ВОДОТРУБНЫЙ КОТЕЛ С ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
WATER-TUBE BOILER WITH FORCED CIRCULATION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при создании паровых и водогрейных котлов для получения тепла и пара.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен котел водотрубный с принудительной циркуляцией, содержащий топочную камеру и расположенную за ней конвективную часть, выполненную из нескольких параллельно расположенных пакетов, отличающийся тем, что каждый пакет составлен из двух секций, содержащих каждая пару рядом расположенных коллекторов, сообщенных между собой U-образными трубами, распределенными по высоте с зазором друг относительно друга с возможностью размещения U-образных труб одной секции в зазоре другой секции, причем сверху и снизу каждый пакет закрыт мембранными трубами, соединенными соответствующими коллекторами секций, смежные коллекторы соседних пакетов, расположенные по одну сторону соединены между собой внешними переходниками с образованием единого водяного тракта (патент РФ на изобретение №2722493).
Недостатком известного котла являются его большие габариты и сложность изготовления, обусловленные расположением крупногабаритной конвективной части за топочной частью котла, и трудоемкостью сварки конвективной части из-за большого количество небольших сварных элементов и, соответственно, необходимости промежуточного контроля сварки в процессе изготовления теплообменника, сложности контроля и исправления погрешностей после каждого последующего этапа изготовления элементов котла.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача изобретения состоит в устранении вышеупомянутых недостатков, создании водотрубного котла с принудительной циркуляцией, обладающего совокупностью следующих свойств (превосходящих аналоги с отдельной конвективной и топочной зонами):
- устранение или уменьшение перекосов и напряжений в конструкции при функционировании и пусках/остановках;
- уменьшение габаритов;
- улучшение соотношения между металлоемкостью котла и поверхностью теплопередачи при той же тепловой мощности;
- уменьшение количества сварки;
- улучшение ремонтопригодности;
- уменьшение количества разнотипных деталей, использующихся для производства и ремонта котла.
Технический результат, на достижение которого направлено настоящее изобретение, заключается в том, что при той же мощности металлоемкость и размеры котла могут быть уменьшены одновременно с уменьшением количества сварочно-сборочных операций.
Ниже описаны особенности водотрубного котла с принудительной циркуляцией, благодаря которым обеспечивается решение вышеупомянутой задачи и достижение вышеупомянутого технического результата. Иные особенности котлов с принудительной циркуляцией, которые как известно специалистам обеспечивают их нормальное функционирование, а также особенности, обеспечивающие получение дополнительных преимуществ, будут описаны отдельно.
Предлагаемый водотрубный котел с принудительной циркуляцией содержит топочную камеру (1), выполненную из двух половин, которые объединяются в один водяной тракт различными коллекторами. Это позволяет изготавливать одновременно две отдельные половины, сокращая время изготовления. Также упрощается доступ ко всем элементам при сборке и сварке, улучшается ремонтопригодность.
Как хорошо видно на фиг. 1 и 2, в отличие от прототипа конвективная и топочная части предлагаемого котла объединены в одно целое, благодаря чему значительно уменьшаются габариты котла и повышается эффективность всех теплообменных труб за счет получения тепла от пламени горелки в виде радиации и конвекции.
При этом каждая половина топочной камеры (1) котла образована верхним (2) и нижним (3) продольными коллекторами, а вблизи их конечных участков (т.е. в конце топочной камеры (1)) размещен, по меньшей мере, один поперечный коллектор (4). Поперечный коллектор (4) может быть приварен к продольным коллекторам (2, 3) или закреплен любым иным приемлемым образом вблизи их конечных участков.
Наличие поперечного коллектора (4), позволяет после прохода теплоносителя через П-образные трубы (6, 7), приваренные к продольным коллекторам (2, 3), через верхний или нижний продольные коллекторы (это зависит от количества переворотов) перейти в поперечный коллектор (4) для дальнейшего движения по теплообменным трубам (8). Данное решение позволяет максимально просто и при малых габаритах решить проблему оптимальной и последовательной циркуляции теплоносителя по теплообменным трубам (8) котла.
Верхний (2) и нижний (3) продольные коллекторы соединены между собой группами, по меньшей мере, частично оребренных П-образных труб (6), и П-образными гладкими трубами (7), расположенными в поперечной плоскости топочной камеры.
Наличие П-образных оребренных труб (6) приваренных к продольным коллекторам (2, 3) позволяет максимально отбирать тепло от сгоревших газов за счет оребрения и расположенных на нем металлических фигурных пластин (17) которые регулируют выход сгоревших газов через каждую П-образную оребренную трубу (6), без риска возникновения напряжения в теплообменных трубах (8) вследствие удлинения за счет нагрева. Теплоноситель последовательно перемещается по нескольким П-образным трубам (6) от нижнего к верхнему коллектору или наоборот.
Количество труб (6) по которым перемещается теплоноситель и их диаметр можно увеличивать и уменьшать. Тем самым можно регулировать скорость движения теплоносителя по П-образным трубам (6).
Гладкие П-образные трубы без оребрения (7) необходимы главным образом для приваривания к ним мембран для образования газоплотной зоны там, где находятся оребренные П-образные трубы (6). Газоплотные мембраны также обеспечивают возможность приварки крепежных элементов для каркаса котла и транспортировки. Через газоплотную зону сгоревшие газы перемещаются в коллекторы газоходов (15) ив дальнейшем удаляются в дымоход.
Все П-образные трубы (6, 7) несут функцию каркаса котла и вертикальное расположение их способствует жесткости конструкции на которой расположено большинство элементов котла.
Каждая половина топочной камеры (1) снабжена дополнительным поперечным коллектором (5), при этом один поперечный коллектор (4) соединен с другим поперечным коллектором (5) при помощи нескольких теплообменных труб (8) в виде змейки, размещенных внутри топочной камеры большей частью вдоль ее боковой стенки таким образом, что один конец каждой теплообменной трубы (8) соединен с одним поперечным коллектором (4), а другой конец той же теплообменной трубы (8) - с другим поперечным коллектором (5).
Наличие двух поперечных коллекторов (4, 5) необходимо, чтобы обеспечить ток теплоносителя через теплообменные трубы (8) в виде змейки. Сначала теплоноситель попадает в теплообменные трубы (8) с одного конца приваренного к одному поперечному коллектору (4), проходит по трубе (8), нагреваясь от тепла сгоревших газов и радиации пламени горелки (16), и потом попадает в другой поперечный коллектор (5) из которого перемещается в коллектор подачи (при необходимости уменьшить количество конденсата коллекторы могут меняться местами).
В одном из предпочтительных вариантов выполнения котла, -вышеупомянутые теплообменные трубы (8) расположены по существу горизонтально, а вышеупомянутый поперечный коллектор (4) и дополнительный поперечный коллектор (5) расположены по существу вертикально. Это позволяет эффективно удалять воздух из труб и коллекторов,
Конструкция и взаимное расположение П-образных труб (5, 6), теплообменных труб (8) и коллекторов, описанная выше, дает ряд преимуществ:
- теплообменные трубы (8) в виде змейки могут иметь максимальную длину, при этом в них не возникает никаких напряжений из-за нагрева,
- варьируя количество теплообменных труб (8), приваренных к поперечным коллекторам и витками змейки, можно в большом диапазоне регулировать скорость движения теплоносителя, что является важным фактором в теплопередаче и надежности котла,
- при такой конструкции появилась возможность максимально близко расположить теплообменные трубы (8) в виде змейки к П-образным трубам (6) в один или два ряда, что дает возможность, при малых габаритах получить большую поверхность теплопередачи не сильно увеличивая габариты котла,
- наличие теплообменных труб (8) расположенных внутри топки (1) и П-образных труб (6), расположенных после теплообменных (8) и также последовательное течение теплоносителя от П-образных труб (6) к теплообменным трубам (8) (или наоборот при необходимости уменьшить конденсат) позволяет отбирать тепло от сгоревших газов с максимальной эффективностью,
- при такой конструкции теплообменные трубы (8) в виде змейки и П-образные трубы (6) получают тепло от радиации и конвекции получаемой от сгорания газов в горелке,
- при такой конструкции все теплообменные трубы (8) доступны для осмотра и ремонта в отличие от прототипа,
В частных вариантах выполнения вышеописанного котла могут обеспечиваться дополнительные преимущества.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения вышеописанного котла, гладкие П-образные трубы (7) снабжены стальными пластинами, образующими мембранную поверхность.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения вышеупомянутые гладкие П-образные трубы (7) снабжены экранными трубами (9, 10), расположенными в плоскости гладких П-образных труб (7).
Дополнительный коллектор (5) может быть расположен различным образом.
В варианте выполнения вышеописанного котла, дополнительный поперечный коллектор (5) может быть расположен вблизи конечных участков верхнего (2) и нижнего (3) продольных коллекторов. Это позволяет создавать котлы с разными габаритами под задачи заказчика. В этом случае котел получается немного больше в размерах, но проще в изготовлении.
В альтернативном варианте выполнения вышеописанного котла, дополнительный поперечный коллектор может быть расположен за пределами топочной камеры (1). При таком расположении дополнительного поперечного коллектора (5) котел получается немного компактнее, но появляются дополнительные затраты при изготовлении.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения вышеописанного котла, теплообменные трубы (8), соединенные в поперечные коллекторы, выполнены из нескольких частей, где, по меньшей мере, две части трубы, соединенные между собой отводами, расположены вдоль топочной камеры (1).
Теплообменные трубы (8) могут по своей конфигурации немного отличаться и змейка может формироваться из двух или более труб соединенных между собой отводами (т.е. змейка может иметь один или несколько U-образных витков).
В одном из предпочтительных вариантов выполнения вышеописанного котла, теплообменные трубы (8), расположенные внутри топочной камеры (1), могут быть дополнительно снабжены оребрением или ошиповкой.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения вышеописанного котла, две половины топочной камеры (1) соединены между собой коллекторами обратки (11) и подачи (12) с образованием единого водяного тракта. Объединение двух половин в общие коллектора подачи (12) и обратки (11) параллельно позволяет двум половинам топочной камеры (1) работать с равно распределенной нагрузкой без перекосов.
В одном из особенно предпочтительных вариантов выполнения вышеописанного котла, на внешней стороне оребренной части П-образных труб (6) могут быть расположены фигурные металлические пластины (17). Пластины (17) служат для того, чтобы распределить сгоревшие газы таким образом, чтобы поток максимально полно контактировал с передней и задней поверхностью оребренной части труб (6). Также фигурные пластины позволяют максимально равномерно направлять сгоревшие газы в ту часть котла которая нагружена меньше или, наоборот, при необходимости уменьшать поток горячих газов.
Ниже некоторые частные варианты выполнения котла будут проиллюстрированы и подробно описаны со ссылкой на фигуры чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 показана аксонометрия топочной камеры в сборе, вид спереди;
на фиг. 2 - то же, вид сзади;
на фиг. 3 - аксонометрия половинки топочной камеры, вид спереди;
на фиг. 4 - то же, вид сзади;
на фиг. 5 - аксонометрия П-образной трубы с оребренной частью;
на фиг. 6 - аксонометрия теплообменной трубы (в виде змейки) из двух труб с U-образным соединением;
на фиг. 7 - аксонометрия теплообменной трубы (в виде змейки) из четырех труб с соединением трубок в виде спирали.
на фиг. 8 - аксонометрия половинки топочной камеры с вынесенным дополнительным поперечным коллектором за пределы топки, вид сзади;
на фиг. 9 - разрез топочной камеры, вид спереди;
на фиг. 10 - вид Б;
на фиг. 11 - вид А;
на фиг. 12 - фигурная металлическая пластина.
на фиг. 13 показан ход движения теплоносителя внутри труб и коллекторов котла.
На фиг. 1-13 приняты следующие обозначения:
1 - топочная камера,
2 - верхние продольные коллекторы,
3 - нижние продольные коллекторы,
4 - поперечный коллектор,
5 - дополнительный поперечный коллектор,
6 - по меньшей мере, частично оребренные П-образные трубы,
7 - гладкие П-образные трубы,
8 - теплообменные горизонтальные трубы в виде змейки,
9 - передние экранные трубы,
10 - задние экранные трубы,
11 - коллектор обратки,
12 - коллектор подачи,
13 - воздушники,
14 - дренажи,
15 - газоходы,
16 - горелка,
17 - фигурные металлические пластины,
18 - перегородки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг. 1-13, водотрубный котел с принудительной циркуляцией содержит топочную камеру (1), продольные горизонтальные коллекторы (2), расположенные сверху, продольные горизонтальные коллекторы (3), расположенные снизу, поперечный коллектор (4), расположенный вертикально в задней части топочной камеры (1), дополнительный поперечный коллектор (5), расположенный вертикально в задней части топочной камеры (1), П-образные трубы с боковой оребренной частью (6), гладкие П-образные трубы (7), теплообменные трубы (8) в виде змейки, расположенные горизонтально, экранные трубы (9), расположенные спереди, экранные трубы (10), расположенные сзади, коллектор обратки (11), коллектор подачи (12), воздушники (13), дренажи (14) и газоходы (15).
Котел с принудительной циркуляцией в составе котельной установки (не показано) работает следующим образом.
Топливо и воздух подаются через горелку (16) в топочную камеру (1), где топливо сгорает с выделением тепла.
Продукты сгорания охлаждаются в теплообменнике, отдавая тепло через тело и оребрение теплообменных труб (8), также за счет нижних (нижние участки П-образных труб (6)), потолочных (верхние участки П-образных труб (6)), передних (9) и задних (10) экранных труб с мембранами, коллекторов (2, 3, 4, 5).
Затем отработанные газы проходят через боковые оребренные участки П-образных труб (6), снаружи которых закреплены фигурные металлические пластины (17), регулирующие количество проходящего газа через каждую трубу с максимальной отдачей тепла от сгоревших газов.
Потом через газоходы (15) отработанные газы удаляются в дымовую трубу (не показано).
Тепло, полученное при сгорании топлива, воспринимается водой через поверхности нагрева.
Как показано на фиг. 13 теплоноситель через коллектор обратки (11), попадает в продольные верхние коллекторы (2), в которых установлены перегородки (18) и по рядам параллельных П-образных трубок (6) опускается в нижние продольные коллекторы (3), а потом перемещается по тем же коллекторам и, упираясь в перегородку (18), поднимается по рядам параллельных П-образных трубок (6) к верхнему коллектору (2) и по такому же принципу теплоноситель разворачивается в верхнем коллекторе (2) и опускается вниз пока не доходит до крайних рядов параллельных П-образных труб (6) задней части топочной камеры (1).
Из верхних (2) или нижних (3) коллекторов теплоноситель попадает в вертикальный коллектор (4), из которого перемещается по горизонтальным теплообменным трубам (8), разворачиваясь на 180 градуса один или два раза, в зависимости от количества U-образных изгибов (см. фиг. 6 и 7) и далее попадает в дополнительный поперечный коллектор (5), а затем через патрубки в дополнительном поперечном коллекторе (5) - в коллектор подачи (12), из которого теплоноситель направляют потребителю. При перемещении по трубам (6, 8) теплоноситель постепенно нагревается до заданной температуры.
Данная конструкция позволяет выравнивать скорость воды в разных частях котла независимо от его размеров и мощности.
Оптимальные скорости движения воды позволяют избежать перегрева воды и металла.
При эксплуатации, после остановки котла для его опорожнения открываются дренажи (14), а при заполнении его водой открываются воздушники (13) (при закрытых дренажах (14)).
За счет того, что топочная камера (1) состоит из двух половин, упростилась его сборка и сварка на кондукторе.
Благодаря тому, что в топочной части поверхность П-образных трубок (6) имеет оребрение, уменьшилось количество трудоемкой сварки мембран.
Теплообменные трубы (8) в виде змейки с гладкой или дополнительной теплообменной поверхностью (оребрение, ошиповка и т.п.), расположенные рядом с наружными вертикальными оребренными трубами имеют большую длину в сравнении с теплообменными трубами прототипа, что уменьшает количество сварных швов в изделии при той же тепловой мощности.
Таким образом, использование в предложенном котле определенной конструкции теплообменных труб (8) и коллекторов топочной камеры позволяет максимально отбирать тепло от сгоревших газов и делает возможным иметь оптимальную гидравлическую схему котла, упрощает конструкцию и изготовление за счет применения простых и однотипных элементов, уменьшает металлоемкость котла и повышает надежность и экономичность.
За счет хорошей доступности всех элементов конструкции котла значительно возрастает ремонтопригодность во время эксплуатации по сравнению с прототипом, дает возможность создания множества вариантов однотипных котлов различной мощности.