КОТЕЛ Российский патент 1999 года по МПК F22B21/00 

Изобретение относится к трубным системам водогрейных котлов, преимущественно малых, имеющих применение в коммунальных хозяйствах.

Наиболее близким по технической сущности является водогрейный водотрубный котел, содержащий обмуровку из шамотного кирпича, топку, газоходы, автономные конвективные и топочные радиационные модули в виде трубных экранов с коллекторами и дренажем, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов: два боковых конвективных модуля установлены в опускных шахтах, а топочные радиационные экраны представлены - потолочным, фронтальным и боковыми. /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 схема движения рабочего агента с неизбежностью приводит к законам противоположных потоков естественной и искусственной циркуляции рабочего агента в трубах.

Достигаемый изобретением технический результат заключается 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 эксплуатационной надежности.

Котел водогрейный содержит обмуровку из шамотного кирпича, топку, газоходы, автономные конвективные и топочные радиационные модули в виде трубных экранов с коллекторами и дренажом, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов. Два боковых конвективных модуля установлены в опускных шахтах, а топочные радиационные экраны представлены - потолочным, фронтальным и боковыми. Котел отличается тем, что два боковых конвективных модуля в опускных шахтах выполнены в виде двух спаренных четырехходовых экранов, а остальные топочные радиационные экраны, соединенные друг с другом последовательно по цепочке - односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой. В опускных и подъемных трубах экранов коаксиально установлены завихрители с двух сторон с упорами, закрепленными в трубах противоположных коллекторов. Длина завихрителя /l_з/ составляет 0,85 - 0,95 длины трубы /L/, а соотношение шага завивки /S/ завихрителя к диаметру трубы /d/ составляет 1,5 - 4,0.

Топочные радиационные экраны соединены друг с другом последовательно по цепочке - односветные: боковой четырехходовой, потолочный двухходовой, второй боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой и центральный двухсветный четырехходовой, причем под топкой котла по середине выполнена перегородка из шамотного кирпича для центрального двухсветного экрана.

Топочные радиационные экраны дополнительно соединены параллельно по цепочке центральный двухсветный четыреходовой, односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой.

Топочные радиационные автономные модули выполнены в виде П-образного вертикальной топочной камеры, образующей вертикальный корпус котла, а экраны между собой соединены отводом или быстроразъемными фланцевыми соединениями.

Завихритель выполнен в виде винтовой металлической ленты с толщиной /b/, равной 1,5 - 2,5 мм.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - показана схема циркуляции рабочего агента в котле; фиг.2 - то же с двухсветным радиационным экраном; фиг.3 - то же с последовательно-параллельным соединением топочных радиационных экранов; фиг.4 - поперечный разрез котла по А - А на фиг.5; фиг.5 - продольный разрез котла по Б - Б на фиг.4; фиг.6 - вид сверху разрез котла по В - В на фиг.4; фиг.7 - четырехходовые экраны котлов; фиг.8 - двухходовые экраны котлов; фиг.9 - труба экрана с завихрителем; фиг.10 - разрез по Г - Г на фиг.8.

Котел содержит конвективные 1 - 4 экраны, боковой 5 односветный радиационный, фронтальный 6 односветный радиационный, второй боковой 7 односветный радиационный экран /см.фиг.1/. На фиг.2 позициями 1 - 4 обозначены конвективные экраны, 9 - 12 - односветные радиационные экраны и центральный 13 двухсветный четырехходовой радиационный экран. На фиг.3 показана схема циркуляции рабочего агента с последовательно-параллельным соединением топочных радиационных экранов.

Поверхности конвективных 1 - 4 экранов и топочные радиационные выполнены в виде автономных двухходовых и четырехходовых по воде /рабочему агенту/ монтажных модулей /экранов/. Экраны соединены друг с другом последовательно /см. фиг. 1, 2/ и последовательно-параллельно /см.фиг.3/ по воде и противоположно ходу газов, по цепочке. Вариант 1 /см.фиг.1/ - два боковых конвективных 1 - 4 экрана в опускных шахтах в виде двух спаренных четырехходовых экранов, односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой.

Вариант 2 /фиг.1/ - односветные: боковой четырехходовой, потолочный двухходовой, второй боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой и центральный 13 двухсветный четырехходовой.

Вариант 3 /фиг.3/ - топочные радиационные экраны дополнительно соединены параллельно по цепочке: центральный двухсветный четырехходовой, односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой.

На фиг.4 представлен поперечный разрез котла, где показаны конвективные 1 - 4 экраны в опускных шахтах, отделенных от топочного пространства шамотной разделительной перегородкой 14. Газотходы 15 обмурованы кладкой 16 из красного кирпича. Под топкой котла по середине выполнена шамотная перегородка 17 для центрального 13 двухсветного радиационного экрана. Снаружи котел обмурован шамотной кладкой 18.

На фиг.7 показан четырехходовой экран с двумя коллекторами 19 и дренажем 20. Коллекторы 19 перекрыты перегородками 21, меняющими направление движения рабочего агента по трубам 22. Экраны между собой соединяются отводами или быстроразъемными фланцевыми 23 соединениями. На фиг.8 показан двухходовой экран с коллекторами 19 и дренажем 20, используемый для потолочного 10 и фронтального 12 экранов. На фиг. 9 показана труба 22 с завихрителем 24 и упорами 25. Завихритель 24 выполнен в виде винтовой металлической ленты с толщиной b равной 1,5 - 2,5 мм. /см.фиг.10/. Длина завихрителя l_з составляет 0,85 - 0,95 длины трубы L, а соотношение диаметра d трубы 22 и шага S завитка завихрителя /фиг.9/ составляет 1,5 - 4,0.

Топочные радиационные автономные экраны /модули/ выполнены в виде П-образной вертикальной топочной камеры, образующей вертикальный корпус котла, а экраны между собой соединены отводом или быстроразъемными фланцевыми 23 соединениями.

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 модулями /конвективных/ 1 - 4 /фиг.1 - 4, 6/ и удаляются из котла традиционным путем через газоходы 15 и борова.

Рабочий агент /вода/ движется в противоположном направлении, образуя по модулям 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 движения рабочего агента в трубах 22 экранов в пределах 1,25 - 1,5 м/сек в опускных трубах экрана. При таком скоростном режиме и наличии завихрителей 24 исключаются 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 теплоносителя /равная 0,02 - 0,04 м/сек соответствует ламинарному режиму течения, при котором процесс теплообмена участвует только в основном за счет теплопроводности теплоносителя, что делает теплосъем не эффективным 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 и что ведет к росту температуры стенки и как следствие к образованию центров кристаллизации и отложению солей.

Интенсификация теплообмена обеспечивается введением турбулизатора - завихрителя 24 в виде винтовой металлической полосы, установленной коаксиально в трубе 22, при следующих размерах шага завивки S завихрителя к диаметру трубы S/d = 1,5 - 4,0 при S = 100 мм.

Повышение S/d ≥ 4,0 - не увеличивает эффекта теплообмена, при S/d ≤ 1,5 - вызывает рост сопротивления теплоносителю быстрее, чем рост теплообмена. Длина завихрителя l_з составляет 0,85 - 0,95 L длины трубы 22.

Все экраны состоят из труб ⊘ 51 х 3, которые ввариваются в коллектор ⊘ 125 х 3. Экраны между собой соединены отводом ⊘ 108 х 4,5 или фланцевыми соединениями, образуя вертикальный корпус котла. Четырехходовые экраны выполнены с размерами 2000 х 2000 мм по 6 труб в каждом ходе. Двухходовые экраны выполнены с размерами 2000 х 1000 мм.

Устройство предназначено для применения в трубных системах водогрейных котлов, преимущественно малых, имеющих применение в коммунальных хозяйствах. Устройство содержит обмуровку из шамотного кирпича, топку, газоходы, автономные конвективные и топочные радиационные модули в виде трубных экранов с коллекторами и дренажем, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов, два боковых конвективных модуля, установленных в опускных шахтах, топочные радиационные экраны - потолочный, фронтальный и боковой. Два боковых конвективных модуля в опускных шахтах выполнены в виде двух спаренных четырехходовых экранов, а остальные топочные радиационные экраны, соединенные друг с другом последовательно по цепочке - односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой. В опускных и подъемных трубах экранов коаксиально установлены завихрители с двух сторон с упорами, закрепленными в трубах противоположных коллекторов. Длина завихрителя (l₃) составляет 0,85 - 9,95 длины трубы (L), а соотношение шага завивки (S) завихрителя к диаметру трубы (d) составляет 1,5 - 4,0. Технический результат изобретения заключается в повышении съема тепла с единицы площади котла за счет интенсификации теплообмена, повышении надежности работы котла, снижении перегрева экранов, улучшения условий работы конвективного газохода. 4 з.п. ф-лы., 10 ил.

1. Котел водогрейный, содержащий обмуровку из шамотного кирпича, топку, газоходы, автономные конвективные и топочные радиационные модули в виде трубных экранов с коллекторами и дренажем, соединенных друг с другом последовательно по воде и противоположно ходу топочных газов, два боковых конвективных модуля установлены в опускных шахтах, а топочные радиационные экраны представлены - потолочным, фронтальным и боковыми, отличающийся тем, что два боковых конвективных модуля в опускных шахтах выполнены в виде двух спаренных четырехходовых экранов, а остальные топочные радиационные экраны, соединенные друг с другом последовательно по цепочке - односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой, причем в опускных и подъемных трубах экранов коаксиально установлены завихрители с двух сторон с упорами, закрепленными в трубах противоположных коллекторов, при этом длина завихрителя составляет 0,85 - 0,95 длины трубы, а соотношение шага завивки завихрителя к диаметру трубы составляет 1,5 - 4,0. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что топочные радиационные экраны соединены друг с другом последовательно по цепочке - односветные: боковой четырехходовой, потолочный двухходовой, второй боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой и центральный двухсветный четырехходовой, причем под топкой котла по середине выполнена перегородка из шамотного кирпича для центрального двухсветного экрана. 3. Котел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что топочные радиационные экраны дополнительно соединены параллельно по цепочке центральный двухсветный четырехходовой, односветные: боковой четырехходовой, фронтальный двухходовой, второй боковой четырехходовой и потолочный двухходовой. 4. Котел по пп.1 - 3, отличающийся тем, что топочные радиационные автономные модули выполнены в виде П-образной вертикальной топочной камеры, образующей вертикальный корпус котла, а экраны между собой соединены отводом или разъемными фланцевыми соединениями. 5. Котел по п.1, отличающийся тем, что завихритель выполнен в виде винтовой металлической ленты с толщиной b, равной 1,5 - 2,5 мм.