ВОДОГАЗОТРУБНЫЙ КОТЕЛ WGBS Российский патент 2005 года по МПК F22B21/04 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а конкретно к котлостроению, и может быть использовано в паровых котлах для стационарной и транспортной энергетики.

Известен паровой водотрубный котел финской фирмы "Раума-Репола" типа UNEX NA, содержащий скрепленные друг с другом пароводяной и водяной барабаны горообразной формы с плоскими верхним днищем и трубной доской посредством двух рядов вертикальных испарительных труб. Топочное устройство расположено по оси котла над пароводяным барабаном, а топочное пространство в виде топки снабжено с внешней стороны радиационной поверхностью теплообмена в виде первого и второго рядов труб, образующих в совокупности трубный пучок. Газы из топки проходят через пучок труб и отводятся в газоотводный патрубок (см. в кн. Енин В.И. и др. Судовые котельные установки. М.: Транспорт, 1993. с.107, 109-110). Недостатками известного парового водотрубного котла являются:

- низкая эффективность конвективного теплообмена и в результате низкий КПД котла вследствие малого числа труб в газоходе (два ряда) и низкой скорости газового потока в межтрубном пространстве газохода вследствие большой высоты и свободной (в свету) площади поперечного сечения газохода внешнего пространства топки;

- трудность очистки межтрубного пространства газохода вследствие его недоступности для осмотра состояния или механической чистки.

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

Известен паровой водогазотрубный котел, содержащий пароводяной барабан, образованный верхней и нижней образующими в плоском исполнении а также вертикальными внутренней и внешней цилиндрическими обечайками, водяной коллектор, элементы воздуховода и газохода с последовательным по ходу воздуха и газов расположением патрубка подвода воздуха, топочного устройства, топки с внешней водотрубной испарительной поверхностью теплообмена, образованной кольцевым вертикальным рядом испарительных труб, размещенных вокруг топки, дымогарного участка и газоотводной камеры (см. А.С. SU 8945, F 22 В 21/06, 30.04.1929 г.). Этот котел, как наиболее близкий, выбран в качестве прототипа заявляемого решения по большинству признаков.

Недостатками известного парового котла являются:

- недостаточная эффективность теплообмена водотрубной части поверхности теплообмена, поскольку испарительные трубы воспринимают теплоту только половиной своей поверхности, обращенной в сторону внутреннего объема топочного пространства;

- использование в качестве элемента теплообмена дымогарной трубы, отличающейся низкой эффективностью теплообмена;

- низкая эффективность циркуляции воды и пароводяной смеси, в том числе и в районе дымогарной трубы пароводяного барабана и, как следствие, образование отложений в нем, отложений с последующим развитием усталостных трещин в процессе эксплуатации.

Таким образом, паровой котел - прототип имеет существенные конструктивные недостатки, снижающие технико-экономические показатели эксплуатации котла.

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

- обеспечение эффективного теплообмена в водотрубной и газотрубной частях котла с исключением развития усталостных трещин в эксплуатации;

- повышение эффективности теплообмена за счет привлечения использования дополнительной поверхности теплообмена;

- обеспечение надежной циркуляции воды и пароводяной смеси в пароводяном барабане.

Поставленная задача достигается тем, что в известном паровом котле, содержащем пароводяной барабан, образованный верхней и нижней образующими в плоском исполнении, а также вертикальными внутренней и внешней цилиндрическими обечайками, водяной коллектор, элементы воздуховода и газохода с последовательным по ходу воздуха и газов расположением патрубка подвода воздуха, топочного устройства, топки с внешней водотрубной испарительной поверхностью теплообмена, образованной кольцевым вертикальным рядом испарительных труб, расположенных вокруг топки, дымогарной трубы и газоотводной камеры, в отличие от него в заявляемом дополнительно имеется кольцевой пароводяной коллектор, размещенный над топкой в пространстве внутренней обечайки пароводяного барабана. Внешняя водотрубная испарительная поверхность теплообмена, размещенная вокруг топки, образована кольцевым вертикальным рядом труб с шагом, равным наружному их диаметру, размещенным в пространстве на внешней поверхности топки с отстоянием окружности кольца ряда от внутренней цилиндрической обечайки пароводяного барабана на величину, равную двум-трем наружным диаметрам труб кольцевого ряда. При этом кольцевой ряд труб содержит два кольцевых пучка чередующихся между собой труб, первый из которых выполнен с шагом по периметру, равным двойному наружному диаметру этих труб, и сообщен по каждой трубе пучка в верхней и нижней ее оконечности с полостью пароводяного барабана, а второй пучок, также выполненный с шагом по периметру, равным двойному наружному диаметру труб, аналогично сообщен по каждой его трубе в нижней и верхней ее оконечности с кольцевыми соответственно водяным и пароводяным коллекторами, сообщенными с пароводяным барабаном посредством соответственно водяных и пароводяных патрубков. Между кольцевым рядом труб и внутренней цилиндрической обечайкой пароводяного барабана размещен газоход с вертикальными и горизонтальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода со спирально-кольцевым восходящим движением газового потока, сообщенный в нижней части с нижней частью топки а в верхней части с дымогарной трубой, скрепленной с внутренней и внешней цилиндрическими обечайками пароводяного барабана и газоотводной камерой. При этом топочное устройство расположено в верхней части котла и совмещено с его осью, а внешний диаметр кольцевых водяного и пароводяного коллекторов не превышает диаметра топки. Целесообразно такое выполнение воздуховода, при котором воздуховод дополнительно содержит теплосохраняющий воздухоподогреватель, размещенный в пространстве между внешней обечайкой пароводяного барабана и наружной обечайкой котла, снабженный вертикальными и горизонтальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков воздуховода со спирально-кольцевым движением воздушного потока и связанный на входе с патрубком подвода воздуха, а на выходе с топочным устройством.

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

Размещение в пространстве на внешней поверхности топки кольцевого ряда труб на расстоянии двух-трех наружных диаметров труб от внутренней цилиндрической обечайки пароводяного барабана позволяет, во-первых, образовать газоход в промежутке между внешней поверхностью топки и внутренней цилиндрической обечайкой пароводяного барабана, во-вторых, использовать для конвективного теплообмена, что увеличивает его эффективность, внешнюю поверхность кольцевого ряда испарительных труб и поверхность внутренней цилиндрической обечайки пароводяного барабана.

Размещение в указанном газоходе вертикальных и горизонтальных перегородок с образованием нескольких последовательных участков газохода со спирально-кольцевым движением газового потока позволяет оптимизировать скорость газового потока и получить высокую эффективность теплообмена между газами и поверхностью стен с увеличением длины газохода и времени контакта между теплообменивающимися средами. При этом упомянутые перегородки обеспечивают увеличение прочности цилиндрической части внутренней обечайки пароводяного барабана. Сообщение упомянутого газохода с объемом топочного пространства в нижней части и с дымогарной трубой в верхней его части позволяет создать восходящее движение газового потока и уменьшить аэродинамическое сопротивление газохода.

Размещение в кольцевом ряду труб вокруг топки двух пучков труб, один из которых выполнен с шагом по периметру, равным двойному наружному диаметру труб, и сообщен в верхней и нижней оконечности с пароводяным барабаном, а другой, также выполненный с шагом по периметру, равным двойному наружному диаметру труб, сообщен в нижней и верхней оконечности с кольцевыми соответственно водяным и пароводяным коллекторами с внешним диаметром несколько меньшим внутреннего диаметра топки, позволяет обеспечить доступ к внутреннему пространству газохода для его осмотра и очистки в процессе эксплуатации путем смещения второго пучка относительно первого в осевом направлении топки после отключения от водяных и пароводяных патрубков посредством использования разборных соединений, сообщенных с пароводяным барабаном.

Размещение в воздуховоде в пространстве между внешней обечайкой пароводяного барабана и наружной обечайкой котла дополнительно теплосохраняющего воздухоподогревателя, снабженного вертикальными и горизонтальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков воздуховода со спирально-кольцевым движением воздушного потока и связанным на входе с патрубком подвода воздуха, а на выходе с топочным устройством, позволяет при таком исполнении воздуховода, во-первых, уменьшить потерю теплоты в окружающее пространство котлом и тем самым увеличить КПД котла, во-вторых, уменьшить расход изоляционных материалов на внешней поверхности обечайки котла, в-третьих, увеличить температуру газов в объеме топочного пространства за счет подачи подогретого воздуха в топку с увеличением эффективности радиационного теплообмена в топке, в-четвертых, исключить вероятность сернокислотной коррозии при установке в котле дополнительного газового воздухоподогревателя, в-пятых, улучшить циркуляцию воды и пароводяной смеси в пароводяном барабане за счет некоторого охлаждения внешней обечайки пароводяного барабана с созданием опускного движения воды без паровых пузырей в пристенном слое внешней обечайки барабана.

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

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

Паровой котел имеет следующее устройство. Паровой котел содержит (фиг.1) пароводяной барабан 1 с пространством, образованным внутренней 2 и внешней 3 цилиндрическими обечайками, сопряженными с плоскими верхним 4 и нижним 5 днищами. По оси пароводяного барабана расположена топка 6, внешняя боковая поверхность которой образована кольцевым рядом труб 7, установленных с шагом, равным наружному диаметру труб. Данный кольцевой ряд труб образован двумя кольцевыми пучками чередующихся между собой труб 8 и 9 с шагами по окружности каждого, равными двойному наружному диаметру труб. При этом верхние и нижние оконечности труб пучка 8 сообщены через внутреннюю обечайку 2 с полостью пароводяного барабана, а верхние и нижние оконечности труб пучка 9 сообщены соответственно с полостями кольцевых пароводяного 10 и водяного 11 коллекторов. Коллекторы 10 и 11 сообщены посредством пароводяных 12 и водяных 13 патрубков через внутреннюю обечайку 2 с полостью пароводяного барабана. Внешний диаметр кольцевых коллекторов 10 и 11 несколько меньше диаметра топки и внутреннего диаметра кольцевого ряда труб 7. Окружность кольцевого ряда труб 7 отстоит от внутренней цилиндрической обечайки 2 на величину, равную 2-3 наружным диаметрам труб 7, что соответствует соотношению, что диаметр кольцевого ряда труб 7 меньше диаметра внутренней обечайки 2 на четыре - шесть внешних диаметра труб 7. Пространство между кольцевым рядом труб 7 и внутренней обечайкой 2 образует газоход 14, содержащий вертикальные 15 и горизонтальные 16 перегородки, которые делят газоход 14 на последовательные участки газоходов с восходящим спирально-кольцевым движением газового потока. Выход газов из топки 6 сообщен с входом газохода 14 в нижней части топки в промежутках между трубами 8 и 9, а выход газов из газохода 14 сообщен с дымогарной трубой 17, скрепленной с обечайками 2 и 3 барабана и газоотводной камерой (не показана).

На некотором расстоянии от внешней обечайки 3 пароводяного барабана расположена наружная цилиндрическая обечайка котла 18 с установленным на ней патрубком подвода воздуха 19. Пространство между обечайками 3 и 18 образует теплосохраняющий воздухоподогреватель в виде воздуховода 20, снабженный вертикальными 21 и горизонтальными 22 перегородками. Перегородки 21 и 22 в совокупности образуют воздуховод с восходящим спирально-кольцевым движением воздушного потока, который на выходе связан с топочным устройством 23 котла. Топочное устройство 23 расположено в верхней части котла и совмещено с осью топки 6.

Под топки 6 в нижней части снабжен тепловой изоляцией 24 из жаропрочного материала (кирпича), совмещенной с уровнем водяного коллектора 11.

Водогазотрубный котел используют следующим образом. Воздух от котельного вентилятора (не показан) подводится к патрубку подвода воздуха 19. Далее воздух проходит через теплосохраняющий воздухоподогреватель в виде воздуховода 20 и после некоторого нагрева от контакта с наружной обечайкой 3 пароводяного барабана поступает к топочному устройству 23, как показано светлыми стрелками на фиг.1 и 2. К топочному устройству 23 подводится также топливо от топливного насоса (не показано). Образовавшаяся в устройстве 23 топливо-воздушная смесь поступает в топку 6 и горит в виде факела с выделением теплоты. Радиационная часть теплоты факела воспринимается внутренней поверхностью теплообмена кольцевого притопочного ряда труб 7. В районе нижних участков испарительных труб пучков 8 и 9 продукты сгорания из нижней части топки 6 между трубами 8 и 9 поступают в нижнюю часть газохода 14, снабженного горизонтальными 22 и вертикальными 21 перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода 14 со спирально-кольцевым движением газового потока, как показано светлыми стрелками на фиг.1 и 2. За счет конвективного теплообмена температура газов на выходе из газохода 14 снижается, а теплота передается внешней поверхности испарительных труб 7 и внутренней поверхности обечайки 2 пароводяного барабана 1. Далее газы из верхнего участка газохода 14 поступают в дымогарную трубу 17. Здесь происходит окончательный отвод теплоты от газов к стенкам дымогарной трубы 17, выполняющей функцию испарительной трубы. Охлажденные газы от котла отводятся посредством газоотводной камеры к дымовой трубе или газовому воздухоподогревателю (не показаны).

Питательную воду подают в пароводяной барабан 1. При подводе теплоты от газов к испарительным трубам 7 и внутренней поверхности обечайки 2 образуется пар, который в виде пароводяного потока движется снизу-вверх внутри труб 7 и в пристенном слое обечайки 2, как показано светло-темными стрелками на фиг.1. В пристенном слое обечайки 3 за счет ее охлаждения воздухом со стороны теплосохраняющего воздухоподогревателя 20 обеспечивается устойчивое опускное движение воды, как показано темными стрелками на фиг.1. Так обеспечивается циркуляция воды и пароводяной смеси в котле.

Очистку внутреннего пространства газохода 14 от отложений осуществляют следующим образом. Демонтируют топочное устройство 23 и фиксируют положение кольцевого коллектора 10 посредством грузоподъемного устройства (не показано). Затем снимают крепежные детали с фланцев патрубков 12 и 13 и опускают пучок труб 9 с коллекторами 10 и 11 в нижнее пространство под пароводяным барабаном 1. Осуществляют очистку трубной части и внешней поверхности обечайки 2 от отложений через зазоры между трубами пучков 8 и 9. Затем осуществляют подъем и установку пучка труб 9 с коллекторами 10 и 11 на штатное место с установкой крепежных деталей, убирают грузоподъемное устройство и устанавливают топочное устройство на штатное место. После операции опрессовки на плотность соединений котел может быть запущен в работу.

Эта операция по очистке газохода 14 связана с необходимостью свободного пространства под нижним уровнем пароводяного барабана 1 с высотой не менее высоты пучка труб 9. Указанная операция по демонтажу пучка труб 9 с коллекторами 10 и 11 обеспечивает удобство по необходимому ремонту или замене поверхности теплообмена в процессе эксплуатации.

Изобретение предназначено для производства пара и может быть использовано в теплоэнергетике. В котле внешняя поверхность теплообмена образована кольцевым вертикальным рядом труб с шагом, равным наружному их диаметру, размещенным в пространстве на внешней поверхности топки с отстоянием окружности кольца ряда от внутренней цилиндрической обечайки пароводяного барабана на величину, равную двум-трем наружным диаметрам труб кольцевого ряда, и содержащим два кольцевых пучка, чередующихся между собой труб, первый из которых выполнен с шагом по периметру равным двойному наружному диаметру этих труб и сообщен по каждой трубе пучка в верхней и нижней ее оконечности с полостью пароводяного барабана, а второй пучок, также выполненный с шагом по периметру, равным двойному наружному диаметру труб, аналогично сообщен по каждой его трубе в нижней и верхней ее оконечности с кольцевыми, соответственно, водяным и пароводяным коллекторами, сообщенными с пароводяным барабаном посредством соответственно водяных и пароводяных патрубков. Между кольцевым рядом труб и внутренней цилиндрической обечайкой пароводяного барабана размещен газоход с вертикальными и горизонтальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода со спирально-кольцевым восходящим движением газового потока, сообщенный в нижней части с нижней частью топки, а в верхней части с дымогарной трубой. Топочное устройство расположено в верхней части котла и совмещено с его осью, а внешний диаметр кольцевых водяного и пароводяного коллекторов не превышает диаметра топки. Изобретение обеспечивает улучшение конструктивных, технико-экономических и эксплуатационных характеристик котла. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Водогазотрубный котел, содержащий пароводяной барабан, образованный верхней и нижней образующими в плоском исполнении, а также вертикальными внутренней и внешней цилиндрическими обечайками, водяной коллектор, элементы воздуховода и газохода с последовательным по ходу воздуха и газов расположением патрубка подвода воздуха, топочного устройства, топки с внешней водотрубной испарительной поверхностью теплообмена, образованной кольцевым вертикальным рядом испарительных труб, расположенным вокруг топки, дымогарной трубы и газоотводной камеры, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кольцевой пароводяной коллектор, размещенный над топкой в пространстве внутренней обечайки пароводяного барабана, внешняя водотрубная испарительная поверхность теплообмена, размещенная вокруг топки, образована кольцевым вертикальным рядом труб с шагом, равным наружному их диаметру, размещенным в пространстве на внешней поверхности топки с отстоянием окружности кольца ряда от внутренней цилиндрической обечайки пароводяного барабана на величину, равную двум-трем наружным диаметрам труб кольцевого ряда, и содержащим два кольцевых пучка чередующихся между собой труб, первый из которых выполнен с шагом по периметру, равным двойному наружному диаметру этих труб, и сообщен по каждой трубе пучка в верхней и нижней ее оконечности с полостью пароводяного барабана, а второй пучок, также выполненный с шагом по периметру, равным двойному наружному диаметру труб, аналогично сообщен по каждой его трубе в нижней и верхней ее оконечности с кольцевыми соответственно водяным и пароводяным коллекторами, сообщенными с пароводяным барабаном посредством соответственно водяных и пароводяных патрубков; между кольцевым рядом труб и внутренней цилиндрической обечайкой пароводяного барабана размещен газоход с вертикальными и горизонтальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков газохода со спирально-кольцевым восходящим движением газового потока, сообщенный в нижней части с нижней частью топки, а в верхней части - с дымогарной трубой, скрепленной с внутренней и внешней цилиндрическими обечайками пароводяного барабана и газоотводной камерой, причем топочное устройство расположено в верхней части котла и совмещено с его осью, а внешний диаметр кольцевых водяного и пароводяного коллекторов не превышает диаметра топки.2. Водогазотрубный котел по п.1, отличающийся тем, что воздуховод дополнительно содержит теплосохраняющий воздухоподогреватель, размещенный в пространстве между внешней обечайкой пароводяного барабана и наружной обечайкой котла, снабженный вертикальными и горизонтальными перегородками с образованием нескольких последовательных участков воздуховода со спирально-кольцевым движением воздушного потока и связанный на входе с патрубком подвода воздуха, а на выходе - с топочным устройством.