ЭКОНОМАЙЗЕР Российский патент 1998 года по МПК F22D1/06 

Изобретение относится к теплоэнергетики, в частности, к конструкции экономайзера, используемого для подогрева питательной или циркуляционной воды перед паровыми или водогрейными котлами.

Известен чугунный водяной экономайзер в виде трубного теплообменника /И. И. Павлов, М.Н.Федоров "Котельные установки и тепловые сети" М. Стройиздат, 1986 г, стр.108-110 рис.IV 39, a/ выполненный из чугунных ребристых труб с фланцами, которые соединяются между собой с помощью чугунных колен /калачей/.

Чугунные оребренные трубы поставляются длиной 2000 мм и 3000 мм с площадью поверхности нагрева с газовой стороны соответственно 2,95 и 4,49 м².

Необходимая полная поверхность нагрева такого экономайзера составляется из соответствующего количества ребристых труб, которые собираются в колонну, состоящую из горизонтальных и вертикальных рядов. Вода движется последовательно по всем трубам экономайзера снизу вверх. Газы, омывая ребристые трубы снаружи, движутся вертикально сверху вниз. При такой схеме движения газов и воды /противотока/ обеспечивается лучшее удаление воздуха из системы экономайзера. Чугунные экономайзеры выпускают с рабочим давлением меньше 2,4 МПа, экономайзеры изготавливают не кипящего типа и вода, проходящая через экономайзер, максимально подогревается на 20- 30^oС ниже температуры кипения, чтобы допустить парообразование в экономайзере, а также исключить гидравлические удары.

Недостатками чугунных экономайзеров является громоздкость, особенно при больших площадях нагрева, низкая теплоотдача и большая чувствительность к гидравлическим ударам, что не позволяет нагреть в них воду до кипения. Наличие нестандартного газохода экономайзера увеличивает металлоемкость конструкции и затраты на его изготовление и монтаж, увеличивает присосы воздуха и потери тепла в окружающую среду; быстрое загрязнение чугунных ребристых труб золой и сажей снижают технико-экономические показатели чугунных экономайзеров.

Наиболее близким к предложенному является известный экономайзер, содержащий теплообменные змеевиковые трубы, соединенные с коллекторами /см. а.с. СССР N 600357).

Недостатками стальных змеевиковых экономайзеров являются большая металлоемкость, малая поверхность нагрев на единицу /м³/ пространства экономайзера и, как следствие, увеличение габаритов и тепловых потерь в окружающую среду котельной установкой.

Целью предложенного решения является уменьшение металлоемкости и габаритов котельной установки, за счет исключения из конструкции котельной установки газохода между котлом и экономайзером, и, как следствие, уменьшение присосов воздуха и тепловых потерь в окружающую среду, более эффективное использование внутреннего пространства экономайзера с повышением КПД котельной установки в целом.

Поставленная цель достигается тем, что экономайзер устанавливается непосредственно за котлом или его конвективным поверхностями нагрева, содержит четыре обогреваемых коллектора, соединенные системой изогнутых теплообменных металлических труб в виде змеевиков, диагонально соединенных с коллекторами, причем ряды змеевиковых труб имеют четыре различные геометрические конфигурации, где прямые участки теплообменных труб располагаются вертикально, горизонтально /допустимо отклонение от вертикали и горизонтали/ и наклонно, при этом каждый предшествующий и каждый последующий ряды отличаются не только от среднего ряда, но и относительно друг друга, тем, что их прямые змеевиков не образуют коридорного расположения прямых участков труб относительно среднего ряда и между собой, чередуясь, ряды змеевиков труб обеспечивают лабиринтовое движение продуктов сгорания по поверхности нагрева /змеевиком и коллектором/ экономайзера, т.к. поверхностью нагрева экономайзера является не только теплообменные змеевиковые трубы, но и соединенные с ними коллекторы экономайзера, а плоскости, в которых лежат теплообменные змеевиковые трубы, всегда перпендикулярны движущемуся потоку продуктов сгорания, выходящему из котла, а коллекторы экономайзера параллельны потоку продуктов сгорания. Для повышения эффективности экономайзера в его коллекторах дополнительно могут быть установлен глухие шайбы-заглушки, чтобы теплоноситель двигался в экономайзере противотоком относительно движения продуктов сгорания.

На фиг. 1 показано, как коллекторы 1-1 по диагонали соединяются трубной теплообменной поверхностью нагрева в виде змеевика 5 с наклонными прямолинейными участками змеевика в ряду; на фиг.2 как коллекторы 1-2 экономайзера по диагонали соединяются трубной теплообменной поверхностью нагрева в виде змеевика 3 с прямолинейными, горизонтальными /условно/ участками змеевика в ряду; на фиг.3 как коллекторы 1-2 соединяются по диагонали трубой, змеевиковой 6 поверхностью нагрева с наклонными, прямолинейными участками змеевика; на фиг.4 как коллекторы 1-2 соединяются по диагонали трубной теплообменной поверхностью в виде змеевика 4 с вертикальными /условно/, прямолинейными участками, причем наклон прямых участков змеевика 5 противоположен наклону прямых участков змеевика 6; /фиг.1-3/ все четыре типа змеевиков по положению прямолинейных участков имеют различие и, устанавливаясь во внутреннем пространстве экономайзера, чередуюсь на фиг. 5, создают вместе с коллекторами эффективную поверхность нагрева экономайзера, при этом соседние ряды труб в местах пересечения или частичного касания соединяются сварными кольцами 8 или просто сваркой касающихся змеевиков, чтобы избежать вибрации и придания большей жесткости системы змеевиковых труб, соединяющей коллекторы экономайзера, а трубная поверхность, гибы змеевиков, по периметру экономайзера максимально близко располагаются к щиту-кожуху 9 экономайзера; на фиг.6 схема повышения эффективности экономайзера при эксплуатации путем установки в коллекторах 1-2 заглушек 7, /глухих шайб/, чтобы циркуляция теплоносителя в экономайзере была противоточной движению продуктов сгорания; на фиг.7 объединение входных и выходных коллекторов экономайзера в одну линию, /трубу или сборного коллектора/, причем объединены могут быть коллекторы, не диагонально расположенные /например, входные 1-1, а выходные 2-2 или наоборот/; на фиг.8 экономайзер, который имеет два коллектора 1-2, входной и выходной, расположенных по диагонали относительно друг друга, а коллекторы, в свою очередь, диагонально соединены системой изогнутых теплообменных металлических труб 3, в виде змеевиков 3, причем ряды змеевиковых труб 3 имеют три типа геометрических конфигураций в плоскости, а прямые участки теплообменных труб- змеевиков располагаются горизонтально, вертикально /понятия условные, т. к. допустимо отклонение прямолинейного участка труб в плоскости от строго вертикального и горизонтального положения/ и наклонно, при этом ряды чередуются через два ряда и не образуют коридорного или шахматного расположения прямых участков змеевиковых труб, т.к. при изготовлении змеевиков рядов труб используется разный радиус гиба змеевиковой трубы. Коллекторы экономайзера параллельны потоку продуктов сгорания, а плоскости, в которых лежат теплообменные змеевиковые трубы, всегда перпендикулярны движущемуся потоку продуктов сгорания, выходящему из котла, что объединяет все типы предлагаемых экономайзеров теплообменников. /Например, фиг.8 отображает горизонтальное расположение змеевиков, фиг.9 вертикальное расположение змеевиков/; на фиг.9 в качестве примера показано, что для обеспечения противотока теплоносителя относительно продуктов сгорания, в коллекторах дополнительно устанавливаются глухие шайбы /заглушки/. На фиг. 9 не обозначены, причем в этом случае входной и выходной коллекторы могут быть совмещены.

Конструкции опорных рам, каркасов и газохода предлагаемой конструкции экономайзера не рассматриваются.

Допускается установка двух коллекторов в одной вертикальной плоскости /если рассматривать экономайзер в горизонтальной плоскости, то коллекторы будут одни над другим/ с учетом того, что соединять входной и выходной коллекторы будут змеевиковые трубы двух типов, с горизонтальными /условно/ и вертикальными /условно/ теплообменными змеевиковыми трубами, но при установке коллекторов диагонально, возникает возможность установки дополнительно третьего типа змеевика, с наклонными прямыми участками, что улучшает эффективность экономайзера /теплообменника/, причем предлагаемая конструкция может быть использована как паровой теплообменник или топливоподогреватель.

На фиг. 10-16 представлен экономайзер-теплообменник для котлов малой и средней тепловой мощности и представляющий конструкцию многорядного змеевика, состоящую из теплообменных труб двух типов, собранных в пакет /пакет это система змеевиков рядов труб, содержащая два или более рядов змеевиковых труб, причем система змеевиковых труб пакет, по периметру загерметизирована в газоходе, который по конструкции может быть стальным, керамическим, кирпичным и т.п./. Змеевики могут быть соединены последовательно или параллельно, при этом трубы 1 каждого ряда змеевики имеют вертикальное расположение прямых участков, а трубы 2 другого ряда змеевика имеют горизонтальное расположение прямых участков, т.е. ряды вертикальные и горизонтальные чередуются через один ряд /понятие горизонтальные и вертикальные участки труб принято условно, т.к. возможно отклонение прямых участков труб, как от вертикального, так и горизонтального положения/, причем трубы каждого идентичного ряда /например, с вертикальными прямыми участками труб 1/ отличаются от такого же ряда тем, что имеют различный радиус 17 гиба змеевиковой трубы фиг.13, что позволяет избежать не только шахматного расположения прямых участков труб фиг. 16, но и значительно повысить насыщение пространства экономайзера, увеличив омывание практически каждого прямого участка змеевика потоком продуктов сгорания, при этом движение продуктов сгорания по поверхностям нагрева экономайзера является лабиринтовым, что значительно повышает эффективность теплообмена от продуктов сгорания к поверхности нагрева экономайзера.

На фиг.11 показано, как для придания жесткости система многорядных труб 1-2 в пакете теплообменные ряды труб змеевиков соединены между собой кольцом 3 на сварке, что позволяет избежать вибрации отдельных труб змеевика. Плоскость расположения труб в змеевике перпендикулярна потоку продуктов сгорания, а движение теплоносителя принято противоточным относительно движения продуктов сгорания, возможно и другое соединение змеевиков в конструкции экономайзера, когда ряды, например, с вертикальными и горизонтальными участками труб 1-2 запараллелены, т.е. экономайзер имеет два или более входа и два или более выхода теплоносителя, при этом экономайзер может быть использован в качестве топливоподогревателя или теплообменника водоподогревателя; на фиг. 12 горизонтальный змеевиковый ряд труб 2 с уменьшенным радиусом гиба 17 и наклонной трубой 18 ввода воды в пакет; на фиг.13 вертикальный змеевиковый ряд труб 1 с уменьшенным радиусом гиба 17, который произведен не с начала змеевикового ряда; на фиг.14 горизонтальный /условно/ ряд труб 2 змеевика экономайзера, имеющий наклон прямых участков труб с одинаковыми радиусами гиба змеевикового ряда; на фиг.15 горизонтальный /условно/ ряд труб 2 змеевика экономайзера, имеющий наклон прямых участков труб противоположно наклону идентичного змеевикового ряда фиг.14 с измененным радиусом гиба змеевикового ряда; на фиг. 16 пакет системы змеевиковых труб 1-2 в сборе /не все концы змеевиковых труб соединены/, отображающий расположение прямых участков змеевиковых труб в плоскости, перпендикулярной движению продуктов сгорания.

Согласно фиг.1-7 экономайзер работает следующим образом. Теплоноситель, нагнетаемый насосом, поступает в два коллектора /например 1-1/ и, двигаясь внутри запараллелиных теплообменных змеевиковых труб 3-6 и 4-5, приходит в коллекторы 2-2, откуда направляется в котел, при этом снаружи коллекторы и змеевиковые трубы смыкаются продуктами сгорания, уходящими из котла, в результате теплопередачи через поверхности нагрева труб коллекторов и змеевиковых труб теплоноситель нагревается и с более высокой температурой /относительно входа в экономайзер/ поступает в котел.

Согласно фиг. 8-9 экономайзер работает следующим образом. Теплоноситель поступает в любой /например, в 1/ из коллекторов фиг.8, при этом, двигаясь по запараллеленным змеевиковым трубам, теплоноситель нагревается и приходит в другой 2 /выходной/ коллектор, откуда направляется в котел, причем входной и выходной коллекторы могут быть совмещены, при установке в коллекторах глухих шайб и организации движения теплоносителя против потока продуктов сгорания фиг.9, а сами коллекторы омываются продуктами сгорания и являются теплообменной поверхностью нагрева экономайзера.

Согласно фиг.10-16 экономайзер работает следующим образом:
Теплоноситель поступает в многорядный змеевик и, проходя внутри системы змеевиковых теплообменных труб с вертикальным и горизонтальными прямыми участками, которые снаружи омываются перпендикулярным потоком продуктов сгорания относительно расположения плоскости прямых участков змеевиковых труб; при этом теплоноситель нагревается и поступает из экономайзера в котел.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности, к вариантам конструкции экономайзера кипящего и не кипящего типа, которые могут быть использованы для подогрева питательной и сетевой воды перед паровыми и водогрейными котлами. Сущность: экономайзер, включающий змеевиковые теплообменные трубы, соединенные с четырьмя коллекторами диагонально, при этом прямые участки каждого ряда труб в пространстве, между коллекторами, в одной плоскости, чередуясь, располагаются горизонтально, вертикально и наклонно, причем имеется четыре геометрической конфигурации рядов змеевика, которые отличаются от предшествующего и последующего рядов по типу расположения прямых участков змеевиков, при этом змеевиковые трубы омываются перпендикулярным к плоскости расположения труб потоком продуктов сгорания и омываются им /потоком/. Согласно другому варианту змеевиковые трубы подключены к двум коллекторам, диагонально расположенным при этом имеется три типа геометрической конфигурации каждого ряда змеевиков, а каждый ряд отличается от предшествующего и последующего ряда расположением прямых участков труб змеевика, которые в одной плоскости располагаются вертикально, горизонтально и наклонно, причем коллекторы расположены параллельно относительно движения потока продуктов сгорания, а змеевиковые трубы омываются перпендикулярным потоком продуктов сгорания к плоскости расположения змеевиков. Согласно следующему варианту экономайзер, содержит теплообменные змеевиковые трубы, соединенные с коллекторами, причем змеевиковые ряды труб, соединенные в пакет, подключены последовательно или параллельно, при этом каждый ряд труб одной геометрической конфигурации чередуется через один ряд труб с иной геометрической конфигурации, а плоскость расположения змеевиков перпендикулярна движению потока продуктов сгорания, омывающих змеевики. 3 с. и 5 з.п.ф-лы, 16 ил.

1. Экономайзер, содержащий теплообменные змеевиковые трубы, соединенные с коллекторами, отличающийся тем, что состоит из змеевиковых рядов труб, соединенных в пакет, при этом змеевиковые ряды труб соединены последовательно или параллельно, причем каждый ряд труб одной геометрической конфигурации чередуется через один ряд труб иной геометрической конфигурации, при этом плоскость расположения змеевиков труб перпендикулярна движению потока продуктов сгорания, омывающих змеевики. 2. Экономайзер, отличающийся тем, что имеет два коллектора, диагонально расположенные и соединенные теплообменными змеевиковыми трубами, при этом имеется три типа геометрической конфигурации каждого ряда змеевиков, а каждый ряд отличается от предшествующего и последующего ряда расположением прямых участков труб змеевика, которые в одной плоскости располагаются вертикально, горизонтально и наклонно, причем коллекторы расположены параллельно относительно направления движения потока продуктов сгорания, а змеевиковые трубы омываются перпендикулярным потоком продуктов сгорания к плоскости расположения змеевиков. 3. Экономайзер, отличающийся тем, что имеет четыре коллектора, соединенные диагонально теплообменными змеевиковыми трубами, при этом прямые участки каждого ряда труб в пространстве, между коллекторами, в одной плоскости, чередуясь, располагаются горизонтально, вертикально и наклонно, причем имеется четыре геометрические конфигурации рядов змеевиковых труб, которые отличаются от предшествующих рядов по типу расположения прямых участков змеевиков, при этом змеевиковые трубы омываются перпендикулярным к плоскости расположения труб потоком продуктов сгорания, выходящих из котла, а коллекторы расположены параллельно относительно движения потока продуктов сгорания и омываются им (потоком). 4. Экономайзер по пп.1 3, отличающийся тем, что змеевиковые трубы и коллекторы дополнительно имеют оребрение. 5. Экономайзер по пп.1 4, отличающийся тем, что изготовлен из антикоррозионных материалов. 6. Экономайзер по пп. 1 4, отличающийся тем, что поверхность нагрева экономайзера покрыта антикоррозионным материалом. 7. Экономайзер по пп.2 3, отличающийся тем, что в коллекторах дополнительно установлены глухие шайбы. 8. Экономайзер по п.3, отличающийся тем, что входные и выходные коллекторы попарно дополнительно объединены двумя сборными коллекторами.