КОТЕЛ ВОДОГРЕЙНЫЙ Российский патент 2004 года по МПК F24H1/12 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение при проектировании водотрубных котлов.

Известен отопительный котел (по патенту № 2059940, МПК 6 F 24 Н 1/00 от 18.05.1993, опубл. 10.05.1996), содержащий конвективный пучок из труб и топочную камеру с передним, задним, боковыми и двухъярусным потолочным экранами, нижний ярус которого переходит в задний экран, а верхний ярус образует две симметричные секции из труб, переходящие в боковые экраны. Все экраны объединены коллекторами и вода подается в нижний коллектор конвективного пучка, а отводится потребителю через коллектора в центральной части нижнего яруса потолочного экрана.

Такой котел характеризуется сложной конструкцией, большим количеством труб и перемычек, т.е. имеет большую металлоемкость, а также обладает низкой эффективностью из-за недостаточной циркуляции дымовых газов, не обеспечивающей подогрев воды в конвективном пучке труб. Данная конструкция котла имеет небольшой КПД.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому котлу является котел водогрейный (по патенту № 2119131, МПК F 24 Н 1/12, F 22 В 21/34 от 25.09.1996, опубл. 20.09.1998), содержащий выполненные из труб топочную и конвективную части, последняя из которых выполнена в виде пакета из труб с нижними раздающими и верхними собирающими коллекторами, первые из которых подключены к общему подводящему, а вторые - к общему отводящему коллекторам. В конвективной части в нижних раздающих и верхних собирающих коллекторах установлены заглушки, в местах установки которых размещены разделительные перегородки из жаропрочного материала, предназначенные для изменения направления движения дымовых газов, поступающих из топочной части. Топочная часть имеет потолочный экран, который переходит в потолочный экран конвективной части, а также изогнутый и боковые экраны, подключенные к общему отводящему коллектору.

Недостатком данного устройства является громоздкость всей конструкции котла, т.к. топочная и конвективная части представляют собой единое целое, что создает трудности при монтаже и эксплуатации котла. Перегородки конвективной части крепятся вертикально при помощи заглушек. Это значительно усложняет технологию изготовления конвективной части, т.к. заглушки должны устанавливаться в верхние собирающие и нижние раздающие коллектора конвективной части. Перегородки имеют вертикальный просвет, что предусматривает продвижение дымовых газов из топочной части в конвективную часть в вертикальной плоскости, т.е. огибая перегородки сверху вниз. Такая установка перегородок в конвективной части предусматривает продвижение дымовых газов от топочной части сверху вниз через перегородки между пакетами труб и забивает продуктами шламообразований нижние просветы перегородок между пакетами труб, а прохождение дымовых газов под нижними раздающими коллекторами снижает температуру дымовых газов, что уменьшает эффективность подогрева воды в конвективной части. При этом присутствует неравномерность нагрева боковых, верхней и нижней стенок котла. Для поступления подогретой воды из конвективной части в топочную часть сверху вниз требуются дополнительные устройства, которые должны обладать повышенной мощностью для создания определенного давления горячей воды, необходимого для принудительного движения воды в таком направлении. При этом часто происходит "опрокидывание" горячей воды и скопление воздуха в трубах. Конструкция топочной части имеет небольшую теплоотдачу и низкий удельный съем тепла с единицы поверхности экранов.

В основу изобретения положена задача создания конструкции водогрейного котла, обладающего высокой эффективностью за счет интенсификации теплообмена, улучшения циркуляции воды и дымовых газов, а также надежности и удобства при монтаже, ремонте и эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что котел водогрейный содержит выполненную из труб топочную часть, содержащую боковые, потолочный и изогнутый экраны, общий отводящий коллектор, расположенный вверху топочной части, и общий отводящий коллектор, расположенный внизу топочной часть, и конвективную часть, образованную в виде пакетов из труб, разделенных перегородками из жаропрочного материала, с нижними раздающими и верхними собирающими коллекторами, первые из которых подключены к общему подводящему, а вторые - к общему отводящему коллектору, расположенному внизу топочной части, причем трубы изогнутого экрана выполнены взаимно перпендикулярными и образуют потолочный экран, переходящий в задний. Топочная часть содержит дополнительный экран из гнутых труб, подключенный сверху через сборный коллектор, являющийся его осью симметрии, к общему отводящему коллектору, расположенному вверху топочной части на расстоянии 20 см от верхней части гнутых труб, а внизу - к общему отводящему коллектору, расположенному внизу топочной части котла. Боковые экраны топочной части выполнены из 1-2 рядов вертикальных труб и расположены в шахматном порядке по отношению к трубам дополнительного экрана. Топочная и конвективная части соединяются между собой при помощи отвода, который подключен к одному из верхних собирающих коллекторов конвективной части и к общему отводящему коллектору, расположенному внизу топочной части, причем конвективная часть имеет угол наклона относительно горизонтали до 15 градусов, а разделительные перегородки из жаропрочного материала установлены с возможностью перемещения дымовых газов в горизонтальной плоскости.

Благодаря выполнению данной конструкции котла улучшается циркуляция воды в топочной и конвективной части. Подача воды снизу вверх уменьшает сопротивление движению воды по трубам, исключает возникновение воздушных включений. Конвективная и топочная части соединены между собой при помощи отвода, соединяющего один из верхних собирающих коллекторов конвективной части с общим отводящим коллектором, расположенным внизу топочной части. Разделяя конвективную и топочную части и соединяя их при помощи одного элемента, делает конструкцию котла более удобной при монтаже, ремонте и эксплуатации, позволяет пространственно расположить пакеты труб конвективной части по-разному, как удобно, и варьировать различным их количеством в зависимости от необходимой мощности котла или требуемого КПД. Разделительные перегородки их жаропрочного материала в конвективной части установлены таким образом, что создают перемещение дымовых газов в горизонтальной плоскости от одной боковой стенке котла к другой и, остывая, опускаются сверху вниз, собираясь в дымоходе внизу на выходе конвективной части, что позволяет увеличить теплоотдачу от дымовых газов пакетам труб. При этом происходит передача тепла от пакета к пакету, что повышает эффективность предварительного подогрева воды в конвективной части при отсутствии выброса шламообразований в атмосферу, которые беспрепятственно оседают внизу конвективной части. Пакеты труб конвективной части могут быть выполнены с наклоном к горизонтали до 15 градусов, что практически исключает возникновение воздушных включений в трубах.

Введение в топочную часть дополнительного экрана из гнутых труб и выполнение изогнутого экрана в виде взаимно перпендикулярных труб, образующих потолочный экран и переходящих в задний экран, подключенных соответственно к общим отводящим коллекторам, расположенным вверху и внизу топочной части, позволяет увеличить поверхность нагрева, а значит повысить удельный съем тепла с единицы нагреваемой поверхности, не увеличивая размеры котла. Интенсификации теплообмена способствует расположение труб боковых экранов и дополнительного экрана из гнутых труб в шахматном порядке. Эти экраны выполнены с равными диаметрами труб и расстояниями между ними, что способствует равномерному нагреву воды в трубах, обеспечивает заданную скорость протекания горячей воды. Для улучшения теплоотдачи и исключения перегрева экранов верхняя часть гнутых труб дополнительного экрана расположена на расстоянии 20 см от поверхности общего отводящего коллектора, подключенного через сборный коллектор, который является их осью симметрии.

Данная конструкция котла позволяет увеличить удельный съем тепла с единицы площади, снижает перегрев экранов, способствует равномерному нагреву воды, улучшает ее циркуляцию, снижая сопротивление движению воды, а также повышает эффективность предварительного подогрева воды, что интенсифицирует процессы теплообмена, при этом способствует охране окружающей среды, так как нет выбросов продуктов шламообразований. Конструкция водогрейного котла простая, небольших размеров, обладает высоким КПД при малом расходе топлива. Данное решение обладает высокой эффективностью, надежностью и удобством при монтаже и эксплуатации.

На фиг.1 изображен котел, вид сбоку; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - то же, вид спереди.

Котел содержит топочную 1 и конвективную 2 части (фиг.1). Экранированная топочная часть состоит из двух боковых экранов 3 (фиг.3), выполненных в виде 2-рядного пакета труб, потолочного экрана 4 (фиг.1), выполненного в виде пакетов из горизонтальных труб, которые, изгибаясь под прямым углом, переходят в вертикальные трубы заднего экрана 5 (фиг.1). Пакеты труб дополнительного экрана выполнены из гнутых труб 6 (фиг.3) симметрично сборному коллектору 7 (фиг.1, 3), при помощи которого подключены верхней частью к общему отводящему коллектору 8 (фиг.1), расположенному вверху топочной части, а внизу подсоединены к общему отводящему коллектору 9, расположенному внизу топочной части.

Конвективная часть котла также образована в виде пакетов труб 10 (фиг.1, 2), соединенных с нижними раздающими коллекторами 11 и верхними собирающими коллекторами 12 (фиг.1). Нижние раздающие коллектора 11 подключены к общему подводящему коллектору 13 (фиг.1), а верхние собирающие коллектора 12 - к общему отводящему коллектору 9 (фиг.1), расположенному внизу топочной части. Пакеты труб 10 разделены между собой перегородками из жаропрочного материала 14 (фиг.1, 2), предназначенными для направления движения дымовых газов, поступающих из топочной части в горизонтальной плоскости. Топочная и конвективная части соединены при помощи отвода 15 (фиг.1, 2) и подключение происходит от одного верхнего собирающего коллектора 12 конвективной части к общему отводящему коллектору 9, расположенному внизу топочной части и раздающему воду по экранам топочной части.

Котел работает следующим образом. Вода, предназначенная для нагрева, поступает из отопительной системы по патрубку в нижний общий подводящий коллектор 13 и равномерно распределяется по нижним раздающим коллекторам 11, а затем по вертикальным и горизонтальным трубам пакетов конвективной части, собирается в верхних собирающих коллекторах 12. Один из верхних собирающих коллекторов соединен через отвод 15 с общим отводящим коллектором 9, расположенным внизу топочной части и раздающим воду по экранам топочной части. Подогретая вода из конвективной части в топочную часть поступает снизу и распределяется аналогично распределению воды в конвективной части снизу вверх.

Вода из общего отводящего коллектора 9, расположенного внизу топочной части, поступает в трубы заднего 5, а затем потолочного экранов 4, а также в вертикальные трубы двухрядного бокового экрана 3 и гнутые трубы дополнительного экрана 6. Вода из труб дополнительного экрана 6 собирается в сборном коллекторе 7, из которого поступает в общий отводящий коллектор 8, расположенный вверху топочной части, куда поступает также вода из заднего 5 и потолочного 4 экранов, а также из боковых экранов 3. Вода из общего отводящего коллектора 8, расположенного вверху топочной части, через патрубок отводится потребителю.

При этом отходящие дымовые газы движутся из топочной части в конвективную и распределяются между пакетами труб 10 в горизонтальной плоскости, играющими одновременно роль газоотходов, и попадают в дымоходы вытяжной трубы, находящейся внизу конвективной части. Перегородки имеют одинаковую высоту, равную высоте котла, при этом ограничены по горизонтали, что обеспечивает продвижение дымовых газов от одной боковой стенке к другой, т.е. по горизонтали. При этом дымовые газы, остывая, опускаются сверху вниз, попадая в вытяжную трубу, находящуюся внизу конвективной части котла. При таком движении дымовых газов в конвективной части обеспечивается равномерный нагрев боковых стенок и верхней ее части, при этом, постепенно остывая, дымовые газы опускаются вниз, отдавая наибольшую часть тепла пакетам труб конвективной части, что улучшает теплоотдачу. Дымовые газы не опускаются ниже раздающих коллекторов конвективной части, как у прототипа, и не снижается при этом их температура, что возможно при движении дымовых газов в вертикальной плоскости, т.е. сверху вниз. При этом температура воды, поступившей к экранам топочной части, оказывается выше температуры воды, находящейся в обратной системе отопления, за счет отводящих газов и подогрева в конвективной части. Это увеличивает эффективность подогрева воды в конвективной части, повышается надежность работы котла. При этом не происходит выброс в атмосферу продуктов от сгорания топлива. Они оседают внизу конвективной части и при их накоплении в отличие от прототипа при распределении дымовых газов в горизонтальной плоскости движение их сохраняется всегда, происходит интенсивная теплоотдача тепла трубам конвективной части. У прототипа при вертикальном расположении перегородок происходит постепенное сужение просветов при накоплении продуктов шламообразования, что затрудняет прохождение дымовых газов, снижает равномерность нагрева труб конвективной части и температуру их нагрева. Пакеты труб конвективной части данной конструкции котла могут быть наклонены под углом до 15 градусов к горизонтали, что исключает возникновение воздушных включений. Котел может работать с конвективной частью, так и без нее. В зависимости от конкретных условий и задач конвективная часть может иметь различное количество пакетов труб, что позволяет менять параметры котла в целом. Введение дополнительного экрана из гнутых труб позволяет повысить съем тепла с единицы поверхности, не изменяя размеров котла, а расположение труб бокового и дополнительного экранов в шахматном порядке при равных диаметрах труб и расстояний между ними позволяет улучшить теплоотдачу, способствует равномерному нагреву воды в трубах. Трубы боковых, дополнительного, потолочного и заднего экранов, а также вертикальных труб конвективной части имеют равные диаметры, что позволяет упростить процесс изготовления котла. Расположение и выполнение всех экранов, а особенно потолочного и заднего, в виде целого и загнутого под углом 90 градусов, дополнительного экрана в виде гнутых труб симметрично сборному коллектору, верхняя часть которых расположена на расстоянии 20 см от поверхности общего отводящего экрана, повышает равномерность нагрева воды, способствует интенсификации процесса теплообмена.

Конструктивное решение топочной и конвективной части котла позволяет значительно увеличить производительность котла по сравнению с прототипом при минимальном расходе топлива и выбросе в атмосферу продуктов шламообразований, иметь небольшие габариты, а также обладать высокой надежностью и эффективностью, удобством при изготовлении, монтаже и эксплуатации.

Котел может работать как на твердом, так и на газовом топливе. Котлы такой модификации успешно работают уже в течение 2 лет.

Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано в теплоэнергетике. Котел содержит выполненную из труб топочную часть, содержащую боковые, потолочный и изогнутый экраны, общий отводящий коллектор, расположенный вверху топочной части, и общий отводящий коллектор, расположенный внизу топочной части, и конвективную часть, образованную в виде пакетов из труб, разделенных перегородками из жаропрочного материала, с нижними раздающими и верхними собирающими коллекторами, первые из которых подключены к общему подводящему, а вторые - к общему отводящему коллектору, расположенному внизу топочной части. Трубы изогнутого экрана выполнены взаимно перпендикулярными и образуют потолочный экран, переходящий в задний. В топочную часть введен дополнительный экран из гнутых труб, подключенный вверху через сборный коллектор, являющийся его осью симметрии, к общему отводящему коллектору, расположенному вверху топочной части, а внизу - к общему отводящему коллектору, расположенному внизу топочной части, к которому также подключен один из верхних собирающих коллекторов конвективной части. Изобретение позволяет повысить эффективность за счет интенсификации теплообмена, улучшить циркуляцию воды и дымовых газов, а также надежность и удобство при монтаже, ремонте и эксплуатации. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Котел водогрейный, содержащий выполненную из труб топочную часть, содержащую боковые, потолочный и изогнутый экраны, общий отводящий коллектор, расположенный вверху топочной части, и общий отводящий коллектор, расположенный внизу топочной части, и конвективную часть, образованную в виде пакетов из труб, разделенных перегородками из жаропрочного материала, с нижними раздающими и верхними собирающими коллекторами, первые из которых подключены к общему подводящему, а вторые - к общему отводящему коллектору, расположенному внизу топочной части, отличающийся тем, что трубы изогнутого экрана выполнены взаимно перпендикулярными и образуют упомянутый потолочный экран, переходящий в задний, в топочную часть введен дополнительный экран из гнутых труб, подключенный вверху через сборный коллектор, являющийся его осью симметрии, к общему отводящему коллектору, расположенному вверху топочной части, а внизу - к общему отводящему коллектору, расположенному внизу топочной части, к которому также подключен один из верхних собирающих коллекторов конвективной части, где разделительные перегородки из жаропрочного материала установлены с возможностью перемещения дымовых газов от топочной части в горизонтальной плоскости.2. Котел по п.1, отличающийся тем, что расстояние между верхней частью гнутых труб дополнительного экрана и общим отводящим коллектором, расположенным вверху топочной части, составляет 20 см.3. Котел по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что боковые экраны выполнены из 1-2 рядов вертикальных труб, расположены в шахматном порядке по отношению к трубам дополнительного экрана при равных диаметрах и расстояниях между ними.4. Котел по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что пакеты труб конвективной части выполнены с наклоном к горизонтали до 15°.