КОТЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ КОТЛОМ И КОНТАКТНЫМ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЕМ. ВОДОТРУБНЫЙ, ПРОТИВОТОЧНЫЙ, ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ КОТЕЛ С КОНВЕКТИВНЫМ ПУЧКОМ. КОЛЬЦЕВОЙ, СЕКЦИОННЫЙ, ОРЕБРЕННЫЙ КОЛЛЕКТОР Российский патент 2005 года по МПК F22B5/02 F28F9/02 

Изобретения относятся к области теплоэнергетики, в частности к разборной котельной установке с многофункциональным разборным цилиндрическим газомазутным котлом.

Наиболее близким аналогом изобретения, характеризующим первый объект изобретения, является техническое решение по патенту RU 2194213, F 22 В 5/02, F 28 F 9/02, 10.12.2002, содержащее цилиндрический котел с внутренней цилиндрической экранированной топочной камерой, расположенной по центру котла, горелочное устройство, воздухоподогреватель, регулируемые контуры нагрева теплоносителя и топлив, дутьевой вентилятор, один и более рядов теплообменных труб, кольцевой цилиндрический секционный обогреваемый коллектор и экономайзер, при этом котельная установка может располагаться в пространстве наклонно, горизонтально, вертикально,

Наиболее близким аналогом изобретения, характеризующим второй объект изобретения является техническое решение по патенту RU 2194213, F 22 В 5/02, F 28 F 9/02, 10.12.2002, содержащее цилиндрический котел с внутренней цилиндрической, экранированной, топочной камерой, расположенной по центру котла, горелочное устройство, воздухоподогреватель, фронтальный секционный кольцевой обогреваемый коллектор, дутьевой вентилятор, контур нагрева теплоносителя, продольные теплообменные трубы, расположенные в топочной камере и конвективной части котла, при этом газоплотность топочной камеры обеспечивается либо теплообменными мембранами, соединяющими теплообменные трубы, либо теплообменной цилиндрической поверхностью, причем котельная установка может располагаться в пространстве наклонно, горизонтально, вертикально.

Наиболее близким аналогом изобретения, характеризующим третий объект изобретения, является техническое решение по патенту RU 2194213, F 22 В 5/02, F 28 F 9/02, 10.12.2002, содержащее секции, которые образованы перегородками, как глухими, так и перфорированными, одну и более фронтальных крышек и одну и более трубных досок, на которых закрепляются теплообменные трубы котла.

Недостатком упомянутых выше технических решений является низкий КПД.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД брутто котла на три процента, расширение его функциональных возможностей (водогрейный, пароводогрейный и паровой режимы работы котла), повышение технологичности изготовления котла и снижение металлоемкости котла по отношению к единице отпускаемой тепловой энергии.

Поставленная цель достигается тем, что по первому варианту выполнения цилиндрическая водотрубная пароводогрейная котельная установка содержит цилиндрический котел с внутренней цилиндрической экранированной топочной камерой, расположенной по центру котла, горелочное устройство, воздухоподогреватель, регулируемые контуры нагрева теплоносителя и топлив, дутьевой вентилятор, один и более рядов теплообменных труб, кольцевой цилиндрический секционный обогреваемый коллектор и экономайзер, при этом котельная установка может располагаться в пространстве наклонно, горизонтально, вертикально. Котельная установка разборная и может дополнительно содержать горелочные устройства, котел имеет один ход газов, теплообменные трубы съемные, экономайзер выполнен контактным, причем оребренные теплообменные трубы выполнены П-образными или змеевиковыми и образуют в конце топочной камеры радиационно-конвективный пучок и их концы расположены на концентрических окружностях цилиндрического коллектора, который имеет опоры, при этом коллектор имеет один и более патрубков входа и выхода теплоносителя, а один и более рядов теплообменных труб соединены с разными секциями коллектора.

Теплообменные трубы котла могут быть съемными с разборного коллектора.

Котельная установка дополнительно может быть снабжена рекуперативным радиационно-конвективным экономайзером.

Котельная установка может быть изготовлена из цветных металлов и их сплавов.

Котельная установка может быть защищена слоем антикоррозионного материала.

Котельная установка может быть изготовлена из антикоррозионного материала.

Котельная установка может быть дополнительно снабжена дымососом.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что по второму варианту выполнения цилиндрическая водотрубная пароводогрейная котельная установка содержит цилиндрический котел с внутренней цилиндрической, экранированной, топочной камерой, расположенной по центру котла, горелочное устройство, воздухоподогреватель, фронтальный секционный кольцевой обогреваемый коллектор, дутьевой вентилятор, контур нагрева теплоносителя, продольные теплообменные трубы, расположенные в топочной камере и конвективной части котла, при этом газоплотность топочной камеры обеспечивается либо теплообменными мембранами, соединяющими теплообменные трубы, либо теплообменной цилиндрической поверхностью, причем котельная установка может располагаться в пространстве наклонно, горизонтально, вертикально. Топочная камера одноходовая по движению продуктов сгорания, теплообменные трубы собраны в конце топочной камеры в пакеты радиационно-конвективного пучка труб, а теплообменные мембраны, как и теплообменная цилиндрическая поверхность, герметизирующая топочную камеру и конвективную часть котла, доходят до фронтального коллектора, при этом концы теплообменных труб соединены с разными секциями коллектора и соединены на внешнем кольце коллектора, на коллекторе имеются также выходные патрубки для отбора теплоносителя, из которых одновременно можно отбирать теплоноситель нескольких параметров - нагретую воду для отопления и горячего водоснабжения, насыщенный и перегретый пар для термической деаэрации теплоносителя и на собственные и технологические нужды производства, кроме того, котельная установка противоточна относительно температурного напора топочной камеры, имеет одно и более опорных устройств, а задний торец топочной камеры служит частью поверхности нагрева воздухоподогревателя совместно с патрубком выхода продуктов сгорания, котел и его теплообменные трубы выполнены с последовательным нагревом теплоносителя и скоростью его движения в теплообменных трубах 2,15 м/сек и, кроме того, котельная установка может дополнительно содержать горелочные устройства и может работать как под наддувом, так и с уравновешенной тягой.

Котельная установка может быть снабжена рекуперативным экономайзером.

Теплообменные трубы котла могут иметь оребрение, а также могут быть ошипованы, выполнены как плавниковые, типа змейки, петлевые, змеевиковые.

Котельная установка может иметь фронтальный трубный экран с одним и более рядов теплообменных труб, соединенных с внешним кольцом коллектора.

Котельная установка может быть изготовлена из цветных металлов или их сплавов.

Котельная установка может быть дополнительно снабжена дымососом.

Котельная установка может быть защищена слоем антикоррозионного материала.

Котельная установка может быть изготовлена из антикоррозионного материала.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что многоходовой по теплоносителю обогреваемый кольцевой коллектор котла имеет секции, которые образованы перегородками, как глухими, так и перфорированными, одну и более фронтальных крышек и одну и более трубных досок, на которых закрепляются теплообменные трубы котла. При этом коллектор имеет оребрение, часть перегородок выполнена плоскими, а часть перегородок выполнена как кольцо или часть кольца, концы теплообменных труб соединены с разными секциями и с внешним кольцом коллектора. Секции имеют выходные патрубки для отбора теплоносителя и обеспечивают нагрев теплоносителя, его циркуляцию, распределение теплоносителя по поверхностям нагрева котла и направление теплоносителя в паровой контур. Внешняя оребренная фронтальная сторона коллектора является частью поверхности нагрева воздухоподогревателя, на коллекторе закрепляется одно и более горелочных устройств, а в пространстве коллектор может располагаться наклонно, горизонтально, вертикально и может быть изготовлен разборным.

Перегородки могут быть выполнены с выпуском и являются теплообменными элементами коллектора.

Кольцевой коллектор может быть изготовлен из цветных металлов или их сплавов.

Кольцевой коллектор может быть защищен слоем антикоррозионного материала.

Кольцевой коллектор может быть изготовлен из антикоррозионного материала.

Конвективно-радиационный пучок служит продолжением экранных продольных труб топочной камеры котла и соединяет экранные боковые трубы, которые расположены на концентрических окружностях фронтального коллектора. Теплообменная труба котла имеет два конца, через один конец теплоноситель входит в трубу, а через другой выходит из нее. Оба конца теплообменной трубы соединяются с секционным коллектором, но с разными его секциями с целью обеспечения циркуляции теплоносителя через теплообменную трубу. Труба изготавливается путем одного или более гибов трубы, при этом два конца единой теплообменной трубы (она может быть и составной) замкнуты на коллекторе, а часть трубы, расположенная напротив кольцевого коллектора и горелочных устройств, в конце топочной камеры (радиационно-конвективном пучке) проходит через центр цилиндрического газохода (частный случай). Причем теплообменная труба может быть изготовлена, как петлевая труба с одним и более эллипсов (в этом варианте гибов трубы два и более) типа “змейка”, оребренная, плавниковая, змеевиковая, ошипованная, соединенная металлическими мембранами, состоящая из различных металлов, сплавов и материалов (например, стекло).

В котле возможно устанавливать замкнутые, прямые, однорядные теплообменные трубы с двумя гибами - типа П на одной концентрической окружности цилиндрического коллектора. Однорядные теплообменные трубы, установленные на кольцевом фронтальном коллекторе, приведут к малой радиационной и конвективной поверхностям нагрева котла в данных габаритах, а также к слишком высокой скорости движения теплоносителя в них относительно многорядных рядов труб, установленных на фронтальном разборном коллекторе, и, как следствие, низкому гидравлическому сопротивлению котла, отсутствию противотока теплоносителя в котле и низкому КПД брутто котла.

При двухрядном шахматном расположении прямых теплообменных продольных экранных труб в топочной камере котла с двумя гибами - типа П в котле будет присутствовать противоток и удвоится радиационная поверхность нагрева котла. Теплообмен в газоходах, отнесенный к 1 кв.м. площади поверхности нагрева, в 10-12 раз менее эффективен, чем в топке. Поэтому общая площадь конвективной поверхности котла в несколько раз больше радиационной, так как на внутренних теплообменных П-образных трубах в топочной камере котла температурный напор между греющей и нагреваемой средами будет выше температурного напора между греющей и нагреваемой средами П-образных труб внешнего ряда, так как они более удалены от факела горелочных устройств, а отсюда при противотоке возрастает радиационная поверхность нагрева и эффективность котла, а его КПД брутто с воздухоподогревателем и контурами составит порядка 94-97% (по прямому балансу). Радиационно-конвективная часть котла, расположенная в конце топочной камеры, удвоится, что приведет к еще большему торможению движущегося потока продуктов сгорания в конце топочной камеры и тем самым увеличит в конце топки статическое давление продуктов сгорания на участки теплообменных труб, соединяющих или составляющих продольные экранные трубы, что интенсифицирует теплопередачу к радиационно-конвективному пучку теплообменных труб и увеличит их теплосъем. При этом теплообменные участки труб пучка, равномерно расположенные по окружности одна за другой (при горизонтальном расположении котла) или одна над другой (при вертикальном расположении котла) очень эффективно омываются продуктами сгорания. Причем стоит также учитывать, что при вертикальном расположении котла горелочное устройство для сжигания жидкого и газообразного топлива может располагаться как внизу, так и вверху (в зависимости от расположения кольцевого секционного коллектора), а теплообменная труба (часть продольных труб), расположенная в конце топочной камеры в вертикальной плоскости, находится под углом относительно предшествующей и последующей частей теплообменной трубы, образуя “условно” экономайзерную радиационно-конвективную часть котла, расположенного горизонтально, которая в принципе является больше радиационной, чем конвективной поверхностью нагрева котлоагрегата.

Теплообменные трубы, установленные в топочной камере цилиндрического котла, имеют П-образную геометрическую конфигурацию, то есть у горелочного устройства два конца одной теплообменной трубы соединяются с цилиндрическим коллектором, а в конце топочной камеры эти противоположно установленные параллельные продольные экранные трубы соединены между собой по диаметру топочной камеры. Таким образом, теплообменные трубы котла могут быть прямые типа “змейки”, петлевые, трехпетлевые теплообменные П-образные трубы, полученные путем многократного гиба одной цельной трубы, змеевиковые как по периферии топочной камеры, так и в ее конце.

Разборный коллектор со съемной крышкой выполнен для осмотра концов теплообменных труб, закрепленных на трубной решетке коллектора, а также для их очистки, ремонта или замены.

Крепление и соединение теплообменных труб с секционным коллектором котла может быть выполнено различными способами: методом контактной сварки концов труб, шайбы и стакана, резьбовых шайб и теплообменных резьбовых труб на концах с трубной решеткой кольцевого коллектора, развальцовкой концов теплообменных труб в трубной решетке кольцевого коллектора, резьбовым соединением теплообменной трубы с затяжкой гайками с шайбами внутри и снаружи коллектора, склеивания труб со стаканом или заливкой зазора между стаканом и трубой расплавленным металлом - свинцом, эпоксидными смолами, эмалями, обычной сваркой трубы с коллектором и при помощи штуцера с двойной резьбой.

Теплообменные участки труб, расположенные в конце топочной камеры (условно-конвективный пучок), которые перпендикулярны продольным экранным трубам и потоку продуктов сгорания, могут составлять единое целое с продольными трубами экранов. Геометрическую П-образную конфигурацию теплообменных труб котлоагрегата можно получить путем гиба единой трубы, при этом гибов может быть один и более.

Причем радиационно-конвективный пучок (участки труб) может соединяться несколькими способами с экранными продольными трубами различных типов, например путем резьбового соединения через резьбовые угольники при наличии резьбы на концах экранных продольных и условно конвективных теплообменных участков труб топочной камеры котла. Радиационно-конвективный пучок может состоять из гнутых (участки труб), из оребренных, эллипсных, змеевиковых, плавниковых, ошипованных, с гнутыми отводами (участками), петлевых и т.п. труб.

Съемных крышек и трубных досок у кольцевого коллектора может быть одна и более. Кольцевой технологический контур, расположенный в коллекторе, также имеет кольцевое или иное оребрение, а перегородки коллектора, выполненные со стороны топочной камеры, имеют выпуск (увеличены), т.к. они являются теплообменными элементами котла. Все это приводит к увеличению теплопередачи к циркулирующему в коллекторе теплоносителю и нагреваемому воздуху, движущемуся снаружи коллектора, т.к. выпуск перегородок выполнен и снаружи коллектора.

Следует учитывать, что каждые последующие прямые участки гладких экранных продольных теплообменных труб топочной камеры котла после первой установленной теплообменной трубы в топочной камере котла будут длиннее предыдущих труб на диаметр трубы с учетом зазора между ними (2-3 мм), кроме случая установки в топке котла петлевых труб, которые имеют в конце топочной камеры петли в виде вытянутого эллипса или другие типы труб, например оребренные, плавниковые, ошипованные.

Пример: П-образная прямая теплообменная труба ⊘ 28 мм, полученная за счет двух гибов, будет длиннее предыдущей, ранее установленной теплообменной трубы на 28 мм+4 мм=32 мм при условии, что теплообменные трубы имеют диаметр ⊘ 28 мм, а зазоры при установке труб в заднем торце топочной камеры примерно равны 2 мм между предшествующей и каждой последующей радиационно-конвективной трубой, расположенной в конце топочной камеры. Имеется в виду участок П-образной трубы в конце топочной камеры, который перпендикулярен движению продуктов сгорания.

Цилиндрические водотрубные котельные установки с П-образными теплообменными трубами конструктивно могут быть выполнены как чисто теплофикационные - водогрейные, пароводогрейные с технологическим контуром нагрева теплоносителя (паровым контуром) для качественной термической деаэрации воды и потребления пара для собственных нужд и контурами нагрева топлив (газообразного и жидкого); так и как прямоточные паровые котельные установки с выработкой насыщенного или перегретого пара, в этом случае паровые цилиндрические прямоточные котельные установки отличаются тем, что имеют несколько кольцевых, частично-кольцевых, прямых перегородок, делящих цилиндрический коллектор на отдельные секции (камеры) с входом и выходом теплоносителя из них, при этом одна и более П-образных труб котла могут быть запараллелены и собраны в пакеты по ходу движения теплоносителя с целью увеличения числа кратности циркуляции теплоносителя в котле.

Продольные экраны и пучок радиационно-конвективных теплообменных труб при двухрядном шахматном расположении теплообменных экранных труб на двух концентрических окружностях трубной доски (досок) цилиндрического коллектора со съемной крышкой в водотрубных котлах разделены надвое (два потока). Пучок радиационно-конвективных труб имеет два хода по теплоносителю. Вначале теплоноситель движется во внешних теплообменных трубах (один ход), а затем во внутренних теплообменных трубах (второй ход) топочной камеры котла (частный случай медного водогрейного крышного котла).

При расположении котельной установки в горизонтальном положении для опоры задней части котлоагрегата, которая состоит из экранов, утилизационных контуров и радиационно-конвективных труб (пучка), а также встроенного экономайзера, установленного перпендикулярно движению потока продуктов сгорания, на внешнюю горизонтальную цилиндрическую заднюю часть теплообменных экранных продольных труб одевается разборная, свободная или стягивающая, обечайка (опорный бандаж задней части котла и одновременно цилиндрический газоход), с которой соединяются задние опоры котла.

Топочная камера котла выполнена газоплотной, так как внешний ряд продольных экранных теплообменных труб, расположенных на внешней концентрической окружности кольцевого коллектора со съемной крышкой, может быть соединен металлическими перфорированными мембранами или, в упрощенной конструкции котла, топочная камера котла за внешним рядом боковых продольных экранных труб от кольцевого фронтального коллектора до выхода продуктов сгорания из котла может быть герметизирована съемным теплообменным оребренным с внешней и внутренней стороны цилиндром с взрывным клапаном (т.к. с внешней стороны оребренный цилиндр омывается потоком воздуха, а с внутренней стороны оребренный цилиндр омывается потоком продуктов сгорания). Цилиндр изготавливается из жаропрочного материала (сталь, цветные металлы и их сплавы, тугоплавкие сплавы, металлокерамика и т.п.). Он соединяет кольцевой коллектор с частью опорной обечайки и выполнен съемно-разборным. Цилиндр герметизирует топочную камеру и конвективную часть котла, а задний торец котла герметизирует металлический лист с патрубком выхода продуктов сгорания.

В более сложной конструкции котла на внешние экранные теплообменные трубы, соединенные перфорированными мембранами, также одевается металлический, разборный, оребренный цилиндр, служащий поверхностью нагрева воздуха, подаваемого на горелочное устройство. Нагреваемый поток воздуха, движущийся под кожухом (футляром) и омывающий внешние поверхности котлоагрегата, является теплоизоляцией, а перфорация мембран выполняется для нагрева разборного цилиндра (поверхности нагрева воздухоподогревателя) и обогрева внешних теплообменных экранных труб с внешней стороны (для создания температурного поля в пространстве между оребренным цилиндром и мембранами). Вместо К.В.П. возможна установка встроенного экономайзера.

Котел имеет “пролетную” схему движения продуктов сгорания (термин “пролетная” взят из “Справочник эксплуатационника газифицированных котельных”. Под редакцией Е.Б.Столпнера. Ленинград, “Недра”, 1988., стр.216, 7-ая строка сверху) без поворотов, т.к. уходящие продукты сгорания из топочной камеры движутся прямолинейно в едином топочно-конвективном пространстве котлоагрегата (котел - топочная камера - конвективный пучок-газоход с расположенными в нем контурами) до конденсатора водяных паров (К.В.П.), содержащихся в продуктах сгорания, и паров, поступающих в топку с термического деаэратора.

Контактный теплообменник соединен с цилиндрической обечайкой котельной установки посредством газохода-патрубка, патрубок проходит через поверхности нагрева воздухоподогревателя и кожуха. Именно хвостовая поверхность нагрева, стоящая после котлоагрегата, а именно контактный теплообменник, снижает температуру уходящих газов из котла до 50° С, использует внутреннюю теплоту парообразования при конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, и водяных паров, поступающих с деаэратора, и фактически повышает КПД брутто котельной установки до 98% (“Сжигание газового и жидкого топлива в котлах малой мощности”. А.Н.Воликов, Л., “Недра”, 1989 г., стр.67-68, рис.3.12.) (“Газ и эффективность его использования в народном хозяйстве”, М.Б.Равич. М., “Недра”, 1987 г., стр.127, пример 11, снижение температуры продуктов полного сгорания с 240° С до 150° С). Вместо К.В.П. возможна установка встроенного экономайзера.

Поверхностью нагрева воздуха в котельной установке служит внешняя оребренная цилиндрическая поверхность котла, заходящая с фронта котла на кольцевой коллектор и внешне или внутренне проходящая через опорную разборную обечайку (бандаж), а также часть патрубка газохода за обечайкой, обечайка с цилиндром выхода продуктов сгорания из котла, фронт котла (оребренный снаружи кольцевой, фронтальный коллектор), а также задний торец котла, которые находятся под кожухом (футляром). Таким образом, внешние оребренные поверхности котла находятся под футляром, поверхности котла омываются потоком воздуха, который нагревается и подается на горелочное пылегазомазутное устройство. (Нагретый воздух засасывается из воздухоподогревателя при установке дутьевого вентилятора на горелочном устройстве).

Внешние оребренные поверхности котла, установленные в воздушном потоке, омываются им и контактируют с поверхностями нагрева, расположенными в пространстве под футляром. Конструкция таких воздухоподогревателей снижает потери тепла котлом в окружающую среду -q5 до десятых и сотых долей процента и в среднем повышает КПД брутто котлоагрегата на 1-4,5%. На всас дутьевого вентилятора через трубопровод подается также часть продуктов сгорания из газохода котла после утилизационных контуров, примерно 5% от общего объема, что служит второй экологической защитой окружающей среды (атмосферы).

При такой П-образной схеме соединения теплообменных труб с одним коллектором котла получается очень эффективный последовательный нагрев теплоносителя в каждом отдельном участке одной теплообменной трубы, так как она (труба) расположена в радиационной части котельной установки, что резко повышает теплосъем с единицы поверхности нагрева (F_км²) теплообменной трубы, а следовательно, и увеличивает КПД брутто котла. Причем перегородки, установленные в секциях коллектора через перфорированные окна (отверстия), могут также регулировать и объемный проход (м³/час), скорость теплоносителя (м/сек) как через отдельные поверхности нагрева котла, так и самого кольцевого секционного коллектора. В разборном коллекторе котла перегородки коллектора выполнены разборные и съемные (винтовые, резьбовые, пазовые, замковые соединения перегородок) и при открытии крышек цилиндрического коллектора внутренние его перегородки разбираются и вынимаются.

Совмещенная и перепускная секция цилиндрического коллектора может быть выполнена без промежуточной, кольцевой или прямой перфорированной перегородки для снижения веса и гидравлического сопротивления коллектора в целом. Теплоноситель, двигаясь вдоль совмещенной секции коллектора, приходит с того же ряда установленных на коллекторе теплообменных труб и поступает в теплообменные трубы этого же ряда труб коллектора. В перепускной секции (камере) коллектора теплоноситель переходит из одного ряда теплообменных труб в другой ряд теплообменных труб, расположенных на разных концентрических окружностях коллектора. Расположение задних участков теплообменных труб, задних экранов в конце топочной камеры (в радиационно-конвективном пучке) является эффективным способом утилизации тепла, так как трубы создают лабиринтовое движение продуктов сгорания в пучке, при этом каждая теплообменная оребренная труба омывается потоком продуктов сгорания и также получает радиационное излучение от факела горелочных устройств.

Теплообменные трубы котла имеют свободное температурное расширение (удлинение) за счет гибов в опорной обечайке, так как вставлены в нее примерно за 150 мм до установки контуров подогрева топлив и приблизительно на 1 м от соединения ее с патрубком конденсатора водяных паров - контактным теплообменником (частный вариант.). При этом, поскольку выпар водяных паров с термического деаэратора направлен по трубопроводу в топку котла с целью снижения выбросов оксидов азота (экологическая защита), то в конечном итоге этот выпар водяных паров конденсируется в К.В.П., повышая теплотехнический КПД котельной установки в целом и не загрязняя атмосферы.

При изготовлении котла, когда продольные теплообменные трубы топочной камеры, соединяясь с цилиндрическим фронтальным коллектором до задних гибов П-образной трубы, соединены мембранами, то мембраны выполняются с прорезью (или перфорацией), чтобы с другой, внешней, стороны теплообменных труб существовало температурное поле и они (трубы) обогревались конвекцией продуктов сгорания, а также чтобы обогревалась и оребренная поверхность цилиндра от коллектора до заднего торца котла.

Котлоагрегат может работать в пароводогрейном режиме без технологического контура. В этом случае возможен частичный теплофикационный отбор, когда часть нагретого теплоносителя отбирается, например, из определенной секции кольцевого коллектора, а остальная, оставшаяся, часть теплоносителя движется дальше по поверхности нагрева котла и превращается в пар.

Предлагаемые котлы могут эксплуатироваться на опилках, лузге, с пылегазомазутной горелкой. При использовании пылевидных и жидких топлив на котле предусматривается паровая обдувка поверхностей нагрева котла и радиационно-конвективного пучка с контурами.

Топочная камера полностью экранирована теплообменными трубами с последовательным трехступенчатым нагревом теплоносителя в каждой отдельной теплообменной трубе. При этом отсутствует температурная развертка теплообменных труб, присутствует температурная компенсация удлинения теплообменных труб при нагреве, имеется возможность увеличения экранной и конвективной поверхности котла за счет увеличения количества эллипсных петель, их разного гиба на отдельно взятой теплообменной трубе. Причем в цилиндрической топке правильно формируется факел горелочных устройств, т.к. факел распространяется по объему топочной камеры на расстоянии 100-150 мм от оребренных экранных и оребренных радиационно-конвективных труб, не касаясь их поверхности.

Петлевые трубы могут быть установлены на коллекторе в несколько рядов, "внахлест", в шахматном порядке.

Оребрение теплообменных труб в топочной камере котла выполняется с таким расчетом, чтобы конец ребра, обращенный в топочную камеру, имел температуру порядка 1273К для концентрации и повышения температурного поля (излучения) топочной камеры и тем самым интенсификации сгорания топлива, замены зажигательного пояса при сжигании пылеугольного топлива, а также для увеличения передачи тепла от (оребрения) соединенного с теплообменной трубой противоположного конца ребра.

Оребренная петлевая П-образная труба с тремя эллипсами имеет поверхность нагрева в 9 раз больше, чем одна оребренная П-образная простая труба и, если учесть, что в петлевых трубах происходит последовательный нагрев теплоносителя в топочной камере, то КПД брутто котла, определенный по прямому балансу, будет значительно выше КПД брутто котлов выпускаемых и находящихся в промышленной эксплуатации.

Чем больше секций в предлагаемом цилиндрическом оребренном фронтальном коллекторе, тем больше и насыщенней поверхность нагрева котла в топочной камере и конвективно-радиационном пучке, тем интенсивней нагрев теплоносителя котлом и соответственно больше рядов теплообменных труб на концентрических окружностях коллектора. Причем нагретый жидкий теплоноситель можно получить любых параметров из любой секции коллектора путем установки на крышке данной секции выходного вентиля (задвижки, клапана) для отбора теплоносителя.

КПД брутто предлагаемого котла нельзя определять и сравнивать по утилизационному методу определения КПД М.Б. Равича, т.к. утилизационная методика не учитывает радиационное тепло, полученное теплоносителем в топке, Т_{радиацион} (при этом q5 - определяется графически)

и лишь отражает снижение температуры продуктов сгорания за котлом и его конвективными поверхностями (утилизацию потока); а q5 - очень малы, т.к. потери тепла в окружающую среду предлагаемым котлом передаются не теплоизоляции котла, а потоку воздуха, поступающему на горелочные устройства, и поэтому определение КПД таких котлов должно вестись только по прямому балансу, т.е. по выработке тепловой энергии котлом через теплосчетчик и другие системы приборов.

Одной из основных технических характеристик котла является его поверхность нагрева (F_к·_{м²), которая измеряется по газовой стороне, и чем больше радиационная поверхность нагрева, тем экономичнее и эффективнее котел. Именно этой характеристике и отвечает предлагаемая конструкция котла по отношению к котлам иных типов. Универсальность предлагаемых котлов состоит в том, что они практически могут работать на любом виде топлива (но не слоевое сжигание топлива) и тепловая мощность таких котлов может составлять от 100 КВт до 1000 МВт.}

Кольцевой коллектор имеет линии опорожнения котла и снабжен предохранительными клапанами (на графической части не изображено).

На коллекторе могут устанавливаться (соединяться с его секциями) теплообменные трубы с одним гибом (большого радиуса) и П-образные теплообменные трубы с оребрением, мембранами, ошиповкой, петлевые.

Предлагаемый котел обладает самой высокой скоростью движения теплоносителя в трубах (2,2 м/сек), а также интенсивностью нагрева теплоносителя относительно производимых.

На основании исследований, проведенных Американской Газовой Ассоциацией (АГА), раздел "Теплопередача в котле" стр. 8 следует: С внутренней стороны трубы теплоноситель (вода) имеет тенденцию образовывать устойчивую жидкую пленку, которая плотно "прилипает" к поверхности металла трубы. Она действует как теплоизоляция и значительно затрудняет передачу тепла от металла к воде. Если вода движется в трубе с достаточной скоростью (2,134 м/сек), то эта устойчивая пленка "смывается" потоком, а процесс передачи тепла воде значительно увеличивается. Причем каждый квадратный сантиметр поверхности трубы котла принимает в 4-10 раз больше тепла, чем квадратный сантиметр поверхности нагрева котла с движением теплоносителя со скоростью ниже 2 м/сек или в котлах с естественной циркуляцией - низкими скоростями потока теплоносителя в трубах. На основании вышеизложенного скорость движения теплоносителя в теплообменных трубах предлагаемых цилиндрических котлов принимается равной 2,2 м/сек.

В качестве теплоносителя в предлагаемых котлах могут использоваться не только жидкие среды, но и газы. В этом варианте предлагаемый малогабаритный компактный котел рассматривается как высокотемпературный рекуперативный теплообменник, что позволяет использовать конструкции таких котлов не только по нагреву жидких сред (воды), но и газов (например, воздуха, азота, метана) для новых технологий с более совершенным использованием тепловой энергии от сжигаемого топлива.

На фиг.1 показана пароводогрейная котельная установка с вертикальным водотрубным котлом и контактным теплообменником (К. Т.);

на фиг.2 изображен кольцевой оребренный секционный коллектор;

на фиг.3 показано сечение цилиндрического коллектора котельной установки в плоскости I-I;

на фиг.4 изображен коллектор, который имеет более 4-х секций;

на фиг.5 изображен коллектор с тремя рядами теплообменных труб, расположенных в шахматном порядке на трубной доске (досках);

на фиг.6 показан многофункциональный фронтальный (при горизонтальном расположении котлоагрегата) с выпусками секционный коллектор котла;

на фиг.7 показан внешний ряд труб 4-х рядного коллектора с перепускной камерой;

на фиг.8 показан секционный коллектор, в конструкции которого часть теплообменных труб закреплена в шахматном порядке на его внешней стороне:

на фиг.9 и 10 поясняется устройство и работа пружинного взрывного клапана;

на фиг.11 показана увеличенная поверхность нагрева одного участка теплообменной трубы радиационного конвективного пучка котлоагрегата;

на фиг.12 изображены две соседние теплообменные петлевые трубы;

на фиг.13 показана разборная радиационно-конвективная часть теплообменной трубы, расположенная в конце топочной камеры;

на фиг.14 и 15 показан участок разборной теплообменной трубы, который находится в радиационнно-конвективном пучке;

на фиг.16 представлена в сечении одна часть секции кольцевого разборного оребренного коллектора;

на фиг.17 изображено крепление резьбовых концов теплообменной трубы к трубной доске с помощью упорной шайбы и антикоррозийной гайки, расположенной внутри секции коллектора;

на фиг.18 показана теплообменная труба с резьбой на конце;

на фиг.19 показан штуцер;

на фиг.20 изображена разборная теплообменная обечайка с опорным устройством;

на фиг.21 показана теплообменная двухопорная разборная полуобечайка;

на фиг.22 показана петлевая оребренная теплообменная труба, установленная в топочной камере;

на фиг.23 изображен котел с петлевой теплообменной трубой;

на фиг.24 показано крепление одного конца теплообменной трубы в стакане;

на фиг.25 показана змеевиковая теплообменная труба, установленная в топочной камере котла;

на фиг.26 изображена схематично водотрубная котельная установка с встроенным экономайзером;

на фиг.27 показана перегородка коллектора.

Котельная установка содержит вертикальный экранированный водотрубный котел с полностью экранированной топочной камерой 1 с нижним расположением секционного коллектора 3, имеющего оребрение 2 (нижние опоры котла и К.Т. - контактного теплообменника не показаны). Разборный котел имеет четыре опоры, соединенные с нижним коллектором, а газоход, соединяющий котел с К.Т., имеет оребрение. Контактный теплообменник установлен на сборном баке. Газомазутное горелочное устройство - Г совмещено с дутьевым вентилятором 4, а на всасывающий патрубок вентилятора горелки из-под кожуха 5 приходит нагретый воздух воздухоподогревателя котла, туда же на всасывающий патрубок вентилятора также подводится линия трубопровода 6 рециркуляции продуктов сгорания, проходящая под кожухом котла, и линия трубопровода 7 выпара паров воды с бака-деаэратора (на фиг.1 трубопроводы показаны частично). Секционный коллектор в данном конкретном случае имеет патрубок входа 8 и патрубок выхода 9 нагретого теплоносителя из котла (показано стрелками).

Вертикальный цилиндрический водотрубный котел имеет пять контуров, первый контур технологический с целью нагрева теплоносителя (воды) в баке-деаэраторе для термической деаэрации воды состоит из внутреннего кольцевого усеченного коллектора 10, выполненного с оребрением и выпуском в топочную камеру вертикальной стенки, усеченный коллектор перфорирован с одной стороны, а с противоположной стороны усеченный коллектор 10 соединен с его теплообменной трубной системой 11, а змеевиковые трубные оребренные контуры 12-13 нагрева топлив (жидкого, газообразного) расположены за радиационной конвективной частью (пучком) котла. Котел в данном варианте имеет двухрядное шахматное экранирование по расположению экранных продольных (вдоль цилиндрической топочной камеры) теплообменных труб 14, 15 в топочной камере 1 котла (трубы на коллекторе установлены с таким шагом, чтобы на теплообменную поверхность нагрева воздуха не поступало излучение от факела горелочного устройства).

На внешние экранные боковые нижние и верхние трубы цилиндрической топочной камеры котла (при его горизонтальном положении) и топочные задние экраны (радиационно-конвективный пучок труб котла) одевается теплообменная разборная оребренная цилиндрическая съемная поверхность нагрева воздуха, которая с помощью отбортовки и болтов с гайками соединяется с кольцевым коллектором 3.

Поверхность воздухоподогревателя (основная) обозначена цифрой 16, т.к. на фиг.1 цилиндрическая поверхность воздухоподогревателя 16 сливается с внешними продольньми экранными вертикальными (фиг.1) трубами 15 котла, ведь толщина цилиндрической поверхности для лучшей теплопередачи и снижения металлоемкости котла не превышает 2-3 мм, цилиндрическая поверхность 16 в противоположном от коллектора 3 конце загерметизирована круглым листом металла, соединенным с цилиндрической поверхностью 16 (это тот частный случай, когда цилиндрический одноколлекторный котел скомпонован с контактным теплообменником), и в свою очередь герметизирует топочную камеру и газоход котла и имеет в топочной камере взрывные пружинные клапана, которые прижимаются пружинами к окнам, имеющимся на цилиндрической поверхности 16 нагрева воздуха. Причем на верхнем оребренном теплообменном круглом металлическом листе 2 газохода (не обозначен), герметизирующем газоход, установлен взрывной клапан 17. Продукты сгорания через окно, имеющееся в поверхности нагрева воздухоподогревателя 16, с которым и соединяется газоход котла и КТ, поворачивают в газоход, соединяющий котельную установку с контактным теплообменником - показано большой стрелкой.

Кожух (футляр) котла обозначен цифрой 5, а цифрой 18-19 обозначены четвертый и пятый двухступенчатые (змеевиковые, петлевые) контуры нагрева теплоносителя, расположенные в газоходах перед патрубками входа и выхода продуктов сгорания из К.Т. Одноходовой цилиндрический газоход котельной установки закрывается поверхностью воздухоподогревателя 16, в свою очередь оребренная цилиндрическая поверхность 16 соединяется с круглым листом, закрывая трубную систему котла и герметизируя продольные, нижнюю, верхнюю и боковые части топочной камеры и конвективного пучка от секционного коллектора 3 почти до забора воздуха, поступающего на горение, через отверстие, расположенное над котельной установкой в кожухе (обозначено двумя параллельными стрелками). Круглый оребренный 2 металлический лист (круглая торцевая перегородка газохода), герметизирующий с заднего торца топочную камеру и цилиндрический газоход котельной установки, является поверхностью нагрева воздуха, как и установленный на нем взрывной клапан 17. Большими стрелками обозначено движение продуктов сгорания.

Кожух 5, ограничивающий поверхность нагрева воздухоподогревателя, также имеет окно, через которое проходит газоход, соединяющий котел с КТ.

Вертикальные продольные экранные теплообменные трубы первого 14 и второго 15 рядов топочной камеры должны устанавливаться на коллекторе в шахматном порядке, как дано в описании конструкции котла и в схеме-чертеже фиг.1, т.к. при шахматном расположении теплообменных экранных труб 14, 15 значительно возрастает теплосъем с топочной камеры котла и, соответственно, выработка котлом тепловой энергии за счет увеличения радиационной поверхности нагрева топочной камеры котлоагрегата, причем шахматное (плотное) экранирование топочной камеры служит защитой цилиндрической оребренной поверхности нагрева 16 воздухоподогревателя от прямого попадания лучевой (радиационной) энергии факела горелочных устройств и снижает температуру поверхности до нужных расчетных параметров. Все предлагаемые коллекторы таких типов котлов с двойным присоединением теплообменных оребренных труб к трубной доске (доскам) одного коллектора, но к разным секциям (камерам) этого коллектора выполняются съемными различными способами: например с помощью гайки (гаек) с резьбой. Коллектор, как правило, выполняется разборным или хотя бы со съемньми крышками и перегородками, что позволяет производить разборку трубной системы всех типов цилиндрических котельных установок с одним коллектором и заменой теплообменных труб или каждой отдельной трубы. При этом не исключается, что коллектор может быть неразборным, а теплообменные трубы несъемными, т.е. коллектор и соединение с ним теплообменных труб может быть выполнено глухим - на сварке.

Коллектор имеет три секции (камеры) с двумя прямыми и одной полукольцевой перегородками; (на фиг.2 перегородки обозначены буквой П), входная секция 20 (куда поступает нагреваемый теплоноситель), перепускная секция (камера) 21, где теплоноситель из внешнего экранного ряда теплообменных труб переходит во внутренний ряд экранных теплообменных труб и по ним уже нагретый теплоноситель поступает в выходную обогреваемую секцию 22 нагретого теплоносителя и через патрубок выхода 23 нагретый теплоноситель направляется в тепловые сети к потребителю, а часть теплоносителя также из секции 22 поступает в технологический контур "полое кольцо" (которое совмещено с коллектором) через перфорированную, частично кольцевую перегородку и далее в его трубную систему 11 контура (показано стрелкой). Все отверстия трубных решеток коллекторов обозначены буквой О, в отверстиях закрепляются теплообменные трубы котла.

Выпуск перегородок 24 выполнен с целью увеличения теплопередачи к теплоносителю, циркулирующему в секционном коллекторе и контуре (усеченное полое кольцо), нагретый в контуре 11 теплоноситель до газовой среды поступает на термический деаэратор и обдувку поверхностей нагрева радиационно-конвективного пучка и контуров котельной установки. Концы 25 теплообменных труб установлены на трубной решетке и закреплены с ней при помощи гайки 26 односторонним креплением с внутренней стороны секции коллектора (в этом варианте два конца теплообменной трубы имеют резьбу, на которую навинчиваются гайки 26), а упором концов 25 теплообменных труб в трубную решетку служит "раскатка" 27 - местное увеличение диаметра теплообменной трубы. Выпуск - это выход перегородки на 10-15 мм выше трубных досок и крышек коллектора для большего восприятия тепловой энергии перегородкой и передачи этой тепловой энергии теплоносителю и потоку воздуха (выпуск - это дополнительное оребрение).

Кольцевые коллекторы котельных установок имеют сливную линию, посредством которой опорожняются от теплоносителя как сами коллекторы, так и котел в целом. Через сливную линию коллектора и воздушник перед консервацией котла возможна продувка трубной системы котла и самого коллектора воздухом или инертным невзрывоопасным газом. На коллекторе имеются специальные патрубки, где по надобности устанавливаются предохранительные клапана, приборы и воздушник, который используется при заполнении котла теплоносителем.

Коллектор, изображенный на фиг.4, имеет более 4-х секций (камер), причем входная секция 28 имеет входной патрубок нагреваемого теплоносителя, а стрелкой показан вход теплоносителя в патрубок, а выходной патрубок теплоносителя, оребрение, предохранительные клапана, воздушник, сливной вентиль, приборы на фиг.4 не показаны. Секция 29-30 - совмещенная, в ней теплоноситель поступает из теплообменных труб внешнего ряда секции 29 в теплообменные трубы внешнего ряда совмещенной секции 30, трубы этого ряда расположены на одной концентрической окружности кольцевого коллектора. Секция 35 выхода нагретого теплоносителя из котла, при этом часть теплоносителя из секции 35 поступает в технологический кольцевой усеченный контур через перфорированную внутреннюю кольцевую перегородку коллектора (показано стрелками), а из кольцевого усеченного контура "полое кольцо" теплоноситель поступает в трубную систему контура 11. Усеченное "полое кольцо" выполнено с выпуском - оребрением. Технологически теплоноситель движется, циркулирует, последовательно проходя по секциям цилиндрического коллектора -28-29-30-31-32-33-34-35, причем секция 31-32 перепускная, в ней теплоноситель из теплообменных продольных труб внешнего ряда топочной камеры переходит в теплообменные продольные трубы внутреннего ряда топочной камеры, где температурный напор выше (противоток). Секция 28 - это выход нагретого теплоносителя к потребителю (патрубок не показан) и вход теплоносителя в контур "усеченное полое кольцо" и далее в трубную систему контура 11.

На фиг.5 изображен коллектор с тремя рядами теплообменных труб, расположенных в шахматном порядке на трубной доске (досках) цилиндрического разборного коллектора. Причем слово “разборный” коллектор имеется в виду прежде всего, что трубных съемных досок и съемных крышек коллектора одна и более, а способ изготовления коллектора в данном конкретном случае не рассматривается. Каждый ряд труб на коллекторе показан (обозначен через отверстия -0) частично - выборочно. Коллектор относится к технологическому жидкостному (частный случай) котлу с температурой нагрева теплоносителя до 115° С, при избыточном давлении теплоносителя в котле до 7 кгс/см². Жидкостный котел не имеет технологического контура нагрева теплоносителя, т.к. термическая деаэрация теплоносителя (например, воды) может осуществляться в баке-деаэраторе от температуры теплоносителя в пределах 105 до 115° С на выходе теплоносителя из котла. Рассматриваемый котел может работать с пониженными параметрами до 95° С как “крышный” в замкнутой тепловой сети многоэтажного дома.

Движение теплоносителя в предлагаемом цилиндрическом коллекторе распределяется следующим образом. Нагреваемый теплоноситель поступает во входной патрубок (обозначен стрелкой на фиг.5) секции 36 коллектора. Далее теплоноситель последовательно движется по теплообменным поверхностям нагрева (трубам) котла и последовательно проходит по теплообменным секциям (камерам) цилиндрического кольцевого коллектора 36-37-38-39-40-41-42-43-44-45-46-47. При этом предлагаемый коллектор содержит совмещенные секции (37-38) (41-42) (45-46) и перепускные секции (39-40) (43'-44), во всех коллекторах заложен один принцип и механизм циркуляции теплоносителя, это совмещенные секции (камеры), перепускные секции (камеры), через перфорированные перегородки, причем все секции (камеры) в свою очередь соединены последовательно теплообменными трубами котлоагрегата, в данной конструкции коллектора.

Отверстия в трубных досках обозначены буквой О. На фиг.6 показан предлагаемый многофункциональный фронтальный (при горизонтальном положении котлоагрегата) коллектор котла. Коллектор может быть изготовлен разными способами и из разных материалов, например отлит из силумина (чугуна), а с двух сторон к нему болтами приворачиваются с внешней стороны оребренные крышки (крышка), а с внутренней стороны (со стороны топочной камеры) трубные доски (доска), на котором установлены и соединены с ним герметично четыре ряда теплообменных труб - поверхностей нагрева котла. Данный предлагаемый кольцевой коллектор разработан для прямоточных пароводогрейных котлоагрегатов. Поступающий в коллектор теплоноситель входит в секцию (камеру) коллектора 48 и, двигаясь поочередно и последовательно по теплообменным трубам котла и секциям (камерам) коллектора 48-49-50-51-52-53-54-55-56-57-58-59-60-61-62-63, где в секции 57 цилиндрического коллектора часть теплоносителя в жидкой фазе отбирается на теплоснабжение, горячее водоснабжение - ГВС и технологические нужды, а оставшаяся часть теплоносителя из секции 57 проходит соответственно последующую систему теплообменных труб с более высоким температурным напором в котлоагрегате и секции коллектора 58-59-60-61-62 и превращается в пар. Секция 62 (камера) является секцией выхода насыщенного или перегретого пара (патрубок выхода на фиг.6 не показан) в зависимости от количества отбора теплоносителя, находящегося в жидкой фазе из секции 57 коллектора. Например, 70% теплоносителя отбирается в жидкой фазе - 70 тонн воды с t=90° C и 30 тонн пара с t=250° C из секции 63 (30%). Секция 57 является секцией промежуточного отбора теплоносителя.

На фиг.7 показан частично от всего коллектора только внешний ряд труб 4-х рядного коллектора с перепускной камерой (71-72) коллектора, такой же, что и на фиг.6, разница лишь в том, что количество секций (камер) четвертого внешнего ряда теплообменных труб коллектора удвоено, при этом цилиндрический коллектор может иметь одну секцию и более.

Например: Один теплоноситель входит в коллектор и выходит с коллектора с более высокой температурой, но в жидкой фазе. Другой теплоноситель входит в коллектор в жидкой фазе (вода), а выходит с коллектора в виде перегретого пара с температурой -573 К (300° С) и т.д. На коллекторе (фиг.7) не показываются остальные ряды установленных теплообменных труб (показан только внешний ряд труб (отверстий) котлоагрегата и частично перепускная секция-камера (71-72).

Теплообменные трубы устанавливаются пакетами таким образом, что части труб, пакета, расположенные в радиационно-конвективном пучке, лежат в одной плоскости, показано пунктиром и большими стрелками, показывающими также последовательность движения теплоносителя по секциям (64-65-66-67-68-69-70-71-72 и т.д.), часть внутренних рядов труб и секций на фиг.7 не показана.

Предлагаемые котлы с большим количеством секций в коллекторе и, следовательно, с многократной циркуляцией теплоносителя могут использоваться для выработки электроэнергии на конденсационных электрических станциях и ТЭЦ. Не на всех коллекторах, на чертежах отображено оребрение, но в описании и в действительности все коллекторы и их элементы - трубные доски, крышки, плоские перегородки, кольцевые внешние и внутренние перегородки имеют оребрение, выпуски, могут быть ошипованы, т.к. с одной стороны коллекторов данных типов располагается топочная камера, а с противоположной стороны коллектор является поверхностью нагрева воздухоподогревателя и омывается потоком воздуха, поступающего (подаваемого) на горелочные устройства котла.

На фиг.7 теплообменные трубы, соединяющие последовательно по движению теплоносителя секции предлагаемого коллектора, установлены таким образом, что их части (теплообменных труб), расположенные в радиационно-конвективном пучке, собраны в пакеты, а пакеты располагаются “друг за другом” (после первого, до последнего пакета) при любом положении котла.

На фиг.8 (чертеж-схема) показан секционный оребренный коллектор, в конструкции которого часть теплообменных экранно-конвективных труб закреплена в шахматном порядке на внешней стороне (кольце), образующей кольцевого коллектора, которая по сути дела является одновременно и кольцевой трубной решеткой (доской). Теплообменные трубы также установлены на плоской трубной решетке - внутренним торце того же коллектора. Теплообменные трубы образуют (установленные на внешнем кольце) фронтальный двойной экран по окружности, а это в свою очередь увеличивает поверхности нагрева котла, его эффективность и КПД брутто. Экранные теплообменные трубы 15, 14 (в общей сложности на фиг.8 показано три экранных трубы 15 - две, 14 - одна). Стрелками на трубах показано движение теплоносителя (П во всех коллекторах обозначает перегородку. 2 - внутреннее кольцевое оребрение коллектора и выпуск перегородки - кольцевой трубной доски. 73 - шпильки (крепеж), стягивающие крышку с трубной доской разборного коллектора. 74 - внешнее малое образующее кольцо коллектора. 26- резьбовые гайки, закрепляющие теплообменные трубы (на теплообменных трубах приварены упорные шайбы - подробнее будет ниже, здесь на фиг.8 не обозначены). Крышка коллектора - 75. Патрубок входа теплоносителя 8. Патрубок выхода нагретого теплоносителя 9. Гайка, стягивающая крышку с плоской трубной доской коллектора (крепеж) - 76.

На фиг.9 и фиг.10 поясняется устройство и работа пружинного взрывного клапана, расположенного по периметру над топочной частью и задними экранами (радиационно-конвективным пучком котла). Топочная и конвективная часть котла от кольцевого коллектора и после опорной конструкции котла (полуобечайки, обечайки) закрывается разборной оребренной 2 цилиндрической поверхностью 16 нагрева воздуха с отбортовкой 77 (из одной половины цилиндрической поверхности лист заделан на выпуск, чтобы герметизировать газоход в месте отбортовки 77, состоящей из двух половин, скрепленных крепежом. В цилиндрической поверхности нагрева воздуха (газоходе) имеются четыре окна 79, которые закрываются пружинными (поясными) клапанами 80 (опоясывающими с боков, сверху и снизу цилиндрическую поверхность газохода при его горизонтальном положении). Клапана изготавливаются из жаропрочного гибкого материала - листового металла. Через отбортовку взрывных клапанов по краям (а также по центру между окнами) проходят шпильки 81 с резьбой по концам, на которые под гайки и шайбы надеваются пружины 82 (пружинки незначительных размеров). Натяжение пружин 82 регулируется гайками 83. При возникновении в топочной камере избыточного давления (взрыве - “хлопке”) пружины 82 сжимаются, а клапан поднимается и через окна разборной цилиндрической поверхности из топки и газохода котла выходят газы в пространство воздухоподогревателя, ограниченное кожухом и связанное с горелочным устройством и атмосферой, при этом также срабатывает подпружиненный взрывной клапан 17 (см. фиг 1, установка пружинного устройства на взрывном клапане 17 не показана).

На фиг.11 показана увеличенная поверхность нагрева одного (условно второго) участка 84 теплообменной трубы - радиационно-конвективного пучка котлоагрегата. Поверхность нагрева соединяет две экранные продольные трубы топочной камеры котлоагрегата, противоположно расположенные на концентрической окружности кольцевого секционного коллектора, и своими петлями перпендикулярна движущемуся потоку продуктов сгорания, покидающему топочную камеру. Условный участок “два” теплообменной трубы расположен в газоходе таким образом, чтобы создавалось наибольшее аэродинамическое сопротивление движущемуся потоку продуктов сгорания, это один из способов увеличения поверхности нагрева радиационно-конвективного пучка и снижения температуры дымовых газов на выходе из котла, а следовательно, и увеличения КПД брутто котельной установки в целом.

На фиг.12 изображены только две соседние теплообменные петлевые трубы 85, они идентичны и установлены в топочной камере котельной установки на одной концентрической окружности кольцевого коллектора. Эллипсы-петли теплообменных экранных продольных труб уложены внахлест и соединены теплообменными связями - крепежами 86, а эллипсов-петель на теплообменной трубе может быть выполнено один (одна) и более, при этом петлевая экранная радиационная теплообменная труба (трубы) выполнена с разными радиусами гибов.

На фиг.13 показана разборная радиационно-конвективная (вторая) часть 87 теплообменной трубы, расположенная в конце топочной камеры котла, которая после гиба соединяется с (условно первым) участком 88 экранной продольной трубы с помощью резьбовой, внешне граненой муфты 89 с двумя резьбами на концах левой и правой, при этом соединяемые конец экранной продольной трубы (первый 88 участок) и конец радиационно-конвективной трубы (второй 87 участок) имеют аналогично муфте 89 разные резьбы левую и правую, дополнительно к муфте 89 соединение может происходить и с контргайками, которые на фиг.13 не показаны.

На фиг.14 и 15 показана разборная теплообменная труба - второй участок 87, который находится в радиационно-конвективном пучке (по ходу движения теплоносителя), а экранные продольные трубы 88 топочной камеры котла соединяются с вторым участком 87 (в первом случае - фиг.14) металлическими угольниками с резьбой, т.к. в этом случае резьба имеется на всех концах продольных экранов и участках трубы 87, соединяющей их. Разборная теплообменная труба может соединяться с помощью фланцев 91 (фиг.15). Все резьбы и разъемы, участвующие в соединениях теплообменных труб, могут быть промазаны уплотняющей влаготермостойкой мастикой, клеем, жидким стеклом, эмалями и смолами. Очистка разборных труб в котле после их разборки может производится механически с помощью гибкого стального троса с шарошкой, а в целом очистка трубной системы предлагаемых котлов предусматривается кислотной промывкой или промывкой комплексонами. При уплотнении фланцев применяются мягкие, уплотнительные шайбы из металла (свинец, алюминий, медь), причем теплообменная труба котла может присоединяться к коллектору также с помощью фланцев.

На фиг.16 представлена в сечении одна часть секции кольцевого разборного оребренного коллектора, который может быть наращен (составлен) до нескольких кольцевых секций с перегородками, т.е. коллектор может быть изготовлен, наращен и доведен до нескольких кольцевых секций с расположением теплообменных труб на концентрических окружностях коллектора и может быть идентичен коллекторам, изображенным на фиг.4-7.

Две кольцевые перегородки - П с клиновидными пазами имеют резьбовые шпильки 92, а крышка 94 и трубная доска - О секции коллектора имеют отверстия под шпильки 92 и стягиваются при помощи гаек 93.

Необходимая плотность секции 95 (камеры) коллектора обеспечивается клиновидными выступами на крышке 94 и трубной доске О (трубной решетке - О) и клиновидными пазами в перегородках, у которых для плотности в пазах имеется уплотнительный прокладочный материал.

Коллектор имеет оребрение 2 и теплообменные напуски (дополнительное оребрение) со стороны крышек 94 и трубных досок О.

На фиг.17 изображено крепление резьбовых концов теплообменной трубы 88 к трубной доске О с помощью упорной шайбы 96 и антикоррозийной гайки 93, расположенной внутри секции коллектора. Упорная шайба 96 со стальными теплообменными трубами соединяется при помощи сварки, а с медными теплообменными трубами и медной упорной шайбой 96 соединяется пайкой (припоем) или внутренняя часть шайбы 96 завальцовывается в кольцевой паз, имеющийся на теплообменной трубе (на фиг.17 не показано). Упорная шайба к тому же является теплообменным элементом котла-котельной установки, т.к. расположена в топочной камере, это своего рода дополнительное оребрение теплообменной трубы; с другой стороны, на конец теплообменной трубы, где имеется резьба, наворачивается крепеж (гайка 93), которая прижимает упорную шайбу 96 к трубной доске О, обеспечивая надежное разборное соединение. Гайка 93 должна быть изготовлена с антикоррозийным покрытием или из антикоррозионного материала (например, металлопластик).

На фиг.18 показана (один конец продольного участка) теплообменная труба 88 с резьбой на конце, ее упором в трубную доску (на фиг.18 не показана) служит раскатка 97 (идентично упорной шайбе 96), а раскатка - это местное увеличение диаметра теплообменной трубы.

На фиг.19 показан штуцер (ввертыш, крепеж резьбового конца теплообменной трубы к трубной доске), штуцер имеет внешнюю резьбу 98, по которой штуцер вворачивается в трубную доску и внутреннюю резьбу 99, по которой штуцер вворачивается на резьбовой конец теплообменной трубы (вворачивание штуцера производится одновременно на две резьбы), тем самым соединяя теплообменную трубу (два конца, два штуцера) с трубной доской.

Штуцер с трубной доской соприкасается по фаске 100, обеспечивая плотность как “клапан с седлом”, при этом штуцер имеет сквозное отверстие, по которому из секции коллектора в теплообменную трубу или из трубы поступает теплоноситель (показано двумя стрелками), а сам штуцер изготавливается из антикоррозионного материала и при замене теплообменной трубы должен отвинчиваться с помощью торцевого ключа, так как головка 101 штуцера выполнена граненной.

На фиг.20 изображена разборная теплообменная обечайка 102 с опорным устройством 103 в промежуточной и задней части котельной установки, причем показана часть 87 (не все трубы) теплообменных труб (второго участка теплообменной трубы - условно), причем участки 87 теплообменных оребренных труб проходят через центр газохода (теплообменные трубы не собраны в пакеты по секциям) и получают тепловую энергию радиационную и конвективную. Вид трубы - это вид котельного пучка (задних экранов) перед контурами против хода движения продуктов сгорания.

На фиг.21 показана теплообменная двухопорная разборная (крепеж не показан) полуобечайка 104, в нижней части имеет скользящий, облегающий обечайку лист металла, который соединен с продольными трубами котла и имеет возможность перемещаться по нижней стороне разборной обечайки фиг.20 (лист не показан) или полуобечайки (фиг.21), тем самым компенсируя температурное удлинение трубной системы котла, хотя в цилиндрических водотрубных котлах с петлевыми, змеевиковыми и гнутыми теплообменными трубами существует температурная самокомпенсация удлинения теплообменных труб в отличие от горизонтальных, жаротрубно-газотрубных котлов с жесткой термической конструкцией, большим термическим сопротивлением λ ккал/кг /δ м и малой радиационной поверхностью нагрева относительно цилиндрических водотрубных котлов с движением теплоносителя в теплообменных трубах со скоростью 2,15 м/сек и поэтому выработка тепла этими котлами практически на 50% ниже, чем в стальных противоточных водотрубных котлах. Отсюда и следует экономия топлива порядка 50% и более, но КПД брутто котла в таких случаях должно определяться по прямому балансу (через теплосчетчик).

На фиг.22 показана петлевая оребренная теплообменная труба 14, которая установлена в топочной камере предлагаемого цилиндрического водотрубного котла, где концы оребрения (ребер), обращенных в топочную камеру, имеют температуру 1273 К.

На фиг.23 изображен котел с петлевой (разные гибы) теплообменной трубой 14, оребренной. Петли радиационно-конвективного пучка расположены перпендикулярно потоку продуктов сгорания (поток обозначен большой стрелкой), в данном варианте котел имеет дополнительно фронтальный экран, т.к. теплообменные трубы соединяются с внешней образующей перегородкой кольцевого оребренного 2 коллектора, который в пространстве может занимать любое положение.

На фиг.24 показано крепление одного конца теплообменной трубы 14 в стакане 105 с помощью заливки расплавленным свинцом 106, стакан крепится к трубной доске О на сварке, поскольку на чертежах трубные доски имеют отверстия, обозначенные буквой О, следует считать и обозначение трубной доски также буквой О, т.к. без отверстий трубных досок не бывает. Стакан 105 может соединяться с трубной доской О также различными способами (например, резьбовой, на клепках и т. д.).

На фиг.25 показана змеевиковая теплообменная труба 107, установленная в топочной камере котла, при этом труба 107 имеет оребрение, которое на фиг.25 не показано, труба 107 соединена двумя концами с коллектором.

На фиг.26 изображена схематично водотрубная котельная установка с встроенным экономайзером 108, оребренным кольцевым коллектором 3, топочной камерой 1, горелочными устройствами - Г, кожухом 5, экранными трубами 14-15 с радиационно-конвективным пучком 109, оребренной кольцевой поверхностью нагрева воздухоподогревателя 110, передними и задними опорами 103, маленькие стрелки показывают движение воздушного потока. Вход и выход теплоносителя, а также контуры котельной установки на чертеже схеме 26 заявителем не показаны.

На фиг.27 показана сложная единая перегородка - П, состоящая из двух плоских и двух полукольцевых перегородок с трехходовым движением теплоносителя по рядам труб (1-2, 3-4, 5-6), разделенных перегородкой.

Работа котельного агрегата осуществляется следующим образом.

Нагретый теплоноситель из экономайзера 108 или контуров поступает в обогреваемый коллектор 3 во входную секцию, из входной секции теплоноситель поступает в трубную систему котла 14 и 15 и затем поступает в следующую обогреваемую секцию и затем поступает в трубную систему котла 14 и 15, пройдя поочередно все секции коллектора 3 и трубную систему котла, теплоноситель направляется к потребителю в заданных параметрах в виде горячей воды, насыщенного пара, перегретого пара.

В предлагаемых конструкциях котлов с более высоким температурным напором между греющей и нагреваемой средой Δ t=t1-t2, вытекающим из конструктивных особенностей топочной камеры котла 1, нагрев теплоносителя происходит следующим образом. Поступающий теплоноситель начинает нагреваться во входной секции (камере) оребренного с обеих сторон коллектора 3, т.к. секция коллектора с внутренней стороны обращена в топочную камеру 1, а с другой стороны омывается (под кожухом) нагретым воздухом, подаваемым на горелочное устройство, затем теплоноситель из входной секции поступает в теплообменные экранные трубы 14 и 15 котла. Затем теплоноситель поступает в следующую обогреваемую секцию-камеру цилиндрического коллектора, а из секции коллектора путь теплоносителя продолжается в экранных теплообменных трубах 14 и 15 (условно разбитых на три участка), таким образом, теплоноситель проходит все секции коллектора и теплообменные трубы 14, 15 котлоагрегата и приходит в выходную обогреваемую секцию цилиндрического коллектора 3, откуда нагретый теплоноситель из выходного патрубка направляется к потребителю. Теплообменные трубы по последовательному нагреву теплоносителя "условно" делятся на три части, независимо от их (труб) геометрической конфигурации.

Первая часть 88 трубы - в ней теплоноситель нагревается в участке экранной трубы, расположенной вдоль топочной камеры 1 котла (независимо от его положения), это закономерно для любого ряда теплообменных труб, затем теплоноситель поступает во второй (условный) участок 87 экранной трубы, расположенный в радиацнонно-конвективном пучке - конце топочной камеры 1, где вторая часть теплообменной трубы передает теплоносителю тепловую энергию не только излучением от факела горелочного устройства, но и конвекцией (омыванием) от потока движущихся продуктов сгорания топлива, затем теплоноситель поступает в (условно) третий участок теплообменной трубы, который также относится к продольной экранной трубе, расположенной вдоль топочной камеры котла, напротив (условно) первого участка данной теплообменной продольной экранной трубы; третий участок, как и первый участок трубы, расположен вдоль топочной камеры и пути распространения факела и движения продуктов сгорания.

Предлагаемая компактная конструкция цилиндрических котлов может быть использована для индивидуальной системы отопления зданий, так называемых "крышных котельных", при этом в крышных котлах должны устанавливаться медные теплообменные трубы, так как коэффициент теплопроводности медных труб в семь раз выше, чем у обычных стальных котловых теплообменных труб, следовательно, и выработка тепла котлом увеличивается приблизительно во столько же раз.

У предлагаемых котельных установок основная часть тепла вырабатывается за счет радиационной энергии от факела сжигаемого топлива в оребренной трубной топочной камере котла при большой активной радиационной поверхности нагрева, при этом снижение тепловых потерь - q5 топочной камерой и конвективной частью котла происходит за счет нагрева воздуха, поступающего на горелочные устройства, а эффективный нагрев теплоносителя обусловлен за счет более высокого температурного напора между греющей и нагреваемой средами в каждой теплообменной трубе.

У предлагаемых водотрубных котлов возможна установка прямоугольных секционных коллекторов, но в этом варианте топочная камера котла и сам котел принимает форму прямоугольника, что приводит к температурной развертке теплообменных экранных труб в топочной камере котла, и в этом случае цилиндрическая экранированная топочная камера предпочтительна и более эффективна, чем прямоугольная топочная камера

Котельные установки (котел, горелочные устройства, воздухоподогреватель) могут эксплуатироваться и без любого типа экономайзеров, т.к. утилизация продуктов сгорания (снижение температуры уходящих дымовых газов за котлом) в этом варианте производится частично радиационно-конвективным пучком и петлевыми контурами нагрева теплоносителя и топлив, а также первой рекуперативной трубной ступенью нагрева воздуха.

Предлагаемые противоточные цилиндрические конструкции котлов с радиационно-конвективными пучками в конце топочной камеры и одним оребренным кольцевым секционным коллектором, укомплектованные дутьевыми горелочными устройствами, экономайзерами, контурами, воздухоподогревателями, полностью изготовленные из меди с коэффициентом теплопроводности λ =390 Вт / (мК) и скоростью теплоносителя в теплообменных трубах V=2,2 м/сек, будут на несколько порядков эффективнее котлов, вырабатывающих тепловую энергию на ТЭЦ, а именно в 5 раз и более.

Изобретения предназначены для нагрева воды и/или пара и могут быть использованы в теплоэнергетике. Котельная установка содержит цилиндрический котел, имеющий один ход газов, с внутренней цилиндрической экранированной топочной камерой, воздухоподогреватель, регулируемые контуры нагрева теплоносителя и топлив, один и более рядов теплообменных труб, кольцевой цилиндрический секционный коллектор и контактный экономайзер. Оребренные теплообменные трубы выполнены П-образными или змеевиковыми и образуют в конце топочной камеры радиационно-конвективный пучок. При этом газоплотность топочной камеры может обеспечиваться либо теплообменными мембранами, соединяющими теплообменные трубы, либо теплообменной цилиндрической поверхностью. Теплообменные мембраны, как и теплообменная цилиндрическая поверхность, герметизирующая топочную камеру и конвективную часть котла, доходят до фронтального коллектора. На коллекторе имеются выходные патрубки для отбора теплоносителя, из которых одновременно можно отбирать теплоноситель нескольких параметров. Котельная установка противоточна относительно температурного напора топочной камеры, имеет одно и более опорных устройств. Задний торец топочной камеры служит частью поверхности нагрева воздухоподогревателя совместно с патрубком выхода продуктов сгорания. Котел и его теплообменные трубы выполнены с последовательным нагревом теплоносителя и скоростью его движения в теплообменных трубах 2,15 м/сек. Кольцевой оребренный коллектор котла имеет секции, которые образованы перегородками, как глухими, так и перфорированными, одну и более фронтальных крышек и одну и более трубных досок, на которых закрепляются теплообменные трубы котла. Часть перегородок выполнена плоскими, а часть перегородок выполнена как кольцо или часть кольца. Внешняя оребренная фронтальная сторона коллектора является частью поверхности нагрева воздухоподогревателя. Изобретения обеспечивают повышение КПД брутто-котла и расширение его функциональных возможностей. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 27 ил.

1. Цилиндрическая водотрубная пароводогрейная котельная установка, содержащая цилиндрический котел с внутренней цилиндрической экранированной топочной камерой, расположенной по центру котла, горелочное устройство, воздухоподогреватель, регулируемые контуры нагрева теплоносителя и топлив, дутьевой вентилятор, один и более рядов теплообменных труб, кольцевой цилиндрический секционный обогреваемый коллектор и экономайзер, при этом котельная установка может располагаться в пространстве наклонно, горизонтально, вертикально, отличающаяся тем, что котельная установка разборная и может дополнительно содержать горелочные устройства, котел имеет один ход дымовых газов, теплообменные трубы съемные, экономайзер выполнен контактным, причем оребренные теплообменные трубы выполнены П-образными или змеевиковыми и образуют в конце топочной камеры радиационно-конвективный пучок и их концы расположены на концентрических окружностях цилиндрического коллектора, который имеет опоры, при этом коллектор имеет один и более патрубков входа и выхода теплоносителя, а один и более рядов теплообменных труб соединены с разными секциями коллектора.2. Котельная установка по п.1, отличающаяся тем, что теплообменные трубы котла съемные с разборного коллектора.3. Котельная установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена рекуперативным радиационно-конвективным экономайзером.4. Котельная установка по п.3, отличающаяся тем, что изготовлена из цветных металлов и их сплавов.5. Котельная установка по п.4, отличающаяся тем, что защищена слоем антикоррозионного материала.6. Котельная установка по п.5, отличающаяся тем, что изготовлена из антикоррозионного материала.7. Котельная установка по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена дымососом.8. Цилиндрическая водотрубная пароводогрейная котельная установка, содержащая цилиндрический котел с внутренней цилиндрической, экранированной, топочной камерой, расположенной по центру котла, горелочное устройство, воздухоподогреватель, фронтальный секционный кольцевой обогреваемый коллектор, дутьевой вентилятор, контур нагрева теплоносителя, продольные теплообменные трубы, расположенные в топочной камере и конвективной части котла, при этом газоплотность топочной камеры обеспечивается либо теплообменными мембранами, соединяющими теплообменные трубы, либо теплообменной цилиндрической поверхностью, причем котельная установка может располагаться в пространстве наклонно, горизонтально, вертикально, отличающаяся тем, что топочная камера одноходовая по движению продуктов сгорания, теплообменные трубы собраны в конце топочной камеры в пакеты радиационно-конвективного пучка труб, а теплообменные мембраны, как и теплообменная цилиндрическая поверхность, герметизирующая топочную камеру и конвективную часть котла, доходят до фронтального коллектора, при этом концы теплообменных труб соединены с разными секциями коллектора и соединены на внешнем кольце коллектора, на коллекторе имеются также выходные патрубки для отбора теплоносителя, из которых одновременно можно отбирать теплоноситель нескольких параметров - нагретую воду для отопления и горячего водоснабжения, насыщенный и перегретый пар для термической деаэрации теплоносителя и на собственные и технологические нужды производства, кроме того, котельная установка противоточна относительно температурного напора топочной камеры, имеет одно и более опорных устройств, а задний торец топочной камеры служит частью поверхности нагрева воздухоподогревателя совместно с патрубком выхода продуктов сгорания, котел и его теплообменные трубы выполнены с последовательным нагревом теплоносителя и скоростью его движения в теплообменных трубах 2,15 м/с и, кроме того, котельная установка может дополнительно содержать горелочные устройства, и может работать как под наддувом, так и с уравновешенной тягой.9. Котельная установка по п.1, отличающаяся тем, что снабжена рекуперативным экономайзером.10. Котельная установка по п.8 или 9, отличающаяся тем, что теплообменные трубы котла имеют оребрение, ошипованы, выполнены плавниковыми, типа змейка, петлевыми, змеевиковыми.11. Котельная установка по п.7, отличающаяся тем, что имеет фронтальный трубный экран с одним и более рядов теплообменных труб, соединенных с внешним кольцом коллектора.12. Котельная установка по п.11, отличающаяся тем, что изготовлена из цветных металлов или их сплавов.13. Котельная установка по п.12, отличающаяся тем, что дополнительно снабжена дымососом.14. Котельная установка по п.13, отличающаяся тем, что защищена слоем антикоррозионного материала.15. Котельная установка по п.13, отличающаяся тем, что изготовлена из антикоррозионного материала.16. Многоходовой по теплоносителю обогреваемый кольцевой коллектор котла, имеющий секции, которые образованы перегородками, как глухими, так и перфорированными, одну и более фронтальных крышек и одну и более трубных досок, на которых закрепляются теплообменные трубы котла, отличающийся тем, что он имеет оребрение, при этом часть перегородок выполнены плоскими, а часть перегородок выполнены как кольцо или часть кольца, концы теплообменных труб соединены с разными секциями и с внешним кольцом коллектора, секции имеют выходные патрубки для отбора теплоносителя и обеспечивают нагрев теплоносителя, его циркуляцию, распределение теплоносителя по поверхностям нагрева котла и направление теплоносителя в паровой контур, кроме того, внешняя оребренная фронтальная сторона коллектора является частью поверхности нагрева воздухоподогревателя, на коллекторе закрепляется одно и более горелочных устройств, а в пространстве коллектор может располагаться наклонно, горизонтально, вертикально и изготовлен разборным.17. Кольцевой коллектор по п.16, отличающийся тем, что перегородки выполнены с выпуском и являются теплообменными элементами коллектора.18. Кольцевой коллектор по п.17, отличающийся тем, что изготовлен из цветных металлов или их сплавов.19. Кольцевой коллектор по п.18, отличающийся тем, что защищен слоем антикоррозионного материала.20. Кольцевой коллектор по п.18, отличающийся тем, что изготовлен из антикоррозионного материала.