PL243014B1 - Zewnętrzna komora spalania - Google Patents

Abstract

Zewnętrzna komora spalania zawiera silnik Stirlinga, komorę spalania i zespół palnika charakteryzuje się tym, że w górnej części posiada silnik Stirlinga (1) z głowicą górnego źródła ciepła (2) wpuszczoną do komory spalania (3) i osłonięta osłoną (12), gdzie głowicą górnego źródła ciepła (2) z osłoną (12) umieszczone są w komorze spalania (3), a komora spalania (3) połączona jest kierownicą (10) z komorą wtórnej cyrkulacji spalin (4) osadzoną z boku komory spalania (3), która to komora wtórnej cyrkulacji (4) połączona jest kierownicą wylotu gorących spalin (9) z komorą trzeciej cyrkulacji spalin (5), umieszczoną pod komorą wtórnej cyrkulacji (4) zaś komora trzeciej cyrkulacji spalin (5) posiada wylot spalin (8), natomiast w dolnej części, pod głowicą górnego źródła (2) w komorze spalania (3) osadzony jest zespół palnika (6).

Description

Przedmiotem wynalazku jest zewnętrzna komora spalania zwłaszcza do silnika Stirlinga.

Znane są inne technologie napędu silnika Stirlinga. Technologie te są stosowane i skomercjalizowane przez firmy wytwarzające tzw. domowe gazowe kotły grzewcze. Silnik Stirlinga z powodzeniem wdrożyły i wprowadziły na rynek takie firmy jak: Vissman i De Dietrych Remaha. Vismann instaluje silniki o zdolności do wytwarzania elektryczności od 0,6 do 1 kWe w kotłach gazowych typu Vitotwin 300W. W kotle tym górne źródło ciepła silnika Stirlinga jest ogrzewane tylko palnikiem gazowym niezależni e od ogrzewania kotłowego wymiennika ciepła spaliny/woda. Kotły De Dietrych działają w takich samych zakresach wytwarzanej mocy elektrycznej i ich zasada działania jest podobna jak w przypadku kotła Vitotwin 300.

Znany jest z polskiego zgłoszenia wynalazku P.407386 płaski, wielocylindrowy, membranowy silnik Stirlinga dwustronnego działania z gazowym medium roboczym o dowolnej, ale zawsze parzystej liczbie cylindrów zasilany dowolnymi źródłami energii. Silnik charakteryzuje się tym, że (tłoki) zastąpione są wykorzystywanymi obustronnie membranami o dużej powierzchni przekroju poprzecznego, która wielokrotnie przewyższa wielkość przekroju podłużnego cylindra. Strefa podtłokowa każdego cylindra łączy się ze strefą nadtłokową następnego cylindra, a cylindry ułożone są w dwóch lub więcej rzędach w ten sposób, że ostatni cylinder zawsze sąsiaduje z pierwszym, a jego strefa nadtłokowa jest połączona ze strefą podtłokową pierwszego cylindra. (Tłoki) połączone są między sobą w ten sposób, że poruszają się cyklicznie z przesunięciem fazowym 90 stopni, aby uzyskać wymagane procesy sprężania i rozprężania gazu zgodnie z obiegiem Stirlinga. Dzięki dwustronnemu działaniu membran, górna i dolna strona membrany jest wykorzystywana do realizacji przemian termodynamicznych w dwóch oddzielnych przestrzeniach roboczych, podnosi się moc silnika, która dodatkowo jest wzmacniana przez zwiększenie liczby cylindrów.

Znany jest z PL223456 kompaktowy silnik Stirlinga, zawierający nagrzewnicę, chłodnicę, wypornik, roboczy cylinder, regenerator, korbowody, wał korbowy i łożyska. Charakteryzuje się tym, że ma na wale korbowym osadzone zamachowe koło z trwałymi magnesami, stanowiące wirnik i ma współpracującą z wirnikiem tarczę z uzwojeniami, stanowiącą stojan, przymocowaną do wspornika, w którym ułożyskowany jest korbowy wał.

Znany jest z PL 212854 silnik cieplny Stirlinga z regeneratorem zawierającym część ogrzewaną i chłodzoną, w którym obrotowo i przesuwnie jest osadzony wypornik sprzęgnięty z tłokiem. Charakteryzuje się tym, że na wale silnika jest osadzony tłok, przy czym wał silnika jest zespolony z wypornikiem i jest wyposażony w wodzik osadzony ruchowo w wyprofilowanym krzywkowym kanale, wykonanym korzystnie w obudowie silnika. Krzywkowy kanał posiada odcinki prostych połączone krzywymi łukowymi, a ich ilość jest podwojoną ilością par części ogrzewanych i chłodzonych regeneratora. Charakterystyka pracy silnika według wynalazku ma kształt zbliżony do trapezu o zaokrąglonych narożach.

Znane jest z CN106401792B opalane gazem urządzenie grzewcze do silnika Stirlinga. Urządzenie zawiera komorę zbierania ciepła, w której komora spalania jest umieszczona na jednym końcu komory zbierania ciepła, podczas gdy drugi koniec komory zbierania ciepła jest połączony z gorącym końcem silnika Stirlinga za pomocą zacisku uszczelniającego, płyty promieniującej i ma wiele otworów wylotowych jest utworzonych po jednej stronie, w pobliżu zacisku uszczelniającego, komory zbierania ciepła, a każdy z otworów wylotowych jest połączony z przewodem powrotnym ga zu resztkowego w celu wyprowadzania gazu resztkowego. Izolująca wysokotemperaturowa bawełna pokrywa zewnętrznie komorę zbierania ciepła. Urządzenie ujawnione w wynalazku może zagwarantować, że paliwo gazowe i powietrze są całkowicie wymieszane i całkowicie spalone, a ciepło jest równomiernie dostarczane do gorącego końca silnika Stirlinga za pomocą komory zbierającej ciepło poprzez strukturę płyty promieniującej, tak że zagwarantowane jest pełne spalanie paliwa przy jednoczesnej poprawie sprawności wytwarzania, a urządzenie grzewcze opalane gazem jest energooszczędne i przyjazne dla środowiska oraz dobre pod względem generowania energii elektrycznej.

Celem wynalazku jest opracowanie nowej komory spalania, która oprócz stosowania jej podczas spalania paliw stałych, może być stosowana podczas spalania zapylonych gazów syntezowych lub niskiej jakości paliw płynnych głównie oleju napędowego np. stosowanych do spalania w silnikach diesla w jednostkach pływających. Wynalazek znacznie usprawnia użytkowanie zewnętrznej komory spalania w połączeniu z górnym źródłem ciepła silnika Sterlinga. Można stosować paliwo stałe w postaci rozdrobnionej np. biomasa, zrębki, pelety, toryfikaty, rozdrobniony węgiel kamienny, koks lub paliwo gazowe tj. LPG, CNG, SNG czy gaz generatorowy, a także paliwa ciekłe.

Zewnętrzna komora spalania zawiera silnik Stirlinga, komorę spalania i zespół palnika gdzie w górnej części posiada silnik Stirlinga z głowicą górnego źródła ciepła wpuszczoną do komory spalania i osłonięta ożebrowaną osłoną, gdzie głowicą górnego źródła osadzoną ciepła z osłoną umieszczone są w komorze spalania, a komora spalania połączona jest kierownicą z komorą wtórnej cyrkulacji osadzoną z boku komory spalania, która to komora wtórnej cyrkulacji połączona jest kierownicą wylotu gorących spalin z komorą trzeciej cyrkulacji spalin, umieszczoną pod komorą wtórnej cyrkulacji, zaś komora trzeciej cyrkulacji spalin posiada wylot spalin, natomiast w dolnej części, pod głowiącą górnego źródła w komorze spalania osadzony jest zespół palnika, posiadająca izolację termiczną, korzystnie na całej szerokości i wysokości zewnętrznej komory spalania charakteryzuje się tym, że wykonana jest ze stali żaroodpornych o wysokiej granicy wytrzymałości termicznej, korzystnie 900-1200°C, a najkorzystniej ze stali HI3JS. Korzystnie przekrój zewnętrznej komory spalania stanowi okrąg lub wielokąt korzystnie kwadrat lub prostokąt. Korzystnie przekrój komory spalania stanowi okrąg lub wielokąt korzystnie kwadrat lub prostokąt. Korzystnie przekrój komory wtórnej cyrkulacji stanowi okrąg lub wielokąt korzystnie kwadrat lub prostokąt.

Zewnętrzna komora spalania ogrzewana jest za pomocą palnika osadzonego w jej dolnej części. Paliwo do palnika dostarcza się poprzez system napaliwiania tj. zbiornika paliwa i przenośnika ślimakowego dozowania paliwa do palnika. System napaliwiania włącznie z palnikiem stanowią standardowe dostępne na rynku rozwiązania konstrukcyjne. W zależności od rodzaju paliwa (stale ciekłe, gazowe) zastosowane są typowe palniki na paliwa stałe (węgiel sortymentu groszek lub miał, rozdrobniona i granulowana biomasa) ciekłe i gazowe, wyposażone w systemy automatycznego zapłonu. Gorące spaliny, będące produktem spalania paliw, o temperaturze ok 800°C przepływają, na skutek wytworzonego w sposób naturalny ciągu, do górnej części komory spalania tzw. adiabatycznej komory pierwotnej recyrkulacji, omywają ożebrowaną osłonę i ogrzewają ją do temperatury ok 780°C. Transport ciepła z osłony głowicy do głowicy górnego źródła ciepła odbywa się poprzez promieniowanie. W celu intensyfikacji wymiany ciepła, zewnętrzna powierzchnia głowicy odbierająca ciepło od gorących spalin obudowana jest żebrami, których rola polega na zwiększeniu powierzchni wymiany ciepła, co sprzyja ustaleniu się korzystnych warunków procesowych wymiany ciepła przekazywanego poprzez promieniowanie do głowicy górnego źródła ciepła silnika Stirlinga. Temperatura w tej części komory spalania wynosi 700-780°C. Niewielkie zmiany temperatury na długości komory spalania i utrzymanie stabilnych warunków temperaturowych szczególnie w jej górnej części, spowodowane są niewielkim gradientem temperatur między komorą spalania, a komorą wtórnej cyrkulacji, gdyż gorące spaliny przepływając przez kierownicę z komory spalania do komory wtórnej cyrkulacji spalin zapewniają utrzymanie warunków adiabatycznych w komorze spalania. Zastosowana cyrkulacja spalin z komory pierwotnej (paleniska) przez komorę wtórną powoduje utrzymanie stałych warunków temperaturowych (adiabatycznych) w komorze pierwotnej, a głównie w obrębie głowicy górnego źródła ciepła silnika Stirlinga. Takie warunki cieplno-przepływowe zapewniają równomierny proces ogrzewania głowicy górnego źródła ciepła co przekłada się na ustalone w czasie wytwarzanie energii elektrycznej kierowanej do odbiorcy. Poprzez komorę wtórną cyrkulacji, spaliny przez kierownicę przepływają do komory trzeciej, skąd poprzez króciec wylotu spalin w temperaturze 470-500°C usuwane są na zewnątrz. Popiół z procesu spalania paliw stałych usuwany jest do popielnika skąd okresowo przez obsługę usuwany jest na zewnątrz.

Przy zastosowaniu paliw stałych wytwarzane podczas ich spalania osady organiczne i pyły lotne mogą doprowadzać do zmniejszenia sprawności procesów wymiany ciepła w obrębie głowicy górnego źródła, co z kolei obniża wydajność elektryczną silnika oraz może spowodować uszkodzenia głowicy górnego źródła ciepła. Taki stan rzeczy sprzyja awariom silnika i wyłączenia go z układu kogeneracyjnego. W celu dopalania, a tym samym ochrony przed osadzaniem popiołów i pyłów lotnych na powierzchni głowicy górnego źródła ciepła, stosuje się katalityczną karborundową osłonę głowicy korzystnie z ożebrowaniem, na której osadzają się sadze, gdzie w wysokiej temperaturze ok. 850°C następuje proces ich egzotermicznego dopalania. Dopalanie sadz powoduje wzrost temperatury osłony do 800-850°C co zwiększa intensywność wymiany ciepła poprzez promieniowanie wewnętrznej powierzchni osłony głowicy górnego źródła ciepła silnika Sterlinga.

Podgrzewanie głowicy górnego źródła ciepła silnika polega na tym, że gazowe produkty spalania (spaliny) o temperaturze od 700 do 900°C z komory spalania poprzez kierownicę przepływają (cyrkulują) do komory wtórnej cyrkulacji, a następnie poprzez kierownicę do komory trzeciej cyrkulacji spalin i poprzez wylot spalin usuwane są na zewnątrz. Spaliny najwyższą temperaturę osiągają w komorze spalania, gdzie nagrzewa się głowica wymiennika górnego źródła ciepła silnika Stirlinga do temperatury 500°C. Osiągnięcie takiej temperatury w górnym źródle zapewnia stabilną pracę silnika z maksymalną sprawnością kogeneracji. W przypadku opalania zewnętrznej komory spalania paliwami stałymi gazowymi lub płynnymi o niskiej jakości nagrzewa się osłona karborundowa, która poprzez promieniowanie przekazuje ciepło do głowicy górnego źródła ciepła.

Różnica temperatur na długości komory spalania, utrzymuje się na poziomie 800-780°C. Utrzymanie stabilnej temperatury zapewnia cyrkulacja gorących spalin przez kierownicę do komory wtórnej cyrkulacji. Temperatura wynosi tam ok. 720°C co zapewnia utrzymanie stabilnej temperatury w komorze spalania. Taki rozkład temperatur pozwala na utrzymanie stałej temperatury głowicy górnego źródła ciepła na poziomie 500°C. Stabilizację termiczną górnego źródła uzyskuje się również dzięki karborundowej osłonie, jest to istotne między innymi w przypadku spalania paliw stałych, głównie biomasowych, o nierównomiernej wartości opałowej. Wysoka temperatura w obszarze głowicy górnego źródła zapewnia jego stabilne ogrzewanie do temperatury 500°C co zapewnia równomierną pracę silnika Stirlinga. W przypadku zastosowania paliw stałych, wysoka temperatura w komorze spalania, powoduje także na powierzchni osłony głowicy dokładne dopalanie cząstek palnych unoszonych ze spalinami co przyczynia się do tego, że na głowicy górnego źródła ciepła nie osadzają się zanieczyszczenia i w ten sposób nie obniżają jej sprawności ewentualnie - nie powodując zniszczenia. W tak realizowanym procesie spalania komora i głowica górnego wymiennika ciepła nie wymagają czyszczenia z tzw. nagarów osadów itp. Proces czyszczenia w takim przypadku może odbywać się w trakcie np. rocznych czy dwuletnich przeglądów konserwacyjnych.

W przypadku paliw ciekłych lub biomasy budowa komory zewnętrznego spalania jest taka sama jak wyżej. Różnica jedynie polega na tym, że zastosowany jest wtedy typowy palnik do spalania paliw ciekłych lub do spalania biomasy lub palnik retortowy.

Taki sposób realizacji cyrkulacji spalin zapewnia utrzymanie stałej wysokiej temperatury w obszarze procesu spalania tj. palnika i głowicy górnego źródła ciepła silnika Sterlinga. Całość komory jest zaizolowana wykładziną izolacyjną o wysokiej odporności termicznej. Temperatura zewnętrzna obudowy nie może być wyższa niż 40°C.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia komorę spalania zintegrowaną z silnikiem Stirlinga w widoku ogólnym, a fig. 2 obudowę z ożebrowaniem.

Przykład I. Zewnętrzna komora spalania 14 silnika Stirlinga zintegrowana jest w górnej części z silnikiem Stirlinga 1. Głowica górnego źródła ciepła 2, stanowiąca część silnika i umieszczona w dolnej jego części, wpuszczona jest do komory spalania 3, a w celu zabezpieczenia jej przed osadami mineralnymi i niedopalonym węglem (sadze) osłonięta jest karborundową (lub ceramiczną ogniotrwałą) osłoną 12 z ożebrowaniem 13. Głowica górnego źródła ciepła 2 wraz z osłoną głowicy 12 umieszczone są w komorze spalania 3. Komora spalania 3 połączona jest kierownicą 10 z komorą wtórnej cyrkulacji spalin 4, która umieszczona jest dookoła komory spalania 3. Komora wtórnej cyrkulacji 4 połączona jest z wylotem gorących spalin 9 z komorą trzeciej cyrkulacji spalin 5, umieszczoną pod komorą wtórnej cyrkulacji 4 i do niej przylegającą. Komora trzeciej cyrkulacji spalin 5 posiada wylot spalin 8 kierujący je do czopucha. W dolnej części, pod głowicą górnego źródła 2 w komorze spalania 3, osadzony jest zespół palnika 6 zawierający palnik. Popiół z palnika 6 spada do komory odpopielania 7 i z komory odpopielania okresowo usuwany jest na zewnątrz. Zewnętrzna komora spalania, do której przyłączony jest silnik Stirlinga posiada izolację termiczną 11. Izolacja termiczna 11 wykonana jest, z maty z włókien glinokrzemianowych odpornej na temperatury do 1100°C. W przykładzie wykonania do spalania paliw stałych stosowany jest palnik retortowy typu PPSM przeznaczony do spalania węgla kamiennego występującego w postaci miałów i groszku. Rozdrobnione paliwo podawane jest przenośnikiem ślimakowym z zasobnika do palnika 6. Konstrukcja komory spalania wykonana jest ze stali żaroodpornych charakteryzujących się granicą wytrzymałości termicznej ok. 1000°C - w przykładzie wykonania jest to stal HI3JS.

Zewnętrzna komora spalania ogrzewana jest za pomocą zespołu palnika 6 osadzonego w jej dolnej części. Paliwo do palnika dostarcza się poprzez system napaliwiania tj. zbiornika paliwa i systemu dozowania paliwa do palnika. Gorące spaliny, będące produktem spalania paliw, o temperaturze ok 800°C przepływają, na skutek wytworzonego w sposób naturalnego ciągu, do górnej części komory spalania 3 tzw. adiabatycznej komory pierwotnej recyrkulacji, omywają ożebrowaną 13 osłonę 12 i ogrzewając ją do temperatury ok 780°C. Transport ciepła z osłony głowicy 12 do głowicy górnego źródła ciepła 2 odbywa się poprzez promieniowanie. W celu intensyfikacji wymiany ciepła, zewnętrzna powierzchnia głowicy odbierająca ciepło od gorących spalin obudowana jest żebrami 13, których rola polega na rozwinięciu powierzchni wymiany ciepła, co sprzyja ustaleniu się korzystnych warunków procesowych wymiany ciepła przekazywanego poprzez promieniowanie do górnego źródła ciepła 2 silnika Stirlinga 1. Temperatura w tej części komory spalania 3 wynosi 700-780°C. Niewielkie zmiany temperatury na długości komory spalania 3 i utrzymanie stabilnych warunków temperaturowych, szczególnie w jej górnej części, spowodowane są niewielkim gradientem temperatur między komorą spalania 3, a komorą wtórnej cyrkulacji 4, gdyż gorące spaliny przepływając przez kierownicę 10 z komory spalania 3 do komory wtórnej cyrkulacji spalin 4 zapewniają utrzymanie warunków adiabatycznych w komorze spalania 3. Zastosowana cyrkulacja spalin przez komorę wtórną 4 oraz izolację komory spalania 3 od otoczenia, powoduje utrzymanie stałych warunków temperaturowych w obrębie głowicy górnego źródła ciepła 2 silnika Stirlinga 1. Takie warunki cieplno-przepływowe zapewniają równomierny proces ogrzewania głowicy górnego źródła ciepła 2 co przekłada się na stabilne w czasie wytwarzanie energii elektrycznej kierowanej do odbiorcy. Poprzez komorę wtórną cyrkulacji 4 spaliny przez kierownicę 9 przepływają do komory trzeciej 5, skąd poprzez króciec wylotu spalin 8 spaliny o temperaturze 470-500°C, usuwane są na zewnątrz. Popiół z procesu spalania paliw stałych usuwany jest do popielnika 7, skąd okresowo przez obsługę usuwany jest na zewnątrz.

Claims (4)

1. Zewnętrzna komora spalania zawiera silnik Stirlinga, komorę spalania i zespól palnika, gdzie w górnej części ma silnik Stirlinga (1) z głowicą górnego źródła ciepła (2) wpuszczoną do komory spalania (3) i osłonięta ożebrowaną (13) osłoną (12), gdzie głowicą górnego źródła osadzoną ciepła (2) z osłoną (12) umieszczone są w komorze spalania (3), a komora spalania (3) połączona jest kierownicą (10) z komorą wtórnej cyrkulacji (4) osadzoną z boku komory spalania (3), która to komora wtórnej cyrkulacji (4) połączona jest kierownicą wylotu gorących spalin (9) z komorą trzeciej cyrkulacji spalin (5), umieszczoną pod komorą wtórnej cyrkulacji (4), zaś komora trzeciej cyrkulacji spalin (5) posiada wylot spalin (8), natomiast w dolnej części, pod głowiącą górnego, źródła (2) w komorze spalania (3) osadzony jest zespół palnika (6), posiadająca izolację termiczną (11), korzystnie na całej szerokości i wysokości zewnętrznej komory spalania (14) znamienna tym, że wykonana jest ze stali żaroodpornych o wysokiej granicy wytrzymałości termicznej, korzystnie 900-1200°C, a najkorzystniej ze stali HI3JS.

2. Zewnętrzna komora spalania według zastrz. 1 znamienna tym, że przekrój zewnętrznej komory spalania (14) stanowi okrąg lub wielokąt korzystnie kwadrat lub prostokąt.

3. Zewnętrzna komora spalania według zastrz. 1 albo 2 znamienna tym, że przekrój komory spalania (3) stanowi okrąg lub wielokąt korzystnie kwadrat lub prostokąt.

4. Zewnętrzna komora spalania według zastrz. 1 albo 2 albo 3 znamienna tym, że przekrój komory wtórnej cyrkulacji (4) stanowi okrąg lub wielokąt korzystnie kwadrat lub prostokąt.