ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1999 года по МПК F24H1/14 

Заявляемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котлах, работающих в системах отопления и горячего водоснабжения.

Общеизвестны [1] водогрейные чугунные котлы "Универсал", которые используются для отопительных целей и нужд горячего водоснабжения объектов небольшой тепловой мощности, состоят из двух крайних и тридцати шести средних секций, а также топочной камеры, расположенной непосредственно под котлом.

Недостатками данной конструкции котлов являются низкая эффективность использования топлива из-за отсутствия экранированности топки. Отсутствие конвективной части котла приводит к низким значениям его коэффициента полезного действия, который составляет примерно 70%. Такие котлы требуют больших затрат на монтаж (так как имеют низкую технологичность изготовления и сборки) и обмуровку, характеризуются большими габаритами и высокой металлоемкостью на единицу отпущенной тепловой энергии.

Известен также стальной водогрейный котел марки HP-18 [1], состоящий из двадцати четырех трубных секций, соединенных между собой коллекторами, с общей площадью теплообменной поверхности 40 м². Трубы, обращенные в топку, образуют боковые экраны, а трубы, расположенные за боковым экраном, образуют конвективную часть котла, причем кирпичная перегородка отделяет топку от конвективного газохода. Продукты сгорания из топки, огибая перегородку, продольно омывают трубы конвективной части котла.

Недостатками известной конструкции котла HP-18 является малая площадь радиационной поверхности котла, которая представляет собой экран из труб над топочной камерой. Это ведет к низким значениям теплосъема в топочной камере котла, а продукты сгорания, продольно омывая трубы конвективной части котла, неэффективно отбирают располагаемую теплоту сжигаемого топлива. Следствием этого являются высокое значение температуры дымовых газов за котлом и низкий КПД (65-70%).

Частично устранить указанные недостатки возможно при использовании водогрейного котла [2]. Это техническое решение является наиболее близким по совокупности признаков и принимается в качестве прототипа заявляемого изобретения. Водогрейный котел [2] содержит корпус с патрубками подвода и отвода воды и размещенную в корпусе топку с фронтовым, задним и боковым газоплотными трубчатыми экранами, каждый из которых подключен к своему нижнему коллектору. Между боковым экраном и корпусом установлен с образованием конвективного газохода, сообщенного с отводящим газоходом, трубчатый промежуточный экран, сообщенный со своими верхним и нижним коллекторами, при этом последний соединен с патрубком подвода воды. Фронтовой и задний экраны имеют также свои верхние сообщенные между собой коллекторы, а в среднюю часть фронтового экрана включен обводной замкнутый коллектор.

Однако при такой конструкции водогрейного котла движение нагреваемой воды в трубках экранных поверхностей попеременно является то восходящим, то нисходящим. При движении воды вниз из-за восходящего потока естественной циркуляции в некоторых трубах возможно торможение потока, останов и даже "опрокидывание" циркуляции, как показывают данные по эксплуатации водогрейных котлов с нисходящим движением воды в трубах.

Повышается гидравлическое сопротивление котла и, как следствие, расход электроэнергии на перекачку теплоносителя - воды. Таким образом, снижается надежность работы котла и его экономичность.

Кроме того, в связи со сложностью организации многоходовой схемы циркуляции нагреваемой воды в экранных поверхностях котла [2] не всегда будет обеспечиваться принцип противотока движения нагреваемой среды по отношению к движению дымовых газов, что ведет к снижению коэффициента полезного действия.

Топка котла не является полностью экранированной и, как следует из описания изобретения [2], рассчитана только на сжигание высокосортных углей. В связи с тем, что в наиболее широко использующихся на сегодняшний день рядовых углях зольность превышает 35%, сжигание такого топлива обходится на 30-40% дороже сжигания жидкого топлива или газа.

Слаборазвитые конвективные поверхности котла, в качестве которых выступают трубы промежуточных экранов, также не позволяют получить высокий КПД без дополнительной установки хвостовых поверхностей нагрева (экономайзера и т.п.).

Котел характеризуется также и низкой технологичностью изготовления, монтажа и эксплуатации, так как является цельносварным, с крупными монтажными блоками и имеет двенадцать прямоугольных сварных коллекторов.

Заявляемое изобретение предназначено для решения задачи повышения надежности и экономичности работы, а также упрощения технологии изготовления, монтажа и эксплуатации котла.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном водогрейном котле, содержащем корпус, патрубок подвода и отвода воды и размещенную в корпусе топку с фронтовым, задним и боковым газоплотными трубчатыми экранами, каждый из которых подключен к своему нижнему коллектору, причем нижние коллекторы фронтового и заднего экранов сообщаются между собой, а также установленный между одним из боковых экранов и корпусом с образованием конвективного газохода, сообщенного с отводящим газоходом, трубчатый промежуточный экран, соединенный со своими верхним и нижним коллекторами, при этом последний соединен с патрубком подвода воды, фронтовой и задний экраны имеют также свои верхние, сообщенные между собой, коллекторы, а в среднюю часть фронтового экрана включен обводной замкнутый коллектор, отличительными признаками являются сообщение коллекторов между собой опускными патрубками, снабжение каждого бокового экрана своим собственным верхним коллектором, соединение верхнего коллектора промежуточного экрана с нижним коллектором заднего экрана, верхний коллектор которого в свою очередь сообщен с нижним коллектором бокового экрана, расположенного со стороны промежуточного экрана и установленного с образованием со стороны заднего экрана свободного проема, переходящего в горизонтальный газоход, причем верхний коллектор упомянутого бокового экрана соединен с нижним коллектором другого бокового экрана, выполненного П-образным с охватом по периметру топочной камеры и сообщенного своим верхним коллектором с патрубком отвода воды; в горизонтальном газоходе дополнительно установлены конвективные панели, имеющие свои верхние и нижние коллекторы, параллельно подключенные к верхнему и нижнему коллекторам промежуточного экрана, при этом трубные отверстия коллекторов всех экранов и конвективных панелей выполнены в шахматном порядке со смещением центров, а концы экранных трубок, подсоединенных к смещенным отверстиям, изогнуты.

Получаемый при осуществлении изобретения результат, а именно повышение эксплуатационной надежности и экономичности водогрейного котла, достигается за счет организации движения потоков нагреваемой воды таким образом, что во всех поверхностях нагрева (экранах и конвективных панелях) она движется снизу вверх. При этом за счет возникновения подъемных сил естественной циркуляции снижается величина гидравлического сопротивления и, следовательно, возрастает экономичность котла. Постепенное сужение сечения для прохода воды по мере ее приближения к зоне высоких температур топочных газов обеспечивает увеличение скоростей движения воды, турбулизацию потока и снижение накипеобразования внутри труб.

Предложенная последовательность соединения между собой коллекторов поверхностей нагрева опускными патрубками позволяет осуществить принцип противотока нагреваемой воды и уходящих газов, когда при поступлении воды в каждую последующую поверхность нагрева температура дымовых газов, омывающих эту поверхность, возрастает. Такое решение (а также развитие конвективных поверхностей нагрева котла) позволяет повысить экономичность котла за счет получения максимального КПД.

Этой же цели служит и оригинальный способ вварки экранных труб в коллекторы, чем достигается плотная и полная экранизация топочной камеры, значительное снижение потерь инфракрасного излучения и потерь теплоты в окружающую среду. Благодаря предотвращению непосредственного контакта обмуровки с горячими дымовыми газами котла удается уйти от тяжелой обмуровки котла и ограничиться натрубной изоляцией.

Повышение технологичности изготовления, монтажа и эксплуатации котла достигается снижением объемов трубогибочных и сварочных работ при его изготовлении, а также блочным исполнением конструкции котла: каждый экран (фронтовой, задний, боковые, промежуточный) и каждая конвективная панель со своими верхним и нижним коллекторами представляют собой отдельные самостоятельные блоки при изготовлении, монтаже и демонтаже котла. Такое конструктивное решение позволяет организовать полную сборку котла в цеховых условиях. Как вариант, возможен монтаж котла непосредственно в существующем помещении, так как блоки характеризуются малыми габаритами и для их установки не требуются большие монтажные проемы в здании котельной.

На фиг.1 представлен котел, поперечный разрез с внутренним видом с фронта; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1 со схемой движения дымовых газов в котле; на фиг. 3 - условная схема циркуляции нагреваемой воды в котле; на фиг. 4 - фронтовой экран; на фиг. 5 - боковой экран, расположенный со стороны промежуточного экрана; на фиг. 6 - конвективная панель; на фиг.7 - узел 1 на фиг. 5; на фиг. 8 - узел 2 на фиг. 6; на фиг. 9 - разрез Б-Б на фиг.7.

Водогрейный котел содержит корпус 1 с патрубками подвода 2 и отвода 3 воды и размещенную в корпусе 1 топку 4 с фронтовым 5, задним 6 и двумя боковыми 7, 8 трубчатыми экранами, подключенными соответственно к своим верхним 9-12 и нижним 13-16 коллекторам, а также установленный между боковым экраном 7 и корпусом 1 с образованием горизонтального конвективного газохода 17, сообщенного с отводящим газоходом 18, промежуточный трубчатый экран 19, подключенный к своим нижнему 20 и верхнему 21 коллекторам. Верхний коллектор 9 фронтового экрана 5 и верхний коллектор 10 заднего экрана 6 сообщаются между собой с помощью перепускного патрубка (не показан). В среднюю часть фронтового экрана 5 включен обводной замкнутый коллектор 22, внутрь которого встраивается горелка 23 для сжигания топлива.

Верхний коллектор 21 промежуточного экрана 19 сообщен с нижним коллектором 14 заднего экрана 6, а верхний коллектор 10 заднего экрана 6 подключен к нижнему коллектору 15 бокового экрана 7, расположенного со стороны промежуточного экрана 19, с помощью патрубков (не показаны). Другой боковой экран 8 выполнен П-образным с охватом по периметру топки 4 и его нижний коллектор 16 сообщен с помощью патрубка (не показан) с верхним коллектором 11 бокового экрана 7.

Отвод нагретой воды из котла осуществляется из патрубка 3, подключенного к верхнему коллектору 12 бокового экрана 8.

В горизонтальном конвективном газоходе 17 между экранами 7 и 19 дополнительно установлены конвективные трубчатые панели 24, каждая из которых имеет свой верхний коллектор 25 и нижний коллектор 26. Верхние коллекторы 25 конвективных панелей 24 включены параллельно верхнему коллектору 21 промежуточного экрана 19, а нижние коллекторы 26 включены параллельно нижнему коллектору 20 промежуточного экрана 19.

Подвод воды из патрубка 2 осуществляется равномерно по всем нижним коллекторам 20, 26.

Трубные отверстия коллекторов (9-16, 20-21, 25,26) экранов (5-8, 19) и конвективных панелей 24 выполнены в шахматном порядке со смещением центров отверстий, а концы экранных трубок, подсоединенных к смещенным отверстиям, изогнуты.

Боковой экран 7 установлен с образованием свободного проема 27 со стороны заднего экрана 6.

Нижние коллекторы 13,14 соответственно фронтового 5 и заднего 6 экранов сообщены между собой.

Котел работает следующим образом.

При сжигании топлива горячие дымовые газы заполняют топку 4 и движутся по направлению к свободному проему 27, где разворачиваются на 180^o в горизонтальной плоскости и затем переходят в конвективный газоход 17, образованный с одной стороны трубами бокового газоплотного экрана 7, а с другой стороны трубами промежуточного экрана 19. Газоход 17 заполнен расположенными в шахматном порядке трубами конвективных панелей, поперечно омывая которые, топочные газы движутся по направлению к отводящему газоходу 18, а затем в дымовую трубу (не показано). Перетоки дымовых газов по высоте труб бокового экрана 7 из топки 4 в конвективный газоход 17 не наблюдаются за счет плотного расположения (фиг. 2) всех труб, ограничивающих периметр топочной камеры 4 (за исключением свободного проема 27) и котла в целом. Такое плотное расположение труб достигается путем смещения центров и шахматного взаимного расположения трубных отверстий во всех коллекторах экранов. При этом концы труб выполнены изогнутыми, что позволяет производить их вварку в коллекторы. За счет такого плотного расположения труб на стенках котла его обмуровку можно выполнить облегченной и из менее дефицитного материала.

Движение воды во всех трубах экранов и конвективных панелей - снизу вверх.

Циркуляция воды в котле осуществляется следующим образом (фиг. 3). Обратная вода подводится к котлу через патрубок 2 и по параллельным нижним коллекторам 20, 26 распределяется между трубами конвективных панелей 24 и промежуточного экрана 19. Собираясь в верхних коллекторах 21 и 25, вода направляется в нижний коллектор 14 заднего экрана 6, который сообщен с нижним коллектором 13 фронтового экрана 5.

Поднимаясь по трубам фронтового 5 и заднего 6 экранов, вода собирается в их верхних коллекторах 9 и 10 соответственно, которые также объединены между собой, и затем по опускному патрубку (не показан) вода подается в нижний коллектор 15 бокового экрана 7, откуда, в свою очередь, направляется в верхний коллектор 11 бокового экрана 7, а затем в нижний коллектор 16 бокового экрана 8.

Поднявшись вверх по трубам бокового экрана 8, нагретая вода из его сборного верхнего коллектора 12 отводится потребителям через патрубок отвода воды 3.

В результате удается таким образом организовать циркуляцию воды в котле и теплосъем с поверхности нагрева, что повышает надежность работы и экономичность котла, а простота сборки, монтажа и демонтажа котла, имеющего блочную конструкцию, позволяет повысить его технологичность.

Источники информации
1. Воликов А.Н. Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности. М.: Недра, 1989, с.49 и 57.

2. Авторское свидетельство СССР N 1633234, кл. F 24 H 1/14, 1988.

Котел предназначен для использования в системе отопления и горячего водоснабжения. Водогрейный котел содержит корпус, патрубок подвода и отвода воды и размещенную в корпусе топку с фронтовым, задним и боковым газоплотными трубчатыми экранами, подключенными к своим нижним и верхним коллекторам, в среднюю часть фронтового экрана включен обводной замкнутый коллектор. Между одним из боковых экранов и корпусом с образованием горизонтального газохода, сообщенного с отводящим газоходом, установлен трубчатый промежуточный экран, подключенный к своим нижнему и верхнему коллекторам. Один из боковых экранов выполнен П-образным с охватом по периметру топки. Коллекторы сообщаются между собой опускными патрубками. Котел снабжен дополнительными конвективными панелями, имеющими свои нижние и верхние коллекторы. Трубчатые отверстия коллекторов экранов и конвективных панелей выполнены в шахматном порядке со смещением центров, а концы экранных трубок, подсоединенные к смещенным отверстиям, изогнуты. За счет организации движения потоков нагреваемой воды во всех поверхностях нагрева (экранах и конвективных панелях) снизу вверх повышается надежность работы и экономичность котла. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Водогрейный котел, содержащий корпус, патрубок подвода и отвода воды и размещенную в корпусе топку с фронтовым, задним и боковым газоплотными трубчатыми экранами, каждый из которых подключен к своему нижнему коллектору, причем нижние коллекторы фронтового и заднего экранов сообщены между собой, а также установленный между одним из боковых экранов и корпусом с образованием конвективного газохода, сообщенного с отводящим газоходом, трубчатый промежуточный экран, соединенный со своими верхним и нижним коллекторами, при этом последний соединен с патрубком подвода воды, фронтовой и задний экраны имеют также свои верхние сообщенные между собой коллекторы, а в среднюю часть фронтового экрана включен обводной замкнутый коллектор, отличающийся тем, что коллекторы сообщаются между собой опускными патрубками, каждый боковой экран снабжен своим верхним коллектором, а верхний коллектор промежуточного экрана сообщен с нижним коллектором заднего экрана, верхний коллектор которого в свою очередь сообщен с нижним коллектором бокового экрана, расположенного со стороны промежуточного экрана и установленного с образованием со стороны заднего экрана свободного проема, переходящего в горизонтальный конвективный газоход, причем верхний коллектор упомянутого бокового экрана соединен с нижним коллектором другого бокового экрана, выполненного П-образным с охватом по периметру топочной камеры и сообщенного своим верхним коллектором с патрубком отвода воды. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными конвективными панелями, расположенными вертикально в горизонтальном конвективном газоходе и параллельно подключенными к верхнему и нижнему коллекторам промежуточного экрана. 3. Котел по п. 1, отличающийся тем, что трубные отверстия коллекторов экранов и конвективных панелей выполнены в шахматном порядке со смещением центров, а концы экранных трубок, подсоединенные к смещенным отверстиям, изогнуты. 4. Котел по п.2, отличающийся тем, что каждая конвективная панель имеет свои нижний и верхний коллекторы.