ЖАРОТРУБНО-ДЫМОГАРНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2002 года по МПК F22B7/12 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и, в частности к конструкциям котлов с жаровой и дымогарными (газовыми) трубами.

Известен барабанный котел горизонтальной цилиндрической конструкции, имеющий жаровую и дымогарные трубки, размещенные в наружных поворотных камерах второго и третьего газоходов (см. , например, Е.Ф. Бузников и др. "Пароводогрейные котлы для электростанций и котельных", М., "Энергоатомиздат", 1989 г., стр. 14-15). Указанный котел, таким образом, имеет три хода по направлению движения газов, на каждом из которых происходит теплообмен между горячими газами и нагреваемой или испаряемой водой. Основные недостатки данной конструкции состоят в малой интенсивности процесса теплопередачи, низком коэффициенте полезного действия, значительных габаритах и металлоемкости.

Наиболее близким по конструкции к настоящему изобретению является трехходовой по движению газов жаротрубно-дымогарный котел, состоящий из горизонтального цилиндрического барабана с плоскими отбортованными днищами. Жаровая труба расположена по оси барабана. Дымогарные трубы второго и третьего хода размещены по обе стороны жаровой трубы и имеют противоположно направленное движение газов (см. , например, А.К. Зыков "Паровые и водогрейные котлы", Справочное пособие, М. , "Энергоатомиздат", 1987 г., стр. 52-54). Основные недостатки данной конструкции полностью совпадают с таковыми для аналога.

Задача настоящего изобретения состоит в интенсификации теплообменных процессов.

Техническим результатом является уменьшение габаритов котла и, как следствие, его металлоемкости, увеличение надежности при эксплуатации за счет исключения зарастания теплообменных поверхностей, особенно в случае недостаточно качественной водоподготовки, а также увеличение коэффициента полезного действия котла.

Указанный технический результат достигают за счет того, что в жаротрубно-дымогарном котле с тремя ходами по направлению движения газов, включающем корпус с крышками и штуцерами для отвода воды и дымовых газов, размещенный в корпусе первый ход газов в виде жаровой трубы с газовой камерой, соединенной с дымогарными трубами второго хода, вторую газовую камеру, размещенную на противоположных концах труб и соединенную с третьим ходом, штуцер для отвода газов корпуса котла расположен в зоне второй газовой камеры, третий ход газов выполнен в виде вынесенного за пределы корпуса прямоугольного газохода со штуцером для подвода газов, соединенным со штуцером для отвода газов корпуса котла, две противоположные стенки газохода выполнены в виде трубных решеток с закрепленными в них перпендикулярно направлению движения газов трубами с прямоугольными, кольцевыми или спиральными ребрами и снабжены крышками со штуцерами для подвода и отвода воды.

Жаровая труба выполнена профилированной с поперечным сечением в виде соединенных полуокружностями дуг двух соосных окружностей таким образом, что дуги меньшей и большей окружности расположены в соседних секторах при четном числе последних, а диаметры соединяющих полуокружностей равны соответственно разности диаметров большей и соосной промежуточной, промежуточной и меньшей окружности.

Между корпусом котла и дымогарными трубами соосно корпусу установлена обечайка. Обечайка соединена с корпусом снабженными перфорацией конусообразными вставками. При этом корпус котла в зоне первой газовой камеры и в зоне размещения дымогарных труб перед второй газовой камерой снабжен штуцерами, соединенными оснащенным центробежным или осевым циркуляционным насосом трубопроводом.

В другом случае обечайка в зоне первой газовой камеры снабжена расположенными последовательно расширением и сужением, а между крышкой и сужением установлено с возможностью вращения колесо центробежного насоса. Штуцер для отвода воды третьего хода газов соединен со штуцером для подвода воды корпуса котла.

Жаровая труба снабжена обечайкой, образующей с жаровой трубой канал для прохода воды, обечайка снабжена штуцером для подвода воды, соединенным со штуцером для отвода воды третьего хода газов, расположенный в зоне корпуса котла торец обечайки установлен с зазором к первой газовой камере, а обечайка, установленная между корпусом котла и дымогарными трубами, соединена с первой газовой камерой.

Сущность изобретения состоит в следующем. Увеличение теплообменной поверхности за счет увеличения числа ходов имеет ограниченные возможности из-за повышения гидравлического сопротивления. Размещение жаровой трубы и дымогарных труб двух последующих ходов в одном корпусе, т.е. в одном водяном объеме, является традиционным и не соответствует оптимальному варианту. Особые условия возникают при работе третьего хода газов. Снижение температуры газов, а следовательно, и средней разности температур требует для увеличения коэффициента полезного действия котла соответствующего увеличения теплообменной поверхности. В свою очередь увеличение теплообменной поверхности за счет соответствующего увеличения числа труб, или при сохранении их числа за счет увеличения диаметра труб, или путем использования и того и другого имеет естественным следствием уменьшение скорости газов, а соответственно и коэффициента теплоотдачи. При этом переданное тепло практически не претерпевает изменения. Таким образом, данный прием не приводит к желаемому результату.

Удлинение труб третьего хода, способное привести к увеличению переданного тепла, имеет следствием удлинение предыдущих ходов и соответственно снова увеличение гидравлического сопротивления, габаритов и веса котла.

Изложенное выше приводит к выводу о неизбежности при стремлении к увеличению полезного действия котла и уменьшению его габаритов (соответственно веса) интенсификации теплообмена и особенно для третьего хода газов. Данная задача в известных конструкциях решается, например, введением в трубки третьего хода турбулизирующих вставок или выполнением этих же трубок в виде многослойных конвективных поверхностей теплообмена, представляющих собой сложный вариант продольного оребрения в сочетании с профилированием теплообменной поверхности (см. , например, материалы фирмы "VISSMANN", котлы типа "Раromat-Тriplех", май 1996 г. и июнь 1997 года). При этом неизменным остается принцип размещения всех трех ходов газа в одном водяном объеме.

Заявленный технический результат может быть достигнут при выводе третьего хода газов за пределы корпуса котла с организацией движения воды в трубках, а газов - сплошным единым потоком в межтрубном пространстве. При этом целесообразно использование широко известных трубок с обычным наружным поперечным оребрением в виде прямоугольных, кольцевых или спиральных ребер. Данное решение позволяет не только упростить конструкцию, но и перенести значительную долю передаваемого тепла на третий ход газов, что невозможно в известных конструкциях.

Габариты и вес котла могут быть уменьшены за счет развития теплопередающей поверхности жаровой трубы. Известное профилирование жаровой трубы с приданием ее поверхности, например, волнообразного вида увеличивает поверхность, но не в достаточной мере. Предлагаемый в настоящем изобретении профиль жаровой трубы приводит более чем к двухкратному увеличению ее теплопередающей поверхности.

Теплотехнические расчеты работы котлов известной конструкции определяют неизбежность кипения воды на поверхностях теплообмена (особенно на поверхности жаровой трубы). При этом и достаточно тщательная водоподготовка не исключает инкрустацию поверхности теплообмена со стороны воды солями жесткости и, как следствие, преждевременный вывод котла из строя. В настоящем изобретении предложено создание интенсивной принудительной циркуляции воды в зоне жаровой трубы и дымогарных трубок второго хода с помощью выносной циркуляционной трубы, оснащенной циркуляционным насосом (центробежным или осевым) или посредством встроенного в корпус колеса центробежного насоса (соответственно без использования выносной циркуляционной трубы). Для снижения температуры стенки жаровой трубы предусмотрено также оснащение жаровой трубы обечайкой, образующей вокруг жаровой трубы канал для прохода воды. В данном случае циркуляция воды исключена, поскольку направляемый в канал исходный поток воды обеспечивает достаточно интенсивный теплообмен в зоне жаровой трубы и соответственно снижение температуры ее поверхности.

Нежелательный зазор между корпусом и трубчаткой, являющейся набором дымогарных трубок, образуется из-за необходимости формирования канала для прохода воды между корпусом и первой газовой камерой. Исключению этого недостатка служит вставная обечайка. В случае формирования выносного циркуляционного контура обечайку снабжают соединенными с корпусом перфорированными конусообразными вставками, что позволяет выровнять давление по обе стороны обечайки, а следовательно, применить обечайку из тонкого листа. В случае использования внутренней циркуляции за счет размещенного в корпусе колеса центробежного насоса, обечайку снабжают расширением и сужением, а собственно колесо центробежного насоса размещают между сужением и крышкой котла.

Конструкция котла по настоящему изобретению с выносной циркуляционной трубой приведена на фиг.1.

Котел включает в себя цилиндрический корпус 1, в котором размещена жаровая труба 2. Жаровая труба 2 является первым ходом дымовых газов. Корпус снабжен крышками 3 и 4 и штуцерами для отвода дымовых газов 5, подвода 6 и отвода 7 воды. В корпусе котла 1 на конце жаровой трубы 2 установлена первая газовая камера 8. Крышка 9 газовой камеры 8 представляет собой трубную решетку, в которую вставлены дымогарные трубы 10, являющиеся вторым газовым ходом. На противоположных концах труб 10 размещена трубная решетка 11, которая с корпусом 1, жаровой трубой 2 и крышкой 4 образует вторую газовую камеру 12. Штуцер 5 для вывода дымовых газов размещен таким образом в зоне второй газовой камеры 12. Штуцер 5 соединен со штуцером 13 для подвода дымовых газов к прямоугольному газоходу 14, являющемуся третьим ходом газов. Две противоположные стенки 15 и 16 газохода 14 выполнены в виде трубных решеток, в которых закреплены перпендикулярно направлению движения газов трубы 17 с оребрением. Ребра 18 расположены поперечно трубам и выполнены кольцевыми, спиральными или прямоугольными. Трубные решетки 15 и 16 снабжены крышками 19 и 20. Между решетками и крышками образован проход 21 для воды. Крышки 19 и 20 в обычном варианте снабжены перегородками 22, позволяющими иметь несколько ходов по воде. Крышки 19 и 20 также снабжены штуцером 23 для подвода воды из сети и штуцером 24 для отвода воды, который соединен со штуцером 6 для подвода воды корпуса котла. Корпус котла 1 имеет штуцера 25 и 26, соединенные трубопроводом 27. В данном решении трубопровод 27 снабжен осевым циркуляционным насосом 28. Между корпусом котла 1 и дымогарными трубами 10 вставлена соосно корпусу котла обечайка 29, соединенная с корпусом 1 снабженными перфорацией конусообразными вставками 30. Свободный конец жаровой трубы 2 оснащают, например, газовой горелкой (не показано). Профиль жаровой трубы по одному из пунктов формулы настоящего изобретения также изображен на фиг.1 (сечение по А-А). Дуги 31 большей окружности соединены с дугами 32 меньшей соосной окружности полуокружностями 33. При этом дуги 31 и 32 размещены в соседних секторах при четном числе последних. Диаметры соединяющих полуокружностей равны соответственно разности диаметров большей и соосной промежуточной окружности 34, промежуточной 34 и меньшей окружности.

Конструкция котла по настоящему изобретению с внутренним циркуляционным контуром приведена на фиг.2. Обозначения присущих данной конструкции узлов и деталей, общих с конструкцией, соответствующей фиг.1, совпадают. Обечайка 29 в данном варианте снабжена последовательно размещенными расширением 35 и сужением 36. Между сужением 36 и крышкой 3 установлено с возможностью вращения колесо центробежного насоса 37.

Конструкция котла по настоящему изобретению с жаровой трубой, оснащенной обечайкой, образующей канал для прохода воды, приведена на фиг.3. Обозначения присущих данной конструкции узлов и деталей, общих с конструкцией, соответствующей фиг.1, также совпадают. Жаровая труба 2 снабжена обечайкой 38 с образованием канала 39 для прохода воды. Обечайка 38 снабжена штуцером 40 для подвода воды, соединенным со штуцером для отвода воды 24 третьего хода газов. Расположенный в зоне корпуса котла торец обечайки 38 установлен с зазором к трубной решетке 9 первой газовой камеры. Обечайка 29, установленная между корпусом котла 1 и дымогарными трубами 10, соединена с трубной решеткой 9 первой газовой камеры 8.

Рассмотрим работу котла, соответствующего фиг.1 и обычным условиям работы в водогрейном режиме, например, при давлении 6 ата и соответствующих температурах входа и выхода оборотной воды на уровне 70 и 110^oС. Оборотная вода из сети поступает в канал 21, образованный стенками 15 и 16 и крышками 19 и 20 прямоугольного газохода 14, через штуцер 23 и совершает по трубам 17, оснащенным ребрами 18, несколько ходов, благодаря перегородкам 22. Из канала 21 вода, нагретая отходящими из корпуса 1 котла газами, поступает через соединенные штуцера 24 и 6 в корпус котла 1. Далее вода проходит в межтрубном пространстве котла, ограниченном жаровой трубой 2 и обечайкой 29, соединенной с корпусом котла перфорированными конусообразными вставками 30. Установка обечайки 29 позволяет организовать оптимальное омывание водой дымогарных труб 10 и снизить величину циркуляционного потока воды внутри котла. Вода омывает газовую камеру 8 и через штуцер 25, размещенный в зоне между газовой камерой 8 и крышкой 3 корпуса котла 1, поступает в циркуляционный трубопровод 27, оснащенный создающим циркуляцию осевым насосом 28 (возможно использование обычного низконапорного центробежного насоса). Через штуцер 26 из циркуляционного трубопровода 27 вода возвращается в корпус котла 1. Часть циркулирующей воды, равная по количеству поступающей через штуцер 23, выводится из корпуса котла 1 через штуцер 7 в сеть. Полученные при работе, например, газовой горелки дымовые газы, направляют в жаровую трубу 2. Из жаровой трубы 2 газы поступают в газовую камеру 8, одна из крышек которой 9 представляет собой трубную решетку с закрепленными в ней дымогарными трубами 10. Проходя из газовой камеры 8 через дымогарные трубы 10, газы нагревают водяной поток в корпусе котла 1. Дымогарные трубы 10 с другой стороны закреплены в трубной решетке 11, которая совместно с корпусом котла 1, жаровой трубой 2 и крышкой 4 корпуса котла 1 образует вторую газовую камеру 12. Из второй газовой камеры 12 через штуцера 5 и 13 дымовые газы направляют в прямоугольный газоход 14. Проходя по газоходу 14, газы обтекают оребренные трубы 17, установленные внутри газохода 14. Далее отработанные дымовые газы направляют в атмосферу.

Работа котла, соответствующего фиг.2, отличается тем, что циркуляция воды внутри котла совершается при отсутствии вынесенной циркуляционной трубы. Вода из канала 21 поступает в корпус котла 1, смешивается с внутренним циркуляционным потоком и поступает в межтрубное пространство через верхний обрез обечайки 29. Обечайка 29 снабжена последовательно размещенными расширением 35 и сужением 36. Благодаря этим элементам, вода обтекает первую газовую камеру 8 и выходит через сужение 36 в пространство между сужением 36 и крышкой 3 корпуса котла 1. В этом пространстве установлено с возможностью вращения колесо центробежного насоса 37. Далее вода поступает в прозор между корпусом котла 1 и обечайкой 29, через верхний обрез которой вода вновь поступает в межтрубное пространство в корпусе котла.

Работа котла, соответствующего фиг.3, отличается тем, что циркуляция воды внутри котла, как и в традиционных конструкциях, отсутствует. Поток воды из сети проходит через трубки 17 и далее через соединенные штуцера 24 и 40 поступает в канал 39, образованный жаровой трубой 2 и обечайкой 38. В зону дымогарных трубок 10 вода поступает через зазор, с которым торец обечайки 38 установлен к трубной решетке 9 первой газовой камеры. Далее вода омывает дымогарные трубы 10, проходит через верхний торец обечайки 29 в канал, образованный корпусом 1 котла и обечайкой 29, омывает первую газовую камеру 8 и через штуцер 7 в нагретом состоянии поступает в сеть.

В предложенном техническом решении последняя стадия охлаждения газов организована таким образом, что интенсифицируется теплоотдача со стороны газа использованием широко известных оребренных трубок, причем оребрение естественно установлено в потоке газа. В отличие от известных конструкций изменена тенденция размещения всех трех ходов газа в едином водяном пространстве. Установкой по сути выносного оребренного теплообменника в качестве третьего хода газов достигается снижение температуры газов на выходе и увеличение коэффициента полезного действия агрегата. Благодаря циркуляции воды внутри корпуса котла или смыванию всем исходным потоком воды жаровой трубы при решении с образованием водяного канала вдоль последней, увеличивается коэффициент теплоотдачи от воды к жаровой трубе (и к дымогарным трубам при циркуляции). Следствием этого является снижение температуры стенки со стороны воды и предотвращение кипения на поверхности труб. Этим, в свою очередь, достигается предотвращение зарастания стенок солевыми отложениями и, следовательно, увеличение надежности работы агрегата.

Целесообразно привести результаты испытаний работы котла предложенной конструкции.

При полезной мощности котла 3 МВт диаметр корпуса котла составляет 1,4 м. Установленная в корпусе трубчатка выполнена из 187 труб диаметром 42х2,5 при длине каждой трубы 2,5 м. Жаровая труба имеет обычный цилиндрический профиль при диаметре 0,92 м. Прямоугольный газоход третьего хода имеет ширину 0,575 м, длину - 0,9 м и высоту, занятую оребренными трубами, 1,15 м. В газоходе установлены трубы с кольцевыми приваренными ребрами. Наружный диаметр труб составляет 32 мм, внешний диаметр кольцевых ребер - 55 мм. Шаг ребер - 6 мм при толщине последних 0,7 мм. Коэффициент оребрения - 6,3. Трубы имеют коридорное размещение. В каждом ряду установлено по 10 труб. Общее число рядов - 20. При этом с помощью перегородок в водяных каналах в оребренном теплообменнике сформировано пятиходовое движение воды (т.е. имеется 5 секций при числе рядов в секции, равном 4).

При общем расходе природного газа 318 нм³/час и расходе воды 64,5 м³/час (нагрев от 70 до 110^oС) конечная температура газов составляет 92-93^oС при коэффициенте полезного действия - 95,6% (следует отметить, что теоретически возможная величина кпд при охлаждении газов до температуры поступающей воды, т. е. до 70^oС равна 96,7%). Суммарное гидравлическое сопротивление газового тракта составляет не более 60-70 мм водяного столба. Циркуляционный поток в данном варианте превышает продукционный приблизительно в 5 раз. При этом расчетная максимальная температура стенки жаровой трубы - 148^oС, что ниже температуры кипения воды при указанном давлении практически на 10^oС (развитое кипение согласно литературным данным наступает по мере достижения 163^oС). Вес данного котла 4 тонны.

При работе котла той же мощности при оснащении жаровой трубы обечайкой, образующей с жаровой трубой канал для прохода воды шириной 15 мм, практически неизменными остаются указанные выше теплотехнические характеристики при снижении максимальной температуры стенки жаровой трубы со стороны воды до 125^oС и отсутствии энергетических затрат на циркуляцию воды. Температура стенок дымогарных труб практически равна приведенной для жаровой трубы.

Сопоставление полученных данных с известными, например, для котлов типа HVP производитель (Чехия, г. Брно), сопоставимым с эталонными в мировой практике для данного вида оборудования, показывает, что кпд известных котлов не превышает 92-93%, что ниже, чем у предложенных в настоящем техническом решении. Вес известных котлов более чем в 2 раза выше предлагаемых, а гидравлическое сопротивление составляет 75 мм водяного столба, что несколько выше, чем в случае настоящего технического решения.

Расчетные данные для котла мощностью 1 МВт определяют практически те же преимущества предложенного технического решения по сравнению как с котлами типа НVР, так и с котлами фирмы "VIESSMANN"
Конструктивное решение котла с фигурной жаровой трубой сложнее приведенной выше, но позволяет еще более сократить вес котла, поскольку более чем в два раза увеличивается теплоотвод от собственно жаровой трубы, что снижает необходимый теплоотвод от газов на последующих двух ходах.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к жаротрубно-водогрейным котлам, и позволяет уменьшить габариты котла и его металлоемкость, увеличить кпд и надежность. Указанный технический результат достигают за счет того, что в жаротрубно-дымогарном котле с тремя ходами по направлению движения газов, включающем корпус с крышками и штуцерами для отвода воды и дымовых газов, размещенный в корпусе первый ход газов в виде жаровой трубы с газовой камерой, соединенной с дымогарными трубами второго хода, вторую газовую камеру, размещенную на противоположных концах труб и соединенную с третьим ходом, штуцер для отвода газов корпуса котла расположен в зоне второй газовой камеры, третий ход газов выполнен в виде вынесенного за пределы корпуса прямоугольного газохода со штуцером для подвода газов, соединенным со штуцером для отвода газов корпуса котла, две противоположные стенки газохода выполнены в виде трубных решеток с закрепленными в них перпендикулярно направлению движения газов трубами с прямоугольными, кольцевыми или спиральными ребрами и снабжены крышками со штуцерами для подвода и отвода воды. 7 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Жаротрубно-дымогарный котел с тремя ходами по направлению движения газов, включающий корпус с крышками и штуцерами для отвода воды и дымовых газов, размещенный в корпусе первый ход газов в виде жаровой трубы с газовой камерой, соединенной с дымогарными трубами второго хода, вторую газовую камеру, размещенную на противоположных концах труб и соединенную с третьим ходом, отличающийся тем, что штуцер для отвода газов корпуса котла расположен в зоне второй газовой камеры, третий ход газов выполнен в виде вынесенного за пределы корпуса прямоугольного газохода со штуцером для подвода газов, соединенным со штуцером для отвода газов корпуса котла, две противоположные стенки газохода выполнены в виде трубных решеток с закрепленными в них перпендикулярно направлению движения газов трубами с прямоугольными, кольцевыми или спиральными ребрами и снабжены крышками со штуцерами для подвода и отвода воды. 2. Жаротрубно-дымогарный котел по п.1, отличающийся тем, что жаровая труба выполнена профилированной с поперечным сечением в виде соединенных полуокружностями дуг двух соосных окружностей таким образом, что дуги меньшей и большей окружностей расположены в соседних секторах при четном числе последних, а диаметры соединяющих полуокружностей равны соответственно разности диаметров большей и соосной промежуточной, промежуточной и меньшей окружностей. 3. Жаротрубно-дымогарный котел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что между корпусом котла и дымогарными трубами соосно с корпусом установлена обечайка. 4. Жаротрубно-дымогарный котел по пп.1-3, отличающийся тем, что обечайка соединена с корпусом снабженными перфорацией конусообразными вставками. 5. Жаротрубно-дымогарный котел по пп.1-4, отличающийся тем, что корпус котла в зоне первой газовой камеры и в зоне размещения дымогарных труб перед второй газовой камерой снабжен штуцерами, соединенными оснащенным центробежным или осевым циркуляционным насосом трубопроводом. 6. Жаротрубно-дымогарный котел по пп.1-3, отличающийся тем, что обечайка в зоне первой газовой камеры снабжена расположенными последовательно расширением и сужением, а между крышкой и сужением установлено с возможностью вращения колесо центробежного насоса. 7. Жаротрубно-дымогарный котел по пп.1-6, отличающийся тем, что штуцер для отвода воды третьего хода газов соединен со штуцером для подвода воды корпуса котла. 8. Жаротрубно-дымогарный котел по пп.1-3, отличающийся тем, что жаровая труба снабжена обечайкой, образующей с жаровой трубой канал для прохода воды, обечайка снабжена штуцером для подвода воды, соединенным со штуцером для отвода воды третьего хода газов, расположенный в зоне корпуса котла торец обечайки установлен с зазором к первой газовой камере, а обечайка, установленная между корпусом котла и дымогарными трубами, соединена с первой газовой камерой.