ЭКОНОМАЙЗЕР, УСТРОЙСТВО УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА
ECONOMISER, DEVICE OF HEAT UTILISATION

Изобретение относится к области теплоэнергетики, к теплообменным аппаратам, в частности к экономайзерам, предназначенным для отопления и утилизации тепла уходящими газами для горячего водоснабжения производственных и бытовых зданий и сооружений различного назначения.
Известны чугунные экономайзеры, состоящие из чугунных ребристых труб, соединяемых при помощи чугунных колен (калачей) таким образом, чтобы питательная вода могла последовательно пройти по всем трубам снизу вверх. См. М.М.Щеголев. Топливо, топки и котельные установки. Москва, 1953 год, стр.392-397. Чугунные ребристые трубы по краям имеют прямоугольные фланцы, что дает возможность, набирая группу труб, ограничить газоход с двух сторон металлическими стенками, рис.203 там же. Водяные экономайзеры могут устанавливаться к каждому котлу индивидуально. Разработанная Кусинским машиностроительным заводом конструкция экономайзера выполнена в виде нескольких ребристых чугунных труб, из которых каждые две соединены при помощи калача, выполненного в виде пустотелого полутора. См. там же стр.396, рис.209.
К недостаткам такого экономайзера можно отнести низкую теплоотдачу при прохождении питательной воды по трубам экономайзера.
Известно более совершенное устройство, позволяющее повысить теплоотдачу нагретой питательной воды при помощи измененной конструкции элементов экономайзера. См. патент РФ №2252368 «Водогрейный котел», F24H 1/12, публ. 20.05.2005 г. - прототип. Известный котел предназначен для нагрева воды и может быть использован для отопления и горячего водоснабжения. Котел содержит топочную камеру, экранированную трубами, конвективный трубный пучок, экономайзер и устройство закручивания потока воды, выполненное в виде перепускных тангенциальных труб, соединяющих между собой смежные трубы экранов, конвективный пучок и экономайзер. Перепускная труба, выполняющая функцию калача, в экономайзере, изготовлена в виде трапециеобразного короба, снабженного средством отклонения потока воды в сторону большего основания короба, жестко связанным с меньшим основанием, соединяющим смежные трубы по их общей оси. При этом средство отклонения потока теплоносителя (воды) выполнено в виде наклонной стенки, установленной в смежной трубе по ходу потока теплоносителя под углом 5-20 градусов к общей оси смежных труб, и выполнена за одно целое с меньшим основанием короба (калача). Такое выполнение короба со средством отклонения потока воды, по мнению авторов, обеспечивает возможность регулирования расхода и скорости теплоносителя.
К недостаткам известного устройства можно отнести сохраняющуюся как и в аналоге низкую теплоотдачу несмотря на наличие средства отклонения потока воды, выполненного в виде жестко смонтированной в полости средства перегородки. К тому же, поскольку перегородка смонтирована жестко и не имеет возможности менять своего положения, то и возможность регулирования расхода и скорости теплоносителя остается, по крайней мере, сомнительной. Сохраняющийся и интенсифицированный перемещением питательной воды процесс кавитации со временем сводит на нет функциональные возможности перегородки - она по истечении времени сильно изнашивается, меняет геометрические размеры и разрушается. Прямоугольная форма короба-калача, изготовленного при помощи сварки, без радиусов округления при переходе одной поверхности к другой создает в полости калача застойные зоны, что сказывается на эффективности теплоотдачи и работы всей системы.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение недостатков прототипа - в частности повышение теплоотдачи за счет более интенсивного перемешивания потока воды.
Поставленная изобретением техническая задача достигается тем, что внутренняя поверхность меньшей по длине стенки тангенциально выполненного канала для прохождения потока воды в коробе-калаче выполнена винтообразной, создающей переменное по форме сечение канала по всей его длине.
Внутренняя винтообразная стенка тангенциально выполненного соединительного канала для прохождения потока воды в коробе-калаче выполнена на расстоянии от 0,2 до 0,6 диаметра проходного сечения трубы в обе стороны от осевой линии калача, соединяющей продольные оси труб.
Внутренняя винтообразная поверхность меньшей по длине стенки тангенциально выполненного соединительного канала для прохождения потока воды в коробе-калаче выполнена таким образом, что на входе потока воды в канал сечение канала выполнено уширенным вниз, а на выходе из канала - уширенным вверх, при этом площадь сечения канала выполнена постоянной.
Внутренняя винтообразная поверхность меньшей по длине стенки тангенциально выполненного соединительного канала для прохождения потока воды в коробе-калаче выполнена таким образом, что на входе потока воды в канал сечение канала выполнено уширенным вверх, а на выходе из канала - уширенным вниз, при этом площадь сечения канала выполнена постоянной.
Радиус округлений каналов в коробе-калаче выполнен равным от 0,05 до 0,2 межосевого расстояния труб.
Угол отклонения внутренней стенки соединительного канала в сечениях по отношению к наружной стенке канала выполнен равным от 5 до 30 градусов в обе стороны.
Новизной предложенного технического решения является выполнение внутренней поверхности меньшей по длине стенки тангенциально выполненного соединительного канала для прохождения потока воды в коробе-калаче винтообразной, создающей переменное по форме сечение канала по всей его длине. Указанные отличительные признаки являются новыми, неочевидными, промышленно выполнимыми и направлены на достижение поставленной изобретением технической задачи. Так, при прохождении воды по каналу с одной винтообразно выполненной поверхностью стенки в сочетании с дополнительным признаком выполнения сечения канала на входе потока воды в канал уширенным вниз, а на выходе из канала - уширенным вверх, и наоборот, при сохранении площади сечения канала постоянной, поток воды без резкого взбудораживания, не вызывая кавитационных процессов, а также в сочетании с выполнением угла отклонения внутренней стенки соединительного канала в сечениях по отношению к наружной стенке канала равным от 5 до 30 градусов в обе стороны питательная вода начинает перемешиваться, при этом нижние слои потока воды, проходящего по каналу, устремляются снизу вверх или сверху вниз и, сразу же раскручиваясь, тангенциально входят в отводящий канал короба-калача и далее в отводящую трубу экономайзера.
Признаки выполнения внутренней стенки тангенциально выполненного канала для прохождения потока воды в коробе-калаче на различном расстоянии от 0,2 до 0,6 диаметра проходного сечения трубы в обе стороны от осевой линии калача, соединяющей продольные оси труб, позволяют, в зависимости от пропускной способности, устанавливать на экономайзеры соответствующие калачи. Так при большей пропускной способности экономайзера устанавливают короб-калач, в котором меньшая стенка соединительного канала находится на большем расстоянии от наружной стенки, а при необходимости иметь меньшую пропускную способность на экономайзер устанавливают короб-калач, в котором меньшая стенка приближена к наружной.
Выполнение радиусов округлений канала в коробе-калаче равными от 0,05 до 0,2 межосевого расстояния труб не создает в коробе-калаче застойных зон питательной воды и способствует достижению поставленной изобретением технической задачи.
На фиг.1 схематично показаны две трубы экономайзера, соединенные калачами;
На фиг.2 показан калач экономайзера в продольном разрезе;
На фиг.3 показан калач экономайзера в поперечном разрезе;
На фиг.4 - канал экономайзера на выходе потока воды из канала с уширением вверх;
На фиг.5 показан поперечный разрез канала экономайзера на середине потока воды с параллельно расположенными стенками;
На фиг.6 показан поперечный разрез канала экономайзера на входе потока воды с уширением вниз.
Предлагаемый экономайзер состоит из оребренных труб 1, связанных друг с другом и подводящим 2 и отводящим 3 трубопроводами калачами 4 с фланцами 5. Каждый калач 4 экономайзера выполнен в виде короба с входным 6, соединительным 7 и выходным 8 каналами воды из калача. Соединительный канал 7 короба-калача смонтирован тангенциально по отношению к обоим входному 6 и выходному 8 каналам воды с выполненной винтообразно короткой внутренней стенкой 9. При этом на входе потока воды в соединительный 7 канал его сечение выполнено уширенным вниз, см. фиг.6. В центральной части соединительный 7 канал выполнен с параллельно расположенными стенками 9 и 10. На выходе сечение канала выполнено с уширением вверх, см. фиг.4. Радиусы округлений каналов 6, 7, 8 короба-калача выполнены равными от 0,05 до 0,2 межосевого расстояния труб.
Предлагаемый экономайзер работает следующим образом.
Питательная вода, поступая из входного канала 6 короба-калача в соединительный канал 7, начинает перемешиваться за счет изменения направления и выполнения радиусов округления равными от 0,05 до 0,2 межосевого расстояния труб, затем, проходя через уширенное вниз сечение соединительного канала 7, основная масса воды, перемешиваясь, начинает в соответствии с геометрией соединительного канала 7 подниматься вверх и на выходе из соединительного канала 7 тангенциально подается в выходной канал 8, где еще более интенсивно перемешивается, выравнивая температуру воды по всему сечению выходного канала 8. При радиусах округлений меньше 0,05 межосевого расстояния труб начинают образовываться застойные зоны, а при радиусах округлений более 0,2 межосевого расстояния труб снижается интенсивность перемешивания потока воды. Для различных по расходу воды экономайзеров внутренняя стенка тангенциально выполненного соединительного канала 7 для прохождения потока воды в коробе-калаче может быть выполнена на расстоянии от 0,2 до 0,6 диаметра проходного сечения трубы в обе стороны от осевой линии калача, соединяющей продольные оси труб. Так в экономайзере, рассчитанном на большую производительность (расход воды), внутренняя стенка 9 может быть выполнена не доходящей до осевой линии, а при меньшей производительности внутренняя стенка 9 может быть выполнена приближенной к внешней стенке 10, уменьшая проходное сечение соединительного канала 7 и соответственно производительность экономайзера. При выполнении внутренней стенки на расстоянии меньшем, чем 0,2 диаметра проходного сечения трубы, эффект тангенциального соединения каналов незначительный, а при выполнении внутренней стенки на расстоянии большем, чем 0,6 диаметра проходного сечения трубы, резко снижается производительность экономайзера.
При выполнении угла наклона в сечениях внутренней стенки соединительного канала по отношению к продольной оси сечения канала менее 5 градусов нет ощутимого эффекта перемешивания, а при угле более 30 градусов интенсивность перемешивания меняется незначительно.
В настоящее время автором разработана конструкторская документация на предлагаемый в качестве изобретения экономайзер, изготовлен опытный образец, который показал положительные предварительные результаты испытаний. Принято решение по окончании испытаний приступить к подготовке производства предложенных экономайзеров.