ЖАРОТРУБНЫЙ ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2015 года по МПК F24H1/12 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к котлам, работающим на газообразном и жидком топливе, и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий.

Уровень техники

Известен жаротрубный котел (см. патент RU 2196278, МПК: F24Н1/28, F22 В7/12, оп. 10.01.2003), содержащий цилиндрический корпус, в водяном объеме которого размещены жаровая труба и двухходовой пучок дымогарных труб, переднюю и заднюю поворотные камеры. Горячие газы, выходящие из жаровой трубы, разворачиваются в задней водоохлаждаемой поворотной камере и попадают в дымогарные трубы первого хода, выйдя из которых, разворачиваются в передней поворотной камере, образованной углублением в двери, и попадают в трубы второго хода, пройдя по которым удаляются через дымоход.

Известен котел водогрейный (см. патент RU 21443U1, МПК: F24Н1/00, опубл. 20.01.2002), содержащий цилиндрический корпус, закрытый с торцов крышками, передняя из которых выполнена с центральным отверстием для установки горелки, в корпусе установлены патрубки для подвода и отвода нагреваемой воды, передняя и задняя трубные доски, в которых закреплены соосная корпусу жаровая труба и дымогарные трубы, оснащенные завихрителями потока. Жаровая труба выполнена заглушенной со стороны, противоположной горелке, в результате чего образующиеся в процессе горения дымовые газы, отражаясь от «глухого дна» жаровой трубы, возвращаются к передней крышке, где они разворачиваются и направляются в дымогарные трубы.

Существенной проблемой этого и других котлов с реверсивным ходом дымовых газов в топке является защита двери (передней крышки), в которой установлена горелка, от воздействия высокой температуры топки и выходящих из нее дымовых газов, имеющих температуру порядка 1400°С, разворачивающихся в поворотной камере, образованной углублением в двери.

Обычно такая защита представляет собой толстый слой жаропрочного бетона, недостатками использования которого являются: длительный период запуска котла, составляющий почти сутки, и подверженность бетона механическому разрушению в процессе транспортировки и последующей эксплуатации котла. Восстановление защитного бетонного слоя представляет существенную технологическую проблему и может быть выполнено только в заводских условиях.

Известен водогрейный жаротрубный котел (см. патент RU 2499187, МПК: F22B7/00, опубл. 20.11.2013 г), в котором жаровая труба выполнена заглушенной с обоих торцов, в переднем из которых установлена горловина для горелки. Снаружи жаровую трубу и горловину горелки охватывает водяная рубашка. В водяном объеме рубашки размещены дымогарные трубы, передние концы которых изогнуты и сообщены с внутренним объемом жаровой трубы у ее переднего торца, а задние концы труб выведены в газовый короб.

В упомянутой конструкции исключены поворотные камеры, а разворот газов происходит непосредственно в дымогарных трубах. Нет массивных с жаропрочным бетоном дверей, а охлаждение осуществляется за счет водяной рубашки, охватывающей со всех сторон жаровую и дымогарные трубы. Однако в упомянутой конструкции отсутствует доступ к внутренним элементам котла, что исключает возможность его технического обслуживания.

В качестве наиболее близкого аналога, по наличию признаков, сходных с существенными признаками заявляемого технического решения, принят горизонтальный отопительный котел для работы на жидком и газообразном топливе, раскрытый в патенте SU 290574, МПК: F24Н1/00, оп. 22.12.1970 г.

Упомянутый котел содержит горизонтальный цилиндрический корпус с фронтальной дверью, в которой установлена горелка. Внутри корпуса размещены водяной объем с патрубками входа и выхода теплоносителя, камера сгорания в виде жаровой трубы, заглушенной с противоположного горелке торца, и размещенные в водяном объеме дымогарные трубы, сообщенные с камерой сгорания посредством поворотной камеры, образованной углублением в двери. Дверь выполнена с внутренней полостью, сообщенной с водяным объемом корпуса посредством двух трубок: водозаборной и водоотводящей.

Использование водяного охлаждения позволяет исключить проблемы, связанные с использованием жаропрочного бетона, и способствует повышению эффективности работы котла, т.к. внутри двери происходит дополнительный нагрев воды.

Недостатком ближайшего аналога является низкая интенсивность циркуляции воды через дверь и, как следствие, невысокая надежность работы котла. Плохая циркуляция охлаждающей жидкости внутри двери (низкие скорости и застаивание воды) приводит к местному вскипанию, отложению примесей и, как следствие, эрозионному повреждению и высокому износу металлических элементов конструкции. Для создания приемлемой циркуляции необходимы дополнительные затраты на установку насосов.

К недостаткам упомянутого решения можно также отнести трудоемкость изготовления двери и большую металлоемкость.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на повышение надежности работы котла за счет повышения эффективности охлаждения двери.

Достигаемые положительные технические результаты заключаются в повышении интенсивности циркуляции теплоносителя внутри водоохлаждаемой дверцы и повышении эффективности ее охлаждения.

Поставленная задача решена и упомянутые технические результаты достигнуты в предлагаемом жаротрубном водогрейном котле, содержащем горизонтальный цилиндрический корпус с фронтальной дверью, в которой установлена горелка, размещенные внутри корпуса водяной объем с патрубками входа и выхода теплоносителя, камеру сгорания в виде жаровой трубы, заглушенной с противоположного горелке торца, дымогарные трубы, сообщенные с камерой сгорания посредством поворотной камеры, образованной углублением в двери, причем последняя выполнена с внутренней полостью, сообщенной с водяным объемом корпуса посредством двух трубок: водозаборной и водоотводящей. Согласно заявляемому изобретению внутренняя полость двери разделена вертикальной перегородкой на два объема, сообщенных между собой посредством отверстия, выполненного в нижней части упомянутой перегородки, первый объем в верхней своей части сообщен с водозаборной трубкой, второй конец которой врезан в патрубок входа теплоносителя, а второй объем сообщен с водоотводящей трубкой, второй конец которой врезан в патрубок выхода теплоносителя, при этом концы упомянутых трубок, размещенные внутри соответствующих патрубков, обращены своим выходным отверстием в направлении свободного конца патрубка.

В отличие от ближайшего аналога в предлагаемом котле внутренняя кольцевая полость двери разделена вертикальной перегородкой на два объема, сообщенных между собой в нижней части, посредством отверстия в перегородке. Воду на охлаждение двери подают сверху в первый объем через водозаборную трубку, а отводят воду из второго объема посредством водоотводящей трубки, также расположенной в верхней части двери.

Благодаря упомянутому разделению внутренней полости двери, наличию сообщающего отверстия в нижней части и расположению водозаборной и водоотводящей трубок в верхней части создается направленный поток охлаждающей жидкости через дверь, подверженный ускорению при прохождении через отверстие в нижней части перегородки. В результате по сравнению с ближайшим аналогом существенно увеличивается интенсивность циркуляции охлаждающей жидкости через дверь и повышается эффективность теплосъема.

Другим существенным отличительным признаком предлагаемого технического решения является то, что вторые концы водозаборной и водоотводящей трубок не просто сообщены с водяным объемом котла, они врезаны непосредственно в патрубки входа и выхода теплоносителя.

Проходящая через патрубки вода имеет более высокую скорость, чем в водяном объеме котла, что дополнительно способствует повышению интенсивности циркуляции охлаждающего потока через дверь.

Благодаря тому, что вода на охлаждение двери отбирается непосредственно из патрубка входа теплоносителя, существенно повышается эффективность охлаждения двери, т.к. в этом месте котла (т.е. в патрубке входа теплоносителя) вода имеет самую низкую температуру.

Выходящая же из полости двери вода уже существенно нагрета за счет теплообмена с самым теплонапряженным элементом котла - дверью и ее дальнейший нагрев чреват вскипанием, поэтому целесообразным является ее отвод непосредственно в патрубок выхода теплоносителя.

Для надежной работы такой схемы необходимо, чтобы отверстия концов водозаборной и водоотводящей трубок, размещенные внутри патрубков, были обращены от котла в направлении свободного конца патрубка, обычно снабженного фланцем для присоединения к системе водоснабжения.

В результате такого исполнения повышается эффективность отбора водозаборной трубкой необходимого количества воды для охлаждения двери.

А упомянутое исполнение водоотводящей трубки способствует усилению эффекта эжекции воды: вода, выходящая через патрубок из полости корпуса, за счет своего большого давления увлекает за собой воду из отводящей трубки, где давление существенно меньше.

Выполнение двери котла с таким водяным охлаждением позволяет существенно уменьшить время запуска котла до 1-2 часов.

В одном предпочтительном случае реализации предлагаемого изобретения размещенная внутри соответствующего патрубка концевая часть водозаборной и водоотводящей трубок выполнена загнутой в направлении свободного конца патрубка.

В другом предпочтительном случае реализации изобретения размещенная внутри соответствующего патрубка концевая часть водозаборной и водоотводящей трубок выполнена со срезом под углом 40-50°, обращенным к свободному концу патрубка. Величина угла среза (скоса конца трубки) была получена экспериментальным путем в результате ряда гидравлических испытаний. Оптимальным углом скоса является угол 45°.

Водозаборная и водоотводящая трубки, предпочтительно, выполнены составными, по меньшей мере, из двух частей, соединенных между собой посредством разъемного соединения. Это повышает удобство обслуживания и обеспечивает возможность полного открывания двери.

Патрубки входа и выхода теплоносителя размещены в верхней части корпуса, причем патрубок входа размещен в задней, менее теплонагруженной части корпуса, а патрубок выхода - в передней части котла у трубной доски, что позволяет исключить вероятность резкого перепада температур и гидравлических ударов, которые отрицательно сказываются на работе котла.

В зоне перехода дымовых газов из топки в дымогарные трубы температура на поверхности дымогарных труб вблизи трубной доски достигает 1400°С, что во многих известных котлах, в том числе и в ближайшем аналоге, приводит к местному вскипанию теплоносителя на поверхности трубной доски, образованию в этих местах накипи и последующему растрескиванию. В таких условиях долговечность работы котла невысокая. Поэтому целесообразным является размещение в водяном объеме корпуса поперечной перегородки в виде плоского кольца с отверстиями для пропуска дымогарных труб и с секторным вырезом в нижней части.

Перегородку размещают в передней части котла вблизи передней трубной доски, где закреплены жаровая труба и дымогарные трубы. Установка поперечной перегородки, или иначе фальштрубной доски, перекрывающей путь теплоносителя за исключением выреза в нижней части, способствует ускорению потока теплоносителя в самом теплонапряженном участке котла - у трубной доски, что позволяет предотвратить вскипание жидкости и обеспечивает повышение эффективности теплосъема с передней трубной доски. Скорость и завихрение потока, возникающие при прохождении жидкости через отверстие (вырез) перегородки, не позволяют оседать на поверхности частицам примесей, выделяющимся из воды под действием высоких температур.

Целесообразно выполнение заглушенной стенки жаровой трубы и соответствующей ей торцевой стенки корпуса в виде выпуклой поверхности, к примеру торосферической, что позволяет исключить вероятность выдавливания и способствует созданию наиболее благоприятных условий для разворота реакционных газов.

Жаровую трубу закрепляют к корпусу посредством стяжных элементов, которые также являются компенсаторами тепловых расширений.

Дымогарные трубы размещают в кольцевом пространстве вокруг жаровой трубы симметрично и оснащают спиралевидными турбулизаторами, что способствует повышению эффективности теплообмена.

Под патрубком входа теплоносителя может быть установлен рассекатель, что направлено на защиту от повреждения расположенных под патрубком дымогарных труб.

Дверь соединяется с корпусом с возможностью открывания в обе стороны с установленной в ней горелкой.

Краткое описание чертежей

Возможность промышленной осуществимости предлагаемого технического решения подтверждается приведенным ниже примером и чертежами, на которых изображены:

на фиг.1 - котел, общий вид с частичным продольным разрезом;

на фиг. 2 - вид А с фиг. 1, вид сверху на котел со снятой дверью;

на фиг. 3 - дверь, вид спереди;

на фиг. 4 - вид В с фиг.3;

на фиг. 5 - сечение В-В с фиг. 3;

на фиг. 6 показана врезка водозаборной трубки в патрубок входа теплоносителя, предпочтительные примеры исполнения;

на фиг. 7 показана врезка водоотводящей трубки в патрубок выхода теплоносителя, предпочтительные примеры исполнения;

на фиг. 8 поперечная перегородка.

Осуществление изобретения

Предлагаемый жаротрубный водогрейный котел (см. фиг. 1, 2) содержит горизонтальный цилиндрический корпус 1 с фронтальной дверью 2, выполненной с центральным отверстием О для установки горелки (на чертежах не показана), размещенные внутри корпуса водяной объем 3, камеру сгорания в виде жаровой трубы 4 с торосферическим днищем, дымогарные трубы 5 со спиралевидными турбулизаторами, закрепленные в передней трубной доске 6 корпуса, поворотную камеру 7, образованную углублением в двери 2, патрубок 8 входа теплоносителя, размещенный в задней части корпуса 1, патрубок 9 выхода теплоносителя, размещенный в передней части корпуса, смотровой люк 10, дренажный трубопровод 11 для слива теплоносителя, рассекатель потока 12, газоход 13. Для возможности транспортировки корпус может быть снабжен рымами 14.

Дверь 2 (см. фиг. 3 - 5) выполнена с внутренней кольцевой полостью, разделенной вертикальной перегородкой 15 на два объема 16 и 17, сообщенных между собой через отверстие 18 в нижней части перегородки. Перегородка 15 образована двумя пластинами 15´ и 15´´, что обусловлено кольцевой формой полости и наличием в центральной части двери горловины для установки горелки.

Объем 16 сообщен посредством водозаборной трубки 19 с патрубком 8 входа теплоносителя (см. фиг. 6). Объем 17 полости соединен посредством водоотводящей трубки 20 с патрубком 9 выхода теплоносителя (см. фиг. 7).

Каждая трубка 19 и 20 выполнена составной из двух частей 19´ и 19´´ и 20´ и 20´´, соединенных между собой посредством разъемного фланцевого соединения. Части 19´ и 20´ трубопроводов жестко связаны с дверью 2 (см. фиг. 1 и 3-5), а части 19´´ и 20´´ смонтированы на корпусе 1 (см. фиг. 1, 2). Выполнение водоотводящих трубок из двух частей и разъемное соединение частей обеспечивает возможность полного открытия или, при необходимости, снятия дверей.

Концевая часть трубок 19 и 20, размещенная внутри соответствующего патрубка, может быть выполнена со срезом 22 под углом 40-50°, обращенным плоскостью среза в направлении свободного конца патрубка (см. фиг. 6а и 7а). На фиг. 6б и 7б упомянутая концевая часть трубок 19 и 20 выполнена загнутой в направлении свободного конца патрубка.

В водяном объеме 3 корпуса 1 вблизи передней трубной доски 6 установлена поперечная перегородка 23 (см. фиг. 1 и 8) в виде плоского кольца с отверстиями 24 для дымогарных труб и с секторным вырезом 25 в нижней части.

Работа котла осуществляется следующим образом. Котел заполняется циркулирующей водой, после чего запускается горелочное устройство. Образующиеся продукты сгорания распространяются по всей длине жаровой трубы 4 и, достигнув днища, разворачиваются в обратном направлении. В поворотной камере 7 горячие реакционные газы распределяются по дымогарным трубам 5, пройдя по которым, они охлаждаются и выходят через газоход 13.

Поступающая в котел через патрубок 8 вода, омывая дымогарные трубы 5 и жаровую трубу 4, постепенно перемещается в переднюю часть котла, нагреваясь до температуры 110-115°С.

Температура на поверхности передней трубной доски 6 в зоне перехода дымовых газов из жаровой трубы 4 - в дымогарные трубы 5 достигает порядка 1400°С, что может привести к местному вскипанию теплоносителя. Благодаря тому что перед трубной доской 6 размещена поперечная перегородка 23 с вырезом 25 в нижней части, поток воды, проходя через упомянутый вырез, ускоряется, быстро поднимается вверх вдоль перегородки и выводится через патрубок 9 выхода теплоносителя. В результате предотвращается вскипание жидкости, а скорость и завихрения потока, возникающие при прохождении через перегородку, не позволяют частицам примесей, выделяющимся из воды под действием высоких температур, оседать на поверхности трубной доски 6. Повышается эффективность теплосъема.

Одновременно с поступлением воды в основной циркуляционный контур водяной рубашки котла в патрубке 8 происходит отбор части воды на охлаждение двери 2.

Благодаря тому что входное отверстие водозаборной трубки обращено навстречу потоку поступающей жидкости, обеспечивается высокая эффективность и скорость отбора воды на охлаждение.

Количество воды, отбираемой на охлаждение двери, в конкретном примере реализации котла составляет 5-7% от общего объема теплоносителя при соотношении диаметра патрубка входа к диаметру водозаборной трубки, равном 0,35.

Необходимое для охлаждения двери количество воды определяется путем тепловых расчетов на основании конкретных конструктивных параметров котла.

Отобранная вода по трубке 19 подается в левую часть полости двери (объем 16, см. фиг.3), где опускается сверху вниз и через отверстие 18 в перегородке 15 перетекает в правую часть полости (объем 17).

При прохождении отверстия 18 вертикальной перегородки 15 происходит ускорение потока, что способствует усилению теплосъема с поверхности двери и быстрому поднятию жидкости к отводящей трубке 20, по которой нагретая жидкость перемещается к патрубку 9, где увлекается основным потоком выходящего из котла нагретого теплоносителя.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий. Жаротрубный водогрейный котел содержит горизонтальный цилиндрический корпус с фронтальной дверью, в которой установлена горелка. Внутри корпуса размещены водяной объем с патрубками входа и выхода теплоносителя, камера сгорания в виде жаровой трубы, заглушенной с противоположного горелке торца, и дымогарные трубы, сообщенные с камерой сгорания посредством поворотной камеры, образованной углублением в двери. Дверь выполнена с внутренней полостью, разделенной вертикальной перегородкой на два объема, сообщенных между собой посредством отверстия в нижней части перегородки. Первый объем в верхней части сообщен с водозаборной трубкой, второй конец которой врезан в патрубок входа теплоносителя. Второй объем сообщен с водоотводящей трубкой, второй конец которой врезан в патрубок выхода теплоносителя. Концы водозаборной и водоотводящей трубок, размещенные внутри соответствующих патрубков, обращены своим выходным отверстием в направлении свободного конца патрубка. Достигаемый технический результат заключается в повышении интенсивности циркуляции теплоносителя внутри водоохлаждаемой дверцы и повышении эффективности ее охлаждения. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Жаротрубный водогрейный котел, содержащий горизонтальный цилиндрический корпус с фронтальной дверью, в котором установлена горелка, размещенные внутри корпуса водяной объем с патрубками входа и выхода теплоносителя, камеру сгорания в виде жаровой трубы, заглушенной с противоположного горелке торца, и дымогарные трубы, сообщенные с камерой сгорания посредством поворотной камеры, образованной углублением в двери, причем последняя выполнена с внутренней полостью, сообщенной с водяным объемом корпуса посредством двух трубок: водозаборной и водоотводящей, отличающийся тем, что внутренняя полость двери разделена вертикальной перегородкой на два объема, сообщенных между собой посредством отверстия, выполненного в нижней части упомянутой перегородки, первый объем в верхней своей части сообщен с водозаборной трубкой, второй конец которой врезан в патрубок входа теплоносителя, а второй объем сообщен с водоотводящей трубкой, второй конец которой врезан в патрубок выхода теплоносителя, при этом концы упомянутых трубок, размещенные внутри соответствующих патрубков, обращены своим выходным отверстием в направлении свободного конца патрубка.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что размещенная внутри соответствующего патрубка концевая часть водозаборной и водоотводящей трубок выполнена загнутой в направлении свободного конца патрубка.

3. Котел по п.1, отличающийся тем, что размещенная внутри соответствующего патрубка концевая часть водозаборной и водоотводящей трубок выполнена со срезом под углом 40-50°, обращенным к свободному концу патрубка.

4. Котел по п.1, отличающийся тем, что водозаборная и водоотводящая трубки выполнены составными, по меньшей мере, из двух частей, соединенных между собой посредством разъемного соединения.

5. Котел по п.1, отличающийся тем, что патрубок входа теплоносителя размещен в задней части корпуса, а патрубок выхода теплоносителя - в передней части корпуса.

6. Котел по п.1, отличающийся тем, что он снабжен поперечной перегородкой в виде плоского кольца с отверстиями для пропуска дымогарных труб и секторным вырезом в нижней части, размещенной в водяном объеме корпуса у передней трубной доски, в которой закреплены жаровая и дымогарные трубы.

7. Котел по п.1, отличающийся тем, что под патрубком входа теплоносителя установлен рассекатель.

8. Котел по п.1, отличающийся тем, что дверь соединена с корпусом с возможностью открывания в обе стороны с установленной в ней горелкой.