ВОДОТРУБНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2000 года по МПК F24H1/28 

Изобретение относится к теплотехнике, конкретно к конструкциям водотрубных котлов, используемых как для нагрева воды с целью отопления, так и для ее подготовки в различных технологических процессах.

Из современного уровня техники известны котлы, включающие топку и конвективный газоход, причем котел снабжен сепараторами пара и коллектороми с трубами рециркуляции, см. описание полезной модели к свидетельству РФ N 5439, МПК 6 F 22 B 21/34, БИ N 11, 1997. Следует отметить сложность конструкции этих котлов, большой объем сварных работ, а также сложность проведения ремонтных работ указанных котлов.

Известен также аналог - котел по авторскому свидетельству СССР N 94846, МПК F 24 H, 1953, который принят в качестве прототипа к данному изобретению.

Котел содержит топку и конвективный газоход, выполненные в виде единой трубы с полыми стенками, а также футеровку.

Такая конструкция обладает тем недостатком, что не полностью используется тепло, выделяемое при сгорании топлива, часть тепла теряется на нагрев футеровки и с уходящими продуктами сгорания. При нагреве футеровки от ее поверхности происходит теплоотдача в окружающую среду, т.е. часть тепловой энергии теряется бесполезно. Тепловая энергия также теряется с уходящими газами - продуктами сгорания.

Увеличение толщины футеровки увеличивает массу котла и его стоимость.

Задачей изобретения является уменьшение потерь тепловой энергии как через футеровку, так и с удаляемыми продуктами сгорания.

Указанная задача решена тем, что топка и газоход котла выполнены в виде единой трубы, а часть трубы, образующая топку, расположена в полом корпусе, полость которого соединена с насосами периодической подачи и отвода жидкости, являющейся футеровкой, причем в указанной полости расположены термодатчики для контроля температуры жидкости, являющейся футеровкой.

Труба, образующая топку и газоход, может быть, по крайней мере на части ее длины, выполнена в форме винтовой спирали, что позволяет увеличить длину пути продуктов сгорания в трубе без существенного увеличения габаритных размеров котла.

Эта труба может быть выполнена вдоль ее длины в виде отдельных секций, соединенных друг с другом заслонками с приводами, причем каждая секция снабжена датчиками контроля температуры уходящих газов и заслонками с приводами, установленными на конце каждой секции.

Далее изобретение поясняется чертежами, иллюстрирующими конкретный пример его исполнения:
на фиг. 1 показан общий вид котла,
на фиг. 2 - вариант котла с прямолинейной трубой,
на фиг. 3 - поперечное сечение трубы АА,
на фиг. 4 - котел для сжигания твердого топлива,
на фиг. 5 разрез этого котла ВВ,
на фиг. 6 котел с винтовой спиральной трубой,
на фиг. 7 котел с секционной трубой вдоль ее длины.

Устройство содержит нагреватель 1 в виде горелки (газовой или жидкостной), установленной в крышке 2, а также жаровую трубу 3, в которой сгорает топливо. Труба 3 находится в полости 4, по которой подается вода в направлении, противоположном направлению движения горячих газов (продуктов сгорания), см. фиг.1. Трубопровод для газов 5 находится внутри тубы 6 и между ними протекает нагреваемая вода, причем газы уходят через отводящую трубу 7, а исходная вода низкой температуры поступает через трубопровод 8 с помощью насоса 9. По крайней мере часть трубы, по которой подается вода, окружена полостью 10, заполненной водой, которая является футеровкой. Водой заполнена и полость 11 крышки. Корпус котла 12 может быть установлен на фундаменте горизонтально (фиг.1) или вертикально (фиг. 2). Полость 10 корпуса и полость 11 крышки снабжены термометрами 13, 14 и соединены трубопроводами 15, 16 с кранами 17, 18 с насосом периодического действия 19. Предпочтительнее трубу для газов выполнять овального или плоского с закруглениями сечения (фиг.3) для ускорения охлаждения газов, движущихся по жаровой трубе. Насос 20 обеспечивает подачу горячей воды через трубопровод 21 к потребителям.

Для котлов на твердом (сыпучем) топливе это топливо 22 загружают внутрь жаровой трубы на колосниковую решетку 23. Зола просыпается в камеру 24 и на стенке 25 находится зола (твердые остатки от сгоревшего топлива) 26. Эту камеру 24 закрывает крышка 27 и может быть предусмотрен вентилятор 28 для подачи газа в камеру 24 и через нее в жаровую трубу, см. фиг. 4, 5.

В варианте, представленном на фиг. 6, жаровая труба выполнена в виде трубы, навитой по винтовой спирали - трубы 29, по крайней мере на части ее длины. При этом трубу 29 можно выполнить овального сечения из сплюснутой круглой трубы. На части длины можно использовать стальные трубы 30 прямоугольного сечения, навитые по спирали. Нагреваемая вода проходит внутри этих труб. Оси труб являются винтовыми линиями.

Отводящая труба газохода может быть выполнена вдоль ее длины из отдельных секций, см. фиг. 7, соединенных друг с другом приводными заслонками. Каждая секция снабжена датчиками контроля температуры уходящих газов.

Заслонки с приводами расположены на конце каждой секции, как и датчики контроля температуры. Труба 31, являющаяся на фиг.7 первой секцией, снабжена датчиком контроля температуры 32, измеряющим температуру уходящих из данной секции газов. Привод 33 обеспечивает перемещение заслонки 34, например, этот привод может быть выполнен в виде пневматического цилиндра. Привод 35 обеспечивает перемещение заслонки 36. Секция 37 (вторая на фиг. 7) снабжена приводом 38 заслонки 39 и заслонкой с приводом 41. Секция 42 снабжена термодатчиками 43 и вода в ней подводится через трубопровод 44 с краном 45. Датчики 43 контролируют температуру уходящих из этой секции газов.

Предусмотрен подвод воды в секции газохода через трубопровод 46 с краном 47 и трубопровод 48 с краном 49.

Устройство работает следующим образом.

Горелка 1 обеспечивает сжигание топлива, например природного газа или мазута, в пространстве, ограниченном полой крышкой 2 и жаровой полой трубой 3. В полости трубы 4 течет теплоноситель, например вода, поступающая из полой трубы конвективного газоотвода, образованной стенками 5 и 6, фиг.1. Через отводящую трубу 7 охлажденные газы уходят в атмосферу, а навстречу им в полой трубе движется вода 8, подаваемая насосом 9. По крайней мере часть полой трубы, являющейся объединением жаровой трубы и конвективного газоотвода, расположена в корпусе, в полости 10 которого находится теплоноситель, например вода, являющаяся футеровкой котла. Также заполнена водой и полость 11 торцевой крышки.

Термометры 13, 14 контролируют температуру воды, являющейся жидкой футеровкой, и при ее нагреве до предельно допустимой температуры насосом 19 (или несколькими насосами) периодического отвода жидкости из полостей 10, 11 подают в сеть, заменяя ее жидкостью низкой температуры (вплоть до ее последующего нагрева и удаления). Этот процесс периодически повторяют, используя и тепло нагреваемой футеровки.

Для водогрейных котлов температура воды, подаваемой в полости 10, 11, не должна быть выше 50-60^oC. В данном котле футеровка, выполненная из основного носителя тепла, например воды, является расходуемой. После нагрева до заданной допустимой величины эта вода поступает в общий поток и после дополнительного нагрева подается насосом периодического действия 20 в сеть 21. Полость же футеровки вновь заполняется водой при 50-60^oC. Футеровка периодически (автоматически) меняется, а тепло, отданное от жаровой трубы 3 (и крышки 2) к футеровке, в данном котле не теряется, а поступает в общую сеть. Это обеспечивает высокую эффективность работы котла, полное использование тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа. Можно выполнить весь котел в виде прямолинейной полой трубы, расположив его вертикально, как показано на фиг. 2, где параллельные трубы 5, 6 имеют овальное сечение, показанное на фиг. 3. Котел может использовать не газ или жидкость в качестве энергоносителя, а твердое топливо, например уголь, торф, древесину.

В корпусе 12 и в крышке установлены термометры 13, 14. Эти полости соединены трубопроводами 15, 16 с кранами 17, 18 с насосом 19. Вода в полости 1 крышки и в полости корпуса 12 неподвижна, а краны 17, 18 закрыты до тех пор, пока эта вода, являющаяся футеровкой, не нагреется. Если температуры воды, подаваемой котлом в отопительную сеть, 115^oC, то приблизительно такой же будет и температуры стенки полой трубы 6 вблизи точки отвода воды. При нагреве до 90-110^oC потери тепла в окружающую атмосферу могут стать значительными, а обычной футеровки в виде огнеупоров, кирпичной кладки и т.д. в данной конструкции нет. Как только термометры 13 или 14 фиксируют повышение температуры, например, до 80^oC, краны 17 или 18 (или оба этих крана) открывают и по трубопроводам 15, 16 нагретую воду футеровки подают в трубу 6, а в полости 10 и 11 подают более холодную воду, забирая ее от участков вблизи ее подвода у конца трубы 7.

На фиг. 4, 5 показан котел, в котором слой твердого топлива 22 сжигают на колосниковой решетке 23. Твердые зольные остатки падают в камеру 24 и на днище 25 собирается зола 26, которую периодически удаляют. Камера для золы закрыта крышкой 27, наполненной футеровкой, водой, удаляемой в сеть при ее нагреве до максимально допустимой температуры, например 80-90^oC.

Вентилятор 28 обеспечивает движение газа через камеру 24, из которой нагретый газ поступает в общий конвективный газоход (в полости трубы 5, фиг. 4), следуя принципу, что никакая часть тепловой энергии (ни нагретой воды, ни нагретого воздуха) не должна в данной конструкции быть потеряна.

На фиг. 6 труба, в которой движется нагреваемая вода, выполнена в виде трубы 29, навитой по спирали, и полученной из сплюснутой круглой трубы. На части длины можно использовать трубы квадратного или прямоугольного сечения - 30. Отводящая труба газохода вдоль ее длины может быть выполнена в виде отдельных секций, что позволяет корректировать работу котла при колебаниях характеристик топлива или температуры окружающей среды, см. фиг. 7. Пусть газообразные продукты сгорания удаляются из первой секции трубы 31, а их температура контролируется датчиком 32. С помощью привода 33 заслонка 34 открыта и газы уходят в атмосферу при температуре 80-100^oC. Если же датчик 32 показывает увеличение температуры уходящих газов, например, до 150-200^oC, например, за счет увеличения температуры окружающей среды, расхода энергоносителя, его калорийности (или за счет уменьшения потребления нагретой воды), то выпускать в атмосферу столь горячие газы нецелесообразно, их тепло надо использовать. В этом случае приводом 35 открывают заслонку 36, а заслонку 34 (с помощью привода 33) закрывают. Газы теперь из трубы 31 поступают в трубу 37, являющуюся второй секцией), при этом с помощью привода 38 заслонка 39 закрыта, а заслонку 40 приводом 41 открывают. Поэтому газы из трубы 31 попадают не в атмосферу, а проходят трубу 37 и только потом уходят в атмосферу. Имеется еще труба 42 с термодатчиком 43 контроля уходящих газов. В эту третью секцию вода может подаваться через трубу 44 с краном 45.

Если газы удаляют в атмосферу (после первой секции) через трубу 31, то в трубу 37 через трубопровод 46 с краном 47 воду не подают. В этом случае воду подают через трубу 48 при открытом кране 49 и из первой секции трубы 31 эта вода поступает далее в наиболее нагретую зону котла и далее в сеть. Если же продукты сгорания удаляют в атмосферу из трубы 37, то кран 47 открывают и через трубопровод 46 подают воду в полость трубы 37 , тем самым используя часть тепла, получаемую теплообменом с продуктами сгорания и на длине трубы 37 (а не только трубы 31).

Если же будет зафиксирована слишком высокая температура продуктов сгорания на выходе из второй секции трубы 37, то путь продуктов сгорания при их движении в атмосферу надо еще удлинить. В этом случае газы подают в третью секцию - трубу 42, открыв приводом 38 заслонку 49, а заслонку 40 (и как и ранее - 34) при этом держат закрытой. Разумеется, при этом открывают кран 45 и подают воду в трубопровод 44 и далее через секции 42, 37 и 31 (через клапаны между секциями) в трубу 6.

Включив подвод воды в трубу 42, подачу воды в трубы 37, 31 можно либо перекрыть кранами 47, 49 (в трубопроводы 46, 48), либо уменьшить расходы воды, подаваемой в эти секции. Каждая секция, помимо заслонки, снабжена датчиками температуры уходящих газов. Число секций может быть равно не трем, как показано на фиг. 7, а может превышать это число в зависимости от условий работы котла (либо можно работать только с двумя секциями).

Существенно, что труба газохода выполнена по ее длине из отдельных секций, с заслонками на их концах и длину пути продуктов сгорания при их теплообмене с нагреваемой средой, например водой, можно регулировать. При фиксации датчиками контроля низкой температуры отходящих газов их путь можно оставить неизменным или даже сократить. Если же фиксируется чрезмерно высокая температура уходящих газов, то их можно направить в последующие секции газохода (с помощью соответствующих заслонок), подав в них и воду, движущуюся в стенках газохода, что позволяет в максимальной степени отобрать тепловую энергию от продуктов сгорания.

Котел предназначен для нагрева воды с целью отопления и для ее подготовки в различных технологических процессах. Котел содержит топку и конвективный газоход, выполненные в виде единой трубы. Часть трубы, образующая топку, расположена в полом корпусе, полость которого соединена с насосами периодической подачи и отвода жидкости, являющейся футеровкой. Труба, образующая топку и газоход, может быть выполнена по крайней мере на части ее длины в форме винтовой спирали, а также в виде секций с заслонками с приводами на конце каждой секции и с датчиками температуры уходящих газов. Предлагаемое выполнение котла позволяет уменьшить потери тепловой энергии, как через футеровку, так и с удаляемыми продуктами сгорания. 2 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Водотрубный котел, включающий топку и конвективный газоход, выполненные в виде единой трубы, и футеровку, отличающийся тем, что часть трубы, образующая топку, расположена в полом корпусе, полость которого соединена с насосами периодической подачи и отвода жидкости, являющейся футеровкой, причем в указанной полости расположены термодатчики для контроля температуры жидкой футеровки. 2. Водотрубный котел по п.1, отличающийся тем, что труба, образующая топку и газоход, выполнена по крайней мере на части ее длины в форме винтовой спирали. 3. Водотрубный котел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что труба, образующая топку и конвективный газоход, выполнена вдоль ее длины из отдельных секций, соединенных друг с другом заслонками с приводами, причем каждая секция снабжена датчиками контроля температуры уходящих газов и заслонками и с приводами, установленными на конце каждой секции.