ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ КОТЕЛ С КОНВЕКТИВНЫМИ ПОВЕРХНОСТЯМИ НАГРЕВА ИЗ СПИРАЛЬНОВИТЫХ ТРУБ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована при создании паровых котлов малой и средней производительности, работающих на жидком или газообразном топливе, а также водогрейных котлов и котлов-утилизаторов парогазовых установок.
Известен котел, содержащий цилиндрический кожух и расположенные внутри кожуха горелочное устройство с патрубком подачи топлива и устройством для подачи воздуха, соосную с кожухом цилиндрическую центральную топочную камеру, окруженную многоходовым газоходом с разделенными перегородками кольцевыми концентрическими участками, образующими с топочной камерой единый газовый тракт, а также радиационную и конвективную трубчатые поверхности нагрева, причем горелочное устройство установлено со стороны одного из торцов кожуха, в качестве перегородок, ограждающих топочную камеру и кольцевые участки газохода, служат радиационная и часть конвективной поверхности нагрева, другая же часть конвективной поверхности нагрева размещена внутри кольцевых участков газохода [1] - прототип. Согласно [1] размещенная в кольцевых участках газохода конвективная поверхность в каждом участке представляет собой однозаходную спирально-витую трубу (змеевик), что не может обеспечить достаточно высокой производительности котла. Кроме того, выполнение размещенной в кольцевом газоходе конвективной поверхности в виде однозаходного змеевика создает эффект продольного смывания змеевика газовым потоком с пониженным коэффициентом теплоотдачи между ними.
Достигаемым техническим результатом полезной модели является увеличение производительности котла и повышение эффективности конвективного теплообмена в кольцевых газоходах.
Это обеспечивается тем, что в котле, содержащем цилиндрический кожух и расположенные внутри кожуха горелочное устройство с патрубком подачи топлива и устройством для подачи воздуха, соосную с кожухом цилиндрическую
центральную топочную камеру, окруженную многоходовым газоходом с разделенными перегородками кольцевыми концентрическими участками, образующими с топочной камерой единый газовый тракт, а также радиационную и конвективную трубчатые поверхности нагрева, причем горелочное устройство установлено со стороны одного из торцов кожуха, в качестве перегородок, ограждающих топочную камеру и кольцевые участки газохода, служат радиационная и часть конвективной поверхности нагрева, другая же часть конвективной поверхности нагрева размещена внутри по меньшей мере одного кольцевого участка газохода, согласно полезной модели размещенная внутри кольцевых участков газохода конвективная поверхность нагрева выполнена в виде по меньшей мере одного пакета змеевиков с концентрическими многозаходными слоями спиральновитых труб и обратным направлением спиральной навивки в смежных слоях, а перегородки выполнены газоплотными.
Трубчатые перегородки согласно полезной модели могут быть образованы трубами, навитыми в виде пространственной многозаходной спирали.
Котел может быть выполнен прямоточным. При этом согласно полезной модели он может дополнительно содержать воздухоподогреватель, установленный в кожухе котла со стороны торца, противоположного торцу с горелочным устройством, и выполненный в виде кольцевого по меньшей мере двухходового по воздуху трубчатого пакета с трубными досками, расположенными перпендикулярно оси кожуха, причем воздухоподогреватель соединен по воздуху на выходе последнего хода с устройством для подачи воздуха в горелку.
Котел может быть выполнен с естественной циркуляцией. При этом он имеет вертикальную компоновку, в его нижней части помещен кольцевой коллектор, а в верхней части - кольцевой сепаратор для разделения нагреваемой двухфазной среды, причем нижние концы труб, образующих перегородки, введены в верхнюю стенку коллектора, а их верхние концы - в нижнюю стенку сепаратора. По меньшей мере в первом со стороны топочной камеры кольцевом участке газохода такого котла могут быть помещены дополнительные теплообменные испарительные трубы, концы которых введены соответственно в коллектор и сепаратор, а между трубами предусмотрены зазоры для прохода топочных газов. Внутри коллектора и сепаратора могут быть установлены в
каждом по меньшей мере две глухие радиальные перегородки, образующие соответственно по меньшей мере два отсека циркуляции с вырабатываемым для каждого отсека паром разного давления. Внутри коллектора и сепаратора могут быть установлены в каждом по меньшей мере две радиальные перегородки, образующие соответственно по меньшей мере два отсека контура циркуляции системы ступенчатого испарения, причем перегородки коллектора выполнены глухими, а в перегородках сепаратора предусмотрены отверстия по воде и пару. При выполнении котла с несколькими контурами циркуляции разного давления в коллекторе и сепараторе внутри каждого отсека установлена по меньшей мере одна дополнительная радиальная перегородка, образующая по меньшей мере два отсека контура циркуляции системы ступенчатого испарения, причем дополнительные перегородки коллектора выполнены глухими, а в дополнительных перегородках сепаратора предусмотрены отверстия по воде и пару.
По другому варианту полезной модели котел может представлять собой котел-утилизатор, выполняемый без горелочного устройства. В этом случае в котле, содержащем цилиндрический кожух, расположенную внутри кожуха соосную с ним центральную цилиндрическую газоприемную камеру, окруженную многоходовым газоходом с разделенными перегородками кольцевыми концентрическими участками, образующими с газоприемной камерой единый газовый тракт, а также радиационную и конвективную трубчатые поверхности нагрева, причем, в качестве перегородок, ограждающих газоприемную камеру и кольцевые участки газохода со стороны газоприемной камеры, служат радиационная и часть конвективной поверхности нагрева, другая же часть конвективной поверхности нагрева размещена внутри по меньшей мере одного кольцевого участка газохода, согласно полезной модели газоприемная камера со стороны одного из торцов кожуха оборудована входной амбразурой для подачи извне утилизируемых газов, размещенная внутри кольцевых участков газохода конвективная поверхность нагрева выполнена в виде по меньшей мере одного пакета змеевиков с концентрическими многозаходными слоями спиральновитых труб и обратным направлением спиральной навивки в смежных слоях, а перегородки выполнены газоплотными. Котел по этому варианту так
же, как и по первому варианту, может быть прямоточным или с естественной циркуляцией и содержать все дополнительные признаки котла по первому варианту, кроме наличия воздухоподогревателя.
На фиг.1 изображен в продольном разрезе прямоточный паровой котел согласно полезной модели по первому варианту исполнения (со сжиганием топлива); на фиг.2 - то же с воздухоподогревателем; на фиг.3 - узел А фиг.1 или фиг.2 с изображением фрагмента кольцевых участков газохода; на фиг.4 - продольный разрез парового котла с естественной циркуляцией по первому варианту исполнения; на фиг.5 - продольный разрез прямоточного парового котла по второму варианту исполнения (котел-утилизатор); на фиг.6 - продольный разрез парового котла с естественной циркуляцией по второму варианту исполнения; на фиг.7 - поперечный разрез по Б-Б фиг.4 и 6; на фиг.8 - поперечный разрез по В-В фиг.4 и 6.
Прямоточный паровой котел согласно первому варианту выполнения полезной модели (фиг.1, 2, 3) содержит цилиндрический, в данном примере вертикальный кожух 1, расположенные внутри него со стороны верхнего торца горелочное устройство 2 с патрубком 3 подачи топлива и устройством для подачи воздуха. Последнее включает в себя завихрители 4, воздушную рубашку 5, образованную с помощью внутренней кольцевой обечайки 6, установленной между кожухом 1 и трубной системой котла, причем рубашка 5 снабжена патрубком 7 подвода воздуха, один из ее торцов закрыт, а другой сообщен с горелочным устройством 2 через завихрители 4. Котел содержит также соосную с кожухом 1 цилиндрическую центральную топочную камеру 8, окруженную многоходовым газоходом с образованными внутренней и внешней концентрическими перегородками 9 и 10 соответственно двумя - внутренним и внешним кольцевыми концентрическими участками 11 и 12, составляющими с топочной камерой 8 единый газовый тракт. Перегородки 9 и 10 образованы трубами, навитыми в виде пространственной многозаходной спирали и выполнены газоплотными путем сваривания между собой например обычных труб с использованием прутков или промежуточных пластин (на чертеже не показано). При этом трубы внутренней перегородки 9 образуют двухстороннюю радиационную поверхность нагрева (экран), обогреваемую, в основном, лучистым
теплом высокотемпературного газового потока в топочной камере 8 и во внутреннем участке 11 газохода, а трубы наружной перегородки 10 образуют двухстороннюю радиационно-конвективную поверхность нагрева, обогреваемую топочными газами со стороны участков 11 и 12 газохода. Другая часть конвективной поверхности нагрева размещена внутри внешнего кольцевого участка 12 газохода и представляет собой два змеевиковых пакета - водяной экономайзер 13 и пароперегреватель 14. Каждый из них имеет в данном конкретном примере пять концентрических многозаходных слоев спиральновитых труб с обратным направлением спиральной навивки в смежных слоях. На фиг.3 изображена часть пароперегревательных спиральновитых труб 15, 16, 17, 18, 19, образующих соответствующие вертикальные концентрические многозаходные слои, в промежутках между которыми пропущены вертикальные прямые участки перепускных труб 20 от экономайзера 13 (фиг.1, 2) к поверхности нагрева, образующей перегородку 10. Прямоточный паровой котел в соответствии с фиг.2 дополнительно содержит воздухоподогреватель 21, установленный в кожухе 1 котла со стороны торца, противоположного торцу с горелочным устройством 2. Воздухоподогреватель выполнен в виде кольцевого трубчатого пакета с трубными досками 23, расположенными перпендикулярно оси кожуха 1, причем воздухоподогреватель по воздуху имеет в данном примере четыре хода 24, 25, 26, 27 и соединен на выходе последнего хода 27 с воздушной рубашкой 5 устройства для подачи воздуха в горелку 2. Внешний кольцевой газоход 12 прямоточного котла (фиг.1, 2) в нижней части снабжен патрубком 28 отвода отходящих газов. Для подвода питательной воды предусмотрены штуцера 29, для отвода пара - штуцера 30. Нижняя часть всех концентрических участков газохода котла ограничена торцевым огнеупорным диском 31.
Котел с естественной циркуляцией согласно первому варианту выполнения полезной модели (фиг.4) имеет вертикальную компоновку, в его нижней части помещен кольцевой коллектор 32, а в верхней части - кольцевой сепаратор 33 для разделения нагреваемой двухфазной среды на пар и воду. В этом варианте испарительные трубы, образующие кольцевые перегородки 9 и 10, выполнены прямыми. Их нижние концы введены в верхнюю стенку коллектоpa
32, а верхние - в нижнюю стенку сепаратора 33. В первом со стороны топочной камеры кольцевом участке 11 газохода могут быть помещены дополнительные теплообменные испарительные трубы 34, концы которых также введены в коллектор 32 и сепаратор 33, а между трубами предусмотрены зазоры (на чертеже не показаны) для прохода топочных газов. Внутри коллектора 32 и сепаратора 33 установлены (фиг.7, 8) в каждом по две глухие радиальные перегородки соответственно 34, 35 и 36, 37, образующие два отсека 38 и 39 циркуляции с вырабатываемым для каждого отсека паром разного давления, например, 2 и 3,5 МПа. Внутри коллектора 32 и сепаратора 33 могут быть установлены в каждом радиальные перегородки, образующие отсеки контура циркуляции системы ступенчатого испарения. При наличии в котле, как в рассматриваемом примере, отсеков циркуляции, вырабатывающих пар разного давления, контуры циркуляции системы ступенчатого испарения могут быть организованы в каждом из таких отсеков. В частности, в каждом из отсеков 38, 39 в соответствии с рассматриваемым примером установлены в коллекторе 32 перегородка 40, а в сепараторе 33 - перегородка 41, причем перегородки 40 коллектора 32 выполнены глухими, а в перегородках 41 сепаратора 33 предусмотрены отверстия по воде и пару (на чертеже не показаны). При этом в каждом отсеке 38, 39 образуются дополнительные два отсека: «солевой» отсек 42 и «чистый» отсек, представляющий собой оставшуюся часть отсека 38 или 39 (фиг.7, 8). В донной части «солевых» отсеков 42 коллектора 32 предусмотрены штуцера 43 для периодической продувки из этих отсеков «соленой» котловой воды с отложениями, а в «солевых» отсеках 42 сепаратора 33 предусмотрены штуцера 44 непрерывной продувки для поддержания солевого баланса котла. Внутри сепаратора 33 установлены соответствующие сепарационные устройства, например успокоительный кольцевой дырчатый лист 45 (фиг.4, 7) и жалюзийное кольцевое сепарационное устройство 46 (фиг.4). В верхней части сепаратора 33 (фиг.4) предусмотрены патрубки 47 отвода насыщенного пара, соединенные перепускными паропроводами 48 со штуцерами 49 подвода насыщенного пара к пароперегревателю 14. В необогреваемой части котла для образования контуров естественной циркуляции нижняя часть полости сепаратора
33 соединена с верхней частью полости коллектора 32 опускными трубами 50.
Прямоточный паровой котел-утилизатор согласно второму варианту выполнения полезной модели (фиг.5) имеет в данном конкретном примере вертикальную компоновку с нижним подводом утилизируемых газов. В отличие от прямоточного котла по первому варианту выполнения (фиг.1) топочная камера 8 в этом случае служит только для приема утилизируемых газов и оборудована входной амбразурой 51 для подачи их извне.
Котел-утилизатор с естественной циркуляцией согласно второму варианту выполнения полезной модели (фиг.6) также выполнен с нижним подводом утилизируемых газов и имеет соответствующую амбразуру 51.
Паровой котел по первому варианту выполнения согласно полезной модели работает следующим образом. Топливо через патрубок 3 (фиг.1, 2, 4) подается в горелочное устройство 2, где смешивается с поступающим через завихрители 4 воздухом, который подается через патрубок 7 в окружающую котел воздушную рубашку 5, откуда поступает в горелочное устройство 2 непосредственно (фиг.1, 4) или через воздухоподогреватель 21 (фиг.2). Топливовоздушная смесь воспламеняется и сгорает в топочной камере 8, откуда продукты сгорания, пройдя последовательно два кольцевых газохода 11 и 12, выходят в качестве отходящих газов через патрубок 28 в систему газоочистки и оттуда в дымовую трубу (на чертеже не показаны). При своем движении по газовому тракту продукты сгорания отдают тепло питательной воде (фиг.1, 2) или котловой воде циркуляционных контуров (фиг.4) через радиационные и конвективные поверхности нагрева в топочной камере 8 и в кольцевых газоходах 11 и 12. Выполнение водяного экономайзера 13 и пароперегревателя 14 в виде пакета змеевиков с концентрическими многозаходными слоями спиральновитых труб 15-19 (фиг.3) и обратным направлением спиральной навивки в смежных слоях при газоплотности кольцевых перегородок 9 и 10 обеспечивает интенсивную теплоотдачу от газов к стенкам теплообменных труб благодаря исключению паразитного перетекания газов между кольцевыми участками газохода, а также исключению продольного винтового перемещения газового потока
вдоль теплообменных труб в случае их односторонней навивки в смежных слоях.
Перегретый пар одного или нескольких разных давлений через соответствующие паропроводы (на чертеже не показаны) подается потребителю. В котле с естественной циркуляцией (фиг.4, 7, 8) котловая вода в каждом отсеке 38, 39, проходя в сепараторе 33 через отверстия в перегородке 41, подвергается ступенчатому испарению, что способствует увеличению концентрации солей в «солевых» отсеках 42, откуда через штуцера 43 и 44 соответственно в коллекторе 32 и сепараторе 33 производится периодическая и непрерывная продувка.
Паровой котел-утилизатор прямоточный или с естественной циркуляцией согласно второму варианту исполнения работает аналогичным образом, за исключением необходимости подачи в него топлива и воздуха. Все описанные выше конструктивные варианты паровых прямоточных котлов согласно полезной модели могут быть легко приспособлены для работы в качестве водогрейных.
ne
ne
Максимальная паровая нагрузка, например, прямоточного котла согласно фиг.1 в транспортабельном исполнении по условиям железнодорожного транспорта, составляет примерно 35 т/ч (параметры перегретого пара: Р=4,0 MПa, t=440°C).
Таким образом, все представленные конструктивные варианты котлов согласно полезной модели характеризуются следующими особенностями:
- Применение цилиндрических экранов с двухсторонним обогревом в сочетании со спиральновитой конструкцией конвективных поверхностей нагрева обеспечивает высокую тепловую эффективность котлов и их минимальные габаритные размеры.
- Котлы характеризуются пониженными тепловыми неравномерностями, минимальным количеством сварных соединений в теплообменных трубах и полной заводской сборкой, что обеспечивает повышенное качество изготовления и их высокую надежность в эксплуатации.
- Во всех вариантах отсутствует каркас, что обеспечивает минимальную металлоемкость конструкции, облегчает условия транспортировки котлов полной
заводской сборки и создает условия для их быстрой доставки и установки в удаленных районах России и зарубежных стран.
- Цилиндрический корпус котлов обеспечивает высокую газоплотность и возможность их использования как в системах с уравновешенной тягой, так и под наддувом с неограниченно высоким давлением по газовому тракту.
- Транспортабельные габаритные размеры котлов расширяют возможности при организации ремонтных работ, которые можно производить на месте установки, на специально оснащенном ремонтном участке, а также в условиях завода-изготовителя после демонтажа и замены.
Для организации оперативных ремонтных работ на месте установки котла предусматривается:
- легкосъемная конструкция горелочного устройства или газоподводящего патрубка;
- доступ к потенциально наиболее повреждаемому цилиндрическому экрану топочной камеры для его осмотра и ремонта;
- организация легкосъемных секций в наружных ограждениях (кожухе и внутренней цилиндрической обечайки) для доступа к спиральновитым пучкам экономайзера, пароперегревателя и внешней кольцевой трубчатой перегородке;
- возможность глушения отдельных разгерметизированных теплообменных труб конвективных спиральновитых пучков за счет доступа к концам труб.
Сложные ремонтные операции, связанные с практически полной разборкой и сборкой котла предполагается осуществлять на специально оснащенном ремонтном участке или в заводских условиях.
Источники информации:
1. Патент РФ №2202066, 7 F22B 21/26, 2001.