низкотемпературный водогрейный котел (варианты)

Формула изобретения

1. Низкотемпературный водогрейный котел, включающий корпус, между верхним и нижним днищами которого размещены топка, выполненная в виде жаровой трубы, а также конвективный газотрубный пучок, причем топка соединена по ходу газов в нижней своей части с газотрубным пучком второго хода через внутреннюю поворотную камеру, при этом такое сочленение является «плавающим» в водяном объеме котла, отличающийся тем, что газотрубный пучок разбит по ходу газов на две равные симметричные части, и они выходят частично или полностью за верхнее днище котла, а котел снабжен двумя цилиндрическими камерами с заключенными в них частями газотрубных пучков третьего хода, которые расположены выше основного корпуса в горизонтальной плоскости и соединены по ходу газов с основным корпусом котла наружными газовыми поворотными камерами, каждая часть пучка второго хода проходит через верхнее днище котла и ограничена сверху трубной доской с фланцем, например, круглой формы, с боков - патрубком, например, в форме цилиндра, закрепленным на верхнем днище котла и имеющим ответный фланец, при этом каждая из двух частей газотрубного пучка второго хода с распределительной камерой является съемным элементом, закрепленным внизу к внутренней поворотной камере, а вверху - к ответному фланцу патрубка на верхнем днище корпуса котла, причем жаровая труба отделена от остального водяного объема котла цилиндрическим кожухом, образующим кольцевой водяной канал, с отверстиями в нижней части для пропуска внутренних поворотных камер, в верхней части - для выхода воды из кольцевого канала, кроме того, между цилиндрическим кожухом и корпусом котла выполнены вертикальные перегородки с зазором в нижней части для выхода воды в основной водяной объем котла, а топка снабжена промежуточным излучателем, установленным внутри нее на водоохлаждаемой поверхности.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что промежуточный излучатель, выполненный из огнеупорного материала, состоит из пучка параллельных круглых стержней, закрепленных на коническом основании.

3. Котел по п.1, отличающийся тем, что трубопровод обратной воды подключен к котлу через нижнее днище и заходит далее внутрь трубы, находящейся внутри топки, которая заканчивается водоохлаждаемой крышкой.

4. Котел по п.1, отличающийся тем, что нижнее днище основного корпуса котла имеет лаз для доступа в основной водяной объем котла.

5. Низкотемпературный водогрейный котел, включающий корпус, между верхним и нижним днищами которого размещены топка, выполненная в виде жаровой трубы, а также конвективный газотрубный пучок, причем топка соединена по ходу газов в нижней своей части с газотрубным пучком второго хода через внутреннюю поворотную камеру, при этом такое сочленение является «плавающим» в водяном объеме вертикального котла, отличающийся тем, что газотрубный пучок разбит по ходу газов на две равные симметричные части, каждая часть пучка второго хода проходит через верхнее днище котла и ограничена сверху трубной доской с фланцем, например, круглой формы, с боков - патрубком, например, в форме цилиндра, закрепленным на верхнем днище котла и имеющим ответный фланец, при этом каждая из двух частей газотрубного пучка второго хода с распределительной камерой является съемным элементом, закрепленным внизу к внутренней поворотной камере, а вверху - к ответному фланцу патрубка на верхнем днище основного корпуса котла, причем жаровая труба отделена от остального водяного объема котла цилиндрическим кожухом, образующим кольцевой водяной канал, с отверстиями в нижней части для пропуска внутренних поворотных камер, в верхней части - для выхода воды из кольцевого канала, кроме того, между цилиндрическим кожухом и корпусом котла выполнены вертикальные перегородки с зазором в нижней части для выхода воды в основной водяной объем котла, а топка снабжена промежуточным излучателем, установленным внутри нее на водоохлаждаемой поверхности.

6. Котел по п.5, отличающийся тем, что промежуточный излучатель, выполненный из огнеупорного материала, состоит из пучка параллельных круглых стержней, закрепленных на коническом основании.

7. Котел по п.5, отличающийся тем, что трубопровод обратной воды подключен к котлу через нижнее днище и заходит далее внутрь трубы, находящейся внутри топки, которая заканчивается водоохлаждаемой крышкой.

8. Котел по п.5, отличающийся тем, что нижнее днище основного корпуса котла имеет лаз для доступа в основной водяной объем котла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области теплоснабжения и может быть использовано в водогрейных котлах средней и большой мощности.

Известны водогрейные газотрубные горизонтальные либо вертикальные котлы, содержащие топку, выполненную в виде жаровой трубы или жарового пространства, а также одноходовую или двухходовую конвективную газотрубную поверхность нагрева, причем эта поверхность находится совместно с жаровой трубой внутри общей камеры либо находится внутри отдельных цилиндрических камер, выходящих в некоторых случаях частично или полностью за пределы камеры, содержащей жаровую трубу.

Все эти котлы можно подразделить на несколько групп.

К первой группе относим котлы, позволяющие осуществлять низкотемпературную теплогенерацию (см. DE 29719719, МПК F 24 H 1/28, опуб. 12.05.99 г., DE 19649843, МПК F 24 H 1/22, опуб. 04.06.98 г.), которая обеспечивает максимально возможный кпд котла без конденсации влаги уходящих газов.

Ко второй группе можно отнести котлы, имеющие конструкцию, позволяющую избежать возникновения существенных механических напряжений ввиду того, что топка и хотя бы одна из конвективных поверхностей являются «плавающими» в водяном объеме котла (см. DE 2461010, МПК F 24 H 1/28, опуб. 23.06.94 г.), обеспечивая надежность и долговечность котла.

К третьей группе относим котлы, имеющие газотрубные конвективные поверхности нагрева, находящиеся либо внутри отдельных от жаровой трубы камер, либо в камерах, выступающих за пределы общей с жаровой трубой камерой (см. DE 2245967, МПК F 24 H 1/44, опуб. 02.08.73 г., DE 7305328, МПК F 24 H 1/36, опуб. 13.02.73 г., FR 2479425 МПК F 24 H 1/22, опуб. 27.03.80 г.), обеспечивая разборность котла или более рациональное размещение котла в помещении котельной.

К четвертой группе относим котлы, в которых имеет место интенсивное охлаждение жаровой трубы путем отделения водяного объема вокруг жаровой трубы от водяного объема вокруг конвективных поверхностей котла (а.с. СССР №989263, МПК F 24 H 1/36, опуб. БИ №2, 1983 г., GM 7625128, МПК F 24 H 1/28, опуб. 25.11.76 г.), обеспечивая лучшие условия эксплуатации котла.

К пятой группе относим котлы, в топке которых имеются устройства, снижающие выделение оксидов азота (Ракитин А.Ю. «Повышение эффективности водогрейных котлов малой мощности путем установки промежуточных излучателей». Автор. Дисс. Волгоградский ГосАрхСтройУниверситет, опуб. 24.09.2004 г., RU 2226647, МПК F 23 D 14/12, опуб. 10.04.04 г.).

Недостатком всех этих конструкций является то, что перечисленные выше котлы обладают лишь двумя-тремя преимуществами из пяти.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению (как для первого, так и второго вариантов) является низкотемпературный водогрейный вертикальный котел, включающий корпус, между верхним и нижним днищем которого размещены топка, выполненная в виде жаровой трубы, а также конвективный газотрубный пучок, соединенные по ходу газов в своей нижней части через поворотную камеру, причем это сочленение жаровой трубы с газотрубным пучком является «плавающим» в водяном объеме котла, что и обеспечивает отсутствие существенных механических напряжений. Данное сочленение жаровой трубы с пучком заключено в вертикальную рубашку, прикрепленную к верхнему днищу котла, что вместе с системой подачи, смешения и выхода воды из котла делает котел низкотемпературным. Котел является частично разборным, так как сочленение жаровой трубы с пучком вместе с присоединенным верхним днищем котла соединяется с наружным корпусом котла на фланцах (см. патент DE 19957000, МПК F 24 H 1/22, опуб. 31.05.01 г.).

Недостатками прототипа являются:

возможность применения данной конструкции только для котлов малой мощности;

недостаточно высокая ремонтопригодность котла;

ограниченные возможности для снижения выбросов окислов азота;

наличие ограничения по температуре подаваемой в котел обратной воды.

Задачей создания изобретения является разработка котла широкого диапазона мощностей, более удобного в эксплуатации, имеющего лучшие технические характеристики, не требующего применения специальных технологий при его изготовлении, более рационально использующего объем помещения котельной и имеющего более низкие выбросы оксидов азота.

Поставленная задача согласно первому варианту изобретения решается частично с помощью признаков общих с прототипом, указанных в формуле изобретения, таких как низкотемпературный водогрейный котел, включающий корпус между верхним и нижним днищами которого размещена топка, выполненная в виде жаровой трубы и конвективный газотрубный пучок, причем топка по ходу газов соединена в своей нижней части с газотрубным пучком второго хода через внутреннюю поворотную камеру и данное сочленение является «плавающим» в водяном объеме котла при его вертикальном расположении.

Кроме того, поставленная задача решается с помощью следующих отличительных признаков:

- газотрубный пучок разбит по ходу газов на две равные симметричные части, и они выходят частично или полностью за верхнее днище котла;

- котел дополнительно снабжается двумя цилиндрическими водяными камерами с заключенными в них газотрубными пучками третьего хода, которые расположены выше основного корпуса котла в горизонтальной плоскости, причем ось камер может быть расположена не перпендикулярно, а под произвольным углом к фронту котла и соединены по ходу газов с основным корпусом котла наружными газовыми поворотными камерами;

- каждая часть пучка второго хода проходит через верхнее днище котла и ограничена сверху собственной трубной доской с фланцем, с боков патрубком, закрепленным на верхнем днище котла и имеющем ответный фланец;

- каждая из двух частей газотрубного пучка второго хода вместе со своей распределительной камерой является съемным элементом, закрепленным внизу к внутренней поворотной камере, а вверху - к ответному фланцу патрубка на верхнем днище основного корпуса котла;

- жаровая труба отделена от остального водяного объема основного корпуса котла цилиндрическим кожухом, образующим кольцевой водяной канал с отверстиями в нижней части для пропуска внутренних поворотных камер, в верхней части для выхода воды из кольцевого канала;

- между цилиндрическим кожухом и корпусом котла выполнены вертикальные перегородки, с зазором в нижней части для выхода воды в основной водяной объем котла, что образует два опускных водяных канала;

- внутри топки на водоохлаждаемой поверхности установлен промежуточный излучатель, выполненный из огнеупорного материала и состоящий из пучка параллельных, круглых стержней, закрепленных на коническом основании;

- трубопровод обратной воды подключен к котлу через нижнее днище и заходит далее внутрь трубы, находящейся внутри топки и закрепленной на нижнем днище топки, которая заканчивается водоохлаждаемой крышкой;

- нижнее днище основного корпуса котла имеет лаз для доступа в основной водяной объем котла.

Поставленная задача согласно второму варианту изобретения решается частично с помощью признаков, общих с прототипом, указанных в формуле изобретения, таких как водогрейный низкотемпературный вертикальный котел, включающий корпус, между верхним и нижним днищами которого размещена топка, выполненная в виде жаровой трубы, и конвективный газотрубный пучок, причем топка по ходу газов соединена в своей нижней части с газотрубным пучком второго хода через внутреннюю поворотную камеру и данное сочленение является «плавающим» в водяном объеме котла при его вертикальном расположении.

Кроме того, поставленная задача решается с помощью следующих отличительных признаков:

- газотрубный пучок разбит по ходу газов на две равные симметричные части, и они выходят частично или полностью за верхнее днище котла;

- каждая часть пучка второго хода проходит через верхнее днище котла и ограничена сверху собственной трубной доской с фланцем, с боков патрубком, закрепленным на верхнем днище котла и имеющем ответный фланец;

- каждая из двух частей газотрубного пучка второго хода вместе со своей распределительной камерой является съемным элементом, закрепленным внизу к внутренней поворотной камере, а вверху - к ответному фланцу патрубка на верхнем днище основного корпуса котла;

- жаровая труба отделена от остального водяного объема основного корпуса котла цилиндрическим кожухом, образующим кольцевой водяной канал с отверстиями в нижней части для пропуска внутренних поворотных камер, в верхней части для выхода воды из кольцевого канала;

- между цилиндрическим кожухом и корпусом котла выполнены вертикальные перегородки, с зазором в нижней части для выхода воды в основной водяной объем котла, что образует два опускных водяных канала;

- внутри топки на водоохлаждаемой поверхности установлен промежуточный излучатель, выполненный из огнеупорного материала и состоящий из пучка параллельных, круглых стержней, закрепленных на коническом основании;

- трубопровод обратной воды подключен к котлу через нижнее днище и заходит далее внутрь трубы, находящейся внутри топки и закрепленной на нижнем днище топки, которая заканчивается водоохлаждаемой крышкой;

- нижнее днище основного корпуса котла имеет лаз для доступа в основной водяной объем котла.

Вышеперечисленные признаки позволяют получить следующий технический результат:

- котел имеет широкий диапазон мощностей;

- улучшение условий эксплуатации котла, заключающееся в повышении степени ремонтопригодности котла (возможность замены газотрубных пучков как второго, так и третьего хода), возможности осмотра состояния поверхностей нагрева и удаления шлама, осуществлении очистки конвективных поверхностей нагрева котла путем последовательной продувки каждой из двух конвективных ветвей вентилятором горелки, отсутствии громоздких топочных дверок, отсутствие необходимости в подмешивающем насосе при пуске;

- отсутствует необходимость применения специальных технологий при изготовлении котла, а сварные соединения в газотрубных пучках заменены на вальцовочные;

- возможность более рационального использования объема помещения котельной, что достигается варьированием соотношений длин топки, газотрубных пучков второго и третьего ходов;

- улучшение характеристик работы котла, в том числе отсутствие нижнего предела температуры обратной магистрали при работе котлов на малых нагрузках;

- снижение выбросов оксидов азота за счет применения промежуточного излучателя.

Указанные выше признаки (как для первого, так и второго вариантов) каждый в отдельности и совместно направлены на решение поставленной задачи - разработка удобного в эксплуатации, с рациональной компоновкой, имеющего улучшенные характеристики и низкие выбросы оксидов азота котла с широким диапазоном мощностей и являются существенными. Использование предлагаемого сочетания существенных отличительных признаков в известном уровне техники не обнаружено, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности «новизна».

Изобретение поясняется описанием конкретного (с разделением конвективных пучков на две части и тремя ходами в котле), но не ограничивающего его примера реализации и прилагаемыми чертежами, где

- на фиг.1 представлен продольный разрез котла от наружной стенки котла по опускному водяному каналу до оси топки и далее по линии между центрами топки и газотрубного пучка второго хода (по А-А);

- на фиг.2 - поперечный разрез котла на высоте установки промежуточного излучателя по Б-Б фиг.1;

- на фиг.3 - вид котла сверху;

- на фиг.4 - сечение по оси третьего хода по В-В фиг.3.

Низкотемпературный водогрейный котел (фиг.1) включает корпус 1, между верхним 2 и нижним 3 днищами которого размещены топка 4, выполненная в виде жаровой трубы 5, а также конвективный газотрубный пучок 6. Топка 4 соединена по ходу газов в нижней своей части с газотрубным пучком второго хода 6 через внутреннюю поворотную камеру 7, при этом такое сочленение является «плавающим» в водяном объеме котла.

Газотрубный пучок разбит по ходу газов на две равные симметричные части, и они выходят частично или полностью за верхнее днище 2 котла. Котел снабжен двумя цилиндрическими камерами 8 (фиг.3, 4) с заключенными в них частями газотрубных пучков третьего хода 9 (для второго варианта изобретения отсутствуют), которые расположены выше основного корпуса 1 в горизонтальной плоскости и соединены по ходу газов с основным корпусом котла наружными газовыми поворотными камерами 10. Каждая часть пучка второго хода проходит через верхнее днище 2 котла и ограничена сверху трубной доской с фланцем 11, например, круглой формы, с боков патрубком, например в форме цилиндра 12, закрепленным на верхнем днище 2 котла и имеющем ответный фланец 13. Каждая из двух частей газотрубного пучка второго хода 6 с распределительной камерой 14 является съемным элементом, закрепленным внизу к внутренней поворотной камере 7, а вверху - к ответному фланцу 13 патрубка 12 на верхнем днище 2 корпуса котла. Жаровая труба 5 отделена от остального водяного объема котла цилиндрическим кожухом 15 (фиг.1), образующим кольцевой водяной канал 16, с отверстиями в нижней части 17 для пропуска внутренних поворотных камер 7, в верхней части 18 для выхода воды из кольцевого канала 16. Между цилиндрическим кожухом 15 и корпусом котла 1 выполнены вертикальные перегородки 19 (фиг.2) с зазором 20 в нижней части для выхода воды в основной водяной объем 21 котла.

Топка 4 снабжена промежуточным излучателем 22 (фиг.1), установленным внутри нее на водоохлаждаемой поверхности. Промежуточный излучатель 22, выполненный из огнеупорного материала, состоит из пучка параллельных круглых стержней 23, закрепленных на коническом основании 24.

Трубопровод обратной воды 25 подключен к котлу через нижнее днище 3 и заходит далее внутрь трубы 26, находящейся внутри топки 4, которая заканчивается водоохлаждаемой крышкой 28 (фиг.1). Котел состоит из цилиндрического основного корпуса 1 с верхним днищем 2 и нижним днищем 3, внутри корпуса 1 размещены топка 4, выполненная в виде жаровой трубы 5, конвективный газотрубный пучок второго хода 6, разделенный на две равные симметричные части, две поворотные камеры 7, две распределительные камеры 14, цилиндрический кожух 15, две вертикальные перегородки 19, обратный трубопровод 25 и два цилиндрических кольца 52, а также двух водяных цилиндрических камер 8 с заключенными в них частями газотрубных пучков третьего хода 9, соединенных с основным корпусом 1 наружными газовыми поворотными камерами 10 и двух концевых газовых камер 30.

Топка 4 кроме жаровой трубы 5 имеет верхнее днище 29, нижнее днище 27, внутреннюю водоохлаждаемую трубу 26 с крышкой 28, промежуточный излучатель 22 и крепится к верхнему днищу 2 основного корпуса котла 1 с помощью цилиндрического патрубка 30.

Жаровая труба 5 имеет в нижней части два отверстия 31 для поворотных камер 7, верхнее днище 29 топки 5 имеет отверстие 32 для допуска в топку и установки горелки, а нижнее днище 27 имеет отверстие 33 для выхода обратной воды из трубы 26 в подтопочный водяной объем 34.

Цилиндрический кожух 15 образует вокруг жаровой трубы 5 кольцевой водяной канал 16, имеет два отверстия 17 в нижней части для пропуска поворотных патрубков 7 и два отверстия 18 в верхней части для выхода воды.

Вертикальные перегородки 19 между цилиндрическим кожухом 15 и корпусом 1 образуют два опускных водяных канала 36 и выполнены с зазорами 20 в нижней части для выхода воды в основной водяной объем котла 21.

В нижнем днище 3 основного корпуса 1 имеется лаз 51 для возможности осмотра, обслуживания и ремонта котла, а также отверстие 37 для входа трубопровода обратной воды 25 в котел.

В верхнем днище 2 основного корпуса имеются два отверстия 38 для прохода воды в водяной объем 39 цилиндрических патрубков 12 с ответными фланцами 13 и отверстие 40 для цилиндрического патрубка 30.

Обе части конвективного газотрубного пучка 6, состоящие из верхней трубной доски с фланцем 11, газовых трубок 41 и нижней трубной доски 42 вместе с присоединенными к ним распределительными камерами 14 и сегментными уплотнительными соединениями 43 являются съемными элементами.

Промежуточный излучатель 22 выполнен из огнеупорного материала и состоит из пучка параллельных круглых стержней 23, закрепленных на коническом основании 24. Цилиндрические кольца 52 имеют диаметр не более диаметра нижней трубной доски 42, крепятся к основному корпусу 1, а снимаются вместе с частями пучка 6.

Обе части газотрубного конвективного пучка третьего хода 9 состоят из трубных досок 44 и газовых трубок 45.

Водяные цилиндрические камеры 8 соединяются с наружными поворотными камерами 10 и концевыми камерами 30 уплотнительными соединениями 46.

Наружные поворотные камеры 10 и концевые камеры 30 имеют съемные крышки 47, а концевые камеры 30 имеют также патрубки для выхода газов из котла 48.

Цилиндрические патрубки 12 соединены с водяными камерами 8 отводами 49. Выход воды из котла через патрубки 50.

Котел работает следующим образом: образующиеся при сжигании топлива в топке 4 дымовые газы поступают из нижней части жаровой трубы 5 во внутренние поворотные камеры 7, проходят через распределительные камеры 14, откуда расходятся по вертикальным газовым трубкам 41 конвективных пучков второго хода 6, выходят из них в наружные поворотные камеры 10, далее поступают в горизонтальные газовые трубки 45 конвективных пучков третьего хода 9 в цилиндрических камерах 8, выходят из них в концевые камеры 30, поворачивают на 90° и покидают котел через выходные патрубки 48.

Вода поступает в котел по обратному трубопроводу 25 в верхний участок трубопровода 26 с крышкой 28, расположенные внутри топки, разворачивается на 180°, направляется вниз по межтрубному пространству труб 26 и 25 в подтопочное водяное пространство 34, через отверстие 33 обтекает нижнее днище топки 27 и поднимается вверх по кольцевому каналу 16 в надтопочное водяное пространство 35. Далее вода омывает верхнее днище топки 29, через отверстия 18 в верхней части кожуха 15 поступает в опускные каналы 36 и через зазоры 20 в нижней части перегородок 19 выходит в основной водяной объем 21 основного корпуса 1 котла. Затем вода омывает наружные поверхности внутренних поворотных камер 7 и соединенных с ними распределительных камер 14, а далее поднимается в основном объеме котла 21 тремя потоками:

- двумя потоками между нижними трубными решетками 42 и цилиндрическими кольцами 52 вдоль наружных поверхностей трубок второго хода 41;

- потоком, ограниченном внутренней боковой поверхностью основного корпуса 1, стенками перегородок 19, частью наружной поверхности кожуха 15, выходящей в основной объем 21 и двумя предыдущими потоками. Поднимаясь выше уровня цилиндрических колец 52, потоки перемешиваются в нижней части водяного объема 39, затем вода двумя потоками направляется вверх до трубных решеток 11, а далее по трубным отводам 49 вода из основного корпуса 1 котла переходит в межтрубное водяное пространство цилиндрических камер 8, омывает наружные поверхности трубок 45 пучков третьего хода 9 и выходит из котла через патрубки 50.

Таким образом, при первоначальном проходе обратной воды от нижнего днища котла к верхнему по кольцевому каналу между жаровой трубой и цилиндрическим кожухом поток обратной воды соприкасается с дымовыми газами только через стенки топки, что обеспечивает предварительный нагрев обратной воды без конденсации паров воды в дымовых газах. Далее частично нагретая обратная вода по опускным водяным каналам вновь поступает в нижнюю часть котла, но уже в основной водяной объем, ее скорость значительно уменьшается и вода движется вдоль трубок пучков второго хода снизу вверх, что совпадает с направлением естественной конвекции, поэтому в пучках организуется ламинарный поток, исключающий доступ относительно холодных слоев обратной воды к стенкам трубок второго хода. Именно это и исключает конденсацию влаги в дымовых газах трубок второго хода, тем самым, обеспечивая низкотемпературную теплогенерацию в котле.

При работе котла на малых нагрузках и низких температурах обратной воды расход воды через котел уменьшается в несколько раз (до четырех-пяти раз), соответственно возрастает перепад температур нагреваемой в котле воды, а на конвективных поверхностях температура поверхности трубок повышается выше температуры точки росы, поэтому нижний предел температуры обратной магистрали практически отсутствует.

Пуск котла происходит в режиме сочетания максимальной нагрузки горелки с минимальным расходом воды через котел, при этом пристенный пограничный ламинарный слой воды около трубок пучков второго хода быстро нагревается за счет влияния естественной конвекции воды, поэтому температура газов в пучках очень быстро «проскакивает» температуру точки росы, соответственно нет необходимости в работе подмешивающего насоса при пуске котла.

Из описания и практического применения настоящего изобретения специалистам будут очевидны и другие частные формы его выполнения.

Данное описание и примеры рассматриваются как материал, иллюстрирующий изобретение, сущность которого и объем патентных притязаний определены в нижеследующей формуле изобретения.