ЖАРОТРУБНО-ДЫМОГАРНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2003 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, включающий жаровую трубу и дымогарные трубы, размещенные в наружных поворотных газовых камерах второго и третьего газоходов (см., например, Бузников Е. Ф. и др. Пароводогрейные котлы для электростанций и котельных. -М.: Энергоатомиздат, 1989, с. 14 и 15). Указанный котел, таким образом, имеет три хода по направлению движения газов, на каждом из которых происходит их теплообмен с нагреваемой или испаряемой водой. Основные недостатки данной конструкции состоят в малой интенсивности процесса теплопередачи, низком коэффициенте полезного действия, значительных габаритах и металлоемкости котла.

Известен также 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, и вторую газовую камеру, размещенную на противоположных концах дымогарных труб. Штуцер для отвода газов корпуса котла расположен в зоне второй газовой камеры, которая в свою очередь соединена с третьим ходом, выполненным в виде вынесенного за пределы корпуса прямоугольного газохода. 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 снабжена обечайкой, образующей с ней канал для прохода воды. Между корпусом котла и дымогарными трубами соосно корпусу установлена дополнительная обечайка (см., например, решение о выдаче патента на изобретение по заявке 2001118707/06 (019850) "Жаротрубно-дымогарный котел" от 06 декабря 2001 г., дата приоритета - 05 июля 2001 г.). При сниженной металлоемкости и высокой интенсивности котел данной конструкции достаточно сложен в изготовлении, учитывая, что третий ход газов представляет собой по сути теплообменник с оребренными трубами, которые, как правило, должны закупаться у специализированных фирм.

Наиболее близок к предлагаемому изобретению 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, Зыков А.К. Паровые и водогрейные котлы. Справочное пособие. -М.: Энергоатомиздат, 1987, с.52-54). Основные недостатки данной конструкции состоят также в малой интенсивности процесса теплопередачи, низком коэффициенте полезного действия, значительных габаритах и металлоемкости.

Задача настоящего изобретения состоит в увеличении интенсивности котла при упрощении его конструкции.

Техническим результатом является повышение экономичности и коэффициента полезного действия котла при уменьшенных его габаритах и металлоемкости и упрощение технологии изготовления.

Указанный технический результат достигают за счет того, что жаротрубно-дымогарном котле, включающем корпус, жаровую трубу с горелкой, дымогарные трубы и газовые камеры, вне корпуса с зазором к нему установлена обечайка, соединенная по торцам с корпусом и образующая с ним канал для прохода дымовых газов, корпус в зоне последней по ходу газов камеры снабжен соединяющими газовую камеру с каналом отверстиями, поверхность корпуса в зоне канала выполнена оребренной, а обечайка снабжена штуцером для вывода дымовых газов.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем. Увеличение теплообменной поверхности за счет числа ходов имеет ограниченные возможности из-за повышения гидравлического сопротивления. Размещение жаровой трубы и дымогарных труб двух последующих ходов (при трехходовой конструкции котла) в одном корпусе, т.е. в едином 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 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, увеличивающее теплообменную поверхность и способное привести к увеличению переданного тепла, имеет следствием одновременное удлинение жаровой трубы и дымогарных труб второго хода и, соответственно, возрастание гидравлического сопротивления, габаритов и веса котла.

Изложенное выше при стремлении к увеличению полезного действия котла, уменьшению его габаритов и веса приводит к выводу о необходимости 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 "Paromat-Triplex", май 1996 г. и июнь 1997 г.). При этом неизменным остается принцип размещения всех трех ходов газа в одном водяном объеме.

При рассмотрении современных традиционных конструкций жаротрубно-дымогарных котлов следует обратить внимание и на то, что весьма существенная поверхность корпуса, сопоставимая по величине с поверхностью труб третьего хода, остается совершенно не задействованной в процессе теплообмена. Заявленный технический результат может быть достигнут за счет того, что собственно поверхность корпуса котла включается в общую теплообменную поверхность. При этом из традиционной конструкции следует исключить дымогарные трубы третьего хода и, снабдив корпус котла размещенной за его пределами обечайкой с отверстиями в зоне газовой камеры, соединенной с трубами второго хода (т.е. в данном случае последней по ходу газов и размещенной в корпусе котла газовой камеры), осуществить вывод дымовых газов непосредственно в канал, образованный обечайкой и корпусом котла. В предлагаемой конструкции, таким образом, функцию третьего хода выполняет канал между корпусом и обечайкой.

При передаче тепла от дымовых газов к корпусу котла, внутри которого движется нагреваемая вода, лимитирующей даже при малой скорости движения воды очевидно является стадия теплоотвода от дымовых газов из-за малого частного коэффициента теплоотдачи. Теплоотдача от дымовых газов, движущихся в канале между корпусом и обечайкой (третий ход дымовых газов), к корпусу аппарата, а следовательно, и нагреваемой воде может быть в значительной мере улучшена за счет оребрения собственно поверхности корпуса.

Конструкция котла по настоящему изобретению приведена на фиг.1.

Жаротрубно-дымогарный котел включает в себя корпус 1, в котором размещена жаровая труба 2 с установленной на ее свободном торце горелкой (не приведена). Противоположный торец жаровой трубы соединен с поворотной газовой камерой 3. В корпусе 1 размещена вторая газовая камера 4. Обе газовые камеры 3 и 4 связаны между собой дымогарными трубами 5. Таким образом, газовая камера 4 в данном конструктивном варианте является последней по ходу газов. Вне корпуса 1 с зазором к нему установлена обечайка 6, соединенная по торцам с корпусом 1 и образующая с ним канал 7 для прохода дымовых газов. Корпус 1 в зоне последней по ходу газов камеры 4 имеет соединяющие газовую камеру 4 с каналом 7 отверстия 8. Поверхность корпуса 1 в зоне канала 7 снабжена продольными ребрами 9. Обечайка 6 снабжена штуцером 10 для вывода дымовых газов. Корпус 1 оснащен штуцером 11 для подвода воды и штуцером 12 для ее вывода.

С целью улучшения теплотехнических параметров котла за счет организации противоточного движения обменивающихся теплом потоков в конструкции целесообразно использовать некоторые конструктивные элементы второго из приведенных выше аналогов изобретения. Улучшенная конструкция котла приведена на фиг. 2. Позиции конструкции, совпадающие с фиг.1, обозначены теми же номерами. Дополнительно жаровая труба 2 снабжена обечайкой 13, образующей с ней канал 14 для прохода воды. Обечайка 13 имеет штуцер 12 для вывода воды. Между корпусом котла 1 и дымогарными трубами 5 соосно корпусу 1 установлена дополнительная обечайка 15, образующая с корпусом 1 канал 16 для прохода воды.

Котел, соответствующий фиг.1 работает следующим образом.

Дымовые газы от сжигания топлива с помощью горелки поступают в жаровую трубу 2, соединенную с первой поворотной газовой камерой 3, и далее в дымогарные трубы второго хода 5. Из дымогарных труб 5 газы направляют во вторую газовую камеру 4. Газовая камера 4 в данном случае при наличии только двух ходов по газу, размещенных собственно в корпусе котла 1, является последней по ходу газов. Далее дымовые газы покидают корпус котла 1 через размещенные в зоне газовой камеры 4 отверстия 8 и поступают в канал 7, образованный корпусом котла 1 и вынесенной обечайкой 6, соединенной по торцам с корпусом 1. Выхлопные газы выводят из аппарата через штуцер 10. Поскольку корпус 1 в зоне канала 7 имеет продольные ребра 9, между водой, движущейся в корпусе 1 котла, и дымовым газом, движущимся в канале 7, происходит активный теплообмен. Таким образом, в данном случае канал 7 представляет собой по сути третий ход по газу. Нагреваемая вода поступает в корпус котла через штуцер 11, омывает газовую камеру 3 и покидает корпус 1 через штуцер 12. В данном случае реализован один ход воды в корпусе котла 1. При этом очевиден прямоток теплообменивающихся сред при работе дымогарных труб 5 (т.е. наиболее развитой поверхности), что отрицательно влияет на величину переданного тепла, и противоток при работе жаровой трубы 2 и канала 7. Кроме того, несмотря на явные положительные отличия котла по предлагаемому изобретению от котлов традиционной конструкции, котел описанной конструкции не лишен основного недостатка жаротрубно-дымогарных котлов, а именно вскипания воды на поверхности жаровой трубы 2 и дымогарных труб 5.

Работа котла может быть в значительной мере улучшена за счет конструктивных изменений, представленных на фиг.2 и соответствующих известным техническим решениям (см. , например, второй из приведенных выше аналогов изобретения, а именно решение о выдаче патента на изобретение по заявке 2001118707/06 (019850) "Жаротрубно-дымогарный котел" от 06 декабря 2001 г., дата приоритета - 05 июля 2001 г.).

Котел, соответствующий фиг.2, работает следующим образом. Путь дымовых газов полностью соответствует фиг. 1: жаровая труба 2, поворотная газовая камера 3, дымогарные трубы 5, последняя по ходу газов камера 4, вывод газов через отверстия 8 в канал 7, образованный обечайкой 6 и корпусом котла 1 (в зоне канала 7 корпус котла 1 имеет продольные ребра 9), и выход газов из аппарата через штуцер 10. Вода поступает через штуцер 11, далее омывает газовую камеру 3 и проходит по каналу 16, образованному корпусом котла 1 и обечайкой 15. Через открытый торец обечайки 15 вода поступает в зону работы дымогарных труб 5. Через открытый торец обечайки 13, установленной соосно жаровой трубе 2, вода поступает в канал 14, образованный жаровой трубой 2 и обечайкой 13, и далее через штуцер 12 выводится из аппарата. В этом конструктивном варианте происходит только противоточное движение теплообменивающихся сред. Кроме того, формирование высоких скоростей воды по сравнению с традиционной конструкцией исключает кипение воды на теплообменных поверхностях жаровой трубы 2 и дымогарных труб 5.

Если котлы традиционной конструкции при применении обычных труб для второго хода имеют коэффициент полезного действия на уровне 85-90%, при использовании предлагаемой конструкции коэффициент полезного действия увеличивается до 93% и выше. Размещение только двух ходов газа в корпусе котла значительно снижает его габариты. Следует отметить малую ширину канала между корпусом и вынесенной обечайкой (при проектировании и испытаниях котла мощностью 3 МВт ширина канала принята на уровне 35 мм при высоте ребер - 30 мм и их числе 200-300 при длине аппарата - 4 м), что характеризует значительное снижение веса котла и увеличение интенсивности его работы. Вес аппарата по изобретению уменьшен по сравнению с традиционной конструкцией приблизительно в 2 раза (еще раз следует отметить малую толщину обечаек по причине практического равенства давлений сред по обе стороны обечаек).

Изобретение относится к теплотехнике. Техническим результатом является повышение экономичности и коэффициента полезного действия котла при уменьшенных его габаритах и металлоемкости и упрощение технологии изготовления. Указанный технический результат достигают за счет того, что в жаротрубно-дымогарном котле, включающем корпус, жаровую трубу с горелкой, дымогарные трубы и газовые камеры, вне корпуса с зазором к нему установлена обечайка, соединенная по торцам с корпусом и образующая с ним канал для прохода дымовых газов, корпус в зоне последней по ходу газов камеры снабжен соединяющими газовую камеру с каналом отверстиями, поверхность корпуса в зоне канала выполнена оребренной, а обечайка снабжена штуцером для вывода дымовых газов. 2 ил.

Жаротрубно-дымогарный котел, включающий корпус, жаровую трубу с горелкой, дымогарные трубы и газовые камеры, отличающийся тем, что вне корпуса с зазором к нему установлена обечайка, соединенная по торцам с корпусом и образующая с ним канал для прохода дымовых газов, корпус в зоне последней по ходу газов камеры снабжен соединяющими газовую камеру с каналом отверстиями, поверхность корпуса в зоне канала выполнена оребренной, а обечайка снабжена штуцером для вывода дымовых газов.