ВОДОТРУБНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1999 года по МПК F24H1/12 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно к котлостроению для отопительных котлов, в частности для индивидуальных домов и малых сооружений с центральным отоплением.

Известны отопительные водогрейные котлы, содержащие коллекторы подвода и отвода воды, связанные между собой параллельными пучками обогреваемых теплоносителем труб, внутри которых движется нагреваемая вода под напором циркуляционного насоса (см. Роддатис К.Ф. Котельные установки. М.: Энергия, 1977, с. 249).

Недостатком таких котлов являются: большое гидравлическое сопротивление пучков труб, вызванное наличием гибов труб, и, как следствие, повышенные затраты электроэнергии на циркуляцию воды; возможность тепловой и гидравлической развертки параллельно включенных трубных пучков и, как следствие, наличие термических напряжений в трубах со снижением надежности работы котла; сложность очистки труб от внутренних отложений накипи и продуктов коррозии и, как следствие, увеличение стоимости ремонта котла, что в конечном итоге приводит к увеличению эксплуатационных затрат.

Известен водотрубный котел, являющийся наиболее близким к заявляемому, содержащий коллекторы подвода и отвода воды, связанные с раздающими и собирающими параллельными пучками прямых труб, и многосекционный газоход, сообщенный с топочной камерой, из секций которого образованы каналы для прохода теплоносителя снаружи пучков обогреваемых труб. Против отдельных трубок в котле установлены лючки для их очистки и выема при смене. Котел имеет тягодутьевые средства (Бузник В.М. Судовые парогенераторы. - Л.: Судостроение, 1970, с. 299 - 301).

Недостатками известного котла являются: возможность тепловой и гидравлической развертки параллельно включенных трубных пучков и, как следствие, наличие термических напряжений в трубках со снижением надежности работы котла; затрудненность доступа к внешним и внутренним поверхностям теплообмена с целью очистки их от внешних и внутренних отложений сажи и накипи, обусловленная жесткостью конструкции пучков труб. Газоход, имеющий постоянное сечение, не позволяет повысить производительность котла более 120% номинальной из-за ограничений по напору и производительности вентилятора, а также обеспечить работу котла на самотяге с производительностью более 20% из-за высокого аэродинамического сопротивления газохода с трубными пучками. В результате, диапазон нагрузок известного котла с работой тягодутьевых средств составляет величину в пределах от 10 до 120%, а диапазон нагрузок котла на самотяге составляет величину от 0 до 20% номинальной.

Такие характеристики известного водотрубного котла при использовании его в качестве водогрейного для теплоснабжения индивидуальных потребителей, в частности в течение длительных сезонных изменений климатических условий и возможных отключений электроэнергии, приводят к необходимости установления нескольких котлов, включаемых в работу в зависимости от температурного графика. Это, в конечном итоге, удорожает и усложняет изготовление и обслуживание такой котельной установки, а также снижает устойчивость и надежность самого теплоснабжения.

Таким образом, известное решение - прототип, как один из существенных недостатков, имеет достаточное ограничение по диапазону нагрузок, в частности в его использовании в качестве водогрейного в системах теплоснабжения при сезонных изменениях климатических условий и возможных от источников электроэнергии.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных недостатков, а именно снижение величин термических напряжений и повышение надежности работы котла, облегчение доступа к внешним и внутренним поверхностям теплообмена для возможности очистки, а также повышение производительности работы котла и расширение диапазона высокоэффективности работы.

Поставленная задача достигается тем, что в известном водотрубном котле, содержащем коллекторы подвода и отвода воды, связанные с раздающими и собирающими параллельными пучками прямых труб, и многосекционный газоход, сообщенный с топочной камерой, из секций которого образованы каналы для прохода теплоносителя снаружи пучков обогреваемых труб, в отличие от него в заявляемом коллекторы подвода и отвода воды расположены сверху от параллельных пучков труб. Коллектор подвода воды размещен во внутреннем пространстве коллектора отвода воды. Каждая из раздающих пучков размещена соосно в собирающей трубе, выполненной глухой по исполнению. Торец нижней части раздающих труб размещен на расстоянии, равном величине их диаметра от глухого торца собирающих труб. Каждый канал газохода с одной из соответствующих сторон на периферии пучков обогреваемых труб оборудован управляемыми шиберными заслонками, обеспечивающими параллельное и/или последовательное соединение соответствующих каналов с топочной камерой.

Ограничительные и отличительные признаки заявляемого изобретения обеспечивают достижение поставленной технической задачи: снижение величины термических напряжений и повышение надежности работы котла, облегчение доступа к внешним и внутренним поверхностям теплообменника для возможности очистки, а также повышение производительности работы котла и расширение диапазона высокоэффективной работы.

Размещение коллектора подвода воды во внутреннем пространстве коллектора отвода воды, размещение обоих коллекторов сверху от параллельных пучков труб в совокупности с соосным размещением в газоходе раздающих труб внутри собирающих, нижние торцы которых отстоят от нижних торцов раздающих труб на величину диаметра последних, обеспечивает возможность нагрева, свободного, независимого температурного удлинения труб без возникновения термических напряжений и снижения надежности работы котла, непрерывную циркуляцию воды, в также возможность выполнения механической очистки труб путем несложного демонтажа раздающих и собирающих параллельных пучков труб с доступом к внешней и внутренней из поверхности.

Оборудование каналов газохода с одной из соответствующих сторон на периферии пучков обогреваемых труб управляемыми шиберными заслонками, обеспечивающими параллельное и/или последовательное соединение соответствующих каналов с топочной камерой, позволяет многократно изменять величину поперечного сечения каналов газохода без изменения поверхности теплообмена с соответствующим изменением скорости газов, что равнозначно ступенчатому изменению аэродинамичных характеристик системы, на которую работают тягодутьевые средства котла.

Как известно, аэродинамичные характеристики тягодутьевых средств (вентиляторов) и система, на которую они работают, представляют собой обратно пропорциональную зависимость расхода от напора (сопротивления). При этом сопротивление газохода на максимальной нагрузке котла (обычно 120% от номинальной) и напор вентилятора соответствуют максимальному напору и номинальному расходу вентилятора. В случае установки шиберных заслонок в положение, соответствующее увеличению поперечного сечения каналов газохода (параллельное соединение), в силу обратной зависимости происходит уменьшение напора и увеличение расхода воздуха от вентилятора. В этом случае с увеличением расхода воздуха оказывается возможным сжигать больше топлива и соответственно пропорционально увеличивать тепловую мощность котла, вплоть до значений более 120% (160 - 200%), т.е. диапазон нагрузок котла достаточно расширяется.

В случае работы котла на самотяге ее величина (напор) при прочих одинаковых условиях определяется высотой дымовой трубы и составляет сравнительно невысокую величину. Этому небольшому значению напора при минимальном поперечном сечении каналов газохода соответствует и небольшой расход газов, который определяет нагрузку котла - обычно не более 20%.

Установка по заявляемому решению шиберных заслонок в положение, соответствующее увеличению поперечного сечения каналов газохода, т.е. параллельное соединение, позволяет в несколько раз увеличить при работе котла на самотяге расход газов, что обеспечивает пропорциональное увеличение и нагрузки котла, вплоть до 60 - 80%.

Таким образом, диапазон нагрузок котла в таком случае как при работе с использованием тягодутьевых средств (увеличивается до 2 раз), так и при работе котла на самотяге (увеличивается в несколько раз) расширяется, что в конечном итоге уменьшает количество используемых отопительных котлов до одного и эксплуатационные расходы на обслуживание.

Заявляемое изобретение поясняется иллюстрациями:
на фиг. 1 и 2 приведена конструктивная схема устройства водотрубного котла при последовательном соединении канала газохода;
на фиг. 3 приведена схема установки шиберных заслонок при параллельно-последовательном соединении;
на фиг. 4 - аэродинамические характеристики вентилятора с его системой.

Заявляемый котел поясняется на примере конкретного исполнения котла, имеющего номинальную нагрузку 20 кВт, поверхность нагрева 0,7 м², число каналов газохода 9 и расход воздуха 2,5 м³/ч.

Котел содержит коллектор подвода воды 1, связанный с раздающими параллельными пучками прямых труб 2, и коллектор отвода воды 3, связанный с параллельными собирающими пучками прямых труб 4. Коллектор 1 при помощи фланцевого соединения 5 сообщен с коллектором 3. При этом открытый нижний торец каждой из труб 1 отстает от нижнего торца трубы 4, выполненного глухим по исполнению (не показано), на расстоянии, равном диаметру труб 2. Котел содержит топочную камеру 6 с топочным устройством 7 подвода воздуха и топлива. Котел имеет газоход 8, в котором установлен пучок труб 4, ограниченный с внешних сторон притопочной вертикальной стенкой 9, задней вертикальной стенкой 10, боковыми вертикальными стенками 11, горизонтальным днищем 12 и в верхней части коллектором 3. Кроме того, перегородками 13 газоход разделен на каналы 14 для прохождения теплоносителя, через которые пропущены трубки 4. Стенки 9 и 10 на входе или выходе каждого канала 14 оборудованы шиберными заслонками 15 газохода с ручным приводом (не показан), обеспечивающими параллельное и/или последовательное соединение каналов. На выходе газов из котла установлен газоотводный патрубок 16. Снаружи котел покрыт изоляцией 17.

Котел используют следующим образом. При номинальной нагрузке котла воздух от вентилятора (не показан) и топливо поступают в топочную камеру 6, где происходит сгорание топлива, и продукты сгорания поступают в каналы газохода 14 при положении заслонок, например, указанном на фиг. 1 (последовательное соединение каналов). Продукты сгорания движутся последовательно по всем каналам к газоотводному патрубку 16. За счет теплообмена с обогреваемыми трубами 4 температура газов снижается, а теплота подводится к нагреваемой воде. Холодную воду постоянно подводят к коллектору 1, и по опущенным трубам 2 она опускается до уровня заглушенных (не показаны) концов обогреваемых труб 4. Нагреваемая вода за счет снижения плотности поднимается в межтрубном пространстве по трубам и поступает в коллектор 3, из которого отводят в систему к потребителям теплоты. Таким образом, обеспечивается непрерывный нагрев и циркуляция воды котла.

При необходимости увеличения нагрузки котла, например до двухкратной, часть заслонок 15 устанавливают в открытое положение (см. фиг. 3). Поперечное сечение каналов газохода увеличивается в 3 раза за счет одновременного (параллельно-последовательного) движения потока газов в смежных каналах и соответствующего сокращения числа поворотов потока газов между стенками 9 и 10. При этом аэродинамическая характеристика газохода становится более пологой, и расход воздуха от вентилятора увеличивается (от Q₂ до Q₃ на фиг. 4). Соответственно увеличивают подачу топлива, и нагрузка котла возрастает. В этом случае с увеличением поперечного сечения каналов газохода КПД несколько снижается, но за счет происходящего возрастания расхода газов относительно случаев параллельного соединения каналов эффективность теплообмена увеличивается, и, в итоге, КПД снижается несущественно. В частности, при имеемых номинальной нагрузке котла N₂= 20 кВт и поверхности нагрева F=0,7 м² в случае максимального числа последовательно подключаемых каналов газохода, равном Z₂= 9, расход воздуха от вентилятора составляет Q₂=2,5 м³/ч, скорость газов в газоходе Wг₂=20 м/с, температура уходящих газов t ух.г.₂=120^oC, а КПД котла η₂= 90%. При этом, нагрузка котла составляет N₂=20 кВт.

При необходимости повышения производительности котла изменяют положение шиберных заслонок 15, обеспечивая уменьшение числа последовательно подключенных каналов газохода, например, устанавливая их число Z₃=3. Это дает возможность увеличить расходную характеристику вентилятора до Q₃=5 м/ч при снижении напора по H₃ (см. фиг. 4) с соответствующим увеличением нагрузки котла до N₃=34 кВт, что предопределяет скорость газов Wr₃=14 м/с, температуру уходящих газов t ух.г₃=400^oC и КПД котла η₃= 80%.
Аналогичное происхождение и при необходимости отключения вентилятора и перевода котла на самотягу. И в этом случае увеличение поперечного сечения каналов газохода способствует существенному росту нагрузки котла от Qc₂ до Qc₃ (см. фиг. 4). При этом нагрузка котла при максимальном числе последовательно соединенных каналов газоотвода составит Nc₂ =2,0 кВт, скорость газов в газоходе Wc₂=3 м/с и КПД котла η_c2= 60%.
В случае уменьшения числа последовательно соединенных каналов до Z₃=3 нагрузка котла обеспечивается до Nc₃=12 кВт при скорости газов в газоходе Wc₃= 5 м/с и температуре уходящих газов t ух.г.с₃=200^oC, что дает достаточно высокий КПД котла η_c3= 0,88. Таким образом, меняя положение шиберных заслонок 15, изменяющих число последовательно подключенных каналов газохода от 9 до 3, можно увеличивать диапазон нагрузок котла при его работе на вентиляторной подаче воздуха от 0 - 10% до 60 - 170%, а при работе на самотяге от 0 - 10% до 0 - 60%.

При использовании котла в качестве утилизационного, работающего на обходящих газах двигателя внутреннего сгорания постоянного расхода, изменение числа последовательно включенных газоходов за счет изменения положения шиберных заслонок, позволяет ступенчато менять производительность котла и аэродинамическое сопротивление. Снижение нагрузки котла сопровождается увеличением поперечного сочетания газохода (увеличение числа параллельно включенных каналов газохода) и снижением аэродинамического сопротивления котла за счет уменьшения скорости газового потока. При этом мощность двигателя увеличивается за счет снижения сопротивления на выхлопе, что увеличивает эффективность работы двигателя. Такие режимы целесообразно использовать при отключении части тепловых потребителей пара, например при повышении температуры окружающей среды.

Чистку и профилактический уход котла осуществляют следующим образом. Демонтируют коллектор 3 совместно с трубами 4 и перегородками секций газохода 13 из внешнего корпуса котла, ограниченного стенками 9, 10, 11, и обеспечивают простой доступ к очистке поверхностей нагрева и газохода от внешних отложений. Демонтируют коллектор 1 совместно с трубами 2 из коллектора 3 и труб 4 и обеспечивают простой доступ к очистке поверхностей котла от внутренних отложений.

Устройство предназначено для применения в отопительных системах, в частности для отопления индивидуальных домов и малых сооружений. Котел содержит коллекторы подвода и отвода воды, расположенные сверху от параллельных раздающих и собирающих пучков прямых труб, в которых раздающие трубы соосно размещены внутри подъемных, глухих по форме, многосекционный (многоканальный) газоход, каждый канал которого с одной из соответствующих сторон на периферии пучков обогреваемых труб оборудован управляемыми шиберными заслонками, обеспечивающими параллельное и/или последовательное соединение соответствующих каналов с топочной камерой. Изменяя положение заслонок, увеличивают диапазон нагрузки котла при работе вентилятора в 2 раза, при работе на самотяге - в несколько раз. Изобретение позволяет повысить производительность, расширить диапазон эффективной работы, снизить термонапряжения, облегчить условия чистки и ухода. 4 ил.

Водотрубный котел, содержащий коллекторы подвода и отвода воды, связанные с раздающими и собирающими параллельными пучками прямых труб, и многосекционный газоход, сообщенный с топочной камерой, из секций которого образованы каналы для прохода теплоносителя снаружи пучков обогреваемых труб, отличающийся тем, что коллекторы подвода и отвода воды расположены сверху от параллельных пучков труб, коллектор подвода воды размещен во внутреннем пространстве коллектора отвода воды, каждая из раздающих труб размещена соосно в собирающей трубе, выполненной глухой по исполнению, торец нижней части раздающих труб размещен на расстоянии, равном величине их диаметра от глухого торца собирающих труб, каждый канал газохода с одной из соответствующих сторон на периферии пучков обогреваемых труб оборудован управляемыми шиберными заслонками, обеспечивающими параллельное и/или последовательное соединение соответствующих каналов с топочной камерой.