КОТЕЛЬНЫЙ ПУЧОК
BOILER BANK

Изобретение относится к котлостроению и может быть использовано при конструировании поверхностей нагрева в теплоэнергетике.
Котельные пучки представляют собой объемные поверхности нагрева из труб вертикальной ориентации, верхние и нижние концы которых включены соответственно в верхние и нижние объединяющие их емкости. В качестве таких емкостей часто используют барабаны. Барабан котла - это емкость цилиндрической формы, имеющая относительно большой диаметр, при котором в процессе изготовления и обслуживания котла возможен доступ человека внутрь барабана. При часто встречающейся компоновке поверхностей нагрева котельного пучка с двумя барабанами нижняя часть верхнего барабана и верхняя часть нижнего барабана, в основном, заняты вводами в них концов труб котельного пучка. А так как поверхности барабанов, занятые трубами котельного пучка, имеют довольно большие площади, конструктивно целесообразно эти поверхности использовать в качестве поверхностей, непосредственно участвующих в образовании ограждающей внутренней поверхности газохода котла. При этом, поверхности барабанов, обращенные непосредственно в газоход котла, становятся обогреваемыми со стороны греющих дымовых газов. Известно, что чем выше температура металла, из которого сделана стенка корпуса барабана, тем, по условиям прочности, меньше величина допускаемого действующего в металле напряжения. Снижение прочностных характеристик металла с увеличением его рабочей температуры, в свою очередь, ведет к увеличению необходимой толщины стенки корпуса барабана. Следует также иметь в виду, что максимально допустимая толщина стенки корпуса обогреваемого барабана, к тому же, ограничена допустимой по толщине стенки величиной термического напряжения, вызываемого односторонним обогревом. Таким образом, приближение значения рабочей расчетной температуры обогреваемой стенки корпуса барабана к температуре находящейся внутри барабана среды является приоритетной конструкторской задачей.
Известна конструкция котельного пучка котла типа ДКВр[1] - аналог. В этом котельном пучке охлаждение металла стенки обращенного внутрь газохода корпуса барабана происходит за счет так называемого «густого» пучка концов труб в зоне их ввода в емкость барабана. Конструктивно это делается посредством создания в обогреваемой части цилиндрического корпуса барабана поля многочисленных отверстий, близко расположенных по отношению к друг другу, в которые под прямым углом к поверхности барабана или близким к нему, входят концы труб котельного пучка. За счет большого количества отверстий существенно уменьшается обогреваемая поверхность барабана и создаются благоприятные условия для отвода тепла от незначительных по размерам перемычек между отверстиями, являющимися частью корпуса барабана, к концам труб, входящих в барабан и охлаждаемых потоками движущейся внутри них нагреваемой среды. При применении конструкции «густого» котельного пучка без использования изоляционной обмуровки в определенных условиях эксплуатации величина рабочей расчетной температуры стенки обогреваемого корпуса барабана может быть существенно приближена к величине температуры находящейся в барабане среды. Котельный пучок именно с таким свойством принято считать «густым», выполняющим роль надежной изоляции.
Недостатком «густого» котельного пучка является необходимость наличия в корпусе барабана поля близко расположенных между собой отверстий, которое существенно ослабляет прочность стенки барабана. При этом при высоком давлении среды внутри барабана необходимая, по условиям прочности, толщина стенки барабана может иметь неприемлемо большую величину. Создание «густого» котельного пучка в непосредственной близости от поверхности барабана, в свою очередь, конструктивно приводит к тому, что в основном объеме поверхности нагрева котельные трубы располагаются с довольно тесными шагами (расстояниями) между трубами, особенно в направлении продольной оси барабана. Существуют конструкции котлов, в которых применение поверхности нагрева с тесным расположением труб неприемлемо либо по условию поддержания па необходимом уровне скорости дымовых газов, либо по условию допустимого загрязнения труб поверхности нагрева находящимися в дымовых газах несгоревшими твердыми частицами.
Известна конструкция котельного пучка котла ГМН-75 [2] - аналог. Котельный пучок в этом котле находится в зоне высоких температур дымовых газов при относительно редком расположении котельных труб. По конструктивным соображениям поверхность верхнего барабана, обращенная внутрь газохода котла и занятая трубами котельного пучка, покрыта слоем изоляционной обмуровки.
Недостатком этой конструкции котельного пучка является то, что операция по нанесению качественного изоляционного слоя на поверхность барабана в зоне крупногабаритного котельного пучка и ее контроль - технологически крайне затруднены. Особенно это относится к изоляционной обмуровке верхнего барабана, которая вынужденно в условиях монтажа делается в потолочном положении. Следует также как недостаток отметить, что в условиях реальной эксплуатации в зоне котельного пучка существует возможность только периодического, опять крайне затруднительного контроля за состоянием целостности изоляционной обмуровки обогреваемой поверхности барабана. Известно, что чрезмерный перегрев барабана, особенно при наличии в нем внутренних низкотеплопроводных отложений, может вызвать взрыв котла.
Достигаемым результатом настоящего изобретения является повышение эффективности защиты от чрезмерного обогрева корпуса барабана котельного пучка за счет придания трубам, образующим поверхность нагрева котельного пучка, необходимой для этого конфигурации.
Указанный результат изобретения относится к котельному пучку, представляющему собой объемную поверхность нагрева, образованную трубами вертикальной ориентации, верхние и нижние концы этих труб включены в объединяющие их соответственно верхние и нижние емкости, из которых, по крайней мере, одна является барабаном. Наружная поверхность барабана, в которую включены трубы котельного пучка, находится внутри газохода котла и, являясь частью его внутренней ограждающей поверхности, обогревается дымовыми газами.
Нередко по условиям прочности и компоновочным возможностям концы труб котельного пучка вблизи поверхности барабана удается расположить рядами с относительно тесными шагами в плоскостях, перпендикулярных продольной оси барабана. При этом, сравнительно реже имеет место техническая возможность или целесообразность располагать с относительно тесными шагами поперечные ряды котельных труб в направлении продольной оси барабана. Как следствие, в этих случаях между поперечными рядами котельных труб находятся участки поверхности барабана с наименьшим эффектом охлаждения от воздействия котельных труб и, соответственно, с наибольшей интенсивностью обогрева дымовыми газами. Чем больше воспринимаемый стенкой барабана тепловой поток, тем выше температура стенки.
Сущность изобретения заключается в том, что часть труб поверхности нагрева котельного пучка, либо отдельно стоящих, либо входящих в состав ограждающих стен и перегородок, имеют в непосредственной близости от наружной поверхности барабана наклонные участки, расположенные в плоскостях, пересекающих продольную ось барабана, между рядами остальных труб котельного пучка в зоне включения концов этих труб в барабан. Указанные наклонные участки котельных труб располагаются под углом, достаточным для обеспечения их надежного охлаждения циркулирующей в них рабочей среды.
Наличие охлаждаемых наклонных участков котельных труб позволяет понизить температуру находящейся рядом металлической стенки барабана, улучшая тем самым прочностные характеристики металла. В итоге, за счет уменьшения необходимой толщины стенки барабана имеется возможность снизить его металлоемкость. Возможно совместное применение для защиты барабана от обогрева котельных труб с наклонными участками и изолирующей обмуровки. В этом случае наклонные участки котельных труб могут конструктивно способствовать качеству крепления изолирующей обмуровки и уменьшать ее необходимую толщину. На наклонных участках котельных труб возможна установка дополнительных деталей, например, плавников, что может дополнительно улучшить защиту барабана. Плавники могут быть выполнены заодно с трубами или быть приваренными к трубам.
На фиг.1 в качестве примера показан главный вид одной из возможных компоновок котельного пучка согласно изобретению - разрез А-А; на фиг.2 - разрез Б-Б фиг.1; на фиг.3 - разрез В-В фиг.2; на фиг.4 - вариант установки плавников на наклонных участках труб вблизи барабана. Стрелками на фиг.1 и 2 указаны направления движения потока греющих газов.
Котельный пучок состоит из верхнего барабана 1 и нижнего барабана 2, в которые входят трубы его поверхности нагрева. Котельный пучок размещен в газоходе, разделенном на две части перегородкой 3. Между собой участок первой части газохода 4 с участком второй части газохода 5 соединены проходным окном 6. Поверхность нагрева котельного пучка состоит из труб, отдельно стоящих 7, труб вертикальных 8, входящих в состав перегородки 3 труб 9, имеющих вблизи барабанов наклонные участки 10. Часть труб 9 входят в состав перегородки 3, соединяясь плавниками 11 с трубами 8. Остальная часть труб 9 образует фестон в проходном окне 6. Газоход котла имеет наружные ограждающие стены 12, в которых имеются входное окно 13 и выходное окно 14. Наклонные участки 10 труб 9 могут быть выполнены с плавниками 15.
В котельном пучке происходит передача тепла от греющих газов к среде, находящейся внутри труб 7, 8 и 9. Греющие газы входят в котельный пучок через входное окно 13, проходят по первой части газохода 4, далее через проходное окно 6 газы поступают во вторую часть газохода 5, который покидают через выходное окно 14. Наклонные участки 10 труб 9 защищают от чрезмерного обогрева барабаны 1 и 2 в первой части газохода, где температура газов имеет наибольшую величину. На входе во вторую часть газохода температура газов снижается до такого уровня, при котором возможно обойтись без применения труб 9 с наклонными участками 10. Чтобы повысить эффективность защиты барабана от обогрева на наклонных участках 10 труб 9 могут быть применены плавники 15. На фиг.2 наглядно продемонстрирована разница в защите котельными трубами барабана от обогрева в первой и второй частях газохода.
Источники информации
1. Александров В.Г. «Паровые котлы средней и малой мощности». Москва-Ленинград, изд. «Энергия», 1966 г., стр.37, рис.1-15.
2. То же, стр.16, 17, рис.1-4.