Новая система сжигания топлива с PS

Новая система сжигания топлива и перспективы её применения.

Суть и отличие нашей системы сжигания топлива от других систем. Классификация энергоустановок (теплогенераторов) по механизму движения газового потока.

Системы с принудительным движением газов (далее, системы ПДГ), к которым относятся: Конвективные системы с последовательно соединёнными каналами. Параллельные конвективные системы (в том числе система противотока). Комбинированные конвективные системы; Эти системы применяются в настоящее время в Мире.
Система свободного движения газов (далее, системы СДГ), к которым относится бесканальные (колпаковые) конвективные системы. Эта системы развита мной.

В печах системы ПДГ горячие газы под действием тяги трубы протаскиваются по каналам вверх-вниз, влево-вправо. В процессе движения по каналам горячие газы отдают тепловую энергию стенкам, постепенно при этом остывая. Печь прогревается не равномерно, в связи с этим повышается опасность трещинообразования. В этих печах нет места для размещения теплообменника, кроме топливника.

В бесканальных – колпаковых печах конвективная система состоит из последовательно соединенных колпаков. При движении через колпак горячие газы, как более легкие, поднимаются вверх и собираются в колпаке, где равномерно отдают тепло стенкам или теплообменнику, находящемуся в нем. Более холодные тяжелые газы проходят низом колпака, в следующий колпак или трубу, не воздействуя на теплообменник.

Система свободного движения газов (СДГ) в теплогенераторах в трактовке Кузнецова И.В.

Теплогенераторы строятся по формуле "Нижний ярус и топливник объединены в единое пространство и составляют нижний колпак". Суть формулы. Речь идет о сжигании топлива в топливнике, размещенном в колпаке и оптимальном использовании выделившейся при этом тепловой энергии. Суть концепции: получить из топлива максимальное количество тепла при его сжигании; полученную теплоту использовать в максимальном объёме; конструкция теплогенератора должна отвечать функциональным требованиям и обеспечивать максимальную теплоотдачу.

Колпак, это перевернутый вверх дном сосуд. Заполним колпак порцией горячего воздуха. Горячий воздух, как более легкий поднимется вверх, вытеснит холодный тяжелый воздух из колпака, и будет находиться там, пока не отдаст свое тепло стенкам колпака. В результате получим систему, аккумулирующую тепло горячего воздуха в ограниченном объеме. Движение горячего воздуха в колпаке происходит за счёт естественных сил природы и не требует внешней энергии. Если пропускать через нижнюю зону колпака поток горячего воздуха, то колпак аккумулирует его тепло. Тепло горячего воздуха будет передаваться стенкам колпака и теплообменнику, помещенному внутрь колпака, а избыток тепла (охлажденный воздух) выходят наружу. Теплообменником могут быть регистры водяного котла, калорифер воздушного отопления, реторта для газификации топлива и т.п.

Движущийся газовый поток в теплогенераторе с любой конвективной системой, переносит тепловую энергию и продукты сгорания. Что бы выяснить разницу механизма движения газового потока в системах ПДГ и СДГ представим, что источником тепла является электрический обогреватель. В этом случае не надо удалять продукты сгорания. В системе СДГ, например печи двух ярусный колпак, происходит перенос тепловой энергии за счет естественных сил природы даже с закрытой задвижкой трубы (без тяги трубы). Теплопередача происходит во времени и если колпак и теплообменник не успевают воспринять все тепло электрического обогревателя, то его избыток в виде отработанного горячего воздуха будет поступать во второй колпак. Во втором колпаке перенос тепловой энергии происходит по той же схеме, что и в нижнем колпаке. Этот процесс передачи тепловой энергии и отражает суть названия системы, «свободного движения газов (СДГ)». Для удаления продуктов сгорания, если источником тепловой энергии является сжигание топлива, необходима тяга трубы. Следует отметить, что движение газов внутри колпака будет турбулентным.

В отличие от системы СДГ, в системе ПДГ перенос тепловой энергии возможен только при наличии тяги трубы. В процессе движения по каналам горячие газы отдают тепловую энергию стенкам, постепенно при этом остывая. Печь прогревается не равномерно, в связи с этим повышается опасность трещинообразования. В этих печах нет места для размещения теплообменника, кроме топливника.

В этом и заключается суть разницы в механизме передачи и использования тепловой энергии в выше указанных системах.

Следует отметить существенную разницу в системе СДГ разработанной И.В. Кузнецовым и системе СДГ, основу теории которых заложил профессор В. Е. Грум-Гржимайло, а продолжил кандидат технических наук И. С. Подгородников.

В системе разработанной Кузнецовым И.В. речь идет о «сжигании топлива в колпаке и оптимальном использовании выделившейся энергии», в отличие от системы, разработанной Грум-Гржимайло В.Е. и Подгородниковым И.С., где речь идет только об «оптимальном использовании выделившейся энергии». Система, предлагаемая Кузнецовым И.В., дает возможность создания бесчисленного множества теплогенераторов (энергоустановок) различного функционального назначения и мощности. В том числе создания газогенераторных теплогенераторов различной мощности, работающих на различных видах топлива (в том числе бытовых и промышленных отходах), установок углежжения. При этом обеспечивается полная управляемость процессом сжигания топлива без снижения КПД при работе установки с пониженной мощностью. Топливом может быть то, что при нагревании разлагается на летучую часть и твердый остаток, и при добавлении в которое кислорода воздуха, при высокой температуре, происходит горение.

Новизна теплогенераторов системы СДГ, разработанной Кузнецовым заключается в организации сжигания топлива в колпаке. Топливник теплогенератора устанавливается в колпак и объединяется с ним в единое пространство. Этой формулой предусматривается обязательное наличие сухого шва. Сухой шов, это вертикальная щель шириной 2-3 см. соединяющая топливник и колпак. Топливник может быть различный, как по конструктивному исполнению, так и по принципу сжигания топлива. Это может быть принцип верхнего горения, принцип нижнего горения, принцип обратного горения, принцип газогенерации и т.д. Топливо может сжигаться любое. Как о простейшем случае сжигания топлива в колпаке можно говорить о сжигании топлива в русской печи. При сжигании топлива в колпаке большого объема такого вида нельзя добиться оптимальных условий сжигания топлива. Требуется провести сжигание топлива в ограниченном объеме.

Газы (продукты сгорания) из теплогенератора любой системы удаляются естественной или искусственной тягой. При искусственной тяге, выполняется дутьё для воздуха, и разрежение для газов (дутьё-тяга).С помощью дутья-тяги можно получить в топке, как разрежение, так и избыточное давление. Превышение одного над другим вредно. Поэтому давление в топке должно быть равное наружному, или чуть меньше. Испытания печи во Франции показали, что теплогенераторы системы СДГ могут работать с разрежением в топливнике 1мм водяного столба. В таких условиях возникающий газовый поток (продукты реакции горения), разделяется на холодную и горячую составляющую. Для лучшего понимания этого процесса рассмотрим следующее.

Некоторые свойства колпака при равенстве дутья-тяги и пропускании через нижнюю зону колпака потока холодного воздуха:

Если через нижнюю зону колпака, заполненного горячим воздухом, пропускать поток холодного воздуха, то тепловое состояние внутри колпака существенно не изменится независимо от скорости прохождения потока. По аналогии движения воды над глубоким омутом.
То же самое будет, если в нижней зоне колпака установлен электрический обогреватель и все поступающее тепло воспринимается стенками колпака и теплообменником установленным там.
Если поступающее в колпак тепло от электрического обогревателя, в единицу времени, не воспринимается полностью теплообменником и стенками колпака, то избыток тепла уносится потоком. При этом уносится отдавший тепло воздух. Количество уносимого тепла существенно не зависит от скорости потока.
Если поступающее тепло в колпак образуется в результате сжигания топлива, то часть кислорода воздуха поступающего в колпак расходуется на горение, а из колпака выходят балластные и отдавшие тепло газы.

Суммируя изложенное в п.1-4, можно сделать важные выводы. В теплогенераторах системы СДГ при равенстве дутья-тяги происходит разделение газового потока продуктов реакции горения на его отдельные составляющие по степени нагрева. Горячие газы направляются на теплообменник, а холодные удаляются из колпака. Количество подаваемого воздуха выше теоретических пределов не снижает температуру газового потока идущего на теплообменник.

Продуктом реакции горения является углекислота, водяные пары от сгорания водорода, азот как составляющая часть воздуха, избыточное количество воздуха, не принявшего участия в горении, а так же водяные пары от выпаривания воды, содержащегося в топливе. Это балластные газы. Они участия в горении не принимают, а только нагреваются за счет теплоты сгорания углерода и водорода, то есть забирают полезное тепло. Молекулы всех перечисленных газов совершенно самостоятельны, не сцеплены между собой, (имеют свой атомный вес и нагрев.) (И.И. Грингауз "Паровые котлы", НКЭП СССР, Москва 1940 Ленинград, стр.53.) В условиях колпака наиболее горячие газы, составляющие поток, и тепло поднимаются вверх, заполняют колпак и воздействуют на его стенки и теплообменник. Балластные газы, имеющие меньшую температуру и больший вес, опускаются вниз, откуда за счет дутья-тяги или тяги трубы удаляются наружу, минуя теплообменник. В отличие от этого, в теплогенераторах системы ПДГ поток горячих газов разбавлен балластными газами, снижающими его температуру. Кроме этого там нет места для размещения теплообменника, кроме топливника. Холодный теплообменник в топливнике снижает в нем температуру, ухудшая условия сгорания топлива.

При построении теплогенератора по выше указанной формуле, подаче оптимального количества первичного и вторичного воздуха, хорошем перемешивание воздуха с топливом, правильном устройстве топки, разделения потоков холодных и горячих газов, отсутствия в топливнике холодного ядра, регенерации, устройства катализатора горения и т.д. изменяются условия сгорания топлива. В топливнике повышается температура и возникает высокотемпературный процесс горения, который обеспечивает прогрев и газификацию топлива при температуре около 1060 градусов при чистом горении.

Влияние балластных газов на процесс горения и теплотворную способность топлива можно проследить на примере сжигания ацетилена при газосварочных работах. Теплотворная способность ацетилена будет зависеть от вида применяемого окислителя. Если подавать в зону горения воздух, вместо кислорода, то температура реакции горения и энергия изъятая из ацетилена будет недостаточна для резки и сварки металла.

На основе изложенного я ставлю вопрос о нахождении источника финансировании работ по созданию опытного образца газогенераторного теплогенератора, проведении на нем экспериментальных работ по сжиганию различных видов топлива, доводки его до необходимых параметров и запуска в производство. Результатом такой работы может стать создание большого ряда энергоустановок различного назначения, в различных отраслях.

25.11.2006 © Igor Kuznetsov "Kuznetsov's stoves"

P.S.

Комментарии и вопросы, поступающие мне после опубликования статьи, показали, что я не достаточно подробно и ясно отразил существо темы. Некоторые вопросы показались мне интересными и аргументированными и имеют принципиальное значение в понимании сути нашей системы и отличие от других систем сжигания топлива. По этой причине привожу их полностью, а так же мои ответы на них.

Вот что написал мне печник из С.-Петербурга, он же автор "Указателя проектов печей и каминов, опубликованных в России за последние 100 лет" Миркис С.М. mirkis@cards.lanck.net .

Спасибо большое, что проинформировали о новой статье. Я ее уже включил в "Указатель …". Но, наверное, я бы Вас мало этим удовлетворил, если бы не задал ряд вопросов. Эти вопросы не вытекают из реальных проектов печей Подгородникова И.С. и его книг, а возникают они из его диссертации. Эти вопросы выделены в приложении прямо по тексту диссертации.

Знаю и верю, что Вы делаете большое дело. Но возможно, я не так глубоко понимаю Ваш текст, и может быть не только я. Возможно, нужно более четко дать отличия. Буду рад, если Ваши ответы помогут яснее понять текст именно этой статьи без обращения к предыдущим статьям.

Вопросы Миркиса С.М. вставлены в текст диссертации И.С. Подгородникова и выделены курсивом. Мои комментарии и ответы выделены жирным курсивом.

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискания ученой степени кандидата технических наук инженера И.С. Подгородникова

Москва, 1950Г. V.

ОТОПИТЕЛЬНАЯ ПЕЧЬ «ДВУХЭТАЖНЫЙ КОЛПАК»

1. Общее описание.

В описанной выше «Двухколпаковой» печи сохранилось «вольное» движение газов, но в сравнении с печью Грум-Гржимайло она стала прогреваться внизу сильнее, чем вверху и, кроме того, в ней исключено сажеобразование. Оно возможно лишь при перегрузке топливного устройства, но этой перегрузки легко избежать, наблюдая через гляделку за выходными отверстиями колпака. Языки красного пламени из отверстий колпака показывают, что топливное устройство работает с перегрузкой и поэтому с некоторым несовершенством горения. Удлинив время топки путем уменьшения одновременной загрузки топлива и регулировкой поддувальной дверцей или задвижкой легко можно получить бездымное (без сажи) горение.

В этом случае речь идет о перенапряжении удельного теплового напряжения топочного объема. При этом топливник размещается в колпаке и не отделен от него. Сжигание происходит как в традиционной русской печи. Подчеркивается «некоторое несовершенство горения».

В печи «двухэтажный колпак» нижняя половина печи не только прогревается во время топки сильнее верхней, но тепло, аккумулированное в нижней половине печи, сохраняется внизу все время остывания печи. Перенос тепла снизу вверх путем внутренней циркуляции газов невозможно. Одновременно сохраняется «вольное» движение газов, «газовая вьюшка», отсутствует выпадение сажи...

Принципиальная схема печи указана на ris. 40. На фиг.1 и 2 дан разрез печи по 2-2 фиг.3; фиг.3 разрез печи по 1-1 на фиг.1; фиг.4 разрез по 1-1 фиг.1 при квадратной форме печи в плане.

Печь состоит из нижнего колпака 1 и верхнего 2, соединенных каналом 3. высота стенки 4 топливника над решеткой определяется родом топлива и делается приблизительно 14 см для угля и 21-28 см для дров. Такая толщина слоя топлива обеспечивает горение с нормальным избытком воздуха. С уровня перевальной стенки 4 начинается стенка 5, отделяющая колпак 1 от канала 3. (Мне кажется, что это эквивалент «сухого шва» - щели. Ибо если стенка 4 будет более высокой, чем показано на рис., то для выполнения указанного выше условия ее надо «дырявить») . Колпаку 1 придаются размеры, (далее идет текст, из которого следует, что Подгородников думал не только об оптимальном использовании выделившейся энергии, но и о сжигании топлива в колпаке) обеспечивающие полноту горения. Границы, определяющие его величину, его объем, устанавливаются следующими соображениями. Колпак должен иметь объем не меньше того объема, какой требуется, чтобы напряжение топочного объема не превышало допустимых норм.

В силу этих соображений объем его следует увеличить насколько возможно. Границей, ставящей предел этому увеличению, является следующие соображение. При большом объеме топки увеличивается потеря тепла топкой, снижается температура в топке. Она может снизится настолько, что температура в топке станет ниже температуры вспышки газов, и газы несгоревшими улетят в трубу. Следовательно, появляются потери тепла в трубу с несгоревшими газами.

Таким образом, колпак 1 должен быть достаточно велик, чтобы напряжение топочного пространства не превышало допустимых норм, но не настолько велик, чтобы температура топочного объема снизилась ниже температуры вспышки горючих газов.

Сгоревшие газы каналом 3 передаются в верхний колпак 2, где они остывают до температуры 150-200 гр. и с этой температурой отсасываются дымовой трубой.

При таком построении нижнего колпака объединенного с топливником должны быть выдержаны нижний и верхний предел удельного теплового напряжения топочного объема. Нижний предел ограничивает увеличение размера колпака объединенного с топливником из-за ухудшения процесса горения в связи с понижением там температуры. При сжигании топлива в колпаке большого объема такого вида нельзя добиться оптимальных условий сжигания топлива. То же самое произойдет, если в такой колпак вставить теплообменник, который сильно понизит температуру реакции горения. В этом случае можно говорить, что при таком построении нижнего колпака нельзя создать бесчисленное множество теплогенераторов (энергоустановок) различного функционального назначения и мощности. В том числе создания котлов водяного и калориферного отопления, газогенераторных теплогенераторов различной мощности, работающих на различных видах топлива (в том числе бытовых и промышленных отходах), установок углежжения. Это можно сделать только в нашей системе.

Превращение нижней части печи в колпаковую топку, (В чем разница фраз: «Топливник теплогенератора устанавливается в колпак и объединяется с ним в единое пространство»? ) стенки которой являются наружными стенками самой печи, обеспечивает максимальную прогреваемость нижней половины печи, максимальную аккумуляцию в ней тепла, оставляя для верхнего колпака остатки тепла.

Требуется провести сжигание топлива в ограниченном объеме с наилучшими условиями сгорания топлива, после чего направить выделившуюся энергию на теплообменник (на использование).

Вследствие высокой температуры и большого теплоизлучения пламени на стенки, нижний колпак 1 аккумулирует больше половины тепла топлива. Так как это тепло сосредоточено в колпаке, то оно сохраняется в нем во все время остывания печи. Тепло колпака 1 передается через стенки только в нижние части помещения. В верхний колпак или трубу тепло не переносится газами. Все тепло, впитанное верхним колпаком, остается в верхнем колпаке.

При прорыве в топку холодного тяжелого воздуха он проходит в трубу, минуя колпаки 1 и 2, (щели нет, но при сведенных к одной линии стенок 4 и 5 она и не нужна, а функция есть) заполненные горячим легким воздухом, препятствующим проникновению в колпаки холодного воздуха, охлаждающего их.

Таким образом, предлагаемое устройство печи, во-первых, распределяет тепло топлива наиболее правильным образом и, во-вторых, предохраняет его от уноса в трубу при прорыве в печь холодного воздуха во время топки или при просачивании холодного воздуха в печь после окончания топки вследствие не плотности вьюшки, в третьих, содействует совершенству горения.

В результате при отоплении предлагаемой печью разница в температуре между полом и потолком, как показали опытные печи, устанавливается 2-4 гр., в то время, как при печах с нижним обогревом разница температур между полом и потолком наблюдается в 10-12 гр., а в печах с верхним обогревом достигает 15 гр.

Необходимо еще отметить равномерное облучение стенок нижней половины печи, равномерный прогрев их. Верхняя половина печи прогревается слабее, но также равномерно, вследствие перемещения газов в верхнем колпаке.

Таким образом, устройство топки в виде колпака улучшает горение, (Опять. В чем разница фраз: «Топливник теплогенератора устанавливается в колпак и объединяется с ним в единое пространство»?)концентрирует тепло в нижней половине печи и удерживает это тепло внизу во все время охлаждения печи, а в соединении с верхним колпаком максимально предохраняет от уноса тепла из печи в трубу.

Изображенная на рис.40 печь представляет собой простейшую принципиальную схему двухколпаковой печи.

У Подгородникова топочный объем составляет весь нижний колпак. Должны быть выдержаны нижний и верхний предел удельного теплового напряжения топочного объема. В нашей системе говорится о топочном объеме только топливника. В нашем случае, мы можем при подаче оптимального количества первичного и вторичного воздуха, хорошем перемешивание воздуха с топливом, правильном устройстве топки, разделения потоков холодных и горячих газов, отсутствия в топливнике холодного ядра, регенерации, устройства катализатора горения и т.д. изменить условия сгорания топлива. В топливнике повышается температура и возникает высокотемпературный процесс горения, который обеспечивает прогрев и газификацию топлива при температуре около 1060 градусов при чистом горении. Это тепло посылается на теплообменник. Колпак же мы можем сделать любой и для любых целей.

Здравствуйте Игорь Викторович!

Спасибо Вам за то, что я продвинулся, как мне кажется, в понимании роли щели еще дальше.

Раньше роль щели мне была также очевидна, но я ограничивал ее ролью «газовой вьюшки» - разделителя потоков. Теперь же после нашего обсуждения я понял, что ее роль гораздо шире. С одной стороны щель позволяет сохранять единое пространство топливника с колпаком, а с другой стороны она дает возможность поднять стенку топливника гораздо выше подвертки переточного канала (и это и есть отличие от вышеуказанной рекомендации Подгородникова), которая (стенка топливника) в свою очередь позволяет сформировать топочный объем с заданным тепловым напряжением. Таким образом, удается снять ограничения на размеры нижнего колпака, которые вынужден был накладывать Подгородник для обеспечения полноты горения, и как Вы пишите, создать бесчисленное множество теплогенераторов (энергоустановок) различного функционального назначения и мощности.

Еще раз большое спасибо за удовольствие, которое я получил от общения с Вами. Лично для меня подобного объяснения возможно и не хватало в Вашей статье.

С уважением, Миркис Семен Михайлович

Формула построения газогенераторного теплогенератора следующая: «Нижний ярус газогенераторного теплогенератора состоит из топливника и ряда колпаков объединенных через топливник в единое пространство. Каждый колпак объединяется с топливником через сухой шов и отверстие в верхней части и имеет свой выход в нижней части в трубу, последующий колпак или дымовую камеру. Каждый колпак может содержать теплообменник в виде регистров водяного котла, калорифера воздушного отопления, реторты для пиролиза топлива, технологические материалы, оборудование, устройство и т.п» . Газогенераторный теплогенератор может быть различного функционального назначения и мощности. Например, газогенераторный котел для отопления коттеджа, в том числе периодического действия.

Я объявляю выше указанную формулу приоритетной заявкой на изобретение метода, для создания энергоустановок, достоянием мирового сообщества. Тот, кто захочет использовать результат этой работы, должен приобрести на это право и внести плату в международный фонд. Управление фондом и распределение средств из него должно быть под контролем международной организации и использоваться на развитие «Системы свободного движения газов». Основная задача тех, кто получит средства из фонда, сделать результаты своих работ достоянием людей.

И.В. Кузнецов. тел. (343) 307-73-03 e-mail: igor@stove.ru