Результат интеллектуальной деятельности: ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Изобретение относится к котельной технике, в частности к водотрубным водогрейным котлам, с тепловой производительностью до 4 мВт, и может быть использовано в системах теплоснабжения производственных и жилых зданий.

В отечественной и международной практике котлостроения котельный парк данной производительности в настоящее время представлен горизонтальными котлами цилиндрической формы, топка которых имеет камеру сгорания в виде горизонтальной жаровой трубы. Типичным представителем котлов данной серии является водогрейный газотрубный трехходовой котел Термотехник ТТ 100-01 [см. http://entroros.ru/produktsiya/kotly-vodogrejnye-1000-16500-kvt/kotly-vodogrejnye-1000-15000-kvt_2.html].

При этом конвективные поверхности нагрева, образованные дымогарными трубами газоходов, расположенными осесимметрично вокруг камеры сгорания, дополнены поворотными камерами. Первая поворотная камера образована задней трубной доской и торосферическим днищем заднего фронта котла, вторая поворотная камера - передней трубной доской и фронтальными дверцами котла. Пространство между жаровой трубой и внешним цилиндрическим корпусом котла заполнено нагреваемой водой.

Основными недостатками котлов данного типа является низкая интенсивность теплообмена между продуктами сгорания топлива и нагреваемой средой, обусловленная продольным омыванием горизонтального трубного пучка продуктами сгорания, при этом повышение эффективности теплообмена требует значительного увеличения скорости движения газов в дымогарных трубах газоходов в сравнении с процессами теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой среде при поперечном омывании трубных пучков, когда нагреваемая среда находится внутри труб, а дымовые газы движутся снаружи, поперечно обтекая трубные пучки.

Используемая конструкция котлов обусловливает высокую металлоемкость и весогабаритные характеристики, необходимость обеспечения газовой плотности котлов, требующей сложного механического оборудования для изготовления жаровой трубы и поворотных крышек на передней и задней трубных досках. Жаротрубная конструкция конвективных газоходов надежна в работе только при использовании в качестве топлива природного и сжиженных газов и дизельного топлива, что исключает возможность коксования теплообменных поверхностей конвективных газоходов. Последняя проблема возникает из-за того, что котлы имеют большой водяной объем и как следствие высокую тепловую инерцию, обусловливающую интенсивное коксование труб конвективных газоходов в период пуска котлов из холодного состояния и запуска их при работе в режиме пропусков.

Для устранения данных недостатков при работе на тяжелых топливах используется дополнительная система розжига, с дополнительными форсунками и топливными трубопроводами газового или дизельного топлива, что в свою очередь значительно удорожает стоимость котлов данного типа.

Известен также водогрейный котел, содержащий цилиндрический корпус с топкой и соосной с ней конвективной камерой, при этом на переднем фронте топки на ее продольной оси установлена горелка, а у заднего фронта топки установлен рассекатель дымовых газов, причем параллельно поверхности топки размещена экранная поверхность нагрева, кроме того, экранная поверхность нагрева топки и поверхности нагрева конвективной камеры подсоединены к подводящему и отводящему коллекторам (см. патент RU 2327084, МПК F24H 1/16, 2008 г).

Котел характеризуется высокой трудоемкостью изготовления, требующей специального оборудования; невысоким КПД ввиду недостаточно развитой конвективной поверхности нагрева, а также низкой ремонтопригодностью.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение, состоит в снижении трудоемкости изготовления, повышении КПД котла и его ремонтопригодности.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в снижении себестоимости производства котлоагрегата, повышении КПД за счет развитой конвективной поверхности нагрева в виде трубного пучка при поперечном обтекании его продуктами сгорания и повышении ремонтопригодности за счет обеспечения доступа к узлам и элементам топки и конвективной камеры.

Поставленная задача решается тем, что водогрейный котел, содержащий цилиндрический корпус с топкой и соосной с ней конвективной камерой, при этом на переднем фронте топки на ее продольной оси установлена горелка, а у заднего фронта топки установлен рассекатель дымовых газов, причем параллельно поверхности топки размещена экранная поверхность нагрева, кроме того, экранная поверхность нагрева топки и поверхности нагрева конвективной камеры подсоединены к подводящему и отводящему коллекторам, отличается тем, что продольная ось котла ориентирована горизонтально, при этом топка и конвективная камера размещены последовательно в корпусе котла, жестко скрепленного с основанием, причем экранная поверхность нагрева выполнена единой на всю длину корпуса котла и включает верхний и нижний продольные коллекторы котла, расположенные в его вертикальной диаметральной плоскости, длиной, соответствующей длине корпуса котла, которые сообщены друг с другом дугообразными трубами, конгруэнтными очертаниям внутренней поверхности котла, кроме того, теплообменный блок конвективной камеры выполнен в виде единой конструкции и размещен в полости конвективной камеры, ограниченной экранной поверхностью нагрева, с возможностью возвратно-поступательного перемещения в ней, при этом теплообменный блок конвективной камеры выполнен с возможностью его разъема в вертикальной диаметральной плоскости, для чего содержит по паре параллельных коллекторов, выполненных на всю его длину, соответственно в его верхней и нижней частях по обе стороны от плоскости разъема, при этом верхний и нижний параллельные коллекторы, размещенные с одной стороны от плоскости разъема, сообщены с поперечно-обтекаемыми трубными пучками, выполненными из параллельных пакетов, каждый из которых содержит дугообразные трубы, концы которых сообщены с нисходящим и восходящим соосными патрубками, сообщенными с этими коллекторами, причем рассекатель дымовых газов содержит рассекающий конус и скрепленный с ним трубчатый элемент, соосные продольной оси котла, причем поверхность рассекающего конуса, обращенная к топке, выполнена, предпочтительно, в виде гиперболоида вращения, при этом поверхности рассекателя снабжены футеровкой.

Кроме того, в объеме теплообменного блока конвективной камеры размещены две цилиндрические обечайки, соосные друг другу и продольной оси котла, выполненные из двух симметричных половин с возможностью их газоплотного соединения при сборке теплообменного блока, длиной, меньшей расстояния от задней поверхности рассекающего конуса до задней стенки корпуса котла, при этом диаметр большей обечайки соответствует диаметру рассекающего конуса, с которым она скреплена, а диаметр меньшей обечайки соответствует диаметру отводящего газового канала, пропущенного через заднюю стенку корпуса котла, с которым эта обечайка скреплена, при этом пары параллельных коллекторов теплообменного блока выполнены с возможностью взаимодействия с соответствующими коллекторами котла как с направляющими, кроме того, торцы цилиндрического корпуса котла снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного скрепления с торцовыми элементами, образующими обшивку переднего фронта котла и его заднюю стенку, кроме того, параллельные коллекторы теплообменного блока выпущены через заднюю стенку корпуса котла, при этом верхняя пара параллельных коллекторов теплообменного блока сообщена патрубком на уровне заднего фронта топки, в ее полости, а один из нижней пары коллекторов теплообменного блока сообщен с нижним продольным коллектором котла за пределами его корпуса, кроме того, тепловая изоляция котла выполнена с разъемом по стыку цилиндрической обечайки и торцовых деталей, составляющих газоплотный корпус котла. Кроме того, патрубок, которым один из нижней пары коллекторов теплообменного блока сообщен с нижним продольным коллектором котла, снабжен сильфонной вставкой.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию “новизна”.

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.

Признаки «…продольная ось котла ориентирована горизонтально, при этом топка и конвективная камера размещены последовательно…» обеспечивают уменьшение габаритов поперечного сечения котла и упрощение его изготовления и, в совокупности с другими признаками, возможность доступа к узлам и элементам топки и конвективной камеры котла, при исключении возможности опрокидывания частей котла после его разъема, имеющейся при вертикальной компоновке.

Признак, указывающий, что корпус котла жестко скреплен с основанием, обеспечивает фиксацию корпуса котла в определенном пространственном положении.

Признаки «…экранная поверхность нагрева выполнена единой на всю длину корпуса котла и включает верхний и нижний продольные коллекторы котла, расположенные в его вертикальной диаметральной плоскости, длиной, соответствующей длине корпуса котла, которые сообщены друг с другом дугообразными трубами, конгруэнтными очертаниям внутренней поверхности котла…» обеспечивают возможность формирования единой экранной поверхности нагрева и на объем топки и на конвективную камеру, что упрощает ее конструкцию и минимизирует объем выдвигаемой из котла конструкции.

Признаки «…теплообменный блок конвективной камеры выполнен в виде единой конструкции и размещен в полости конвективной камеры, ограниченной экранной поверхностью нагрева, с возможностью возвратно-поступательного перемещения в ней…» обеспечивают возможность легкого доступа к ее узлам и элементам и также в полость топки.

Признак «…теплообменный блок конвективной камеры выполнен с возможностью его разъема в вертикальной диаметральной плоскости…» обеспечивает возможность легкого доступа к его узлам и элементам.

Признаки, указывающие, что «теплообменный блок конвективной камеры выполнен с возможностью его разъема в вертикальной диаметральной плоскости, для чего содержит по паре параллельных коллекторов, выполненных на всю его длину, соответственно в его верхней и нижней частях, по обе стороны от плоскости разъема, при этом верхний и нижний параллельные коллекторы, размещенные с одной стороны от плоскости разъема, сообщены с поперечно-обтекаемыми трубными пучками, выполненными из параллельных пакетов, каждый из которых содержит дугообразные трубы, концы которых сообщены с нисходящим и восходящим соосными патрубками, сообщенными с этими коллекторами» обеспечивают разъемность теплообменного блока конвективной камеры и высокую теплоснимающую способность.

Признаки «…рассекатель дымовых газов содержит рассекающий конус и скрепленный с ним трубчатый элемент, соосные продольной оси котла…» обеспечивают возможность организации последовательных (по движению газов) симметричных коаксиальных газоходов в объеме конвективной камеры, площадь поперечного сечения которых уменьшается по ходу движения газов, что обеспечивает постоянство высоких скоростей движения дымовых газов и повышение эффективности теплоотдачи при нагреве воды.

Признак «…поверхность рассекающего конуса рассекателя дымовых газов, обращенная к топке, выполнена, предпочтительно, в виде гиперболоида вращения…» минимизирует аэродинамическое сопротивление рассекателя.

Признак «…поверхности рассекателя снабжены футеровкой…» повышает теплостойкость и работоспособность этих элементов.

Признаки «…в объеме теплообменного блока конвективной камеры размещены две цилиндрические обечайки, соосные друг другу и продольной оси котла, выполненные из двух симметричных половин с возможностью их газоплотного соединения при сборке теплообменного блока, длиной, меньшей расстояния от задней поверхности рассекающего конуса до задней стенки корпуса котла, при этом диаметр большей обечайки соответствует диаметру рассекающего конуса, с которым она скреплена, а диаметр меньшей обечайки соответствует диаметру отводящего газового канала, пропущенного через заднюю стенку корпуса котла, с которым эта обечайка скреплена…» обеспечивают формирование трех соосных газоходов в объеме теплообменного блока конвективной камеры.

Признак «…пары параллельных коллекторов теплообменного блока выполнены с возможностью взаимодействия с соответствующими коллекторами котла как с направляющими…» обеспечивают выдвижение теплообменного блока из корпуса котла.

Признаки «…торцы цилиндрического корпуса котла снабжены фланцами, выполненными с возможностью разъемного скрепления с торцовыми элементами, образующими обшивку переднего фронта котла и его заднюю стенку…» обеспечивают снятие торцовых элементов с корпуса котла и последующее выдвижение теплообменного блока.

Признаки «…параллельные коллекторы теплообменного блока выпущены через заднюю стенку корпуса котла, при этом верхняя пара параллельных коллекторов теплообменного блока сообщена патрубком на уровне заднего фронта топки, в ее полости, а один из нижней пары коллекторов теплообменного блока сообщен с нижним продольным коллектором котла за пределами его корпуса…» обеспечивают объединение «половин» теплообменного блока в единую гидравлическую сеть, при этом обеспечивается возможность его разъема на две половины, доступные для ремонта или чистки.

Признак «…тепловая изоляция котла выполнена с разъемом по стыку цилиндрической обечайки и торцовых деталей, составляющих газоплотный корпус котла…» упрощает процедуру «разъема» корпуса котла на его торцах.

Признак «…патрубок, которым один из нижней пары коллекторов теплообменного блока сообщен с нижним продольным коллектором котла, снабжен сильфонной вставкой…» снижает требования к точности монтажа «половин» теплообменного блока.

На фиг. 1 показан продольный разрез по диаметральной плоскости котла, на фиг. 2 и фиг. 3 показаны узлы соединения, соответственно нижних и верхних коллекторов теплообменного блока; на фиг. 4-7 показаны поперечные разрезы котла, на фиг. 8 показан продольный разрез по диаметральной плоскости теплообменного блока.

На чертежах показаны цилиндрический корпус 1 котла, топка 2, конвективная камера 3, передний фронт 4 топки, продольная ось 5 котла, горелка 6, задний фронт 7 топки, экранная поверхность нагрева 8, верхний 9 и нижний 10 коллекторы, дугообразные трубы 11, теплообменный блок 12 конвективной камеры 3, верхние (13 и 14) и нижние (15 и 16) параллельные коллекторы, дугообразные трубы 17, концы которых сообщены с нисходящим 18 и восходящим 19 соосными патрубками, рассекающий конус 20 и трубчатый элемент 21 рассекателя дымовых газов, цилиндрические обечайки 22 и 23, задняя стенка 24 корпуса котла, фланцы 25, обшивка 26 переднего фронта 4 топки, первый перепускной патрубок 27, тепловая изоляция 28 котла, второй перепускной патрубок 29, его сильфонная вставка 30, основание 31 котла, отводящий газовый канал 32, входной патрубок 33, газовый короб 34, взрывной клапан 35.

Топка 2 соосна с цилиндрическим корпусом 1 котла и конвективной камерой 3, размещенной последовательно с топкой 2, причем корпус 1 котла жестко скреплен с основанием 31. Горелка 6 установлена на переднем фронте 4 топки 2, на продольной оси 5 котла, а у заднего фронта 7 топки 2 установлен рассекатель дымовых газов. Параллельно внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 котла размещена экранная поверхность нагрева 8, выполненная единой на топку 2 и конвективную камеру 3, которая включает верхний 9 и нижний 10 продольные коллекторы котла, расположенные в его вертикальной диаметральной плоскости, длиной, соответствующей длине корпуса 1 котла, которые сообщены друг с другом дугообразными трубами 11, конгруэнтными очертаниям внутренней поверхности котла.

Теплообменный блок 12 конвективной камеры 3 выполнен в виде единой конструкции и размещен в полости конвективной камеры 3, ограниченной экранной поверхностью нагрева 8, с возможностью возвратно-поступательного перемещения в ней. При этом теплообменный блок 12 конвективной камеры 3 выполнен с возможностью его разъема в вертикальной диаметральной плоскости, для чего содержит по паре параллельных коллекторов (верхние 13 и 14 и нижние - 15 и 16), выполненных на всю его длину, соответственно в его верхней и нижней частях, по обе стороны от плоскости разъема. Кроме того, верхний 13 (или 14) и нижний 15 (или 16) параллельные коллекторы, размещенные с одной стороны от плоскости разъема, сообщены с поперечно-обтекаемыми трубными пучками, выполненными из параллельных пакетов, каждый из которых содержит дугообразные трубы 17, концы которых сообщены с нисходящим 18 и восходящим 19 соосными патрубками, сообщенными с этими коллекторами.

Рассекатель дымовых газов содержит рассекающий конус 20 и трубчатый элемент 21, скрепленный с ним, соосные продольной оси 5 котла, причем поверхность рассекающего конуса 20, обращенная к топке 2, выполнена, предпочтительно, в виде гиперболоида вращения, при этом поверхности рассекателя снабжены футеровкой (на чертежах не показана).

В объеме теплообменного блока 12 конвективной камеры 3 размещены две цилиндрические обечайки 22 и 23, соосные друг другу и продольной оси 5 котла, выполненные из двух симметричных желобообразных половин, с возможностью их газоплотного соединения при сборке теплообменного блока 12. Их длина меньше расстояния от задней поверхности рассекающего конуса 20 до задней стенки 24 корпуса 1 котла, при этом диаметр большей обечайки 23 соответствует диаметру рассекающего конуса 20, с которым она скреплена, а диаметр меньшей обечайки 22 соответствует диаметру отводящего газового канала 32, пропущенного через заднюю стенку 24 корпуса 1 котла, с которым эта обечайка скреплена.

Пары параллельных коллекторов (13 и 14) и (15 и 16) теплообменного блока 12 выполнены с возможностью взаимодействия с соответствующими коллекторами котла (9 и 10), как с направляющими.

Торцы цилиндрического корпуса 1 котла снабжены фланцами 25, выполненными с возможностью разъемного скрепления с торцовыми элементами, образующими обшивку переднего фронта котла (обшивка 26 переднего фронта 4 топки) и его заднюю стенку 24. Параллельные коллекторы (13 и 14) и (15 и 16) теплообменного блока 12 выпущены через заднюю стенку 24 корпуса 1 котла. При этом верхняя пара (13 и 14) параллельных коллекторов теплообменного блока сообщена первым перепускным патрубком 29 на уровне заднего фронта топки 2 в ее полости, а один из нижней пары коллекторов теплообменного блока 15 сообщен с нижним продольным коллектором 10 котла за пределами его корпуса 1. Тепловая изоляция 28 котла выполнена с разъемом по стыку цилиндрической обечайки и торцовых деталей, составляющих газоплотный корпус котла. Кроме того, второй перепускной патрубок 29, которым коллектор 15 теплообменного блока 12 сообщен с нижним продольным коллектором 10 котла, снабжен сильфонной вставкой 30.

Котел предназначен для работы на природном и сжиженном газе.

Котел работает следующим образом.

В рабочем режиме котла дымовые газы поступают в топку 2 от горелки 6 в виде факела, заполняющего объем топки. На выходе из топки через ее задний фронт 7 (Фиг. 6, III-III) дымовые газы поступают в первый цилиндрический газоход котла (Фиг. 7, IV-IV), образованный большей обечайкой 23 и экранной поверхностью нагрева 8, откуда при возвратном движении переходят во второй газоход (зазор между большей обечайкой 23 и меньшей обечайкой 22), откуда подается в третий газоход (зазор между меньшей обечайкой 22 и трубчатым элементом 21 рассекателя дымовых газов), с выходом наружу через отводящий газовый канал 32 на задней стенке котла.

Футерованные рассекающий конус 20 и трубчатый элемент 21 рассекателя дымовых газов третьего газохода предназначены для минимизации температур на выходе из конвективной части котла.

Вход воды в котел осуществляется через входной патрубок 33, установленный на верхнем продольном коллекторе 9 котла в районе его переднего фронта 4, откуда, совершая опускные и подъемные движения по экранам топки 2, поступает к заднему фронту котла (его задней стенке), из которой выходит наружу через продолжение нижнего продольного коллектора 10 котла, с заглушкой на конце, между которой и съемным задним фронтом котла смонтирован перепускной узел А с компенсирующей сильфонной вставкой 30, обеспечивающий поступление воды в нижний левый коллектор 16 теплообменного блока 12. Откуда, совершая подъемно-опускные движения по правой половине конвективного блока, вода выходит через узел Б из верхнего левого коллектора 13 теплообменного блока 12 в верхний правый коллектор 14 конвективного блока и, совершая опускные и подъемные движении по левой половине, выходит из котла на заднем фронте через верхний коллектор 14, выходящий за пределы котла через его задний фронт.

Данная схема движения обеспечивает противоточную схему движения нагреваемого теплоносителя в газоходах конвективной камеры, что обусловливает наивысшую интенсивность теплообмена между дымовыми газами и нагреваемой водой.

На переднем фронте котла установлен газовый короб 34, снабженный взрывным клапаном 35. Трубная часть котла имеет тепловую изоляцию 28, поверх которой установлена металлическая газоплотная обечайка, составляющая корпус котла.

Котел в рабочем состоянии устанавливается на основании 31, к которому крепится известным образом болтовыми соединениями (узлы крепления условно не показаны).

При необходимости осмотра внутренних поверхностей котла, а также ремонте выдвижная конструкция конвективного блока обеспечивает возможность доступа и ревизии сварных трубных соединений конвективного блока и топки котла. При необходимости замены трубных участков в конвективном блоке данная конструкция позволяет разделить его на две симметричные половины путем разреза соединительного патрубка в узле Б с последующим восстановлением сварного шва после ремонта конвективного блока.

При ремонте котла, после его остановки, демонтируют его заднюю стенку 24, удаляя стяжные элементы (на чертежах не показаны) на фланце 25, после чего демонтируют или перерезают (например, сваркой) второй перепускной патрубок 29, а затем выдвигают наружу теплообменный блок 12 из полости корпуса 1 котла и с использованием такелажных средств (талей, домкратов и т.п.) перемещают его к месту осмотра.

При необходимости осмотра и ремонта экрана и внутренней поверхности полости котла после извлечения теплообменного блока 12 можно свободно проникнуть в эту полость.

При необходимости осмотра и ремонта теплообменного блока 12 демонтируют или перерезают (например, сваркой) первый перепускной патрубок 27, после чего разъединяют половины теплообменного блока, например, с использованием лебедок и домкратов и оттаскивают их друг от друга, для обеспечения достаточного расстояния между ними для выполнения соответствующих работ. Например, если потекла одна из дугообразных труб 17, их известным образом вырезают и вваривают новую деталь. Это эффективно, т.к. в противном случае необходимо было бы попутно удалить часть исправных труб 17. Далее, по завершении ремонта работы повторяют в обратном порядке, вводят теплообменный блок обратно и, после подключения котла к источнику топлива и воды, его запускают в работу.