ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котельных агрегатах, преимущественно в автономных и крышных котельных.
Известен водогрейный котел по патенту РФ №2116579, МПК F24H 1/00. Котел содержит корпус с крышкой и закрепленную в центральной части крышки горелку. В корпусе размещены водяной объем, топочная камера, поворотная камера дымовых газов, образованная крышкой котла и обращенной к крышке торцовой частью водяного объема, дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, и нагревательные элементы. Последние выполнены в виде трубок Фильда. Каждая наружная труба нагревательного элемента помещена с некоторым зазором в дымогарную трубу. Внутренние трубы нагревательного элемента впускными концами непосредственно соединены с подводящим воду трубопроводом, а выпускные концы наружных труб - с водяным коллектором. Полость водяного коллектора трубопроводом соединена с водяным объемом котла, снабженного отводящим патрубком.
Известное устройство позволяет повысить теплосъем за счет достаточно развитой площади обогреваемой поверхности.
К недостаткам котла можно отнести низкую эффективность теплосъема, сложность конструкции и, как следствие, увеличенные массу и габариты котла.
Недостаточная эффективность теплосъема обусловлена следующим.
Во-первых, вода, поступающая по подводящему трубопроводу во внутренние трубы нагревательных элементов, перемещаясь по ним, нагревается от воды, находящейся в кольцевом зазоре между наружной и внутренней трубами, что малоэффективно, так как при этом отсутствует непосредственный контакт воды с теплом дымовых газов. Далее, на выходе из внутренней трубы нагревательного элемента направление движения воды меняется на противоположное, она поступает в канал, образованный кольцевым зазором между трубами нагревательного элемента и, перемещаясь по нему, нагревается от тепла дымовых газов. Однако при данной схеме газопоток и дымовые газы в дымогарной трубе перемещаются в том же направлении, а это снижает эффективность теплопередачи, так как известно, что теплопередача больше при противотоке нагревающей и нагреваемой сред.
Кроме того, в конструкции котла, за исключением установки нагревательных элементов внутри дымогарных труб, не предусмотрены специальные средства повышения эффективности теплосъема.
Наконец, нагретая вода охлаждается при перемещении из водяного коллектора в водяной объем по трубопроводу, вынесенному за габариты котла.
Сложность устройства обусловлена сложностью конструкции нагревательных элементов, необходимостью установки перегородок для организации полости коллектора дымовых газов, наличием специального трубопровода для перемещения воды из водяного коллектора в водяной объем.
Выполнение нагревательных элементов в виде труб Фильда, наличие указанных перегородок и трубопровода увеличивают массу устройства, а последний - и его габариты, так как размещен за пределами корпуса котла.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является водогрейный котел по патенту РФ №2187763, МПК F24H 1/00, опубликован 20.08.2002 г.
Известный водогрейный котел содержит корпус с крышкой, закрепленную в центральной части крышки горелку, а также размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру, поворотную камеру дымовых газов и дымогарные трубы. Дымогарные трубы сообщены входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой. Водогрейный котел содержит также водяной коллектор, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена с кольцевым зазором в дымогарную трубу. Впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему воду трубопроводу, а выпускные - к водяному объему котла. В каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами и дымогарными трубами, установлены турбулизаторы газового потока. Поворотная камера дымовых газов образована днищами водяного объема и топочной камеры. Впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, а выпускные - непосредственно к водяному объему. Водяной коллектор образован днищами котла и топочной камеры, а коллектор дымовых газов - крышкой котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема.
Котел в целом обеспечивает высокий теплосъем, упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов котла.
Однако известный котел обладает определенными недостатками. Недостатками известного устройства являются относительно низкая надежность конструкции и неполностью реализованный теплосъем.
Указанные недостатки обусловлены следующими причинами.
В котле имеется неохлаждаемый теплонапряженный элемент, а именно часть корпуса котла, выполняющая функцию боковой стенки поворотной камеры дымовых газов.
Поворотная камера дымовых газов при вертикальном положении котла формирует собой застойную зону, находящуюся ниже выходного трубопровода, что способствует постоянному накоплению мелкодисперсных посторонних включений с образованием низкотеплопроводной корки на горизонтальной поверхности поворотной камеры дымовых газов. В процессе эксплуатации котла с определенного момента это приводит к локальному перегреву сварных швов под нарастающей коркой, структурным изменениям в них и уменьшению их прочности. По этой причине через определенный срок эксплуатации котла из-за разных температурных удлинений его корпуса, дымогарных труб и топки при жестко фиксированной связи этих элементов между собой происходит раскрытие (разрушение) сварных швов. Кроме того, в процессе нагрева воды не участвует интенсивно нагреваемая продуктами сгорания боковая поверхность поворотной камеры дымовых газов, снижая максимальную теплопроизводительность котла.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности котла и увеличение теплосъема.
Указанный технический результат достигается тем, что в водогрейном котле, содержащем корпус с днищем и крышкой, в центральной части которой выполнено отверстие для установки горелки, размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру, поворотную камеру дымовых газов и дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена в дымогарную трубу с кольцевым зазором, и отводящий трубопровод, при этом впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, выпускные концы - к водяному объему, а коллектор дымовых газов образован крышкой котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема, согласно изобретению, поворотная камера дымовых газов снабжена боковой стенкой, установленной с зазором относительно стенки корпуса котла, при этом котел снабжен уплощенным стаканом, прикрепленным свободной кромкой боковой поверхности к дну поворотной камеры дымовых газов с образованием водяного коллектора и обращенным дном к днищу котла, причем объем, заключенный между дном стакана и днищем котла, связан с отводящим трубопроводом.
Кроме того, уплощенный стакан выполнен тонкостенным.
Котел может быть снабжен турбулизаторами газового потока, установленными в кольцевых зазорах между нагревательными элементами и дымогарными трубами.
Указанная совокупность существенных признаков позволила организовать в котле рациональную схему газо- и водопотоков.
Зазор между введенной боковой стенкой поворотной камеры дымовых газов и стенкой котла обеспечивает ее эффективное охлаждение потоком воды через зазор и дополнительный теплосъем. Кроме того, благодаря этому кольцевому протоку воды организуются радиальные токи воды в направлении от топочной камеры 6 к кольцевому зазору "5" и обеспечивается смыв мелкодисперсных посторонних включений, благодаря чему ликвидируется локальный перегрев сварных швов конструкции в области поворотной камеры 7 дымовых газов. Благодаря тонкостенности стакана обеспечивается необходимая эластичность связи топочно-конвективной части и корпуса котла, снижающая температурно-деформационные напряжения конструкции.
Наличие турбулизаторов также повышает эффективность теплосъема.
Изобретение, охарактеризованное указанной выше совокупностью существенных признаков, на дату подачи заявки не известно в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна".
Изобретение может быть реализовано промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость".
Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с совокупностью отличительных признаков предлагаемого способа и обеспечивающие достижение заявляемого технического результата, в связи с чем можно сделать вывод о соответствии изобретения условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлено схематичное изображение общего вида котла.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - корпус котла;
2 - днище котла;
3 - крышка котла;
4 - отверстие для установки горелки;
5 - водяной объем;
6 - топочная камера;
7 - поворотная камера дымовых газов;
8 - дымогарные трубы;
9 - коллектор дымовых газов;
10 - водяной коллектор;
11 - нагревательные элементы в виде труб;
12 - отводящий трубопровод;
13 - подводящий трубопровод;
14 - боковая стенка поворотной камеры 7 дымовых газов;
15 - уплощенный стакан;
16 - дно поворотной камеры 7;
17 - турбулизаторы газового потока;
18 - шумоизолирующий кожух;
δ - кольцевой зазор между боковой стенкой камеры 7 и корпусом 1 котла.
Водогрейный котел содержит корпус 1 с днищем 2 и крышкой 3, в центральной части которой выполнено отверстие 4 для установки горелки. Изображение горелки на чертеже выполнено тонкими линиями. В корпусе размещены водяной объем 5, топочная камера 6, поворотная камера 7 дымовых газов и дымогарные трубы 8. Входные участки дымогарных труб 8 сообщены с поворотной камерой 7 дымовых газов, а выходными - с коллектором 9 дымовых газов, связанным с дымовой трубой (на чертеже не показана). Котел содержит водяной коллектор 10, нагревательные элементы 11 в виде труб, каждая из которых помещена в дымогарную трубу 8 с кольцевым зазором, и отводящий трубопровод 12. Впускные концы нагревательных элементов 11 подключены к подводящему трубопроводу 13 через водяной коллектор 10, выпускные концы - к водяному объему 5. Коллектор 9 дымовых газов образован крышкой 3 котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема 5. Поворотная камера 7 дымовых газов снабжена боковой стенкой 14, установленной с зазором "δ" относительно стенки корпуса 1 котла. Котел снабжен уплощенным стаканом 15, прикрепленным свободной кромкой боковой поверхности к дну 16 поворотной камеры 7 дымовых газов с образованием водяного коллектора 10. Стакан 15 обращен своим дном к днищу 2 котла, при этом водяной объем 5, заключенный между дном стакана 15 и днищем 2 котла, связан с отводящим трубопроводом 12. Стакан 15 выполнен тонкостенным для обеспечения необходимой эластичности связи топочно-конвективной части и корпуса котла и, соответственно, снижения температурно-деформационных напряжений конструкции. Котел также снабжен турбулизаторами 17 газового потока, установленными в кольцевых зазорах между нагревательными элементами 11 и дымогарными трубами 8, что повышает эффективность теплосъема. Над крышкой 3 котла установлен шумоизолирующий кожух 18.
Водогрейный котел работает следующим образом.
После заполнения водяной системы котла зажигают газовую горелку.
Нагреваемая вода по подводящему трубопроводу 13 подается в водяной коллектор 10, сообщенный с впускными концами нагревательных элементов 11, и поступает непосредственно в водяной объем 5. Наличие зазора "δ" между введенной боковой стенкой 14 поворотной камеры 7 дымовых газов и стенкой котла обеспечивает ее эффективное охлаждение протоком воды через зазор и дополнительный теплосъем. Кроме того, благодаря этому кольцевому протоку воды организуются радиальные токи воды в направлении от топочной камеры 6 к кольцевому зазору "δ" и обеспечивается смыв в него мелкодисперсных посторонних включений, благодаря чему ликвидируется локальный перегрев сварных швов конструкции в области поворотной камеры 7 дымовых газов. Выполнение стакана 15, образующего водяной коллектор 10, тонкостенным обеспечивает необходимую эластичность связи топочно-конвективной части и корпуса котла и, соответственно, снижает температурно-деформационные напряжения конструкции. Пройдя водяной объем 5, через отводящий трубопровод 12 вода поступает к потребителю.
Горячие дымовые газы, образующиеся в процессе работы газовой горелки, нагревают воду, проходя последовательно топочную камеру 6, поворотную камеру 7 дымовых газов, образованные наружной поверхностью нагревательных элементов 11 и внутренней поверхностью дымогарных труб 8 кольцевые каналы с размещенными в них турбулизаторами газового потока, и коллектор 9 дымовых газов, связанный с дымовой трубой. Таким образом, предварительный нагрев воды осуществляется в водяном коллекторе 10 и нагревательных элементах 11, при этом внутри нагревательных элементов 11 нагрев осуществляется непосредственно теплом дымовых газов. Турбулизация газового потока в каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами 11 и дымогарными трубами 8, интенсифицирует этот процесс. Из нагревательных элементов 11 вода поступает непосредственно в водяной объем 5, при прохождении по которому происходит основной нагрев воды от наружных стенок топки 6 и дымогарных труб 8. Поскольку на этом участке прохождения воды теплопередача осуществляется в условиях противотока нагревающей и нагреваемой сред, эффективность теплопередачи значительно возрастает.
Реализация заявляемого технического решения водогрейного котла позволяет осуществлять теплосъем в условиях, когда:
- в процессе теплопередачи участвуют как наружные, так и внутренние поверхности дымогарных труб, при этом почти весь объем дымовых газов проходит через зону активной теплопередачи;
- вода на всем протяжении своего пути нагревается непосредственно теплом потока дымовых газов;
- все нагреваемые потоком дымовых газов элементы обеспечивают теплосъем и эффективно охлаждаются;
- снижены температурно-деформационные напряжения конструкции;
- за счет рациональной схемы и турбулизации потока дымовых газов процесс теплопередачи интенсифицирован как на стадии предварительного, так и основного нагрева воды;
- основной теплосъем производится при противотоке нагревающей и нагреваемой сред.