Камера сгорания твердотопливного котла

Предлагаемая полезная моделей относится к теплоэнергетике и касается камеры сгорания твердотопливного котла, работающего преимущественно на биотопливе в виде пеллет и сухой древесной щепы.
Известна камера сгорания твердотопливного котла (RU 177020 U1, кл. F23В40/04, F23L9/02, опубл. 06.02.2018 г.), которая содержит патрубок подачи вторичного воздуха, вертикальный экран, выполненный из двух герметичных металлических цилиндров - внутреннего и внешнего, сопла для истечения вторичного воздуха, радиатор, выполненный в виде вертикального металлического цилиндра, установленный между внутренним и внешним цилиндром вертикального экрана, напротив сопел. Сопла для истечения вторичного воздуха выполнены сверху и снизу на внутреннем цилиндре вертикального экрана, причем оси сопел для истечения вторичного воздуха верхнего ряда и оси сопел истечения вторичного воздуха нижнего ряда выполнены попарно пересекающимися. Такое конструктивное выполнение камеры сгорания позволяет интенсифицировать процесс горения за счет пересечения струй воздуха и образования огненных смерчей и, как следствие, повышает температуру в камере сгорания до 1000°С и более. При такой температуре эффективно сжигаются пеллеты из любого биотоплива, в т.ч. агропеллеты, и сухая щепа. Пламя оказывается зажато сверху и снизу направленными струями воздуха, и образует огневой затвор. В месте встречи потоки воздуха из верхних сопел истечения вторичного воздуха и нижних сопел истечения вторичного воздуха взаимно разбиваются. Факел укорачивается и увеличивается в сечении, внутри пламени появляется зона интенсивной турбулентности, что обеспечивает полное сгорание топлива.  Ликвидация длинного пламени горения древесины, и соответственно осаждения смол и сажи на турбулизаторах в дымогарных трубах, особенно важно на режимах частичной мощности.
Недостатком данной конструкции является ограниченный ресурс камеры сгорания. Несмотря на то, что стенки камеры сгорания охлаждаются вторичным воздухом и применяются жаростойкие стали с рабочей температурой в 1000°С, ресурс камеры сгорания составляет всего несколько лет. Происходит постоянный износ (прогорание) стенок. Чем толще стенки – тем дольше время эксплуатации. Камера получается недостаточно долговечной и слишком дорогой.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату к предлагаемой полезной модели является камера сгорания твердотопливного котла, защищенная патентом RU 189922, кл. F23M 5/00, опубл. 11.06.2019 г., принятая  за ближайший аналог (прототип).
Камера по прототипу содержит внешнюю оболочку в виде вертикального металлического цилиндра, внутреннюю стенку в форме многогранника, состоящую из керамических пластин, герметично соединенных друг с другом. Каждая керамическая пластина содержит элементы соединения на боковых сторонах, верхний паз и нижний паз, сопла истечения вторичного воздуха, выполненные под углом друг к другу, оси которых попарно пересекаются. Дополнительно устройство содержит верхнее кольцо и нижнее кольцо, на внутреннем диаметре которых выполнен Г-образный отгиб. При этом внешняя оболочка соединена сваркой с верхним кольцом и с нижним кольцом. Также, внешняя оболочка соединена с внутренней стенкой с образованием кольцевого распределительного канала подачи вторичного воздуха между ними путем установки Г-образного отгиба верхнего кольца в верхние пазы керамических пластин и установки Г-образного отгиба нижнего кольца в нижние пазы керамических пластин.
Керамика, из которой выполнен внутренний многогранник, например, карбид кремния (SIC), имеет рабочую температуру в 1500°С, что значительно выше чем у жаростойких сталей (1000-1200°С). В камере сгорания котла, качественно работающего на древесных пеллетах, при любых режимах должна поддерживаться температура в диапазоне 850-1100°С, что соответствует рабочей (далеко не предельной) температуре керамики. В соответствии с этим, ресурс камеры сгорания при использовании керамики, становится не ограниченным. Коэффициент линейного расширения карбида кремния в несколько раз ниже, чем у стали, поэтому расширением при нагреве в ряде случаев можно пренебречь.  В тоже время карбид кремния имеет коэффициент теплопередачи в несколько раз выше, чем у металла, поэтому камера сгорания изнутри имеет равномерную высокую температуру, что позволяет эффективно сжигать щепу, влажностью до 35%.
Однако прототип имеет существенный недостаток: конструкция получилась сложной, состоящей из большого количества деталей и соответственно трудоемкой в изготовлении.
В задачу предлагаемой полезной модели положено  усовершенствование конструкции камеры сгорания твердотопливного котла.
Техническим результатом от использования полезной модели является упрощение изготовления и повышение надежности.
Поставленная задача достигается тем, что в камере сгорания твердотопливного котла, содержащей внешнюю металлическую оболочку в виде вертикального металлического цилиндра, соединенную с внутренней керамической стенкой с образованием кольцевого распределительного канала подачи вторичного воздуха между ними, сопла истечения вторичного воздуха, выполненные во внутренней керамической, внутренняя керамическая стенка выполнена в виде керамического цилиндра с кольцевыми канавками на наружной поверхности в верхней и нижней части, в которых установлены металлические обручи, при этом внешняя металлическая оболочка соединена с металлическими обручами сваркой; дополнительно устройство содержит кронштейны, выполненные на внешней металлической оболочке, и керамический экран, выполненный в виде керамического цилиндра, установленный над внутренней керамической стенкой.
На фиг. 1 приведен чертеж вертикального разреза камеры сгорания твердотопливного котла.
На фиг. 1А приведен чертеж укрупненного сечения стенки камеры сгорания твердотопливного котла.
На фиг. 2 приведен чертеж горизонтального разреза камеры сгорания твердотопливного котла.
Конструктивно камера сгорания твердотопливного котла на фиг. 1-2 содержит:
1 – патрубок подачи вторичного воздуха;
2 – внешнюю металлическую оболочку;
3 – внутреннюю керамическую стенку;
4 – сопла истечения вторичного воздуха;
5 – кольцевые канавки;
6 – металлические обручи;
7 – металлические кронштейны;
8 – керамический экран.
Патрубок подачи вторичного воздуха 1 соединен с внешней металлической оболочкой 2 выполненной в виде вертикального металлического цилиндра.
Внутренняя керамическая стенка 3 выполнена в виде керамического цилиндра.
Внешняя металлическая оболочка 2 соединена с внутренней керамической стенкой 3 с образованием кольцевого распределительного канала подачи вторичного воздуха между ними.
Сопла истечения вторичного воздуха 4 выполнены во внутренней керамической стенке.
На наружной поверхности внутренней керамической стенки 3 выполнены кольцевые канавки 5.
В кольцевых канавках 5 установлены металлические обручи 6.
Внешняя металлическая оболочка 2 соединена с металлическими обручами 6 сваркой.
Дополнительно устройство содержит кронштейны 7, выполненные на внешней металлической оболочке 2, и керамический экран 8, выполненный в виде керамического цилиндра, установленный над внутренней керамической стенкой 3.
С помощью кронштейнов 7 камера сгорания устанавливается в топке твердотопливного котла.
Предлагаемая полезная модель работает следующим образом.
Вторичный воздух подается по патрубку подачи вторичного воздуха 1, поступает в кольцевой канал между внешней металлической оболочкой 2 и внутренней керамической стенкой 3. Вторичный воздух нагревается от горячей внешней металлической оболочки 2 и горячей внутренней керамической стенки 3, и в подогретом состоянии через сопла истечения вторичного воздуха 4 подается вовнутрь камеры сгорания. Сварка внешней металлической оболочки 2 с металлическими обручами 6, установленными в кольцевых канавках 5 на наружной поверхности внутренней керамической стенки 3 обеспечивает герметичность кольцевого распределительного канала подачи вторичного воздуха. Вследствие этого поступление вторичного воздуха возможно только в одном направлении - внутрь камеры сгорания через сопла истечения вторичного воздуха 4.
Стягивание внутренней керамической стенки 3 металлическими обручами 6 способствует, также, повышению надежности устройства за счет того, что в случае появления в процессе длительной эксплуатации трещин на керамическом цилиндре металлические обручи не дадут ему рассыпаться и сохранят работоспособность всей конструкции.
Наличие кронштейнов 7 обеспечивает удобство установки камеры сгорания в топке твердотопливного котла.
Установленный сверху керамический цилиндр 8 экранирует факел пламени и повышает температуру пламени, что особенно важно на режимах частичной мощности.
Таким образом, предлагаемая конструкция камеры сгорания твердотопливного котла значительно проще и надежнее устройства по прототипу, при сохранении всех его преимуществ.