УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ Российский патент 1999 года по МПК F24H1/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при проектировании и производстве устройств для нагрева теплоносителя, например котлов различного типа (водяных, паровых и т.п.) и назначения (промышленных, бытовых и др.), водо- и паронагревателей и т.п.

Известен водогрейный котел, содержащий снабженный водяной рубашкой корпус, в котором расположена топка с дверцей, окном и поддувальной камерой, а также поперечный оребренный экран, подключенный по воде к рубашке и образующий со стенками корпуса дымоход, сообщенный на выходе с выхлопным патрубком. В дымоходе дополнительно установлен продольный оребренный экран, водяная полость которого сообщена с соответствующими полостями рубашки и поперечного экрана, расположенного с наклоном в сторону топки и также снабженного оребрением (см., например, авторское свидетельство СССР N 832264, МПК³ F 24 H 1/26, опубл. 1981 г.).

Недостатком известной конструкции является низкий КПД котла из-за недостаточной интенсификации теплообмена, что ограничивает экономические возможности и снижает надежность работы котла.

Наиболее близким из известных технических решений к предлагаемому, принятым в качестве прототипа, является устройство для нагрева теплоносителя, преимущественно котел, содержащее корпус включающий разделенным между собой поверхностью нагрева объем теплоносителя и жаровую камеру и, по меньшей мере, один теплопроводящий уловитель, связанный с поверхностью нагрева (см., например, патент СССР N 1836607, МПК⁵ F 24 H 1/28, опубл. 1993 г., Бюл. N 31).

Однако данное известное конструктивное решение устройства в недостаточной степени реализует интенсификацию теплообмена в газовом тракте вследствие того, что, во-первых, наличие радиальных зазоров между ребрами и стенкой рубашки в значительной степени снижает интенсивность теплового потока от продуктов сгорания к рубашке охлаждения и, во-вторых, наличие подобной решетки в газовом тракте приводит к громоздкости конструкции, увеличению ее металлоемкости и увеличению коэффициента сопротивления газового тракта, и как следствие - снижение эффективности работы котла, заключающейся в повышенном окалино- и шлакообразовании на элементах газового тракта, ухудшение параметров дымности и снижение коэффициента полезного действия (КПД) котла на протяжении срока его службы.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для нагрева теплоносителя, преимущественно котла, в котором за счет того, что теплопроводящие уловители любой формы, являясь цельными и/или состоящими из соединенных между собой сварочным соединением частей, выполнены из металла, коэффициент теплопроводности которого превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, преимущественно, из меди или ее сплавов или их комбинаций, а также расположения теплопроводящих уловителей и их соединения различными видами с поверхностью нагрева посредством сварочного соединения, обеспечивается повышение интенсификации теплообмена от продуктов сгорания к теплоносителю при длительном воздействии высоких температур, и за счет этого достигается повышение КПД устройства для нагрева теплоносителя и сохранение постоянства КПД на протяжении всего срока службы устройства, увеличение надежности и долговечности элементов устройства и его срока службы в целом, снижение металлоемкости его конструкции при сохранении всех основных характеристик, снижение процессов окалино- и шлакообразования, возможность задания показателей теплового потока на выходе, улучшение монтажа и сборки.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для нагрева теплоносителя, преимущественно котле, содержащем корпус, включающий разделенные между собой поверхностью нагрева объем теплоносителя и жаровую камеру, а также не меньше чем один теплопроводящий уловитель, связанный с поверхностью нагрева, согласно изобретению, теплопроводящие уловители, являясь цельными и/или состоящими из соединенных между собой сварочным соединением частей, выполнены из металла, коэффициент теплопроводности которого превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, преимущественно из меди или ее сплавов, при этом теплопроводящие уловители расположены в основном в высокотемпературной области жаровой камеры и соединены различными видами соединений или в их комбинациях с поверхностью нагрева посредством сварочного соединения.

Кроме того, в устройстве для нагрева теплоносителя:
- теплопроводящие уловители соединены с материалом поверхности нагрева внахлестку;
- теплопроводящие уловители соединены с материалом поверхности нагрева встык;
- теплопроводящие уловители углублены в материал поверхности нагрева,
- теплопроводящие уловители проходят сквозь материал поверхности нагрева;
- теплопроводящие уловители соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева встык;
- теплопроводящие уловители соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева с углублением;
- теплопроводящие уловители соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева, с одной из сторон встык, а с другой - с углублением;
- части теплопроводящих уловителей, выступающие в объем теплоносителя, соединены между собой теплопроводящими элементами, выполненными из материала, коэффициент теплопроводности которого выше, чем коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, преимущественно, из меди или ее сплавов.

В результате использования заявляемого изобретения обеспечивается получение технического результата, заключающегося в повышении интенсификации теплообмена от продуктов сгорания к теплоносителю при длительном воздействии высоких температур.

Выполнение теплопроводящих уловителей цельными и/или состоящими из соединенных между собой сварочным соединением частей, выполненных из металла, преимущественно, из меди, ее сплавов, или их комбинаций, коэффициент теплопроводности которого превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, выполняемой обычно из стали, а также расположение их, преимущественно, в высокотемпературной области жаровой камеры и их соединение различными видами с поверхностью нагрева посредством сварочного соединения, способствует ускоренному нагреву теплопроводящего уловителя и перераспределению тепловой энергии в жаровой камере, что приводит к повышению интенсивности теплопередачи от горячих газов или пламени к теплоносителю, и в результате - к повышению интенсификации теплообмена.

Сварочное соединение, посредством которого осуществляют соединение металла теплопроводящего уловителя с материалом поверхности нагрева, имеющих различные коэффициенты теплопроводности, способствует, вследствие диффузионной структуры получаемого сварочного шва, повышению интенсивности теплопередачи между теплопроводящим уловителем и поверхностью нагрева к теплоносителю. Кроме того, сварочный шов обеспечивает надежность и долговечность соединения при высоких температурах и ее перепадах в жаровой камере.

Приведенные различные виды соединения теплопроводящих уловителей с материалом поверхности нагрева: внахлестку, или встык, или когда они углублены в материал, или проходят сквозь материал, или соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева встык, или с углублением с двух сторон, или с одной из сторон встык, а с другой - с углублением, или в различных комбинациях приведенных соединений, позволяют выбрать необходимую комбинацию соединения в зависимости от требуемых выходных характеристик, типа и конструкции конкретного устройства, которая оптимально усиливает эффект теплопередачи до заданных условий, повышая в целом интенсификацию теплообмена между продуктами сгорания и теплоносителем.

Когда теплопроводящие уловители проходят сквозь материал поверхности нагрева, соединение между собой частей уловителей, выступающих в объем теплоносителя, теплопроводящими элементами, выполненными из материала, преимущественно, из меди или ее сплавов, или их комбинаций, коэффициент теплопроводности которого выше, чем коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, увеличивает теплопередающую поверхность и усиливает теплоотдачу, что интенсифицирует процесс теплообмена в целом.

Таким образом, предложенная совокупность общих и частных существенных признаков, объединенных единым изобретательским замыслом, позволяет при реализации только объекта изобретения как единого целого достичь технический результат - повышение интенсификации теплообмена от продуктов сгорания к теплоносителю, приводящий в целом к повышению КПД устройства для нагрева теплоносителя, преимущественно котла, сохранению постоянства КПД на протяжении всего срока службы устройства, увеличению надежности и долговечности элементов устройства и его срока службы в целом, снижению металлоемкости его конструкции при сохранении всех основных характеристик, снижению процессов окалино- и шлакообразования, возможности задания показателей теплового потока на выходе, улучшению монтажа и сборки.

Теплоносителем в устройствах для их нагрева, например, котлах являются вода, пароводяная смесь, пар, воздух и другое.

Заявляемое изобретение может быть реализовано в различных конструкциях. Например, жаровая камера может окружать объем теплоносителя или наоборот, когда жаровая камера находится в его объеме.

В качестве примера конкретного выполнения предлагаемого технического решения приведен котел, в котором теплоносителем является вода.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображено устройство для нагрева теплоносителя с корпусом в виде водяной рубашки, на фиг. 2 - устройство, у которого часть объема теплоносителя выполнена, например, в виде труб, проходящих через жаровую камеру, на фиг. 3 - устройство, у которого жаровая камера, находящаяся в объеме теплоносителя, выполнена, например, в виде системы труб, а на фиг. 4-9 приведены примеры различных видов соединения теплопроводящих уловителей с материалом поверхности нагрева, где на фиг. 4 изображено их соединение встык; на фиг. 5 - соединение, когда уловитель углублен в материал поверхности нагрева; на фиг. 6 - соединение, когда уловитель проходит сквозь материал поверхности нагрева; на фиг. 7 - соединение, когда уловители соединены встык напротив друг друга с двух сторон поверхности нагрева, на фиг. 8 - соединение уловителей напротив друг друга с двух сторон поверхности нагрева при их углублении в материал с двух сторон; а на фиг. 9 - то же, но когда один уловитель соединен с одной из сторон встык, а с другой - углублен в материал поверхности нагрева.

Устройство для нагрева теплоносителя, преимущественно котел, содержит теплоизолированный корпус 1, включающий жаровую камеру 2 и объем теплоносителя 3. Корпус 1 предназначен для тепло- и гидроизоляции от окружающей среды, а также придания механической прочности и жесткости конструкции устройства. Например, в различных типах котлов корпусом является: в бытовых - внешняя поверхность объема теплоносителя, например, водяной рубашки, выполняемой обычно из чугуна или стали; в промышленных котлах - обмуровка, выполняемая из комбинации огнеупорного кирпича, изоляционных материалов, металлической обшивки и т.п. Объем теплоносителя 3 в зависимости от конструкции и назначения устройства для нагрева теплоносителя, например, котла, может быть выполнен в виде рубашки (например, водяной), внешняя поверхность которой является непосредственно корпусом 1 (см. фиг. 1), а внутренняя образует жаровую камеру (например, в бытовых водогрейных котлах), либо образован системой трубок (см. фиг. 2) (в промышленных котлах). Жаровая камера 2 и объем теплоносителя 3 (водяной объем) разделены между собой материалом (металлом) поверхности нагрева 4. На поверхности нагрева 4 в разных местах в зависимости от конструкции жаровой камеры 2, преимущественно в ее высокотемпературной области, расположены металлические цельные и/или состоящие из соединенных между собой сварочным соединением частей теплопроводящие уловители 5, тип которых выбирается в зависимости от предъявляемых требований к выходным характеристикам и особенностям применения устройства. Теплопроводящие уловители 5 могут быть выполнены в виде различных форм (например, в виде пластин, штырей различной конфигурации, в том числе Т-, Г-, Z-образной, волнообразной или гофрированной формы, в виде капли различной геометрической формы, а также иных видов и форм) или их комбинаций, в том числе формы, при которой часть теплопроводящего уловителя 5, проходящая сквозь поверхность нагрева 4, является ее частью и омывается двумя средами: теплоносителем и продуктами сгорания (см. фиг. 1). Жаровая камера 2 представляет собой объем различной формы (см. фиг. 1, 2 и 3), в котором происходит непосредственная передача тепла, выделяемого при сгорании топлива, от продуктов сгорания (пламени или горячих газов) через материал поверхности нагрева 4 и уловители 5 теплоносителю (например, воде). Теплопроводящий уловитель 5 - это элемент, предназначенный для приема тепловой энергии, получаемой им в жаровой камере 2 в результате сгорания топлива, а затем ее передачи материалу поверхности нагрева 4 или непосредственно теплоносителю путем теплообмена, то есть он способствует перераспределению тепловой энергии в жаровой камере. Уловители 5, являясь цельными, выполнены, преимущественно, из меди или ее сплавов, или состоят из частей, выполненных из меди, ее сплавов или их комбинаций, причем коэффициент теплопроводности металла теплопроводящих уловителей 5 подбирается так, что он всегда превышает коэффициент теплопроводности материала (металла) поверхности нагрева 4 (выполняемой обычно из стали или чугуна), с которым они соединены, для ускорения отбора и передачи тепловой энергии. Теплопроводящие уловители 5 соединены с поверхностью нагрева 4 при помощи сварочного соединения, образующего сварочный шов, который имеет технические характеристики, позволяющие обеспечить надежность и длительный срок службы устройства для нагрева теплоносителя. Количеством теплопроводящих уловителей 5, их формой, расположением и видом соединения можно варьировать в зависимости от требуемых выходных характеристик заявляемого устройства. Расположение уловителей 5 и их соединение с поверхностью нагрева 4 может быть выполнено в различных видах, например, уловитель 5 может быть соединен с материалом (металлом) поверхности нагрева 4 со стороны жаровой камеры 2 внахлестку, или встык или углублен в его материал; в случаях, когда уловитель 5 проходит сквозь материал поверхности нагрева 4, не выступая в теплоноситель, и когда часть уловителя 5 проходит сквозь материал поверхности нагрева 4, выступая в теплоноситель, соединение осуществляется при помощи сварочного соединения с двух или с одной из сторон материала поверхности нагрева 4 (см. фиг. 4-9).

Части 6 уловителей 5, которые выступают за пределы материала поверхности нагрева 4 и расположены в объеме теплоносителя 3 соединены между собой теплопроводящими элементами 7. Причем, теплопроводящие элементы 7 выполнены из материала (преимущественно, меди или ее сплавов), коэффициент теплопроводности которого выше, чем коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева 4. Для входа теплоносителя в объем 3 служит подводящий патрубок 8, а для выхода - отводной патрубок 9. Жаровая камера 2 образует газовый тракт с входным 10 и выходным 11 каналами.

Устройство для нагрева теплоносителя работает следующим образом.

Образующиеся при сгорании топлива горячие газы или пламя (продукты сгорания) поступают в жаровую камеру 2 и вступают в контакт с теплопроводящими уловителями 5, а также с материалом поверхности нагрева 4 со стороны жаровой камеры 2, и передают им тепло. Вследствие того, что коэффициент теплопроводности металла (например, меди или ее сплавов) теплопроводящего уловителя 5 выше, чем коэффициент теплопроводности материала (металла - обычно, стали или чугуна) поверхности нагрева 4 со стороны жаровой камеры 2, а также за счет их соединения посредством сварочного соединения и заявленной конструкции устройства в целом, тепловая энергия от горячих газов или пламени из жаровой камеры 2 будет с наибольшей интенсивностью передаваться воде. Передав тепло, газы отводятся через выходной канал 11.

Таким образом, предлагаемое устройство для нагрева теплоносителя позволяет повысить интенсификацию теплообмена от продуктов сгорания к теплоносителю.

Применение меди или ее сплавов в качестве материала теплопроводящих уловителей 5 и соединение последних с материалом поверхности нагрева 4 при помощи сварочного соединения обусловлено тем, что:
- во-первых, медь и ее сплавы обладают значительным коэффициентом теплопроводности по сравнению с материалами (например, сталь или чугун), из которых обычно выполняют поверхности нагрева и другие части устройств для нагрева теплоносителя, например, котлов, в результате чего происходит ускоренный отбор и передача тепловой энергии уловителями к теплоносителю, что повышает интенсификацию процесса теплообмена. Кроме того, использование меди или ее сплавов исключает возможность появления высокотемпературной коррозии и окалино- и шлакообразование на теплопередающих уловителях, а также на поверхности нагрева значительно снижает эти процессы за счет того, что она в меньшей степени подвергается воздействию продуктов сгорания высокой температуры из-за перераспределения тепловой энергии.

- во-вторых, сварка двух материалов с разными коэффициентами теплопроводности - теплопроводящих уловителей 5 (выполненных из меди или ее сплавов) с материалом (металлом) поверхности нагрева 4 (выполняемой обычно из стали или чугуна) - позволяет получить шов с такими характеристиками (плотность, однородность и т.п.), которые не только не препятствуют тепловому потоку от теплопроводящих уловителей 5 к материалу поверхности нагрева 4 и, в конечном итоге, к теплоносителю, а, наоборот, способствуют прохождению теплового потока через сварочное соединение вследствие диффузионной структуры материала получаемого шва, что интенсифицирует процесс теплообмена и улучшает выходные параметры заявляемого устройства. Кроме того, такой сварочный шов обеспечивает надежность и долговечность соединения при высоких температурах и ее перепадах в жаровой камере.

Заявляемое устройство для нагрева теплоносителя, преимущественно котел, выгодно отличает его от существующих и обеспечивает при использовании следующие преимущества: повышение КПД и сохранение его постоянства на протяжении всего срока службы устройства, увеличение надежности и долговечности элементов устройства и его срока службы в целом при длительном воздействии высоких температур, снижение металлоемкости его конструкции при сохранении всех основных характеристик, снижение процессов окалино- и шлакообразования, возможность задания показателей теплового потока на выходе, улучшение монтажа и сборки. Кроме того, заявляемое изобретение имеет широкую сферу применения: как при реконструкции и модернизации уже действующих устройств и восстановлении подлежащих ремонту и очистке, так и при проектировании и изготовлении новых устройств.

По предложенному техническому решению были изготовлены опытные образцы, которые прошли успешные испытания и подтвердили получение положительного эффекта.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано при проектировании и производстве устройств для нагрева теплоносителя, например котлов различного типа (водяных, паровых и т.п.) и назначения (промышленных, бытовых и др.), водо- и паронагревателей и т.п. В устройстве для нагрева теплоносителя, например котле, содержащем корпус, включающий разделенные между собой поверхностью нагрева объем теплоносителя и жаровую камеру, а также не меньше чем один теплопроводящий уловитель, связанный с поверхностью нагрева, теплопроводящие уловители, являясь цельными и/или состоящими из соединенных между собой сварочным соединением частей, выполнены из металла, коэффициент теплопроводности которого превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, преимущественно из меди или ее сплавов, при этом теплопроводящие уловители расположены в основном в высокотемпературной области жаровой камеры и соединены различными видами соединений или их комбинациями с поверхностью нагрева посредством сварочного соединения; обеспечивается повышение интенсификации процесса теплообмена от продуктов сгорания к теплоносителю при длительном воздействии высоких температур и за счет этого достигается повышение КПД и сохранение его постоянства на протяжении всего срока службы устройства, увеличение надежности и срока службы устройства, снижение металлоемкости его конструкции при сохранении всех основных характеристик, а также процессов окалино- и шлакообразования, возможность задания показателей теплового потока на выходе, улучшение монтажа и сборки. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Устройство для нагрева теплоносителя, преимущественно котел, содержащее корпус, включающий разделенные между собой поверхностью нагрева объем теплоносителя и жаровую камеру, а также не меньше чем один теплопроводящий уловитель, связанный с поверхностью нагрева, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители, являясь цельными и/или состоящими из соединенных между собой сварочным соединением частей, выполнены из металла, коэффициент теплопроводности превышает коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, преимущественно, из меди или ее сплавов, при этом теплопроводящие уловители расположены в основном в высокотемпературной области жаровой камеры и соединены различными видами соединений или комбинациями с поверхностью нагрева посредством сварочного соединения. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители соединены с материалом поверхности нагрева внахлестку. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители соединены с материалом поверхности нагрева встык. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители углублены в материал поверхности нагрева. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители проходят сквозь материал поверхности нагрева. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева встык. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева с углублением. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что теплопроводящие уловители соединены напротив друг друга с двух сторон относительно поверхности нагрева с одной из сторон встык, а с другой - с углублением. 9. Устройство по пп.1 - 8, отличающееся тем, что части теплопроводящих уловителей, выступающие в объем теплоносителя, соединены между собой теплопроводящими элементами, выполненными из материала, коэффициент теплопроводности которого выше, чем коэффициент теплопроводности материала поверхности нагрева, преимущественно из меди или ее сплавов.