КОТЕЛ ВОДОГРЕЙНЫЙ ПОВЕРХНОСТНО-КОНТАКТНЫЙ ГАЗОВЫЙ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
GAS SURFACE-CONTACT WATER BOILER AND ITS OPERATION METHOD

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к конструкции газовых поверхностно-контактных водогрейных котлов, и может быть использовано для подогрева воды в системах теплоснабжения.
Известен поверхностно-контактный водонагреватель (котел), содержащий корпус с патрубками подвода и отвода воды и отвода газов, причем в корпусе размещена топочная камера, сообщенная в верхней части с вертикальным пучком газоотводящих теплообменных труб, выше которого размещены водоотбойные козырьки и контактная камера. Котел снабжен образованным верхней и боковыми стенками кожухом с газоперепускными патрубками в верхней стенке, кожух размещен в корпусе с охватом пучка, образованием полости между корпусом и упомянутыми боковыми стенками и зазора между нижними торцами последних и топочной камерой, при этом выходные торцы труб пучка размещены с зазором относительно верхней стенки кожуха, водоотбойные козырьки закреплены над газоперепускными патрубками, в одной из боковых стенок кожуха выполнено окно, патрубок отвода воды подключен к упомянутой полости со стороны стенки с окном, а последнее размещено выше патрубка отвода воды и ниже выходных торцов труб пучка (см., например, RU 2055274 С1, МПК F24H 1/10, опубл. 27.02.1996) [1].
Известное изобретение не обеспечивает получения равномерного и симметричного поля температур нагреваемой воды по всему сечению поверхности нагрева и поддержания температуры нагрева воды регулированием расхода топлива.
Известен способ регулирования расходом топлива заданных температурных параметров нагреваемой воды в водогрейных котлах (см., например, RU 2036378 С1, МПК F22B 33/18, опубл. 27.05.1995) [2]. Однако в атмосферных водогрейных котлах контактно-поверхностного типа этот способ неэффективен, поскольку заданная температура нагретой воды на уровне барометрической температуры кипения может достигаться как при необходимом расходе топлива, так и при расходе, значительно его превышающем.
Технический результат данного изобретения - получение равномерного и симметричного поля температур нагреваемой воды по всему сечению поверхности нагрева без соприкосновения холодного и горячего потоков, а также эффективное поддержание температуры нагрева воды регулированием расхода топлива. Указанный технический результат достигается в водогрейном поверхностно-контактном вертикальном котле, содержащем поверхность нагрева, установленную на опоре, и расположенную над поверхностью нагрева контактную теплоутилизационную камеру, причем поверхность нагрева включает соосно размещенную в вертикальном цилиндрическом корпусе водоохлаждаемую топочную камеру, в верхней части ограниченную конической крышкой с вваренными в нее по концентрическим окружностям трубками конвективного газотрубного пучка, а в нижней - переходящую в водоохлаждаемую зажигательную камеру с установленными в ней радиально навстречу друг другу инжекционными горелками типа «БИГ-1-1».
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что трубки конвективного газотрубного пучка нижними торцами сообщены с топочной камерой, а их верхние торцы расположены на одном уровне, причем в корпусе в зоне конвективного пучка установлена внутренняя перегородка, охватывающая трубы пучка, и ее верхний край размещен ниже верхних торцов трубок пучка, а также тем, что корпус поверхности нагрева установлен в контактной теплоизоляционной камере с образованием кольцевого водосборника с ее внутренней обечайкой, а в днище водосборника укреплены опускные трубы, подключенные к нижнему люку корпуса поверхности нагрева.
Кроме того, указанный технический результат достигается в способе работы водогрейного котла, в котором поддерживают температуру нагрева воды на уровне ее барометрической температуры кипения, причем регулированием расхода топлива разницу между температурой уходящих газов котла и температурой исходной питательной воды поддерживают постоянной на уровне 3°-7°С.
На фиг.1 изображен предлагаемый котел; на фиг.2 - график изменения температур нагреваемой воды и продуктов сгорания при движении в контактной насадке.
Котел содержит поверхность 1 нагрева, установленную на опоре 2, и расположенную над поверхностью 1 нагрева контактную теплоутилизационную камеру 3, причем поверхность 1 нагрева включает соосно размещенную в вертикальном цилиндрическом корпусе 4 водоохлаждаемую топочную камеру 5, в верхней части ограниченную конической крышкой 6 с вваренными в нее по концентрическим окружностям трубками конвективного газотрубного пучка 7, а в нижней - переходящую в водоохлаждаемую зажигательную камеру 8 с установленными в ней радиально навстречу друг другу инжекционными горелками 9 типа «БИГ-1-1». Трубки конвективного газотрубного пучка 7 нижними торцами сообщены с топочной камерой 5, а их верхние торцы расположены на одном уровне, причем в корпусе 4 в зоне конвективного пучка 7 установлена внутренняя перегородка 11, охватывающая трубы пучка 7, и ее верхний край размещен ниже верхних торцов трубок пучка 7. В нижней части корпуса 4 расположен люк 10 для периодической очистки поверхности 1 нагрева и слива шлама, который к тому же является сборником воды из контактной камеры 3. Трубки конвективного газотрубного пучка 7 нижними торцами сообщены с объемом топочной камеры 5, а их верхние торцы расположены на одном уровне и имеют возможность свободного температурного расширения. Верхний край перегородки 11 обеспечивает свободный перелив нагретой воды в кольцевую полость 12, к которой подведен штуцер 13 для вывода нагретой продукционной воды. Над пучком 7 установлен водоотражательный щит 14, препятствующий попаданию в трубки пучка 7 предварительно нагретой воды из контактной камеры 3. Для соединения контактной камеры 3 с поверхностью 1 нагрева на последней предусмотрен фланец 15, который одновременно является трубной решеткой для крепления с внешней стороны корпуса 4 опускных труб 16, служащих для отвода предварительно нагретой воды в контактной камере 3 в водяной объем люка 10. Снаружи поверхность 1 нагрева закрыта теплоизолирующим кожухом 17, который к тому же служит декоративным элементом конструкции.
Опора 2 состоит из конической опорной стенки 18 со штуцером 19 для подачи дутьевого воздуха и двух плит, нижняя 20 из которых (глухая) - для герметичности всей конструкции по воздуху, а верхняя 21 имеет центральное отверстие, к кромкам которого приварена нижняя часть корпуса 4, охватывающая зажигательную камеру 8.
в
г
Верхняя часть котла - контактная теплоутилизационная камера 3 - крепится к поверхности 1 нагрева при помощи фланца 22 и состоит из приваренных к нему наружной 23 и внутренней 24 обечаек и крышки 25. Во внутренней обечайке 24 непосредственно над водоотражательным щитом 14 размещена контактная насадка 26 (например, кольца Рашига), над которой установлено водораспределительное устройство 27, выполненное в виде решетки из перфорированных труб со штуцером 28 для подвода питательной воды к котлу. Контактная камера 3 снабжена люком 29 для загрузки контактной насадки 26, разгрузочным люком 30 и штуцером 31 отвода уходящих газов. Кольцевой водосборник 32, образованный между внутренней обечайкой 24 контактной камеры 3 и корпусом 4 поверхности 1 нагрева, служит сборником предварительно нагретой воды, поступающей из контактной насадки 26. На входе в штуцер 28 установлен регулятор температуры t' исходной питательной воды (на фиг.1 не показан), а на штуцере 31 установлен датчик для замера температуры t'' уходящих газов (на фиг.1 не показан).
Работа котла происходит по следующей схеме.
Природный газ через горелки 9 поступает в водоохлаждаемую зажигательную камеру 8, инжектируя необходимое количество воздуха из воздушного пространства опоры 2, в которую дутьевой воздух подается через штуцер 19. Далее продукты сгорания поступают в топочную камеру 5 и затем в трубки конвективного пучка 7. Питательная вода через штуцер 28 направляется в водораспределительное устройство 27 для подачи на поверхность контактной насадки 26. Стекая вниз в противотоке с охлажденными в поверхности 1 нагрева продуктами сгорания, исходная питательная вода нагревается до температуры «мокрого термометра» и, отражаясь от щита 14, направляется в кольцевой водосборник 32, откуда по опускным трубам 16 отводится для окончательного нагрева в нижний водяной объем люка 10 корпуса 4. Далее вода, поднимаясь вверх, нагревается до барометрической температуры кипения (~100°С) от стенок топочной камеры 5 и трубок конвективного пучка 7. Некоторый запас поверхности 1 нагрева обеспечивает не только заданную температуру нагрева воды, но и некоторое подпаривание, что необходимо для полной ее деаэрации. Нагретая продукционная вода переливается через перегородку 11 в кольцевую полость 12 и выводится из котла через штуцер 13. Охлажденные в котле продукты сгорания топлива (уходящие газы) удаляются через штуцер 31.
Особенность конструкции котла - герметичная опора 2, которая является по существу воздушным ресивером для управляемой в зависимости от потребления природного газа подачи воздуха на горение. Инжекционные горелки среднего давления «БИГ-1-1» применяются для подачи в топочное пространство подготовленной для сжигания газовоздушной смеси в агрегатах, работающих под разрежением. При этом аэродинамическое сопротивление собственно горелочного устройства при проходе природного газа и инжектируемого им воздуха преодолевается за счет давления газа. Аэродинамическое сопротивление непосредственно котла компенсируется либо самотягой (когда это возможно), либо дымососом, установленным за последним по тракту газоходом.
Котел может работать как с наддувом, так и под разрежением газового тракта. В последнем случае опора 2 может быть упрощена и негерметична. Возможно также использование на котле других горелочных устройств, в т.ч. и на боковой поверхности топочной камеры 5 или с направлением струи газовоздушной смеси вверх - в нижней части зажигательной камеры 8.
При работе котла под наддувом весь газовоздушный тракт преодолевается за счет напора дутьевого воздуха. Вследствие достаточно высокой температуры уходящих газов их плотность намного ниже, чем плотность холодного воздуха, а объем - больше. В результате на вытяжку уходящих газов дымососом требуется затратить больше энергии, чем при принудительной подаче холодного дутьевого воздуха вентилятором.
В случае установки инжекционных горелок «БИГ-1-1» при работе под наддувом достигается, с одной стороны, практически полная компенсация аэродинамических потерь горелками при дозированном, заранее принятом соотношении «топливо-воздух», а с другой - обеспечивается присущее работе под наддувом качество - снижение энергетических затрат на преодоление аэродинамического сопротивления тракта.
Как указывалось выше, нагрев воды в котле производится в две стадии: вначале - до достижения температуры «мокрого термометра» на поверхности контактной насадки 26 охлажденными в поверхности 1 нагрева продуктами сгорания и затем - до барометрической температуры кипения через греющие поверхности топочной камеры 5 и конвективного пучка 7. При этом и контактная насадка 26, и поверхность 1 нагрева должны иметь некоторый запас теплопроизводительности с тем, чтобы на всех режимах работы котла обеспечить заданную температуру воды (барометрическую температуру кипения).
На первой стадии процессов, происходящих при тепломассообмене, в нижней части насадки 26 продукты сгорания из поверхности 1 нагрева, соприкасаясь с водой, уже нагретой до температуры «мокрого термометра», практически все свое тепло расходуют на испарение воды. При этом температура воды не повышается, а температура газов снижается до температуры «мокрого термометра» с повышением их влагосодержания до величины, соответствующей давлению насыщенных водяных паров при этой температуре. При дальнейшем контакте газы, соприкасаясь с более холодным потоком воды, охлаждаются, а испаренная на первой стадии влага конденсируется из газов и свое тепло конденсации и массу передает нагреваемой воде. При достаточно развитой поверхности контактной насадки 26 температура охлажденных газов существенно приближается к температуре исходной питательной воды, и температурный напор, т.е. разница температур уходящих охлажденных газов и исходной питательной воды, стремится к нулю. Практически эта разница для правильно подобранной контактной насадки составляет 1°-3°С. Превышение этого интервала свидетельствует о том, что либо поверхность насадки 26 недостаточна, либо количество вносимого газами тепла превышает по балансу требуемое для нагрева воды.
На фиг.2 графически изображено изменение температур нагреваемой воды и продуктов сгорания при движении в контактной насадке 26.
На графике обозначено:
г
t' - начальная температура греющих газов на выходе из поверхности нагрева;
г
t'' - температура уходящих газов после контакта с водой;
в
t' - начальная температура исходной питательной воды;
в
м
t'' (t) - конечная температура нагреваемой воды в контактной насадке (температура «мокрого термометра»).
Пример осуществления способа
в
г
Температура исходной питательной воды t'=40°С. В соответствии с изобретением регулированием расхода топлива (природного газа) поддерживают разницу между температурой уходящих газов котла и температурой исходной воды Δt=5°С, и соответственно температура уходящих газов устанавливается на уровне t''=45°С, а температура нагретой в котле воды будет равна барометрической температуре кипения. Таким образом, только правильно выбранные поверхности 1 нагрева и контактной насадки 26 при соблюдении расхода топлива в соответствии с тепловым балансом могут обеспечить нагрев воды в котле до барометрической температуры кипения и разницу температур уходящих газов и исходной питательной воды в интервале 1°-3°С. Следовательно, задавая разницу температур несколько выше указанной (на практике от 3° до 7°С) и допуская незначительное увеличение тепла уходящих газов, гарантируются заданные параметры нагрева воды, а «лишнее» тепло уходящих газов не теряется, а утилизируется вне котла.