ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2005 года по МПК F24H1/12 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котлах, работающих в системах отопления и горячего водоснабжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является водогрейный котел, содержащий размещенную в корпусе топку с верхним, передним, задним и боковыми экранами из труб с плавниками, а также установленные между боковыми экранами и корпусом промежуточные экраны, трубы которых расположены со смещением относительно труб соответствующих боковых экранов и снабжены плавниками, соединяющими их между собой, причем плавники верхнего экрана выполнены в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса (Авт. св. СССР №1652768, МПК F 24 Н 1/14, 1991).

Недостатками такого котла являются пониженная теплопроизводительность из-за отсутствия снятия тепла со стороны корпуса, негазоплотность, требующая обязательного выполнения кирпичной тепловой изоляции со стороны корпуса. Громоздкая кирпичная тепловая изоляция (обмуровка) увеличивает габаритные размеры и имеет с поверхности тепловые потери в окружающую среду до 6% теплопроизводительности котла. Кирпич, кроме того, перекрывает доступ к экранам для ремонта и диагностирования, усложняет конструкцию. Кирпичная тепловая изоляция экранов котла, например, параллелепипедной формы является результатом чисто технического проектирования котлов старой школы, исходя из условий существующей ранее технологии, которая не отвечает современным требованиям эргономики и технической эстетики.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования водогрейного котла путем изменения конструкции верхнего, промежуточного, переднего и заднего экранов, используя трубы с газоплотными самокомпенсирующимися плавниками, что позволяет исключить прямой контакт топочных газов с тепловой изоляцией и использовать пространство воздушной рубашки, предназначенное для тепловой изоляции (кирпичной обмуровки) между этими плавниками и корпусом для холодного атмосферного воздуха, забранного снаружи, из-за пределов котельной, за счет чего обеспечивается упрощение конструкции котла при расширении его функциональных возможностей (котел выступает собственно как котел и одновременно как воздухоподогреватель (теплогенератор), при этом снижаются тепловое напряжение на корпус и экраны котла, тепловые потери в окружающую среду котлом и тепловые потери здания самой котельной, в котором обеспечивается теперь только трехкратный воздухообмен, что сводится до оправданного минимума, котел становится газоплотным, упрощается его конструкция, повышается его КПД, увеличивается площадь нагрева и, как следствие, увеличивается теплопроизводительность и технологичность.

Поставленная задача решается тем, что в водогрейном котле, содержащем размещенную в корпусе топку с верхним, передним, задним и боковыми экранами из труб с плавниками, а также установленные между боковыми экранами и корпусом промежуточные экраны, трубы которых расположены со смещением относительно труб соответствующих боковых экранов и снабжены плавниками, соединяющими их между собой, причем плавники верхнего экрана выполнены в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса, согласно изобретению нечетные трубы верхнего экрана соединены между собой плавниками, с огибанием ими сверху четных труб, при этом смежные трубы промежуточных экранов снабжены дополнительными плавниками, соединяющими их между собой, с образованием конвективных газоходов, кроме того, плавники, соединяющие смежные трубы переднего и заднего экранов, а также дополнительные плавники, соединяющие смежные трубы промежуточных экранов, выполнены в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса, при этом плавники труб верхнего, переднего и заднего экранов, а также дополнительные плавники труб промежуточных экранов выполнены газоплотными самокомпенсирующимися и размещены относительно боковой поверхности корпуса с образованием воздушной рубашки, пространство которой подключено к источнику внешнего атмосферного воздуха, для циркуляции и нагрева в ее пространстве воздуха, который затем подводится в топку на горение топлива.

При этом четные трубы верхнего экрана выполнены без плавников.

Кроме того, газоплотные самокомпенсирующиеся плавники, соединяющие смежные трубы переднего и заднего экранов, а также дополнительные газоплотные самокомпенсирующиеся плавники, соединяющие смежные трубы промежуточных экранов, выполнены в виде части цилиндрической обечайки, обращенной выпуклостью в сторону корпуса.

Кроме того, плавники труб промежуточных экранов выполнены газоплотными самокомпенсирующимися в виде части цилиндрической обечайки, обращенной выпуклостью в сторону топки.

Соединение нечетных труб верхнего экрана между собой газоплотными самокомпенсирующимися плавниками с огибанием ими сверху четных труб упрощает конструкцию, уменьшает количество сварочных стыков и увеличивает площадь нагрева, исключает прямой контакт топочных газов с воздухом, снижает тепловые напряжения на корпус и экраны котла, а с ними и тепловые потери в окружающую среду, что повышает теплопроизводительность и технологичность в изготовлении и эксплуатации во время ремонта, очистки и диагностирования поверхностей нагрева. Предлагаемый водогрейный котел имеет самую простую конструкцию из известных современных котлов.

Дополнительное соединение между собой смежных труб промежуточного экрана, а также соединение между собой смежных труб переднего и заднего экранов газоплотными самокомпенсирующимися плавниками также снижает тепловое напряжение на корпус и экраны котла, тепловые потери с корпуса в окружающую среду и повышает теплопроизводительность экранов, упрощает конструкцию котла, что улучшает технологичность его в изготовлении при ремонте, очистке, диагностировании в эксплуатации.

Образование воздушной рубашки между корпусом и газоплотными самокомпенсирующимися плавниками, пространство которой подключено к источнику внешнего атмосферного воздуха для нагрева и направления его в топку для горения топлива повышает технологичность при изготовлении и эксплуатации котла, упрощает его конструкцию, так как в этом случае исключается кирпичная тепловая изоляция и вообще иная другая тепловая изоляция. Роль тепловой изоляции выполняет воздушная рубашка, в пространстве которой движется и обновляется атмосферный воздух, который одновременно по ходу своего движения по образованному пространству воздушной рубашки нагревается от плавников и стенок газоходов от температуры наружного воздуха до 70°С и направляется в топку для горения топлива. Подогреваемый воздух можно использовать для воздушного отопления, например, теплиц, промышленных и административных зданий при избыточном дополнительном увеличении объема воздуха, подаваемого в образованное пространство воздушной рубашки, превышающего объем воздуха, необходимого для горения. В предлагаемом водогрейном котле тепловую энергию воспринимают два теплоносителя - вода и воздух, поэтому в нем практически 98% металла работает на теплообмен. При этом чем ниже температура воздуха в атмосфере, тем больше воздуха нужно для горения топлива, тем интенсивнее происходит отбор тепла от топочных газов, тем выше теплопроизводительность котла и теплогенератора (образованной воздушной рубашки) за счет естественного массового увеличения нагреваемого воздуха и естественного увеличения средней логарифмической разности температур в процессах теплообмена на газоплотных самокомпенсирующихся плавниках верхнего и промежуточных, переднего и заднего экранов, выполненных в виде криволинейной поверхности, и поверхностях газоходов.

Использование водогрейного котла, например, параллелепипедной формы в совокупности со всеми существенными признаками, включая отличительные, обеспечивает упрощение конструкции котла при расширении его функциональных возможностей, при этом одновременно происходит снижение теплового напряжения на корпус и экраны котла, атмосферный воздух подогревается параллельно с подогревом воды в трубах за счет температуры уходящих газов через поверхности нагрева плавников и стенки газоходов, уменьшение тепловых потерь в окружающую среду, увеличение поверхности нагрева, повышение газоплотности, его КПД и, как следствие, повышение теплопроизводительности и технологичности.

На фиг.1 схематично представлен водогрейный котел; на фиг.2 - вид А на фиг.1; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2; на фиг.4 - разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2; на фиг.6 - разрез Г-Г на фиг.2.

Водогрейный котел содержит размещенную в корпусе 1 топку 2 с верхним, передним, задним и боковыми экранами 3, 4, 5 и 6 соответственно. Верхний экран 3 выполнен из нечетных труб 7, четных труб 8 и газоплотных самокомпенсирующихся плавников 9, выполненных в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса 1, например части цилиндрической обечайки. Плавники 9 соединяют между собой только нечетные трубы 7, а четные трубы 8 плавники 9 огибают сверху.

Передний и задний 4 и 5 экраны выполнены соответственно из труб 10 и 11, соединенных газоплотными самокомпенсирующимися плавниками 12 и 13, выполненными в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса 1, например части цилиндрической обечайки.

Боковые экраны 6 выполнены из труб 14. Между боковыми экранами 6 и корпусом 1 установлены промежуточные экраны 15 с трубами 16, которые расположены со смещением относительно труб 14 боковых экранов 6 и снабжены соединяющими их между собой газоплотными самокомпенсирующимися плавниками 17 и дополнительными газоплотными самокомпенсирующимися плавниками 18, образующими в комплексе с трубами 16 конвективные газоходы 19. Плавники 17 и дополнительные плавники 18 труб 16 промежуточных экранов 15 выполнены в виде криволинейной поверхности, например части цилиндрической обечайки. Плавники 17 обращены выпуклостью в сторону топки 2, а дополнительные плавники 18 обращены выпуклостью в сторону корпуса 1. Между внутренними поверхностями корпуса 1 и газоплотными самокомпенсирующимися плавниками 9, 12, 13 и 18 соответственно верхнего, переднего, заднего и промежуточных экранов 3, 4, 5 и 15 образовано пространство 20 воздушной рубашки, подключенное к источнику внешнего атмосферного воздуха для организации циркуляции воздуха, нагрева его на поверхностях газоплотных самокомпенсирующихся плавников 9, 12, 13 и 18 со стороны корпуса 1 и последующего подвода в топку на горение топлива.

Движение нагреваемого атмосферного воздуха в пространстве 20 воздушной рубашки обеспечивает естественное разряжение дымовой трубы или циркуляцию, создаваемую вентилятором (не показано) при сжигании в топке, например, твердого топлива.

В корпусе 1 выполнен патрубок 21 подвода воздуха и патрубки 22 и 23 подвода и отвода воды.

Водогрейный котел работает следующим образом.

При сжигании топлива в топке 2 образующиеся топочные газы, поднимаясь к верхнему экрану 3, омывают трубы 11 и плавники 13 заднего экрана 5, трубы 14 боковых экранов 6, трубы 16 и с внешней стороны плавники 17 промежуточных экранов 15. Плавники 12 и 13 труб 10 и 11 переднего и заднего экранов 4 и 5 дополнительно отдают тепло воздуху, подаваемому в пространство 20 воздушной рубашки через патрубок 21, чем делают более интенсивный отбор тепла от топочных газов одновременно воде в трубах 10 и 11 переднего и заднего экранов 4 и 5 и циркулирующему атмосферному холодному воздуху в пространстве 20 воздушной рубашки.

Топочные газы в топке 2, достигнув верхнего экрана 3, отдают тепло воде, протекаемой в нечетных трубах 7 и четных трубах 8, также плавникам 9 с внутренней стороны. С плавников 9 тепловая энергия перетекает на нечетные трубы 7 и передается воде и одновременно с внешней стороны циркулирующему воздуху в пространстве 20 воздушной рубашки. Четные трубы 8 верхнего экрана 3 топочные газы омывают по всему периметру.

Охлажденные топочные газы на поверхностях нагрева верхних экранов 3 поступают в конвективные газоходы 19, где омывают плавники 17 и дополнительные плавники 18 с внутренней стороны и трубы 16 промежуточных экранов 15.

Одновременно топочные газы в конвективных газоходах 19 передают тепловую энергию через внешнюю поверхность дополнительных плавников 18 циркулирующему воздуху в пространстве 20 воздушной рубашки. Вследствие чего практически все поверхности нагрева котла работают на теплообмен и передают тепловую энергию одновременно двум теплоносителям - воде и воздуху. Каждый из теплоносителей имеет свою среднеарифметическую разность температур. Причем чем ниже температура атмосферного воздуха, тем выше среднеарифметическая разность температуры между топочными газами и наружным атмосферным воздухом, поступающим в пространство 20 воздушной рубашки, создаваемой на газоплотных самокомпенсирующихся плавниках 9, 12, 13 и 18.

Предлагаемый котел очень выгоден для ″северных стран″. Выполнение газоплотных самокомпенсирующихся плавников 9, 12, 13 и 18 в виде криволинейной поверхности, например части цилиндрической обечайки, позволяет каждому плавнику в отдельности и в совокупности отдельно взятого экрана работать при температурном расширении и сужении по принципу “мехов гармошки”, используя энергию атмосферного холода.

При охлаждении поверхностей нагрева верхнего, промежуточного, переднего и заднего экранов 3, 15, 4 и 5 холодный воздух практически не охлаждает их трубы 7, 8, 16, 10 и 11, так как плавники 9, 12, 13 и 18 крепятся к трубам своей выпуклостью в сторону корпуса 1, таким образом защищая неохваченные, обращенные в пространство 20 воздушной рубашки, поверхности нагрева труб тепловой завесой, исходящим от криволинейных поверхностей тепловым излучением, а сами неохваченные плавниками, оголенные для воздуха, поверхности нагрева находятся к тому же во впадинах между выпуклостями плавников 9, 12, 13 и 18. Кроме того, оголенные неохваченные плавниками поверхности нагрева труб 7, 8, 10, 11 и 16, составляющие 10-12% от их общей поверхности, дополнительно прогреваются за счет тепловой энергии, передаваемой теплопроизводительностью от плавников 9, 12, 13 и 18 на свою поверхность. Как следствие вышесказанному можно утверждать, что воздух в пространстве 20 воздушной рубашки нагревается, используя тепло только с плавников 9, 12, 13 и 18 или, другими словами, за счет тепловой энергии уходящих газов конвективных газоходов 19.

КПД нетто предлагаемого котла находится в пределах 92%, что недостижимо на известных современных котлах.

Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения. Котел содержит размещенную в корпусе топку с передним, задним и боковыми экранами из труб с плавниками, а также верхний экран из труб и установленные между боковыми экранами и корпусом промежуточные экраны, трубы которых расположены со смещением относительно труб соответствующих боковых экранов и снабжены двумя плавниками с образованием конвективных газоходов. Нечетные трубы верхнего экрана соединены между собой плавниками в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса, с огибанием ими сверху четных труб. Плавники, соединяющие смежные трубы переднего и заднего экранов, а также дополнительные плавники, соединяющие смежные трубы промежуточных экранов, выполнены в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса. Плавники труб верхнего, переднего и заднего экранов, а также дополнительные плавники труб промежуточных экранов выполнены газоплотными самокомпенсирующимися и размещены относительно боковой поверхности корпуса с образованием воздушной рубашки, в которой нагревается воздух, подводимый на горение. Изобретение обеспечивает повышение КПД котла и упрощение его конструкции. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Водогрейный котел, содержащий размещенную в корпусе топку с передним, задним и боковыми экранами из труб с плавниками, а также верхний экран из труб и установленные между боковыми экранами и корпусом промежуточные экраны, трубы которых расположены со смещением относительно труб соответствующих боковых экранов и снабжены плавниками, соединяющими их между собой, отличающийся тем, что нечетные трубы верхнего экрана соединены между собой плавниками в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса, с огибанием ими сверху четных труб, при этом смежные трубы промежуточных экранов снабжены дополнительными плавниками, соединяющими их между собой с образованием конвективных газоходов, кроме того, плавники, соединяющие смежные трубы переднего и заднего экранов, а также дополнительные плавники, соединяющие смежные трубы промежуточных экранов, выполнены в виде криволинейной поверхности, обращенной выпуклостью в сторону корпуса, при этом плавники труб верхнего, переднего и заднего экранов, а также дополнительные плавники труб промежуточных экранов выполнены газоплотными самокомпенсирующимися и размещены относительно боковой поверхности корпуса с образованием воздушной рубашки, пространство которой подключено к источнику внешнего атмосферного воздуха, для циркуляции и нагрева в ней воздуха, который затем подводится в топку на горение топлива.2. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что четные трубы верхнего экрана выполнены без плавников.3. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что газоплотные самокомпенсирующиеся плавники, соединяющие смежные трубы переднего и заднего экранов, а также дополнительные газоплотные самокомпенсирующиеся плавники, соединяющие смежные трубы, выполнены в виде части цилиндрической обечайки, обращенной выпуклостью в сторону корпуса.4. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что плавники труб промежуточных экранов выполнены газоплотными самокомпенсирующимися в виде части цилиндрической обечайки, обращенной выпуклостью в сторону топки.