ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ КОТЕЛ Российский патент 1998 года по МПК F22B5/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к конструкции цилиндрического прямоточного газомазутного котла, работающего как в водогрейном, так и паровом режимах для обеспечения теплоснабжения и технологических нужд промышленных, коммунальных и сельских объектов.

Известен чугунный секционный котел "факел" (Столпнер Е.Е., Панюшева З.Ф. Справочное пособие для персонала газифицированных котельных. -Л.: Недра. 1990, с. 63, рис. 4.3/. Котел предназначен для сжигания газового топлива и имеет секции эллипсовидной формы и цилиндрическую внутреннюю топку. Секции котла двух типов - средние и крайние. Котлы обеспечивают высокий теплосъем с 1 м², достигаемый благодаря усложнению движения продуктов сгорания и наличию специальных приливов на секциях для турбулизации (завихрения) потока газов. Продукты сгорания из топки поступают в межсекционные каналы из нижней части топки, поднимаются по ним вверх и далее по горизонтальным газоходам к прямоугольному металлическому патрубку и сборному газоходу.

К недостаткам котла "факел" следует отнести низкий коэффициент теплопередачи через чугунные стенки секций толщиной порядка 10-15 мм, относительно высокий вес котла - порядка 4 т и ненадежность материала изготовления - чугун.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция цилиндрического парового котла типа МЗК- 7Г. (Столпнер Е.В., Панюшева З. Ф. Справочное пособие для персонала газифицированных котельных, -Л.: Недра, 1990 с. 81-83, рис. 4.16).

Котел состоит из двух - верхнего и нижнего - кольцевых коллекторов, соединенных между собой прямыми вертикальными трубами диаметром 38 мм, расположенными по концентрическим окружностям в шахматном порядке. Внутренний ряд труб образует экранную поверхность цилиндрической топочной камеры. В промежутках между экранными трубами приварены стальные полосы - мембраны, которые вместе с трубами образуют плотную топочную камеру. В кольцевых коллекторах, представляющих собой штампованные решетки, имеются съемные крышки для осмотра, очистки и ремонта экранных и конвективных труб. Котел работает под наддувом. Воздух нагнетается в кольцевой канал, образованный внутренней жаростойкой и наружной обшивками котла. Нагретый воздух проходит по воздуховоду и через воздушный регистр поступает в горелку, расположенную над котлом и направленную сверху вниз. Труба питательного трубопровода расположена в верхнем коллекторе над парораспределительной решеткой. Во внутреннем ряду труб котла имеется место, где установлены гладкие трубы, не закрытые мембраной. Расстояние между трубами обеспечивает проход отходящих газов. Далее отходящие из котла газы разделяются на два потока, а на противоположной входу стороне соединяются и направляются в дымовую трубу. Расчетный КПД такого типа котла 89.5%, вес. котла 2,65 г.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что он имеет малую поверхность нагрева топочной камеры котла, необогреваемые кольцевые коллекторы, отсутствие экономайзера и, как следствие, низкий КПД.

Цель предлагаемого изобретения - повышение КПД, котла при расширении его функциональных возможностей (паровой и водогрейный режим работы), снижение металлоемкости котла по отношению к единице отпускаемой энергии (Т/Гкал).

Поставленная цель в предлагаемом цилиндрическом котле достигается тем, что он цилиндрической формы, имеет топку и поверхности нагрева цилиндрической формы, кольцевые коллекторы расположены по фронту котла, а горелочное устройство расположено между внутренними коллекторами, имеющими меньший диаметр относительно промежуточных и внешних фронтальных коллекторов, а топочной камерой является внутренняя трубная экранная цилиндрическая поверхность нагрева, состоящая из теплообменных труб, соединенных с внутренним коллектором и торец экономайзера, расположенный по центру топочной камеры, напротив горелочного устройства. Кольцевые коллекторы, соединенные с теплообменными трубами является радиационными и конвективными цилиндрическими поверхностями нагрева котла, причем продукты сгорания, выходя из топки котла за счет газонаправляющих устройств, направляются по кольцевому каналу между теплообменными трубами к фронту котла и, обогнув промежуточный коллектор, входят в кольцевой канал и, двигаясь между теплообменными трубами, выходят из котла во встроенный в котел экономайзер, а цилиндрические газонапраляющие устройства являются теплообменными, так как соединены с кольцевыми коллекторами, причем в конце цилиндрической топки установлена торическая теплообменная перегородка, соединенная с центральным цилиндрическим коллектором экономайзера и внутренним газонаправляющим устройством. Встроенный в котел экономайзер представляет центральный цилиндрический коллектор с глухими перегородками (шайбами), выходящими за поверхность центрального коллектора экономайзера (оребрение) и теплообменные гнутые трубы (лепестки), расположенные по периметру и длине центрального коллектора, являются поверхностью нагрева экономайзера, причем гнутая теплообменная труба состоит из двух концов, которые расположены не параллельно центральной оси коллектора экономайзера, а каждый ряд гнутых труб отличается от предшествующего тем, что его гнутые трубы смещены по окружности центрального коллектора таким образом, что образуется наибольшее аэродинамическое сопротивление движущемуся потоку продуктов сгорания, а в газоходе экономайзера установлены газонаправляющие устройства - перегородки как на кожухе экономайзера, так и перегородки, являющиеся одновременно не только газонаправляющими, но и теплообменными водонаправляющими перегородками центрального коллектора экономайзера.

На фиг. 1 изображена предлагаемая конструкция прямоточного цилиндрического котла, где внутренние кольцевые коллекторы 1, промежуточные кольцевые коллекторы 2 и внешние кольцевые коллекторы 3 соединены теплообменниками трубами 4, котел имеет цилиндрические газонаправляющие 5 в виде цилиндрических перегородок из температурного материала, соединенные с внутренним 1 и промежуточным коллектором 2, последняя соединяется с газовой перегородкой 6, встроенного в котел экономайзера. Один торец центрального коллектора 7 экономайзера является и конвективными трубами котла, соединенные с кольцевым коллектором 3, глухие перегородки 10 (шайбы) центрального коллектора 7 экономайзера образуют внутри коллектора замкнутые камеры для циркуляции воды по теплообменным трубам 11 экономайзера и, выступая над поверхностью коллектора 7, образуют теплообменные ребра 12. Встроенный в котел экономайзер имеет теплообменные гнутые трубы 11 (лепестки), которые образуют конвективную поверхность нагрева котла. Во встроенном экономайзере установлены газонаправляющие перегородки 13 и водогазонаправляющие перегородки 14.

На фиг. 2 показана конструкция экономайзера, центральный коллектор 7, гнутые теплообменные трубы 11, а пунктиром показано как устанавливается гнутая труба 11 в следующем ряду.

На фиг.3 показан вырыв с развернутой частью центрального коллектора 7 и установленными теплообменными гнутыми трубами 11;
На фиг.4 отображена гнутая труба, дополнительно соединенная с мембраной 15.

На фиг.5 изображен встроенный в котел экономайзер с центральным цилиндрическим коллектором 16, а его теплообменные трубы выполнены в виде змеевика 17, центральный коллектор 16 имеет одну глухую перегородку 18 с ребрами ( на фиг 5. не обозначено), причем нижние петли змеевика 17 разделены и закреплены на центральном коллекторе 16, (как показано на фиг.7) движение продуктов сгорания в экономайзерной части обусловливается газонаправляющими перегородками 19-20, соединенными с кожухом котла 21 и центральным коллектором 16.

На фиг.6 представлено выполнение в виде змеевика.

На фиг. 7 представлено движение продуктов сгорания в экономайзерной части.

На фиг. 8 изображен котел с фронтальными и ответными кольцевыми коллекторами.

На фиг.9 изображено переменное положение фронтальных и ответных коллекторов.

На фиг.10 показано соединение коллекторов дополнительными рядами труб.

На фиг.11 показан кольцевой коллектор в разрезе на фиг.10.

На фиг. 12 показано соединение коллекторов при двухрядном расположении теплообменных труб.

На фиг.13 показана фиг.12 в разрезе.

На фиг.14 показана эллипсная форма кольцевого коллектора.

На фиг. 15 показан котел с дополнительно продленной цилиндрической частью.

На фиг. 16 показан котел с дополнительной поверхностью нагрева топочной части.

На фиг.17 показан эллипсный коллектор.

На фиг.18 показан штампованный решетчатый коллектор.

На фиг.19 показана часть схемы котла.

На фиг.20 показана карта-схема движения воды во фронтальном коллекторе.

Работа цилиндрического котла.

Вода от сетевых насосов направляется в центральный коллектор 7 (показано стрелкой на фиг. 1), где вода распределяется за счет глухих перегородок (шайб) в теплообменные гнутые трубы и, пройдя по ним, нагретая поступает в перепускные трубы 9, соединенные с кольцевым коллектором 3 котла (в данном котле перепускные трубы соединены с внешними конвективными трубами котла). Из кольцевого коллектора 3 вода по конвективным трубам 4 ( ход воды по трубам и ее направление движения показан стрелками на теплообменных трубах котла) поступает в кольцевой промежуточный коллектор 2 котла из которого вода по конвективным трубам и экранным трубам 4 поступает в кольцевой внутренний коллектор 1 котла, из которого направляется к потребителю. При определенных скоростях воды после кольцевого коллектора 2 вода может переходить в стадию парообразования, а в экранных топочных трубах полностью испаряется, в этом случае котел может работать как прямоточный - паровой котел. Продукты сгорания, выходя из цилиндрической топочной камеры котла, направляются в кольцевой газоход (так как внутри котла имеются газонаправляющие устройства в виде цилиндрических коробов 5, внешний из которых соединен с газовой перегородкой 6), в котором расположены конвективные теплообменные трубы 4 и, возвращаясь к фронту котла, направляются во второй кольцевой газовод, где также расположены теплообменные трубы 4, из последнего продукты сгорания проходят теплообменные трубы 11 встроенного в котел экономайзера с газонаправляющими перегородками 13-14 и выходят из котла (движение газов в котле показано изогнутыми стрелками).

На фиг.8 представлен цилиндрический прямоточный котел, имеющий не только фронтальные кольцевые коллекторы 22, 23, 24, но и ответные (противоположные) кольцевые коллекторы 23 и 24, при этом поверхности нагрева котла с ответными коллекторами представляют собой теплообменные прямые трубы, соединяющие фронтальные и обогреваемые ответные кольцевые коллекторы, таким образом получается цилиндрическая поверхность нагрева (в виде "белечьего колеса"). Внутренние топочные экранные трубы 25 на прямолинейном участке (на фиг.8 показано черточками на трубах) газоплотные, так как между трубами приварены стальные полосы-мембраны, служащие как газонаправляющие устройства котла, для организации направления движения продуктов сгорания при выходе из топочной камеры в кольцевой канал, а между промежуточными 26 и внешним 27 конвективными цилиндрическими экранами котла установлено газонаправляющее устройство 28 (в виде цилиндрического короба), соединенное с газовой перегородкой топки 29; соединенной с центральным коллектором 30 экономайзера, а теплообменные поверхности последнего выполнены змеевиками 31, дополнительно соединенными металлическими проставками 32 (мембранами), причем змеевики 31 установлены под углом к центральной оси коллектора экономайзера (на фиг.8 это пунктирная линия, проходящая по коллектору экономайзера 30 не обозначена). Выход воды из котла осуществляется с двух сторон промежуточного кольцевого коллектора 23 (не показан). При определенных скоростях воды в теплообменных трубах котел может эксплуатироваться и в паровом прямоточном режиме. Движение продукта сгорания в котле (и во всех конструкциях котлов) идентично котлу, изображенному на фиг.1, из топки котла продукты сгорания возвращаются к фронту котла по кольцевому газоходу и, сделав поворот, по кольцевому газоходу направляются в экономайзер (обозначен гнутыми стрелками), а циркуляция воды в котле показана стрелками на теплообменных трубах.

На фиг. 9 представлена конструкция цилиндрического прямоточного котла с фронтальными кольцевыми коллекторами 33, 34, 35 и ответными кольцевыми коллекторами 33, 34 и 35, причем местоположение фронтальных кольцевых коллекторов, как и ответных кольцевых коллекторов, может меняться относительно друг друга (соседних), как показано на фиг.9 пунктиром (положение ответных коллекторов не показано) в конструкции данного котла все теплообменные трубы соединены металлическими проставками (мембранами) от фронтальных кольцевых коллекторов до ответных кольцевых коллекторов, для организации движения продуктов сгорания по всем поверхностям нагрева котла, причем все три кольцевые фронтальные и все три кольцевые ответные коллекторы дополнительно могут быть соединены несколькими рядами труб фиг. 10, при этом расстановка труб показана на вырыве кольцевого коллектора 11 (то же самое показано на фиг.12 и фиг. 13 при двухрядном расположении теплообменных труб), а на фиг.14 показана эллипсная форма кольцевого коллектора 37, какой также может быть применен для многорядной установки теплообменных труб в котле.

На фиг.15 представлена конструкция цилиндрического прямоточного котла, у которого встроенный экономайзер расположен в наружной цилиндрической части котла дополнительно продленной, при этом центральный коллектор экономайзера 38 имеет кольцевую камеру 39, куда подается вода, а возврат нагретой воды из экономайзера осуществляется по центральному коллектору 38 и выходному патрубку 40, из последнего вода по перепускным трубам 41 распределяется на внешние ответные (противоположные фронту котла) кольцевые коллекторы 42, из которых по теплообменным трубам 43 вода поступает во фронтальные внешние коллекторы 42 и далее в зависимости от обвязки котла (т.е. как соединяются перепускные теплообменные трубы кольцевых коллекторов) вода поступает во внутренние или промежуточные поверхности нагрева котла.

На фиг.16 представлена конструкция цилиндрического прямоточного котла, у которого топочная камера в противоположной стороне от фронта котла имеет дополнительную поверхность нагрева в виде торического кольца 44, соединенного с центральным коллектором 45 экономайзера, причем в кольцевую часть (по условиям прочности) входят экранные топочные трубы 46, перфорированные в торическом кольце в виде кольцевой камеры 44, для поступления в них циркуляционной воды, последние имеют между собой металлические проставки - мембраны, которые не доходят до торического кольца (помечены на чертеже - схема 16 перпендикулярными штрихами), что изменяет направление движения продуктов сгорания. Центральный коллектор 45 экономайзера также перфорирован в кольцевой камере 44 для поступления в нее воды после экономайзера, а поворот продуктов сгорания от фронта котла осуществляется газонаправляющим устройством 47, соединенным с торическим кольцом 44 (кольцевой камерой), при этом выход воды (пара) осуществляется из ответного коллектора 48, расположенного на входе воды в экономайзер.

На фиг. 17 показан эллипсный коллектор 49 с перегородкой и без нее (не показан), который может быть применен в конструкциях цилиндрических котлов, а на фиг.18 показан штампованный решетчатый коллектор 50 со съемной крышкой, который также может быть использован в котлах данной конструкции.

На фиг. 19 представлена часть схемы цилиндрического парового котла (без внутренней поверхности нагрева и экономайзера), его отличие состоит в том, что внешняя цилиндрическая поверхность нагрева 51 котла соединена перепускной трубой 52 с промежуточной цилиндрической поверхностью нагрева 53 через фронтальные промежуточные и внешние кольцевые коллекторы 55 и ответные (противоположные) кольцевые коллекторы 55, внешней цилиндрической поверхностью нагрева 51, имеют глухие перегородки 56 (шайбы), см. фиг.20, установленные таким образом, чтобы циркуляция воды в теплообменных трубах внешней цилиндрической поверхности нагрева 51 котла была многократной, что приведет в выработке как насыщенного, так и перегретого пара в зависимости от кратности циркуляции воды во внешней цилиндрической поверхности нагрева.

На фиг.20 представлена карта-схема движения воды во фронтальном внешнем кольцевом коллекторе 55 (плюс - это вход воды в коллектор, минус - это выход воды из коллектора), а выход воды из ответного внешнего кольцевого коллектора обозначен цифрой 57. По такому же принципу может работать любая цилиндрическая поверхность нагрева (промежуточная, внутренняя), имеющая ответный кольцевой коллектор.

Котел используется в теплоэнергетике, в частности, в конструкции прямоточных цилиндрических котлов с встроенным экономайзером. Котел имеет внутреннюю топку, кольцевые коллекторы, соединенные теплообменными трубами и газоходы в виде кольцевых каналов, образованных газонаправляющими устройствами. Цилиндрический котел может работать как в водогрейном, так и паровом режимах и применим для теплоснабжения и технологических нужд промышленных и сельских объектов, причем котел может быть расположен в пространстве горизонтально, вертикально и наклонно, а его КПД лежит в пределах 93%. 12 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Цилиндрический котел, содержащий цилиндрическую топку, цилиндрические поверхности нагрева, кольцевые коллекторы, соединенные между собой теплообменными трубами, газоход в виде кольцевого канала, образованного газонаправляющими устройствами, отличающийся тем, что кольцевых коллекторов имеется более двух, он дополнительно снабжен встроенным экономайзером, выполненным с центральным коллектором, имеющим водо- и газонаправляющие перегородки и систему теплообменных труб, поверхности нагрева котла выполнены в виде более двух цилиндрических рядов теплообменных труб, при этом в котле имеется внутренняя топка и два газохода в виде кольцевых каналов. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что теплообменные трубы встроенного в котел экономайзера имеют вид змеевиков. 3. Котел по п.2, отличающийся тем, что фронтальные кольцевые коллекторы дополнительно имеют ответные кольцевые коллекторы. 4. Котел по п.3, отличающийся тем, что центральный коллектор экономайзера имеет кольцевую камеру. 5. Котел по пп.1 - 4, отличающийся тем, что теплообменные трубы котла дополнительно оребренные. 6. Котел по пп.1 - 5, отличающийся тем, что теплообменные трубы котла дополнительно соединены мембранами. 7. Котел по пп.1 - 6, отличающийся тем, что кольцевые коллекторы дополнительно соединены несколькими рядами теплообменных труб. 8. Котел по пп.1 - 7, отличающийся тем, что внешние поверхности теплообменных труб дополнительно продлены до внешних ответных кольцевых коллекторов, образуя цилиндрическую шахту, в которой расположен экономайзер. 9. Котел по пп.1 - 8, отличающийся тем, что дополнительно имеет торическую кольцевую поверхность нагрева, соединенную с перфорированным центральным коллектором и перфорированными трубами. 10. Котел по пп.1 - 9, отличающийся тем, что во фронтальном и ответном кольцевых коллекторах дополнительно установлены глухие перегородки. 11. Котел по пп.1 - 10, отличающийся тем, что защищен слоем антикоррозионного материала. 12. Котел по пп.1 - 11, отличающийся тем, что изготовлен из антикоррозионного материала. 13. Котел по п.5, отличающийся тем, что его поверхности нагрева выполнены из внутренних и внешних цилиндров, соединенных по торцам торическими поверхностями и газонаправляющей перегородкой.