ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1998 года по МПК F22B17/14 F24H1/12 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котлах малой мощности.

Известен отопительный котел, содержащий топочное пространство, огражденное передним и задним потолочным и боковыми экранами, соединенными по периметру топочного пространства нижним и верхним контурными коллекторами для входа-выхода воды, а также опускной конвективный пучок, отделенный от заднего экрана отбойной перегородкой.

Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа (см. авт. св. СССР N1691675, опубл. 15.11.91), является возможность конденсации водяных паров и образования серной кислоты на поверхности водяных труб вследствие несогласованности температурных потоков воды и газа, а также налипание зольных частиц и снижение теплопередачи. Это приводит к низкой эффективности работы котла, что подтверждается достаточно высокими температурами отходящих газов.

Заявленное техническое решение отличается тем, что в известном отопительном котле, содержащем топочное пространство, огражденное передним, задним, потолочным и боковыми экранами, соединенными по периметру топочного пространства нижним и верхним контурными коллекторами для входа-выхода воды, а также опускной конвективный пучок, ограниченный газонепроницаемыми стенками котла и отделенный от заднего экрана отбойной перегородкой, в верхней части топочного пространства установлен продольный конвективный пучок, образующий с верхним экраном по всей длине котла газоперепускную камеру, причем часть пучка посредством продленной до камеры перегородки размещена над опускным конвективным пучком, а каждый из контурных коллекторов выполнен разомкнутым в наиболее удаленной точке от входа-выхода воды, при этом вход воды осуществляется в нижний контурный коллектор и через передний, задний и боковые экраны в верхний контурный коллектор, выход из которого соединен с нижней точкой опускного конвективного пучка, а потолочный экран и продольный конвективный пучок являются продолжением опускного конвективного пучка.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Одним из отличительных признаков заявленного технического решения является введение в верхней части топочного пространства продольного конвективного пучка, способствующего более интенсивной теплопередаче от наиболее горячих потоков газа воде, циркулирующей в трубах конвективного пучка. При этом за счет образованной газоперепускной камеры трубы потолочного экрана омываются равномерно по всей длине, обеспечивая теплоперенос по максимальной поверхности, а продленная до перепускной камеры перегородка является направляющей, разделяющей поток газов на восходящий и опускной. Очевидно, что в данном случае в сравнении с прототипом поток газов имеет больший пробег, а это существенно улучшает перемешивание продуктов горения в самом потоке, в результате чего успевают догорать несгоревшие в топочном пространстве частицы топлива. За счет более полного сгорания не только повышается КПД котла, но и снижается загрязнение атмосферы. Это способствует тому, что в зоне опускного конвективного пучка выходящие газы будут иметь меньшую температуру, устраняя возможность перегрева при встрече потока высокотемпературных газов с относительно холодной водяной средой в трубах опускного конвективного пучка. В свою очередь, подача предварительно нагретой в топочном пространстве воды в нижнюю часть опускного конвективного пучка исключает конденсацию воды. При этом снижение температуры газов на выходе из котла как раз и свидетельствует о повышении эффективности котла, его КПД.

Другим отличительным признаком предложенного изобретения является то, что контурные коллекторы экранов выполнены разомкнутыми в наиболее удаленной точке от входа-выхода воды. Такое выполнение создает не просто организованное движение потока воды в трубах экранов и коллекторах, но и за счет естественного потока (саморегулирования) позволяет устранить как "мертвые" объемы, так и быстро- или вялотекущие потоки воды, а значит, возможность недогрева или перегрева. Опыт эксплуатации аналогичных контурных схем подтверждает, что именно угловые участки являются чаще всего застойными зонами, за счет чего более прямые участки как бы берут на себя функции застойных зон и, естественно, оказываются в более теплонагруженном состоянии. Заявленный же признак позволяет не только устранить слабофункциональные зоны водяного контура, но и, что самое главное, обеспечить равномерный, более организованный поток воды по всем экранам, связанным друг с другом контурными коллекторами. Таким образом, устраняется возможность образования или застойных зон, могущих привести к локальному перегреву, или недогретых зон с большей скоростью воды в трубах.

Совместное использование указанных признаков позволяет получить новое свойство, а именно взаимодействие удлиненного газового потока за счет введения верхнего конвективного пучка и продленной газонепроницаемой перегородки с более равномерным потоком воды в трубах экранов за счет выполнения контурных коллекторов разомкнутыми позволяет организовать более эффективную теплопередачу путем согласования температурных зон котла. Кроме того, вход воды осуществляется в нижний контурный коллектор и через передний, задний и боковые экраны в верхний контурный коллектор, выход из которого соединен с нижней точкой опускного конвективного пучка, а потолочный экран и продольный конвективный пучок являются продолжением опускного конвективного пучка. Именно поэтому более высокотемпературные потоки газов (порядка 1200^oC) приходятся на участки труб (верхний конвективный пучок и потолочный экран), где вода уже предварительно нагрета до высоких температур. При этом поступающая вода в опускной конвективный пучок, предварительно нагретая в экранах, уже взаимодействует с меньшими температурами (600^oC) газового потока. Как видно, и в том, и в другом случаях устраняется возможность конденсации водяных паров при встрече горячих газов с относительно холодной поверхностью труб, а значит, и возможное налипание золовых частиц с последующим ухудшением процесса теплопередачи. Очевидно и то, что поток воды в верхнем конвективном пучке, отделенный от потолочного экрана перепускной камерой и разделенный дополнительно газонепроницаемой перегородкой, удачно согласуется с потоком газа по принципу противотока.

Таким образом, в предложенном техническом решении путем внесения отмеченных конструктивных изменений выдерживается более согласованное соотношение температурного градиента потока газов с температурными градиентами соответствующих участков потока воды, что и обеспечивает снижение температуры выходящих из котла газов, т.е. их более полное срабатывание, а значит, и повышение КПД котла.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема котла в разрезе.

На фиг.2 - схемы водяных экранов, связанных коллекторами.

На фигурах обозначено: 1 - топочное пространство; 2 - отбойная перегородка ; 3 - опускной конвективный пучок; 4 - продольный конвективный пучок; 5 - газоперепускная камера; 6 - экран потолочный; 7 - дополнительная газонепроницаемая перегородка; 8 - восходящий поток газов; 9 - опускной поток газов; 10 - передний экран; 11 - задний экран; 12 и 13 - боковые экраны; 14 - нижний контурный коллектор; 15 - верхний контурный коллектор; 16 - патрубок входа воды; 17 - патрубок выхода воды; 18 - место разрыва в нижнем коллекторе; 19 - место разрыва в верхнем коллекторе; 20 - патрубок выхода воды из верхнего контурного коллектора 15. Стрелками на фиг.2 обозначено направление потока воды.

Отопительный котел содержит топочное пространство 1, ограниченное отбойной перегородкой 2, за которой размещен опускной конвективный пучок 3. Над топочным пространством 1 расположен продольный конвективный пучок 4 и отделенный от него газоперепускной камерой 5 потолочный экран 6. Дополнительная газонепроницаемая перегородка 7 является продолжением отбойной перегородки 2 и делит продольный конвективный пучок 4 на восходящий 8 и опускной 9 потоки газов. Поверхности топочного пространства 1 выполнены в виде водяных экранов - потолочного 6, а также переднего 10, заднего 11 и боковых 12 и 13 (фиг.2), соединяющих нижний 14 и верхний 15 контурные коллекторы с патрубками входа 16 и выхода 20 нагреваемой воды, причем контурные коллекторы 14 и 15 разомкнуты в наиболее удаленных точка соответственно 18 и 19. Общий выход нагретой воды из котла осуществляется через патрубок 17 выхода воды.

Устройство работает следующим образом.

Образующийся от сгорания топлива в топочном пространстве 1 восходящий поток газов 8, ограниченный отбойной перегородкой 2 и дополнительной перегородкой 7, проходит часть продольного конвективного пучка 4 по газоперепускной камере 5, образованной пучком 4 и экраном 6, огибает дополнительную перегородку 7, переходя в опускной поток 9 газов, который проходит другую часть 4 и опускной конвективный пучок 3, после чего выходит из котла в атмосферу.

Вода для нагрева в котел поступает через патрубок 16 (фиг.2) в нижний контурный коллектор 14 и по вертикальным трубам переднего 10, заднего 11 и боковых 12 и 13 экранов поступает в верхний контурный коллектор 15 и через его выходной патрубок 20 в опускной конвективный пучок 3. Пройдя пучок 3 снизу вверх, вода поступает одновременно в продольный конвективный пучок 4 и в потолочный экран 6, после чего через патрубок 17 направляется потребителю.

Из представленных рисунков следует, что восходящий поток 8 газов, поднимаясь вверх, наиболее полно обеспечивает нагрев части продольного конвективного пучка 4 и отделенного от него газоперепускной камерой 5 потолочного экрана 6, причем именно за счет введения газоперепускной камеры 5 и осуществляется противоток, т. е. газы по газоперепускной камере 5 перемещаются слева направо, а вода в трубах экрана 6 и пучка 4, образующих эту камеру, протекает справа налево. Далее опускной поток 9 газов предварительного нагревает часть конвективного пучка 4, поэтому начальная часть пучка 4 взаимодействует с менее нагретым газом, а основная часть пучка 4 после предварительного нагрева взаимодействует в топочном пространстве 1 с наиболее высокой температурой газов. Таким образом, введенный в конструкцию отопительного котла продольный конвективный пучок 4, кроме того, что сам размещен в оптимальных температурных зонах, но и обеспечивает снижение температуры газов при выходе в опускную зону, т.е. при входе в опускной конвективный пучок 3, который уже находится в низкой температурной зоне, чем и исключается возможность перегрева или конденсации при встрече высокотемпературных потоков газа с относительно холодной водяной средой в трубах опускного пучка 3. Из представленных рисунков видно, что опускной (с более низкими температурами) поток 9 газов приходится на менее прогретые участки труб пучка 4 (размещенного в опускном участке) и на опускной пучок 3, а восходящий поток 8 газов (с высокими температурами) контактирует с более нагретыми участками труб экрана 6 и пучка 4, чем и обеспечивается согласование уровней температур потоков газов и воды. Этому в немалой степени способствует устранение возможных застойных зон в нижнем 14 и верхнем 15 коллекторах, контуры которых размещены в наиболее удаленных точках соответственно 18 и 19 от патрубков входа 16 и выхода 20 воды.

Пример конкретного выполнения.

В серийно изготавливаемом котле типа КВМ-1,0 потолочный экран 6 размещался на такой высоте, что между экраном 6 и топочным пространством 1 размещался пучок 4 труб диаметром 61 мм в четыре ряда и длиной, равной длине потолочного экрана 4, при этом между экраном 6 и пучком 4 образовывалась перепускная камера 5 высотой 30 см. Дополнительная перегородка 7, являясь продолжением отбойной перегородки 2, доходила до верхних труб пучка 4, разделяя таким образом поток газов на восходящий 8 и опускной 9. На нижнем 14 и верхнем 15 коллекторах в противоположных точках соответственно 18 и 19 от патрубка входа 16 и выхода 20 воды контуры были рассоединены и заглушены. При испытании опытного образца отопительного котла с заявленными конструктивными изменениями при эксплуатации на рабочем режиме было отмечено, что при температуре в верхней части топочного пространства 1 1200^oC температура газов в опускной части пучка 4 составляла 600^oC, при этом температура уходящих из котла газов не превышала 200^oC, что свидетельствует о более эффективной работе котла.

Заявленная конструкция отопительного котла может найти широкое применение в отопительных устройствах, поскольку вносимые несложные конструктивные изменения значительно перекрываются получаемым эффектом как в повышении КПД установки и меньшей загрязненностью окружающей среды, так и более надежной его эксплуатации и повышения срока службы.

Изобретение относится к отопительным котлам малой мощности, содержащим топочное пространство, ограниченное передним 10, задним 11, потолочным 6 и боковыми 12, 13 экранами, соединенными по периметру топочного пространства 1 нижним 14 и верхним 15 контурными коллекторами для входа-выхода воды, а также опускной конвективный пучок 3, ограниченный газонепроницаемыми стенками котла и отделенный от заднего экрана 11 отбойной перегородкой 2, в верхней части топочного пространства установлен продольный конвективный пучок 4, образующий с потолочным экраном 6 по всей длине котла газоперепускную камеру, причем часть пучка 4 посредством продленной до камеры перегородки размещена над опускным конвективным пучком 3, а каждый из контурных коллекторов выполнен разомкнутым в наиболее удаленной точке от входа-выхода воды. Техническим результатом изобретения является интенсификация теплопередачи от наиболее горячих газов воде. 2 ил.

Отопительный котел, содержащий топочное пространство, ограниченное передним, задним, потолочным и боковыми экранами, соединенными по периметру топочного пространства нижним и верхним контурными коллекторами для входа-выхода воды, а также опускной конвективный пучок, ограниченный газонепроницаемыми стенками котла и отделенный от заднего экрана отбойной перегородкой, отличающийся тем, что в верхней части топочного пространства установлен продольный конвективный пучок, образующий с потолочным экраном по всей длине котла газоперепускную камеру, причем часть пучка посредством продленной до камеры перегородки размещена над опускным конвективным пучком, а каждый из контурных коллекторов выполнен разомкнутым в наиболее удаленной точке от входа-выхода воды, при этом вход воды осуществляется в нижний контурный коллектор и через передний, задний и боковые экраны - в верхний контурный коллектор, выход из которого соединен с нижней точкой опускного конвективного пучка, а потолочный экран и продольный конвективный пучок являются продолжением опускного конвективного пучка.