RU218913U1 - Котел водотрубный - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к теплоэнергетике и теплотехнике, в частности к конструкции паровых водотрубных котлов. Технический результат достигается при использовании котла водотрубного, содержащего цилиндрический корпус, горелочный узел, верхнюю и нижнюю кольцевые гидрокамеры, соединенные вертикальными трубами циркуляционного контура, причем корпус выполнен трехслойным и дополнительно снабжен верхней малой кольцевой гидрокамерой, нижняя кольцевая гидрокамера соединена с верхней малой кольцевой гидрокамерой посредством вертикальных труб циркуляционного контура, верхняя малая кольцевая гидрокамера соединена с верхней большой кольцевой гидрокамерой посредством прямых труб и плотно прилегающих друг к другу зигзагообразных труб, выполненных с образованием газонепроницаемого купола, горелочный узел выполнен в виде горелок, оснащенных форсунками, а корпус снабжен дополнительными форсунками подачи воздуха. Техническим результатом является повышение производительности котла.

Description

Полезная модель относится к теплоэнергетике и теплотехнике, в частности к конструкции паровых водотрубных котлов.

Известен паровой котел ДЕ-16-14ГМ-О (Каталог продукции: Паровой котел ДЕ-16-14ГМ-О//Бийский Котельный Завод «Генерация» - официальный сайт. URL: https://bikzg.ru/catalog/kotly/kotly-serii-de/de-16-14gm-o/ (дата обращения 09.01.2023г.)) представляющий из себя котёл, основными элементами которого являются верхний и нижний барабаны, топка, образованная экранированными стенками, с горелкой и пучок вертикальных труб между барабанами.

Недостатками аналога являются экранированная топка, отсутствие вторичных отражателей, что приводит к потере тепла за счет малой теплопередачи, необходимо устанавливать дожигатель.

Известен котел газомазутный паровой (патент на полезную модель РФ №185158, МПК: F22B 21/04, F22B 37/00, опубл. 22.11.2018 г.), содержащий верхний и нижний барабаны, соединенные пучком труб, образующим конвективный газоход, трубчатые панели, топку с горелкой и теплоизоляционный слой по периметру внутренней поверхности обшивки, причем в качестве трубчатых панелей по периметру конвективного газохода и по периметру топки смонтированы газоплотные трубчато-пластинчатые экраны, трубы фронтового и заднего экранов подсоединены к соответствующим верхнему и нижнему коллекторам, связанным по воде с барабанами, а трубы правого бокового Д-образного, левого бокового и бокового конвективного газохода экранов присоединены непосредственно к верхнему и нижнему барабанам в один ряд.

Недостатком данных технических решений является то, что топочное пространство отделено от труб нагрева, пламя не охватывает трубы нагрева(экраны) полностью, что приводит к меньшей теплопередачи.

Известен универсальный котел (патент на изобретение РФ № 2494316, МПК: F24H 1/00, опубл. 27.09.2013 г.), содержащий топочное устройство, ограниченное стенами из огнеупорных материалов, радиационные и конвективные поверхности нагрева, состоящие из пакета коллекторов, соединенных трубами, с общими коллекторами входа и выхода, отличающийся тем, что верхние коллекторы панелей конвективных поверхностей нагрева установлены под углом к горизонту, а плоскости панелей установлены под углом к вертикали в обе стороны с образованием полости расширения нижней части пакета панелей, при этом боковые панели пакета поверхностей нагрева являются опорами для установки теплоизоляции.

Недостатком данного аналога является отсутствие металлического кожуха для удержания стен из огнеупорных материалов, что в свою очередь ухудшает надежность конструкции при расширении огнеупорных материалов вызванное их нагревом.

Наиболее близким является вертикальный водогрейный котел (патент на изобретение РФ №2652959, МПК: F24H 1/00, опубл. 03.05.2018 г) состоящий из цилиндрического корпуса, горелочного устройства, верхней и нижней кольцевых гидрокамер, соединенных вертикальными трубами и образующих контур циркуляции воды, при этом в нижней и верхней кольцевых камерах установлены циркуляционные перегородки, внутри топки перед внутренней поверхностью из труб и на части труб за их внутренней поверхностью установлена металлическая сетка из жаропрочного материала в качестве вторичного излучателя, увеличивающего лучистую составляющую теплообмена, горелочное устройство установлено на верхней гидрокамере.

Недостатком данного технического решения является использование в данном устройстве циклонной топки из-за зашлаковывания поверхностей нагрева котла, что отрицательно сказывается на его эксплуатационных свойствах. А также использование, в качестве вторичного излучателя, металлической сетки, установленной в нижней части труб, не позволяет прогревать все внутреннее пространство котла, максимальный нагрев происходит только в нижней части котла.

Задачей является разработка энергетического котла с улучшенной характеристикой получения пара, улучшение эксплуатационных свойств.

Техническим результатом является повышение производительности котла.

Технический результат достигается при использовании котла водотрубного содержащего цилиндрический корпус, горелочный узел, верхнюю и нижнюю кольцевые гидрокамеры, соединенные вертикальными трубами циркуляционного контура, причем корпус выполнен трехслойным и дополнительно снабжен верхней малой кольцевой гидрокамерой, нижняя кольцевая гидрокамера соединена с верхней малой кольцевой гидрокамерой посредством вертикальных труб циркуляционного контура, верхняя малая кольцевая гидрокамера соединена с верхней большой кольцевой гидрокамерой посредством прямых труб и плотно прилегающих друг к другу зигзагообразных труб, выполненных с образованием газонепроницаемого купола, горелочный узел выполнен в виде горелок, оснащенных форсунками, а корпус снабжен дополнительными форсунками подачи воздуха.

Соединение верхней малой кольцевой гидрокамеры с верхней большой кольцевой гидрокамерой посредством плотно прилегающих зигзагообразных труб, с образованием газонепроницаемого купола, позволяет увеличить площадь циркулирования жидкости и площадь поверхности теплообмена в рабочей зоне котла, тем самым позволяя догревать воду от тепла отработанных газов для образования пароводяной смеси, интенсифицируя процесс теплообмена. Дополнительный догрев циркулируемой жидкости дает возможность получить более высокотемпературную пароводяную смесь, повышая, таким образом, производительность устройства в целом. Соединение верхней малой кольцевой гидрокамеры с верхней большой кольцевой гидрокамерой дополнительно прямыми трубами, обеспечивает быстрый отвод воды из верхней малой кольцевой гидрокамеры, что защищает устройство от избыточного давления в этой зоне.

Выполнение трехслойного корпуса из наружного, среднего изоляционного слоев и внутреннего слоя, выполненного в виде вторичного излучателя, позволяет не только удерживать тепло внутри котла благодаря внутреннему отражающему слою, но и предотвращает перегрев наружного слоя, за счет выполнения среднего слоя изоляционным.

Равномерное размещение горелок и покрытия ими всей площади вертикальных труб циркуляционного контура позволяет равномерно разогревать все трубы теплообменника, а также оснащение горелок форсунками увеличивает скорость нагрева жидкости в теплообменнике.

Наличие боковых форсунок обеспечивает продувку рабочего пространства котла холодным воздухом при превышении допустимых значений температуры в рабочей зоне котла, а также обеспечивает быстрое охлаждение при аварийных и плановых остановах.

На фиг. 1 - общий вид котла водотрубного.

На фиг 2 - показан газонепроницаемый купол зигзагообразных труб.

На фиг 3 - показан вид сверху, пример размещения труб циркуляционного контура и горелок.

Котел водотрубный состоит из трехслойного корпуса 1, выполненного из наружного, среднего изоляционного слоев и внутреннего слоя, выполненного в виде вторичного излучателя. Внутри корпуса 1, на равноудаленном расстоянии друг от друга, размещены вертикальные трубы циркуляционного контура 2, соединяющие нижнюю кольцевую гидрокамеру 3 с верхней малой кольцевой гидрокамерой 4, объем которой меньше объема верхней большой кольцевой гидрокамеры на 53%. Верхняя малая кольцевая гидрокамера 4 соединена с верхней большой кольцевой гидрокамерой 5 посредством плотно прилегающих зигзагообразных труб 6, с образованием газонепроницаемого купола, а также прямых труб 7, обеспечивающих быстрый отвод воды, защищающий устройство от избыточного давления в зоне между верхней малой кольцевой гидрокамерой 4 и верхней большой кольцевой гидрокамерой 5. Количество прямых труб 7 и плотно прилегающих зигзагообразных труб 6 подбирается равное объему воды в нижней кольцевой гидрокамере 3.

В середине трехслойного корпуса 1, по его окружности, размещены четыре дополнительные форсунки подачи воздуха 8. Внизу трехслойного корпуса 1 размещены горелки 9, оснащенные форсунками, количество горелок 9 подбирается так, чтобы они покрывали всю площадь вертикальных труб циркуляционного контура 2.

Котел водотрубный работает следующим образом.

Газ, подающийся через горелки 9, оснащенные форсунками, воспламеняется и под давлением поднимается внутри трехслойного корпуса 1, тем самым прогревая его внутреннее пространство. Отработанный газ выходит через кольцо верхней малой кольцевой гидрокамеры 4, например, оснащенной уловителем отработанных газов.

Вода, посредством циркуляционного насоса, поступает в нижнюю кольцевую гидрокамеру 3. Поднимаясь по вертикальным трубам циркуляционного контура 2, вода нагревается от тепла прогретого внутреннего пространства трехслойного корпуса 1 и попадает в верхнюю малую кольцевую гидрокамеру 4.

Из верхней малой кольцевой гидрокамеры 4, вода, проходя через прямые трубы 7 и зигзагообразные трубы 6, догревается от тепла отработанных газов и превращается в пароводяную смесь, а затем попадает в большую верхнюю кольцевую гидрокамеру 5, откуда по трубам отводится из внутреннего пространства котла.

При превышении допустимых значений температуры внутри трехслойного корпуса 1 дополнительные форсунки подачи холодного воздуха 8 продувают рабочее пространство котла холодным воздухом, таким образом, обеспечивая быстрое охлаждение при аварийных и плановых остановах.

Пример.

Расчет тепла, принимаемого от пламени, водой в вертикальных трубах циркуляционного контура в рабочей зоне котла производим с помощью уравнения теплопередачи:

Q₁= k⋅H⋅

,

где Q- количество теплоты, переданной через поверхность нагрева, кДж/с;

k-коэффициент теплопередачи, кДж/м²С;

H- площадь расчетной поверхности нагрева, м²;

- средний температурный напор между продуктами сгорания и нагреваемой средой, °С,

тогда Q₁=68.2*42.24*380=1094691 кДж/с.

k=

,

где а₁- коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к вертикальной трубе циркуляционного контура, Дж/м²К. а₁=70 Дж/м²С;

а₂- коэффициенты теплоотдачи от стенки вертикальной трубы циркуляционного контура к воде, Дж/м²К. а₂=2000 Дж/м²С;

- толщина стенки трубы циркуляционного контура, мм, (6мм);

- теплопроводность стали марки 12Х1МФ при температуре 200°С, Дж/(м⋅С).

тогда k=1/(0.014+0,00016+0.0005)= 68,2 кДж/м²С.

=

,

где t₁- температура топочного пространства,°С;

t₂- температура отработанных газов,°С;

тогда

= (960-120)/2=420°С.

H=l⋅d⋅n,

где l- длина вертикальной трубы циркуляционного контура, м;

d- диаметр вертикальной трубы циркуляционного контура, м;

n- количество вертикальных труб, шт. (132 шт),

тогда H=6.4⋅0.05⋅132=42,24 м².

Расчет принимаемого тепла водой от тепла отработанных газов в зигзагообразных трубах циркуляционного контура в рабочей зоне котла производим с помощью уравнения теплопередачи:

Q₂= (k/2) ⋅H⋅

⋅n,

где Q- количество теплоты, переданной через поверхность нагрева, кДж/с;

k-коэффициент теплопередачи, кДж/м²С;

H- площадь расчетной поверхности нагрева, м²;

- температура отработанных газов,°С;

n- количество вертикальных труб, шт.,

тогда Q₂= 34.1⋅3.5⋅120⋅16=229152 кДж/с.

k=

,

где а₁- коэффициенты теплоотдачи от греющей среды к вертикальной трубе циркуляционного контура, Дж/м²К. а₁=70 Дж/м²С;

а₂- коэффициенты теплоотдачи от стенки вертикальной трубы циркуляционного контура к воде, Дж/м²К. а₂=2000 Дж/м²С;

- толщина стенки трубы циркуляционного контура, мм, (6мм);

- теплопроводность стали марки 12Х1МФ при температуре 200°С, Дж/(м⋅С),

тогда k=1/ (0.014+0,00016+0.0005) = 68,2 кДж/м²С.

Образованная зигзагообразными трубами панель, выполненная в виде трапеции, имеет площадь:

H= S=½h(a+b),

где h-высота трапеции, м;

a и b - основания трапеции, м;

тогда S=0,5⋅2(1.5+2) =3,5 м² зигзагообразных труб циркуляционного контура в рабочей зоне котла.

Так как зигзагообразные трубы расположены горизонтально и под углом 40 градусов, то коэффициент теплопередачи делим на 2.

Получаем итоговое значение:

Q₁+Q₂=Q,

где Q₁- количество теплоты принимаемого водой в вертикальных трубах циркуляционного контура от пламени в рабочей зоне котла, кДж/с;

Q₂- количество теплоты принимаемого водой в зигзагообразных трубах циркуляционного контура от отработанных газов в рабочей зоне котла, кДж/с,

Тогда 1094691+229152=1323843 кДж/с.

Шамотный кирпич марки Ш-5 нагреваем в течение 15 мин. Через 5 мин нагрева температура кирпича увеличилась на 3° от исходной (исх. T=180°С). Через 10 мин от начала нагрева температура поднялась на 16°, а через 15 мин от начала нагрева поднялась на 55°. Температура, после распределения тепла по всему кирпичу, после прекращения нагрева, составила 68°, при времени, равном 15 мин.

По теплоемкости и теплопроводности шамотный кирпич имеет низкие показатели равные: коэффициент теплопроводности = 0.9 Вт/(м⋅К) и удельная теплоемкость = 0.9 кДж/(кг⋅К).

Кирпич переклазовый имеет коэффициент теплопроводности. = 4.5Вт/(м⋅К) и удельную теплоемкость = 1.08 кДж/(кг⋅К).

Кирпич хромопереклазовый имеет коэффициент теплопроводности. = 2.0Вт/(м⋅К) и удельную теплоемкость = 1.8 кДж/(кг⋅К).

Из расчетов следует, что при количестве вертикальных труб нагрева 132 штуки и диаметре 50 мм, а также применение зигзагообразных труб повышает на 20% количество теплоты принимаемой водой, что влияет на повышение производительности котла в целом.

При сравнении огнеупорного кирпича, который используется в виде отражающего слоя, предпочтительнее кирпич хромопереклазовый имеющий коэффициент теплопроводности. = 2,0Вт/(м⋅К) и удельную теплоемкость = 1,8 кДж/(кг⋅К), что дает нам уменьшение тепловых потерь, увеличение отражения тепла в рабочую зону котла.

Таким образом, использование котла водотрубного содержащего трехслойный цилиндрический корпус снабженный дополнительными форсунками подачи воздуха, нижнюю кольцевую гидрокамеру соединенную посредством вертикальных труб циркуляционного контура с верхней малой кольцевой гидрокамерой, которая соединена с верхней большой кольцевой гидрокамерой посредством прямых труб и плотно прилегающих друг к другу зигзагообразных труб, выполненных с образованием газонепроницаемого купола, горелочный узел, выполненный в виде горелок, оснащенных форсунками, позволяет повысить производительность котла.

Claims (1)

1. Котел водотрубный, содержащий цилиндрический корпус, горелочный узел, верхнюю и нижнюю кольцевые гидрокамеры, соединенные вертикальными трубами циркуляционного контура, отличающийся тем, что корпус выполнен трехслойным и дополнительно снабжен верхней малой кольцевой гидрокамерой, нижняя кольцевая гидрокамера соединена с верхней малой кольцевой гидрокамерой посредством вертикальных труб циркуляционного контура, верхняя малая кольцевая гидрокамера соединена с верхней большой кольцевой гидрокамерой посредством прямых труб и плотно прилегающих друг к другу зигзагообразных труб, выполненных с образованием газонепроницаемого купола, горелочный узел выполнен в виде горелок, оснащенных форсунками, а корпус снабжен дополнительными форсунками подачи воздуха.

Images