ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к котельной технике, в частности к водотрубным водогрейным котлам, с тепловой производительностью до 4 мВт, и может быть использована в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий.
Известен водогрейный котел, содержащий прямоугольную топку с уравновешенной тягой и поперечно обтекаемые продуктами сгорания поверхности нагрева конвективных газоходов выполненных в виде горизонтальных трубных пучков. Котлы выполнены в тяжелой кирпичной обмуровке под топкой и могут быть укомплектованы механизированной решеткой обратного хода для сжигания твердого топлива в слое. При сжигании жидкого и газообразного топлива котел компонуется на нулевой отметке и снабжается газо-мазутным горелочным устройством (см. Котлы малой и средней мощности и топочные устройства. Каталог-справочник. - М.: НИИЭ ИНФОРМЭНЕРГО-МАШ, 1983. - 200 с. (с. 108, рис. 90 - Котел типа КВ-ТС-4-150 и с. 110-111, рис. 91 - Котел типа КВ-ТС-6,5-150).
Основным недостатком котлов данного типа является большой объем монтажных и обмуровочных работ, а также значительные весогабаритные характеристики, вызывающие повышенные нагрузки на фундамент здания котельной.
Известен также водогрейный котел, выполненный в легкой обмуровке, содержащий топку, пространство которой ограничено топочной решеткой, передним и задним фронтами, потолочным и боковыми топочными экранами, последние из которых выполнены в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими верхними и нижними продольными коллекторами котла, с возможностью последовательного восходящего и нисходящего движения воды по ним, а также конвективный блок включающий два конвективных газохода, снабженных теплообменными поверхностями, содержащими поперечно обтекаемые трубные пучки, гидравлически связанные с продольными коллекторами котла (см. Котлы водогрейные Гефест: ОАО «Бийский котельный завод»). Котлы предназначены для сжигания твердого топлива в слое, с трубной частью конструктивно выполненной аналогично серии котлов представленной выше. Котлы изготавливаются в легкой обмуровке, имеют прямоугольную топку с уравновешенной тягой, и два конвективных газохода с поперечно обтекаемыми трубными поверхностями теплообмена. Сжигание топлива может осуществляться на неподвижном колосниковом полотне, либо на механизированных топках в виде топок с шурующей планкой, переталкивающих колосниках, ленточных решетках прямого хода. Основной конструктивной особенностью котлов данного типа является расположение топочного устройства между нижними продольными коллекторами котлов под топочной камерой, тогда как сам котел (топка и конвективная часть) монтируется на самостоятельных боковых вертикальных стойках, на которые установлены нижние продольные коллекторы котла,
Достоинством котла данного типа является возможность его транспортирования в полной монтажной готовности с обмуровкой, малый объем монтажных работ на объекте, и возможность полной замены топочного устройства при необходимости.
Недостатки этого конструктивного решения:
1) Недостаточная интенсивность горения влажных топлив в особенности бурых углей и как следствие уменьшение теплопроизводительности котла (из-за отсутствия в котле теплоаккумулирующих поверхностей).
2) Конструкция теплообменных поверхностей конвективных газоходов, не обеспечивает эффективный теплообмен в них, что приводит к повышению температуры уходящих газов и уменьшению теплопроизводительности котла.
3) Отсутствие доступа к поверхностям конвективных газоходов для чистки поверхности трубных пучков, что из-за их загрязнения приводит к уменьшению теплопроизводительности котла.
Задача, на решение которой направлено, предлагаемое техническое решение, состоит в повышении теплопроизводительности котла.
Техническим результатом заявленного технического решения является повышение КПД котла при сжигании бурых углей и снижение потерь тепла с уходящими газами.
Для решения поставленной задачи водогрейный котел, выполненный в легкой обмуровке, содержащий топку, пространство которой ограничено топочной решеткой, передним и задним фронтами, потолочным и боковыми топочными экранами, последние из которых выполнены в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими верхними и нижними продольными коллекторами котла, с возможностью последовательного восходящего и нисходящего движения воды по ним, а также конвективный блок, включающий, по меньшей мере, два конвективных газохода, снабженных теплообменными поверхностями, содержащими поперечно обтекаемые трубные пучки, гидравлически связанные с продольными коллекторами котла, отличается тем, что нижние продольные коллекторы котла сообщены поперечными прямолинейными коллекторами, размещенными на переднем и заднем фронтах котла, при этом, теплообменные поверхности, размещенные в конвективных газоходах, содержат прямолинейные поперечно обтекаемые коридорные трубные пучки, содержащие вертикальные стояки, каждый из которых сообщен с соответствующим верхним и нижним продольными коллекторами котла, причем каждый вертикальный стояк разделен горизонтальными перегородками на вертикальные секции, каждая из которых сообщена с горизонтальными трубными пучками, концы которых сообщены со свободно скользящим стояком, концы которого сообщены со второй парой продольных коллекторов котла, при этом его верхнее и нижнее сопряжения с упомянутыми коллекторами перекрыто торцовыми перегородками, а на скользящем стояке выполнен, как минимум один разрез, заглушенный вторыми торцовыми перегородками, размещенными с зазором друг к другу, кроме того, в следующей паре теплообменных поверхностей вертикальный стояк и свободно скользящий стояк меняются местами, кроме того, конвективные газоходы в нижней части сообщены друг с другом полостью осадительной камеры золового уноса, кроме того, над топочной решеткой, на протяжении участка активного горения топлива, сформированы нависающие горизонтальные топочные пороги, выполненные в виде чередующихся гнутых и прямых труб боковых экранов, при этом гнутые трубы содержат Г-образные элементы, вертикальные участки которых выполнены соосными, а горизонтальные отгибы обращены друг к другу и расположены над топочной решеткой, их концы сообщены друг с другом, а торцы заглушены, при этом пространство между нижними гнутыми трубами заполнено огнеупорным шамотобетоном, кроме того, нижняя сторона горизонтальных отгибов футерована огнеупорной мастикой, кроме того, потолочный топочный экран включает трубчатые поперечные связи, торцы которых скреплены с верхними продольными коллекторами, без гидравлической связи с ними, при этом полости поперечных связей сообщены друг с другом трубчатой панелью, содержащей продольные горизонтальные трубы, концы которых открыты в них, кроме того, передний фронт котла выполнен в виде панели из вертикальных труб, верхние концы которых сообщены с полостью передней поперечной связи, а нижние сообщены с поперечным коллектором переднего фронта, кроме того, полость задней поперечной связи сообщена с патрубком входа воды в котел. Кроме того, задний фронт топки включает плавниковую трубчатую панель конвективного блока котла, в нижней зоне которой установлена поперечная перегородка, выполненная из шамотного кирпича, при этом ее высота не превышает половины высоты плавниковой трубчатой панели. Кроме того, котел снабжен системой подогрева дутьевого воздуха содержащей дутьевой вентилятор, установленный на обшивке потолочного экрана, выходной воздуховод которого, сообщен с рабочим входом эжектора, выход которого сообщен с горизонтальным воздухогазопроводом, дутьевые фурмы которого открыты в подрешеточное пространство топочной решетки, при этом, в верхней зоне конвективного газохода в зазоры между вертикальными трубами трубных пучков открыто приемное отверстие заборной камеры, выпускное отверстие которой газопроводом сообщено с приемным отверстием нисходящего канала промежуточной осадительной камеры, верхний участок которого изолирован от восходящего канала перегородкой, причем верхняя часть восходящего канала промежуточной осадительной камеры сообщена вторым газопроводом с засасывающим отверстием эжектора, причем нижняя часть промежуточной осадительной камеры открыта в осадительную камеру золового уноса. Кроме того, верхняя и нижняя части свободно скользящего стояка и вертикального стояка сосны друг к другу. Кроме того, длина труб в горизонтальных трубных пучках конвективной части одинакова. Кроме того, горизонтальный воздухогазопровод, воздуховод и газопровод снабжены регулирующими заслонками.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
При этом совокупность отличительных признаков предлагаемого технического решения позволяет повысить КПД котла при сжигании бурых углей и обеспечивает снижение потерь тепла с уходящими газами.
На фиг. 1 показан общий вид водогрейного котла; на фиг. 2 показан разрез Α-A совместно с разрезом Б-Б водогрейного котла; на фиг. 3-фиг. 5 показаны соответственно разрезы В-В, Г-Г и Д-Д водогрейного котла.
На чертежах показаны пространство топки 1, топочная решетка 2, передний 3 и задний 4 фронты, потолочный 5 и боковой 6 топочный экраны, верхние (7 и 8) и нижние (9 и 10) продольные коллекторы котла, конвективный блок 11, конвективные газоходы 12, поперечно обтекаемые трубные пучки 13, поперечные прямолинейные коллекторы 14, вертикальные стояки 15, их горизонтальные перегородки 16 и горизонтальные трубные пучки 17, свободно скользящие стояки 18, их верхние 19 и нижние 20 сопряжения, торцовые перегородки 21, разрез 22, вторые торцовые перегородки 23, полость осадительной камеры 24 золового уноса, нависающие горизонтальные топочные пороги 25, гнутые 26 и прямые 27 трубы боковых экранов 6, вертикальные участки 28 Г-образных элементов и их горизонтальные отгибы 29, соединительные патрубки 30 огнеупорный шамотобетон 31, трубчатые поперечные связи 32 и 33 потолочного топочного экрана с торцами 34, продольные горизонтальные трубы 35, панель из вертикальных труб 36 переднего фронта 3, их верхние 37 и нижние 38 концы, плавниковые трубчатые панели 39, поперечная перегородка 40, дутьевой вентилятор 41, обшивка 42 потолочного экрана, выходной воздуховод 43, рабочий вход 44 эжектора 45, его выход 46, горизонтальный воздухогазопровод 47, дутьевые фурмы 48, подрешеточное пространство 49 топочной решетки 2, верхняя зона 50 конвективного газохода 12, приемное 51 и выходное 52 отверстия заборной камеры 53, газопровод 54, приемное отверстие 55 нисходящего канала 56 промежуточной осадительной камеры 57, перегородка 58, верхняя часть 59 восходящего канала 60, второй газопровод 61, засасывающее отверстие 62 эжектора 45, нижняя часть 63 промежуточной осадительной камеры, регулирующие заслонки 64, патрубок 65 входа воды в котел, выходное газовое окно 66.
Водогрейный котел, выполнен в легкой обмуровке. Пространство топки 1 ограничено топочной решеткой 2 (для сжигания топлива может быть использовано неподвижное колосниковое полотно, либо механизированная топка с шурующей планкой, переталкивающими колосниками, с ленточной решеткой прямого хода и т.п.), передним 3 (он же составляет передний фронт котла) и задним 4 фронтами, потолочным 5 и боковыми 6 топочными экранами.
Боковые 6 топочные экраны выполнены в виде трубных панелей, гидравлически связанных с соответствующими верхними (7 и 8) и нижними (9 и 10) продольными коллекторами котла, с возможностью последовательного восходящего и нисходящего движения воды по ним. Задний фронт 4 топки 1 представлен первой плавниковой трубчатой панелью 39 конвективного блока 11 (одна ее сторона обращена в полость топки). В нижней зоне плавниковой панели установлена поперечная перегородка 40, выполненная из шамотного кирпича, при этом ее высота не превышает половины высоты плавниковой трубчатой панели 39.
Потолочный топочный экран 5 включает трубчатые поперечные связи 32 и 33, торцы 34 которых скреплены с верхними продольными коллекторами 7 и 8, без гидравлической связи с ними, при этом полости поперечных связей 32 и 33 сообщены друг с другом трубчатой панелью, содержащей продольные горизонтальные трубы 35, концы которых открыты в них.
Передний фронт 3 топки (котла) выполнен в виде панели из вертикальных труб 36, верхние 37 концы которых сообщены с полостью передней поперечной связи 32, а нижние 38 сообщены с поперечным прямолинейным коллектором 14 переднего фронта 3 топки.
Конвективный блок включает два конвективных газохода 12 (первый из них, ближайший к топке, является опускным для потока газа, а второй подъемным). Газоходы отделены друг от друга плавниковыми трубчатыми панелями 39, смонтированными в пространстве конвективного блока 11, снабженными соответствующими проемами для прохода газов. Его теплообменные поверхности содержат поперечно обтекаемые трубные пучки 13, гидравлически связанные продольными коллекторами котла. Они содержат вертикальные стояки 15, каждый из которых сообщен с верхним 7 и нижним 9 продольными коллекторами котла. Причем каждый вертикальный стояк 15 разделен горизонтальными перегородками 16 на вертикальные секции, каждая из которых сообщена с горизонтальными трубными пучками 17, концы которых сообщены со свободно скользящим стояком 18, концы которого сообщены со второй парой продольных коллекторов (8 и 10) котла, при этом его верхнее 19 и нижнее 20 сопряжения с упомянутыми коллекторами перекрыто торцовыми перегородками 21, а на самом скользящем стояке 18 выполнен, как минимум один разрез 22, заглушенный вторыми торцовыми перегородками 23, размещенными с зазором друг к другу. Кроме того, в следующей паре теплообменных поверхностей вертикальный стояк 15 и свободно скользящий стояк 18 меняются местами, т.е. «контактируют» с другими парами продольных коллекторов, что обеспечивает продольно поперечную жесткость конвективного участка котла.
Кроме того, верхняя и нижняя части свободно скользящего стояка 18 и вертикального стояка 15 соосны друг к другу. Кроме того, длина труб в горизонтальных трубных пучках 13 конвективной части одинакова.
Кроме того, нижние продольные коллекторы 9 и 10 котла сообщены поперечными прямолинейными коллекторами 14, размещенными на переднем 3 и заднем 4 фронтах котла.
Конвективные газоходы 12 в их нижней части (и, соответственно, в нижней части конвективного блока 11) сообщены друг с другом полостью осадительной камеры 24 золового уноса.
Нависающие горизонтальные топочные пороги 25 выполнены над топочной решеткой 2, на протяжении участка активного горения топлива. Они выполнены в виде чередующихся гнутых 26 и прямых 27 труб боковых топочных экранов 6, при этом гнутые трубы 26 содержат Г-образные элементы, вертикальные участки 28 которых выполнены соосными, а горизонтальные отгибы 29 обращены друг к другу и расположены над боковыми участками топочной решетки 2. Их концы сообщены друг с другом соединительными патрубками 30, а торцы заглушены. При этом пространство между нижними гнутыми трубами 26 заполнено огнеупорным шамотобетоном 31, кроме того, нижняя сторона горизонтальных отгибов футерована огнеупорной мастикой (на чертежах не показана).
Полость задней поперечной связи 33 сообщена с патрубком 65 входа воды в котел. Котел снабжен системой подогрева дутьевого воздуха содержащей дутьевой вентилятор 41, установленный на обшивке 42 потолочного экрана 5, выходной воздуховод 43 которого, сообщен с рабочим входом 44 эжектора 45, выход 46 которого сообщен с горизонтальным воздухогазопроводом 47, дутьевые фурмы 48 которого открыты в подрешеточное пространство 49 топочной решетки 2.
Приемное отверстие 51 заборной камеры 53 расположено в верхней зоне 50 конвективного газохода 12 (открыто в зазоры между вертикальными трубами трубных пучков 13), а ее выходное отверстие 52 посредством газопровода 54 сообщено с приемным отверстием 55 нисходящего канала 56 промежуточной осадительной камеры 57, верхний участок которого изолирован от верхней части 59 восходящего канала 60, перегородкой 58. Причем верхняя часть 59 восходящего канала 60 промежуточной осадительной камеры 57 сообщена вторым газопроводом 61 с засасывающим отверстием 62 эжектора 45, а нижняя часть 63 промежуточной осадительной камеры 57 открыта в осадительную камеру 24 золового уноса. Кроме того, горизонтальный воздухогазопровод 47, воздуховод 43 и газопроводы 54 и 61 снабжены регулирующими заслонками 64.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Котел монтируется на собственных опорах (на чертежах не показаны), устанавливаемых под продольные нижние коллекторы 9 и 10. Топочная решетка 2 и ее агрегаты имеют самостоятельный корпус и опорную раму, и может быть смонтирована и демонтирована, при необходимости, без нарушения монтажного положения котла. Сжигание топлива осуществляется известным образом на топочной решетке 2.
Нависающие горизонтальные топочные пороги 25 (за счет объема, заполненного огнеупорным шамотобетоном 31) и поперечная перегородка 40, выполненная из шамотного кирпича «работают», как теплоаккумулирующие объемы в полости топки 1, что значительно повышает интенсивность горения влажных топлив в особенности бурых углей за счет отдачи топливу аккумулированного тепла и обеспечения его дополнительного прогрева.
Дымовые газы, содержащие в своем объеме частицы золы, из пространства топки 1 попадают в конвективный блок 11. Его конвективные газоходы 12 обеспечивают в них, вначале опускное, а затем и подъемное движение газов до выходного газового окна. В процессе перемещения газов, последние отдают свое тепло воде, прокачиваемой через горизонтальные трубные пучки 17 вертикальных стояков 15.
При этом вода в теплоснимающих элементах движется следующим образом: входит через патрубок 65 входа воды в котел, далее попадает в полость задней поперечной связи 33, затем через продольные горизонтальные трубы 35 (потолочного экрана) попадает в полость передней поперечной связи 32, откуда попадает в вертикальные трубы 36 переднего фронта 3 и, далее, через поперечные прямолинейные коллекторы 14 передается на нижние 9 и 10 продольные коллекторы котла, и проходит по боковым 6 топочным экранам топки двумя симметричными потоками, совершая подъемно опускные движения по секциям, образованным в вертикальных стояках 15 горизонтальными перегородками 16, а в свободно скользящих стояках 18, торцовыми перегородками 21. Далее вода попадает в конвективный блок 11, оказываясь в его поперечно обтекаемых трубных пучках 13, далее горячая вода, через второй поперечный прямолинейный коллектор 14, расположенный у заднего фронта 4 котла, перенаправляется на тот из продольных нижних коллекторов (9 или 10), который предназначен для выдачи горячей воды из котла.
Газоходы 12 обеспечивают опускное и подъемное движение газов до выходного газового окна 66, что обеспечивает при проходе газами поворота в движении от нисходящего к восходящему (осуществляемому через полость осадительной камеры 24 золового уноса) выпадение из газового потока летучей золы. Это в свою очередь уменьшает объем выпадающей золы в конвективных газоходах 12.
Механическая очистка трубных поверхностей конвективных газоходов осуществляется через верхние съемные люки и люк, выполненный на заднем фронте котла (на чертежах не показаны). В боковых экранах топки выполнен проем (на чертежах не показан) для ручного обслуживания и контроля над работой топки. Удаление шлака из топки 1 и золы, выпавшей в конвективных газоходах 12, может быть осуществлено различными способами в зависимости от конструкции топочного устройства. В данном техническом решении при наличии топки с шурующей планкой, сброс шлака осуществляется в канал золоудаления (на чертежах не показан).
Горизонтальные трубы, составляющие трубные пучки 13, имеют одинаковую длину и не требуют индивидуальных шаблонов. Они вварены в вертикальные стояки 15 с заданным шагом, и позволяют рационально использовать объем конвективного газохода 12, а также упрощают изготовление конвективного блока 11. Отсутствие вертикальных участков трубных пучков 13 позволяет улучшить характеристики теплообмена в представленном конструктивном решении.
Циркуляция воды через гнутые 26 трубы боковых экранов 6 осуществляется через патрубки 30 изготовленные из труб меньшего типоразмера, чем трубы боковых экранов 6 котла. Патрубки 30 соединяют на сварке конечные участки горизонтальных отгибов 29, гнутых 26 труб боковых экранов 6, при этом концы гнутых 26 труб боковых экранов 6 имеют заглушки, установленные на сварке.
Система подогрева дутьевого воздуха обеспечивает интенсификацию горения при сжигании в слое влажного твердого топлива. Дутьевой вентилятор 41 забирает холодный воздух из атмосферы, который через выходной воздуховод 43 поступает на рабочий вход 44 эжектора 45, и откуда передается на горизонтальный воздухогазопровод 47 (подаваемый воздух для эжектора 45 является рабочей средой, а подсасываемой средой являются отбираемые заборной камерой 53 дымовые газы, подаваемые по газопроводу 54 в промежуточную осадительную камеру 57, откуда по второму газопроводу 61 поступают на засасывающее отверстие 62 эжектора 45 в виде подмешиваемой среды. В итоге температура смеси на выходе из эжектора 45 возрастает в зависимости от коэффициента смешения воздуха и газов, а содержание кислорода в смеси практически равно содержанию кислорода в атмосферном воздухе, хотя забираемые дымовые газы на выходе из топки должны иметь содержание кислорода близком к нулю. Таким образом используется теплота дымовых газов и сохраняется необходимое содержание кислорода используемое для дутья. Из горизонтального воздухогазопровода 47, через его дутьевые фурмы 48 нагретое дутье подается под слой горящего топлива (в подрешеточное пространство 49 топочной решетки 2), обеспечивая интенсификацию горения влажного топлива. Регулирование температуры и массы газовоздушной среды осуществляется шиберными заслонками 64.