УТИЛИЗАЦИОННЫЙ ПАРОВОЙ КОТЕЛ СЕНЯ Российский патент 2010 года по МПК F22B1/18 

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

Известен утилизационный паровой котел КУП - 80С с принудительной циркуляцией, содержащий вертикальные коллекторы водяной и пароводяной смеси, сообщенные друг с другом поверхностью теплообмена в виде горизонтальных змеевиков, внутреннюю и внешнюю газоплотные цилиндрические обечайки, с приемной и выпускной камерами, сообщенными соответственно с выпускным патрубком газохода двигателя и дымовой трубой (см. в кн. Хряпченков А. С. Судовые вспомогательные и утилизационные котлы. Л.: Судостроение, 1988, с.187, 190-193).

Недостатками известного утилизационного парового котла являются:

- наличие принудительной циркуляции предполагает использование циркуляционного насоса производительностью в несколько раз большей производительности котла, в результате высокие затраты на привод насоса;

- невозможность использования котла для увеличенного расхода газов от более мощного двигателя, поскольку поперечное сечение газохода рассчитано только на определенную величину расхода газов, в результате узкий диапазон использования котла по мощности двигателя;

- повышенное давление пароводяной смеси в трубах определяет повышенную температуру насыщения и сниженный температурный напор теплообменивающихся сред, что предопределяет увеличение требуемой поверхности теплообмена котла и повышенное сопротивление газохода.

Указанные недостатки ограничивают использование известного утилизационного парового котла с принудительной циркуляцией в судовых и стационарных условиях.

Известен утилизационный паровой котел КУП - 135 с естественной циркуляцией, содержащий горизонтальные пароводяной и водяной коллекторы, соединенные с помощью вальцовки с трубным пучком в виде обогреваемой поверхности теплообмена, и газоход трубного пучка с входным и выходным участками, сообщенными по внешней стороне с входной и выходной камерами, сообщенными соответственно с выпускным патрубком газохода двигателя и дымовой трубой, патрубки подвода питательной воды и отвода пара (см. там же, с.198-200). Для создания нужного направления движения газов в газоходе установлена поперечная горизонтальная сплошная перегородка. Трубы пучка, омываемые более горячими газами, работают как подъемные, другая часть - как опускные. Трубки выполнены фигурными и имеют разную степень изгиба. Этот котел, как наиболее близкий, выбран в качестве прототипа заявляемого решения по большинству признаков.

Недостатками известного утилизационного парового котла являются:

- необходимость гибки труб поверхности теплообмена с различной степенью изгиба для каждого ряда труб трубного пучка и, как следствие, невзаимозаменяемость рядов труб;

- вальцовка труб в водяном и пароводяном коллекторах предполагает большой (более 400 мм) диаметр коллекторов, что существенно увеличивает массу и стоимость котла;

- неизменность поперечного сечения газохода трубного пучка, определяемая постоянным расстоянием между передней и задней стенкой котла, и, как следствие, узкий диапазон применимости котла для данного типа двигателя;

- конструктивное отсутствие опускных труб затрудняет циркуляцию воды и пароводяной смеси, что снижает надежность работы котла.

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

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

- упрощение изготовления и замены поверхности теплообмена путем попытки применения прямолинейных труб одинакового размера;

- снижение массы коллекторов;

- уменьшение массогабаритных характеристик утилизационного парового котла;

- сокращение объема монтажных работ;

- возможность изменения площади проходного сечения газохода и тем самым расширения области использования утилизационного парового котла для двигателей различной мощности с различным расходом газов и при одинаковом аэродинамическом сопротивлении на выхлопе двигателя;

- обеспечение надежной циркуляции воды и пароводяной смеси в утилизационном паровом котле.

Поставленная задача достигается тем, что в известном утилизационном паровом котле, содержащем горизонтальные пароводяной и водяной коллекторы, связанные трубным пучком подъемных и опускных труб в виде обогреваемой поверхности теплообмена, и газоход трубного пучка с его входным и выходным участками, сообщенными по внешней стороне с входной и выходной камерами котла, сообщенными соответственно с выпускным патрубком газохода двигателя и дымовой трубой, патрубки подвода питательной воды и отвода пара, в отличие от него в заявляемом трубный пучок образован вертикальными прямолинейными трубами, размещенными по кольцевой окружности с ее диаметром в 1,5-3 раза больше диаметра выпускного патрубка газохода двигателя и сообщенными с пароводяным и водяным коллекторами, выполненными в виде замкнутых колец, с образованием кольцевого газохода этого пучка труб, жестко скрепленных по торцам с обоими коллекторами, ограниченного внутренней обечайкой, выполненной по форме с разрывом по периметру и внешней замкнутой обечайкой, нижний торец которой расположен на уровне выше нижнего торца внутренней обечайки, а также и с образованием дополнительного приосевого газохода котла, ограниченного с внешней стороны внутренней обечайкой и разделенного внутри вертикальной осевой, сплошной перегородкой, ориентированной по нормали к разрыву внутренней обечайки и высотой, равной высоте внешней обечайки, на две приосевые полости, каждая из которых ограничена с боковых сторон соответствующей прилегающей поверхностью внутренней обечайки и упомянутой вертикальной осевой перегородкой, а сверху или снизу соответственно ограничена верхней или нижней горизонтальной перегородкой в форме полукольца, прикрепленной по кромкам к соответствующему по уровню горизонтальному торцу вертикальной осевой перегородки и к поверхности внутренней обечайки. При этом первая из этих полостей образует входную перепускную камеру приосевого газохода, а вторая образует его выходную перепускную камеру. Внешняя обечайка выполнена разъемной из двух половин по плоскости вертикальной осевой перегородки, а к боковому торцу вертикальной осевой перегородки, обращенному к упомянутому разрыву, в районе разрыва примыкает скрепленная с этим торцом дополнительная, прямоугольная по форме, вертикальная осевая перегородка с одинаковой высотой, которая противоположным торцом прилегает к внешней обечайке, скреплена с ней в разъеме между двумя ее половинами и образует по обеим своим сторонам соответственно входной и выходной участки кольцевого газохода пучка труб, сообщающиеся соответственно с входной и выходной перепускными камерами приосевого газохода, которые сообщены соответственно с входной камерой котла, ограниченной нижней оконечностью внутренней обечайки и ее днищем, и с выходной камерой котла. Причем оконечности внешней и внутренней обечаек скреплены посредством горизонтальных разъемных фланцевых соединений с пароводяным и водяным коллекторами. Во входной камере котла размещены отбойный лист, расположенный над выпускным патрубком газохода двигателя, патрубок гудрона и дренажный патрубок, вмонтированные в ее днище, и сливной трубопровод с гидрозатвором, вмонтированный в нижнюю горизонтальную перегородку выходной перепускной камеры, сообщенный в своей нижней части с дренажным патрубком ниже уровня гидрозатвора. B частном случае исполнения утилизационный паровой котел снабжен общеизвестным вертикальным циклонным сепаратором пароводяной смеси, сообщенным в верхней части посредством перепускного патрубка с пароводяным коллектором котла, а в нижней части посредством опускной трубы с его водяным коллектором, и к которому в верхнюю часть подведены трубопроводы питательной воды и отвода пара утилизационного котла

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

Выполнение трубного пучка в виде испарительных прямолинейных труб одинаковой длины упрощает изготовление поверхности теплообмена, а размещение труб по кольцевой окружности с ее диаметром в 1,5-3 раза больше диаметра выпускного патрубка двигателя позволяет уменьшить массогабаритные характеристики котла.

Использование жесткого крепления подъемных испарительных труб к кольцевым пароводяному и водяному коллекторам (например, путем сварки) позволяет уменьшить диаметр коллекторов, упростить технологию изготовления и тем самым снизить их массу и стоимость изготовления поверхности теплообмена.

Образование кольцевого газохода пучка труб в виде внутренней разомкнутой по периметру обечайки с входным и выходным участками этого газохода и внешней замкнутой обечайки, сообщенного в верхней и нижней частях с кольцевыми коллекторами, позволяет образовать дополнительно приосевой газоход котла, в котором вертикальная осевая разделительная перегородка и две горизонтальные смещенные по вертикали перегородки в форме полуколец в совокупности образуют перепускные входную и выходную камеры, сообщенные по периметру с входным и выходным участками газохода трубного пучка, а по вертикали с выпускным патрубком двигателя и дымовой трубой. При этом также снижаются массогабаритные характеристики и стоимость котла.

Изменение диаметра наружной сплошной обечайки посредством разъемных фланцевых соединений позволяет менять площадь проходного сечения газохода трубного пучка и его аэродинамическое сопротивление, что обеспечивает возможность использования заданной постоянной поверхности теплообмена котла для двигателей различной мощности с различным аэродинамическим сопротивлением на выхлопе двигателя, при этом расширяется диапазон серийной применимости поверхности теплообмена утилизационного котла путем изменения только диаметра внешней обечайки газохода трубного пучка.

Использование в частном решении общециклонного сепаратора пароводяной смеси, связанного в верхней части посредством перепускного патрубка с пароводяным коллектором, а в нижней части посредством опускной необогреваемой трубы с водяным коллектором, позволяет, во-первых, обеспечить надежную циркуляцию воды и пароводяной смеси в котле, а во-вторых, обеспечить дополнительную деаэрацию питательной воды в сепараторе путем ввода ее в верхнее паровое пространство сепаратора через патрубок подвода питательной воды и отвод выделившихся газов совместно с паром через патрубок отвода пара от сепаратора к потребителям. При этом снижается коррозия поверхности теплообмена с водяной стороны и увеличивается надежность работы котла.

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, а на фиг.2 - схема поперечного сечения утилизационного котла USBS (сечение А-А фиг.1).

Утилизационный котел имеет следующее устройство. Котел содержит замкнутые кольцевые пароводяной 1 и водяной 2 коллекторы, связанные между собой испарительной поверхностью теплообмена в виде пучка прямолинейных вертикальных труб 3. Все трубы пучка приварены по периметру кольцевой окружности коллекторов 1 и 2 соответственно к нижней и верхней образующей коллекторов с равномерным шагом таким образом, что на части периметра кольцевой окружности трубы 3 не установлены. Кольцевой газоход 4 пучка труб 3 образован внутренней обечайкой 5, выполненной по форме с разрывом по периметру, и внешней разъемной замкнутой по периметру обечайкой 6, образованной двумя полуобечайками с вертикальными фланцевыми соединениями 7 и 8. Горизонтальные фланцы обечаек 5 и 6 закреплены болтовым соединением (болты не показаны) к приварным фланцам кольцевых коллекторов 1 и 2. При этом внешний фланец 9, внутренний фланец 10 коллектора 1 и внешний фланец 11 коллектора 2 выполнены по горизонтальной диаметральной плоскости коллекторов, а внутренний фланец 12 коллектора 2 приварен к нижней образующей коллектора, и его внутренняя кромка не выходит за пределы внутреннего диаметра кольцевого коллектора 2, как показано на фиг.1.

Приосевой газоход котла образован пространством по высоте между коллекторами 1 и 2, а по диаметру ограничен внутренней обечайкой 5. Внутри приосевого газохода установлена стационарно вертикальная осевая разделительная сплошная перегородка 13 со съемным монтажным участком 14 (дополнительная вертикальная перегородка), прилегающим к ее торцу в районе разрыва обечайки 5, прямоугольным по форме и с одинаковой высотой, т.е ограниченным по вертикали коллекторами 1 и 2, а по горизонтали - торцевой частью перегородки 13 и фланцевым соединением 8, посредством которого он закреплен. Связь дополнительной вертикальной перегородки 14 и перегородки 13 осуществляется монтажными болтами 15. Перегородка 13 в своих верхнем и нижнем торцах прикреплена к двум горизонтальным полуперегородкам 16 и 17, выполненными в форме полуколец, скрепленными кромками с обечайкой 5, которые в совокупности с перегородкой 13, дополнительной вертикальной перегородкой 14 и обечайкой 5 образуют перепускные входную 18 и выходную 19 камеры приосевого газохода, сообщенными одной стороной с входным 20 и выходным 21 участками кольцевого газохода 4 пучка труб, а с другой стороны - с входной 22 и выходной 23 камерами котла. Входная камера 22 сообщена в верхней части с перепускной входной камерой 18, а в нижней части - с выпускным патрубком газохода 24 двигателя. Выходная камера 23 в нижней части сообщена с перепускной выходной камерой 19, а в верхней части с дымовой трубой 25.

В нижней части перепускной выходной камеры размещен сливной трубопровод 26, сообщенный в нижней части с дренажным патрубком 27 ниже уровня гидрозатвора 28. Патрубок гудрона 29 и дренажный патрубок 27 вмонтированы в днище входной камеры 22. Над выпускным патрубком газохода 24 двигателя размещен отбойный лист 30.

Целесообразным является использование утилизационного парового котла, при котором пароводяной коллектор 1 своей верхней частью связан патрубком пароводяной смеси 31 с общеизвестным вертикальным циклонным сепаратором пароводяной смеси 32, оборудованным выгородкой 33. В верхней части сепаратора 32 размещен перфорированный лист 34, патрубок 35 подвода питательной воды и патрубок 36 отвода пара. В нижней части сепаратор 32 снабжен опускной трубой 37, сообщенной с водяным коллектором.

Утилизационный котел используют следующим образом. Высокотемпературные газы от двигателя поступают по его выпускному патрубку газохода 24 во входную камеру 22, а затем в перепускную входную камеру 18, из которой газы поступают во входной участок 20 кольцевого газохода 4 трубного пучка и далее, пройдя по нему почти по кругу, отдают в газоходе свою теплоту испарительному пучку поверхности теплообмена в виде труб 3. После охлаждения в газоходе 4 газы поступают через выходной участок 21 газохода в перепускную выходную камеру 19 и далее в выходную камеру 23 и дымовую трубу 25. Направление движения потока газов через котел на фиг.1 и 2 показано светлыми стрелками.

При заполнении котла водой и движении греющих газов в кольцевом газоходе 4 в испарительном пучке труб 3 образуется пар, который в виде пароводяной смеси поднимается вверх в кольцевой коллектор 1. Из коллектора 1 пароводяная смесь по патрубку пароводяной смеси 31 поступает в выгородку 33 циклонного сепаратора 32. Выгородка 33 обеспечивает движение пароводяной смеси по касательной к стенке сепаратора 32, при этом за счет центробежной силы вода, как более тяжелая среда, отжимается к стенке, а пар выходит из центральной зоны вращения и поступает через перфорированный лист 34 в верхнюю паровую полость сепаратора 32. По патрубку 36 пар отводится к потребителям пара.

Подпитка котла питательной водой осуществляется через патрубок 35 подвода питательной воды, расположенный несколько ниже перфорированного листа 34. Такое расположение патрубка 35 позволяет дополнительно деаэрировать питательную воду и тем самым снизить концентрацию кислорода в котловой воде и скорость коррозии металла. Разность суммы столбов воды в сепараторе 32 и опускной трубе 37 по сравнению с суммой столбов пароводяной смеси в трубах 3 и патрубке 31 обеспечивает естественную циркуляцию воды и пароводяной смеси в котле.

Повреждение и неплотность поверхности теплообмена котла сопровождается поступлением воды в газоход 4, откуда вода может слиться через входной 20 и выходной 21 участки газохода 4 в перепускные входную 18 и выходную 19 камеры. Для предотвращения попадания воды из поврежденной поверхности котла в выпускной патрубок газохода 24 двигателя во входной камере 22 в пространстве между камерой 18 и патрубком 24 размещен отбойный лист 30. Возможное скопление воды в камере 19 обеспечивается отводом ее в сливной трубопровод 26, связанный с дренажным патрубком 27 на уровне ниже гидрозатвора 28. Появление воды на сливе из гидрозатвора свидетельствует о повреждении котла.

Монтаж и демонтаж котла при ремонте достигаются разборкой фланцевых соединений, обеспечивающих доступ ко всем сварным соединениям для замены и восстановления элементов поверхности теплообмена.

Утилизационный котел снабжен необходимой регулирующей, защитной и наблюдательной аппаратурой и арматурой, которые на фиг.1 и 2 не показаны. Наружные высокотемпературные поверхности котла изолированы в соответствии с правилами техники безопасности, эти элементы также на фиг.1 и 2 не показаны.

Утилизационный паровой котел предназначен для преобразования энергии выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания в тепловую энергию пара и может использоваться в энергетике. Технический результат: повышение эффективности топливоиспользования. Сущность изобретения в том, что котел содержит трубный пучок, образованный вертикальными прямолинейными трубами, размещенными по кольцевой окружности с ее диаметром в 1,5-3 раза больше диаметра выпускного патрубка газохода двигателя и сообщенными с пароводяным и водяным коллекторами, выполненными в виде замкнутых колец, с образованием кольцевого газохода этого пучка труб, жестко скрепленных по торцам с обоими коллекторами, ограниченного внутренней обечайкой, выполненной по форме с разрывом по периметру, и внешней замкнутой обечайкой, нижний торец которой расположен на уровне выше нижнего торца внутренней обечайки, а также и с образованием дополнительного приосевого газохода котла, ограниченного с внешней стороны внутренней обечайкой и разделенного внутри вертикальной перегородкой на две полости, первая из которых образует входную перепускную камеру приосевого газохода, а вторая - выходную перепускную камеру, внешняя обечайка выполнена разъемной из двух половин по плоскости вертикальной осевой перегородки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Утилизационный паровой котел, содержащий горизонтальные пароводяной и водяной коллекторы, связанные трубным пучком подъемных и опускных труб в виде обогреваемой поверхности теплообмена, и газоход трубного пучка с его входным и выходным участками, сообщенными по внешней стороне с входной и выходной камерами котла, сообщенными соответственно с выпускным патрубком газохода двигателя и дымовой трубой, патрубки подвода питательной воды и отвода пара, отличающийся тем, что трубный пучок образован вертикальными прямолинейными трубами, размещенными по кольцевой окружности с ее диаметром в 1,5-3 раза больше диаметра выпускного патрубка газохода двигателя и сообщенными с упомянутыми пароводяным и водяным коллекторами, выполненными в виде замкнутых колец, с образованием кольцевого газохода этого пучка труб, жестко скрепленных по торцам с обоими коллекторами, ограниченного внутренней обечайкой, выполненной по форме с разрывом по периметру, и внешней замкнутой обечайкой, нижний торец которой расположен на уровне выше нижнего торца внутренней обечайки, а также и с образованием дополнительного приосевого газохода котла, ограниченного с внешней стороны внутренней обечайкой и разделенного внутри вертикальной осевой сплошной перегородкой, ориентированной по нормали к разрыву внутренней обечайки, и высотой, равной высоте внешней обечайки, на две приосевые полости, каждая из которых ограничена с боковых сторон соответствующей прилегающей поверхностью внутренней обечайки и упомянутой вертикальной осевой перегородкой, а сверху или снизу соответственно ограничена верхней или нижней горизонтальной перегородкой в форме полукольца, прикрепленной по кромкам к соответствующему по уровню горизонтальному торцу вертикальной осевой перегородки и к поверхности внутренней обечайки, при этом первая из этих полостей образует входную перепускную камеру приосевого газохода, а вторая образует его выходную перепускную камеру, внешняя обечайка выполнена разъемной из двух половин по плоскости вертикальной осевой перегородки, а к боковому торцу вертикальной осевой перегородки, обращенному к упомянутому разрыву, в районе разрыва примыкает скрепленная с этим торцом дополнительная прямоугольная по форме вертикальная осевая перегородка, ограниченная по вертикали водяным и пароводяным коллекторами, а по горизонтали торцевой частью вертикальной осевой сплошной перегородки и фланцевым соединением, посредством которого она закреплена, которая противоположным торцом прилегает к внешней обечайке, скреплена с ней в разъеме между двумя ее половинами и образует по обеим своим сторонам соответственно входной и выходной участки кольцевого газохода пучка труб, сообщающиеся соответственно с входной и выходной перепускными камерами приосевого газохода, которые сообщены соответственно с входной камерой котла, ограниченной нижней оконечностью внутренней обечайки и ее днищем, и с выходной камерой котла, причем оконечности внешней и внутренней обечаек скреплены посредством горизонтальных разъемных фланцевых соединений с пароводяным и водяным коллекторами, во входной камере котла размещены отбойный лист, расположенный над выпускным патрубком газохода двигателя, патрубок гудрона и дренажный патрубок, вмонтированные в ее днище, и сливной трубопровод с гидрозатвором, вмонтированный в нижнюю горизонтальную перегородку выходной перепускной камеры, сообщенный в своей нижней части с дренажным патрубком ниже уровня гидрозатвора.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что он выполнен в таком исполнении, при котором он содержит вертикальный циклонный сепаратор пароводяной смеси, сообщенный в верхней части посредством перепускного патрубка с пароводяным коллектором котла, а в нижней части посредством опускной трубы с его водяным коллектором и к которому в верхнюю часть подведены трубопроводы питательной воды и отвода пара утилизационного котла.