Защитная конструкция для труб котельных агрегатов

Полезная модель относится к области котлостроения, в частности к оборудованию паровых и водогрейных котлов и котлов-утилизаторов, и предназначена для защиты труб котельных агрегатов от абразивного износа.
Известна защитная конструкция для водяных труб котлов-утилизаторов, защищающая водяные трубы от прямого контакта с перегретыми агрессивными топочными газами, в том числе абразивного износа, содержащая накладки, выполненные в виде наборов щитков, изготовленных из жаростойкого материала с хорошей теплопроводностью, например из карбида кремния, подвешенных на крепежные элементы в виде крючьев, прикрепленные посредством сварки к поперечным ребрам, соединяющим трубы в ряд. Между щитками и водяными трубами предусмотрены зазоры, заполняемые известью. Наружная поверхность накладок, обращенная внутрь топки котла утилизатора, выполнена повторяющей форму защищаемых труб с ребрами, то есть цилиндрическую форму над водяными трубами и плоскую форму над поперечными ребрами (патент US 6412548).
Вышеописанная конструкция не обладает эффективной передачей тепла от перегретых топочных газов к внутритрубному теплоносителю вследствие недостаточно развитой наружной теплообменной поверхности щитков, которая для рассмотренной конструкции не превышает наружную теплообменную поверхность труб и поперечных ребер со стороны топочных газов.
Известна защитная конструкция для труб газохода котельного агрегата, содержащая основные накладки, защищающие трубы первого ряда поверхностей нагрева от абразивного износа, представленных рядами труб, и крепежные элементы, выполненные в виде вспомогательных накладок. Основные накладки установлены на лобовой стороне труб с тепловыми зазорами посредством сварки крепежными элементами, в свою очередь прикрепленными посредством сварки к трубам с тыльной стороны. К одной из основных накладок внахлест, перекрывая тепловые зазоры, прикреплены накладки дополнительные также посредством сварки. Наружная поверхность основных накладок, обращенная внутрь газохода котельного агрегата, исполнена цилиндрической, повторяющей форму защищаемой трубы. Накладки выполнены из металла (полезная модель RU 79641, U1 F22B 37/20 (2006.01)).
Вышеописанная конструкция также не обладает эффективной теплопередачей от топочных газов к внутритрубному теплоносителю, поскольку имеет недостаточно развитую наружную теплообменную поверхность накладок, которая для рассмотренной конструкции практически не превышает наружной лобовой поверхности труб.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является защитная конструкция для труб котельных агрегатов, содержащая накладки, защищающие одну и более рядом расположенных труб от абразивного износа, выполненные из жаростойкого износостойкого материала с высокой теплопроводностью, а именно из высокохромистого чугуна, и крепежные элементы, удерживающие накладки на трубах. Наружная поверхность накладок, обращенная внутрь топки или газохода котельного агрегата, выполнена плоской. Крепежные элементы выполнены в виде шпилек, прикрепленных посредством сварки с одной стороны к наружной поверхности накладок, а с другой - к поверхности труб (Сидоров A.M. Источники тепла: опыт внедрения котлов малой мощности с топками форсированного низкотемпературного кипящего слоя / A.M. Сидоров, А.А. Скрябин, А.И. Медведев, Ф.В. Щербаков // Новости теплоснабжения - 2009. - №1(101) – С. 22-23, рис. 4).
Основным недостатком указанной защитной конструкции является низкая эффективность теплопередачи от псевдоожиженного (кипящего) слоя и топочных газов к внутритрубному теплоносителю вследствие недостаточно развитой наружной теплообменной поверхности накладок, которая для рассмотренной конструкции составляет величину меньше лобовой поверхности защищаемых труб.
Предлагаемой полезной моделью решается задача повышения эффективности теплопередачи через накладки от кипящего слоя и топочных газов к трубам котельных агрегатов при сохранении надежной защиты труб от абразивного износа.
Поставленная задача достигается тем, что в защитной конструкции для труб котельных агрегатов, содержащей накладки, защищающие одну и более рядом расположенных труб, выполненные из жаростойкого износостойкого материала с высокой теплопроводностью, и крепежные элементы, удерживающие накладки на трубах, согласно полезной модели наружная поверхность накладок, обращенная внутрь топки котельного агрегата, выполнена развитой конфигурации, а именно трапециевидной.
Повышение теплопередачи при сохранении защиты труб от абразивного износа достигается значительным увеличением наружной теплообменной поверхности накладок, обращенной внутрь топки, вследствие ее выполнения не плоской, а трапециевидной. Так теплообменная поверхность накладок составляет больше 130% относительно лобовой поверхности защищаемых труб.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично изображена предлагаемая защитная конструкция для труб котельных агрегатов, снабженная накладкой с наружной поверхностью трапециевидной конфигурации, защищающей одну трубу, и крепежный элемент в виде шпильки, жестко соединенный с накладкой и трубой; на фиг. 2 - та же конструкция, снабженная накладками с наружной поверхностью трапециевидной конфигурации, защищающими рядом расположенные трубы, и крепежный элемент в виде шпильки, жестко соединенный с накладками и ребрами, объединяющими трубы.
Защитная конструкция для труб котельных агрегатов содержит накладки 1, защищающие одну и более рядом расположенных труб, выполненные из жаростойкого износостойкого материала с высокой теплопроводностью, например из высокохромистого чугуна, и крепежные элементы.
Наружная поверхность накладок 1, обращенная внутрь топки, выполнена развитой конфигурации, а именно трапециевидной, за счет чего обеспечивается увеличение их теплообменной поверхности и, следовательно, увеличение эффективности теплопередачи от кипящего слоя и топочных газов к трубам.
Крепежные элементы выполнены в виде шпилек 2, изготовленных из термостойкой стали и прикрепленных концами посредством сварки к трубе 3 (фиг. 1) при защите одной трубы и к одной из накладок 1 или прикрепленных своими концами посредством сварки к ребрам 4, объединяющим трубы (фиг. 2), при защите рядом расположенных труб и к накладкам 1. Таким образом, крепежные элементы предназначены для удержания накладок 1 на трубах 3 и обеспечения их плотного прилегания к последним.
Защитная конструкция работает следующим образом. Движущиеся раскаленные твердые частицы кипящего слоя контактируют с накладками 1, закрепленными крепежными элементами на теплоотводящих трубах 3. При этом через наружную поверхность накладок 1, обращенную в топку устройства кипящего слоя, происходит перенос тепла от кипящего слоя и газов к внутритрубному теплоносителю. Одновременно указанная поверхность подвергается абразивному износу инерционными твердыми частицами, присутствующими в кипящем слое. Накладки 1, выполняя свою функцию по защите труб 2 от абразивного износа, вместе с тем создают дополнительное термическое сопротивление теплопереносу, снижая его эффективность. Согласно полезной модели в соответствии с уравнением теплопередачи (Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - М.: Энергия. - С 191, 192), развитие наружной поверхности накладок приводит к повышению эффективности теплопереноса. Действительно, в уравнении теплопередачи:
2
где: k, Вт/(мК) - коэффициент теплопередачи;
1
2
R, (мК)/Вт - термическое сопротивление теплоотдачи с внутренней поверхности трубы;
2
, Вт/(мК) - коэффициент теплоотдачи на внутренней поверхности трубы;
1
2
F, м - поверхность нагрева с внутренней стороны трубы;
2
2
R, (мК)/Вт - термическое сопротивление теплоотдачи с наружной поверхности накладок;
2
, Вт/(мК) - коэффициент теплоотдачи на развитой наружной поверхности накладок;
2
2
F, м - поверхность нагрева с наружной поверхности накладки;
λ
1
2
2
R, (мК)/Вт - термическое сопротивление теплопроводности накладки вместе с трубой (для накладок с высокой теплопроводностью, по сравнению с R и R, является величиной пренебрежимо малой),
λ
при R→0 и , развитие наружной поверхности накладки, то есть , приведет к увеличению коэффициента теплопередачи k.
Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволяет обеспечить повышение эффективности теплопередачи от кипящего слоя и топочных газов к внутритрубному теплоносителю при сохранении надежной защиты труб от абразивного износа.