ТЕПЛООБМЕННАЯ СЕКЦИЯ ВОДОГРЕЙНОГО КОТЛА

Полезная модель предназначена для нагрева воды и может быть использована на предприятиях теплоснабжения.
Проблема, существующая в области нагрева воды в водогрейных котлах заключается в том, что поверхности нагрева котлов имеют сложную конструкцию за счет чего создается большое гидравлическое сопротивление теплоносителя и большое сопротивление газового тракта. Все это приводит к уменьшению теплообмена и, следовательно, к снижению фактического КПД котла.
Известна теплообменная секция [патент RU №1760257, Кл. F24H 1/16, опубл. 07.09.92, БИ №33], содержащая внутреннюю спиральную поверхность, образованную газоплотным пучком труб, и внешнюю теплообменную поверхность, выполненную в виде спиральной трубчатой негазоплотной поверхности, образованной плоским пучком труб, между которыми выполнены зазоры для прохода газа. Внутренняя и внешняя поверхности расположены одна в другой с образованием между собой газоходных каналов. Концы труб внутренней поверхности с одной стороны соединены с помощью фланцев с трубами внешней поверхности, а с другой - с отводящим коллектором. Концы труб внешней теплообменной поверхности с одной стороны соединены с подводящим коллектором, а с другой - с трубами внутренней поверхности.
Внутренняя газоплотная спиральная поверхность имеет специальные участки разведенных труб - фестоны для прохода продуктов сгорания из топочной камеры в газоходы.
Теплообменная секция в водогрейном котле работает следующим образом.
Через подводящий коллектор вода поступает в трубы внешней теплообменной поверхности. Далее при сжигании топлива топочные газы проходят через фестоны внутренней спиральной поверхности в газоходные каналы между теплоизоляцией корпуса котла и внутренней поверхностью секции,
раздваиваясь на два параллельных потока. Далее проходя по этим каналам топочные газы, попадают в каналы между боковыми внутренними спиральными поверхностями и корпусом. После чего, потоки соединяются в один и пропускаются в канал между нижними частями внутренней поверхности теплообменной секции и подом котла. После этого вновь раздваиваясь, поток продуктов сгорания топлива попадает в вертикальные боковые каналы между боковыми частями внутренней спиральной поверхности и корпусом, откуда соединяясь в один горизонтальный поток в верхней части котла, отводятся за пределы конструкции.
Таким образом, трубы негазоплотной внешней поверхности теплообменной секции находятся в потоке топочных газов, что дает возможность существенно повысить его турбулентность и организовать наибольший теплосъем поверхностям нагрева этой секции.
Нагретая вода, пройдя по трубам внешней поверхности, через фланцы поступает в трубы внутренней поверхности, пройдя которые вода через отводящий коллектор выходит из котла к потребителю.
Известная поверхность нагрева водогрейного котла позволяет увеличить поверхность теплообмена, а, следовательно, и эффективность теплоотдачи, что приводит к повышению КПД котла.
Однако теплообменная секция обладает рядом недостатков.
Несмотря на увеличение теплообмена поверхности нагрева, приводящей к повышению КПД котла, фактический КПД остается ниже расчетного. Это обусловлено тем, что во-первых, внутренняя и внешняя поверхности тепло-обменной секции имеют сложную конфигурацию с множеством гнутых частей, имеющих большой радиус изгиба. Поэтому теплоноситель, проходя по трубам, преодолевает местное гидравлическое сопротивление на изгибах и теряет свою скорость, что приводит к уменьшению коэффициента теплообмена. Во-вторых, схема и устройство каналов, образованных двумя поверхностями теплообменной секции, не обеспечивают свободную циркуляцию
топочных газов, что создает дополнительное аэродинамическое сопротивление всего газохода, что также снижает коэффициент теплообмена. В-третьих, внешняя поверхность теплообменной секции не имеет возможности получать лучистую энергию, а внутренняя - воспринимает как лучистую, так и конвективную энергию от топочных газов и работает с максимально высоким коэффициентом теплообмена. В результате благодаря разной эффективности работы внешней и внутренней поверхностей теплообменной секции и сложной схемы прохождения топочных газов, фактический КПД водогрейного котла остается ниже расчетного.
Наиболее близким по технической сущности является теплообменная секция водогрейного котла [патент RU №2247285, Кл. F24H 1/00, опубл. 27.02.2005, БИ №6]. Теплообменная секция состоит из наружных и внутренних панели, между которыми сформирован газоходный канал. Наружные и внутренние панели теплообменных секций выполнены из вертикально расположенных водогрейных труб, верхнего и нижнего распределительных коллекторов. Коллекторы соединены между собой посредством перепускных патрубков. Через водогрейные трубы и верхний и нижний коллекторы пропущены дымогарные трубы. В пространстве между наружной поверхностью дымогарных труб и внутренней поверхностью водогрейных труб размещена спиральная цилиндрическая пружина, образованная прутками прямоугольного поперечного сечения, с шагом между витками от 80 до 100 мм.
Теплообменная секция работает следующим образом.
Теплоноситель (вода) поступает в нижний распределительный коллектор и по водогрейным трубам поднимается в верхний распределительный коллектор. Восходящие потоки теплоносителя за счет спиральной пружины получают вращательное движение вокруг дымогарной трубы. При сгорании топлива образующиеся топочные газы поднимаются в верхнюю часть котла и, поступая в газоходные каналы, обтекают снаружи водогрейные трубы, которые нагреваясь передают тепло теплоносителю, нагревая его. Затем топочные
газы по дымогарным трубам опускаются вниз, которые, нагреваясь, передают тепло теплоносителю. Таким образом, нагрев теплоносителя происходит в двух направлениях. Наружная поверхность водогрейных труб нагревается за счет лучистой энергии, отдавая тепло теплоносителю, а наружная поверхность дымогарных труб нагревается за счет конвективной энергии и тоже отдает тепло теплоносителю.
Достоинством известной теплообменной секции является то, что она позволяет увеличить коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю и в результате чего увеличивается КПД котла. Это обусловлено тем, что теплоноситель, проходя водогрейные трубы, получает вращательное движение потока, тем самым увеличивается время соприкосновения с горячими газами и увеличивается площадь водогрейной трубы в условных квадратных метрах. Кроме того, нагрев теплоносителя происходит за счет лучистой энергии, которую получает наружная поверхность водогрейных труб и за счет конвективной энергии, которую получает наружная поверхность дымогарных труб, в результате чего увеличивается интенсивность теплообмена, а, следовательно, и коэффициент теплоотдачи.
Однако известная теплообменная секция обладает рядом недостатков.
Теплообменная секция не обеспечивает высокое значение коэффициентов теплообмена, вследствие чего фактический КПД водогрейного котла остается ниже расчетного.
Это обусловлено тем, что:
- во-первых, режим движения теплоносителя в параллельно установленных водогрейных трубах является ламинарным, который не обеспечивает высокой скорости потока теплоносителя, что приводит к образованию пристенной паровой подушки, препятствующей активному теплообмену и, как следствие, приводит к снижению коэффициента теплоотдачи;
- во-вторых, дымогарные трубы вследствие своего малого сечения в процессе эксплуатации часто зашлаковываются и не обеспечивают прохождение
необходимого объема топочных газов, что снижает теплообмен от топочных газов к теплоносителю и коэффициент теплоотдачи снижается.
Снижение коэффициент теплоотдачи приводит к тому, что фактический КПД водогрейного котла остается ниже расчетного.
Задачей заявляемого технического решения является создание такой теплообменной секции, которая позволяет повысить коэффициент теплообмена за счет увеличения интенсивности теплообмена и фактический КПД водогрейного котла.
Для решения поставленной задачи в известной теплообменной секции водогрейного котла, состоящей из панели, выполненной из вертикально расположенных водогрейных труб, внутри которых установлены газоходные трубы, водогрейные трубы с двух концов заглушены стальной заглушкой кольцевой формы и соединены между собой перемычками, выполненными в виде труб для пропуска теплоносителя из одной водогрейной трубы в другую, установленными в верхней и нижней части водогрейных труб в шахматном порядке и приваренными по касательной к их поверхности. В качестве газоходных труб использованы жаровые трубы.
Отличительными признаками предлагаемой теплообменной секции от известной наиболее близкой к ней являются выполнение водогрейных труб с двух сторон заглушенными стальной заглушкой кольцевой формы, соединение их между собой перемычками, выполненными в виде труб для пропуска теплоносителя из одной водогрейной трубы в другую, приваренных по касательной к поверхности водогрейных труб и расположение их в верхней и нижней части водогрейных труб в шахматном порядке, использование в качестве газоходных труб жаровых труб.
Благодаря отличительным признакам увеличивается интенсивность теплообмена, что приводит к повышению коэффициента теплообмена и увеличению фактического КПД водогрейного котла. Это обусловлено тем, что теплоноситель по перемычкам входит в водогрейную трубу по касательной и за
счет этого теплоноситель получает вращательное движение вокруг жаровой трубы. Это увеличивает скорость движения теплоносителя и общее время соприкосновения теплоносителя с наружной поверхностью жаровой трубы и внутренней поверхностью водогрейной трубы. При этом, выполняя вращательное движение, теплоноситель получает тепловую энергию одновременно с двух противоположных направлений, посредством как конвективного, так и лучистого теплообмена, что обеспечивает более высокий коэффициент теплоотдачи. Использование в качестве газоходных труб жаровых труб, имеющих диаметр больше чем дымогарные трубы, позволяет увеличить количество проходящего через них топочного газа, что увеличивает конвективный теплообмен, приводящий к увеличению коэффициента теплоотдачи.
Кроме того, за счет увеличения скорости движения теплоносителя обеспечивается самоунос накипеобразующих частиц, и увеличиваются условные квадратные метры. Все это приводит к уменьшению металлоемкости самого котла и дает возможность снизить его габариты, а также использовать воду в качестве теплоносителя без предварительной ее обработки.
Предлагаемая теплообменная секция водогрейного котла иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 показан фрагмент теплообменной секции, на фиг.2 - разрез 1-1 на фиг.1.
Теплообменная секция водогрейного котла содержит вертикально расположенные водогрейные трубы 1 диаметром 159 мм, жаровые трубы 2 диаметром 108 мм, установленные внутри водогрейных труб 1, перемычки 3 соединяющие водогрейные трубы, для пропуска теплоносителя из одной водогрейной трубы в другую. Перемычки 3 выполнены из труб диаметром 76 мм, расположены в верхней и нижней части водогрейных труб в шахматном порядке и приварены по касательной к их поверхности. Водогрейные трубы 1 с двух сторон заглушены стальной заглушкой 4 кольцевой формы, выполненной из листового металла толщиной 5 мм.
Теплообменная секция работает следующим образом.
Теплоноситель по верхней перемычке 3 поступает в первую водогрейную трубу 1 и, осуществляя вращательное движение вокруг жаровой трубы, опускается вниз и по нижней перемычке, соединяющей первую и вторую водогрейные трубы 1, поступает во вторую водогрейную трубу 1 и, поднимаясь вверх через верхнюю перемычку 3, соединяющую вторую и третью водогрейные трубы 1, поступает в третью водогрейную трубу 1 и т.д.
При сгорании топлива горячие топочные газы поднимаются вверх и, омывая водогрейные трубы 1, отдают им часть тепловой энергии, что приводит к нагреву протекающего в трубах теплоносителя. Затем, спускаясь вниз топочные газы поступают в жаровые трубы 2 и, отдавая им тепловую энергию нагревают теплоноситель, который, вращаясь омывает наружную поверхность жаровых труб. Пройдя все водогрейные трубы 1 через нижнюю перемычку 3 нагретый теплоноситель подается потребителю.
Теплообменная секция позволяет повысить КПД котла, компоновать его с разными техническими характеристиками, и применять различные схемы установки поверхностей нагрева.