ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1999 года по МПК F24H1/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано во всех сферах народного хозяйства, главным образом для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий.

Известны и нашли широкое применение водотрубные водогрейные котлы, поверхности нагрева которых состоят из отдельных секций (нижний и верхний коллекторы, соединенные между собой трубами, обогреваемыми газами).

Таков водогрейный котел КВ-ГМ-6,5 (см. Е.Ф. Бузников, К.Ф. Роддатис, Э. Я. Берзиньш. "Производственные и отопительные котельные". Издательство "Энергия", 1974, стр. 83, 84, рис. 3-13, 3-14).

Основным недостатком водогрейных котлов является трудность поддержания необходимой температуры воды за котлом при уменьшенных нагрузках.

Для поддержания температурного графика отопления требуется более низкая температура, а для собственных нужд (для работы деаэрационной установки) для нагрева воды на горячее водоснабжение в водоводяных теплообменниках требуется более высокий потенциал температур. Для этого приходится усложнять схему котельной установки (устанавливать насос рециркуляции, трубопровод перепуска воды из обратного сетевого трубопровода в прямой). Это приводит к перерасходу энергии на привод насосов. (см. там же, стр. 28, рис. 2-9).

В качестве прототипа выбран водогрейный котел конструкции Ревокатова (см. К. Ф. Роддатис "Котельные установки", Москва, Энергия, 1977, стр. 249, рис. 6-6).

Этот котел нашел очень широкое распространение в малых отопительных котельных. Например, в малых котельных Московской области их более 90%. Называются они котлами ЗИО (по названию первого завода изготовителя - имени Орджоникидзе).

В настоящее время их изготавливают небольшие предприятия и предприятия Тепловых сетей. Изготавливаются они в виде двух параллельных (по воде) секций правой и левой. В каждой секции нижний (входной) и верхний (выходной коллекторы и три ряда труб по 16 труб в каждом ряду). Один ряд труб со стороны топки образует топочный экран и отделяется от двух других кирпичной стенкой, не доходящей до верхнего перекрытия (образуя окно в конвективную часть котла).

Трубы в двух других рядах являются конвективными поверхностями нагрева. Под ними располагаются газоходы (правый и левый).

Недостатками этого котла являются: низкий КПД из-за высокой температуры уходящих газов, так как большая часть конвективных труб работает неэффективно (большая часть топочных газов обходит кирпичную перегородку в конце топки. Передние трубы конвективной части почти не работают).

В начале восьмидесятых годов автором настоящего изобретения была проведена реконструкция котла ЗИО, позволившая на 12% повысить КПД котла. Была переделана кирпичная перегородка между трубами. Она была нарощена до верхнего перекрытия (ликвидировано горизонтальное окно для прохода газов). Вместо него было выполнено вертикальное окно в конце топки (перегородка не доходит до задней стенки котла). Между конвективными трубами и расположенным под ними газоходом была установлена перегородка, не доходящая до фронтовой стенки котла (т.е. в перегородке было образовано окно для перепуска газов из конвективного газохода в нижний газоход (боров). Вместо продольного омывания газами конвективных труб получилось поперечное омывание. Стали работать все трубы конвективной части. (В конвективной части котла газы пошли от задней стенки к передней, далее в нижний газоход).

Даже после реконструкции у котла осталось много недостатков. Недостаточный нагрев воды (котлы проектируются на температуру воды - 95 градусов). При нагреве воды выше 95 град. при номинальной нагрузке происходит закипание воды в отдельных трубах, которые зарастают накипью и выходят из строя. Для нагреве сырой воды для горячего водоснабжения устанавливают паровые котлы Е-1/9 и пароводяные нагреватели, что значительно усложняет схему котельной.

При отсутствии паровых котлов не может работать система деаэрации воды (даже вакуумная). Малые котельные не оборудуются насосами рециркуляции, поэтому трудно поддерживать температуру воды даже 95 град. при неполной нагрузке котельной (межсезонье). Трудно использовать водоводяные нагреватели для системы горячего водоснабжения из-за низкой температуры воды.

Целью настоящего изобретения является: 1. Обеспечение возможности нормального горячего водоснабжения и отопления при наличии в котельной водогрейных котлов с температурой воды - до 95 град., а также обеспечение достаточной температуры греющей воды даже при невысокой температуре воды за котлом, необходимой для деаэрации подпиточной. 2. Повышение КПД котла. 3. Обеспечение потребителей (больницы, воинские части, столовые) при необходимости низкопотенциальным паром.

Указанная цель достигается тем, что в известном котле, содержащем топочную камеру, газоход, подводящий и отводящий трубопроводы воды с запорными устройствами, водонагревательные поверхности нагрева, выполненные в виде труб, объединенных в единую систему (секции) при помощи камер (коллекторов), соединенных с подводящим и отводящим трубопроводами воды, в топочную камеру или газоход устанавливают дополнительные поверхности нагрева, выполненные в виде тепловых труб, нижние концы которых опущены в топку или газоход, а верхние - в дополнительно установленную водонагревательную камеру или группу камер, соединенных между собой последовательно или параллельно, причем один конец этой камеры соединен трубой или несколькими параллельными трубами с отводящим трубопроводом основной части котла (или с отводящим коллектором) до запорного устройства, а второй (выходной) конец камеры соединен с трубопроводом, параллельным основному отводящему трубопроводу котла. Причем на этом трубопроводе установлено запорно-регулирующее устройство или запорное (задвижка) и регулирующее (клапан), а до него (них) присоединен ответвляющий трубопровод с запорным органом, подсоединенный вторым концом к отводящему трубопроводу основной части котла, но после запорного устройства. Кроме того, на ответвлении отдельного трубопровода от водонагревательной камеры в рассечку установлено центробежно-вихревое парогенерирующее устройство, например, защищенное патентом России N 1453113.

Установка в котле дополнительных поверхностей нагрева в виде тепловых труб повышает производительность котла. Соединение секции подогревателя воды на тепловых трубах с отводящим трубопроводом основного котла, как указано выше, позволяет направлять часть нагретой в основном котле воды через этот дополнительный подогреватель и повышать температуру воды до необходимой, регулируя расход воды через этот подогреватель при помощи регулирующего клапана на трубопроводе. (При постоянной тепловой нагрузке котла можно значительно повысить температуру части воды, необходимой для собственных нужд котельной и для подогревателей сырой воды для горячего водоснабжения).

Установка в рассечку трубопровода от водонагревателя на тепловых трубах центробежно-вихревого парогенератора позволяет в малых котельных не устанавливать паровые котлы, требующие повышенной квалификации персонала. (Часто пар требуется периодически и в небольших количествах, например, для санобработки белья в больницах, на кухнях воинских частей и т.п.).

Повышение КПД котла достигается за счет изменения направления хода топочных газов в конвективном газоходе (продольное омывание газами труб заменено на поперечное) за счет изменения конструкции перегородки, разделяющей топку и конвективную часть котла (перегородка наращивается до потолочного перекрытия, а в задней части топки, параллельно задней стенке делается новое окно), кроме того нижняя часть газохода конвективной части, где нет поверхностей нагрева, отделяется от остальной перегородкой по всей длине конвективного газохода, за исключением передней части (отсутствующая перегородка образует окно в нижний газоход).

Вместо кирпичной перегородки между топкой и конвективной частью, которую очень неудобно выполнять между трубами, вторым вариантом предусмотрено выполнить перегородку при помощи плавников (пластин, соединяющих передние трубы поверхностей нагрева). Между трубами второго от топки ряда труб привариваются сплошные пластины снизу до верху, за исключением нескольких последних труб (находящихся ближе к задней стенке котла). Между последними трубами образуются окна в конвективный газоход.

На фиг. 1 изображен поперечный разрез котла (вариант установки тепловых труб). На фиг. 2 - поперечный разрез по А-А на фиг. 1 (правая половина).

На фиг. 3 схематично изображен вид сверху на котел на прилегающие к нему трубопроводы (схема взаиморасположения труб и коллекторов котла).

На фиг. 4 - вариант конструкции камеры нагрева с тепловыми трубами (продольный разрез).

На фиг. 5 - поперечный разрез котла (второй вариант установки тепловых труб в топке с подовыми газовыми горелками, с двумя греющими камерами с тепловыми трубами).

На фиг. 6 - схема трубопроводов и коллекторов котла во взаимодействии с трубопроводами котельной.

Водогрейный котел имеет две секции поверхностей нагрева, состоящие из нижнего (входного) коллектора 1 и верхнего (выходного) коллектора 2. Коллекторы связаны между собой четырьмя или тремя рядами труб 3. Крайний ряд труб со стороны топки представляет собой радиационную поверхность нагрева (экран) - 3а. Ряд труб 3б, соединяющий коллекторы по прямой, может иметь плавники (пластины, полностью перекрывающие расстояние между трубами, кроме нескольких задних труб). При отсутствии плавников между первым (со стороны топки) и вторым рядами труб устанавливается кирпичная перегородка 5. При наличии плавников кирпичная перегородка не устанавливается. Трубы 3а и 3г (а при наличии плавников и половина трубы 3б) образуют конвективные поверхности нагрева. Трубы 4 являются поверхностями нагрева потолочного экрана. В основном они служат для перекрытия топки и для крепления на них дополнительной камеры нагрева 10. При возможности выполнить перекрытие топки без труб 4 они не устанавливаются. Через отверстия в нижней образующей камеры 10 пропущены тепловые трубы 12, проходящие через вертикальные соединительные трубы и доходящие до верхней трубы, представляющие собой трубы, частично заполненные водой, заваренные с двух концов и освобожденные от воздуха (вакуумные трубы). Трубы жестко приварены к нижней стенке камеры 10 (отверстия, через которые пропущены тепловые трубы, заварены). Один вариант камеры нагрева 10 показан на фиг. 1 - это коллектор круглого, овального или прямоугольного сечения, второй вариант камеры 10 на фиг. 3 - это две параллельные трубы 10а и 10б, устанавливаемые горизонтально или наклонно, соединенные между собой перпендикулярно расположенными трубами 11, причем к нижнему коллектору присоединена труба, отводящая воду из основного котла, а к верхнему - труба, отводящая воду параллельно основному отводящему трубопроводу котла (на собственные нужды или на водоводяной подогреватель горячего водоснабжения). Трубы потолочного экрана 4 объединены в выходящий коллектор 6, от которого ответвляются труба 8, соединяющая его с подогревателем воды 10 и труба 7 - основная отводящая труба котла. Труба 9, отводящая воду из подогревателя воды 10, на ней установлен регулирующий клапан 15, подсоединен трубопровод 13 с запорным устройством 14, связанный с трубой 7 после запорного органа (задвижки) 16 - водоводяной теплообменник собственных нужд или горячего водоснабжения 17 - обратный сетевой трубопровод, 18 - прямой сетевой трубопровод, 19 - сетевой насос, 20 - трубопровод перепуска воды, 21 - трубопровод подогреваемой воды в подогревателе 16, 22 - топка котла, 23 - окно в перегородке 5 между топкой и конвективным газоходом, 24, 25 - горизонтальная перегородка между конвективным газоходом и отводящим газоходом (боровом) 27, не доходящая до фронтовой стенки котла и образующая окно 26, 28 - газовая горелка (на фиг. 2 - инжекционная горелка, на фиг. 5 - подовая горелка). От трубопровода 9 ответвляется трубопровод 29, соединенный при помощи нескольких патрубков с задвижками 30, 31 с центробежно-вихревым парогенератором 32, имеющим отводящий паропровод 33. Труба 34 отводит охлажденную (за счет вскипания) воду и направляет ее в охладитель 35 (это может быть подогреватель сырой воды или любой другой). Охлажденная ниже 100 град. вода поступает в бак 36 и насосом 38 подается в обратный сетевой трубопровод. Труба 37 служит для добавления воды в бак 36 и для регулирования уровня воды в нем. Работа котла осуществляется следующим образом. Из обратного сетевого трубопровода 17 вода подается в нижний коллектор 1 (параллельно в два коллектора). По трубам 3 (3а, 3б, 3в) вода попадает в верхний коллектор 2, нагреваясь в топке и конвекционном газоходе. Далее вода попадает в трубы потолочного экрана 4 и дополнительно нагревается. Затем вода попадает в выходной коллектор 6 основного котла и по трубе 7 - в прямой сетевой трубопровод. Часть воды по трубе 8 подается в камеру нагрева 10, где нагревается, соприкасаясь с зоной конденсации тепловых труб. По трубе 9 нагретая вода выводится наружу и подается в водоводяной теплообменник собственных нужд 16 (такой же теплообменник может использоваться для нагрева сырой воды для горячего водоснабжения). При постоянной нагрузке котла тепловой поток через тепловые трубы постоянен. Изменяя расход воды через подогреватель 10 при помощи клапана 15, можно регулировать температуру воды. Если отключено горячее водоснабжение и потребители тепла собственных нужд, то вода направляется по трубе 13 в трубопровод 7 (закрывается клапан 15 и задвижка на трубе 9 и 7 и открывается задвижка 14). Котел работает по обычной схеме водогрейных котлов.

Топочные газы, образующиеся при сжигании топлива (газа, подаваемого через горелку 28), проходят топку и далее через окно 23 в перегородке 5 направляются в конвективный газоход 24. Охлажденные газы через окно 26 в перегородке 25 покидают котел, попадая в газоход 27, далее в дымовую трубу.

При необходимости получать пар, например, давлением 0,7 атм, воду, нагретую до 125 град., подают по трубам 9, 29, 30 и (или) 31 в парогенератор 32, где образуется пар и подается потребителям по паропроводу 33. Охлажденная до 115 град. вода охлаждается в охладителе 35 и направляется в циркуляционную систему котла. Наличие в котле камеры нагрева с тепловыми трубами, концы которых помещены в топке и присоединение этой камеры к выходящему трубопроводу котла до задвижки и установка на отводящем от камеры трубопроводе регулирующего расход воды клапана, позволяет нагревать часть проходящей через котел воды до необходимой температуры, которой трудно добиться, нагревая всю воду в водотрубной системе котла. Это позволяет регулировать температуру воды при постоянстве тепловой нагрузки котла и в котельных с котлами малой мощности иметь систему деаэрации воды, систему горячего водоснабжения без использования паровых котлов. Присоединение же отводящего трубопровода от камеры нагрева к отводящему трубопроводу котла за запорной задвижкой позволяет включать при необходимости камеру с тепловыми трубами в единую систему котла как дополнительную поверхность нагрева.

Наличие плавников между трубами одного ряда основной части котла позволяет отделить топку от конвективного газохода, не прибегая к установке кирпичной перегородки между трубами (эту перегородку из кирпича трудно уложить между трубами и при ее неплотности происходит переток газов и снижается КПД).

Наличие перегородки между конвективным газоходом и отводящим газоходом с окном в передней части котла и наличие окна за счет отсутствия плавников на трубах задней части котла позволяет организовать поперечное омывание труб газами, что увеличивает теплоотдачу газов, уменьшает температуру газов и увеличивает КПД котла.

Выполнение камеры нагрева воды из двух параллельных труб, соединенных рядом поперечных последовательно расположенных труб, позволяет упростить конструкцию (ибо камера нагрева круглого сечения требует достаточно большого диаметра, чтобы поместить там достаточную длину холодной части тепловой трубы) и уменьшить металлоемкость.

Изобретение предназначено для отопления и горячего водоснабжения. Водогрейный котел содержит топку, газоход, поверхности нагрева, подводящий и отводящий трубопроводы воды, камеры нагрева, в которых вода нагревается за счет тепловых труб, один конец которых находится в топке, а другой - в камере нагрева. Камера нагрева присоединена к отводящему трубопроводу воды котла до задвижки, а отводящий трубопровод камеры нагрева имеет орган, регулирующий расход и проходит параллельно основному отводящему трубопроводу котла. К подводящему трубопроводу от камеры нагрева может быть присоединен трубопровод, в рассечку которого установлен центробежно-вихревой парогенератор, а сама камера нагрева может быть выполнена а виде двух труб - расположенных одна над другой на некотором расстоянии. Наличие в котле камеры нагрева с тепловыми трубами позволяет нагревать часть проходящей через котел воды до необходимой температуры, а выполнение ее из двух труб упростить конструкцию. Регулируя расход воды а трубопроводе от камеры нагрева, можно регулировать температуру воды при постоянстве нагрузки котла и обеспечить нагрев воды на деаэрацию и горячее водоснабжение, 5 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Водогрейный котел, содержащий топочную камеру, газоход, подводящий и отводящий трубопроводы воды с запорными устройствами, поверхности нагрева, выполненные в виде труб с циркулирующей в них водой и омываемых топочными газами, объединенных в единую систему при помощи камер (коллекторов) и трубопроводов, соединенную соответственно с подводящим и отводящим трубопроводами воды, отличающийся тем, что установлена камера нагрева воды или группа камер, соединенных между собой последовательно или параллельно, имеющая подводящий и отводящий трубопроводы и охватывающая (охватывающие) собой концы труб, представляющих собой зоны конденсации тепловых труб, другие концы которых помещены в топке или газоходе котла, причем подводящий трубопровод этой камеры (камер) соединен с отводящим трубопроводом котла (или с отводящим коллектором) до запорного устройства на трубопроводе, а отводящий трубопровод имеет регулирующее расход воды устройство. 2. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что отводящий трубопровод от камеры нагрева воды (или группы камер) имеет ответвляющий трубопровод с запорным органом, соединенный с отводящим трубопроводом котла после запорного устройства. 3. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что к отводящему трубопроводу от камеры нагрева воды присоединен трубопровод, в рассечку которого установлен центробежно-вихревой парогенератор. 4. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что конвективный газоход отделен от топки при помощи труб поверхностей нагрева, снабженных пластинами с образованием окна для прохода газов из топки в конвективный газоход. 5. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что нижняя часть газохода, расположенная под конвективными поверхностями нагрева, отделена от основного горизонтальной перегородкой, не доходящей до фронтовой стенки котла и образующей окно в отделенную часть газохода. 6. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что камера нагрева воды при помощи тепловых труб выполнена в виде двух горизонтальных или наклонных труб, расположенных одна над другой на некотором расстоянии, соединенных между собой рядом последовательно расположенных труб, причем тепловые трубы пропущены через отверстия в нижней образующей нижней трубы, проходят через вертикальные соединительные трубы и доходят до верхней трубы.