Спиральный котёл
SPIRAL BOILER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в водогрейных, паровых, термомасляных котлах, котлах-утилизаторах и теплообменниках «газ-жидкость».
Существуют различные модели водогрейных, паровых и термомасляных котлов, поверхности нагрева которых состоят из труб в виде цилиндрических винтовых спиралей, например выпускаемых фирмами GekaKonus GmbH (Германия), Babcock Wanson Italiana S.p.A. (Италия) и другими.
Известен водогрейный котел, содержащий вертикально расположенный корпус с топкой и внешней конвективной камерой, охватывающей топку, отделенный от нее цилиндрической перегородкой и сообщенной с топкой через кольцевой зазор, образованный цилиндрической перегородкой и днищем котла, выпускное отверстие для уходящих газов, выполненное в крышке котла, подводящий и отводящий коллекторы, размещенные соответственно вблизи днища и крышки котла (патент РФ №2327084, МПК F24H 1/16 2007).
Однако известный котел и другие котлы, поверхности нагрева которых состоят из труб в виде винтовых спиралей имеют неравномерную и недостаточно эффективную теплопередачу в конвективной части при неизменном живом сечении по ходу продуктов сгорания, поскольку их температура в К, физический объем и скорость уменьшаются по длине хода в конвективной части примерно в 3 раза и коэффициент теплопередачи уменьшается примерно в 2 раза, а удельное тепловое напряжение на 1 м2 поверхности нагрева в начале конвективной части примерно в 7 раз выше, чем в конце; при этом существует повышенная склонность к накипеобразованию и перегреву труб в начальной части и возрастает материалоемкость, габаритные размеры из-за малоэффективной теплопередачи в конце хода продуктов сгорания.
Задачей изобретения является создание конструкции эффективного спирального котла с высоким КПД, устойчивого к накипеобразованию, с повышенной надежностью и ресурсом менее материалоемкого и более компактного.
Поставленная задача решается тем, что котел, содержащий цилиндрический корпус с топкой и внешней конвективной камерой, охватывающей топку и сообщенной с ней, горелку установленную в переднем торце котла по центру топки, выпускное отверстие для уходящих газов, подводящий и отводящий коллекторы
теплоносителя, установленные у переднего и заднего торца котла и поверхности нагрева из труб в виде винтовых спиралей, соединенные концами соответственно с подводящим и отводящим коллекторами, согласно изобретению, снабжен газоплотной перегородкой между топкой и конвективной камерой в виде усеченного со стороны входа потока газов параболоида вращения, кривизна образующей параболоида соответствует требуемому живому сечению для потока газов в данном месте, топка сообщается с конвективной камерой через кольцевой зазор со стороны меньшего диаметра перегородки, выпускного отверстия для уходящих дымовых газов, установленного со стороны наибольшего диаметра перегородки, топочный экран образован из труб в виде винтовых спиралей соответственно профилю перегородки, соединенными с подводящим и отводящим коллекторами, конвективная часть состоит из внутренней и охватывающей ее внешней секций, внутренняя секция образована из труб в виде винтовых спиралей соответственно профилю перегородки, внешняя секция образована из труб в виде винтовых спиралей, винтовые спирали конвективной части камеры соединены с подводящим и отводящим теплоноситель коллекторами.
Поставленная задача решается также тем, что винтовые спирали топочного экрана выполнены в профиле в виде усеченного параболоида вращения могут быть установлены газоплотно между витками, при этом газоплотная перегородка может быть выполнена в укороченном по длине виде.
Поставленная задача решается также тем, что перегородка между топочным экраном и конвективной камерой может быть выполнена в виде двух или нескольких усеченных конусов соосно соединенных последовательно по мере увеличения диаметров и уменьшения угла конусов в направлении потока газов и соответствующими профилю перегородки коническими винтовыми спиралями труб топочного экрана и внутренней секции конвективной части.
Поставленная задача решается также тем, что трубы топочного экрана и конвективной части в виде винтовых спиралей по ходу теплоносителя могут быть соединены между собой параллельно, последовательно или комбинированно за счет установки соответствующих перегородок в подводящем и отводящем коллекторах и за счет их соединения по принципу многозаходной резьбы.
Поставленная задача решается также тем, что топочный экран предлагаемого котла может быть реверсивным или проходным для продуктов сгорания, соответственно устанавливается горелка и выпускное отверстие.
Примерные графики изменения параметров дымовых газов в конвективной части с поверхностями нагрева из труб в виде винтовых спиралей для существующих котлов показаны на Фиг. 1.
Примерные графики изменения параметров дымовых газов в конвективной камере для предлагаемого котла показаны на Фиг. 2.
На Фиг. 1 и Фиг. 2 изменение температуры дымовых газов по длине конвективной камеры изображено кривой 1, изменение живого сечения для прохода газов изображено кривой 2, изменение скорости дымовых газов изображено кривой 3, изменение коэффициента теплопередачи изображено кривой 4.
Продольный разрез предлагаемого котла показан на Фиг. 3.
Предлагаемый котел содержит цилиндрический корпус 1 с топкой топочной частью 2, горелкой 3 и внешнюю конвективную часть 7, охватывающую топочную часть 2, отделенную от нее перегородкой 6 в виде усеченного параболоида вращения и сообщенную с ней через зазор 11 со стороны меньшего диаметра перегородки 6, выпускное отверстие 12 установлено со стороны наибольшего диаметра перегородки 6, топочная часть 8 состоит из труб в виде винтовых спиралей, выполненных соответственно профилю перегородки 6 изнутри, конвективная часть 7 состоит из внутренней 9 и внешней 10 секций, внутренняя секция 9 образована из труб в виде винтовых спиралей, соответствующими профилю перегородки 6 снаружи, внешняя секция 10 образована из труб в виде винтовых спиралей цилиндрической формы, живое сечение конвективной части 7 плавно уменьшается по ходу газов в зависимости от уменьшения температуры и физического объема дымовых газов для поддержания оптимальной скорости потока дымовых газов, винтовые спирали топочной части 8, винтовые спирали 9 и 10 конвективной части соединены с подводящим 4 и отводящим 5 теплоноситель коллекторами, при этом винтовые спирали могут быть соединены между собой по потоку теплоносителя параллельно или последовательно с помощью перегородок 13 внутри коллекторов 4 и 5 для обеспечения заданной оптимальной скорости теплоносителя, при этом коллекторы 4 и 5 могут быть выполнены в виде колец.Спиральный котел работает следующим образом.
Из горелки 3 смесь топливо-воздух поступает в топку 2, где происходит горение топлива с выделением тепла и повышением температуры продуктов сгорания. Часть тепла за счет лучистого теплообмена поглощается поверхностями из винтовых спиральных труб топочного экрана 8 и температура продуктов сгорания на выходе из топки 2 понижается. За счет газоплотной перегородки 6 обеспечивается направление продуктов сгорания равномерно через зазор 11 со стороны наименьшего диаметра перегородки в конвективную часть 7. В конвективной части 7 происходит поперечное омывание потоком дымовых газов винтовых спиральных труб внутренней 9 и внешней 10 конвективных секций, передача тепла теплоносителю и нелинейное снижение температуры газов (Фиг. 2 кривая 1) и уменьшение физического объема газов нелинейно примерно в 3 раза.
Перегородка 7, имеющая форму усеченного параболоида вращения за счет постепенного увеличения диаметра в направлении потока газов, рассчитанного для соответственного постепенного уменьшения живого сечения для потока газов (Фиг. 2 кривая 2) и обеспечения оптимальной постоянной или увеличивающийся скорости потока газов (Фиг. 2 линия 3) и поддержания оптимального постоянного или увеличивающегося коэффициента теплоотдачи (Фиг. 2 линия 4). Из конвективной части 7 охлажденные продукты сгорания отводятся через выпускные отверстия 12. Теплоноситель через подводящий коллектор 4 распределяются по трубам винтовых спиралей 8, 9, 10 и после нагревания выходит из котла через отводящий коллектор 5, при этом соединение спиральных труб 8, 9,10 между собой может быть параллельным по принципу многозаходной резьбы и обеспечивать наибольший расход теплоносителя, например для водогрейного котла, или можно с помощью перегородок 13 в коллекторах 4 и 5 создавать последовательный поток теплоносителя через спиральные трубы, например для термомасляного котла. Увеличенное живое сечение для потока газов на входе 11 в конвективную часть 7 снижает скорость газов, чрезмерный нагрев и вероятность накипеобразования в этом месте, а для термомасляных котлов снижается опасность перегрева металла труб в этих зонах, при этом за счет постоянной или увеличивающийся скорости дымовых газов (Фиг. 2 линия 3) обеспечивается постоянный или увеличивающийся коэффициент теплопередачи по ходу конвективной части 7 (Фиг. 2 линия 4), за счет этого конвективная часть 7 предлагаемого котла работает примерно на 20% эффективнее, чем у существующих котлов.