ГАЗОПЕРЕПУСКНОЕ ОКНО ВИХРЕВОЙ ТОПКИ
GAS-OVERFLOW OPENING OF SWIRLING-TYPE FURNACE

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам, способствующим более полному сжиганию топлива, и может быть использовано для сжигания измельченных растительных отходов - лузги подсолнечника, пшеницы, гречихи, отходов древесины и пр.
Известна вихревая топка, при помощи которой осуществляется сжигание растительных отходов. См. патент РФ №2228489 «Вихревая топка». В известной вихревой топке с двумя камерами сгорания, камерой дожигания, обмуровкой, конвективной зоной, системами подачи топлива и воздушной смеси, на перегородках смонтированы два газоперепускных окна.
Выступ, выполненный на газоперепускных окнах в сторону каждой камеры сгорания, уменьшает, по мнению авторов известного устройства, вынос мелких частиц, в том числе и недогоревшего топлива, поступившего из камеры сгорания в камеру дожигания. За счет подачи топлива эжектором, направленности сопел дутья, соотношения сечений и скоростей топливо горит во взвешенном состоянии без спекания. За счет соотношения поперечных размеров вихревой камеры сгорания к ее глубине, равного 2…6, снижается унос мелких частиц топлива.
К недостаткам устройства с газоперепускными окнами известной конструкции можно отнести его недостаточную эффективность, заключающуюся в выносе большей части мелких горящих частиц топлива в камеру дожигания и их последующее осаждение и спекание на стенах топки.
Известна более совершенная конструкция газоперепускного окна - см. патент РФ №2230980 «Способ подачи вторичного дутья и топочное устройство (варианты)» - прототип. Способ-прототип включает в себя подачу вторичного дутья в топку через газоперепускное окно навстречу потоку продуктов сгорания, выходящих из камеры сгорания, при этом вторичное дутье вводится тангенциально по контуру газоотводящего окна. Сопла газоотводящего окна направлены в топку навстречу выходящему потоку и ориентированы тангенциально к контуру газоотводящего окна, которое может иметь как цилиндрическую, так и коническую форму. Сопла вторичного дутья могут быть установлены непосредственно в выходном сечении газоотводящего окна на воздуховоде, расположенном по оси газоотводящего окна. Выходящий поток отдельными струями вторичного дутья продувается в топку.
К недостаткам известного устройства, в котором использовано более совершенное газоперепускное окно, можно также отнести его низкую эффективность. Вдувание вторичного дутья отдельными струями приводит к хорошему хаотичному перемешиванию потока, в том числе и в самом окне, но не предотвращает вынос недогоревших частиц топлива из топки.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности создание условий для более полного сгорания частиц топлива и повышение эффективности сгорания.
Поставленная задача достигается тем, что газоперепускное окно снабжено обечайкой, смонтированной с внутренней стороны корпуса, образующей между корпусом и обечайкой воздушный кольцевой канал, связанный при помощи увеличивающегося в поперечном сечении распределительного канала с тангенциально смонтированным по отношению к корпусу патрубком подачи вторичного дутья, при этом выходное отверстие кольцевого канала направлено в сторону камеры сгорания топлива.
Подвод дутья при помощи тангенциально смонтированного на корпусе патрубка и распределительного канала может быть выполнен как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.
Ширина дополнительного увеличивающегося в поперечном сечении распределительного канала выполнена равной 0,3…0,8 ширины газовыпускного окна.
В корпусе газовыпускного окна выполнены направляющие, смонтированные под углом 5°…45° к его внутренней поверхности.
Площадь выходного сечения кольцевого воздушного канала по отношению к площади сечения окна выполнена в соотношении, равном 0,01…0,3 к 1,0.
Новизной предложенного устройства является наличие дополнительной обечайки, смонтированной с внутренней стороны цилиндрического корпуса, образующей между корпусом и обечайкой воздушный кольцевой канал, связанный при помощи увеличивающегося в поперечном сечении распределительного канала с тангенциально смонтированным по отношению к корпусу патрубком подачи вторичного дутья, при этом выходное отверстие кольцевого канала выполнено в сторону камеры сгорания топлива.
Так, наличие кольцевого канала, образованного обечайкой и корпусом окна, при подаче воздушного потока создает кольцевой воздушный экран, что позволяет более длительное время удерживать горящие частицы топлива в камере сгорания котла. Воздушный экран при осуществлении дутья постоянно ограничивает (отбрасывает) недогоревшие частицы топлива от газоперепускного окна, направляя вихревой поток горящего топлива по кольцевой траектории вращения, увеличивая тем самым время горения топлива и снижая количество горящих частиц топлива, прошедших через воздушный экран и окно, предотвращая спекание и осаждение топлива на стенках камеры дожигания.
Дополнительные признаки, характеризующие предлагаемое изобретение, как ширина дополнительного распределительного канала, площадь выходного сечения дополнительного кольцевого воздушного канала по отношению к площади сечения окна, выполненная в соотношении, равном 0,01…0,3, скорость дополнительного воздушного потока, равная 10…30 м/с, выбрана исходя из требований получения на выходе кольцевого потока оптимальных характеристик. Выполнение направляющих в корпусе газоперепускного окна под углом 5°…45° к его внутренней поверхности способствует направленному перемещению в вихре горящего топлива и позволяет получить заданные параметры сгорания топлива.
Тангенциальный подвод дутья при помощи патрубка по часовой стрелке, или против часовой стрелки, придает входящему воздушному потоку вращение, а при помощи дополнительного распределительного уменьшающегося в сечении канала ускоряет воздушный поток и равномерно распределяет его по периметру кольцевого канала.
Предлагаемое устройство схематично показано на прилагаемых чертежах.
На фиг.1 схематично изображена топка котла с двумя газоперепускными окнами, выполненными на разделительных панелях-экранах между камерами сгорания и камерой дожигания топлива.
На фиг.2 показано газоперепускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока по часовой стрелке.
На фиг.3 показано газоперепускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока по часовой стрелке в разрезе при виде сбоку.
На фиг.4 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки.
На фиг.5 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки в разрезе при виде сбоку.
На фиг.6 схематично показано движение воздушного потока по дополнительному распределительному воздушному каналу.
На фиг.7 схематично показано газоперепускное окно с выходом воздушного потока в виде кольцевого воздушного ограничительного экрана в разрезе при виде сбоку.
На фиг.8 изображена направляющая в кольцевом канале.
Предлагаемое газоперепускное окно 1, смонтированное на ограничительных топочных панелях 2 топки котла, состоит из преимущественно цилиндрического корпуса 3 (допускается квадратная, прямоугольная или овальная форма) и обечайки 4, образующих кольцевой воздушный канал 5, воздушный поток вторичного дутья подается в топку при помощи распределяющего канала 6 и подводящего патрубка 7.
Обечайка 4 по отношению к корпусу 3 газоперепускного окна 1 может быть смонтирована концентрично с равными зазорами в боковых, верхней и нижней частях - образуя воздушный кольцевой канал, или с неравными зазорами сбоку, сверху и снизу. На внутренней поверхности корпуса 3 под углом в 5°…45° смонтированы направляющие 8, способствующие дополнительному закручиванию нагретых газов при их подаче в камеру 9 дожигания. Выходной кольцевой канал 5 образует в процессе дополнительного дутья кольцевой ограничительный воздушный экран, направленный в сторону камеры сгорания 10 или 11. Камера 9 дожигания топлива выполнена между камерами 10 и 11 сгорания топлива и ограничена топочными панелями 2.
Предлагаемое газоперепускное окно вихревой топки работает следующим образом.
При помощи дозатора и воздушного потока эжекционно по воздуховодам (не показаны) топливо подается в разожженные камеры сгорания 10 и 11, где начинает гореть и, отражаясь от стенок камеры сгорания, закручиваться в вихрь. Чтобы увеличить время нахождения топлива в камерах сгорания 10 и 11 и уменьшить вынос горящих частиц топлива в камеру дожигания 9, воздушный поток вторичного дутья через подводящий патрубок 7 и распределяющий воздушный поток канал 6, через кольцевой канал 5, выполненный между корпусом 3 газоперепускного окна и обечайкой 4, под давлением, в виде кольцевого воздушного потока подается в камеру сгорания. При этом кольцевой воздушный поток выполняет функции экрана, который отбрасывает горящие частицы топлива от окна обратно в кольцевой вихрь камер сгорания 10 и 11.
Поскольку находящиеся в вихре горящие частицы имеют вес, то под действием сил инерции и воздушных потоков, подаваемых в камеры сгорания, они стремятся сместиться к периферии. Кольцевой ограничительный воздушный экран при подходе к нему горящих частиц отбрасывает их обратно в вихрь, чем увеличивает время нахождения топлива в камере сгорания и уменьшает выход из вихря и из камер недогоревших частиц. Под воздействием избыточного давления, создаваемого воздушными и воздушно-топливными потоками в камерах сгорания, наиболее легкая часть несгоревшего топлива поступает в камеру 9 дожигания, где и дожигается. При этом нагретые газы, контактируя с направляющими 8, начинают вращаться и в камере дожигания, что увеличивает время их нахождения в камере дожигания, а следовательно, увеличивает и полноту сгорания. Угол наклона направляющих 5°…45° выбирается в зависимости от требуемого времени сгорания частиц топлива. При большем времени горения частиц топлива угол наклона направляющих увеличивают и наоборот. Нагретые до температуры 800°…950° газы поступают в конвективную зону котла, где и отдают тепло через стенки труб теплоносителю, преимущественно воде.
Подвод дутья при помощи тангенциально смонтированного на корпусе патрубка 7 и дополнительного распределительного канала 6 может быть выполнен как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.
При ширине распределительного канала менее 0,3 ширины газоперепускного окна требуется значительное увеличение габаритов канала по высоте, чтобы обеспечить необходимую производительность дутья, а при ширине распределительного канала более 0,8 кольцевой воздушный поток не успевает стабилизироваться в оставшейся длине зазора между обечайкой и корпусом окна.
В зависимости от вида топлива выполняют соотношение площади выходного сечения дополнительного кольцевого воздушного канала по отношению к площади сечения окна выполнено в соотношении, равном 0,01…0,3. При более тяжелых частицах это соотношение выбирают 0,2…0,3, при легких частицах топлива 0,01…0,2.
Ограничительный кольцевой экран потока воздуха в зависимости от вида топлива, его фракционности, влажности, веса и др. под действием тангенциальной подачи в кольцевой воздушный канал может вращаться либо по ходу вращения вихря сгораемого топлива, либо в обратном направлении. Так, при крупных или тяжелых частицах сгораемого топлива, когда возможен их вылет сквозь ограничительный экран, вращение ограничительного экрана выполняют по ходу вращения вихря горящего топлива. При мелких легкосгораемых частицах топлива вращение ограничительного экрана может быть и противоположным вращению вихря сгораемого топлива.
В настоящее время на газоперепускное окно разработаны рабочие чертежи, изготовлено несколько опытных образцов, которые смонтированы на паровых котлах с вихревой топкой для сжигания коро-древесных и других отходов.
По окончании испытаний будет принято решение о производстве газоперепускных окон для котлов с вихревой топкой.