ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к области теплоснабжения и может быть использовано для отопления жилых домов, зданий коммунального бытового и производственного назначения, имеющих систему отопления с теплоносителем.
Известен водогрейный котел (см. патент FR 2097272, кл. F24H 1/00, 1972), содержащий корпус в виде цилиндрической водяной рубашки, элементы, закручивающие потоки воды, патрубки подвода и отвода воды, трубчатый коллектор с концентрично расположенными гнутыми трубами и кольцевым коллектором, который соединяет концы гнутых труб, причем коллектор разделен на две части: входную, соединенную с водяной рубашкой, и выходную, соединенную с патрубком отвода воды, причем патрубок встроен во внутреннюю полость водяной рубашки с образованием кольцевого конвективного газохода между самим патрубком и радиационной топкой в центре экрана.
Недостатками данного устройства являются низкая технологичность изготовления, низкая ремонтопригодность и низкая эффективность использования дымовых газов и, как следствие, низкий КПД. Кроме того, устройство обладает низкими теплообменными характеристиками, что также снижает КПД.
Известен также котел (см. авторское свидетельство SU 1124669, кл. F24H 1/32, 30.05.1985), включающий топку, заднюю и переднюю торцевые стенки, газоход и водотрубный теплообменник, образованный трубами, раздающую камеру (распределитель обратки), собирающую камеру (распределитель подачи) и патрубки обратки и подачи.
Недостатком данного котла является низкая ремонтопригодность, что усложняет эксплуатацию котла при образовании накипи в трубах. Более того, выполнение центрального и двух периферийных газоходов не обеспечивает равномерную передачу тепла от продуктов сгорания к плоским панелям конвективной камеры, что приводит, с одной стороны, к появлению более теплонапряженных участков в центральном газоходе и, как следствие, к снижению их надежности, а с другой, - к снижению интенсивного теплообмена в конвективных панелях периферийных газоходов.
Известен также водогрейный котел (см. патент RU 2477426, кл. F24H 1/00, 10.03.2013), включающий топку, заднюю и переднюю торцевые стенки, съемные боковые панели, верхнюю и нижнюю крышки, фланец для крепления горелки, пульт управления, газоход, водотрубный теплообменник, распределитель обратки, распределитель подачи, патрубки обратки и подачи. Водотрубный теплообменник образован горизонтальными стальными, поперечно оребренными стальной лентой, в частности методом высокочастотной сварки, трубами, расположенными непосредственно в топочном пространстве по окружности параллельно друг другу и соединенными последовательно отводами с образованием одного или нескольких змеевиков.
Недостатками данного котла являются значительные теплопотери со стороны передней, задней стенок и дверки котла, высокое гидравлическое сопротивление теплообменника из-за большого количества отводов, наличие большого свободного и неиспользуемого в процессе теплообмена пространства внутри котла и, как следствие, низкий КПД котла, а также отсутствие возможности ревизии внутренних теплообменных поверхностей, соприкасаемых с теплоносителем, значительные ограничения по температуре нагрева теплоносителя.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является водогрейный котел (см. патент RU 2559109, кл. F24H 1/00, 10.08.2015), содержащий топку, заднюю и переднюю стенки, газоход и водотрубный теплообменник, образованный горизонтальными оребренными трубами, расположенными параллельно друг другу непосредственно в топке по окружности или овалу и снабженными отводами, коллекторами обратки и подачи, а также патрубками обратки и подачи, причем в задней части котла трубы теплообменника жестко закреплены на задней стенке, а в передней части закреплены на крепежной пластине, выполненной с возможностью свободного перемещения по шпилькам относительно передней стенки котла. Трубы теплообменника снабжены спиральными турбулизаторами и расположены в два слоя и попарно соединены отводами, разворачивающими поток из труб наружного слоя в трубы внутреннего слоя, причем трубы наружного слоя соединены с коллектором обратки, а внутреннего - с коллектором подачи, а газоход расположен в верхней части котла.
Недостатками данного котла являются значительные теплопотери со стороны передней, задней стенок и дверки котла, высокое гидравлическое сопротивление теплообменника из-за большого количества отводов, наличие большого свободного и неиспользуемого в процессе теплообмена пространства внутри котла и, как следствие, низкий КПД котла, а также отсутствие возможности ревизии внутренних теплообменных поверхностей, соприкасаемых с теплоносителем, значительные ограничения по максимальной температуре нагрева теплоносителя.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение КПД котла, его ремонтопригодности, надежности и увеличения максимальной температуры нагрева теплоносителя.
Технический результат - повышение КПД водогрейного котла с одновременным повышением ремонтопригодности, надежности за счет уменьшения потерь тепла от передней, задней стенок и дверки котла, уменьшения гидравлического сопротивления теплообменника котла, увеличения максимально допустимой температуры нагрева теплоносителя, уменьшение длины котла.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что водогрейный котел включает топку, переднюю торцевую стенку, заднюю торцевую стенку, переднюю поворотную камеру, заднюю поворотно-распределительную камеру, газоход, расположенный в верхней части котла, патрубок обратки, патрубок подачи, горизонтальные поперечно оребренные трубы со спиральными турбулизатарами, установленными в первой трети длины труб, при этом передняя поворотная камера, задняя поворотно-распределительная камера и горизонтальные оребренные трубы образуют водотрубный теплообменник, трубы которого расположены непосредственно в топке по ходу движения уходящих газов параллельно друг другу в нижней и средней частях котла в один или два ряда, а в верхней части до пяти рядов в зависимости от мощности (типоразмера) котла и требуемой максимальной температуры нагрева теплоносителя, при этом трубы теплообменника сообщаются между собой посредством поворотных камер, трубы жестко соединены в задней части котла с задней стенкой котла, задней стенкой передней поворотной камеры, а также с крепежной пластиной в передней части котла, обеспечивающей свободное линейное перемещение труб теплообменника по шпилькам относительно передней стенки котла вместе с передней поворотной камерой при их тепловом расширении. Задняя поворотно-распределительная камера состоит из задней торцевой стенки котла, распределителя обратки, распределителя подачи и поворотных секций, в которых теплоноситель разворачивается в направлении передней поворотной камеры и разделенных друг от друга разделительными перегородками. Передняя торцевая стенка котла выполнена в виде плоской плиты с расположенной на ней неохлаждаемой съемной крышкой, причем между этой крышкой и топкой котла находится передняя поворотная камера, состоящая из задней стенки и крышки, разделенной внутренними перегородками на поворотные секции, в которых теплоноситель разворачивается в сторону задней поворотно-распределительной камеры. Между наружной крышкой котла и передней поворотной камерой имеется пространство, необходимое для линейного расширения оребренных труб теплообменника. Поворотные секции задней поворотно-распределительной камеры, а также распределители обратки и подачи имеют разъемное соединение с задней торцевой стенкой котла, что обеспечивает доступ к сварочным швам, а также доступ к внутренним поверхностям оребренных труб теплообменника. Крышка передней поворотной камеры имеет разъемное соединение с задней стенкой поворотной камеры, что обеспечивает доступ к сварочным швам и внутренним поверхностям оребренных труб теплообменника.
Заявленное изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 показан вид спереди водогрейного котла с открытой съемной крышкой.
На фиг. 2 показан вид сзади водогрейного котла.
На фиг. 3 показан разрез задней стенки передней поворотной камеры котла с присоединенными к ней поперечно оребренными трубами.
На фиг. 4 показана крышка передней поворотной камеры котла с разделительной перегородкой.
На фиг. 5 показана часть задней поворотно-распределительной камеры, включающая распределитель подачи, распределитель обратки и поворотную секцию.
На фиг. 6 показан разрез теплообменника котла с пятью рядами труб в верхней части котла и с указанием направления движения потоков воды и уходящих газов.
Водогрейный котел включает топку 1, переднюю торцевую стенку 2, заднюю торцевую стенку 9, переднюю поворотную камеру 3, заднюю поворотно-распределительную камеру 4, газоход 5, расположенный в верхней части котла, патрубок обратки 6, патрубок подачи 7, горизонтальные поперечно оребренные трубы 8 со спиральными турбулизатарами, установленными в первой трети длины труб 8, при этом передняя поворотная камера 3, задняя поворотно-распределительная камера 4 и горизонтальные оребренные трубы 8 образуют водотрубный теплообменник, трубы 8 которого расположены непосредственно в топке 1 по ходу движения уходящих газов параллельно друг другу в нижней и средней частях котла в один или два ряда, а в верхней части до пяти рядов фиг. 6 в зависимости от мощности (типоразмера) котла и требуемой максимальной температуры нагрева теплоносителя, при этом трубы теплообменника 8 сообщаются между собой посредством поворотных камер 3, 4, причем трубы 8 жестко соединены в задней части котла с задней стенкой котла 9 (которая является также и задней стенкой задней поворотно-распределительной камеры 4), задней стенкой передней поворотной камеры 10, а также с крепежной пластиной в передней части котла, обеспечивающей свободное линейное перемещение труб теплообменника 8 по шпилькам относительно передней стенки котла 2 вместе с передней поворотной камерой 3 при их тепловом расширении. Задняя поворотно-распределительная камера 4 состоит из задней торцевой стенки котла 9, распределителя обратки 11, распределителя подачи 12 и поворотных секций 13, в которых теплоноситель разворачивается в направлении передней поворотной камеры и разделенных друг от друга разделительными перегородками 14. Передняя торцевая стенка котла 2 выполнена в виде плоской плиты с расположенной на ней неохлаждаемой съемной крышкой 15, причем между этой крышкой и топкой котла находится передняя поворотная камера 3, состоящая из задней стенки 10 и крышки фиг. 4, разделенной внутренними перегородками 16 на поворотные секции 17, в которых теплоноситель разворачивается в направлении задней поворотно-распределительной камеры 4. Между наружной крышкой 15 котла и передней поворотной камерой 3 имеется пространство, необходимое для линейного расширения оребренных труб 8 теплообменника. Поворотные секции 13 задней поворотно-распределительной камеры 4, а также распределители обратки 11 и подачи 12 имеют разъемное соединение 18 с задней торцевой стенкой котла 9, что обеспечивает доступ к сварочным швам, а также доступ к внутренним поверхностям оребренных труб теплообменника. Крышка передней поворотной камеры фиг. 4 имеет разъемное соединение 19 с задней стенкой поворотной камеры 10, что обеспечивает доступ к сварочным швам и внутренним поверхностям оребренных труб теплообменника.
Количество поворотных секций 13, 17 зависит от количества труб 8 теплообменника внутри котла, мощности (типоразмера котла) и требуемой максимально допустимой температуры теплоносителя.
Применение в конструкции котла передней поворотной 3 и задней поворотно-распределительной 4 камер позволило максимально использовать в процессе теплообмена свободное пространство внутри котла, благодаря чему уменьшилась длина котла, которая стала зависеть в основном только от длины огневого факела дутьевой горелки. Появилась возможность располагать трубы 8 теплообменника в топке в три и более ряда, а также концентрировать в пучки в любой объемной части котла.
Применение передней поворотной камеры 3 и задней поворотно-распределительной камеры 4 позволяет отказаться от многочисленных отводов, имеющих в сумме большое гидравлическое сопротивление.
Применение передней поворотной камеры 3 дополнительно увеличивает площадь полезных теплообменных поверхностей в передней горелочной части котла. Являясь разделителем между топкой 1 и крышкой котла 15, передняя поворотная камера 3 значительно сокращает теплопотери через крышку котла 15 и переднюю стенку котла, при этом крышка котла 15 не нуждается в значительной теплоизоляции.
Применение передней поворотной камеры 3 и задней поворотно-распределительной камеры 4 увеличивает водонаполнение котла, а значит, и его теплоаккумулирующие свойства.
Применение передней поворотной камеры 3 и задней поворотно-распределительной камеры 4 позволяет выравнивать скорость и температуру теплоносителя в процессе теплообмена в котле за счет смешения потоков в поворотных секциях 13, 17.
Благодаря предлагаемому конструктивному решению водогрейный котел становится доступным для ревизии внутренних поверхностей оребренных труб 8 без их резки, что делает котел более ремонтопригодным.
Благодаря предлагаемому конструкторскому решению оребренные трубы 8 могут свободно удлиняться под действием температуры, не создавая при этом никаких критических напряжений, выдерживая неограниченное количество циклов нагрева и охлаждения.
Работа водогрейного котла. Сетевая вода, попадая в распределитель обратки 11, делится на несколько потоков. Пройдя через пучок оребренных труб 8 и попав в верхнюю поворотную секцию 17 передней поворотной камеры 3, вода, перемешиваясь, распределяется на несколько потоков следующего количества труб и далее попадает в поворотную секцию 13 задней поворотно-распределительной камеры 4, где снова перемешивается и, распределяясь на несколько потоков, направляется в следующую поворотную секцию 17 передней поворотной камеры 3. В зависимости от типоразмера котла и температурных параметров теплоносителя варьируется количество поворотных секций 13, 17 и количество поворотных циклов воды. На последнем этапе вода из нижней поворотной секции 17 передней поворотной камеры 3 попадает в распределитель подачи 12, где, перемешиваясь, группируется в единый поток в патрубке подачи 7 и далее идет потребителю. Передняя поворотная камера 3 котла принимает на себя основную тепловую нагрузку горелочной части котла, предотвращая перегрев передней стенки 2 котла. Дымовые газы собираются в верхней части котла, омывая трубы 8, и через дымоход 9 удаляются из котла.
По сравнению с известными техническими решениями предлагаемое изобретение имеет следующие преимущества:
- котел имеет меньшие теплопотери от передней стенки 2 и крышки котла 15, так как между ними находится передняя поворотная камера 3, с которой взаимодействует основное тепло горелочной части котла;
- котел имеет меньшее гидравлическое сопротивление благодаря отсутствию в конструкции отводов;
- процесс теплообмена в котле протекает более плавно и равномерно благодаря постоянному смешению теплоносителя в поворотных секциях 13, 17 камер 4, 3;
- котел имеет меньшую длину благодаря оптимальному использованию внутреннего пространства котла, которое максимально заполнено трубами 8 теплообменника;
- котел более ремонтопригоден, так как позволяет визуально определять состояние внутренних поверхностей труб 8 теплообменника, благодаря разъемной конструкции поворотных камер 4, 3 (вышедшая из строя труба 8 или деталь свободно может быть демонтирована и заменена новой непосредственно в котельной без специальных приспособлений);
- котел имеет более высокий КПД благодаря меньшему гидравлическому сопротивлению, меньшим теплопотерям от передней стенки 2 и крышки котла 15, а также благодаря большей площади полезных теплообменных поверхностей и объемов полезно используемого пространства котла.
Анализ известных технических решений, проведенных по научно-технической и патентной документации, показал, что совокупность существенных признаков заявляемого технического решения не известна из уровня техники, следовательно, оно соответствует условиям патентоспособности изобретения - «новизна» и «изобретательский уровень».
Заявленное техническое решение соответствует требованию промышленной применимости и возможно для реализации на стандартном технологическом оборудовании с использованием известных материалов и технологий.
Данный водотрубный котел готовится к серийному выпуску на базе ООО «Оптимумкессель» в г. Чебоксары.