КОТЕЛ ВОДОГРЕЙНЫЙ
WATER-HEATING BOILER

Изобретение относится к области промышленной энергетики, в частности к водогрейным котлам малого объема, работающим на твердом низкосортном топливе (кусковых отходах деревообрабатывающего и мебельного производств, дровах, торфе и т.д.) и генераторном газе.
Известен котел водогрейный, содержащий прямоугольную топочную камеру, имеющую зону горения и зону конвективного нагрева, причем зона горения образована передним, задним, боковыми и потолочным трубчатыми экранами, связанными с прямым и обратным трубопроводами теплосети (см., например, описание к патенту РФ на изобретение №943493 от 23.05.1980 г, МПК F24Н 1/24).
Недостатками этого котла являются сложность конструкции, а также низкая производительность и экономичность из-за недостаточной площади теплообменной поверхности.
Известен также взятый за прототип водогрейный котел, содержащий прямоугольную топочную камеру, имеющую зоны горения и конвективного нагрева, разделенные передней вертикальной перегородкой с окном сверху для прохода продуктов сгорания, передний, боковые, потолочный и нижний трубчатые экраны, а также прямой и обратный трубопроводы теплосети, при этом нижний экран соединен с обратным трубопроводом, зона горения имеет расположенную снизу колосниковую решетку, а зона конвективного нагрева имеет поперечно расположенные переднюю и заднюю секции, состоящие из горизонтальных труб, и, по меньшей мере одну, заднюю вертикальную перегородку, расположенную между секциями и имеющую возможность поворота потока продуктов сгорания (см., например, описание к патенту РФ на полезную модель №25784 от 18.03.2002, МПК F24Н 1/00).
Недостатком известного котла является ограниченность технических возможностей, в частности невозможность использования топлива с низкой теплотворной способностью, например твердых отходов различных производств, т.к. в этом случае происходит снижение производительности и экономичности котла. Для создания возможности экономичной работы котла на малоэффективном топливе необходимо или сжигать за тот же промежуток времени больший объем этого топлива, а для этого необходимо увеличить габариты котла, или увеличить площадь его теплообменных поверхностей (экранов зоны горения и секций зоны конвективного нагрева), а также длину пути, проходимого продуктами сгорания.
Кроме того, котел не надежен в эксплуатации. Это объясняется конструктивными особенностями схемы циркуляции теплоносителя, в частности, выполнением ее ассиметричной (трубчатые экраны зоны горения последовательно соединены таким образом, что вода, поступающая из зоны конвективного нагрева, сначала попадает на потолочный и передний экраны, а затем на правый боковой, задний и левый боковой экраны и далее в сеть), что приводит к неравномерности тепловой нагрузки на боковые экраны, а значит к неравномерному нагреву котла с разных сторон и повышенному износу его стенок.
Недостатками котла являются также 1) нерациональность конструкции узлов (их функциональная ограниченность), в частности выполнение устройства охлаждения колосниковой решетки в виде экрана, расположенного под решеткой, и наличие в топочной камере перегородок, предназначенных только для удлинения пути, проходимого продуктами сгорания, и 2) невозможность работы на генераторном газе, что также сужает технические возможности, т.к. не позволяет работать в составе автоматизированных отопительных комплексов.
Изобретение решает задачу создания экономичного котла малого объема, работающего на твердом низкосортном топливе, с одновременным повышением его надежности в эксплуатации, а также расширения технических возможностей.
Для решения этой задачи в известном водогрейном котле, содержащем прямоугольную топочную камеру, имеющую зоны горения и конвективного нагрева, разделенные передней вертикальной перегородкой с окном сверху для прохода продуктов сгорания, передний, боковые, потолочный и нижний трубчатые экраны, а также прямой и обратный трубопроводы теплосети, при этом нижний экран соединен с обратным трубопроводом, зона горения имеет расположенную снизу колосниковую решетку, а зона конвективного нагрева - поперечно расположенные переднюю и заднюю секции, состоящие из горизонтальных труб, и, по меньшей мере одну, заднюю вертикальную перегородку, расположенную между секциями с возможностью поворота потока продуктов сгорания, в соответствии с изобретением в качестве нижнего экрана используется колосниковая решетка, выполненная из продольных труб, длина потолочного экрана, также выполненного из продольных труб, равна длине топочной камеры, боковые и передний экраны выполнены из вертикальных труб, вертикальные трубы каждого бокового экрана соединены между собой параллельно с помощью верхнего и нижнего продольных коллекторов, а между трубами боковых экранов имеются металлические мембраны, каждая секция зоны конвективного нагрева снабжена, по меньшей мере одной, парой дополнительных секций с образованием соответственно переднего и заднего конвективных блоков, секции в которых соединены между собой последовательно, горизонтальные трубы секций также соединены между собой последовательно, при этом колосниковая решетка-экран с другой стороны последовательно соединена с передним экраном, который последовательно соединен с потолочным экраном, а последний на выходе снабжен поперечным потолочным коллектором, разделяющим систему циркуляции теплоносителя на две параллельные ветви, для чего потолочный коллектор соединен с одной стороны с входом переднего конвективного блока, а с другой - заднего, выход каждого конвективного блока последовательно соединен с нижним продольным коллектором бокового экрана, а каждый боковой экран через верхний продольный коллектор соединен с прямым трубопроводом теплосети, кроме того, секции противоположных конвективных блоков расположены в шахматном порядке, упомянутой передней вертикальной перегородкой является передняя секция переднего блока, а упомянутой задней вертикальной перегородкой - расположенная сзади секция, для чего трубы этих секций соединены металлическими мембранами.
Длина боковых экранов равна длине топочной камеры, секции конвективных блоков снабжены вертикальными входными и поворотными коллекторами, которыми являются трубы боковых экранов, горизонтальные трубы каждой секции образуют соединенные последовательно верхний и нижний пучки, для чего входные коллекторы секций снабжены разделительными перегородками в средней части, а противоположные поворотные коллекторы снабжены перегородками-заглушками по концам, последовательное соединение секций каждого конвективного блока выполнено с помощью верхнего и нижнего продольных коллекторов бокового экрана, для чего верхний коллектор снабжен отсекающими перегородками перед передним и задним входными коллекторами, а нижний коллектор - аналогичной перегородкой перед средним входным коллектором, при этом потолочный коллектор соединен сверху с одной стороны с верхней частью заднего входного коллектора переднего конвективного блока, а с другой - с верхней частью аналогичного коллектора заднего конвективного блока.
Задней вертикальной перегородкой является средняя секция заднего конвективного блока.
Котел снабжен патрубком подачи генераторного газа, расположенным в боковой стенке топочной камеры в зоне горения.
Зольная камера снабжена патрубком для подсоединения вентилятора.
Конструктивные особенности заявляемого котла: увеличение площади теплообменных поверхностей и удлинение пути, проходимого продуктами сгорания (что достигается благодаря снабжению зоны конвективного нагрева дополнительными секциями, увеличению площади потолочного и боковых экранов, а также благодаря выполнению между трубами боковых экранов и двух секций конвективного блока мембран, наличие которых в секциях позволило выполнить перегородки, удлиняющие путь прохождения продуктов сгорания в зоне конвективного нагрева, в виде теплообменных поверхностей), - расширяют его технические возможности и позволяют использовать топливо с низкой теплотворной способностью (в том числе отходы мебельного, деревообрабатывающего и др. производств) с сохранением производительности и экономичности котла без увеличения его габаритов.
Наличие симметричной схемы циркуляции теплоносителя (которая предусматривает прохождение потока снизу вверх сначала по колосниковой решетке, далее по переднему и потолочному экранам, т.е. по центру зоны горения, а затем сверху сзади в зоне конвективного нагрева разделение этого потока на две параллельные ветви и после прохождения секций конвективных блоков возвращение в зону горения по боковым экранам и далее, после объединения сверху, в систему отопления) гарантирует равномерный нагрев корпуса котла, что позволяет вместе с использованием упрощенной конструкции устройства охлаждения колосниковой решетки (выполнению решетки трубчатой с функцией нижнего экрана) повысить надежность котла в эксплуатации.
Кроме того, симметричная схема циркуляции позволяет максимально использовать температуру, получаемую внутри котла, т.к. нагреваемый теплоноситель проходит зону горения дважды: в начале и в конце цикла. Потери тепла устраняются также благодаря выполнению перегородок в виде теплообменных поверхностей.
Еще одним преимуществом котла является предотвращение возможности закипания воды в трубах секций конвективных блоков благодаря последовательному соединению верхнего и нижнего пучков горизонтальных труб секций и последовательному соединению секций в конвективных блоках, что удлиняет путь, проходимый теплоносителем, а значит и время его нагрева.
Снабжение котла патрубком для подключения к газогенератору также расширяет его технические возможности, т.к. создает условия для работы в составе автоматизированных отопительных комплексов.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 - общий вид котла, продольное сечение (сзади решетка частично снята, пунктирной линией обозначено направление движения продуктов сгорания), на фиг.2 - схема циркуляции воды (боковые экраны раздвинуты, трубы секций не показаны, кроме труб задней секции заднего блока, стрелками обозначено направление движения теплоносителя, буквами латинского алфавита - вертикальные коллекторы секций).
Заявляемый котел (фиг.1, 2) представляет собой прямоугольную топочную камеру, имеющую зону горения 1 спереди и зону конвективного нагрева 2 сзади.
В зоне горения 1 снизу расположена колосниковая решетка 3 (фиг.1, 2), представляющая собой одновременно нижний экран и выполненная в виде стальных труб для охлаждения с помощью воды, поступающей в котел. С решеткой-экраном последовательно соединен трубчатый передний экран 4, с которым также последовательно соединен трубчатый потолочный экран 5. По бокам в топочной камере имеются боковые трубчатые экраны 6. Длина потолочного 5 и боковых 6 экранов равна длине камеры. Трубы экранов 3 и 5 выполнены продольными горизонтальными, а экранов 4 и 6 - вертикальными.
Трубы экранов 6 соединены между собой параллельно с помощью верхнего 7 и нижнего 8 коллекторов (фиг.1, 2).
В зоне конвективного нагрева 2 (см. там же) система циркуляции воды делится на две параллельные ветви с помощью поперечного потолочного коллектора 9, расположенного на выходе потолочного экрана 5. В зоне 2 (фиг.2) параллельные ветви представляют собой два конвективных блока (левый и правый), каждый из которых состоит, в частности, из трех поперечно расположенных секций 10 (фиг.1, 2). Каждый блок может быть снабжен несколькими дополнительными парами секций.
Секции 10 выполнены из горизонтальных труб, количество которых может быть разным. Трубы секций сгруппированы в верхний и нижний пучки и объединены по концам вертикальными коллекторами 11 и 12 (фиг.2), которые одновременно являются противоположными трубами боковых экранов 6. Пучки труб каждой секции соединены между собой последовательно, для чего коллектор 11, являющийся входным (выходным), в средней части имеет разделительную перегородку 13, а противоположный коллектор 12, являющийся поворотным (предназначен для поворота потока теплоносителя вниз или вверх), снабжен сверху и снизу перегородками-заглушками 14, отделяющими его от коллекторов 7 и 8 боковых экранов 6.
На фиг.2 коллекторы, обозначенные буквами «а», «b», «с» и «а'», «b'», «с'», являются соответственно входными (выходными) 11 и поворотными 12 коллекторами секций левого конвективного блока, а коллекторы «d», «e», «f» и «d′», «е′», «f′» - аналогичными коллекторами секций правого конвективного блока.
Каждый конвективный блок соединен с потолочным коллектором 9 через верхнюю часть входного коллектора 11 задней секции, при этом нижняя часть коллектора 11 передней секции каждого блока является выходной.
Секции каждого блока соединены между собой последовательно с помощью верхнего 7 и нижнего 8 коллекторов боковых экранов 6. Для этого коллекторы 7 и 8 снабжены перегородками 15, отсекающими секции от коллекторов и расположенными на коллекторах 7 перед передними входными коллекторами «с» и «f» и задними входными коллекторами «а» и «d», а на коллекторе 8 перед средними входными коллекторами «b» и «e».
Секции противоположных блоков чередуются (расположены в шахматном порядке), при этом один из блоков, в частности правый, является передним.
Передняя секция 16 переднего блока (фиг.1, 2) одновременно является передней перегородкой, разделяющей зоны 1 и 2, а одна из задних секций (любая секция любого блока), в частности средняя секция 17 заднего блока, - задней перегородкой, удлиняющей путь, проходимый продуктами сгорания в зоне 2, для чего между трубами этих секций имеются (фиг.1) металлические мембраны 18. Над передней перегородкой 16 сверху имеется окно 19 для прохода продуктов сгорания, а под задней перегородкой 17 - окно 20 (пространство под решеткой 3). Для удлинения пути, проходимого продуктами сгорания в зоне 2, количество задних перегородок может быть увеличено.
Для увеличения площади поверхностей нагрева между трубами боковых экранов 6 также имеются мембраны 21 (фиг.1).
Выход каждого конвективного блока через нижнюю часть входного коллектора 11 передней секции последовательно соединен (фиг.2) с помощью нижнего продольного коллектора 8 с расположенными в зоне горения 1 вертикальными трубами соответствующих боковых экранов 6.
Экраны 6 через верхние коллекторы 7 симметрично соединены с расположенным сверху прямым трубопроводом 22 тепловой сети. Обратный 23 трубопровод сети соединен с решеткой-экраном 3.
Зона горения имеет (фиг.1, 2) окно 24 для подачи твердого топлива, а также (фиг.1) зольную камеру 25 с дверцей. Для интенсивного регулирования количества воздуха, поступающего на горение твердого топлива, зольная камера может быть снабжена патрубком 26 для подсоединения вентилятора.
Зона конвективного нагрева 2 снабжена снизу осадочной камерой, а сверху - люком для очистки поверхностей труб конвективных блоков.
Для создания возможности работы котла в составе автоматизированной отопительной системы он снабжен расположенным на боковой стене в зоне горения 1 патрубком 27 для соединения с газогенератором.
Котел имеет также расположенный сверху дымоотводящий патрубок 28.
Заявляемый котел работает следующим образом.
В процессе сжигания твердого кускового топлива (дров, отходов деревообработки и т.д.), подаваемого (фиг.1, 2) в зону горения 1 на колосниковую решетку-экран 3 через окно 24, происходит нагрев решетки-экрана, переднего 4 (фиг.1, 2), потолочного 5 экранов и расположенных в зоне 1 передних частей боковых экранов 6, а также передней секции-перегородки 16.
Продукты сгорания из зоны 1 (фиг.1) поступают через окно 19 над перегородкой 16 в зону 2, где сначала опускаются вниз, проходя между трубами двух следующих секций 10, и далее, пройдя под задней перегородкой 17, поднимаются вверх, проходя между трубами двух расположенных сзади секций. Полностью отдав тепло нагревательным поверхностям, продукты сгорания выносятся наружу через дымоотводящий патрубок 28.
Система циркуляции воды работает следующим образом. Из обратного трубопровода 23 тепловой сети (фиг.1, 2) охлажденная вода под напором подается в трубы решетки-экрана 3, отводит от нее тепло, препятствуя прогоранию, и далее, нагреваясь, поступает вверх последовательно в трубы переднего 4 и потолочного 5 экранов. Затем с помощью потолочного коллектора 9 поток воды делится пополам и (фиг.2) двумя параллельными путями поступает сверху через входные коллекторы 11 заднего (левого) и переднего (правого) блоков в горизонтальные трубы секций 10.
В задний блок вода попадает слева через верхнюю часть входного коллектора «а» задней секции, затем проходит направо по верхнему пучку труб до поворотного коллектора «а'», где поток теплоносителя поворачивает вниз, возвращается назад по нижнему пучку труб и через нижнюю часть коллектора «а» и нижний коллектор 8 левого бокового экрана 6 попадает в нижнюю часть коллектора «b» следующей (средней) секции блока. Затем вода проходит трубы нижнего пучка средней секции, после поворота вверх в коллекторе «b'» по трубам верхнего пучка возвращается назад в верхнюю часть коллектора «b» и по верхнему продольному коллектору 7 экрана 6 попадает в верхнюю часть коллектора «с» передней секции блока. По передней секции вода проходит так же, как и по задней, проходя путь до коллектора «с'», в котором происходит поворот потока вниз, и возвращаясь по нижнему пучку назад к коллектору «с». Через нижнюю часть коллектора «с» и нижний коллектор 8 вода попадает в расположенные в зоне 1 трубы левого бокового экрана 6, поднимается вверх и через верхний коллектор 7 направляется в прямой трубопровод 22 тепловой сети.
Аналогичным образом поток воды проходит секции переднего (правого) конвективного блока.
Водогрейный котел имеет возможность работать в составе автоматизированной отопительной установки. В этом случае нагрев воды, циркулирующей в трубах теплообменных поверхностей котла, производится газом, поступающим от газогенератора через патрубок 27 в зону горения 1 котла.
Заявляемый котел имеет малый объем, рациональную конструкцию, определяющую его надежность, и может эффективно работать на топливе с низкой теплотворной способностью благодаря увеличенной площади теплообменных поверхностей и возможности простейшим способом (увеличением количества задних перегородок) удлинить путь, проходимый продуктами сгорания.
Котел изготовлен и прошел эксплуатационные испытания, по результатам которых можно сделать вывод о его экономичности и соответствии требованиям экологии.