ТОПКА Российский патент 2007 года по МПК F23C5/28 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на котлах тепловых электростанций, сжигающих органическое топливо.

Известна топка, содержащая потолочное перекрытие и прямые вертикальные стены, имеющие, по крайней мере, одно газоотводящее окно, с собственным потолочным перекрытием, причем уровни установки топочного и оконного перекрытий совпадают между собой; в нижней части топки установлены горелки; стены экранированы трубной системой теплоохлаждения факела и нагрева пароводяной среды; газоотводящее окно подключено к газоходу котла, имеющему пароперегревательные поверхности (см., например книгу В.А.Спейшер, А.Д.Горбаненко. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М.: Энергоиздат. 1982. С.150. рис.6.1.). При сжигании топлива, вводимого через горелки, образуется высокотемпературный факел, передающий тепло испарительным поверхностям нагрева, размещаемым на стенах топки; охлажденный факел в виде потока продуктов сгорания выводится через газоотводящее окно в подключенный газоход с пароперегревателем. Недостаток топки - высокий уровень температуры продуктов сгорания в газоотводящем окне, вызывающий перегревы труб пароперегревателя, а при сжигании твердого топлива - сильное их загрязнение с нарушением теплообменных характеристик и снижением надежности.

Известна также топка, содержащая вертикальные стены, подовое и потолочное перекрытия, экранированные поверхностями нагрева, горелки и газозаборные окна, размещенные на стенах вблизи пода и ближе к середине высотной отметки топки. А также боковое газоотводящее окно, размещенное на стене со стороны потолочного перекрытия (см. книгу Д.М.Хзмалян, Я.А.Коган. Теория горения и топочные устройства. М.: Энергия. 1976. С.409-414. рис.19-7; рис.19-8). Через газозаборные окна часть горячих продуктов сгорания отбирают на сушку очень влажного топлива непосредственно в мельничные устройства; те же охлажденные в мельницах газы вместе с влагой и приготовленной пылью сбрасывают через горелки снова в топку. Основной же поток дымовых газов отводят через газовыпускное окно топки в поворотный и вертикальный газоходы с пароперегревателями и воздухоподогревателями. Недостаток устройства - также высокий уровень температуры дымовых газов в газовыводящем окне, что приводит к перегревам и загрязнению труб пароперегревателей.

Известна также топка, содержащая вертикальные стены, подовое и потолочное перекрытия с экранированными поверхностями нагрева, горелками, установленными как на стенах со стороны пода, так и в поду, боковое газоотводящее окно, размещенное на стене со стороны потолочного перекрытия; стена топки перед газоотводящим окном имеет газодинамический пережим, а участок топки, примыкающий к потолочному перекрытию, имеет встроенные поверхности нагрева (см. книгу В.А.Спейшер, А.Д.Горбаненко. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках. М.: Энергоиздат. 1982. С.152-156. рис.6.3 - рис.6.6). Независимо от места размещения горелок, наличия или отсутствия пережима топка имеет тот же недостаток - высокий уровень температуры в газоотводящем окне. При этом выведенные в топку поверхности нагрева для снижения температуры в газоотводящем окне сами подвергаются высокотемпературному облучению, перегревам и загрязнению.

Известна также топка с симметричным размещением газоотводящих окон на вертикальных стенах, имеющих такие же пережимы и поверхности нагрева на участке, примыкающем к потолку; для интенсификации теплообмена в центральной части топки установлены двухсветные экраны (см. книгу М.А.Стыркович, К.Я.Катковская, Е.П.Серов. Парогенераторы электростанций. М. - Л.: Энергия. 1966. С.372. рис.24-7). Топка имеет те же недостатки; при этом двухсветные экраны недостаточно эффективно снижают температуру центральных слоев факела.

Известна топка, содержащая вертикальные стены с пережимами перед газоотводящими окнами и потолочное перекрытие, размещенное выше перекрытий газоотводящих окон, а также поверхности нагрева, примыкающие к потолочному перекрытию (см. а.с. СССР №1372151, МПК F22B 31/00 от 14.08.86 г.; БИ №5 от 1988 г.). При использовании топки снижаются тепловые и газодинамические перекосы в подключенных газоходах, и повышается надежность работы поверхностей нагрева, размещаемых в этих газоходах за газоотводящими окнами. Однако по-прежнему не решается проблема надежности поверхностей нагрева, встроенных в топку перед ширмами. Основной газодинамический недостаток топки - потеря эффективности снижения тепловой неравномерности в отсутствие пережимов в топке с прямыми вертикальными стенами.

Известна топка, содержащая прямые вертикальные стены, потолочное перекрытие и газоотводящее окно также с вертикальными стенами, подовым и потолочными перекрытиями, причем вертикальные стены и потолочное перекрытие выполнены прямыми участками, подовое - конфузорным (см. М.А.Стыркович, К.Я.Катковская, Е.П.Серов. Парогенераторы электростанций. М. - Л.: Энергия. 1966. С.373. рис.24-8). Отвод продуктов сгорания через такое окно является недостаточно эффективным в газодинамическом плане: формирует высокий уровень неравномерности температуры и скорости, что снижает тепловосприятие пароперегревателя, размещаемого за газоотводящим окном.

Известна также топка, содержащая потолочное перекрытие и прямые вертикальные стены, имеющие, по крайней мере, одно газоотводящее окно с собственным потолочным перекрытием, причем перекрытие газоотводящего окна смещено вверх относительно потолочного перекрытия топки; газозаборное окно имеет прямые вертикальные стены, конфузорное подовое перекрытие; потолочное перекрытие окна имеет диффузорную форму (см. книгу Л.Н.Сидельковский, В.Н.Юренев. Парогенераторы промышленных предприятий. М.: Энергия. 1978. С.193. рис.13-7). Топка имеет тот же недостаток - высокий уровень температуры и тепловой неравномерности в газоотводящем окне, невысокую надежность и малоэффективную работу пароперегревателя, установленного за газоотводящим окном.

Задача настоящего изобретения - активизировать процесс охлаждения топочного факела со снижением уровня температуры и тепловой неравномерности перед газовыпускными окнами и повышением надежности работы поверхностей нагрева, размещаемых в топке и газоходах котла.

Для решения этой задачи в топке, содержащей экранированные поверхностями нагрева потолочное перекрытие и прямые вертикальные стены, оборудованные, по крайней мере, одним газоотводящим окном, имеющим со стороны топки входное сечение, собственное потолочное перекрытие, смещенное вниз относительно экранированной поверхности потолочного перекрытия топки, прямые вертикальные стены и конфузорное подовое перекрытие, согласно изобретению смещение между экранированной поверхностью потолочного перекрытия топки и потолочным перекрытием газоотводящего окна во входном сечении составляет 1,05-2,5 его высоты, потолочное перекрытие газоотводящего окна выполнено с конфузорным профилем, а конфузорные углы потолочного и подового перекрытий в газоотводящем окне равны 6-12 град.

Смещением потолочных перекрытий топки и газоотводящего окна достигается дополнительное охлаждение факела перед окном за счет активной циркуляции газовой среды в припотолочной области топки и радиационного теплообмена. Выполнением профиля окна конфузорным при поддержании межпотолочного смещения в диапазоне 1,05-2,5 высоты газоотводящего окна и конфузорных углов в диапазоне 6-12 град достигается минимизация тепловой неравномерности перед пароперегревателями, размещаемыми за газоотводящим окном, повышение эффективности их тепловосприятия и надежности.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема топки с настенными горелками, одним газоотводящим окном и подключенным к нему газоходом; на фиг.2 - схема топки с подовыми горелками и одним газоотводящим окном; на фиг.3 - схема топки с двумя симметрично размещенными газоотводящими окнами; на фиг.4 - схема припотолочного участка топки с газоотводящим окном и дополнительными ширмовыми поверхностями нагрева.

Топка на фиг.1 имеет прямые вертикальные стены 1, потолочное 2 и подовое 3 перекрытия, установленные на одной из стен 1 горелки 4, на другой, противоположной, - газоотводящее окно 5, поверхности нагрева 6 и 7, экранирующие стены 1 с подом 3 и потолочное перекрытие 2 соответственно; окно 5 имеет входное сечение 8, прямые вертикальные стены 9, потолочное 10 и подовое 11 конфузорные перекрытия; потолочное перекрытие 10 газоотводящего окна 5 в сечении 8 смещено вниз относительно экранирующей поверхности 8 потолочного перекрытия 2 топки на ΔН=(1,05-2,5)Н, где Н - высота окна в сечении 7, м; конфузорные углы α и β потолочного 10 и подового 11 перекрытий в газоотводящем окне 5 равны соответственно α=6-12 град, β=6-12 град. К окну 5 подключен газоход 12 с пароперегревателем 13.

Работа топки по фиг.1 осуществляется путем подачи через горелки 4 топлива и воздуха, которые при экзотермическом взаимодействии между собой образуют факел 14, имеющий высокий уровень температуры. Охлаждение факела 14 осуществляется первоначально радиационным отводом тепла к экранирующим стены 1 поверхностям нагрева 6. Перед входным сечением 8 в газоотводящее окно 5 факел активно охлаждается циркулирующим в верхней части топки потоком продуктов сгорания 15, отдающим в свою очередь тепло поверхностям 6, 7. При смещении перекрытия 10 относительно поверхности 7 на потолке 2 в верхней части топки формируется теплогазодинамический карман-ловушка, обеспечивающий дополнительный отвод лучистых потоков тепла из центральных участков факела, активизирующий его турбулентный обмен с поверхностями 6, 7 через циркулирующий поток 15. Реализацией заявленных диапазонов параметра смещения ΔН=(1,05-2,5)Н и значений конфузорных углов α=6-12 град и β=6-12 град достигается минимизация тепловой неравномерности на входе в пароперегреватель 13 и увеличение его теплопроизводительности при одновременном повышении надежности. Вывод продуктов сгорания из газохода 12 осуществляется дымососом через дымовую трубу в атмосферу (на фиг.1 они не показаны).

Топка на фиг.2 имеет те же обозначения и позиции, что и устройство на фиг.1. Здесь горелки 4 установлены в поду 3, и факел 14 более равномерно заполняет внутренний объем топки.

Работа топки на фиг.2 аналогична работе устройства на фиг.1.

Топка на фиг.3 имеет те же обозначения и позиции, что и устройство на фиг.1. Наличие второго симметричного газоотводящего окна 5 формирует и симметричную циркуляцию продуктов сгорания 15 в верхней части топки.

Работа топки на фиг.3 аналогична работе устройства на фиг.1.

Практическое использование топки связано с котлами электростанций и отопительных котельных, сжигающих органическое топливо. При сжигании топлива в топке образуется факел с высокими теплосодержанием и температурой. При передаче тепла настенным поверхностям нагрева факел охлаждается. Выполнение топки со смещением газоотводящего окна относительно поверхности 7 потолка 2 формирует дополнительный участок охлаждения факела перед газоотводящим окном. Здесь факел отдает свое тепло посредством радиационного теплообмена, а также турбулентного массообмена с циркулирующей в припотолочной области более холодной газовой средой. Испытания газодинамической модели топки, оборудованной прямыми вертикальными стенами и газоотводящим окном, в соответствии со схемой на фиг.1 при размещении горелок на одной из стен, выявили зависимость эффективности теплового выравнивания потока за газоотводящим окном от величины межпотолочного смещения «ΔН» и конфузорных углов «α» и «β» в проеме газоотводящего окна. Так при фиксированных ΔН/Н; α=9 град; β=9 град уровень скоростной неравномерности в потоке, покидающем топку, W^м/W_ср=1,005, а температурной - . (Н - высота газоотводящего окна в сечении входа, м; W^м, W_ср - максимальная и средняя скорости потока, м/с; Т^м, Т_ср - максимальная и средняя температуры потока, К). При незначительных отклонениях ΔН, α, β в большую или меньшую стороны параметры W^м/W_ср и практически не изменялись. Как только хотя бы один из параметров достигал определенного граничного значения, а именно: ΔН/Н=1,05; ΔН/Н=2,5; α=6 град; α=12 град; β=6 град; β=12 град контролируемая неравномерность газодинамических величин увеличивалась до W^м/W_ср=1,007-1,011; . Как только хотя бы один из параметров отклонялся выше или ниже своего граничного значения ΔН/Н<1,05; ΔН/Н<2,5; α<6 град; α>12 град; β<6 град; β>12 град газодинамическая неравномерность резко скачкообразно увеличивалась: W^м/W_ср=1,1-1,2; , что говорило о существовании оптимальных диапазонов конструктивных параметров именно: ΔН/Н=1,05-2,5; α=6-12 град; β=6-12 град. Чрезмерное отклонение одного из углов α или β от оптимального диапазона приводил к сильному высотному смещению выводимого потока перед пароперегревателем; отклонение ΔН/Н>2,5 вызывало циркуляцию по ширине проема газоотводящего окна, а ΔН/Н<1,05 - циркуляцию в приподовой зоне и смещение максимума к потолочному перекрытию газоотводящего окна. Те же результаты получаются при испытании моделей с газодинамическими схемами на фиг.2 и фиг.3. На результаты существенного влияния не оказывают ни схема размещения горелок в нижней части топки, ни введение дополнительного симметричного газоотвода в нижней ее части. При работе топки, оборудованной газоотводящим окном с ΔН=(1,05-2,5)Н; α=6-12 град; β=6-12 град, достигаются наиболее ровные тепловые (температурные и скоростные) поля перед пароперегревателями, чем обеспечивается максимальный теплосъем и надежность их работы. Для более эффективного охлаждения факела 14 перед входным сечением газоотводящего окна 5 в припотолочном кармане-ловушке тепловых потоков может быть установлен радиационно-конвективный ширмовый теплообменник 16, показанный на фиг.4. Там же нанесены обозначения смещения «ΔН», конфузорных углов «α» и «β», высоты «Н» и ширины «в» газоотводящего окна 5. Практическое значение последнего параметра в=(0,1-0,5)Н.

Устройство относится к энергетике и может быть использовано на котлах тепловых электростанций, сжигающих органическое топливо. Совершенствуется топка, содержащая экранированные поверхностями нагрева потолочное перекрытие и прямые вертикальные стены, оборудованные, по крайней мере, одним газоотводящим окном, имеющим со стороны топки входное сечение, собственное потолочное перекрытие, смещенное вниз относительно экранированной поверхности потолочного перекрытия топки, прямые вертикальные стены и конфузорное подовое перекрытие. Особенностью устройства является выполнение смещения между экранированной поверхностью потолочного перекрытия топки и потолочным перекрытием газоотводящего окна во входном сечении, равного по величине 1,05-2,5 его высоты, потолочного перекрытия газоотводящего окна с конфузорным профилем, а конфузорных углов потолочного и подового перекрытий в газоотводящем окне, равных по величине 6-12 град. 4 ил.

Топка, содержащая экранированные поверхностями нагрева потолочное перекрытие и прямые вертикальные стены, оборудованные, по крайней мере, одним газоотводящим окном, имеющим со стороны топки входное сечение, собственное потолочное перекрытие, смещенное вниз относительно экранированной поверхности потолочного перекрытия топки, прямые вертикальные стены и конфузорное подовое перекрытие, отличающаяся тем, что смещение между экранированной поверхностью потолочного перекрытия топки и потолочным перекрытием газоотводящего окна во входном сечении составляет 1,05-2,5 его высоты, потолочное перекрытие газоотводящего окна выполнено с конфузорным профилем, а конфузорные углы потолочного и подового перекрытий в газоотводящем окне равны 6-12 град.