ГАЗОТРУБНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2005 года по МПК F22B7/12 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к котлостроению, и может быть использовано в газотрубных (огнетрубных) котлах.

Известен газотрубный (огнетрубный) котел, содержащий скрепленные друг с другом горизонтальную цилиндрическую обечайку и вертикальные переднее и заднее днища, образующие в совокупности внутреннюю полость котла с теплоносителем, цилиндрическую горизонтальную топку (жаровую трубу) и огневую камеру, размещенные во внутренней полости котла, дымник (дымовую коробку) и горизонтальные дымогарные трубы, сообщенные с огневой камерой и дымником (см. в кн. Енин В.И. и др. Судовые котельные установки. М.: Транспорт, 1993, с. - 111-112).

Недостатками известного газотрубного котла являются:

- сложность компоновки жаровой трубы и огневой камеры во внутренней полости котла;

- использование коротких дымогарных труб, сообщенных с огневой камерой, т.е. с длиной менее расстояния между передним и задним днищами, сокращает поверхность конвективного теплообмена и тепловую эффективность котла в целом;

- низкая тепловая эффективность котла вследствие ограниченной возможности снижения температуры газов при проходе газового потока только через один пучок дымогарных труб.

Указанные недостатки ограничивают строительство и использование известных котлов в судовых и стационарных условиях.

Известен газотрубный котел, содержащий скрепленные друг с другом горизонтальную цилиндрическую обечайку и вертикальные переднее и заднее днища, образующие в совокупности внутреннюю полость котла с теплоносителем, цилиндрическую горизонтальную топку (жаровую трубу), переднюю и заднюю огневые камеры, скрепленные своими кожухами соответственно с передним и задним днищами котла на таком уровне, что центр каждого из них расположен на уровне центральной оси топки, два пучка дымогарных труб, скрепленных с передним и задним днищами и образующих в совокупности с огневыми камерами участки газоходов с последовательным прохождением газового потока, и дымник, причем задняя огневая камера сообщена с первым по ходу газового потока пучком дымогарных труб, а сами пучки труб имеют соотношение числа труб в пучке со снижением друг к другу по ходу газов (см. в кн. Хряпченков А.С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. Л.: Судостроение, 1988, с. - 170-172). Этот котел как наиболее близкий выбран в качестве прототипа заявляемого решения по большинству признаков.

Недостатками известного газотрубного котла являются:

- малая величина лучистого (радиационного) теплообмена задней огневой камеры, поскольку она соответствует только площади заднего днища в пределах кожуха огневой камеры;

- неблагоприятные условия для дожигания продуктов неполного горения топлива на выходе из топки, что обусловлено низким расположением кожуха задней огневой камеры (на уровне оси топки котла);

- наличие избыточных термических напряжений в местах стыковки кожуха задней огневой камеры с задним днищем котла, т.е. в зоне высоких температур газового потока;

- недостаточное снижение температуры уходящих газов за котлом при их прохождении по последовательно расположенным по ходу газового потока пучкам дымогарных труб при снижении соотношения числа труб в пучках;

- скопление отложений на нижней образующей дымогарных труб, что снижает эффективность теплообмена в процессе эксплуатации котла.

Таким образом, газотрубный котел-прототип имеет существенные эксплуатационные и конструктивные недостатки, снижающие технико-экономические показатели эксплуатации и увеличивающие затраты на ремонт.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является устранение указанных эксплуатационных и конструктивных недостатков, а именно:

- увеличение площади радиационного теплообмена задней огневой камеры для снижения температуры газов перед конвективной поверхностью теплообмена;

- создание благоприятных условий для дожигания продуктов неполного горения газов на выходе за топкой;

- снятие термических напряжений в области контакта задней огневой камеры с задним днищем котла, как области высоких температур газового потока;

- снижение количества отложений с газовой стороны и в итоге увеличение эффективности теплообмена;

- увеличение поверхности теплообмена последовательно расположенных по ходу газового потока пучков дымогарных труб с одновременным увеличением соотношения числа труб в пучках и в итоге тепловой эффективности котла в целом.

Поставленная задача достигается тем, что в известном газотрубном котле, содержащем скрепленные друг с другом горизонтальную цилиндрическую обечайку и вертикальные переднее и заднее днища, образующие в совокупности внутреннюю полость котла с теплоносителем, цилиндрическую горизонтальную топку (жаровую трубу), переднюю и заднюю огневые камеры, передняя из которых скреплена своим кожухом с передним днищем котла на таком уровне, что центр кожуха расположен на уровне центральной оси топки котла, несколько пучков дымогарных труб, скрепленных с передним и задним днищами и образующих в совокупности с огневыми камерами участки газоходов с последовательным прохождением газового потока, и дымник, причем задняя огневая камера сообщена с первым по ходу газового потока пучком дымогарных труб, в отличие от него в заявляемом задняя огневая камера скреплена своим кожухом с задним днищем котла на таком уровне, что центр кожуха расположен выше центральной оси топки, над задней огневой камерой дополнительно установлена газоперепускная камера, полость которой изнутри по боковому и нижнему ее периметрам ограничена соответственно верхней частью заднего днища котла и верхней частью кожуха задней огневой камеры, дымник расположен со стороны переднего днища котла, газоперепускная камера имеет сообщение посредством пучков дымогарных труб соответственно с передней огневой камерой и дымником, пучки дымогарных труб, расположенных между передней и задней огневыми камерами и между передней огневой камерой и газоперепускной камерой, установлены с наклоном к горизонту, а расположенных между газоперепускной камерой и дымником - горизонтально, причем задняя огневая камера выполнена с двухстенным по исполнению кожухом, между внутренней и внешней стенками которого образована полость, заполненная теплоносителем и сообщенная с внутренней полостью котла посредством сквозных отверстий его заднего днища, а сами пучки дымогарных труб установлены с последовательным увеличением числа труб в каждом из пучков по ходу газового потока.

Заявленная совокупность ограничительных и отличительных признаков улучшает технико-экономические и эксплуатационные характеристики котла.

Увеличение площади радиационной поверхности теплообмена охлаждаемой задней огневой камеры за счет введения в нее двухстенного кожуха позволяет увеличить общую поверхность теплообмена топочного пространства, а также степень экранирования топки, что при прочих равных условиях (постоянстве расходов топлива и воздуха и конвективной поверхности теплообмена) в конечном итоге сопровождается снижением температуры газового потока на выходе из топки (огневой камеры) перед конвективной поверхностью теплообмена дымогарных труб и температуры уходящих газов. В результате увеличиваются тепловая мощность котла и его КПД. При этом снимаются термические напряжения в местах контакта внутреннего кожуха задней огневой камеры с задним днищем котла, поскольку температуры упомянутых кожуха и днища одинаковы и соответствуют температуре теплоносителя во внутренней полости котла. При этом увеличивается надежность и эффективность работы самой радиационной поверхности теплообмена котла, чем достигается дополнительный эффект.

Повышение уровня расположения задней огневой камеры над центральной осью топки способствует дожиганию в камере продуктов неполного горения топлива в виде тяжелых углеводородов и углерода (сажи) и препятствует их седиментационному отложению в нижней части огневой камеры за счет аэродинамического выноса тяжелых фракций потоком факела в верхнюю часть пространства огневой камеры с окислением их кислородом воздуха до тех пор, пока не окислятся продукты неполного сгорания до уровня продуктов полного сгорания топлива. При этом увеличивается полнота выгорания топлива в топке и увеличивается КПД котла.

Установка пучков дымогарных труб между огневыми камерами и между передней огневой и газоперепускной камерами с наклоном по отношению к горизонту позволяет увеличить длину труб в пределах между передним и задним днищами, что позволяет увеличить также путь потока газов со снижением их температуры на промежутке между днищами котла. При этом увеличивается эффективность теплообмена пучка труб.

Установка увеличенного до трех числа последовательных по ходу газового потока пучков дымогарных труб с одновременным увеличением соотношения числа труб в пучках позволяет снизить затраты на получение тепловой энергии в котле за счет более эффективного теплообмена и снижения температуры уходящих газов.

Выполнение наклонной по отношению к горизонту поверхности теплообмена во внутренней полости котла позволяет получить дополнительные преимущества, связанные с возникновением дополнительной продольной циркуляции теплоносителя. В связи с несимметричностью расположения поверхности теплообмена и подвода теплоты к ней по отношению к переднему и заднему днищам котла во внутренней полости котла возникает движение теплоносителя от заднего к переднему днищу вдоль нижней образующей обечайки и движение теплоносителя от переднего к заднему днищу вдоль верхней образующей цилиндрической обечайки, что и обеспечивает кроме традиционной симметричной поперечной циркуляции теплоносителя в котле также существование дополнительной несимметричной продольной циркуляции. Продольная циркуляция теплоносителя в котле препятствует возникновению на наклонной поверхности теплообмена застойных зон теплоносителя с повышенной температурой и тем самым предотвращает местный перегрев металла стенки и появление термических напряжений, что в конечном итоге увеличивает надежность работы конвективной поверхности теплообмена в виде дымогарных труб и приносит дополнительный эффект.

Таким образом достигается улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик котла при появлении ряда дополнительных эффектов.

Заявляемое техническое решение поясняется следующими иллюстрациями. На фиг.1 представлена схема продольного сечения (сечение А-А согласно виду фиг.2), а на фиг.2 - схема поперечного сечения (сечение Б-Б согласно виду фиг.1) газотрубного котла.

Газотрубный котел имеет следующее устройство. Газотрубный котел содержит цилиндрическую обечайку 1, скрепленную с его передним днищем 2 и задним днищем 3. Последние выполнены в виде передней и задней трубных досок с соосными отверстиями большого диаметра 4, сообщенными с цилиндрической топкой 5, с дымогарными трубами 6 и с несоосными 7 и 8 по вертикали отверстиями трубных досок и соосными 9 отверстиями малого диаметра, сообщенными с дымогарными трубами 6. Пространство, ограниченное с внутренней стороны обечайкой 1, днищами 2 и 3, цилиндрической топкой 5 и трубами 6, образует внутреннюю полость котла 10 с теплоносителем. С внешней стороны заднее днище 3 скреплено с внутренней 11 и внешней 12 стенками кожуха задней огневой камеры 13, центр которого находится выше оси топки 5. Пространство между стенками 11 и 12 образуют полость 14, заполненную теплоносителем и сообщенную с полостью 10, посредством двух горизонтальных рядов сквозных отверстий 15 и 16, выполненных в днище 3 соответственно на уровнях выше и ниже оси топки 5. Над внешней стенкой 12 кожуха камеры 13 установлена газоперепускная камера 17, полость которой изнутри по боковому периметру ограничена задним днищем 3, а по нижнему периметру ограничена верхней частью стенки 12. Со стороны днища 2 установлена передняя огневая камера 18, которая скреплена своим кожухом 19 с днищем 2 на таком уровне, что центр кожуха 19 находится на уровне центральной оси топки 5. Дымник 20 размещен со стороны переднего днища, а его полость по боковому периметру ограничена передним днищем 2, а по нижнему периметру ограничена верхней частью кожуха 19. Полости дымника 20 и камеры 18 сообщены между собой посредством газоперепускной заслонки 21 с ручным управлением ее положения ("открыто" - "закрыто"). Газовая полость задней огневой камеры 13 сообщена с передней огневой камерой 18 посредством первого по ходу газового потока пучка 22 дымогарных труб, установленного с наклоном к горизонту и в несоосные отверстия малого диаметра 7. Газовая полость камеры 18 сообщена также с газоперепускной камерой 17 посредством второго по ходу газового потока пучка 23 дымогарных труб, установленного параллельно пучку 22 и в несоосные отверстия малого диаметра 8. Камера 17 сообщена с дымником 20 посредством третьего по ходу газового потока пучка 24 дымогарных труб, установленного горизонтально в соосные отверстия малого диаметра 9. При этом, все пучки дымогарных труб установлены с последовательным увеличением числа труб в каждом из них по ходу газов. Полость дымника 20 посредством дымовой трубы 25 сообщена с атмосферой. Традиционные детали фурнитуры, гарнитуры и арматуры в зависимости от вида топлива и назначения котла на схеме не показаны.

Газотрубный котел работает следующим образом. При сжигании топлива в топке котла 5 высокотемпературные продукты сгорания топлива поступают в заднюю огневую камеру 13 и охлаждаются радиационной поверхностью теплообмена в виде внутренней стенки 11 огневой камеры. Далее газы проходят по наклонным дымогарным трубам 6 первого по ходу газового потока пучка 22 с некоторым охлаждением в этом пучке в переднюю огневую камеру 18. Кожух 19 камеры 18 изолирован (не показано) от теплообмена с окружающей средой котельного помещения (не показано). Из камеры 18 газы далее проходят, дополнительно охлаждаясь, по наклонным дымогарным трубам второго по ходу газового потока пучка 23 в газоперепускную камеру 17. Из камеры 17 газы поступают, окончательно охлаждаясь, по горизонтальным дымогарным трубам третьего по ходу газового потока пучка 24 в дымник 20 и далее при сниженной температуре уходят в атмосферу по дымовой трубе 25.

Использование полностью охлаждаемой задней огневой камеры 13 позволяет увеличить радиационную поверхность теплообмена топочного пространства и снизить температуру газов на входе в пучок 22 дымогарных труб 6, что снижает тепловую нагрузку дымогарных труб. Расположение задней огневой камеры 13 выше уровня оси топки 5 позволяет достичь более полного сгорания продуктов неполного горения топлива за счет их дополнительной циркуляции в огневой камере, что увеличивает полноту выгорания топлива в топке 5. Сообщение полости 14 в пространстве между стенками 11 и 12 огневой камеры 13 с внутренней полостью котла 10 с теплоносителем посредством двух горизонтальных рядов сквозных отверстий 15 и 16 позволяет обеспечить надежное охлаждение нагреваемых стенок камеры.

Использование последовательного прохода газов через три пучка дымогарных труб 22, 23 и 24 позволяет существенно снизить температуру уходящих газов из котла и тем самым увеличить его КПД.

При движении продуктов сгорания вдоль поверхности теплообмена происходит теплообмен со снижением температуры газового потока, а теплота передается во внутреннюю полость 10 котла с теплоносителем с образованием в теплоносителе различных плотностей сред за счет разных температур или паровых пузырей.

При этом, как показано стрелками 26 на фиг.2, нагреваемая у поверхности теплообмена топки 5 и дымогарных труб 6 среда с пониженной плотностью движется вверх внутренней полости симметрично вертикальной оси котла. Теплоноситель с пониженной плотностью движется вначале к боковым необогреваемым стенкам цилиндрической обечайки 1, опускается вниз и далее движется с двух сторон в направлении к вертикальной оси котла. Так образуется естественный контур циркуляции теплоносителя в поперечном направлении относительно продольной оси котла.

За счет различной высоты расположения наклоненных к горизонту дымогарных труб 6 относительно переднего 2 и заднего 3 днищ высота разноплотностных потоков теплоносителя не одинакова. В связи с этим во внутренней полости 10 котла будет существовать естественный контур циркуляции теплоносителя и в продольном направлении относительно продольной оси котла, как это показано стрелками 27 на фиг.1. Теплоноситель в районе боковых полостей, ограниченных пространством между боковыми поверхностями топки 5 и боковыми поверхностями обечайки 1, пучком дымогарных труб 22 и заднего днища 3 будет опускаться вниз, а затем после поворота на 90 градусов станет двигаться в двух противоположных направлениях вдоль продольной оси котла: под топкой к переднему фронту и в полость 14 между кожухами 11 и 12 через отверстия 16, а затем 15.

Организованная таким образом естественная циркуляция теплоносителя во внутренней полости 10 котла исключает образование застойных зон на поверхности теплообмена с местным перегревом стенки и тем самым увеличивает надежность эксплуатации котла.

Использование газоперепускной заслонки 21 с установкой ее в положение "открыто" обеспечивает уверенный запуск котла в работу с холодного состояния при работе котла на твердых видах топлива за счет самотяги дымовой трубы 25 без дымления в помещение котельной. В этом случае аэродинамическое сопротивление дымогарных труб уменьшается за счет отключения пучков труб 23 и 24 от процессов теплообмена и аэродинамического сопротивления, поскольку газы после прохода пучка труб 22 сразу подводятся в дымник 20.

Так обеспечивается улучшение технико-экономических и эксплуатационных характеристик котла, надежность работы котла повышается, увеличивается КПД и снижаются затраты на получение тепловой энергии.

Конкретный пример использования газотрубного котла показывает, что при одинаковых фиксированных значениях параметров (поверхность теплообмена, диаметр труб и степень их загрязнения, массогабаритные характеристики и тепловая мощность, характеристики топлива и его полное сгорание, коэффициент избытка воздуха, капвложения и амортизационные отчисления, стоимости топлива, электрической энергии и воды, затраты на обслуживание, время эксплуатации в течение года) двух сопоставляемых котлов в виде котла-прототипа и предложенного котла, наиболее важные относительные характеристики меняются следующим образом. В газотрубном котле по предложенному решению температуры газов снижаются за топкой на 40 и за котлом на 137°С, КПД котла увеличивается на 4,8%, а приведенные затраты на получение тепловой энергии снижаются на 5,5%. При этом улучшаются технико-экономические и эксплуатационные характеристики и повышается надежность работы газотрубного котла.

Изобретение предназначено для нагрева теплоносителя и может быть использовано в теплоэнергетике. Котел содержит горизонтальные цилиндрические обечайку и топку, переднюю и заднюю огневые камеры, вертикальные переднее и заднее днища, скрепленные с ними пучки дымогарных труб и дымник, расположенный со стороны переднего днища. Передняя огневая камера скреплена своим кожухом с передним днищем котла на таком уровне, что центр кожуха расположен на уровне центральной оси топки котла. Задняя огневая камера скреплена своим кожухом с задним днищем котла на таком уровне, что центр кожуха расположен выше центральной оси топки и сообщена с первым по ходу газового потока пучком дымогарных труб. Над задней огневой камерой установлена газоперепускная камера, сообщенная посредством пучков дымогарных труб соответственно с передней огневой камерой и дымником. Пучки дымогарных труб, расположенные между передней и задней огневыми камерами и между передней огневой камерой и газоперепускной камерой, установлены с наклоном к горизонту, а пучки, расположенные между газоперепускной камерой и дымником, установлены горизонтально. Причем задняя огневая камера выполнена с двухстенным кожухом, между внутренней и внешней стенками которого образована полость, заполненная теплоносителем и сообщенная с внутренней полостью котла посредством сквозных отверстий его заднего днища. Пучки дымогарных труб установлены с последовательным увеличением числа труб в каждом из пучков по ходу газового потока. Изобретение обеспечивает улучшение технико-экономических и эксплуатационных качеств и надежности котла. 2 ил.

Газотрубный котел, содержащий скрепленные друг с другом горизонтальную цилиндрическую обечайку и вертикальные переднее и заднее днища, образующие в совокупности внутреннюю полость котла с теплоносителем, цилиндрическую горизонтальную топку, переднюю и заднюю огневые камеры, передняя из которых скреплена своим кожухом с передним днищем котла на таком уровне, что центр кожуха расположен на уровне центральной оси топки котла, несколько пучков дымогарных труб, скрепленных с передним и задним днищами и образующих в совокупности с огневыми камерами участки газоходов с последовательным прохождением газового потока, и дымник, причем задняя огневая камера сообщена с первым по ходу газового потока пучком дымогарных труб, отличающийся тем, что задняя огневая камера скреплена своим кожухом с задним днищем котла на таком уровне, что центр кожуха расположен выше центральной оси топки, над задней огневой камерой дополнительно установлена газоперепускная камера, полость которой изнутри по боковому и нижнему ее периметрам ограничена соответственно верхней частью заднего днища котла и верхней частью кожуха задней огневой камеры, дымник расположен со стороны переднего днища котла, газоперепускная камера имеет сообщение посредством пучков дымогарных труб соответственно с передней огневой камерой и дымником, пучки дымогарных труб, расположенных между передней и задней огневыми камерами и между передней огневой камерой и газоперепускной камерой, установлены с наклоном к горизонту, а расположенных между газоперепускной камерой и дымником - горизонтально, причем задняя огневая камера выполнена с двухстенным по исполнению кожухом, между внутренней и внешней стенками которого образована полость, заполненная теплоносителем и сообщенная с внутренней полостью котла посредством сквозных отверстий его заднего днища, а сами пучки дымогарных труб установлены с последовательным увеличением числа труб в каждом из пучков по ходу газового потока.