Вихревой смеситель в топливнике

История одного патента.

Мое изобретение – вихревой смеситель. Громко звучит, но на самом деле, все давно было изобретено - стоило лишь сопоставить факты и применить уже имеющиеся устройства в технике, но только для случая горения.
Предистория этого вопроса записана здесь
Эта штука позволяет сжигать топливо в печах с меньшим потреблением кислорода воздуха. Фактически воздуха в печь с моей установкой, можно подавать на 1 кг топлива – порядка 6-8 м3, в то время как сегодня в печном мире эта цифра – 10-12м3. В результате в печи меньше паразитного, не участвующего в горении воздуха. Другими словами, это тот воздух, который транзитом проходит через печь и выносит тепло. Приятные моменты можно обнаружить в более полной реакции горения и сокращении потребления топлива. Также, уменьшается вредный выброс в атмосферу и уменьшается сажеобразование на стенках печи. Первые печи с таким (или подобным) содержанием я делал уже в 2011 году. За 3 года накоплен в целом положительный опыт. Отклики заказчиков позволили данную схему оптимизировать.

Что такое Вихревой смеситель

Вот иллюстрация
Возьмем 10 чайных ложек сахара и насыплем в стакан с теплым чаем без перемешивания. Теперь, если сразу выпить таким образом полученную жидкость, то сахар на вкус едва ли почувствуется, несмотря на его переизбыток. Сахар останется на дне стакана.
Изменим опыт. Вместо 10 чайных ложек, возьмем только 2, как я предпочитаю. Конечно, если это не черный и не зеленый чай: я пью только травяные. Возьмем ложкой перемешаем жидкость -4-5 обычных оборотов. Жидкость теперь будет сладкая, хотя сахара в 5 раз меньше, чем в первом опыте. В чем разница? Вы скажете, во втором случае была ложка! Вот именно.
В современных топливниках как раз и не хватает такой ложки! Там как раз сценарий по первому нашему опыту с сахаром.
А я предлагаю сценарий по второму опыту. Тут вихревой смеситель и является ложкой для перемешивания. На рисунке снизу видим два ряда топливника – желтый кирпич.

Воздух для горения подается через межфутеровочную щель ( синий карандаш). Эти щели заглушены термоизолятором, чтоб воздух не попадал в конвективную систему (зеленый карандаш). Вихревые заходы сделаны в данном случае справа и слева на рисунке. Снизу у нас проем под загрузочную дверку, сверху канал конвективной системы на рисунке. Просто каждый кирпич кладки вихревого канала подрезается на 45 градусов, образуя сопло-щель в узком месте 10-15 мм, через которую и проникает воздух в топливник. Такой способ подачи воздуха вызывает пониженное давление за потоком, которое, в свою очередь вызывает закручивание потока с образованием вихря (черные стрелки). Общее движение воздуха по топочной камере будет напоминать движение циклоиды с макровращением (как показано красными стрелками). Принципиально можно организовать вихревой смеситель и только с одной стороны или с трех, и даже с четырех. Более того, это осуществимо для любой геометрии топки (треугольной, пятиугольной, n-угольной). При этом, под топливника моет быть глухим, может сочетаться с колосником. Подача воздуха может быть с улицы или из помещения.
Есть еще и дополнительный положительный эффект: воздух, что попадает в топливник, предварительно нагревается в межфутеровочном пространстве.

ФИПС и вихревой смеситель.

С нашим патентным ведомством ФИПС лучше не связываться.

Во-первых, оформление это происходит с огромным трением и не радостно во всех отношениях.

Во-вторых, за свое изобретение нужно платить при оформлении, а потом платить за поддержку патента регулярно по 12 000 руб , если хотите, чтоб он был в силе (ФИПС будет упорно трудиться над тем, чтоб законы физики не поменялись для вашего случая пока вы оплачиваете и изобретение работало!).

В-третьих, ожидаемых дивидендов это не принесет: у нас в стране лицензий не покупают, но результатами все пользуются.

Исключения, конечно, есть, что только доказывает озвученный выше принцип.
У меня переписка с ФИПС отняла 2 года. Нет настроения все вспоминать. Чашу моего безграничного терпения переполнило самое последнее обстоятельство. Эксперту ФИПС не понравилось, что в названии присутствует слово плазменный. Мне стали объяснять, что такое плазма, согласно словарю! Хотя согласно того же словаря составной частью огня является низкотемпературная плазма (и не только она). Будто бы в топливнике нет огня!

ниже размещаю фрагмент статьи на лапидарном языке

ПЛАЗМЕННО-ЦИКЛОННЫЙ СМЕСИТЕЛЬ

Изобретение относится к энергетике, может быть использовано для производства тепловой энергии от сжигания и дожигания углерод содержащих соединений (таких видов топлива, как дрова, каменный, бурый уголь, угольная пыль, щепа, опилки, торф, газ, нефть и т.д.) с низким выбросом вредных веществ в атмосферу; изобретение применимо как в промышленности, например, в технологических и теплофикационных цепях, так и в быту, в частности, в обычных бытовых печах.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является создание оптимальных условий для химической реакции горения, отделение балластных газов, продление времени химического взаимодействия рабочей смеси, увеличение температуры рабочей смеси и уменьшение вредного выброса углерод содержащих веществ.
Данная задача решается за счет того, что плазменно-циклонный смеситель, характеризующийся тем, что имеет смесительную камеру (1,2,3,12,20,28), состоящую из трех вертикально стоящих (1,2,3) секций, с сечением круглой, или треугольной, или квадратной, или пятиугольной, или шестиугольной или любой N-угольной формы, где N- любое целое число >2, расположенные одна над другой; к первой (1) секции подведены симметрично расположенные вихревые каналы (например: 7,8,9,10,11) в количестве не менее одного канала, для подачи воздуха в смесительную камеру, ко второй (2) секции подведены симметрично расположенные вихревые каналы (например: 15,16,17,18,19) в количестве не менее одного канала, для подачи углерод содержащих газов или угольной пыли в смесительную камеру; при этом каждый из вихревых каналов (например: 7,8,9,10,11 и 15,16,17,18,19) представляет собой коридор, суживающийся в направлении смесительной камеры (1,2,3,12,20,28) и направленный вдоль стенки смесительной камеры в одном директивно выбранном направлении (или только по часовой, или только против часовой стрелки), и, как следствие, вызывает вихревые потоки вдоль стенки смесительной камеры в заданном направлении формы циклоиды вокруг центральной вертикальной оси смесительной камеры; от третьей (3) секции отходит развихритель (4), представляющий собой разветвленные каналы для горячих газов, направленные вдоль стенки смесительной камеры, но в направлении противоположном направлению каналов первой и второй секции; содержит в третьей (3) секции диафрагму (5) для сброса холодных газов, представляющую собой крышку плазменно-циклонный смесителя с отверстием в центре радиуса Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является перемешивание рабочей смеси в вертикальном и в горизонтальном направлении, что позволяет протекать реакции горения при минимальном количестве балластного воздуха; естественное разделение горячих, прореагировавших газов от холодных, не участвующих в горении газов, с возможностью дальнейшего использования горячих газов в теплотехнических целях; горение рабочей смеси с её вращением по циклоиде продлевает путь взаимодействия этих газов при фиксированной скорости под действием естественной тяги трубы (или принудительной если она используется) на величину L= 2*pi*R*N; где pi=3.149265 – число пи, R – радиус циклоидного смесителя горения, N - количество оборотов, которые совершит рабочая смесь вдоль стенки смесителя; рабочая смесь в виде плазмы дольше удерживается в зоне смесителя на величину t=L/v, где v – линейная скорость газов под действием естественной тяги трубы (или принудительной если она используется), что приводит к увеличению времени химического взаимодействия и увеличивает процент прореагировавших газов; задерживание рабочей смеси в зоне смесителя приводит к увеличению температуры в плазменно-циклонном смесителе, а, следовательно, и вовлечение в реакцию горения углеродсодержащих газов с более высокой температурой химического взаимодействия, увеличивается производительность и повышается КПД сжигания.
На рисунке сверху - плазменно-циклонный пятигранный смеситель горения в составе бытовой печи – вертикальные разрезы. Обозначения: 1 - первая секция плазменно-циклонного пятигранного смесителя , 2 - вторая секция плазменно-циклонного пятигранного смесителя, 3 – третья секция плазменно-циклонного пятигранного смесителя, 4 – развихритель, 5- диафрагма, 6 - труба
На рисунке сверху - –плазменно-циклонный пятигранный смеситель горения в составе бытовой печи – разрез в плане первая (1) секция. Стрелками показано направление движения воздуха. Пять больших вихрей создают внешнее макро движение в направлении подачи вторичного воздуха , внутри образуется вихревой столб, вращающийся в противоположную сторону внешнему макро движению. Обозначения : 7,8,9,10,11 - каналы для подачи воздуха в смесительную камеру; 12 – первая (1) секция плазменно-циклонного пятигранного смесителя горения, 13 –камера предварительного нагрева воздуха, 14 – внутренняя перегородка камеры предварительного нагрева воздуха.
На рисунке сверху - – плазменно-циклонный пятигранный смеситель горения в составе бытовой печи – разрез в плане вторая (2) секция. Стрелками показано направление движения рабочей смеси. Пять больших вихрей создают внешнее макро движение в направлении подачи топливной смеси, внутри образуется вихревой столб, вращающийся в противоположную внешнему макро движению. Обозначения:15,16,17,18,19 - каналы для подачи углерод содержащих газов или угольной пыли, в смесительную камеру; 20 – вторая (2 секция плазменно-циклонного пятигранного смесителя , 21 –камера первичного горения, 22 – внутренняя камеры первичного горения
На рисунке сверху - – плазменно-циклонный пятигранный смеситель в составе бытовой печи – разрез в плане третья (3) секция. Стрелками показано направление движения рабочей смеси. Пять больших вихрей объединенных в одно макродвижение, распадаются в каналах (23,24,25,26,27 ) развихрителя (4) и попадают в конвективную систему для использования в теплотехнических целях. Обозначения:23,24,25,26,27 - каналы развихрителя (4); 28 – третья (2) секция плазменно-циклонного пятигранного смесителя, 29 – конвективная система, зона теплообмена. Устройство работает следующим образом. В первой, нижней (1) секции через (7,8,9,10,11) каналы, направленные вдоль стенки плазменно-циклонного смесителя в одном выбранном направлении (по часовой или против часовой стрелки), подается воздух. В средней, второй (2) секции через(15,16,17,18,19) каналы, направленные вдоль стенки плазменно-циклонного смесителя в той же ориентации (по часовой или против часовой стрелки), подается смесь углерод содержащих газов. Способ подачи через (7,8,9,10,11 и 16,17,18,19) каналы, выполненные согласно данному описанию, гарантированно вызывает вихревое циклоидное движение горячих газов вдоль стенки смесителя в директивно заданном данными каналами направлении. Смесь в вихревом движении тщательно перемешивается и вступает в химическую реакцию горения. Не прореагировавшие, холодные, и балластные газы отбрасываются к центру смесителя, как имеющие меньшую кинетическую энергию и получают направление вращения противоположное внешнему макро-вращению и далее поступают в третью (3) секцию и через диафрагму (5) в трубу (6). Горячие газы в третьей (3) секции забираются развихрителем (4) через (23,24,25,26,27) каналы в конвективную систему (29) для использования в теплотехнических целях и после утилизации сбрасываются в трубу (6).

экономическая выгода

Экономическая выгода от применения плазменно-циклонного смесителя в установках по сжиганию углерод содержащего топлива, может быть оценена следующим образом. Учитывая эффект тщательного перемешивания смеси, считаем, что реакция горения поддерживается минимальным, то есть стехиометрическим, количеством кислорода воздуха. Рассчитаем для определенности экономическую выгоду от применения циклоидного смесителя горения в обычной среднестатистической дровяной печи, рассчитанной на теплопотери среднестатистического помещения в 40 м2 с тепловыми потерями в 50 вт/м2 , то есть для печи мощностью 2 кВт., при этом считаем, что 1 кг дров выделяет в среднем – 2.7 кВт*ч химической энергии, а коэффициент избытка воздуха для существующих теплотехнических устройств, работающих на дровах равен, усреднено 1.7, что соответствует расходу воздуха в 10.2 м3 на 1 кг дров. Тогда получим, что суточный расход дров на это помещение должен составить величину M, которая определится следующим образом: M=2 кВт*24час*1кг / 2.7 кВт*ч = 17.7кг дров.
Суточный расход воздуха от сжигания 17.7 кг дров в среднестатистической печи составит величину V1, определяемую выражением: V1= 17.7 кг * 10.2 м3 / 1 кг = 180 м3 (округленно)
С использованием плазменно-циклонного смесителя, суточный расход воздуха V2 для печи аналогичной мощности определится так: V2= 17.7 кг * 6м3 / 1 кг = 106 м3 (округленно).
Это значит, что использование плазменно-циклонного смесителя в дровяной печи мощности 2 кВт обеспечит процесс химического горения при меньшем объеме воздуха на 74 м3, чем существующие среднестатистические дровяные печи такой же мощности.
Любой воздух, проходящий через печь, нагревается, и на срезе трубы имеет температуру в среднем (для оценки) 150 С. Если предположить среднюю температуру воздуха на входе в установку в отопительном сезоне -10С, то получим следующую оценку для потери мощности установки Q от выноса тепла балластным воздухом: Q =cm(T1-T2)=cVp(T1-T2), где c =1.005 кДж/кг*К - удельная теплоемкость воздуха, m=Vp – масса избыточного воздуха, V = 74м3 – объем избыточного балластного воздуха, p =1.2 кг/м3 – средняя плотность воздуха для нормальных условий, T1- температура на срезе трубы, T2 – температура воздуха на входе в установку. Подставляя величины в формулу для потери мощности Q, получим: Q=1.005 кДж/кг*К *74м3 * 1.2 кг/м3 *(423К -263К)=14279 кДж, что соответствует 4 кВт*час, то есть сжиганию примерно 1.5 килограмма дров или 8.5 % от общего суточного потребления дров печи данной мощности. То есть приблизительный экономический эффект от применения плазменно-циклонного смесителя– экономия 8.5% топлива.

Эта оценка экономической выгоды от использования плазменно-циклонного смесителя может отличаться от реальной, так как действительные температуры газов на срезе трубы могут быть выше, чем 150С. Кроме того в трубе плазменно-циклонного смесителя допускается усредненная температура на внешнем срезе даже менее 100С, так как это не приведет к конденсатообразованию, ведь у стенки трубы циклоида имеет повышенную температуру; и тогда экономический эффект от использования устройства ещё выше, чем 8.5%. В этой оценке не учтено также, что плазменно-циклонный смеситель продлевает путь взаимодействия рабочих газов на величину L, определяемую приблизительной формулой L= 2*pi*R*Z; где pi=3.149265 – число пи, R – радиус плазменно-циклонного смесителя, Z - количество оборотов, которые совершит рабочая смесь вдоль стенки смесителя; поэтому рабочая смесь в виде плазмы дольше удерживается в зоне смесителя на величину t, определяемую формулой t=L/v =2*pi*R*R*Z/w , где v – средняя линейная скорость газов, w –средняя угловая скорость газов. Время t - это дополнительное время химического взаимодействия в плазменно-циклонном смесителе, за которое вовлекаются в реакцию горения углеродсодержащие газы с более высокой температурой химического взаимодействия, увеличивается производительность, повышается КПД сжигания, уменьшается выброс вредных веществ.
Также не учтено, то, что химическая реакция пройдет гораздо полнее. Из сказанного, можно справедливо утверждать, что 8.5% экономии это только осторожная нижняя оценка, верхняя должна быть гораздо выше
Назад

Privacy