ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к устройствам для нагрева воды и может использоваться для обеспечения горячей водой систем отопления и горячего водоснабжения промышленных, жилых и общественных объектов.
Известен водогрейный котел типа КВГ, содержащий горелку, цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой воды, а также размещенные внутри корпуса котла топку и конвективные поверхности нагрева, которые выполнены из вертикальных труб, закрепленных концами в перепускных кольцевых коллекторах (Котлы и котельные установки для промышленной и коммунальной энергетики. Отраслевой каталог. - М.: Издательство ЦНИИТЭИтяжмаш, 1998, с.38-39).
Недостатками этого котла являются:
- значительный объем топки, следствием чего являются большие габариты и металлоемкость котла;
- малая скорость воды, циркулирующей в теплообменных трубах, приводящая к интенсивному отложению накипи, сопровождающемуся перегревом и разрушением труб и, как следствие, - к низкой надежности котла и большим эксплуатационным затратам на его ремонт;
- высокая температура отходящих газов, что приводит к значительным потерям тепла и, соответственно, повышенному расходу топлива;
x
- сжигание топлива при высокой температуре (примерно 2000°С), в результате чего в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ (СО, NO).
Известен водогрейный водотрубный котел, содержащий горелку, горизонтальный цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода нагреваемой воды, размещенные внутри корпуса котла топку и конвективную поверхность нагрева, выполненную из горизонтальных прямолинейных труб, закрепленных своими концами в двух вертикальных перепускных кольцевых коллекторах, один из которых снабжен размещенным в нижней части патрубком подвода воды, а второй - размещенным в верхней части патрубком отвода нагретой воды, причем благодаря установленным в перепускных коллекторах в шахматном порядке перегородкам обеспечивается многоходовое горизонтально-подъемное движение воды (патент RU №2146790, Кл. F24H 1/00, опубл. 20.03.2000, бюл. №8).
К основным недостаткам этого изобретения относятся:
- значительный объем топки, приводящий к большим габаритам и металлоемкости котла;
- невозможность обеспечения равномерного омывания теплообменных труб продуктами горения и поперечно-прямоточная схема потоков теплообменных сред, не обеспечивающие достаточно высокое значение среднего коэффициента теплопередачи, следствием чего являются увеличенные размеры и масса теплообменной поверхности котла;
x
- сжигание топлива при высокой температуре (примерно 2000°С), в результате чего в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных веществ (СО, NO).
Известен водогрейный котел, содержащий установленные в корпусе фронтальный, потолочный, задний и боковые экраны, которые выполнены из газоплотных плавниковых труб и подключены к соответствующим горизонтальным коллекторам. Экраны имеют частичные проемы для прохода дымовых газов (авторское свидетельство СССР №1719806, Кл. F24H 1/32. 1989).
x
Недостатком данного котла является его низкая эффективность, так как при движении внутри котла дымовые газы не успевают отдать достаточное количество тепла и покидают котел с высокой температурой, результатом чего являются большие тепловые потери, а кроме того, с уходящими дымовыми газами в окружающую среду выбрасывается большое количество вредных примесей (СО, NO).
Известен также водогрейный котел, содержащий размещенные в корпусе фронтальный, задний, потолочный и боковые экраны, изготовленные из газоплотных плавниковых труб и подключенные к соответствующим горизонтальным коллекторам. Каждый боковой экран состоит из трех отдельных панелей - наружной и двух внутренних. Котел снабжен также внутренним горизонтальным газоплотным экраном, разделяющим топочное пространство на радиационную и конвективную части. Благодаря отсутствию плавников на отдельных участках внутренних панелей, наличию проемов, перегородок и дополнительного газохода, образованного между потолочным и внутренним экраном, длина пути дымовых газов в объеме котла увеличена, чем обеспечена более высокая интенсивность теплообмена и снижение температуры дымовых газов на выходе из котла (патент RU №2210702, Кл. F24H 1/00, опубл. 20.08.2003, бюл. №23).
Недостатки котла следующие:
- высокая металлоемкость котла из-за большого количества экранов, каждый из которых содержит два коллектора;
- увеличенное гидравлическое сопротивление потока дымовых газов из-за большого количества поворотов в газовом тракте;
x
- сжигание топлива проводится при высокой температуре, что приводит к сбросу большого количества вредных примесей (СО, NO) с уходящими дымовыми газами в окружающую среду.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение экономичности и снижение металлоемкости водогрейного котла за счет интенсификации теплообмена и глубокой рекуперации тепла отходящих дымовых газов.
Задачей изобретения является также исключение или минимизация выбросов вредных веществ в окружающую среду с отходящими дымовыми газами.
Для решения поставленных задач разработан водогрейный котел, который содержит горелку для сжигания газообразного или жидкого топлива и вертикальный цилиндрический корпус с распределительной камерой поступающих от горелки горячих дымовых газов, сборной камерой охлажденных дымовых газов и патрубками подвода и отвода рабочих сред;
вдоль вертикальной оси корпуса размещены последовательно по потоку дымовых газов водонагреватель и воздухонагреватель с промежуточной камерой между ними;
водонагреватель и воздухонагреватель содержат по два или более теплообменных блоков, установленных один над другим с образованием периферийного и центрального коллекторов, отделенных от смежных полостей герметичными заглушками;
каждый теплообменный блок сформирован из вертикально установленных, примыкающих друг к другу теплопередающих элементов, сваренных между собой вертикальными швами и образующих кольцевой ряд вокруг вертикальной оси корпуса, причем каждый теплопередающий элемент выполнен полым из двух стенок с дистанционирующими выступами, имеющих в поперечном сечении форму спирали, сваренных между собой по двум горизонтальным сторонам и образующих во внутренней полости радиально-спиральный щелевой канал, который сообщается с периферийным и центральным коллекторами для перемещения соответственно нагреваемой воды и нагреваемого воздуха, а между прилегающими друг к другу теплопередающими элементами образованы вертикальные щелевые каналы спиралеобразного сечения, сообщенные с распределительной, промежуточной и сборной камерами и предназначенные для перемещения в аксиальном направлении охлаждаемых дымовых газов;
между смежными теплообменными блоками каждого из нагревателей поочередно в периферийном и центральном коллекторах установлены горизонтальные перегородки, разделяющие коллекторы на отдельные изолированные полости и направляющие потоки соответственно воды и воздуха после истечения из внутренних полостей теплопередающих элементов одного блока во внутренние полости теплопередающих элементов последующего блока.
Кроме того, в предлагаемом водогрейном котле предусмотрен отбор части охлажденных дымовых газов из общего потока для подмешивания к воздуху, подаваемому на горелку, а также использование горелки беспламенного типа.
Ниже сущность предлагаемого изобретения поясняется конкретным примером его выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:
фиг.1 изображает общий вид водогрейного котла, продольный разрез;
фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;
фиг.3 - фрагмент Б на фиг.2;
фиг.4 - сечение В-В на фиг.3,
Котел содержит горелку 1 беспламенного типа, вертикальный цилиндрический корпус 2 с распределительной камерой 3 горячих дымовых газов, сборной камерой 4 охлажденных дымовых газов, патрубками 5 и 6 соответственно подвода и отвода нагреваемой воды и патрубками 7 и 8 соответственно подвода и отвода нагреваемого воздуха. Вдоль вертикальной оси корпуса 2 размещены последовательно по потоку дымовых газов водонагреватель 9 и воздухонагреватель 10 с промежуточной камерой 11 между ними. В данном примере водонагреватель 9 состоит из четырех теплообменных блоков 12, а воздухонагреватель 10 - из двух теплообменных блоков 13. Теплообменные блоки 12, а также теплообменные блоки 13 установлены один над другим с образованием периферийного 14 и центрального 15 коллекторов водонагревателя 9 и периферийного 16, и центрального 17 коллекторов воздухонагревателя 10. Периферийные коллекторы 14 и 16 отделены от смежных полостей герметичными заглушками 18, а центральные коллекторы 15 и 17 - герметичными заглушками 19. Теплообменные блоки 12 и 13 сформированы из вертикально установленных, примыкающих друг к другу и образующих кольцевой ряд теплопередающих элементов 20, каждый из которых выполнен полым из двух стенок 21, которые имеют в поперечном сечении форму спирали, снабжены дистанционирующими выступами, сварены между собой по двум горизонтальным сторонам и образуют во внутренней полости радиально-спиральные каналы 22, сообщающиеся с периферийными 14 и 16 и центральными 15 и 17 коллекторами. Между прилегающими друг к другу теплопередающими элементами 20 образованы вертикальные щелевые каналы 23 спиралеобразного сечения, сообщенные с распределительной 3, сборной 4 и промежуточной 11 камерами. Между смежными теплообменными блоками 12 водонагревателя 9, а также между смежными теплообменными блоками 13 воздухонагревателя 10 в периферийных коллекторах 14 и 16 и в центральных коллекторах 15 и 17 установлены горизонтальные перегородки 24 и 25, разделяющие коллекторы на отдельные изолированные полости. На линии подвода воздуха к воздухонагревателю установлен вентилятор 26, а на выходе охлажденных дымовых газов из сборной камеры 4 - дымосос 27. Для подмешивания части охлажденных дымовых газов к холодному воздуху предусмотрена линия 28, а для подвода нагретой смеси воздуха и дымовых газов к горелке 1 - линия 29.
В данном примере предусмотрена установка горелки 1 в нижней части котла, а размещение воздухонагревателя 10 - над водонагревателем 9. Однако, в принципе, возможно исполнение котла с установкой горелки 1 в верхней части котла; в этом случае воздухонагреватель 10 устанавливается под водонагревателем 9.
Водогрейный котел работает следующим образом. Горячие дымовые газы, после сгорания топлива в беспламенной горелке 1, поступают в распределительную камеру 3, затем, поднимаясь вверх последовательно через вертикальные щелевые каналы 23 водонагревателя 9, промежуточную камеру 11 и вертикальные щелевые каналы 23 воздухонагревателя 10, постепенно охлаждаются, отдавая тепло воде и воздуху, после чего поступают в сборную камеру 4, откуда откачиваются дымососом 27. Холодная вода из системы подается через патрубок 5 в отделенную перегородкой 24 верхнюю полость периферийного коллектора 24 водонагревателя 9, проходит по радиально-спиральным каналам 22 верхнего теплообменного блока 12, поступает в верхнюю полость центрального коллектора 15, отделенную перегородкой 25, затем аналогичным образом прокачивается последовательно по радиально-спиральным каналам 22 трех нижерасположенных теплообменных блоков 12; при этом вода, отбирая тепло от дымовых газов, нагревается, после чего горячая вода через патрубок 6 отводится в систему. Часть охлажденных дымовых газов по линии 28 подмешивается к подводимому к котлу холодному воздуху, затем образовавшаяся смесь воздуха и дымовых газов вентилятором 26 через патрубок 7 подается в верхнюю полость периферийного канала 16 воздухонагревателя 10, прокачивается последовательно через радиально-спиральные каналы 22 двух теплообменных блоков 13, нагревается в них, отбирая тепло от дымовых газов, после чего выводится через патрубок 8 и по линии 29 подается на горелку 1.
Существенными преимуществами предлагаемого водогрейного котла являются следующие:
1. Благодаря выполнению теплообменных поверхностей водо- и воздухонагревателей в виде щелевых каналов и противотоку греющей (дымовые газы) и нагреваемых (вода и воздух) теплообменных сред обеспечиваются высокая эффективность процесса теплопередачи и возможность глубокой рекуперации тепла дымовых газов, что, в свою очередь, позволяет достичь существенного снижения металлоемкости и габаритов котла, а также уменьшения расхода топлива.
x
2. Разбавление воздуха охлажденными дымовыми газами позволяет снизить адиабатическую температуру горения до 1000-1200°С, при которой практически исключается образование и выброс в окружающую среду с дымовыми газами вредных примесей (СО и NO).
3. Благодаря использованию горелки беспламенного типа обеспечивается процесс устойчивого горения, несмотря на пониженное содержание кислорода в воздухе, поступающем на горелку, из-за подмешивания к нему рециркулирующих дымовых газов.