Прямоточний водогрійний котел на газовому паливі

Прямоточний водогрійний котел на газовому паливі, що містить топку з радіаційною поверхнею нагріву з вертикальними екранами, газові пальники, розміщені між екранами, та конвективний газохід-шахту з конвективною поверхнею нагріву із змійовиковими трубами, який відрізняється тим, що змійовикові труби конвективної поверхні нагріву виконані діаметром 28 < d < 38 мм і розміщені з кроком 64 < S1 < 84 мм, при цьому між трубами рівномірно розміщені металеві розпірки . (19) (21) u201001768 (22) 18.02.2010 (24) 26.07.2010 (46) 26.07.2010, Бюл.№ 14, 2010 р. (72) ЛАВРЕНЦОВ ЄВГЕН МИХАЙЛОВИЧ, СІГАЛ ІСААК ЯКОВИЧ, СМІХУЛА АНАТОЛІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, СКРИПКО ВАЛЕРІЙ ЯКОВЛЕВИЧ, КУЧИН ГЕННАДІЙ ПЕТРОВИЧ, КЕРНАЖИЦЬКА ОЛЕНА СТЕПАНІВНА (73) ЛАВРЕНЦОВ ЄВГЕН МИХАЙЛОВИЧ, СІГАЛ ІСААК ЯКОВИЧ, СМІХУЛА АНАТОЛІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ, СКРИПКО ВАЛЕРІЙ ЯКОВЛЕВИЧ, КУ 3 ристання труб більшого діаметру в конвективній поверхні нагріву і змінення кроку їх розташування, забезпечується збільшення поверхні нагріву і, тим самим, її теплоз'єму, зменшення температури відхідних газів і збільшення ККД котла, а також зменшення гідравлічного і аеродинамічного опорів. За рахунок цього заощаджується витрата газу, зменшується кількість парникових газів і шкідливих викидів в атмосферу, а також зменшується витрата електроенергії на приводи циркуляційних насосів і димососа. Поставлене завдання вирішено завдяки тому, що в прямоточному водогрійному котлі на газовому паливі, який містить топку з радіаційною поверхнею нагріву з вертикальними екранами, газові пальники, розміщені між екранами, та конвективний газохід-шахту з конвективною поверхнею нагріву із змійовиковими трубами; згідно пропозиції змійовикові труби конвективної поверхні нагріву виконані діаметром 28 < d < 38 мм і розміщені з кроком 64 < S1< 84 мм, при цьому між трубами рівномірно розміщені металеві розпірки. Сукупність відмітних ознак пропозиції дозволяє вирішити поставлене завдання тому, що в трубах більшого діаметру зменшується швидкість води і зменшується гідравлічний опір, збільшується термін експлуатації труб до їх зашлакування, зменшується швидкість продуктів згорання при збільшенні поперечного кроку труб і зменшується аеродинамічний опір, а також збільшується загальна площа труб і тому збільшується теплоз'єм і, тим самим, суттєво знижується температура відхідних газів і, внаслідок цього, суттєво підвищується коефіцієнт корисної дії і зменшується витрата газу, а металеві розпірки дістаційно фіксують змійовикові труби і унеможливлюють їх від горизонтального чи вертикального переміщення під час роботи котла і тим самим забезпечують незмінність кроків розташування труб. Запропонований котел зображений на кресленнях: Фіг.1 - у поперечному перерізі; фіг. 2 - у подовжньому перерізі; фіг. 3 -секція конвективної поверхні нагріву; фіг. 4 - переріз по АА на фіг. 3. Запропонований прямоточний водогрійний котел містить топку 1 з вертикальними стінками фронтальною, задньою, боковими і стельовою, а також з радіаційною поверхнею нагріву, яку виконано з вертикальних топкових екранів 2 і стельового екрану 3. Вертикальні топкові екрани, частина з яких є двосвітніми, розміщені в топці рівномірно між боковими стінками, а стельовий екран несе ще функцію опори для стелі топки. На поду топки між вертикальними топковими екранами розміщені газові пальники 4. За задньою стінкою топки розміщений конвективний газохід-шахта 5 із стінками передньою, задньою, боковими і стельовою, а між топкою і конвективним газоходом-шахтою у верхній частині топки виконано вікно 6 для проходу продуктів згорання з топки в конвективний газохід 51709 4 шахту. В конвективному газоході-шахті встановлена змійовикова поверхня нагріву 7 . Внизу конвективного газоходу-шахти поблизу бокових стінок розміщені нижні колектори 8 конвективної поверхні нагріву, в яких встановлені стояки-колектори 9 своїми нижніми торцями. В кожному стояку рівномірно по всій його висоті виконані заглушки 10 з отворами для спуску повітря при заповнені кола водою в період підготовки котла до пуску і також рівномірно по всій висоті стояка встановлені змійовикові труби 11. Тобто стояк з встановленими змійовиковими трубами утворюють секцію конвективної поверхні нагріву. Всі секції своїми стоякамиколектрами їх верхніми торцями встановлені у верхні колектори 12 конвенктивної поверхні. Тобто в конвективній поверхні нагріву змійовикові труби направлені назустріч одна одній, створюючи розташування труб у шаховому порядку з поперечним кроком S1 = 72 мм і продовжним кроком S2 = 35 мм, а між трубами встановлені металеві розпірки 13. До конвективного газоходу-шахти знизу приєднаний боров 14, який , в свою чергу, з'єднаний з димососом чи напряму з димовою трубою при роботі котла на природній тязі. Пропонований прямоточний водогрійний котел працює таким чином. Котел спочатку наповнюють холодною хімічно очищеною водою, яка через дренажні лінії входить і, підіймаючись по трубах, одночасно витискує повітря з труб, заповнюючи порожнину труб, до появи води на виході із спускних ліній. Після заповнення котла водою дренажні і спускні лінії перекривають. Включають систему циркуляції. Воду циркуляційними насосами подають в нижні колектори 8 конвективної поверхні нагріву і, завдяки встановленим в стояках заглушкам 10, послідовно подають через змійовикові труби d = 32 мм 11 в верхні колектори 12 конвективної поверхні. Далі воду послідовно направляють по трубах стельового екрана З, вертикальних топкових екранах 2, після яких її направляють в систему опалення. Потім включають пальники 4. Тепло від факелу і продуктів згорання палива, в основному, випромінюванням передають радіаційній поверхні нагріву котла до 50..60 % від всього отриманого в топці тепла від спалювання палива. Решта тепла з продуктами згорання проходить через вікно 6 в топці у конвективний газохід-шахту 5, де його конвекцією передають змійовиковим трубам 11 конвективної поверхні нагріву. Після віддачі продуктами згорання свого тепла змійовиковим трубам продукти згорання охолодженими і з порівняно низькою температурою направляють в димовий боров 14. Випробування водогрійного котланайближчого аналогу і котла пропонованої конструкції були проведені в котельні Р/К «Попова, 4» і котельні Р/К «Депутатська, 2» АЕК «Київенерго» Житлотеплоенерго. Нижче в таблиці 1 наведені результати випробувань 5 51709 6 Таблиця 1 Результати випробувань прототипу та пропонованої конструкції котла. 1 1. 2. 3. 4. Назва параметрів 2 Діаметр труби конвективної поверхні, d, mm Поперечний крок труб, мм Площа конвективної поверхні нагріву, м2 Швидкість газів в конвективному газоході, м/с 5. Коефіцієнт теплопередачі, 6. Коефіцієнт корисної дії, % кг Гідравлічний опір, см2 кг Аеродинамічний опір, 2 м Температура відхідних газів, °С Концентрація CO, приведена, мг до н.у. та мг 1 3 , м Концентрація NO, приведена, мг до н.у. та мг 1 3 , м 7. 8. 9. 10. 11. Прототип 3 28 64 141,9 8,13 ккал м 2 66,8 ч С Як бачимо за результатами випробувань, виготовлення конвективно!' поверхні нагріву з труб Ø32x3 мм і S1 = 72 мм підвищує ККД котла пропонованої конструкції до 94,45 % проти 91,6 % в прототипі, а також зменшує гідравлічний опір до 1,4.. кг кг 1,6 проти 1,92 і аеродинамічний опір до 2 см см2 кг кг 98 2 проти 107 2 . м м Виконання конвективної поверхні нагріву з труб Ø38×3 мм вимагає збільшення поперечного кроку змійовикових труб до S1 = 84 мм, що значно більше ніж у прототипі і це призводить до ще більшого зниження швидкості продуктів згорання, що сприяє суттєвому зниженню аеродинамічного опору. В той же час таке виконання збільшує і подовжній крок до S2 = 80 мм внаслідок збільшення радіуса згинання труби в змійовик при збільшенні діаметра труби. А це призводить до зменшення кількості труб, які можна розташувати по висоті шахти, приблизно до 25 %. Тобто живий переріз труб для проходу води і загальний розмір поверхні нагріву суттєво не відрізняються від цих показників прототипу і тому не вирішують поставлене завдання. А коли врахувати, що при цьому ще й зменшується швидкість продуктів згорання в шахті, а значить і теплоз'єм і ККД, то, незважаючи на зменшення аеродинамічного опору, що призводить до деякого заощадження електроенергії на привід димососа, маємо загальні перевитрати за рахунок головного економічного показника - суттєвого зниження ККД. Пропонована конструкція 4 5 6 32 32 38 64 72 84 160,3 160,3 145,58 9,5 7,84 6,77 75,0 70,5 65,0 91,6 93.4 94,45 89,5 1,92 1,6 1,4 1,15 107 141 97,5 90 172 123 103 190 73 73,9 42,9 50 199,3 218 200 200 Для аргументації обраного поперечного кроку S1 = 72 мм в котлі пропонованої конструкції була виготовлена конвективна поверхня нагріву з змійовиковими трубами d = 32 мм, але з S1 = 64 мм. При цьому зростає швидкість газів до 9,5 м/с і, як наслідок, аеродинамічний опір майже на 50 % і дорівнює 141 кг/м2 проти 98 кг/м2 при S1 = 72 мм. Вищенаведений порівняльний аналіз результатів випробувань котлів прототипу і пропонованої конструкції дає можливість стверджувати, що діаметр змійовикової труби і її крок S1 в конвективній поверхні нагріву для пропонованої конструкції водогрійного котла повинні бути: 28 < d < 32 мм і 64 < S1< 84 мм. Використання в пропонованій конструкції котла труб d = 38 мм і більше для виготовлення конвективної поверхні нагріву, незважаючи на деяке зниження гідравлічного і аеродинамічного опорів, призводить до значного зниження швидкості продуктів згорання, внаслідок збільшення кроку S1 до значень більших ніж 84 мм, до зменшення теплоз'єму, до підвищення температури відхідних газів і до зниження ККД. Тобто призводить до значного збільшення витрати палива, яке значно більше від заощадження електроенергії циркуляційними насосами і димососом від незначного зниження гідравлічного і аеродинамічного опорів. Використання труб діаметром меншим 28 мм для виготовлення конвективної поверхні нагріву в котлі пропонованої конструкції не розглядалося тому, що такі труби швидко зашлаковуються і у всесвітній практиці для виготовлення конвективної поверхні нагріву їх не використовують. 7 51709 Концентрація шкідливих речовин в продуктах згорання в прототипі і пропонованій конструкції приблизно однакова і по оксиду вуглецю становить CO = 43..70 мг/м та по оксиду азоту - NOx 200 мг/м . Але викид цих шкідливих речовин до атмосфери котлом пропонованої конструкції знижується у зв'язку з заощадженням витрати газу на ~ 3,5..4 % і, таким чином, знижується парниковий ефект від експлуатації таких водогрійних котлів. 8 Для змійовикових труб d = 30 мм id – 34 мм були зроблені розрахунки за основними показниками, котрі наведені в табл. 2. З порівняльного аналізу основних показників (Табл. 2) бачимо, що пропозиція з використанням труби d = 32 мм має кращі показники порівняно з використанням труб діаметрами меншими чи більшими від запропонованої труби. Таблиця 2 Розрахункові показники пропонованих конструкцій котла при використанні труб Ø30×3 мм і Ø34×3 мм. № № 1. 2. 3. 4. 5. 6. Назва параметрів Площа конвективної поверхні нагріву, м2 Швидкість газів в конвективному газоході, м/с Температура відхідних газів, °С Коефіцієнт корисної дії, % кг Гідравлічний опір, см2 кг Аеродинамічний опір, 2 м Впровадження пропонованої конструкції водогрійного котла суттєво підвищує головний економічний показник коїла - коефіцієнт корисної дії до η 95 % проти показника прототипу до η 92 %. Це призводить до суттєвого заощадження природного газу і зниження парникового ефекту. Як показав розрахунок економічного ефекту річна економія газу від експлуатації одного котла пропонованої конструкції порівняно з прототипом Діаметр труби, d, мм; Поперечний крок, S1, мм d=30 d=32 d=34 S1=70 S1=72 S1=80 149,5 160,3 138,5 7,6 7,84 6,8 155 103 185 92 94,45 90,3 1,85 1,4 1,25 103, 97,5 95 сягає понад 170 тис. м3/рік, чи більше 400 тис. грн,, а річна ергономія за рахунок зниження парникового ефекту - 39 тис. грн.. Сумарний ефект - 400 + 39 = 439 тис. грн.. Термін експлуатації водогрійних котлів прийнято 14..15 років. Загальний ефект від експлуатації одного котла пропонованої конструкції - 439×15 = 6,58 млн. грн. 9 51709 10 11 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 51709 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601