ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в котельных агрегатах, преимущественно в автономных и крышных котельных.
Известен водогрейный котел по патенту РФ №2116579, МПК F24Н 1/00. Котел содержит корпус с крышкой и закрепленную в центральной части крышки горелку. В корпусе размещены водяной объем, топочная камера, поворотная камера дымовых газов, образованная крышкой котла и обращенной к крышке торцовой частью водяного объема, дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, и нагревательные элементы. Последние выполнены в виде трубок Фильда. Каждая наружная труба нагревательного элемента помещена с некоторым зазором в дымогарную трубу. Внутренние трубы нагревательного элемента впускными концами непосредственно соединены с подводящим воду трубопроводом, а выпускные концы наружных труб - с водяным коллектором. Полость водяного коллектора трубопроводом соединена с водяным объемом котла, снабженного отводящим патрубком.
Известное устройство позволяет повысить теплосъем за счет достаточно развитой площади обогреваемой поверхности.
К недостаткам котла можно отнести низкую эффективность теплосъема, сложность конструкции и, как следствие, увеличенные массу и габариты котла.
Недостаточная эффективность теплосъема обусловлена следующим.
Во-первых, вода, поступающая по подводящему трубопроводу во внутренние трубы нагревательных элементов, перемещаясь по ним, нагревается от воды, находящейся в кольцевом зазоре между наружной и внутренней трубами, что малоэффективно, так как при этом отсутствует непосредственный нагрев воды теплом дымовых газов. Далее, на выходе из внутренней трубы нагревательного элемента направление движения воды меняется на противоположное, она поступает в канал, образованный кольцевым зазором между трубами нагревательного элемента и, перемещаясь по нему, нагревается от тепла дымовых газов. Однако при данной схеме газопоток и дымовые газы в дымогарной трубе перемещаются в том же направлении, а это снижает эффективность теплопередачи, так как известно, что теплопередача больше при противотоке нагревающей и нагреваемой сред.
Наконец, нагретая вода охлаждается при перемещении из водяного коллектора в водяной объем по трубопроводу, вынесенному за габариты котла.
Сложность устройства обусловлена сложностью конструкции нагревательных элементов, необходимостью установки перегородок для организации полости коллектора дымовых газов, наличием специального трубопровода для перемещения воды из водяного коллектора в водяной объем.
Выполнение нагревательных элементов в виде труб Фильда, наличие указанных перегородок и трубопровода увеличивают массу устройства, а последний - и его габариты, так как размещен за пределами корпуса котла.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является водогрейный котел по патенту РФ №2187763, МПК F24Н 1/00, опубликован 20.08.2002 г.
Известный водогрейный котел содержит корпус с крышкой, закрепленную в центральной части крышки горелку, а также размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру, поворотную камеру дымовых газов и дымогарные трубы. Дымогарные трубы сообщены входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой. Водогрейный котел содержит также водяной коллектор, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена с кольцевым зазором в дымогарную трубу. Впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему воду трубопроводу, а выпускные - к водяному объему котла. В каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами и дымогарными трубами, установлены турбулизаторы газового потока. Поворотная камера дымовых газов образована днищами водяного объема и топочной камеры. Впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, а выпускные - непосредственно к водяному объему. Водяной коллектор образован днищами котла и топочной камеры, а коллектор дымовых газов - крышкой котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема.
Котел в целом обеспечивает высокий теплосъем, упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов котла.
Однако известный котел имеет относительно низкую надежность конструкции и относительно низкий теплосъем с горизонтальных теплообменных поверхностей.
Указанные недостатки обусловлены тем, что поворотная камера дымовых газов при вертикальном положении котла формирует собой застойную зону, находящуюся ниже выходного трубопровода, что способствует постоянному накоплению мелкодисперсных посторонних включений с образованием низкотеплопроводной корки на горизонтальной поверхности поворотной камеры дымовых газов. В процессе эксплуатации котла с определенного момента это приводит к локальному перегреву сварных швов под нарастающей коркой, структурным изменениям в них и уменьшению их прочности. По этой причине через определенный срок эксплуатации котла из-за разных температурных удлинений его корпуса, дымогарных труб и топки при жестко фиксированной связи этих элементов между собой происходит раскрытие (разрушение) сварных швов. Кроме того, из-за застойной зоны и отложения мелкодисперсных включений в процессе нагрева воды мало участвует интенсивно нагреваемая продуктами сгорания кольцевая горизонтальная поверхность поворотной камеры дымовых газов со стороны выходного трубопровода, снижая максимальный теплосъем котла.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности котла и увеличение теплосъема.
Указанный технический результат достигается тем, что водогрейный котел, содержащий корпус с крышкой, в центральной части которой выполнено отверстие для установки горелки, размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру, поворотную камеру дымовых газов и дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена в дымогарную трубу с кольцевым зазором, причем впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, выпускные концы - к водяному объему, а коллектор дымовых газов образован крышкой котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема, согласно полезной модели, снабжен двумя кольцевыми дисками с тангенциальными сопловыми устройствами, установленными над соответствующими горизонтальными поверхностями топочной камеры и поворотной камеры дымовых газов, причем в кольцевом диске, установленном над горизонтальной поверхностью поворотной камеры дымовых газов, выполнены отверстия под дымогарные трубы.
Кроме того, тангенциальные сопловые устройства в дисках расположены двумя кольцевыми концентрическими рядами, а в диске, установленном над горизонтальной поверхностью поворотной камеры дымовых газов, выполнены радиальные направляющие лопатки между отверстиями под дымогарные трубы.
Тангенциальные сопловые устройства могут быть выполнены в виде наклонных трубчатых каналов цилиндрической формы.
Также, тангенциальные сопловые устройства могут быть выполнены в виде наклонных полуцилиндрических углублений в дисках.
Указанная совокупность существенных признаков позволила организовать в котле принудительный смыв и эвакуацию с потоком воды мелкодисперсных посторонних включений с горизонтальных поверхностей котла, обеспечить эффективный теплосъем с них и ликвидировать локальный перегрев сварных швов. При этом возникающее благодаря тангенциальным сопловым устройствам вращение воды в объеме между боковой поверхностью топочной камеры и боковой поверхностью корпуса котла повышает теплосъем с дымогарных труб.
Полезная модель, охарактеризованная указанной выше совокупностью существенных признаков, на дату подачи заявки не известна в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна".
Полезная модель может быть реализована промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствует требованиям критерия "промышленная применимость". Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где:
- на фиг.1 представлен схематичное изображение разреза общего вида котла;
- на фиг.2 изображен кольцевой диск с тангенциальными сопловыми устройствами в виде наклонных трубчатых каналов цилиндрической формы, установленный над горизонтальной поверхностью топочной камеры;
- на фиг.3 - изображен выносной элемент А на фиг.2;
- на фиг.4 изображен кольцевой диск с тангенциальными сопловыми устройствами в виде наклонных трубчатых каналов цилиндрической формы, установленный над поворотной камерой дымовых газов;
- на фиг.5 - изображен выносной элемент Б на фиг.4;
- на фиг.6 изображен кольцевой диск с тангенциальными сопловыми устройствами в виде наклонных полуцилиндрических углублений, установленный над горизонтальной поверхностью топочной камеры;
- на фиг.7 - изображен выносной элемент В на фиг.6;
- на фиг.8 изображен кольцевой диск с тангенциальными сопловыми устройствами в виде наклонных полуцилиндрических углублений, установленный над поворотной камерой дымовых газов;
- на фиг.9 - изображен выносной элемент Г на фиг.6;
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - корпус котла;
2 - крышка;
3 - отверстие для установки горелки;
4 - водяной объем;
5 - топочная камера;
6 - поворотная камера дымовых газов;
7 - дымогарные трубы;
8 - коллектор дымовых газов;
9 - водяной коллектор;
10 - нагревательные элементы в виде труб;
11 - подводящий трубопровод;
12 - кольцевой диск, установленный над горизонтальной поверхностью топочной камеры;
13 - кольцевой диск, установленный над горизонтальной поверхностью поворотной камеры дымовых газов;
14 - тангенциальные сопловые устройства кольцевых дисков;
15 - отверстия в кольцевом диске 13 под дымогарные трубы;
16 - радиальные направляющие лопатки;
17 - отводящий трубопровод.
Водогрейный котел содержит корпус 1 с крышкой 2. В центральной части крышки 2 выполнено отверстие 3 для установки горелки. Горелка на фиг.1 условно показана тонкими линиями. В корпусе 1 размещены водяной объем 4, топочная камера 5, поворотная камера 6 дымовых газов и дымогарные трубы 7. Дымогарные трубы 7 сообщены входными участками с поворотной камерой 6 дымовых газов, а выходными - с коллектором 8 дымовых газов, связанным с дымовой трубой (на чертеже не показана). Котел содержит водяной коллектор 9, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы 10 в виде труб, каждая из которых помещена в дымогарную трубу 7 с кольцевым зазором. Впускные концы нагревательных элементов 10 подключены к подводящему трубопроводу 11 через водяной коллектор 9, выпускные концы - к водяному объему 4. Котел снабжен двумя кольцевыми дисками с тангенциальными сопловыми устройствами, установленными над соответствующими горизонтальными поверхностями топочной камеры 5 - диск 12, и поворотной камеры 6 дымовых газов - диск 13. Тангенциальные сопловые устройства 14 в дисках 12 и 13 расположены двумя кольцевыми концентрическими рядами. В диске 13 над поворотной камерой дымовых газов выполнены отверстия 15 под дымогарные трубы и радиальные направляющие лопатки 16 между упомянутыми отверстиями.
Тангенциальные сопловые устройства 14 могут быть выполнены в виде наклонных трубчатых каналов цилиндрической формы (фиг.2 - фиг.5). Вариант не требует дорогостоящего штампового оборудования, но трудоемок. Предпочтителен при мелкосерийном производстве.
Также, тангенциальные сопловые устройства могут быть выполнены в виде наклонных полуцилиндрических углублений в дисках (фиг.6 - фиг.9). Вариант не трудоемок, но требует применения штампового оборудования. Предпочтителен при стабильном выпуске котлов большими партиями.
Водогрейный котел работает следующим образом.
После заполнения водяной системы котла зажигают газовую горелку.
Нагреваемая вода по подводящему трубопроводу 11 подается в водяной коллектор 9, сообщенный с впускными концами нагревательных элементов 10, нагревается в них и поступает непосредственно в водяной объем 4, перекрытый на входе кольцевым диском 12 с тангенциальными сопловыми устройствами 14, в которых вода ускоряется до ~1 м/с и принимает тангенциальное направление, смывая посторонние включения с горизонтальной торцевой поверхности топочной камеры 5 и обеспечивая поперечное обтекание дымогарных труб 7, увеличивая с них теплосъем. Пройдя водяной объем между боковой поверхностью топочной камеры 5 и боковой поверхностью корпуса 1 котла, нагреваемая от стен топочной камеры 5 и дымогарных труб 7 вода проходит через кольцевой диск 13 с тангенциальными сопловыми устройствами 14 и радиальными направляющими лопатками 16, в которых она вновь ускоряется до ~1 м/с в тангенциальном и радиальных направлениях, смывая посторонние включения с кольцевой горизонтальной поверхности поворотной камеры 6 дымовых газов и увеличивая с нее теплосъем, благодаря чему ликвидируется локальный перегрев сварных швов конструкции в данной области поворотной камеры 6 дымовых газов, после чего нагретая до рабочей температуры вода вместе с посторонними мелкодисперсными включениями выходит из котла через отводящий трубопровод 17.
В настоящее время заявителем изготовлен опытный образец заявляемого водогрейного котла. Предварительные испытания показали его высокую эффективность.