ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к котельной технике, в частности к водотрубным водогрейным котлам, с тепловой производительностью до 4 мВт, и может быть использовано в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий.
В отечественной и международной практике котлостроения котельный парк данной производительности в настоящее время представлен горизонтальными котлами цилиндрической формы, топка которых имеет камеру сгорания в виде горизонтальной жаровой трубы. Типичным представителем котлов данной серии является Водогрейный газотрубный трехходовой котел Термотехник ТТ 100-01 [см. 1000-16500-kvt/kotly-vodogrejnye-1000-15000-kvt_2.html].
При этом конвективные поверхности нагрева, образованные дымогарными трубами газоходов, расположенными осесимметрично вокруг камеры сгорания, дополнены поворотными камерами. Первая поворотная камера образована задней трубной доской и торосферическим днищем заднего фронта котла. Вторая поворотная камера - передней трубной доской и фронтальными дверцами котла. Пространство между жаровой трубой и внешним цилиндрическим корпусом котла заполнено нагреваемой водой.
Основными недостатками котлов данного типа является низкая интенсивность теплообмена между продуктами сгорания топлива и нагреваемой средой, обусловленная продольным омыванием горизонтального трубного пучка продуктами сгорания, при этом повышение эффективности теплообмена требует значительного увеличения скорости движения газов в дымогарных трубах газоходов в сравнении с процессами теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой среде при поперечном омывании трубных пучков, когда нагреваемая среда находится внутри труб, а дымовые газы движутся снаружи, поперечно обтекая трубные пучки.
Используемая конструкция котлов обусловливает высокую металлоемкость и весогабаритные характеристики, необходимость обеспечения газовой плотности котлов, требующей сложного механического оборудования для изготовления жаровой трубы и поворотных крышек на передней и задней трубных досках. Жаротрубная конструкция конвективных газоходов надежна в работе только при использовании в качестве топлива природного и сжиженных газов и дизельного топлива, что исключает возможность коксования теплообменных поверхностей.
Известен также водогрейный котел, содержащий цилиндрический корпус с топкой и соосной с ней конвективной камерой, при этом на переднем фронте топки, на ее продольной оси, установлена горелка, а у заднего фронта топки установлен рассекатель дымовых газов, причем параллельно поверхности топки размещена экранная поверхность нагрева, кроме того, экранная поверхность нагрева топки и поверхности нагрева конвективной камеры подсоединены к подводящему и отводящему коллекторам (см. патент RU 2327084, МПК F24H 1/16, 2008 г.).
Котел характеризуется высокой трудоемкостью изготовления, требующей специального оборудования; невысоким КПД ввиду недостаточно развитой конвективной поверхности нагрева, а также низкой ремонтопригодностью.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в снижении трудоемкости изготовления, повышении КПД котла и его ремонтопригодности.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении себестоимости производства котлоагрегата, повышении КПД (за счет развитой конвективной поверхности нагрева в виде трубного пучка при поперечном обтекании его продуктами сгорания) и повышении ремонтопригодности за счет обеспечения доступа к узлам и элементам топки и конвективной камеры.
Поставленная задача решается тем, что водогрейный котел, содержащий цилиндрический корпус с топкой и соосной с ней конвективной камерой, при этом на переднем фронте топки на ее продольной оси установлена горелка, а у заднего фронта топки установлен рассекатель дымовых газов, причем параллельно поверхности топки размещена экранная поверхность нагрева, кроме того, экранная поверхность нагрева топки и поверхности нагрева конвективной камеры подсоединены к подводящему и отводящему коллекторам, отличающийся тем, что продольная ось котла ориентирована горизонтально, при этом топка и конвективная камера размещены последовательно, причем водогрейный котел выполнен разъемным в вертикальной продольной плоскости, для чего пара параллельных коллекторов, выполненных на всю длину котла, разделенных внутренними перегородками на подводящие и отводящие участки, размещены соответственно в верхней и нижней частях корпуса по обе стороны от диаметральной вертикальной плоскости разъема половин корпуса котла, при этом верхний и нижний коллекторы, размещенные с одной стороны от плоскости разъема, на участке топки сообщены дугообразными трубами, конгруэнтными очертаниям внутренней поверхности котла, образующими топочные экраны, а поверхности нагрева конвективной камеры содержат поперечно-обтекаемые трубные пучки, выполненные из параллельных пакетов, каждый из которых содержит дугообразные трубы, концы которых сообщены либо с верхним и нижним коллекторами соответствующей половины котла, либо с нисходящим и восходящим соосными патрубками, сообщенными с этими коллекторами, кроме того, тепловая изоляция котла выполнена с разъемом по стыку половин корпуса котла, снабжена снаружи газоплотной металлической обшивкой, продольные кромки которой и торцы снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного соединения деталей корпуса водогрейного котла, при этом рассекатель дымовых газов содержит рассекающий конус и скрепленный с ним трубчатый элемент, соосные продольной оси котла, причем поверхность рассекающего конуса рассекателя дымовых газов, обращенная к топке, выполнена предпочтительно в виде гиперболоида вращения, кроме того, в полости конвективной камеры размещены две разъемные цилиндрические обечайки, соосные друг другу и продольной оси котла, длиной меньшей расстояния от задней поверхности рассекающего конуса до заднего фронта корпуса котла, при этом диаметр большей обечайки соответствует диаметру рассекающего конуса, с которым она скреплена, а диаметр меньшей обечайки соответствует диаметру отводящего газового канала, выполненного на заднем фронте корпуса котла, с которым эта обечайка скреплена. Кроме того, поверхности рассекателя и трубчатого элемента снабжены футеровкой, а на переднем и заднем фронте котла размещены перепускные каналы, выполненные разъемными, и снабжены компенсирующими сильфонными вставками.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".
Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признаки «… продольная ось котла ориентирована горизонтально, при этом топка и конвективная камера размещены последовательно …» обеспечивают уменьшение габаритов поперечного сечения котла, упрощение его изготовления и, в совокупности с другими признаками, возможность доступа к узлам и элементам топки и конвективной камеры котла, при исключении возможности опрокидывания частей котла после его разъема, имеющейся при вертикальной компоновке.
Признаки «… водогрейный котел выполнен разъемным в вертикальной продольной плоскости …» обеспечивают возможность легкого доступа к узлам и элементам топки и конвективной камеры котла, после его разъема на две половины.
Признаки «… пара параллельных коллекторов, выполненных на всю длину котла, разделенных внутренними перегородками на подводящие и отводящие участки размещены, соответственно в верхней и нижней частях корпуса по обе стороны от диаметральной вертикальной плоскости разъема половин корпуса котла …» обеспечивают одинаковую возможность утилизации тепла «обеими половинами» котла.
Признаки «… верхний и нижний коллекторы, размещенные с одной стороны от плоскости разъема на участке топки, сообщены дугообразными трубами, конгруэнтными очертаниям внутренней поверхности котла, образующими топочные экраны …» обеспечивают съем тепла на участке топки и защиту корпуса котла от разрушения тепловым потоком сгорающего топлива.
Признаки «… поверхности нагрева конвективной камеры содержат поперечно-обтекаемые трубные пучки, выполненные из параллельных пакетов, каждый из которых содержит дугообразные трубы, концы которых сообщены либо с верхним или нижним коллекторами соответствующей половины котла, либо с нисходящим или восходящим соосными патрубками, сообщенными с этими коллекторами …» обеспечивают съем тепла на участке конвективной камеры».
Признаки «… тепловая изоляция котла выполнена с разъемом по стыку половин корпуса котла, снабжена снаружи газоплотной металлической обшивкой, продольные кромки которой и торцы снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного соединения деталей корпуса водогрейного котла …» обеспечивают надежную герметизацию внутреннего объема топки и конвективного блока, предотвращают выбивание продуктов сгорания из котла при работе под наддувом и исключают повышенные присосы наружного воздуха в топку и газоходы котла при работе под разрежением.
Признаки «… рассекатель дымовых газов содержит рассекающий конус и скрепленный с ним трубчатый элемент, соосные продольной оси котла …» обеспечивают возможность организации последовательных (по движению газов) симметричных коаксиальных газоходов в объеме конвективной камеры, площадь поперечного сечения которых уменьшается по ходу движения газов, что обеспечивает постоянство высоких скоростей движения дымовых газов и повышение эффективности теплоотдачи при нагреве воды.
Признак «поверхность рассекающего конуса рассекателя дымовых газов, обращенная к топке, выполнена предпочтительно в виде гиперболоида вращения …» минимизирует аэродинамическое сопротивление рассекателя.
Признаки «… в полости конвективной камеры размещены две разъемные цилиндрические обечайки, соосные друг другу и продольной оси котла, длиной меньшей расстояния от задней поверхности рассекающего конуса до заднего фронта корпуса котла, при этом диаметр большей обечайки соответствует диаметру рассекающего конуса, с которым она скреплена, а диаметр меньшей обечайки соответствует диаметру отводящего газового канала, выполненного на заднем фронте корпуса котла, с которым эта обечайка скреплена …» обеспечивают формирование трех соосных газоходов в объеме конвективной камеры, не препятствующих разъемности котла.
Признаки «… перепускные каналы, выполненные разъемными, и снабжены компенсирующими сильфонными вставками» обеспечивают разъемность половин котла и компенсацию тепловых деформаций.
Признаки «поверхности рассекателя и трубчатого элемента снабжены футеровкой» повышают теплостойкость и работоспособность этих элементов.
Заявленное устройство иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан продольный вертикальный разрез котла; на фиг. 2 показан узел А, на фиг. 3-6 показаны соответственно разрезы I-I, II-II, III-III, IV-IV.
На чертежах показаны топка 1, горелка 2, конвективные соосные газоходы 3-5, передний фронт 6 топки 1, верхние 7, 8 и нижние 9, 10 продольные коллекторы, рассекатель дымовых газов 11, дугообразные трубы 12, 13 и 14, выходной газовый патрубок 15, газовый короб 16 с взрывным клапаном 17, металлическая обшивка 18, тепловая изоляция 19, конвективная камера 20, коническая обечайка 21, разъемное основание котла 22, продольная ось 23 котла, экранная поверхность 24, нисходящий 25 и восходящий 26 соосные патрубки, фланцы 27, цилиндрические обечайки 28 и 29, обшивка 30 заднего фронта, перепускные каналы 31, 32, сильфонная компенсирующая вставка 33.
Горизонтальный цилиндрический водогрейный котел состоит из цилиндрической топки 1, горелки 2, цилиндрических конвективных соосных газоходов 3, 4, 5, расположенных соосно продольной оси 23 котла за топкой 1, для этого в полости конвективной камеры 20 размещены две разъемные цилиндрические обечайки 28 и 29, соосные друг другу и продольной оси 23 котла, длиной меньшей расстояния от задней поверхности рассекающего конуса 11 до заднего фронта корпуса котла, при этом диаметр большей обечайки 28 соответствует диаметру рассекающего конуса 11, с которым она скреплена, а диаметр меньшей обечайки 29 соответствует диаметру выходного газового патрубка 15, выполненного на заднем фронте корпуса котла, к которому обечайка 29 примыкает. Котел выполнен симметричным относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось котла 23 (диаметральная плоскость). Пара параллельных коллекторов 7, 8 и 9, 10, выполнена на всю длину котла и разделена внутри перегородками на подводящие и отводящие участки. Трубная часть котла, состоит из переднего фронта 6 (конической формы), а также экранной поверхности 24 топки 1 и трех конвективных газоходов 3, 4, 5. От переднего до заднего фронта котла верхний 7 и нижний 9 коллекторы, размещенные с одной стороны от плоскости разъема, и верхний 8 и нижний 10 коллекторы, размещенные с другой стороны от плоскости разъема, сообщены дугообразными трубами 12, конгруэнтными очертаниям внутренней поверхности котла. Эти трубы образуют экранные поверхности 24 топки 1, а по глубине конвективной камеры 20 формируют цилиндрическую поверхность, подобную экранным поверхностям 24 топки 1. Конвективные поверхности нагрева конвективной камеры 20 содержат поперечно-обтекаемые трубные пучки, выполненные из параллельных пакетов (фиг.5, фиг.6), каждый из которых содержит дугообразные трубы 12, концы которых сообщены с верхним 7 (8) и нижним 9 (10) коллекторами, соответствующей половины котла, и дугообразные трубы 13, концы которых сообщены с нисходящими 25 и восходящими 26 соосными патрубками, сообщенными с коллекторами 7 (8) и 9 (10). Здесь и далее в скобках упомянуты элементы, составляющие «вторую половину» котла.
Тепловая изоляция 19 котла выполнена с разъемом по стыку половин корпуса котла и имеет снаружи газоплотную металлическую обшивку 18, кромки которой снабжены фланцами 27 на переднем и заднем фронте котла, соединяющими металлическую обшивку 18, с конической обечайкой 21 и обшивкой 30 заднего фронта, а также по продольному разъему корпуса котла (в его диаметральной плоскости) с обеспечением возможности разъемного скрепления половин корпуса водогрейного котла.
Трубная часть переднего фронта 6 топки 1 снабжена трубными концентричными полукольцами дугообразных труб 13, вваренных в два нисходящих 25 и восходящих 26 патрубка, соединенных с дугообразными трубами 14, концы которых сообщены с верхним 7 (или 8) и нижним 9 (или 10) коллекторами.
На заднем фронте топки 1 установлен рассекатель дымовых газов 11, выполненный футерованным, причем поверхность рассекающего конуса, обращенная к топке 1, выполнена предпочтительно в виде гиперболоида вращения.
Котел предназначен для работы на природном и сжиженном газе. Котел работает следующим образом.
В рабочем режиме котла дымовые газы поступают в топку 1 от горелки 2 в виде факела, заполняющего объем топки 1. На выходе из топки 1 через задний фронт котла (фиг.5, III-III) дымовые газы поступают в первый цилиндрический газоход 3 котла (фиг. 6, IV-IV), откуда при возвратном движении переходят во второй газоход 4 благодаря цилиндрической металлической обечайке 28, откуда подается в третий газоход 5, образованный цилиндрической металлической обечайкой 29, с выходом наружу через выходной газовый патрубок 15 на заднем фронте котла.
Рассекатель дымовых газов 11 предназначен для минимизации температур на выходе из конвективной части котла.
Вода входит в верхний левый продольный коллектор 7, откуда по дугообразным трубам 12 совершает опускное движение в левый продольный коллектор 9 и далее, совершая подъемно-опускные движения, поступает в левую половину конического переднего фронта 6 топки 1, затем через перепускной канал 31 (Фиг. 3, I-I), снабженный компенсирующей сильфонной вставкой 33, вода подается в нижнюю зону правой половины конического переднего фронта 6. Далее при подъемно-опускном движении по правой половине экранной поверхности 24 вода поступает в правую половину конвективной камеры 20, в которой совершает подъемно-опускные движения и выходит на заднем фронте котла через нижний правый коллектор 10, откуда через перепускной канал 32 (Фиг. 2, А-А), снабженный компенсирующей сильфонной вставкой 33, подается в левый нижний коллектор 9 и, совершая подъемно-опускные движения, выходит через левый продольный коллектор 7, при этом потоки воды, «работающие» по сторонам котла, не пересекаются.
Данная схема движения обеспечивает противоточную схему движения нагреваемого теплоносителя в первой половине лучисто-конвективного блока (газоходы 3, 4, 5), что обусловливает высокую интенсивность теплообмена между дымовыми газами и нагреваемой водой.
Котел может работать с уравновешенной тягой либо под наддувом, последнее обеспечивается газоплотностью котла.
При ремонте котла, после его остановки, демонтируют горелку 2, обшивку 18 котла на фланцах 27, производится демонтаж перепускных каналов 31, 32. Далее разъединяют половины корпуса котла, например, с использованием лебедок и домкратов и оттаскивают их друг от друга, для обеспечения достаточного расстояния для выполнения соответствующих работ. Например, если потекла одна из дугообразных труб 12 или 13, их известным образом вырезают и вваривают новую деталь. Особенно эффективно такие работы могут выполняться в конвективной камере 20, где в противном случае необходимо было бы попутно удалить часть исправных труб 12. Далее, по завершению ремонта работы повторяют в обратном порядке, и после подключения котла к источнику топлива и воды его запускают в работу.