Модульний водогрійний котел

Реферат: Винахід належить до теплоенергетики, а саме до конструкції водогрійних котлів, в яких вода відділена від камери спалювання, і призначений для опалення і гарячого водопостачання приміщень, для використання в системах з технологічним обладнанням, для сушильних процесів. Модульний водогрійний котел містить теплоізольований водоохолоджувальний циліндричний корпус з внутрішньою обичайкою, що має часткове вертикальне оребрення і розподіляє водяну сорочку на дві щілинні камери, топкою у вигляді жарової труби, знімним вторинним випромінювачем, що обладнаний рециркуляційною вставкою, та знімною виносною конвективною частиною у вигляді водотрубного теплоутилізатора. Використання винаходу дозволить суттєво підвищити теплову ефективність, забезпечити збільшення коефіцієнта корисної дії, зменшити питомий викид шкідливих речовин в атмосферу. Гнучка модульна схема побудови дозволяє використовувати кожен з елементів котла сумісно або окремо за призначенням з іншим устаткуванням. UA 102363 C2 (12) UA 102363 C2 UA 102363 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до теплоенергетики, а саме до конструкції водогрійних котлів, в яких вода відділена від камери спалювання. Котел призначений для використання в системах з технологічним обладнанням, а також для опалення і гарячого водопостачання житлових, громадських та промислових будівель, для сушильних процесів. Відомі конструкції водогрійних котлів з вентиляторними пальниковими пристроями, що містять циліндричний корпус, в якому розміщена топка у вигляді жарової труби і димогарні труби (Мхитарян Н.М. Энергосберегающие технологии в жилищном и гражданском строительстве. К.: Наукова думка, 2000. -С. 208-214). Недоліками даних котлів є складність конструкції - велика кількість поворотних камер, технологія виготовлення (велика протяжність зварювальних швів), великий аеродинамічний опір, складність ремонту та внутрішнього обслуговування, велика металоємність та вага з котловою водою. Наведені конструкції мають також обмежену область застосування та можливість отримання тільки гарячої води. Найбільш близьким аналогом, вибраним як прототип, є водогрійний котел (Патент України на корисну модель № 57379, МПК, F24H 1/12, 2011), що містить корпус, в якому розташована топка з тепловим випромінювачем та з водяною сорочкою, що оснащена горизонтальними перегородками, на вході якої встановлений блоковий газовий пальник, а також конвективну частину, виконану з секцій оребрених труб, послідовно з'єднаних між собою та з водяною сорочкою котла. Загальними суттєвими ознаками відомого та котла, що заявляється, є компоновка поверхонь нагріву. При роботі відомого котла зворотна циркуляційна вода надходить в конвективну частину, проходить крізь трубні секції, з'єднані перепускними патрубками, та потрапляє у водяну сорочку топки, оснащену горизонтальними перегородками, та далі до споживача. Включення пальникового пристрою в роботу призводить до спалювання органічного палива в топці. Теплота від факелу передається радіаційним шляхом водоохолоджувальній стінці топки, теплопередача інтенсифікується поперечним газопроникним керамічним екраном (вторинним випромінювачем). Далі продукти спалювання проходять крізь вторинний випромінювач, крізь конвективну частину котла і потім - у димову трубу. Конструкція котла має велику кількість перепускних фланцевих патрубків, кожен з яких оснащено кранами для видалення повітря. Конвективна частина має досить великі розміри та металоємкість. Топка котла з поперечним керамічним вторинним випромінювачем має значний аеродинамічний опір, ерозійний знос керамічного екрана та зонні об'ємні локальні перегріви. Високий гідравлічний опір водяної сорочки котла та велика кількість поворотів під час руху теплоносія викликає нерівномірне його нагрівання, що призводить до появи конденсату в топці, конвективній частині та на корпусі котла, особливо при низьких навантаженнях. Все це негативно позначається на його строках служби та обмежує область застосування. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення модульного водогрійного котла шляхом зміни конфігурації поверхонь нагріву та конструкції його елементів, що дозволить за рахунок виникнення внутрішньої рециркуляції та повторного допалу димових газів забезпечити покращення теплообміну, збільшити ККД та розширити межі області його використання. Поставлена задача вирішується тим, що модульний водогрійний котел, який містить теплоізольований водоохолоджувальний циліндричний корпус з топкою у вигляді жарової труби та виносною конвективною частиною у вигляді водотрубного теплоутилізатора, згідно з винаходом, додатково містить знімний вторинний циліндричний випромінювач, внутрішню обичайку, що має часткове вертикальне оребрення і розподіляє водяну сорочку на дві щілинні камери, знімну виносну конвективну частину, вторинний випромінювач обладнаний додатково рециркуляцiйною вставкою, а приєднувальні патрубки котла та виносної конвективної частини виконані з різними діаметрами. Виконання топки зі знімним вторинним випромінювачем дозволяє підвищити ККД топки, зменшити температуру вихідних димових газів та забезпечити появу другого ходу газів рециркуляції, що позитивно впливає на інтенсифікацію теплообміну за рахунок використання всіх трьох видів теплопередачі, забезпечити простоту та технологічність виготовлення, зменшити протяжність зварювальних швів та трудовитрати при виготовленні. Регулюванням положення вторинного випромінювача в топці котла відносно пальникового пристрою знаходять оптимальний режим горіння, стабілізують факел та впливають на співвідношення об'ємів газів рециркуляції та транзитних димових газів на різних видах палива та теплових навантаженнях. Утворення водяної сорочки шляхом розподілення на дві щілинні камери з переборками призводить до появи направленого руху теплоносія та його стадійного нагріву, ліквідує нерівномірність нагрівання, підвищує теплопродуктивність котла та зменшує тепловтрати в навколишнє середовище. 1 UA 102363 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Гнучка модульна теплова схема котла з виносною конвективною частиною дозволяє використовувати котел для нагріву води в системі теплозабезпечення або технологічних установках, а також для нагріву води та повітря з теплоутилізатором або без нього, наприклад в сушильних процесах. Кожен з модулів котла є закінченим виробом, який можна використовувати окремо або набирати з них необхідну теплогенеруючу установку, що вкрай важливо для економії площі забудови. Розрахунки, проведені для дослідного зразка котла теплопродуктивністю 1,25 МВт на природному газі, показують високі конструктивні та теплотехнічні якості котла та можливість отримання ККД до 98 % на мінімальній та 94 % при номінальній теплопродуктивності. При 3 цьому розрахунковий питомий викид СО не більший 60 мг/м , оксиду азоту - не більший 100 3 мг/м . Таким чином, запропонована конструкція котла дозволяє суттєво спростити виготовлення, зменшити металоємність та підвищити теплову ефективність при зменшенні шкідливих викидів в атмосферу. Додатковою відміною є те, що жарова труба і внутрішня обичайка мають неповне часткове вертикальне оребрення, що сприяє підвищенню швидкості руху теплоносія та часу його перебування в котлі і, як наслідок, забезпечує інтенсифікацію теплопередачі і ліквідує зони перегріву в топці. Запропонована конструкція за рахунок внутрішньої обичайки забезпечує появу другого ходу теплоносія в об'ємі водяної сорочки та його поступовий нагрів. Окрім того, вода на вході в котел оминає розподільник потоку, який задає направлення руху. При цьому вхід теплоносія у внутрішню камеру нагріву, що обрамлена внутрішньою обичайкою та жаровою трубою, забезпечується в нижній фронтальній частині котла, а вихід до споживача - тільки з під внутрішньої обичайки. Застосування поздовжньо-обтічного циліндричного частково оребреного вторинного випромінювача призводить до появи внутрішньої рециркуляції в топці та не збільшує її аеродинамічний опір. Окрім того, теплова енергія факелу передається теплоносію шляхом кондукції - крізь ребра, конвекції - при повороті димових газів на фронт котла, в щілинному зазорі між корпусом вторинного випромінювача і жаровою трубою, та радіації - при нагріванні вторинного випромінювача в діапазоні температур 600-900 °C. Сукупність конструктивних рішень сприяє підвищенню ККД топки, стабілізації факелу, інтенсифікації теплообміну та зменшенню шкідливих викидів за рахунок повторного допалу димових газів. Запропонований модульний водогрійний котел пояснюється кресленнями: На фіг. 1 показано повздовжній розріз котла, на фіг. 2 - каркас котла без зовнішньої обичайки, на фіг. 3 зовнішній вигляд вторинного випромінювача та розміщення його в топковій камері, на фіг. 4 вигляд трубного теплообмінного пучка виносної конвективної частини. Модульний водогрійний котел містить теплоізольований циліндричний корпус 1 із внутрішньою обичайкою 2, топкою у вигляді жарової труби 3, зі знімним вторинним випромінювачем 4 з додатковою рециркуляційною вставкою, до якої за допомогою фланця приєднується конвективна частина водотрубного теплоутилізатора 5 у вигляді горизонтального трубного пучка, з вибуховим клапаном 6 та збірною коробкою димових газів 7. Пальниковий пристрій 8 забезпечує спалювання паливно-повітряної суміші. Евакуація димових газів забезпечується підключенням до димової труби 9, теплоносій від споживача подається в патрубок 10, вихід теплоносія до споживача - від патрубка 11, вхід теплоносія в котел - крізь патрубок 12, вихід теплоносія з конвективної частини - крізь патрубок 13, злив теплоносія з котла - через патрубок 14. Модульний водогрійний котел працює наступним чином. За допомогою пальника 8 в об'ємі циліндричної частини вторинного випромінювача 4, розташованого в топці 3, здійснюється спалювання паливно-повітряної суміші. Утворені від цього процесу димові гази рухаються в напрямку конвективної частини 5, проходять її, надходять в збірну коробку 7, яка з'єднана з димовою трубою 9. При цьому частина димових газів повертається на фронт котла в щілинному зазорі між жаровою трубою та стінкою вторинного випромінювача по каналах, які створені оребренням циліндричної частини та проходять повторне спалювання. Таким чином утворюється двоходова топка по димових газах. Вода з системи опалення надходить в котел через патрубок 10, проходить крізь трубні пучки з гладких та спірально-оребрених труб, розташованих рядками в шаховому порядку, за рахунок чого має багатоходову систему нагрівання, зміну напрямку руху потоку в пучках та достатню швидкість, яка забезпечує відсутність іржі та накипу на стінках. Після цього попередньо нагріта вода потрапляє в патрубок 13, який з'єднаний перепуском з патрубком 12, розташованим на котлі. Діаметри вихідного патрубка 13 та 12 різняться, за рахунок чого виникає інжекційний ефект, який призводить до зменшення гідравлічного опору котла. Вода, яка потрапила в котел, попередньо нагрівається в щілинній камері, розподіленій вертикальними поперечними 2 UA 102363 C2 5 перегородками, між внутрішньою 2 та зовнішньою (корпус) обичайками, а потім входить в нижній фронтальній частині в наступну щілинну камеру між стінкою жарової труби та внутрішньою обичайкою 2. Вода, додатково нагрівшись до заданої температури, потрапляє в патрубок 11 і далі до споживача. Складний рух води в котлі призводить до появи багатоходової системи, що позитивно позначається на рівномірності її нагріву та інтенсіфікації процесу теплопередачі і при цьому не впливає на гідравлічний опір котла. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Модульний водогрійний котел, який містить теплоізольований водоохолоджувальний циліндричний корпус з топкою у вигляді жарової труби та виносною конвективною частиною у вигляді водотрубного теплоутилізатора, який відрізняється тим, що додатково містить знімний вторинний циліндричний випромінювач, внутрішню обичайку, що має часткове вертикальне оребрення і розподіляє водяну сорочку на дві щілинні камери, знімну виносну конвективну частину, вторинний випромінювач обладнаний додатково рециркуляційною вставкою, а приєднувальні патрубки котла та виносної конвективної частини виконані з різними діаметрами. 3 UA 102363 C2 Комп’ютерна верстка М. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4