основе сыпучих древесных материалов (щепа, опилки, пеллеты), промышленно изготовлено на стандартном оборудовании, что свидетельствует о соответствии его критерию «промышленная применимость».
Изобретение подтверждается нижеприведенным его описанием и поясняющими его чертежами.
На фиг.1 показан общий вид топочного устройства в разрезе;
на фиг.2 - то же, что на фиг.1, сечение А-А;
на фиг.3 показаны положения сопел в ярусах дутьевых каналов по высоте топочной камеры.
Топочное устройство для сжигания сыпучих древесных материалов содержит вертикальный цилиндрический кожух 1, коаксиально расположенную внутри него обмуровку 2 топочной камеры. Между внутренней поверхностью кожуха 1 и обращенной к ней поверхностью обмуровки образована кольцевая полость. Топочная камера имеет окно 3 ввода сыпучих древесных материалов, соединенное с механизмом подачи, предпочтительно, шнекового типа (не показано). В нижней части камеры расположена колосниковая решетка 4, верхняя часть камеры через конический пережим сообщается с каналом 5 отвода дымовых газов. Кольцевая полость между кожухом 1 и обмуровкой 2 камеры разделена перегородками 6 с образованием рабочих полостей, сообщающихся с воздуховодами и через выполненные в обмуровке дутьевые каналы 7 с внутренним объемом топочной камеры. Подколосниковое пространство топки сообщено с воздуховодом. Окно 3 ввода сыпучих древесных материалов выполнено в обмуровке 2 и расположено в верхней части топочной камеры и ниже канала 5 отвода топочных газов.
Выходы дутьевых каналов 7 в открытый объем камеры поярусно расположены вдоль образующих ее внутренней поверхности.
Продольные оси дутьевых каналов 7 каждого яруса радиально ориентированы и расположены в общей для данного яруса горизонтальной плоскости. Внутри каждого дутьевого канала 7 со стороны его выхода в открытый объем камеры установлено сопло 8. Отверстие каждого сопла 8 образовано входным 9 и выходным 10 участками. Входной участок 9 отверстия сопла 8 соосен с продольной осью дутьевого канала 7, выходной участок 10 расположен под углом «α» 100°-130° к продольной оси участка 9 и имеет выход в открытый объем топочной камеры. Каждое сопло 8 установлено в дутьевом канале с возможностью поворота вокруг его оси для изменения ориентации продольной оси выходного участка 10 отверстия сопла относительно горизонтальной плоскости I-I, проходящей через продольную ось канала. Для осуществления поворота сопел 8 вокруг продольных осей дутьевых каналов на наружном торце сопла предусмотрен паз 12 под соответствующий рабочий инструмент. Наружная поверхность сопел 8 имеет выемки с размещенными в них уплотнительными прокладками 11. Вершины углов «α» между продольными осями входных 9 и выходных 10 участков  всех сопел 8 однонаправленно ориентированы. Вершины углов «α» ориентированы в направлении вращения часовой стрелки, при этом направление движения воздушных потоков из выходных участков 10 сопел ориентировано в противоположном направлении. При указанном направлении ориентации выходных участков сопел реализуется режим кругового вращательного движения подаваемых древесных элементов относительно вертикальной оси камеры с оседанием крупных фракций топлива на колосниковую решетку.
Величина угла «α» между продольными осями входного 9 и выходного 10 участков отверстий сопел оптимальна по условиям обеспечения тангентальной направленности выходящих воздушных потоков относительно внутренней поверхности топочной камеры. При уменьшении величины угла «α» между названными участками отверстий сопел либо уменьшается толщина обмуровки в зоне выхода участка 10, что ухудшает надежность эксплуатации, либо конструктивно часть сопла смещается во внутренний объем камеры сгорания, что ухудшает надежность эксплуатации вследствие возможного обгорания сопел. При увеличении угла «α» между участками 9 и 10 отверстия сопла 8 нарушается режим тангентального направления подачи воздушных потоков во внутренний объем топочной камеры.
Угол поворота сопел 8 вокруг продольных осей дутьевых каналов 7 относительно горизонтальной плоскости I-I, проходящей через продольную ось канала, не более 45° по обе стороны от названной плоскости (на фиг.3 показан угол «β», сооветствующий повороту сопла относительно плоскости I-I). При повороте сопел в дутьевых каналах, расположенных в ярусах нижней части надколосниковой зоны камеры, продольные оси их выходных участков 10 направлены к каналу отвода дымовых газов (см. фиг.3, положение сопел «нижний ряд»). При повороте сопел 8 в дутьевых каналах, расположенных в ярусах верхней зоны камеры над окном ввода топлива, продольные оси их выходных участков 10 направлены к колосниковой решетке (см. фиг.3, положение сопел «верхний ряд»). При указанной направленности выходных участков 10 сопел по высоте топочной камеры воздушные потоки, подаваемые в топочную камеру, имеют встречное направление относительно средней части камеры, что интенсифицирует нагрев древесных элементов в этой зоне, увеличивает полноту сгорания, уменьшает выброс несгоревших фракций топлива в канал отвода дымовых газов.
Продольные оси выходных участков 10 сопел 8 в дутьевых каналах для их ярусов, расположенных в средней зоне топочной камеры, ориентированы в горизонтальных плоскостях, проходящих через продольные оси каналов 7 (см. фиг.3, положение сопел «средний ряд»). В результате интенсифицируется режим кругового движения древесных элементов и увеличивается время нахождения влажных фракций в этой зоне, что повышает эффективность горения древесных элементов.
Заданный угол поворота сопел вокруг продольных осей дутьевых каналов установлен с учетом конструктивных особенностей обмуровки топочной камеры и определен экспериментально с учетом физико-механического состояния фракционного состава сыпучих древесных материалов. При проведении экспериментальных исследований учитывалась парусность древесных элементов (щепы, опилок) в зависимости от их влажности, геометрических параметров и др. факторов.
На фиг.1 поз.12 и 13 показаны воздуховоды, поз.14 - смотровое окно топки и поз.15 - дверца топки.
Работа топочного устройства осуществляется путем подачи сыпучих древесных материалов (щепа, опилки) в топочную камеру, розжига их (механизм розжига не показан) при одновременной подаче воздушных потоков в ее подколосниковую зону и через сопла 8 дутьевых каналов 7 в камеру. В зависимости от физико-механических свойств топлива (влажность, фракционный состав и др.) скорость и объем подачи топлива (с использованием механизма подачи) и воздушных потоков (с использованием технологических характеристик воздуховодов) регулируют (средства регулирования не показаны).
Для интенсификации процесса горения сыпучего древесного материала, для уменьшения потерь от механической и химической неполноты сгорания топлива с учетом его фракционного состава, влажности и др. факторов осуществляют предварительную настройку углового положения сопел 8 в дутьевых каналах 7 в соответствии с описанной выше схемой их поворота в названных каналах по высоте топочной камеры.