КОТЕЛ Российский патент 2024 года по МПК F24H1/40 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано для получения тепла.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен водотрубный котел (патент РФ на изобретение №2477824), включающий корпус с топкой с экранирующими панелями, газоходом и водотрубным теплообменником, выполненным в виде змеевика с горизонтальными оребренными и соединенными посредством отводов трубами, причем со стороны входа змеевик подключен к патрубку подвода и со стороны выхода к патрубку отвода, отличающийся тем что корпус выполнен прямоугольным, с передней, задней, верхней и двумя боковыми стенками, расположенными с зазором относительно соответствующих экранирующих панелей, трубы по высоте расположены, по крайней мере, в два параллельных ряда в шахматном порядке в топке над горелками, концы труб установлены один в передней и второй в задней экранирующих панелях с возможностью перемещения относительно них при нагреве или охлаждении, отводы выведены за пределы топки и расположены между экранирующими панелями и передней и задней стенками котла, патрубки подвода и отвода выведены из топки через заднюю экранирующую панель и заднюю стенку корпуса, горелки выполнены инжекционными, расположены горизонтально в ряд в нижней части топки и подключены к газовому коллектору, расположенному между передней стенкой и передней экранирующей панелью и подключенному посредством газопровода к блоку автоматики с датчиком давления и расположенным в топке датчиком температуры, в нижней расположенной под горелками экранирующей панели выполнены отверстия для подвода снизу к горелкам атмосферного воздуха, а газоход установлен на верхней экранирующей панели ближе к задней экранирующей панели.

Недостатком известного котла являются:

Сложность изготовления котлов мощностью выше 150 кВт с небольшими габаритами и хорошими показателями горения по выбросам - СО и NOx, которые определяют полноту сгорания топлива и экологические параметры выбросов. Так как для котлов мощностью выше 150 кВт при такой конструкции как в прототипе, где горелки расположены только в один ряд и подключены к коллектору подачи газа с одной стороны котла, приходиться применять единичную мощность каждой инжекционной горелки более 30 кВт, чтобы получить достаточную мощность котла при разумных габаритах котла.

Котлы свыше 150 кВт с инжекционными горелками мощностью более 30 кВт имеют хуже показатели горения за счет плохой инжекции и плохого перемешивания газовоздушной смеси в самой горелке. Для горелки в 30 кВт и выше необходимо подавать большое количество газа через одно сопло и за счет кинетической энергии струи затянуть большее количество воздуха, требуемого на горение в 30 кВт и выше. Так как площади поверхности струи газа и ее кинетической энергии недостаточно для того, чтобы затянуть достаточное количество первичного воздуха за счет инжекции приходиться добирать необходимое количество вторичного воздуха за счет тяги в дымоходе. Нормальное горение в котлах с инжекционными горелками происходит при затягивании за счет инжекции первичного воздуха не менее 60% необходимого для горения за счет струи газа из сопла и только 40% за счет тяги в дымоходе. Во всех других случаях горение нестабильное и некачественное. При единичной мощности инжекционной горелки более 30 кВт при нестабильной тяге в дымоходе добиться нормального горения часто бывает очень сложно.

В известном котле (см. фиг. 1) все трубные горелки 14 инжекционного типа подключены к газовому коллектору 15 только в передней части. Это значит, что при необходимости увеличения мощности котла необходимо увеличивать количество горелок и значительно увеличивать фронт котла или увеличивать длину и мощность каждой трубной горелки. Однако при увеличении количества трубных горелок растет размер по передней части котла и, как следствие, котел приобретает форму прямоугольника с большой поверхностью контакта через стенки с окружающим воздухом, а это приводит к потерям тепла через нагретые стенки в окружающую среду и дополнительному расходу материалов при изготовлении котла. Также большая ширина котла непрактична при строительстве котельных (особенно крышных) так как приходиться строить здания больших размеров, что также приводит к дополнительным затратам. Чтобы не сильно увеличивать габарит котла при увеличении его мощности при расположении горелок только с одной стороны котла необходимо увеличивать единичную мощность каждой инжекционной трубной горелки.

При увеличении мощности единичной инжекционной трубной горелки проблема качества горения в котле еще больше усугубляется. При увеличении мощности трубной горелки через сопло 17, приходиться подавать еще больше газа, который в таких объемах не может качественно перемешаться с первичным воздухом за счет недостаточной инжекции через одно сопло. Также газ не может равномерно распределиться по всей длине трубной горелки. Это приводит к значительному росту показателей СО и NOx в уходящих газах, что недопустимо с точки зрения качества горения. Превышение показателя СО говорит о неполном сгорании газа. Для того чтобы котлы с более мощными трубными горелками работали нормально необходимо увеличивать тягу в дымоходе, чтобы больше вторичного воздуха попадало в топку для перемешивания некачественной газовоздушной смеси, выходящей из горелки. Увеличение тяги в атмосферных котлах возможно за счет увеличения высоты трубы или за счет применения дымососов. Оба варианта приводят к усложнению конструкции, увеличению габаритов, повышению затрат при строительстве котельной. Неравномерность и нестабильность распределения количества выхода газовоздушной смеси из трубной горелки по ее длине при мощности более 30 киловатт вынуждает точно подавать необходимый объем вторичного воздуха к местам, где он требуется больше или меньше, что является сложной технической задачей. Одно из возможных решений этой задачи требует применения дополнительного оборудования, в том числе измерительной аппаратуры и автоматики. Альтернативное решение подразумевает, что вторичный воздух подается с большим запасом с коэффициентом не менее 1,8. Этот лишний вторичный воздух, который не участвует в горении, просто проходит через теплообменник при этом охлаждает его и производит отрицательную работу. Это приводит к значительному снижению КПД котла.

Также из-за плохого смешения газа с первичным воздухом в более мощной горелке растет высота пламени, так как некачественная газовоздушная смесь перемешивается со вторичным воздухом в топке дольше по времени. Вследствие этого приходится увеличивать высоту топочной камеры и использовать больше материала для изоляции и охлаждения топочного пространства.

Таким образом, существует потребность в создании котла, в котором вышеупомянутые недостатки были бы полностью или хотя бы частично устранены.

Также известно горелочное устройство для подогрева газообразного поток (патент РФ на изобретение №2733566), расположенное в канале, при этом в устройстве равномерно установлено множество горелочных модулей, разделенных на периферийные и прицентральные горелки, где к каждому модулю по отдельной магистрали подведено топливо хотя бы из одного коллектора, отличающееся тем, что на входе в каждую отдельную магистраль установлен ограничивающий расход топлива регулируемый жиклер, а магистрали для периферийных и прицентральных горелок выполнены с разной степенью теплообмена топлива с газообразным потоком в зависимости от удаления горелочных модулей от стенок канала и соотношения температур топлива и газообразного потока.

Недостатком известной горелки являются:

Невозможность применения такой горелки для котлов атмосферного типа с открытой камерой сгорания, где теплоносителем является вода или другой жидкий теплоноситель. В этой горелке прототипа теплоносителем является только газообразный поток (воздух или выхлопные газы), который принудительно проходит через множество горелочных модулей, равномерно расположенных по всей площади сечения канала, из которых выходит топливо (газ) в чистом виде и только потом смешивается с подогреваемым газообразным потоком, который сам же является окислителем и сам же подогревается. Объемы газообразного потока (воздуха) значительно превышают объем необходимый для оптимального горения газа и воздуха (оптимальное соотношение 1:10). Соотношение количества газа и газообразного потока зависит от необходимой температуры газообразного потока на выходе. Так как газ и воздух перемешиваются только в канале, длина факела достаточно большая иначе плотность пламени будет большой и есть вероятность локального перегрева стенок канала в части максимально приближенной к горелочным модулям. К недостаткам данной конструкции горелки применительно для водогрейных котлов атмосферного типа является так же необходимость регулировки каждого горелочного модуля. Этим можно заниматься, только если такая горелка применяется для технологических нужд с большими расходами топлива, где есть смысл удорожания конструкции. Применение такой регулировки для котлов мощностью до 1000 кВт, абсолютно экономически не оправдано. Подогрев топлива или его охлаждения перед подачей в горелочный модуль для применения в водогрейных котлах мощностью до 1000 кВт также экономически не оправдано.

Независимо от того, что в прототипе множество горелок, расположенных по всей площади канала, такую горелку применять в водогрейных атмосферных котлах с открытой камерой сгорания нельзя. Горелку данного прототипа нельзя применить в водогрейных котлах атмосферного типа с открытой камерой сгорания по следующим причинам:

1) необходима закрытая газо-плотная камера сгорания, так как газовый поток создает избыточное давление;

2) эта горелка предназначена только для подогрева газовых сред, которые сами могут быть окислителями;

3) большая высота пламени горелки требует большого размера топочного пространства;

4) относительно низкая температура факела за счет большого количества газового потока участвующего в горении;

5) необходимость регулировки каждого модуля для оптимизации горения, что приводит к экономически не оправданному удорожанию при применении в водогрейных котлах небольшой мощности, предназначенных для массового применения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения состоит в создании атмосферного котла с тепловой мощностью от 100 до 1000 кВт с инжекционными трубными горелками, работающего на газообразном топливе со следующими улучшенными характеристиками:

- высоким КПД и хорошими показателями горения при условии уменьшение подачи вторичного воздуха в топочное пространство котла,

- уменьшение зависимости от точной подачи вторичного воздуха на конкретные участки трубных инжекционных горелок,

- уменьшение зависимости от высоких требований по разряжению (тяге) в дымоходе котла,

- возможности стабильной работы котла с хорошими показателями без дымососов в крышных котельных,

- увеличения КПД за счет уменьшения паразитного вторичного воздуха проходящего через теплообменник котла,

- уменьшение габаритов котла при условии сохранения высоких технических характеристик котла,

и при этом чтобы котел был бы в меньшей степени подвержен вышеописанным недостаткам аналогов.

Технический результат состоит в том, что за счет использования, по меньшей мере, одной из батарей инжекционных горелок расположенной у передней стенки и подключенной через сопла, по меньшей мере, к одному коллектору для подачи газа расположенному у передней стенки топочной камеры и по меньшей мере, одной другой батареи инжекционных горелок расположенной у задней стенки топочной камеры и подключенной через сопла, по меньшей мере к одному коллектору для подачи газа расположенному у задней стенки топочной камеры или, по меньшей мере, одной из батарей инжекционных горелок расположенной у левой стенки топочной камеры и подключенной через сопла, по меньшей мере к одному коллектору для подачи газа расположенному у левой стенки топочной камеры и, по меньшей мере, одной другой батарей инжекционных горелок расположенных у правой стенки топочной камеры и подключенной через сопла, по меньшей мере к одному коллектору для подачи газа, расположенному у правой стенки топочной камеры, таким образом, что коллектора для подачи газа с расположенными на них соплами для подачи газа и открытые части инжекционных горелок для входа газа и воздуха расположены за пределами топочной камеры, а основная часть инжекционных горелок, через которые выходит пламя, расположены в нижней части внутри топочной камеры.

Благодаря такому расположению газовых коллекторов и батарей инжекционных горелок в топочном пространстве количество инжекционных горелок может быть в два раза больше чем в прототипе при такой же мощности и размерах. Значит мощность каждой инжекционной горелки будет в два раза меньше, а сопел из которых подается газ в горелки будет в два раза больше, это позволяет получить лучшую инжекцию первичного воздуха в каждой горелке, лучшее перемешивание газо-воздушной смеси внутри самой горелки и как следствие уменьшить потребность в количестве вторичного воздуха и зависимость от необходимости регулирования его концентрации по сечению топочного пространства для поддержания нормального горения. Таким образом такое увеличение количества горелок благодаря их расположению с двух сторон топочной камеры котла и увеличение количества сопел благодаря расположению газовых коллекторов также с двух сторон котла удается добиться более качественного смешивания газа и воздуха, что избавляет от необходимости подачи избыточного количества вторичного воздуха, увеличивает КПД котла, позволяет снизить высоту пламени и габариты котла при этом уменьшая затраты на производство.

Предлагаемый котел, включает топочную камеру, имеющую стенки: переднюю, заднюю, левую и правую стенки, теплообменник, выполненный из стальных труб, по меньшей мере, часть из которых, по меньшей мере, частично оребрены стальной лентой и расположены над упомянутой топочной камерой, в котором,

упомянутые трубы сообщены между собой с образованием, по меньшей мере, двух расположенных друг над другом батарей,

по меньшей мере, два коллектора для подачи газа с размещенными на них соплами для подачи газа,

по меньшей мере, две батареи трубных инжекционных горелок с одного торца имеющие открытую часть для входа газа и воздуха, которые через открытую часть для входа газа и воздуха подключены через сопла для подачи газа к упомянутым, по меньшей мере, двум коллекторам для подачи газа,

по меньшей мере, одна из батарей инжекционных горелок расположена у передней стенки топочной камеры и подключена через сопла, по меньшей мере, к одному коллектору для подачи газа, расположенному у передней стенки топочной камеры и, по меньшей мере, одна другая батарея инжекционных горелок расположена у задней стенки упомянутой топочной камеры и подключена через сопла, по меньшей мере, к одному коллектору для подачи газа расположенному у задней стенки топочной камеры или,

по меньшей мере, одна из батарей инжекционных горелок расположена у левой стенки топочной камеры и подключена через сопла, по меньшей мере, к одному коллектору для подачи газа расположенному у левой стенки топочной камеры и, по меньшей мере, одна другая батарея инжекционных горелок расположена у правой стенки топочной камеры и подключена через сопла, по меньшей мере, к одному коллектору для подачи газа, расположенному у правой стенки топочной камеры, таким образом что коллекторы для подачи газа с расположенными на них соплами для подачи газа и открытые части инжекционных горелок для входа газа и воздуха расположены за пределами топочной камеры, а основная часть инжекционных горелок, через которые выходит пламя, расположены в нижней части внутри топочной камеры.

При такой группировке количество трубных горелок 14 будет в два раза больше, чем при установке в виде одной батареи только с одной стороны горелок большой мощности и длины (как в прототипе).

При увеличении количества единичных инжекционных трубных горелок за счет их расположения с двух сторон котла при той же мощности котла уменьшается мощность и длина каждой горелки и пропорционально увеличивается количество сопел 17, через которые подается газ в трубную горелку. В таком варианте через каждое сопло подается в 2 (два) раза меньше газа через отверстие, чем в прототипе при одинаковом давлении газа. И тогда мощности кинетической энергии струи газа будет уже достаточно, чтобы затянуть в два раза меньше воздуха в открытую часть инжекционной горелки. И как следствие будет обеспечиваться более качественное перемешивание первичного воздуха с газом в трубной инжекционной горелке и его равномерное распределение по меньшей длине горелки, чем в прототипе при той же мощности котла. В таком варианте не нужно увеличивать подачу дополнительного вторичного воздуха в топочное пространство котла и регулировать его концентрацию в определенных местах по сечению топочного пространства, а значит не нужно увеличивать высоту дымовой трубы или устанавливать дымососы.

Лучшее горение при меньшей тяге позволяет также уменьшить количество и длину оребренных труб теплообменника за счет уменьшения расстояния между ребрами оребренных труб.

При меньшей длине оребренных труб поверхность теплопередачи будет сохранена за счет уменьшения шага ребра. Оптимальным в этом случае будет шаг ребра от 3,5 до 7 мм при толщине ребра от 1,1 до 1,8 мм.

Меньшее количество вторичного воздуха в предлагаемом котле уменьшает общее количество сгоревших газов, проходящих через теплообменник, это позволяет применять более эффективный теплообменник при тех же параметрах разряжения (тяги) в дымоходе. Энергия тяги будет работать в этом случае не на затягивания большего количества вторичного воздуха для нормального горения и охлаждение теплообменника паразитным вторичным воздухом, а на преодоление сопротивления более эффективного теплообменника.

Например, при коэффициенте избытка воздуха приблизительно 1,8, объем газовоздушной смеси, проходящей через теплообменник, при мощности котла 200 кВт составит приблизительно 418 м³. При коэффициенте приблизительно 1,4, объем газовоздушной смеси составляет приблизительно 330 м³. Соотношение 418/330=1,26. То есть, сечение для прохода газа в теплообменнике предлагаемого котла может быть меньше, так как количество сгоревших газов также меньше. А за счет уменьшения расстояния между ребрами увеличивается поверхность теплопередачи, повышается эффективность теплообменника сравнительно с аналогом.

Кроме того, при таком расположении трубных горелок 14 размеры котла при сравнимой с аналогом мощности будут меньше, а значит, поверхность котла и расход материалов будут меньше. Также при лучшем смешении первичного воздуха уменьшается высота пламени на горелке, и как следствие можно уменьшить высоту топочной камеры, что также позволит уменьшить количество материалов при изготовлении котла и применять меньше негорючей теплоизоляции 6 в топочной камере.

В другой частной форме выполнения трубы вышеупомянутых трубных инжекционных горелок могут быть расположены параллельно друг другу.

В одной из предпочтительных форм выполнения котла вышеупомянутые стенки могут быть изолированы несгораемыми материалами.

Шаг ребра, в одной из частных форм выполнения, может составлять 3,0 до 8,0 мм при толщине ребра от 1,0 до 2,0 мм.

Вышеупомянутые трубы теплообменника внутри каждой из вышеупомянутых батарей, в одной из частных форм выполнения, могут быть соединены в виде плоского змеевика.

Вышеупомянутые трубы теплообменника, в одной из частных форм выполнения, могут быть расположены, по существу, горизонтально или под небольшим углом к горизонтальной плоскости.

Вышеупомянутые трубы теплообменника соседних батарей, в еще одной частной форме выполнения, могут быть расположены, в шахматном порядке.

Вышеупомянутые трубы теплообменника, в одной из частных форм выполнения могут быть соединены в виде пространственного змеевика, закрученного по спирали.

Вышеупомянутые инжекционные трубные горелки, в одной из предпочтительных форм выполнения внутри каждой батареи могут отличаться по мощности и размерам.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 - вид сверху разреза топки котла прототипа с одной батареей горелок и одним коллектором только в передней части котла.

На фиг. 2 - схематически изображен котел по изобретению в аксонометрии котла.

На фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, вид спереди.

На фиг. 4 - то же, что на фиг. 1, вид сзади.

На фиг. 5 - то же, что на фиг. 1, вид сбоку.

На фиг. 6 - то же, что на фиг. 1, вид сверху.

На фиг. 7- разрез А-А.

На фиг. 8 - разрез В-В.

На фиг. 9 - разрез С-С.

На фиг. 10 - вид D.

На фиг. 11 - вид сбоку котла с горелками и коллекторами, расположенными слева и справа.

На фиг. 12 - вид спереди котла с горелками и коллекторами, расположенными слева и справа.

На фиг. 13 - теплообменник котла в виде пространственного змеевика, закрученного по спирали.

На фиг. 14 - схематичное изображение подачи газа и воздуха в трубные инжекционные горелки и топочное пространство котла.

Позициями 1-18 обозначены следующие элементы:

1 - топочная камера,

2 - передняя стенка топочной камеры 1,

4, 5 - боковые стенки топочной камеры 1,

6 - негорючая изоляция 6,

7 - теплообменник,

8 - трубы теплообменника,

9 - отводы для соединения труб теплообменника 8 в батарее,

10 - отводы для соединения батарей труб теплообменника между собой,

11 - патрубок подачи,

12 - патрубок обратки 12,

13 - газоход,

14 - инжекционные трубные горелки,

15 - первый коллектор подачи газа,

16 - второй коллектор подачи газа,

17 - сопла для подачи газа в каждую инжекционную трубную горелку 14,

18 - клапан подачи газа из газопровода в коллекторы.

19 - отдельный газопровод для запальной горелки.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Котел водотрубный содержит топочную камеру 1 и формирующую топочное пространство переднюю 2, заднюю 3 и боковые 4, 5 стенки, на которых с внутренней стороны топки установлена негорючая изоляция 6.

Над топочной камерой расположен теплообменник 7, образованный стальными гладкими, оребренными или частично оребренными трубами трубами 8, расположенными, по крайней мере, в два ряда, при этом ряды соединены отводами (переходом) 9 и каждый ряд также соединен переходом (отводом) 10 или трубы соединены как спираль в виде пространственного змеевика где труба нижней батареи (ряда) соединяется с трубой верхней батареи (ряда), а далее опять с трубой нижней батареи и так далее.

Теплообменник имеет патрубок подачи 11 и обратки 12. Над теплообменником расположен газоход 13.

Под теплообменником расположена атмосферная горелка, образованная из двух батарей (рядов) инжекционных трубных горелок 14 где каждая батарея расположена на противоположной стенке топочной камеры прямоугольного котла и каждая батарея подключена через сопла 17 к своему коллектору 15, 16, в котором установлены сопла 17 для подачи газа в каждую трубную инжекционную горелку 14.

Каждый коллектор 15, 16 с соплами совмещен с клапаном газа 18, через который газ подается из газопровода.

Одна или несколько горелок могут быть как запальная горелка, и к ней может подводиться отдельный газопровод 19 для подачи газа. Также инжекционные трубные горелки могут быть в пределах одной батареи различными по мощности и размерам для того, чтобы пламя одной батареи надежнее и быстрее зажигало инжекционные трубные горелки другой батареи.

Котел может работать как за счет тяги создаваемой дымовой трубой, так и за счет установки дымососа, если нет возможности подключить котел к дымовой трубе.

Изобретение относится к области теплообменного оборудования. Технический результат заключается в том, что в топочном пространстве количество горелок может быть больше чем в прототипе при такой же мощности и размерах, при этом мощность каждой горелки будет в два раза меньше, а сопел будет в два раза больше, что позволяет получить лучшую инжекцию первичного воздуха в каждой горелке, лучшее перемешивание газо-воздушной смеси внутри самой горелки и уменьшить потребность в количестве вторичного воздуха и зависимость от необходимости регулирования его концентрации по сечению топочного пространства для поддержания нормального горения. Увеличение количества горелок благодаря их расположению с двух сторон топочной камеры котла и увеличение количества сопел благодаря расположению газовых коллекторов, также с двух сторон котла удается добиться более качественного смешивания газа и воздуха, что избавляет от необходимости подачи избыточного количества вторичного воздуха, увеличивает КПД котла, позволяет снизить высоту пламени и габариты котла. 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

1. Котел, включающий

топочную камеру, содержащую переднюю, заднюю, левую и правую стенки,

теплообменник, выполненный из стальных труб, расположенных над упомянутой топочной камерой,

в котором

упомянутые трубы сообщены между собой с образованием расположенных друг над другом батарей,

коллекторы для подачи газа, снабженные соплами для подачи газа,

батареи трубных инжекционных горелок, с одного торца имеющие открытую часть для входа газа и воздуха, которые через открытую часть для входа газа и воздуха подключены через сопла для подачи газа к упомянутым коллекторам для подачи газа, при этом

батареи инжекционных горелок расположены оппозитно у противолежащих стенок топочной камеры,

коллекторы для подачи газа и открытые части инжекционных горелок для входа газа и воздуха расположены за пределами топочной камеры, а основная часть инжекционных горелок, через которые выходит пламя, расположены в нижней части внутри топочной камеры.

2. Котел по п.1, в котором вышеупомянутые трубные инжекционные горелки расположены параллельно друг другу.

3. Котел по п.1, в котором вышеупомянутые стенки топочной камеры изолированы несгораемыми материалами.

4. Котел по п.1, в котором шаг ребра составляет 3,0 мм до 8,0 мм при толщине ребра от 1,0 мм до 2,0 мм.

5. Котел по п.1, в котором вышеупомянутые трубы теплообменника внутри каждой из вышеупомянутых батарей соединены в виде плоского змеевика.

6. Котел по п.1, в котором вышеупомянутые трубы теплообменника расположены, по существу, горизонтально или под небольшим углом к горизонтальной плоскости.

7. Котел по п.1, в котором вышеупомянутые трубы теплообменника соседних батарей расположены в шахматном порядке.

8. Котел по п.1, в котором вышеупомянутые трубы теплообменника соединены в виде пространственного змеевика, закрученного по спирали.

9. Котел по п.1, в котором вышеупомянутые инжекционные трубные горелки внутри каждой батареи могут отличаться по мощности и размерам.