СПОСОБ НАГРЕВА РАБОЧЕГО АГЕНТА В ТРУБНОМ КОТЛЕ Российский патент 1999 года по МПК F22B21/00 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано, например, в водогрейных котлах с естественной циркуляцией, имеющих применение в коммунальных хозяйствах.

Из патентной литературы известен водотрубный котел, работа которого основана на способе нагрева воды, включающем пропускание воды через систему опускных и подъемных труб - конвективных боковых экранов топки котла, ее нагрев горячими топочными газами и отвод нагретой воды из котла потребителю /см. Авторское свидетельство СССР N 1163084, кл. F 22 B 21/04, опубл. 1985/.

Наиболее близким по технической сущности является водогрейный водотрубный котел, работа которого основана на технологических приемах способа нагрева воды в трубном котле. Указанный способ включает сжигание и подачу в топку котла горячих газов, циркуляцию воды /рабочего агента/ через автономные модули боковых конвективных экранов в опускных шахтах, через топочные радиационные экраны: потолочный, фронтальный и боковые, соединенные последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов. /см. патент РФ N 2079777, кл. F 22 B 21/00, опубл. 1997/.

Анализ динамики коэффициентов теплообмена в зависимости от увеличения скорости движения воды /рабочего агента/ показывает, что это положительное явление не перекрывает проигрыша от организации смешанного взаимного движения топочных газов и рабочего агента и характера облучения и обтекания топочными газами трубных поверхностей, а многоходовая съема движения рабочего агента с неизбежностью приводит к зонам противоположных потоков естественной и искусственной циркуляции рабочего агента в трубах.

Достигаемый изобретением технический результат заключает в повышении съема тепла с единицы площади котла за счет интенсификации теплообмена, надежности работы котла, снижении перегрева экранов, улучшении условий работы конвективного газохода, а также в повышении эффективности и оптимальности теплопередачи от топочных газов к рабочему агенту через стенки труб и улучшении монтажных качеств и эксплуатационную надежность.

Изобретение поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 показана схема циркуляции рабочего агента в котле /вариант 1/;
фиг. 2 - то же, с двухсветным радиационным экраном /вариант 2/;
фиг. 3 - то же, с параллельно-последовательным соединением топочных радиационных экранов /вариант 3/;
фиг. 4 - труба экрана с завихрителем;
фиг. 5 - разрез по А-А на фиг. 4.

Способ нагрева рабочего агента /воды/ в трубном котле включает сжигание и подачу в топку горячих газов, циркуляцию рабочего агента через автономные модули боковых конвективных экранов в опускных шахтах, через топочные радиационные экраны - потолочный, фронтальный и боковые, соединенные последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов и отвод нагретого рабочего агента из котла потребителю. Способ отличается тем, что рабочий агент пропускает через спаренные четырехходовые по воде боковые конвективные экраны в опускных шахтах, а далее по цепочке через топочные радиационные экраны односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой, причем рабочий агент циркулирует через экраны опускных и подъемных труб с завихрителями со скоростью движения рабочего агента по опускным трубам 1,25-1,5 м/с.

Рабочий агент после конвективных боковых экранов опускных шахт последовательно по воде пропускают по цепочке топочных радиационных экранов: боковой односветный четырехходовой, потолочный односветный двухходовой, второй боковой односветный четырехходовой, фронтальный односветный двухходовой и центральный двухсветный четырехходовой.

Рабочий агент одновременно дополнительно направляют параллельно по воде по цепочке через топочные радиационные экраны: центральный двухсветный четырехходовой, фронтальный односветный двухходовой, второй боковой односветный четырехходовой и потолочный односветный двухходовой.

Способ нагрева рабочего агента в трубном котле иллюстрируется фиг. 1 и 2, где показаны схемы циркуляции рабочего агента, например воды в трубном котле. На фиг. 1 - позициями 1-4 обозначены конвективные экраны котла, 5 - боковой односветный радиационный экран, 6 - фронтальный односветный радиационный экран, 7 - второй боковой односветный радиационный экран. На фиг. 2 - позициями 1-4 конвективные экраны котла, 9-12 - односветные радиационные экраны и 13 - двухсветные радиационный экран.

Способ нагрева рабочего агента осуществляют пропусканием рабочего агента через систему опускных и подъемных труб /на схемах не показаны/ - конвективных экранов котла, его нагрев и отвод нагретого рабочего агента из котла /см. фиг. 1-3/. Способ отличается тем, что рабочий агент пропускают через спаренные четырехходовые по воде боковые 1-4 конвективные экраны в опускных шахтах /фиг. 1/, а далее по цепочке через топочные радиационные экраны односветные: боковой 5 четырехходовой, фронтальный 6 двухходовой, второй боковой 7 четырехходовой и потолочный 8 двухходовой, причем рабочий агент циркулирует через экраны опускных и подъемных труб с завихрителями /фиг. 4/ со скоростью движения рабочего агента по опускным трубам 1,25 - 1,5 м/с.

По схеме на фиг. 2 нагрев рабочего агента в трубном котле осуществляется следующим образом. Рабочий агент после конвективных боковых 1-4 экранов опускных шахт последовательно по воде пропускают по цепочке топочных радиационных односветных экранов: боковой 9 четырехходовой, потолочный 10 двухходовой, второй боковой 11 четырехходовой, фронтальный 12 двухходовой и центральный 13 двухсветный четырехходовой.

По схеме на фиг. 3 /вариант 3/ нагрев рабочего агента происходит следующим образом. Рабочий агент одновременно дополнительно направляют параллельно по воде по цепочке через топочные радиационные экраны: центральный 13 двухсветный четырехходовой, боковой 9 односветный четырехходовой, фронтальный 12 односветный двухходовой, второй боковой 11 односветный четырехходовой и потолочный 10 односветный двухходовой.

На фиг. 4 показана труба 14 с завихрителем 15, упорами 16 и коллекторами 16. Завихритель 15 выполнен в виде винтовой металлической ленты толщиной b = 1,5 - 2,5 мм /фиг. 5/. Длина завихрителя l_з составляет 0,85 - 0,95 длины трубы 14 L, а отношение диаметра трубы 14 к шагу завихрителя составляет S/d = 1,5 - 4,0.

Котел работает следующим образом. Газы, образующиеся при сжигании топлива в топке котла, омывают топочные радиационные экраны 5-8 /фиг. 1/, 9-12, 13 /фиг. 2/, поднимаются в конвективной струе к своду и опускаются, попадая в опускные шахты с установленными в них конвективными модулями 1-4 /фиг. 1-3/ и удаляются из котла традиционным путем через газоходы и борова /на чертеже не показаны/.

Рабочий агент /вода/ движется в противоположном направлении, образуя по моделям противоточную схему теплообмена по трем вариантам /фиг. 1-3/ циркуляционных схем рабочего агента. Гидродинамическая схема циркуляции рабочего агента предусматривает соединение конвективных и радиационных экранов между собой как последовательно, так и параллельно-последовательно. Конкретная схема выбирается из условия обеспечения необходимой скорости движений рабочего агента в трубах 14 экранов в пределах 1,25 - 1,5 м/с в опускных трубах экрана. При таком скоростном режиме и наличии завихрителей 15 исключается режим начала поверхностного кипения, т.к. при таких скоростях рабочего агента разрушается температурный пограничный слой перегретого рабочего агента на границе со стенкой трубы экрана, что обеспечивается более интенсивным теплообменом.

Скорость движения рабочего агента, равная 0,02 - 0,04 м/с, соответствует ламинарному режиму течения, при котором процесс теплообмена участвует только в основном за счет теплопроводности теплоносителя, что делает теплосъем неэффективным до тех пор, пока на внутренних стенках труб не появятся первые центры парообразования. Образовавшиеся пузырьки пара начинают перемешивать эти слои. Это приводит к тому, что в центрах парообразования начинает снижаться теплосъем, что ведет к росту температуры стенки и, как следствие, к образованию центров кристаллизации и отложению солей.

Интенсификация теплообмена обеспечивается введением турбулизатора - завихрителя 15 в виде винтовой металлической полосы, установленной коаксиально в трубе 14 /фиг. 4/.

Изобретение предназначено для применения в теплотехнике, например в водогрейных котлах с естественной циркуляцией, имеющих применение в коммунальных хозяйствах. Способ включает пропускание рабочего агента через спаренные четырехходовые по воде боковые конвективные экраны в опускных шахтах, а далее по цепочке через топочные радиационные экраны односветные: первый боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой, причем рабочий агент циркулирует через экраны опускных и подъемных труб с завихрителями со скоростью движения рабочего агента по опускным трубам 1,25 - 1,5 м/с. По второму варианту рабочий агент после конвективных боковых экранов опускных шахт последовательно по воде пропускают по цепочке топочных радиационных экранов: первый боковой односветный четырехходовой, потолочный односветный двухходовой, второй боковой односветный четырехходовой, фронтальный односветный двухходовой и центральный двухсветный четырехходовой. По третьему варианту рабочий агент одновременно дополнительно направляют параллельно по воде по цепочке через топочные радиационные экраны: центральный двухсветный четырехходовой, первый боковой односветный четырехходовой, фронтальный односветный двухходовой, второй боковой односветный четырехходовой и потолочный односветный двухходовой. Достигаемый изобретением технический результат заключается в повышении съема тепла с единицы площади котла. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ нагрева рабочего агента в трубном котле, включающий сжигание и подачу в топку горячих газов, циркуляцию рабочего агента через автономные модули боковых конвективных экранов в опускных шахтах, через топочные радиационные экраны - потолочный, фронтальный и боковые, соединенные последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов, и отвод нагретого рабочего агента из котла потребителю, отличающийся тем, что рабочий агент пропускают через спаренные четырехходовые по воде боковые конвективные экраны в опускных шахтах, а далее по цепочке через топочные радиационные экраны односветные: первый боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой, причем рабочий агент циркулирует через экраны опускных и подъемных труб с завихрителями со скоростью движения рабочего агента по опускным трубам 1,25 - 1,5 м/с. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочий агент после конвективных боковых экранов опускных шахт последовательно по воде пропускают по цепочке топочных радиационных экранов: первый боковой односветный четырехходовой, потолочный односветный двухходовой, второй боковой односветный четырехходовой, фронтальный односветный двухходовой и центральный двухсветный четырехходовой. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что рабочий агент одновременно дополнительно направляют параллельно по воде по цепочке через топочные радиационные экраны: центральный двухсветный четырехходовой, первый боковой односветный четырехходовой, фронтальный односветный двухходовой, второй боковой односветный четырехходовой и потолочный односветный двухходовой.