ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1998 года по МПК F24H1/14 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения.

Известны котлы (патент N 1760997), имеющие боковые и потолочные экраны, соединенные с подводящими и отводящими коллекторами, при этом подъемные и опускные трубы конвективной части бокового экрана расположены с чередованием между собой и каждые две смежные подъемная и опускная трубы подключены посредством тангенциальных патрубков к соответствующей близлежащей трубе радиационной панели, а патрубки расположены ярусами, причем в каждых двух смежных ярусах отводящий патрубок верхнего яруса расположен над подводящим патрубком нижнего яруса. Это обеспечивает продольно-закрученное движение потока теплоносителя в теплообменных трубах.

Недостатком этого технического решения является малая площадь поверхности нагрева, что требует для повышения КПД установки экономайзера, однако, так как данный котел работает на неумягченной воде, экономайзер может быстро выйти из строя из-за отложений на стенках труб.

Наиболее близким по технической сущности к заявленной конструкции является водогрейный котел (патент N 2018060), содержащий обрамляющие и промежуточные экраны из теплообменных труб, объединенных коллекторами с системой подвода и отвода теплоносителя, при этом в теплообменных трубах эксцентрично установлены дополнительные трубы с соплами, расположенными в зоне сужения кольцевого канала, обеспечивающими закручивание потока в трубе. Повышение эффективности работы котла достигается путем повышения интенсивности теплообмена за счет увеличенной скорости потока теплоносителя в наиболее теплонапряженных участках трубы. Основным недостатком этого технического решения является малая тепловоспринимающая поверхность экранных труб.

Цель изобретения - повышение эффективности работы котла путем создания дополнительной тепловоспринимающей поверхности внутри теплообменных труб с одновременным приданием теплоносителю вращательно-поступательного движения.

Поставленная цель достигается тем, что водогрейный котел, содержащий корпус, размещенную в нем топку с боковыми и потолочными экранами из теплообменных труб, внутри которых продольно расположены дополнительные трубы с завихрителями потока, при этом теплообменные трубы через входные и выходные отверстия подключены к соответствующим коллекторам, соединенным с системой подвода и отвода теплоносителя. При этом потолочный экран, как и боковые, представляет собой совокупность объединенных через коллекторы однотипных вертикально установленных теплообменных труб, у которых внутренняя поверхность дополнительных труб открыта для газового потока и герметизирована от межтрубного пространства, например, кольцевыми заглушками, установленными по концам теплообменных труб, а завихрители потока представляют собой шнек, выполненный в виде полосы, жестко установленной по спирали на внешней стороне дополнительной трубы, при этом ширина полосы равна ширине межтрубного пространства, при этом шаг спирали завихрителей теплообменных труб обратно пропорционален степени теплового воздействия на тепловоспринимающую поверхность в районе установки завихрителей.

Таким образом совокупность объединенных через коллекторы однотипных вертикально установленных теплообменных труб потолочного экрана обеспечивает следующие преимущества:
1. Подъемное движение теплоносителя во всех теплообменных трубах (опускное движение за пределами топки), при котором совпадают принудительное и естественное движение теплоносителя.

2. Наименьшее аэродинамическое сопротивление при прохождении горячих газов через потолочный экран.

3. Увеличение пути прохождения раскаленных газов, в процессе которого происходит более полное сгорание частиц топлива.

4. Быстрое удаление газовых пузырьков, возникающих в пограничном слое между стенкой и жидкостью, что предотвращает их скапливание с образованием газовых пробок, как это происходит при горизонтальном расположении теплообменных труб, приводящих к их перегреву и прогоранию.

Наличие внутренней поверхности дополнительных труб, открытой для газового потока и герметизированной от межтрубного пространства, обеспечивает дополнительную поверхность теплообмена, повышающую КПД котла, при высокой устойчивости к перегрузкам, так как объем теплоносителя в межтрубном пространстве выбирается достаточным, чтобы предотвратить аварийные ситуации при нерегламентированных нагрузках. Чтобы выполнить те же условия для котлов с обычными трубчатыми экранами, необходимо существенно увеличить диаметр труб, что приведет к снижению тепловоспринимающей поверхности и ухудшению теплопередачи.

Наличие завихрителя потока, представляющего собой шнек, выполненный в виде полосы, жестко установленной по спирали на внешней стороне дополнительной трубы, обеспечивает закручивание потока, что улучшает теплообмен между стенками труб и теплоносителем.

Применение завихрителя с шириной полосы, равной ширине межтрубного пространства, обеспечивает получение максимальной скорости вращательного движения теплоносителя, так как перетоки в зазорах между внутренней стенкой наружной трубы и внешней поверхностью завихрителя минимальны. Это позволяет при достаточно больших диаметрах теплообменных труб получить высокие скорости вращательно-поступательного движения теплоносителя, достаточные для предотвращения отложений на стенках труб.

На фиг. 1 изображен котел, вид спереди; на фиг. 2 - вид по стрелке A на фиг. 1.

Котел состоит из боковых и потолочного экранов. Боковые экраны состоят из радиационных 1 и конвективных 2 теплообменных труб, объединенных в панели через впускные 3, 4 и выпускные 5, 6 коллекторы.

Теплообменная труба состоит из наружной 7 и дополнительной внутренней 8 труб, которые являются внешней и внутренней тепловоспринимающими поверхностями. В межтрубном пространстве, где циркулирует теплоноситель, располагаются спиральные завихрители 9, жестко установленные на внутренней трубе 8, выполненные в виде шнека из полосы, ширина которой равна ширине межтрубного пространства. Шаг спирали выбирается из условия получения такой скорости вращательно-поступательного потока, при которой не образуется отложений в трубах, а также из условия теплонапряжения в различных зонах топки. По торцам теплообменной трубы между трубами 7 и 8 герметично установлены торцовые заглушки 10.

Диаметры наружной 7 и внутренней 8 труб выбираются такими, чтобы объем воды в межтрубном пространстве был достаточным, чтобы исключить перегрев труб в форсированных или аварийных режимах работы, например нерегламентированное увеличение нагрузки на котел или остановка сетевого насоса при горящем слое угля.

Наружная труба 7 по концам имеет отверстия 11 для входа теплоносителя в межтрубное пространство из коллектора 3 и выхода в коллектор 5.

Потолочный экран состоит из вертикально установленных теплообменных труб 12 аналогичной конструкции, объединенных в панели через впускные 13 и выпускные 14 коллекторы.

Направленное движение топочных газов обеспечивается установкой перегородок 15 - 17.

Котел работает следующим образом.

Продукты сгорания из топочного пространства, поднимаясь, проходят через потолочный экран, омывая внешние и внутренние поверхности теплообменных труб 12 и 18. Затем газы проходят через конвективную часть боковых экранов, также омывая внутренние и внешние поверхности теплообменных труб 1 и 2, и далее через газоходы 19 на выход из котла.

Процесс циркуляции теплоносителя (воды) в котле осуществляется следующим образом. Вода от сетевого насоса подается к впускному коллектору 3, откуда, попадая в межтрубное пространство, распределяется по теплообменным трубам 2 и, нагреваясь исходящими газами, поднимается вверх до выпускного коллектора 5, откуда через обводную трубу 20 поступает к коллектору 4, далее по теплообменным трубам 1 вода, нагреваясь излучением и отходящими газами, проходящими внутри и снаружи теплообменных труб, попадает в коллектор 6, откуда по обводной трубе 21 поступает в коллектор 13, далее по теплообменным трубам 12 - в коллектор 14, откуда по обводной трубе 22 - в коллектор 23 и теплообменные трубы 18, где воды окончательно нагревается и поступает в выходной коллектор горячей воды 24.

Вода, двигаясь в межтрубном пространстве и проходя спиральные каналы завихрителей 9, получает вращательно-поступательное движение. Скорость вращательного движения определяется углом подъема спирали завихрителя, т.е. чем меньше угол, тем выше скорость. Таким образом угол подъема спирали выбирается таким, чтобы получить скорость вращательного движения воды, при которой не образуются отложения на стенках труб. В промежутке между завихрителями скорость вращения потока постепенно затухает, поэтому расстояние между соседними завихрителями выбирается из условия поддержания скорости в заданных пределах.

Кроме того в зонах котла, имеющих наибольшее тепловое напряжение (радиационная часть, потолочный экран), для повышения интенсивности теплообмена устанавливаются завихрители с уменьшенным пропорционально тепловому напряжению углом наклона спирали.

Таким образом использование предлагаемой конструкции котла, у которого теплообменные трубы имеют внутреннюю и внешнюю тепловоспринимающие поверхности с вращательно-поступательным движением теплоносителя, обеспечит существенное повышение КПД котла, исключит образование отложений на стенках труб и повысит надежность работы в широких пределах колебания тепловой нагрузки.

Изобретение предназначено для использования в системах отопления и горячего водоснабжения. Котел состоит из боковых и потолочного экранов. Боковые экраны состоят из радиационных 1 и конвективных 2 теплообменных труб, объединенных в панели через впускные 3, 4 и выпускные 5, 6 коллекторы. Теплообменная труба состоит из наружной 7 и дополнительной внутренней 8 труб. В межтрубном пространстве, где циркулирует теплоноситель, располагаются спиральные завихрители 9, жестко установленные по внутренней трубе 8. По торцам теплообменной трубы между трубами 7 и 8 герметично установлены торцовые заглушки 10. Наружная труба 7 по концам имеет отверстия 11 для входа теплоносителя в межтрубное пространство из коллектора 3 и выхода в коллектор 5. Потолочный экран состоит из вертикально установленных теплообменных труб 12 аналогичных конструкций, объединенных в панели через впускные 13 и выпускные 14 коллекторы. Направленное движение топочных газов обеспечивается установкой перегородок 15 - 17. Выход газов из котла обеспечивает газоход 19. 1 з. п.ф-лы., 2 ил.

1. Водогрейный котел, содержащий корпус, размещенную в нем топку с боковыми и потолочными экранами из теплообменных труб, внутри которых продольно расположены дополнительные трубы с завихрителями потока, при этом теплообменные трубы через входные и выходные отверстия подключены к соответствующим коллекторам, соединенным с системой подвода и отвода теплоносителя, отличающийся тем, что потолочный экран, как и боковые, представляет собой совокупность объединенных через коллекторы однотипных вертикально установленных теплообменных труб, у которых внутренняя поверхность дополнительных труб открыта для газового потока и герметизирована от межтрубного пространства, например, кольцевыми заглушками, установленными по торцам теплообменных труб, а завихрители потока представляют собой шнек, выполненный в виде полосы, жестко установленной по спирали на внешней стороне дополнительной трубы, при этом ширина полосы равна ширине межтрубного пространства. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что шаг спирали завихрителей теплообменных труб обратно пропорционален степени теплового воздействия на тепловоспринимающую поверхность в районе установки завихрителей.