ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1994 года по МПК F24H1/14 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения, а также в подогревателях жидкостей и газов.

Известны котлы, содержащие размещенную в корпусе топку с верхним, задним, передним и боковыми обрамляющими экранами из теплообменных труб с плавниками, каналы для прохода продуктов сгорания с промежуточными экранами из теплообменных труб, трубы экранов подключены к нижним и верхним коллекторам, а последние к системам подвода и отвода воды.

В теплообменных трубах известных котлов используется вынужденное циркуляционное движение жидкости продольного и продольно-закрученного направлений. Недостатком известных котлов с теплообменниками из труб является постоянство скоростей движения жидкости вдоль внутренней стенки трубы как в продольном, так и в поперечном сечениях. Известно, что скорость движения жидкости влияет на величину коэффициента теплоотдачи от стенки к ней, причем с увеличением скорости теплоотдача увеличивается.

Между тем, известно, что в топочном пространстве котлов и в каналах для отвода продуктов сгорания воздействие тепловых потоков лучистого и конвективного характеров на стенки теплообменных труб неоднородно. Максимальные значения плотностей тепловых потоков в топке наблюдаются в направлении радиационного поля воздействия на трубу и в верхней части топочного пространства, а в каналах отвода продуктов сгорания в зонах встречи газов с трубами при поперечном обтекании их.

Зоны максимальных тепловых воздействий на трубы в продольном и поперечном сечениях требуют повышения теплоотдачи в них, повышения скорости перемещения жидкости, создания несимметричного потока со скоростями, пропорциональными тепловым полям.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному котлу является водогрейный котел, содержащий обрамляющие трубчатые экраны, подключенные к нижним коллекторам и верхнему центральному коллектору с поперечной перегородкой, образующей раздающую полость, а также промежуточные трубчатые экраны с нижним и верхним коллекторами прямоугольного сечения, причем трубы экранов плотно расположены, и их концы в зоне подключения к коллекторам имеют форму овала. Повышение теплообмена в указанном котле достигается за счет плотного расположения труб, раздающих полостей коллектора для повышения скорости движения в контуре циркуляции и за счет овального сечения входа воды в трубу, создающего турбулентное движение. Указанный котел имеет главный недостаток - постоянную скорость движения воды вдоль стенки трубы, и не решает задачи создания потока со скоростями, пропорциональными тепловым полям воздействия в поперечном и продольном сечениях.

Цель изобретения - повышение эффективности теплообмена и снижение эксплуатационных затрат путем организации несимметричного кругового движения теплоносителя со скоростями, пропорциональными характеру распределения воздействующего теплового потока.

Поставленная цель достигается тем, что водогрейный котел, содержащий корпус, размещенную в нем топку с обрамляющими экранами, образующими с корпусом топочное пространство, и каналы для прохода продуктов сгорания, в которых размещены промежуточные экраны, а экраны соединены с коллекторами, подключенными к системам подвода и отвода воды, и состоят из теплообменных труб, внутри которых эксцентрично установлены трубы с соплами в виде продольных щелей, проходные сечения которых уменьшаются в направлении отвода воды, расположенных в зоне сужения несимметричного кольцевого сечения и направленных тангенциально к наружной поверхности трубы, причем оси труб с соплами находятся в секторе центров распределения теплового потока, воздействующего на поверхности теплообменных труб, на расстояниях, пропорциональных величинам смещения центров распределения, а сами трубы с соплами со стороны входа воды соединены с теплообменными трубами перегородкой с отверстием, по длине снабжены наклонными планками, заглушены за последним соплом и образуют вихревые секции несимметричного кольцевого течения, число которых в отдельно взятой теплообменной трубе может быть несколько. Каналы для прохода продуктов сгорания в области боковых и верхнего экранов разделены перегородками между корпусом и обрамляющими экранами с образованием движения продуктов сгорания поперек теплообменных труб.

На фиг. 1 представлен поперечный разрез котла без переднего экрана; на фиг.2 - продольный разрез котла; на фиг.3 - поперечный разрез по теплообменным трубам боковых экранов; на фиг.4 - продольный разрез по теплообменным трубам.

Водогрейный котел содержит корпус 1, размещенную в нем топку 2 с верхними 3, задним 4 и боковыми 5 обрамляющими экранами, подключенными к верхнему 6 и нижнему 7 коллекторам, а также промежуточные верхние и боковые экраны 8 с верхним 9 и нижним 10 коллекторами. Между корпусом 1 и верхней частью экранов 5 установлены перегородки 11, разделяющие топочное пространство от боковых 12 каналов прохода продуктов сгорания, переходящих в задний 13 канал, в котором находится конвективная часть заднего экрана 4 с нижним 14 и верхним 15 коллекторами, соответственно соединенными с системой подвода воды патрубком 16 и коллекторами 9. На лицевую стенку котла выходит патрубок 17 отвода горячей воды, соединенный с передним экраном 18 с коллектором 19. Корпус 1 содержит по боковым сторонам переднего экрана входные 20 каналы забора продуктов сгорания и отводящий газоход 21 заднего 13 канала. Экраны 3,4,5 и 8 состоят из теплообменных труб 22, в которых эксцентрично установлены трубы 23 с соплами 24, величины эксцентриситетов между осями теплообменных труб и осями труб с соплами пропорциональны величинам смещения центров распределения теплового потока, воздействующего на поверхности труб 22, как в поперечном, так и в продольном сечениях труб. Трубы 23 с соплами 24 со стороны входа воды соединены с трубами 22 перегородками 25 с отверстием, по длине содержат наклонные полукольца 26, заглушены за последним соплом пробкой 28 и образуют вихревые секции несимметричного кольцевого течения со скоростями, пропорциональными температурным полям. Боковые 5, задние 4 и передний 18 обрамляющие экраны из коллекторов и теплообменных труб 22 с плавниками 27 образуют газоплотные панели. Сопла 24 выполнены в виде продольных щелей диффузорного профиля, и их проходные сечения уменьшаются в направлении отвода воды из теплообменной трубы. Вихревые секции труб 23 с соплами 24 могут устанавливаться одна за другой для обеспечения оптимальных по теплоотдаче и исключения накипи скоростей продольно-кругового движения жидкости, т.е. их может быть несколько в отдельно взятой теплообменной трубе. Нижние коллекторы 2 и 10 соединены патрубками 29.

Котел работает следующим образом. Продукты сгорания из верхней полости топочного пространства, ограниченной перегородками 11, огибают передний экран 18 и через заборные каналы 20 распределяются по боковым каналам 12, омывая промежуточные боковые экраны 8 и конвективную часть заднего экрана 4 в канале 13, направляются через отводящий газоход 21 в систему удаления, тем самым обеспечиваются поперечное обтекание теплообменных труб продуктами сгорания. При сжигании топлива в топочном пространстве осуществляется тепловое воздействие на экраны, характеризуемое неоднородностью радиационных и конвективных тепловых потоков.

Процессы циркуляции теплоносителя (воды) и теплообмена в котле осуществляются следующим образом.

Теплоноситель через патрубок подвода 16 поступает в нижний коллектор 14 заднего экрана 4, распределяется параллельно по теплообменным трубам с радиационной и конвективной поверхностями, поднимается вверх, нагревается и собирается в верхнем коллекторе 15 заднего экрана, далее направляется по верхним коллекторам 9 промежуточных экранов 8. Поток воды с верхних коллекторов распределяется и двигается вниз по теплообменным трубам промежуточных экранов 8, нагревается и собирается в нижнем коллекторе 10, через патрубок 29 проходит в коллекторы 7, далее, нагреваясь, поднимается по трубам промежуточных боковых и верхних экранов в коллекторы 6. Затем через коллектор 19 переднего экрана 18 распределяется по теплообменным трубам, окончательно нагревшись, поток теплоносителя отводится в сеть через патрубок 17. В теплообменных трубах 22 всех экранов теплоноситель нагревается следующим образом. На входе в теплообменную трубу поток, встретив перегородку 25 с отверстием, направляется в трубу 23 с соплами 24, установленную эксцентрично основной теплообменной трубе, далее, истекая из сопел в виде продольных щелей в зоне сужения несимметричного кольцевого сечения между трубами, поток вращается вдоль внутренней стенки трубы со скоростями, пропорциональными воздействующему тепловому потоку. За счет вращения потока, скорости которого обусловлены расходом, сечениями сопел-щелей и величинами эксцентриситета, обеспечивается максимальный эффект теплопередачи от стенки к теплоносителю, исключается образование накипи на поверхности стенки. В зависимости от величины необходимых скоростей вращательного винтового движения поток теплоносителя в теплообменной трубе может проходить через несколько секций труб с соплами. Движение вращающегося потока вдоль теплообменной трубы имеет характер подъемного, опускного, встречного или однонаправленного от входа или к входу в трубу в зависимости от места теплообменной трубы в соответствующем экране котла, расположения входа и выхода.

Благодаря использованию труб с соплами, эксцентрично установленных внутри теплообменных труб, повышается эффективность теплообмена, удельная теплопроизводительность котла и снижаются эксплуатационные затраты за счет исключения накипеобразования в теплообменных трубах при теплопередаче от стенки к теплоносителю, перемещающемуся в несимметричном кольцевом сечении со скоростями, пропорциональными тепловым потокам радиационного и конвективного характеров, формируемым за счет направления движения продуктов сгорания поперек теплообменных труб.

Использование: в теплоэнергетике, в теплообменниках и котлах. Сущность изобретения: котел содержит корпус 1 с топкой, обрамляющие и промежуточные экраны из теплообменных труб 22, объединенных коллекторами, патрубками с системами подвода и отвода теплоносителя, газоходы для прохода продуктов сгорания с перегородками для поперечного омывания труб 22. В теплообменных трубах 22 эксцентрично установлены трубы 23 с соплами 24, расположенными в зоне сужения кольцевого канала. Оси труб 23 с соплами 24 находятся в секторе центров распределения теплового потока с эксцентриситетами, пропорциональными величине смещения центров. Трубы 23 с соплами 24 на входе соединены с теплообменными трубами 22 перегородками 25 с отверстием, снабжены наклонными полукольцами 26, заглушены и образуют секции, которых в трубе 22 может быть несколько. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ, содержащий корпус, размещенную в нем топку с передним, верхним, задним и боковыми обрамляющими экранами из теплообменных труб, а также промежуточные экраны из теплообменных труб, установленные в газоходах, подключенных к системе отвода продуктов сгорания, при этом трубы экранов подключены к соответствующим коллекторам, соединенным с системой подвода и отвода воды, отличающийся тем, что он дополнительно содержит трубы с соплами и перегородки, размещенные в теплообменных трубах, при этом трубы с соплами скреплены с последними посредством указанных перегородок, расположенных со стороны входа воды, а со стороны выхода воды заглушены и установлены со смещением их осей в зону центров распределения тепловых потоков на величину, пропорциональную величине смещения центров тепловых потоков относительно осей теплообменных труб, кроме того, сопла установлены тангенциально в зоне сужения кольцевого канала. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что сопла выполнены в виде щелей диффузорного профиля, проходные сечения которых уменьшаются по ходу воды. 3. Котел по п.1, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одной дополнительной перегородкой, установленной в теплообменной трубе для образования секций. 4. Котел по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит наклонные полукольца, закрепленные на внешних поверхностях указанных труб с соплами.