Котел водогрейный прямоугольного поперечного сечения
HOT-WATER BOILER OF RECTANGULAR CROSS SECTION

Изобретение относится к котельной технике, в частности к котлам малой мощности с тепловой производительностью до 4,0 МВт, предназначенных для сжигания влажных бурых углей, с топочным устройством в виде наклонной переталкивающей решетки, может быть использовано в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий.
Известен котел водогрейный прямоугольного поперечного сечения, включающий фундамент, на котором смонтированы топка и конвективный блок, при этом пространство топки, соответственно, снизу, спереди, с боков и сверху, ограничено наклонной переталкивающей топочной решеткой, фронтовым, боковыми и потолочным топочными экранами, выполненными в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими двумя верхними и двумя нижними продольными коллекторами котла, причем топка примыкает к конвективному блоку, включающему конвективные газоходы, снабженные теплообменными поверхностями, содержащими поперечно обтекаемые трубные пучки коридорной компоновки, гидравлически связанные с продольными коллекторами котла (см. Гусев Ю.Л. Основы проектирования котельных установок, М.- 1967, с.87-90, рис.II.41.).
Недостаток этого решения – низкие теплотехнические характеристики котла.
Известен также котел водогрейный прямоугольного поперечного сечения, включающий фундамент, на котором смонтированы топка и примыкающий к ней конвективный блок, при этом пространство топки, соответственно, снизу, спереди, с боков и сверху, ограничено наклонной переталкивающей топочной решеткой, фронтовым, боковыми и потолочным топочными экранами, выполненными в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими двумя верхними и двумя нижними продольными коллекторами котла, конвективный блок снабжен теплообменными поверхностями, содержащими поперечно обтекаемые трубные пучки гидравлически связанные с продольными коллекторами котла, при этом корпуса топки и конвективного блока оперты на единую опорную фундаментную раму, и скреплены с ней, для чего, верхние и нижние продольные коллекторы котла выполнены как общие элементы топки и конвективного блока, с возможностью их использования, как несущих балок, с длиной, соответствующей длине котла, кроме того, над наклонной переталкивающей решеткой, над участком примыкающим к фронтовому экрану, смонтирован горизонтальный зажигательный свод из теплостойкого, теплоаккумулирующего материала (см. RU № 2563874, МПК F24H 1/00 (2006.01), 2015г.).
Недостатком данного котла является пониженная тепловая эффективность котла, несоответствующая нормативным показателям для котлов данного типа.
Задача, на которую направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении тепловой эффективности котла.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в интенсификации теплообмена в конвективном блоке.
Для решения поставленной задачи котел водогрейный прямоугольного поперечного сечения, включающий фундамент, на котором смонтированы топка и примыкающий к ней конвективный узел, при этом пространство топки снизу ограничено наклонной переталкивающей топочной решеткой и снабжено топочными экранами, выполненными в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими двумя верхними и двумя нижними продольными коллекторами котла, конвективный узел снабжен теплообменными поверхностями, содержащими поперечно обтекаемые трубные пучки, гидравлически связанные с продольными коллекторами котла, при этом корпуса топки и конвективного узла оперты на единую опорную фундаментную раму и скреплены с ней, для чего верхние и нижние продольные коллекторы котла выполнены как общие элементы топки и конвективного узла, кроме того, над наклонной переталкивающей решеткой, над участком, примыкающим к фронтовому экрану, смонтирован горизонтальный зажигательный свод из теплостойкого, теплоаккумулирующего материала, отличается тем, что продольные параллельные верхние и нижние водяные коллекторы котла выполнены в виде цельных труб длиной, равной суммарной длине топки и конвективного узла с возможностью их использования как несущих балок, при этом конвективный узел содержит лучисто-конвективный и конвективный блоки, теплообменные поверхности которых содержат поперечно обтекаемые трубные пучки шахматной компоновки, причем лучисто-конвективный блок образован первой и второй газоплотными плавниковыми трубчатыми панелями, первая из которых составляет задний фронт топки, а вторая образует первую стенку зазора между лучисто-конвективным и конвективным блоками, кроме того, конвективный блок содержит конвективные газоходы, образованные второй газоплотной стенкой зазора, промежуточными газоплотными плавниковыми трубчатыми панелями и торцовой плавниковой трубчатой панелью, контактирующей с торцовой стенкой котла. Кроме того, в зазоре между лучисто-конвективным и конвективным блоками над золосборником установлен воздухоподогреватель с поперечным одноходовым потоком дымовых газов, который содержит входной и выходной коллекторы воздуха, параллельные верхним водяным коллекторам котла, при этом верхняя зона воздухоподогревателя выполнена в виде трех горизонтальных распределительных коллекторов, концы которых сообщены с входным и выходным коллекторами воздуха, и которые разделены перемычками на изолированные друг от друга участки, причем, нижняя зона воздухоподогревателя, содержит три горизонтальных нижних перепускных коллектора, выполненных в виде заглушенных на торцах труб, разделенных на изолированные друг от друга участки перемычками, положение которых не совпадает с положением перемычек в распределительных коллекторах верхней зоны, кроме того, каждый распределительный коллектор сообщен с соответствующим ему перепускным коллектором воздухоподогревателя вертикальным трубным регистром. Кроме того, входной коллектор сообщен с источником наружного воздуха, а выходной коллектор воздухоподогревателя сообщен с объемом подтопочного пространства между фронтовым экраном и вертикальной перегородкой, изолирующей его от остального подтопочного пространства. Кроме того, по меньшей мере один из боковых топочных экранов вблизи от зажигательного свода снабжен сквозным лазом с дверью.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы изобретения обеспечивает повышение тепловой эффективности котла, при этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки, указывающие, что «продольные параллельные верхние и нижние водяные коллекторы котла выполнены в виде цельных труб, длиной равной суммарной длине топки и конвективного узла, с возможностью их использования как несущих балок», обеспечивают упрощение подготовки трубчатых заготовок для изготовления котла и повышают прочность его конструкции.
Признаки, указывающие, что «конвективный узел содержит лучисто-конвективный и конвективный блоки», обеспечивают возможность максимально эффективного отбора тепла от исходящих газов по мере их остывания и формирование зазора между блоками, для размещения воздухоподогревателей.
Признаки, указывающие, что в лучисто-конвективном и конвективном блоках теплообменные поверхности «содержат поперечно обтекаемые трубные пучки шахматной компоновки», обеспечивают значительный рост интенсивности теплообмена между дымовыми газами и нагреваемой водой.
Признаки, указывающие, что «лучисто-конвективный блок образован первой и второй газоплотными плавниковыми трубчатыми панелями, первая из которых составляет задний фронт топки, а вторая образует первую стенку зазора между лучисто-конвективным и конвективным блоками», описывают конструкцию лучисто-конвективного блока и его «привязку» в конструкции котла.
Признаки, указывающие, что «конвективный блок содержит конвективные газоходы, образованные второй газоплотной стенкой зазора, промежуточными газоплотными плавниковыми трубчатыми панелями и торцовой плавниковой трубчатой панелью, контактирующей с торцовой стенкой котла», описывают конструкцию конвективного блока, обеспечивающего удлинение пути исходящих газов и значительный рост интенсивности теплообмена между дымовыми газами и нагреваемой водой, а также «привязку» блока в конструкции котла.
Признаки, указывающие, что «в зазоре между лучисто-конвективным и конвективным блоками над золосборником установлен воздухоподогреватель с поперечным одноходовым потоком дымовых газов», обеспечивают отбор тепла исходящих газов на подогрев воздуха подаваемого в топку, а локализация воздухоподогревателя над золосборником способствует освобождению исходящих газов от частиц золы.
Признаки, указывающие, что воздухоподогреватель «содержит входной и выходной коллекторы воздуха, параллельные верхним водяным коллекторам котла, при этом, верхняя зона воздухоподогревателя выполнена в виде трех горизонтальных распределительных коллекторов, концы которых сообщены с входным и выходным коллекторами воздуха, и которые разделены перемычками на изолированные друг от друга участки, причем, нижняя зона воздухоподогревателя, содержит три горизонтальных нижних перепускных коллектора, выполненных в виде заглушенных на торцах труб, разделенных на изолированные друг от друга участки перемычками, положение которых не совпадает с положением перемычек в распределительных коллекторах верхней зоны, кроме того, каждый распределительный коллектор сообщен с соответствующим ему перепускным коллектором воздухоподогревателя вертикальным трубным регистром», описывают конструкцию воздухонагревателя, обеспечивающую нисходяще-восходящее движение поступающего воздуха через элементы воздухоподогревателя и эффективный съем тепла на подогрев дутьевого воздуха.
Признаки, указывающие что «входной коллектор сообщен с источником наружного воздуха, а выходной коллектор воздухоподогревателя, сообщен с объемом подтопочного пространства между фронтовым экраном и вертикальной перегородкой, изолирующей его от остального подтопочного пространства» обеспечивают подвод воздуха в воздухоподогреватель и отвод нагретого воздуха в объем подтопочного пространства между фронтовым экраном и вертикальной перегородкой, изолирующей его от остального подтопочного пространства, что обеспечивает повышение теплопроизводительности топки.
Признаки, указывающие, что «по меньшей мере, один из боковых топочных экранов, вблизи от зажигательного свода снабжен сквозным лазом, с дверью», обеспечивают возможность обслуживания соответствующей зоны топки.
На фиг. 1 показан продольный вертикальный разрез котла; на фиг. 2 указан узел Г; на фиг. 3 показан горизонтальный разрез Б-Б конвективного узла в плане котла; на фиг. 4 показан узел Д; на фиг. 5 показан поперечный разрез В-В воздухоподогревателя; на фиг. 6 поперечный разрез конвективного узла 1-1.
На чертежах показаны: фундамент 1, на котором смонтированы топка 2 и примыкающий к ней конвективный узел 3, при этом пространство топки снизу ограничено наклонной переталкивающей топочной решеткой 4 и снабжено топочными экранами, выполненными в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими двумя верхними 5 и б и двумя нижними 7 и 8 продольными коллекторами котла, фронтовой трубный экран 9, горизонтальный зажигательный свод 10, при этом конвективный узел содержит лучисто-конвективный 11 и конвективный 12 блоки, конвективные газоходы 13, теплообменные поверхности 14, первая 15 и вторая 16 газоплотные плавниковые трубчатые панели лучисто-конвективного узла 11, зазор 17 между лучисто-конвективным 11 и конвективным 12 блоками, вторая газоплотная трубчатая панель 18 зазора 17, промежуточные газоплотные плавниковые трубчатые панели 19, торцовая плавниковая трубчатая панель 20, золосборник 21, воздухоподогреватель 22, его входной 23 и выходной 24 коллекторы воздуха, горизонтальные распределительные коллекторы 25, их перемычки 26, горизонтальные нижние перепускные коллекторы 27, их перемычки 28, вертикальные трубные регистры 29 воздухоподогревателя 22, источник наружного воздуха 30, подающий воздуховод нагретого воздуха 31, объем подтопочного пространства 32, примыкающий к фронтовому трубному экрану 9, перегородка 33 подтопочного пространства, сквозной лаз 34, трубные пучки 35 шахматной компоновки, их верхние 36 и нижние 37 поперечные коллекторы конвективного узла 3.
Котел водогрейный имеет прямоугольное поперечное сечение и включает фундамент 1, на котором смонтированы топка и примыкающий к ней конвективный узел 3, при этом пространство топки снизу ограничено наклонной переталкивающей топочной решеткой 4 и снабжено фронтовым трубным экраном 9, боковыми и потолочным топочными экранами (на чертежах не обозначены), выполненными в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими двумя верхними 5 и 6 и двумя нижними 7 и 8 продольными коллекторами котла. Верхние 5 и 6 и два нижних 7 и 8 продольные коллекторы котла выполненные параллельными, в виде цельных труб длиной, равной суммарной длине топки и конвективного узла, с возможностью их использования как несущих балок, что уменьшает объем заготовительных и сварочных работ при изготовления котла.
Над наклонной переталкивающей топочной решеткой 4, над ее участком, примыкающим к фронтовому экрану 9, смонтирован горизонтальный зажигательный свод 10 из теплостойкого, теплоаккумулирующего материала, например, шамота.
Задняя стенка топки 2 образована первой газоплотной плавниковой трубчатой панелью 15 лучисто-конвективного узла 11. Лучисто-конвективный блок 11 содержит один конвективный газоход 13, снабженный теплообменными поверхностями, содержащими поперечно обтекаемые трубные пучки шахматной компоновки, и размещен между первой 15 и второй 16 газоплотными плавниковыми трубчатыми панелями, причем вторая панель 16 одновременно является первой стенкой зазора 17 между лучисто-конвективным 11 и конвективным 12 блоками.
Конвективный блок 12 содержит три конвективных газохода 13, снабженных теплообменными поверхностями, содержащими поперечно обтекаемые трубные пучки шахматной компоновки, образован второй газоплотной трубчатой панелью 18 зазора 17, двумя промежуточными газоплотными плавниковыми трубчатыми панелями 19 и торцовой плавниковой трубчатой панелью 20, непосредственно контактирующей с торцовой стенкой котла (на чертеже не обозначена).
В зазоре 17 между лучисто-конвективным 11 и конвективным 12 блоками над золосборником 21 установлен воздухоподогреватель 22 с поперечным одноходовым потоком дымовых газов. Воздухоподогреватель 22 содержит входной 23 и выходной 24 коллекторы воздуха, параллельные верхним водяным коллекторам котла 5 и 6. Верхняя зона воздухоподогревателя 22 выполнена в виде трех горизонтальных распределительных коллекторов 25, концы которых сообщены с входным 23 и выходным 24 коллекторами воздуха, и которые разделены перемычками 2 6 на изолированные друг от друга участки. Нижняя зона воздухоподогревателя 22 содержит три горизонтальных нижних перепускных коллектора 27, выполненных в виде заглушенных на торцах труб, разделенных на изолированные друг от друга участки перемычками 28, положение которых не совпадает с положением перемычек 26 в горизонтальных распределительных коллекторах 25 верхней зоны. Кроме того, каждый горизонтальный распределительный коллектор 25 сообщен с соответствующим ему перепускным коллектором 27 вертикальным трубным регистром 29.
Кроме того, входной коллектор 23 воздухоподогревателя 22 сообщен с источником наружного воздуха 30, а его выходной коллектор 24, посредством подающего воздуховода нагретого воздуха 31, сообщен с объемом подтопочного пространства 32 между фронтовым экраном и вертикальной перегородкой 33, изолирующей его от остального подтопочного пространства. Кроме того, по меньшей мере один из боковых топочных экранов вблизи от зажигательного свода 10 снабжен сквозным лазом 34 с дверью.
Боковые топочные экраны выполнены в виде двух симметричных трубных панелей, гидравлически связанных с верхними 5 или 6 и соответственно нижними 7 и 8 продольными коллекторами котла, с возможностью последовательного восходящего и нисходящего движения воды по ним.
Потолочный топочный экран и фронтовой трубный экран 9 выполнены с возможностью обеспечения двухпоточного движения нагреваемой воды в котле и выход нагреваемой среды на заднем фронте котла.
Повышение тепловой эффективности работы котла осуществляется за счет интенсификации теплообмена в конвективном блоке.
Одновременно, улучшение работы топки обеспечивается раздельной подачей дутьевого воздуха: горячего - под наклонную переталкивающую колосниковую решетку 4 в зону подтопочного пространства между фронтовым экраном 9 и вертикальной перегородкой 33 и неподогретого -в изолированную от нее газоплотной перегородкой 33 зону выгорания кокса и охлаждения шлака. При этом горячий воздух обеспечивает подсушку топлива с испарением из него избыточной влаги и газообразных составляющих подогрева топлива, снижая потери генерируемого тепла.
На Фиг. 4 представлен узел Д конвективного блока в плане котла, отражающий его конструкцию, обусловливающую повышение интенсивности теплообмена до 25% в сравнении с коридорным пучком, что достигается увеличением скорости движения газов между трубками шахматного пучка путем уменьшения его поперечного шага в результате установки максимально плотной компоновки труб в пучке в виде ромбического квадрата, что достигается установкой вертикальных двух соседних рядов труб 29 шахматного пучка в единые верхние распределительные коллекторы 25 и нижние горизонтальные перепускные коллекторы 27. Предлагаемая конструкция принципиально отличается от известных водогрейных котлов типа КВ-ТС, КВ-ГМ, отличающихся сложностью изготовления, наличием продольно обтекаемых участков пучка. Кроме того наличие зазоров 5 между коллекторами 25 и 27 обеспечивают надежную механическую чистку трубного пучка через них от золовых отложений и их удаления в зоне нижних горизонтальных коллекторов 27.
Заявленное устройство работает следующим образом.
После закрепления на фундаменте 1 котла, состоящего из топки 2 и конвективного узла 3, монтируют остальные узлы и агрегаты, необходимые для работы котла, подключают его к источнику воды и потребителям горячего водоснабжения. Сжигание топлива осуществляется известным образом в топке 2.
Подача топлива на наклонную переталкивающую решетку 4 осуществляется из топливного бункера (конструкция бункера, механизм подачи топлива и привода решетки не рассматриваются, так как они являются отдельными узлами, которыми комплектуется котел).
Горизонтальный зажигательный свод 10 (за счет своего объема, сформированного из шамота (в том числе из шамотного кирпича), «работает» как теплоаккумулирующий объем в полости топки 2, что значительно повышает интенсивность возгорания влажных топлив, в особенности бурых углей, за счет отдачи топливу аккумулированного тепла и обеспечения его сушки и дополнительного прогрева.
Дымовые газы, содержащие в своем объеме частицы золы, из пространства топки 2 попадают в лучисто-конвективный блок 11 конвективного узла 3 - через окно, выполненное сбоку (на чертежах не обозначено) первой газоплотной плавниковой трубчатой панели 15 лучисто-конвективного узла блока 11, конвективный газоход 13 которого обеспечивает (из-за интенсивного лучисто-конвективного теплообмена) предварительное охлаждение дымовых газов и уменьшение вследствие этого их объема и, как следствие, снижение скорости движения. На выходе из лучисто-конвективного блока 11 за окном (на чертежах не обозначено) второй газоплотной плавниковой трубчатой панели 16 расположен зазор 17 между лучисто-конвективным 11 и конвективным 12 блоками, «работающий» как расширительная камера, в которой смонтирован воздухоподогреватель 22 и в которой в результате резкого
падения скорости дымовых газов происходит интенсивное выпадение основной массы летучей золы, которая осаждается в золосборник 21, свободно проходя через щели между горизонтальными нижними перепускными коллекторами 27 воздухоподогревателя. Из золосборника 21 по мере накопления зола удаляется в золовой канал (на чертежах не показано).
В процессе перемещения газов последние отдают свою теплоту воде, прокачиваемой через теплоснимающие элементы котла.
При этом вода в теплоснимающих элементах движется известным образом: после входа в котел попадает в полость задней поперечной связи, затем через продольные горизонтальные трубы потолочного экрана попадает в полость передней поперечной связи (на чертежах не обозначены), откуда попадает в вертикальные трубы фронтового трубного экрана 9, передается на нижние (7 и 8) продольные коллекторы котла и проходит по боковым топочным экранам (на чертежах не обозначены) топки 2 двумя симметричными потоками, совершая подъемно-опускные движения по секциям, образованным вертикальными трубными панелями боковых топочных экранов. Далее вода попадает в конвективный узел 3, оказываясь в его поперечно обтекаемых трубных пучках шахматной компоновки, далее горячая вода через верхний поперечный прямолинейный коллектор (на чертежах не обозначен), расположенный у торцовой стенки котла, перенаправляется на тот из продольных верхних коллекторов 5 или б, который предназначен для выдачи горячей воды из котла.
Конвективные газоходы 13 обеспечивают движение газов до выходного дымового короба котла, что обеспечивает при проходе газами поворотов в движении выпадение из газового потока летучей золы. Это в свою очередь уменьшает объем золы выбрасываемой в атмосферу.
Механическая очистка трубных поверхностей конвективных газоходов осуществляется через двери, выполненные в боковых стенках конвективной части котла (на чертежах не показано). Удаление шлака из топки и золы, выпавшей в конвективных газоходах 13 и в зазоре 17, может быть осуществлено различными способами в зависимости от конструкции топочного устройства. В данном техническом решении сброс шлака осуществляется в канал золоудаления (на чертежах не обозначен).
Вертикальные трубы, составляющие трубные пучки конвективного узла 3, а также его боковых экранов и боковых экранов топки 2 имеют одинаковую длину, и не требуют индивидуальных шаблонов. Также длина горизонтальных трубчатых поперечных связей (верхних и нижних) одинакова, кроме того, верхний и нижний поперечные коллекторы имеют одинаковую длину. Это позволяет рационально использовать объем конвективных газоходов, а также упрощает изготовление конвективного узла 3.
Подогрев воздуха осуществляют следующим образом.
Во входной коллектор 23 воздухоподогревателя 22 от источника наружного воздуха 30 (нагнетательного вентилятора) подают наружный (холодный) воздух который далее попадает в горизонтальные распределительные коллекторы 25, которые разделены перемычками 26 на изолированные друг от друга участки. Из участков распределительных коллекторов 25, примыкающих к входному коллектору 23 воздухоподогревателя, воздух опускается вниз по вертикальным трубным регистрам 29 к участкам нижних перепускных коллектора 27 (на чертеже - левым). Поскольку его длина больше длины исходного участка распределительного коллектора 25, воздух далее вытесняется вверх по вертикальным трубным регистрам 29, примыкающим к следующему участку
распределительного коллектора 25, далее по такой же схеме вновь опускается вниз, а затем поднимается вверх к выходному 24 коллектору воздуха. В процессе перемещения воздуха по упомянутым участкам воздухоподогревателя 22 он нагревается за счет тепла стенок его деталей, нагретых поперечным одноходовым потоком дымовых газов, проходящих через зазор 17 и соответственно через воздухоподогреватель 22.
Далее посредством подающего воздуховода нагретого воздуха 31 нагретый воздух попадает в объем подтопочного пространства 32 между фронтовым экраном 9 и вертикальной перегородкой 33, изолирующей его от остального подтопочного пространства. За счет отдачи топливу тепла дутьевого газа интенсифицируется его сушка и дополнительный прогрев.