RU2109224C1

RU2109224C1 - Hot-water boiler

Info

Publication number: RU2109224C1
Application number: RU96105756A
Authority: RU
Inventors: А.П. Логачев; Г.А. Дашковский; П.Н. Мельников
Original assignee: Научно-производственный кооператив "Машиностроитель"
Priority date: 1996-03-26
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 1998-04-20

Abstract

FIELD: heating and hot-water supply systems. SUBSTANCE: hot-water boiler includes side and ceiling screens. Side screens are composed of radiation 1 and convective heat-exchange 2 tubes united in panel via inlet 3, 4 and outlet 5, 6 collectors. Heat-exchange tube is made up of external 7 and additional internal 8 tubes. Intertube space where heat exchange agent circulates houses spiral swirlers 9 made fast to internal tube 8. End face caps 10 are positioned on butts of heat-exchange tube between tubes 7 and 8. External tube 7 has holes 11 for inlet of heat exchange agent into intertube space out of collector 3 and for its outlet into collector. Ceiling screen incorporates vertically positioned heat-exchange tubes 12 of same design integrated in panel via inlet 13 and outlet 14 collectors. Directed flow of flue gases is provided by installation of partitions 15-17. Gases escape through gas conduit. EFFECT: enhanced operational efficiency. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения. The invention relates to a power system and can be used in heating systems and hot water supply.

Известны котлы (патент N 1760997), имеющие боковые и потолочные экраны, соединенные с подводящими и отводящими коллекторами, при этом подъемные и опускные трубы конвективной части бокового экрана расположены с чередованием между собой и каждые две смежные подъемная и опускная трубы подключены посредством тангенциальных патрубков к соответствующей близлежащей трубе радиационной панели, а патрубки расположены ярусами, причем в каждых двух смежных ярусах отводящий патрубок верхнего яруса расположен над подводящим патрубком нижнего яруса. Это обеспечивает продольно-закрученное движение потока теплоносителя в теплообменных трубах. Known boilers (patent N 1760997) having side and ceiling screens connected to the inlet and outlet headers, while the lifting and lowering pipes of the convective part of the side screen are alternating between each other and every two adjacent lifting and lowering pipes are connected by tangential pipes to the corresponding the adjacent pipe of the radiation panel, and the nozzles are arranged in tiers, and in each two adjacent tiers the outlet pipe of the upper tier is located above the inlet pipe of the lower tier. This provides a longitudinally swirling flow of the coolant in the heat exchange tubes.

Недостатком этого технического решения является малая площадь поверхности нагрева, что требует для повышения КПД установки экономайзера, однако, так как данный котел работает на неумягченной воде, экономайзер может быстро выйти из строя из-за отложений на стенках труб. The disadvantage of this technical solution is the small surface area of the heating, which requires an economizer to increase the efficiency of installation, however, since this boiler runs on soft water, the economizer can quickly fail due to deposits on the pipe walls.

Наиболее близким по технической сущности к заявленной конструкции является водогрейный котел (патент N 2018060), содержащий обрамляющие и промежуточные экраны из теплообменных труб, объединенных коллекторами с системой подвода и отвода теплоносителя, при этом в теплообменных трубах эксцентрично установлены дополнительные трубы с соплами, расположенными в зоне сужения кольцевого канала, обеспечивающими закручивание потока в трубе. Повышение эффективности работы котла достигается путем повышения интенсивности теплообмена за счет увеличенной скорости потока теплоносителя в наиболее теплонапряженных участках трубы. Основным недостатком этого технического решения является малая тепловоспринимающая поверхность экранных труб. The closest in technical essence to the claimed design is a hot-water boiler (patent N 2018060), containing framing and intermediate screens from heat transfer pipes combined by collectors with a system for supplying and discharging heat carrier, while additional pipes with nozzles located in the zone are eccentrically installed narrowing of the annular channel, providing swirling flow in the pipe. Improving the efficiency of the boiler is achieved by increasing the intensity of heat transfer due to the increased flow rate of the coolant in the most heat-stressed sections of the pipe. The main disadvantage of this technical solution is the small heat-absorbing surface of the screen tubes.

Цель изобретения - повышение эффективности работы котла путем создания дополнительной тепловоспринимающей поверхности внутри теплообменных труб с одновременным приданием теплоносителю вращательно-поступательного движения. The purpose of the invention is to increase the efficiency of the boiler by creating an additional heat-absorbing surface inside the heat exchange tubes while simultaneously giving the heat carrier rotational-translational motion.

Поставленная цель достигается тем, что водогрейный котел, содержащий корпус, размещенную в нем топку с боковыми и потолочными экранами из теплообменных труб, внутри которых продольно расположены дополнительные трубы с завихрителями потока, при этом теплообменные трубы через входные и выходные отверстия подключены к соответствующим коллекторам, соединенным с системой подвода и отвода теплоносителя. При этом потолочный экран, как и боковые, представляет собой совокупность объединенных через коллекторы однотипных вертикально установленных теплообменных труб, у которых внутренняя поверхность дополнительных труб открыта для газового потока и герметизирована от межтрубного пространства, например, кольцевыми заглушками, установленными по концам теплообменных труб, а завихрители потока представляют собой шнек, выполненный в виде полосы, жестко установленной по спирали на внешней стороне дополнительной трубы, при этом ширина полосы равна ширине межтрубного пространства, при этом шаг спирали завихрителей теплообменных труб обратно пропорционален степени теплового воздействия на тепловоспринимающую поверхность в районе установки завихрителей. This goal is achieved in that the boiler containing a housing, a firebox placed in it with side and ceiling screens of heat exchange tubes, inside which additional pipes are longitudinally arranged with flow swirls, while the heat exchange pipes are connected through respective inlet and outlet openings to the respective collectors connected with a system of supply and removal of coolant. At the same time, the ceiling screen, as well as the side ones, is a combination of vertically mounted heat exchanging pipes of the same type connected through collectors, in which the inner surface of the additional pipes is open for gas flow and sealed from the annular space, for example, ring plugs installed at the ends of the heat transfer pipes, and swirlers the flow are a screw, made in the form of a strip, rigidly mounted in a spiral on the outer side of the additional pipe, while the strip width p the width of the annulus, while the spiral pitch of the swirl tubes of the heat exchange tubes is inversely proportional to the degree of heat exposure on the heat-absorbing surface in the area of the swirl installation.

Таким образом совокупность объединенных через коллекторы однотипных вертикально установленных теплообменных труб потолочного экрана обеспечивает следующие преимущества:
1. Подъемное движение теплоносителя во всех теплообменных трубах (опускное движение за пределами топки), при котором совпадают принудительное и естественное движение теплоносителя.Thus, the combination of vertically mounted heat exchange tubes of the ceiling screen connected through collectors of the same type provides the following advantages:
1. Lifting movement of the heat carrier in all heat transfer pipes (lowering movement outside the furnace), in which the forced and natural movement of the heat carrier coincide.

2. Наименьшее аэродинамическое сопротивление при прохождении горячих газов через потолочный экран. 2. The lowest aerodynamic drag during the passage of hot gases through the ceiling screen.

3. Увеличение пути прохождения раскаленных газов, в процессе которого происходит более полное сгорание частиц топлива. 3. An increase in the path of passage of hot gases, during which more complete combustion of fuel particles occurs.

4. Быстрое удаление газовых пузырьков, возникающих в пограничном слое между стенкой и жидкостью, что предотвращает их скапливание с образованием газовых пробок, как это происходит при горизонтальном расположении теплообменных труб, приводящих к их перегреву и прогоранию. 4. The rapid removal of gas bubbles that arise in the boundary layer between the wall and the liquid, which prevents their accumulation with the formation of gas plugs, as occurs with a horizontal arrangement of heat transfer pipes, leading to their overheating and burning.

Наличие внутренней поверхности дополнительных труб, открытой для газового потока и герметизированной от межтрубного пространства, обеспечивает дополнительную поверхность теплообмена, повышающую КПД котла, при высокой устойчивости к перегрузкам, так как объем теплоносителя в межтрубном пространстве выбирается достаточным, чтобы предотвратить аварийные ситуации при нерегламентированных нагрузках. Чтобы выполнить те же условия для котлов с обычными трубчатыми экранами, необходимо существенно увеличить диаметр труб, что приведет к снижению тепловоспринимающей поверхности и ухудшению теплопередачи. The presence of the inner surface of the additional pipes, open to the gas flow and sealed from the annular space, provides an additional heat exchange surface that increases the efficiency of the boiler, with high resistance to overloads, since the volume of coolant in the annular space is selected sufficient to prevent accidents during unregulated loads. To fulfill the same conditions for boilers with conventional tubular screens, it is necessary to significantly increase the diameter of the pipes, which will lead to a decrease in the heat-absorbing surface and a deterioration in heat transfer.

Наличие завихрителя потока, представляющего собой шнек, выполненный в виде полосы, жестко установленной по спирали на внешней стороне дополнительной трубы, обеспечивает закручивание потока, что улучшает теплообмен между стенками труб и теплоносителем. The presence of a flow swirl, which is a screw, made in the form of a strip rigidly mounted in a spiral on the outer side of the additional pipe, ensures the swirling of the flow, which improves heat transfer between the pipe walls and the coolant.

Применение завихрителя с шириной полосы, равной ширине межтрубного пространства, обеспечивает получение максимальной скорости вращательного движения теплоносителя, так как перетоки в зазорах между внутренней стенкой наружной трубы и внешней поверхностью завихрителя минимальны. Это позволяет при достаточно больших диаметрах теплообменных труб получить высокие скорости вращательно-поступательного движения теплоносителя, достаточные для предотвращения отложений на стенках труб. The use of a swirler with a strip width equal to the width of the annulus ensures the maximum speed of the rotational movement of the coolant, since the flows in the gaps between the inner wall of the outer pipe and the outer surface of the swirl are minimal. This allows for sufficiently large diameters of the heat exchange tubes to obtain high speeds of rotational-translational motion of the coolant, sufficient to prevent deposits on the walls of the pipes.

На фиг. 1 изображен котел, вид спереди; на фиг. 2 - вид по стрелке A на фиг. 1. In FIG. 1 shows a boiler, front view; in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. one.

Котел состоит из боковых и потолочного экранов. Боковые экраны состоят из радиационных 1 и конвективных 2 теплообменных труб, объединенных в панели через впускные 3, 4 и выпускные 5, 6 коллекторы. The boiler consists of side and ceiling screens. Side screens consist of radiation 1 and convective 2 heat-exchange tubes combined in the panel through inlet 3, 4 and outlet 5, 6 collectors.

Теплообменная труба состоит из наружной 7 и дополнительной внутренней 8 труб, которые являются внешней и внутренней тепловоспринимающими поверхностями. В межтрубном пространстве, где циркулирует теплоноситель, располагаются спиральные завихрители 9, жестко установленные на внутренней трубе 8, выполненные в виде шнека из полосы, ширина которой равна ширине межтрубного пространства. Шаг спирали выбирается из условия получения такой скорости вращательно-поступательного потока, при которой не образуется отложений в трубах, а также из условия теплонапряжения в различных зонах топки. По торцам теплообменной трубы между трубами 7 и 8 герметично установлены торцовые заглушки 10. The heat exchange pipe consists of an outer 7 and an additional inner 8 pipes, which are the outer and inner heat-absorbing surfaces. In the annulus where the coolant circulates, there are spiral swirlers 9, rigidly mounted on the inner tube 8, made in the form of a screw from a strip whose width is equal to the width of the annulus. The spiral pitch is selected from the condition of obtaining such a speed of the rotational-translational flow, at which no deposits are formed in the pipes, as well as from the heat stress condition in various zones of the furnace. At the ends of the heat exchange pipe between the pipes 7 and 8, end caps 10 are hermetically sealed.

Диаметры наружной 7 и внутренней 8 труб выбираются такими, чтобы объем воды в межтрубном пространстве был достаточным, чтобы исключить перегрев труб в форсированных или аварийных режимах работы, например нерегламентированное увеличение нагрузки на котел или остановка сетевого насоса при горящем слое угля. The diameters of the outer 7 and inner 8 pipes are chosen so that the volume of water in the annulus is sufficient to prevent overheating of the pipes in forced or emergency operation, for example, an unregulated increase in the load on the boiler or a shutdown of the mains pump when the coal layer is burning.

Наружная труба 7 по концам имеет отверстия 11 для входа теплоносителя в межтрубное пространство из коллектора 3 и выхода в коллектор 5. The outer pipe 7 at the ends has openings 11 for entering the coolant into the annulus from the manifold 3 and exit to the manifold 5.

Потолочный экран состоит из вертикально установленных теплообменных труб 12 аналогичной конструкции, объединенных в панели через впускные 13 и выпускные 14 коллекторы. The ceiling screen consists of vertically mounted heat exchange tubes 12 of a similar design, combined in a panel through inlet 13 and outlet 14 collectors.

Направленное движение топочных газов обеспечивается установкой перегородок 15 - 17. The directional movement of flue gases is provided by the installation of partitions 15 - 17.

Котел работает следующим образом. The boiler operates as follows.

Продукты сгорания из топочного пространства, поднимаясь, проходят через потолочный экран, омывая внешние и внутренние поверхности теплообменных труб 12 и 18. Затем газы проходят через конвективную часть боковых экранов, также омывая внутренние и внешние поверхности теплообменных труб 1 и 2, и далее через газоходы 19 на выход из котла. The combustion products from the combustion chamber, rising, pass through the ceiling screen, washing the external and internal surfaces of the heat transfer pipes 12 and 18. Then the gases pass through the convective part of the side screens, also washing the internal and external surfaces of the heat transfer pipes 1 and 2, and then through the flues 19 to exit the boiler.

Процесс циркуляции теплоносителя (воды) в котле осуществляется следующим образом. Вода от сетевого насоса подается к впускному коллектору 3, откуда, попадая в межтрубное пространство, распределяется по теплообменным трубам 2 и, нагреваясь исходящими газами, поднимается вверх до выпускного коллектора 5, откуда через обводную трубу 20 поступает к коллектору 4, далее по теплообменным трубам 1 вода, нагреваясь излучением и отходящими газами, проходящими внутри и снаружи теплообменных труб, попадает в коллектор 6, откуда по обводной трубе 21 поступает в коллектор 13, далее по теплообменным трубам 12 - в коллектор 14, откуда по обводной трубе 22 - в коллектор 23 и теплообменные трубы 18, где воды окончательно нагревается и поступает в выходной коллектор горячей воды 24. The process of circulation of the coolant (water) in the boiler is as follows. Water is supplied from the mains pump to the intake manifold 3, from where, getting into the annulus, it is distributed through the heat exchange pipes 2 and, heated by the outgoing gases, rises up to the exhaust manifold 5, from where it enters the collector 4 through the bypass pipe 20, then through the heat exchange pipes 1 water, heated by radiation and exhaust gases passing inside and outside the heat exchanger pipes, enters the collector 6, from where it enters the collector 13 through the bypass pipe 21, then into the collector 14 through the heat exchange pipes 12, from where it is bypassed second conduit 22 - to the manifold 23 and the heat exchange tubes 18, where the water is heated and eventually enters the hot water outlet manifold 24.

Вода, двигаясь в межтрубном пространстве и проходя спиральные каналы завихрителей 9, получает вращательно-поступательное движение. Скорость вращательного движения определяется углом подъема спирали завихрителя, т.е. чем меньше угол, тем выше скорость. Таким образом угол подъема спирали выбирается таким, чтобы получить скорость вращательного движения воды, при которой не образуются отложения на стенках труб. В промежутке между завихрителями скорость вращения потока постепенно затухает, поэтому расстояние между соседними завихрителями выбирается из условия поддержания скорости в заданных пределах. Water moving in the annulus and passing through the spiral channels of the swirlers 9, receives a rotational-translational motion. The rotational speed is determined by the angle of elevation of the swirl spiral, i.e. the smaller the angle, the higher the speed. Thus, the angle of elevation of the spiral is chosen so as to obtain the speed of the rotational movement of water at which no deposits form on the walls of the pipes. In the interval between the swirls, the flow rotation speed gradually decays, therefore, the distance between adjacent swirlers is selected from the condition of maintaining the speed within the specified limits.

Кроме того в зонах котла, имеющих наибольшее тепловое напряжение (радиационная часть, потолочный экран), для повышения интенсивности теплообмена устанавливаются завихрители с уменьшенным пропорционально тепловому напряжению углом наклона спирали. In addition, in the zones of the boiler that have the highest thermal stress (radiation part, ceiling screen), swirlers are installed with a decrease in the angle of inclination of the helix proportionally to the thermal stress in order to increase the heat transfer intensity.

Таким образом использование предлагаемой конструкции котла, у которого теплообменные трубы имеют внутреннюю и внешнюю тепловоспринимающие поверхности с вращательно-поступательным движением теплоносителя, обеспечит существенное повышение КПД котла, исключит образование отложений на стенках труб и повысит надежность работы в широких пределах колебания тепловой нагрузки. Thus, the use of the proposed boiler design, in which the heat transfer pipes have internal and external heat-receiving surfaces with rotational-translational motion of the heat carrier, will provide a significant increase in boiler efficiency, eliminate the formation of deposits on the pipe walls and increase the reliability of operation over a wide range of heat load fluctuations.

Claims

1. A water boiler comprising a housing, a firebox placed therein with side and ceiling screens of heat exchange pipes, inside which additional pipes with flow swirls are longitudinally located, while the heat exchange pipes are connected through the inlet and outlet openings to the respective collectors connected to the supply system and heat-transfer fluid, characterized in that the ceiling screen, like the side ones, is a combination of vertically installed heat-exchange pipes of the same type connected through collectors, in which the inner surface of the additional pipes is open for gas flow and sealed from the annular space, for example, with ring plugs installed at the ends of the heat exchange pipes, and the flow swirls are a screw made in the form of a strip rigidly mounted in a spiral form on the outside of the additional pipe, this bandwidth is equal to the width of the annulus.

2. The boiler according to claim 1, characterized in that the spiral pitch of the swirl tubes of the heat exchange tubes is inversely proportional to the degree of heat exposure on the heat-absorbing surface in the area of the swirl installation.