Прямоточный паровой котел

Полезная модель относится к котлостроению и может быть использована в теплоэнергетике, на различных промышленных и сельскохозяйственных предприятиях, а также на предприятиях жилищно-коммунального хозяйства, где требуется насыщенный пар.
Из предыдущего уровня техники известен теплогенератор, содержащий корпус с размещенными в нем камерами парообразования, сгорания и подогрева воды, образованными стенками, выполненный каплевидной формы и многослойным с размещением между слоями, образующими силовую конструкцию корпуса, охладителя, горелку с системой подвода топлива и воздуха и патрубок для отвода отходящих газов из камеры сгорания (см. авторское свидетельство СССР на изобретение "Теплогенератор Ломанова", №1793144, МПК F22B 1/18, F22B 27/16, опубл. 07.02.93).
Недостатком известного теплогенератора является отсутствие экономайзера и теплообменников в активной зоне, что снижает его производительность и энергосъем пара с единицы объема.
Из патента RU №2117877, МПК F24H 1/10, опубл. 20.08.1998 известен также газовый отопительный модуль, состоящий из металлического сосуда для нагреваемой воды, системы подвода газа и воздуха, автоматизированного газогорелочного блока, расширительного бака и бака подпитки, теплогенерирующего элемента, дымохода и вспомогательных устройств. Теплогенерирующий элемент выполнен в виде U-образного короба из последовательно расположенных прямого и обратного ходов прямоугольной формы, соединенных поворотным коленом.
Недостатками известного отопительного модуля являются:
- все части теплогенерирующего элемента находятся в общем водяном объеме, поэтому невозможно выявить какая часть объема нагреваемой воды находится в активной и конвективной частях нагревателя;
- для утилизации тепла уходящих дымовых газов требуется изготовление дополнительного теплообменника;
- для подпитки котла требуется изготовление внешнего расширительного бака, устанавливаемого над корпусом котла, что увеличивает габариты котла;
- конструкция корпуса котла не позволяет использовать его для деаэрации питательной воды, для чего требуется изготовление дополнительного деаэратора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является прямоточный паровой котел, содержащий корпус с размещенной в нем камерой сгорания, стенки которых выполнены с образованием полости, предназначенной для заполнения питательной водой, установленную в торце корпуса горелку, теплообменник, систему подачи воды и дымовую трубу (см. патент РФ №2250412, МПК F22B 33/18, F22B 27/08, F28D 7/02, опубл. 20.04.2005).
Недостатками известного прямоточного парового котла являются:
- корпус котла, содержащий полость для заполнения водой, находится в активной зоне топки котла и не может служить экономайзером для утилизации тепла уходящих дымовых газов;
- корпус котла находится под избыточным давлением, равном гидравлическому сопротивлению всего котельного тракта и подвергается воздействию высоких температур пламени в топке котла, что вызывает повышенные требования к материалу корпуса котла;
- для утилизации тепла уходящих дымовых газов требуется изготовление дополнительного теплообменника и размещать его в дымовой трубе;
- конструкция корпуса кола не позволяет использовать его для деаэрации питательной воды, для чего требуется изготовление дополнительного деаэратора.
Задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание многофункционального прямоточного парового котла, обеспечивающего утилизацию тепла уходящих дымовых газов, докотловую подготовку воды, удаление шлама и поддержание заданного уровня воды в корпусе.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели, решается тем, что прямоточный паровой котел, содержащий корпус с размещенной в нем камерой сгорания, стенки которого выполнены с образованием полости, предназначенной для заполнения питательной водой, горелку, установленную в одном из торцов корпуса, теплообменник, систему подачи воды и дымовую трубу, снабжен излучателями ультразвуковых колебаний, закрепленными на наружной поверхности корпуса и трубопроводах теплообменника, в нижней части корпуса размещен шламосборник, причем вход теплообменника соединен контуром питательной воды с полостью корпуса, предназначенной для заполнения питательной водой, а теплообменник образован трубопроводом в форме горизонтальных цилиндрических наружного и внутреннего змеевиков, при этом витки змеевиков, соединены между собой посредством сварных соединений.
Кроме того, соединение конечного витка наружного змеевика с начальным витком внутреннего змеевика теплообменника выведено наружу через полость корпуса по проходным футлярам, при этом на соединительном звене установлены датчик температуры и датчик давления, входная и выходная трубы теплообменника также выведены наружу через полость корпуса по проходным футлярам.
Кроме того, система подачи воды включает контур подачи воды из внешнего источника в полость корпуса, предназначенную для заполнения питательной водой, и контур питательной воды из полости корпуса, предназначенной для заполнения питательной водой, в теплообменник, при этом контур подачи воды из внешнего источника соединен с патрубком подпитки корпуса водой и содержит последовательно соединенные датчик температуры, подпиточный насос, обратный клапан и датчик потока воды, а контур питательной воды из полости корпуса, предназначенной для заполнения питательной водой, в теплообменник содержит последовательно соединенные датчик температуры, счетчик расхода воды, нагнетательный насос, обратный клапан и датчик давления.
Кроме того, в верхней части корпуса установлены датчики уровня воды, подключенные через блок управления подпиточным насосом к системе подачи воды.
Кроме того, часть дымовой трубы размещена в полости корпуса, предназначенной для заполнения питательной водой.
Кроме того, шламосборник выполнен в виде наклонного желоба.
Кроме того, другой торец корпуса выполнен в виде стенки, содержащей лазовый люк и спиральную полость, переходящую в камеру сепарирования пара, при этом спиральная полость соединена с выходом теплообменника, а камера сепарирования пара соединена с выходным патрубком пара и полостью корпуса, предназначенной для заполнения питательной водой.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью существенных признаков, заключается в обеспечении компактности и простоты заявленного решения за счет совмещения котлом функций экономайзера, деаэратора, шламосборника, расширительного бака, сообщенного с атмосферой и бака-аккумулятора с запасом воды, достаточным для безопасной остановки парового котла в аварийных ситуациях.
Использование излучателей ультразвуковых колебаний, закрепленных на наружной поверхности корпуса и трубопроводах теплообменника, и выполнение шламосборника в виде наклонного желоба, обеспечивают удаление растворенных в воде газов, послойно разрушать образовавшуюся накипь, предотвращать ее новое образование и удалять под действием ультразвука по наклонному желобу. Под воздействием ультразвуковых колебаний в толще воды происходит кристаллизация растворенных солей и укрупнение частиц, которые оседают в шламосборнике. Также под воздействием ультразвука растворенные газы образуют микропузырьки, которые прилипают к кристаллам солей и при достижении подъемной силы больше веса частицы комплекс поднимется на поверхность воды, газы улетучиваются в атмосферу, а частицы осаждаются вниз. В результате происходит докотловая подготовка воды в водоохлаждаемом корпусе. Производственные испытания подтвердили, что без накипная работа котла при использовании ультразвука и водоохлаждаемого корпуса обеспечивается при сухом остатке питательной воды до 700 мг/л.
Выполнение конструкции корпуса котла водоохлаждаемой за счет полости, предназначенной для заполнения питательной водой, в совокупности с размещенной в ней дымовой трубой, позволяет использовать его в качестве экономайзера, что дает возможность сделать прямоточный паровой котел компактным.
Установка датчиков уровня в верхней части корпусе позволяет поддерживать заданный уровень воды в корпусе котла, что обеспечивает его стабильную работу.
Перечисленные признаки являются существенными и взаимосвязанными между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков достаточной для получения указанного технического результата.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами, из которых полезная модель явным образом не следует для специалиста в области теплоэнергетики, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности промышленного изготовления прямоточного парового котла, можно сделать вывод о его соответствии критериям патентоспособности: «новизна» и «промышленная применимость».
Предпочтительный вариант исполнения предлагаемого технического решения описывается далее на основе представленных чертежей, где на:
- фиг. 1 изображен общий вид прямоточного парового котла;
- на фиг. 2 - то же, разрез А-А на фиг. 1;
- на фиг. 3 представлена схема внешних соединений прямоточного парового котла;
- на фиг. 4 изображен разрез В-В на фиг. 1;
- на фиг. 5 изображен разрез по С-С на фиг. 1;
- на фиг. 6 изображен вид D;
- на фиг. 7 показано сварное соединение витков теплообменника.
В графическом материале соответствующие конструктивные элементы прямоточного парового котла обозначены следующими позициями:
1. - торцовая стенка корпуса;
2. - камера сгорания;
3. - наружная стенка корпуса;
4. - стенка камеры сгорания;
5. - полость для заполнения питательной водой;
6. - соединительное звено змеевиков теплообменника;
7. - горелка;
8. - излучатель ультразвуковых колебаний;
9. - дымовая труба;
10. - датчик уровня воды;
11. - топочный патрубок;
12. - дыхательный патрубок;
13. - патрубок подпитки корпуса водой;
14. - патрубок дренажа шлама из шламосборника;
15. - камера сепарирования пара;
16. - наружный змеевик теплообменника;
17. - внутренний змеевик теплообменника;
18. - нагнетательный насос для подачи воды на вход теплообменника;
19. - подпиточный насос;
20. - датчик температуры ТЕ 1;
21. - обратный клапан;
22. - датчик потока воды (ДП);
23. - трубопровод;
24. - шламосборник;
25. - патрубок отвода воды из корпуса;
26. - визуальный указатель уровня воды;
27. - блок управления подпиточным насосом (БУН);
28. - спиральная полость;
29. - лазовый люк;
30. - конденсатоотводчик;
31. - кран автоматической продувки камеры;
32. - кран продувки спиральной полости;
33. - трубопровод;
34. - проходной футляр;
35. - кран продувки камеры сепарирования пара;
36. - кран;
37. - кран;
38. - кран продувки змеевиков.
Условные обозначения на фиг. 1 и фиг. 3:
→ - движение ультразвука по поверхности корпуса;
- удаление растворенного газа из толщи воды;
- удаление шлама из толщи воды;
Q - счетчик расхода воды (расходомер);
- датчики температуры;
- датчики давления.
Прямоточный паровой котел содержит корпус с полостью 5, предназначенной для заполнения питательной водой (далее - полость 5), ограниченной торцовыми стенками 1, наружными боковыми стенками 3 корпуса и внутренними стенками 4 камеры сгорания 2, внутри которой размещен теплообменник, образованный трубопроводом в форме горизонтальных цилиндрических наружного 16 и внутреннего 17 змеевиков, при этом для передачи ультразвуковых колебаний по змеевикам витки последних, соединены между собой посредством сварных соединений (см. фиг. 7). Вход теплообменника соединен контуром питательной воды с полостью 5 корпуса котла. Полость 5 корпуса может работать или под вакуумом, или под атмосферным давлением, или под избыточным давлением в зависимости от технических требований. В данном варианте исполнения прямоточного парового котла рассматривается работа полости 5 корпуса котла под атмосферным давлением. Внутренний змеевик 17 образует топочную поверхность котла 2, а наружный змеевик 16 - конвективную часть котла, причем конечный виток наружного змеевика 16 соединен с начальным витком внутреннего змеевика 17 соединительным звеном 6, при этом на соединительном звене 6 установлены датчик температуры ТЕЗ, и датчик давления РЕ2 (см. фиг. 6). Для вывода труб змеевиков в корпусе котла и задней стенке имеются проходные футляры 34. На выходных трубах змеевиков 16 и 17, на корпусе котла (топочном патрубке 7) и задней его стенке установлены излучатели ультразвуковых колебаний 8. В качестве примера источника ультразвуковых колебаний рассматривается ультразвуковая установки «ВОЛНА-2М», производства НПО «Агроприбор» г. Пенза. Излучатель ультразвуковых колебаний состоит из пакета пластин магнитострикционного материала (никелевого сплава) и стальной волноводной системы. Пакет пластин с обмоткой припаян к волноводу. Ударный импульс тока, подаваемый от генератора импульсов, возбуждает магнитострикционный преобразователь, механическая система которой колеблется на собственной частоте 18-22 кГц и амплитудой 3±0,5 мкм.
На торцевых стенках корпуса установлены патрубок 13 для подпитки корпуса водой и патрубок 25 для отвода воды из корпуса. На одном из торцов (передней торцевой стенке 1) корпуса установлен топочный патрубок 7, на котором крепится блочная автоматизированная горелка, работающая на газовом или жидком видах топлива. Другой торец корпуса выполнен в виде стенки, содержащей лазовый люк 29 и спиральную полость 28 (см. фиг. 4), переходящую в камеру 15 сепарирования пара (см. фиг. 5), при этом спиральная полость 28 соединена с выходом теплообменника, а камера 15 сепарирования пара соединена с выходным патрубком пара и полостью 5 корпуса.
Наружные стенка корпуса теплоизолированы для предотвращения ожога персонала. В потолочной части корпуса установлены дымовая труба 9 и дыхательный патрубок 12. Часть дымовой трубы 9 размещена в полости 5 корпуса, для дополнительного съема тепла из уходящих дымовых газов. В нижней части водонаполненного корпуса имеется шламосборник 24 в виде наклонного желоба, соединенного с патрубком 14 для удаления шлама.
В верхней части передней торцевой стенки 1 установлены датчики 10 уровня воды, подключенные через блок управления подпиточным насосом 19 (БУН) к системе подачи воды (см. фиг. 3). Правильность работы датчиков уровня 10 воды контролируется визуальным указателем 26 уровня воды. Система подачи воды включает контур подачи воды из внешнего источника в полость 5 корпуса и контур питательной воды из полости 5 корпуса в теплообменник, при этом контур подачи воды из внешнего источника соединен с патрубком 13 подпитки корпуса водой и содержит последовательно соединенные датчик 20 температуры (ТЕ1), подпиточный насос 19, обратный клапан 21 и датчик 22 потока воды, а контур питательной воды из полости 5 корпуса в теплообменник содержит последовательно соединенные датчик температуры ТЕ2, счетчик расхода воды Q, нагнетательный насос 18 для подачи воды на вход теплообменника, обратный клапан 21 и датчик давления РЕ1.
Для продувки элементов прямоточного парового котла установлены краны: 31 - автоматическая продувка камеры 15 сепарирования пара через конденсатоотводчик 30; 32 - продувка спиральной полости 28; 36 - продувка камеры 15 сепарирования пара; 35 - продувка шламосборника 24; 38 - продувка змеевиков 16 и 17.
Прямоточный паровой котел работает следующим образом.
Перед пуском прямоточного парового котла в работу через патрубок 13 от внешнего источника закачивается вода подпиточным насосом 19 в полость 5 корпуса до верхнего уровня, контролируемого датчиком верхнего рабочего уровня ВРУ, по сигналу этого датчика блок управления подпиточным насосом БУН отключает подпиточный насос 19.
Вода из корпуса нагнетательным насосом 18 через патрубок 25 подается последовательно в трубы наружного 16 и внутреннего 17 змеевиков, по трубопроводу 23 пароводяная смесь поступает на вход спиральной полости 28, далее в камеру сепарации пара и через кран 37 по трубопроводу 33 в полость 5 корпуса котла. По данному контуру вода и пароводяная смесь циркулирует до достижения параметров пароводяной смеси до заданных значений.
При заполнении теплообменника водой уровень воды в корпусе котла будет понижаться. Когда уровень воды в корпусе котла достигнет положения, контролируемого датчиком нижнего рабочего уровня НРУ, подается сигнал на блок управления подпиточным насосом БУН, который включает подпиточный насос 19. При достижении верхнего рабочего уровня подпиточный насос отключается. Таким образом, осуществляется автоматическая подпитка водой корпуса котла.
После этого включается в работу горелка.
В топочной камере лучистая энергия пламени через стенки труб внутреннего змеевика 17 нагревает циркулирующую в них воду, превращая ее в пароводяную смесь. Частично остывшие дымовые газы поступают в кольцевое пространство между наружным и внутренним змеевиками, передавая часть тепла воде через стенки конвективной поверхности змеевика 16, затем дымовые газы поступают во второе кольцевое пространство, образуемое наружной поверхностью наружного змеевика 16 и стенкой топочной камеры 4. Остаточным теплом дымовых газов через стенку топочной камеры 4 нагревается вода до 80°С, находящаяся в полости 5 корпуса котла. В конце второго кольцевого пространства дымовые газы направляются в дымовую трубу. Через стенку части дымовой трубы, омываемой водяным объемом корпуса, еще часть тепла этих газов идет на нагрев воды. Когда пароводяная смесь достигнет заданной температуры, контролируемой датчиком температуры ТЕ4 (например, 140-150°С), открывается кран 31 и вода из камеры 15 сепарирования пара удаляется конденсатоотводчиком 30 в дренаж, кран 37 закрывается и пар подается потребителю.
При нагреве воды в полости 5 корпуса котла от 60°С до 80°С под воздействием ультразвуковых колебаний происходит осаждение шлама из толщи воды в шламосборник 24 и удаление части растворенных газов в атмосферу. Под воздействием ультразвуковых колебаний предотвращается кислородная коррозия и отложение шлама на стенках корпуса котла, теплообменника, стенок спиральной полости 28 и камеры 15 сепарирования пара.
Прямоточный паровой котел имеет автоматическую аварийную защиту по следующим параметрам:
- отсутствие воды от внешнего источника, контролируемого датчиком 22 потока воды (ДП);
- понижение уровня воды в полости 5 корпуса котла до датчика нижнего аварийного уровня НАУ;
- повышение температуры воды в полости 5 корпуса котла до 90°С, контролируемого датчиком температуры ТЕ2;
ннз
- повышение давления воды перед наружным змеевиком 16 до Р+0,4 МПа, контролируемого датчиком давления РЕ1;
нсз
- повышение температуры пароводяной смеси в соединительном звене до t+10°С, контролируемого датчиком температуры ТЕ3;
нт
- понижение расхода воды через теплообменник до 0,2Q, контролируемого расходомером Q;
нкп
- повышение температуры пара на выходном коллекторе до t+10°С, контролируемого датчиком температуры ТЕ6;
ннз
ннз
- повышение перепада давления на наружном змеевике до ΔР+0,4 МПа, контролируемого датчиками давления РЕ1 и РЕ2, ΔР=РЕ1-РЕ2;
нвз+
нвз
- повышение перепада давления на внутреннем змеевике до ΔР0,4 МПа, контролируемого датчиками давления РЕ2 и РЕ3, ΔР=РЕ2-РЕ3.
ннз
нсз
нт
нкп,
нвз
нвз
Параметры Р, t, Q, t ΔР, ΔР фиксируются при работе парового котла с номинальными параметрами.
Если при включении подпиточного насоса 19 не будет потока воды в нагнетательном трубопроводе, то с датчика потока воды ДП подается сигнал об отсутствии воды на блок управления подпиточным насосом БУН. С блока управления насосом отключается подпиточный насос 19 и подается сигнал аварии об отсутствии воды от внешнего источника. Имеющийся запас воды в корпусе котла позволит остановить паровой котел без отрицательных последствий.
н
Температура дымовых газов в дымовой трубе контролируется датчиком температуры ТЕ5. При достижении температуры дымовых газов Т+100°С подается предупредительный сигнал обслуживающему персоналу для принятия мер.
По всем остальным аварийным параметрам осуществляется аварийная остановка парового котла и подается сигнал аварии обслуживающему персоналу для принятия мер.
Таким образом, в приведенном выше конкретном варианте осуществления, конструкция прямоточного парового котла состоит из трех основных частей: водонаполненный корпус котла, теплообменник и задняя стенка, каждая из которых выполняет следующие функции:
1. Водонаполненный корпус котла, который выполняет следующие функции:
- экономайзера для утилизации тепла уходящих дымовых газов;
- устройства для предварительной обработки питательной воды ультразвуковыми колебаниями, позволяющего удалять часть растворенных в воде шлама и газов, предотвращать кислородную коррозию металла корпуса и позволяет применять исходную воду для питания котла с сухим остатком до 700 мг/л и температурой от+4°С до 50°С без применения установок для химической очистки воды;
- шламосборника с возможностью удаления шлама в дренаж;
- расширительного бака, сообщенного с атмосферой;
- бака-аккумулятора с запасом воды, достаточном для безопасной остановки парового котла в аварийных ситуациях;
- контроль температуры воды на входе в корпус и на выходе из корпуса позволяет оценивать утилизацию тепла дымовых газов.
2. Теплообменник, состоящий из наружного и внутреннего змеевиков, осуществляет следующие функции:
- трехходового теплообмена между продуктами горения и рабочей средой в теплообменнике;
- вывод соединительного звена за пределы корпуса котла и установка на нем и на входном и выходном трубах теплообменника датчиков температуры и давления позволяет контролировать режим работы теплообменника.
3. Задняя стенка, состоящая из спиральной полости переходящей в камеру сепарирования пара, осуществляет следующие функции:
- за счет вращения пароводяной смеси в спиральной полости ее стенки охлаждаются и защищают камеру сепарирования пара от прямого воздействия пламени;
- в камере сепарирования пара осуществляется отделение неиспарившихся капель воды от пара и потребителю поступает сухой насыщенный пар;
- наличие лазового люка позволяет осуществлять внутренний осмотр теплообменника, не нарушая технологической обвязки котла;
- совмещение в одном корпусе спиральной полости, камеры сепарирования пара и лазового люка уменьшает габариты котла;
- наличие дренажных труб с кранами позволяет произвести продувку спиральной полости и камеры сепарирования пара в ручном режиме.
Предлагаемая трехзвенная конструкция котла позволяет производить ремонт отдельно каждого звена, что снижает затраты на ремонтные работы.
Несмотря на то, что конкретный вариант осуществления полезной модели был подробно описан и показан на сопроводительных чертежах, следует понимать, что указанный вариант осуществления является лишь иллюстративным и ни в коей мере не ограничивает объем правовой охраны, представленный в формуле полезной модели, при этом специалист в области котлостроения относительно просто способен реализовать и другие пути осуществления полезной модели.
Конструкция прямоточного парового котла проста в изготовлении, не требует разработки нового оборудования и переоснащения существующих производств, а используемые средства широко применяются в котлостроении, что подтверждает возможность практической реализации и достижения технического результата.