Патент на изобретение №2184321

(54) ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

(57) Реферат:

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения, в том числе и в коммунально-бытовой технике, а также в качестве нагревателя жидкостей и газов. В описываемом водогрейном котле каждая из дымогарных труб установлена во внутренней полости соответствующей ветви U-образной трубы, при этом ветви входа воды и ветви выхода воды расположены в полости корпуса котла в шахматном порядке так, что ряд ветвей входа воды выполнен в виде ряда внутренних ветвей U-образных труб, ряд ветвей выхода воды – в виде ряда наружных ветвей U-образных труб. Такое выполнение позволяет котлам устойчиво работать в том числе и на воде, обработанной ингибиторами накипеобразования, а также исключать пристенный перегрев и/или вскипание воды и отложение шлама на трубах. 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах отопления н горячего водоснабжения, в том числе и в коммунально-бытовой технике, а также в качестве нагревателя жидкостей и газов.

Известен водогрейный котел, содержащий размещенную в корпусе в виде водяной рубашки топочную камеру, в нижней части которой выполнены по крайней мере два канала, в каждом из которых установлена Г-образная циркуляционная труба, отводящий участок которой выведен в водяную рубашку, причем один конец канала, обращенный в сторону топочной камеры, заглушен, а другой соединен с рубашкой, в верхней части топочной камеры размещены U-образные циркуляционные трубы, причем в водяной рубашке с зазором относительно топочной камеры, перекрытым на уровне каналов, установлена перегородка. При этом отводящие участки U- и Г-образных труб выведены в верхнюю часть рубашки. (Патент РФ 2043578, МПК F 24 Н 1/40, 1995 (аналог)).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является водогрейный котел, содержащий корпус в виде цилиндрической водяной рубашки с проходящими через него дымогарными трубами, топку, патрубки подвода и отвода воды, трубчатый экран с закручивающими потоки воды элементами и теплоизолирующую облицовку снаружи котла, при этом трубчатый экран с концентрично расположенными U-образно гнутыми трубами нескольких типоразмеров и кольцевым, соединяющим концы последних коллектором выполнен встроенным во внутреннюю полость рубашки с образованием кольцевого конвективного газохода между ним и радиационной топкой в центре экрана, при этом кольцевой коллектор разделен на входную часть, соединенную разъемными для теплоносителя соединениями с водяной рубашкой, и выходную часть с отводящим из котла теплоноситель патрубком, гнутые трубы, соединяясь по периметру криволинейными плавниками, составляют мембранный экран, а гнутые их части, располагаясь относительно одних гнутых частей параллельно, относительно других перекрестно, образуют сложную поворотную камеру для прохождения продуктов сгорания из радиационной топки в кольцевой конвективный газоход. Кроме того, трубчатый экран может быть выполнен в виде разъемных между собой по крайней мере двух секций, соединенных разборными патрубками на входе и на выходе в сектора кольцевого коллектора снаружи котла. (Патент РФ 2149319, МПК F 24 H 1/40, 2000 (прототип)).

При создании изобретения решалась задача расширения арсенала водогрейных котлов, способных устойчиво работать в том числе н на воде, обработанной ингибиторами накипеобразования.

Технический результат заключается как в расширении арсенала водогрейных котлов, способных устойчиво работать в том числе и на воде, обработанной ингибиторами накипеобразования, так и в разработке конструкции, которая бы позволила исключить пристенный перегрев и/или вскипание воды и отложение шлама на трубах котла.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что водогрейный котел, содержащий корпус с патрубком выхода продуктов сгорания, с патрубками подвода н отвода воды, топку, дымогарные трубы, размещенные в корпусе с обеспечением возможности свободного прохождения по ним продуктов сгорания от топки до патрубка выхода продуктов сгорания, U-образные трубы, каждая из которых имеет ветвь входа воды и ветвь выхода воды, коллектор подвода воды, соединенный с патрубком подвода воды, коллектор отвода воды, соединенный с патрубком отвода воды, при этом каждая из ветвей входа воды соединена с коллектором подвода воды, а каждая из ветвей выхода воды соединена с коллектором отвода воды, согласно изобретению каждая из дымогарных труб установлена во внутренней полости соответствующей ветви U-образной трубы, при этом ветви входа воды и ветви выхода воды расположены в полости корпуса котла в шахматном порядке так, что ряд ветвей входа воды выполнен в виде ряда внутренних ветвей U-образных труб, ряд ветвей выхода воды выполнен в виде ряда наружных ветвей U-образных труб.

При этом согласно изобретению каждая из дымогарных труб жестко соединена с соответствующей ветвью U-образной трубы.

При этом согласно изобретению U-образные трубы размещены по окружности.

При этом согласно изобретению коллектор для отвода воды установлен в части корпуса, противолежащей топке.

При этом согласно изобретению коллектор для отвода воды выполнен кольцеобразным.

При этом согласно изобретению коллектор для отвода воды имеет прямоугольное сечение.

При этом согласно изобретению каждая из U-образных труб размещена вдоль корпуса котла.

При этом согласно изобретению U-образная труба выполнена из двух отрезков труб, соединенных между собой перемычкой.

При этом согласно изобретению что перемычка, соединяющая отрезки труб между собой, имеет прямоугольное сечение.

При этом согласно изобретению каждая из дымогарных труб расположена во внутренней полости соответствующей ветви U-образной трубы аксиально с образованием кольцевого зазора между ними.

При этом согласно изобретению дымогарные трубы имеют ребра, расположенные вдоль наружной поверхности под углом не более 45^o к оси дымогарной трубы.

При этом согласно изобретению ребра выполнены в виде спирали или отдельных ее фрагментов.

При этом согласно изобретению топка выбрана радиационного типа.

Отличительным признаком заявленного водогрейного котла является то, что U-образные трубы размещены в корпусе с образованием ряда ветвей входа воды и ряда ветвей выхода воды, при этом каждая из ветвей входа воды соединена с коллектором подвода воды, а каждая из ветвей выхода воды соединена с коллектором отвода воды, при этом каждая из дымогарных труб установлена во внутренней полости соответствующей ветви U-образной трубы и с ней соединена.

Заявленная конструкция водогрейного котла позволила обеспечить интенсивное обтекание горячими продуктами сгорания сначала по внешней поверхности всех ветвей U-образных труб, а затем и по внутренней поверхности дымогарных труб, что позволило обеспечить распределение теплового потока по большой поверхности с одновременным значительным (в 10 и более раз) уменьшением объема воды в U-образных трубах и соответствующим увеличением скорости ее движения. В результате обеспечено достижение указанного технического результата: как расширение арсенала водогрейных котлов, способных устойчиво работать в том числе и на воде, обработанной ингибиторами накипеобразования, так и разработка конструкции, которая позволила исключить пристенный перегрев и/или вскипание воды и отложение шлама на трубах котла. Кроме того, снижена металлоемкость и общий вес котла с водой, а также повышена надежность работы водогрейного котла на воде, обработанной ингибиторами накипеобразования.

Изобретение поясняется описанием конкретного примера его выполнения и прилагаемыми чертежами, где на:
фиг.1 изображен водогрейный котел, общий вид;
фиг. 2 – разрез А-А фиг.1 (образование ряда ветвей входа воды и ряда ветвей выхода воды U-образных труб);
фиг.3 – сечение Б-Б фиг.2 (взаимное расположение дымогарных и U-образных труб);
фиг.4 – разрез В-В фиг.1 (взаимное расположение коллектора отвода воды и коллектора подвода воды).

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Водогрейный котел содержит корпус 1 с патрубком выхода 2 продуктов сгорания, с патрубками подвода 3 и отвода 4 воды, топку 5, дымогарные 6 трубы, U-образные 7 трубы, коллектор 8 отвода воды, коллектор 9 подвода воды и наружную теплоизолирующую облицовку котла (не показана).

Корпус 1 (фиг.1) водогрейного котла может быть выполнен в виде параллелепипеда или цилиндрической обечайки, как это показано в нашем примере, либо любой другой формы.

Патрубок выхода 2 продуктов сгорания размещен в противолежащем топке 5 торце 11 корпуса 1, например, на оси симметрии корпуса 1.

Патрубок подвода 3 воды может быть размещен, например, в торце 11 корпуса 1, как это показано на нашем примере.

Патрубок отвода 4 воды может быть размещен, например, на боковой стороне 12 корпуса 1, как это показано на нашем примере, например, в области расположения торца 11.

Для водогрейного котла может быть выбрана топка радиационного типа, работающая на одном из традиционных видах топлива (торф, уголь, газ, мазут и т. п. ), например, газогорелочное устройство типа СГ-70. Топка 5 установлена в торце 13 корпуса 1 традиционно: по оси симметрии корпуса 1.

Каждая из U-образных 7 труб размещена вдоль корпуса.

U-образные 7 трубы закреплены со стороны торца 11 посредством коллектора 8 отвода воды и коллектора 9 подвода воды (фиг.3), а со стороны торца 13 корпуса при необходимости возможно любое традиционное поддерживающее крепление, например, с помощью шпилек (не показаны). В нашем примере U-образные 7 трубы со стороны торца 13 представляют собой консоль.

Каждая из U-образных 7 труб имеет ветвь входа воды и ветвь выхода воды.

U-образные трубы размещены в корпусе с образованием ряда ветвей входа воды и ряда ветвей выхода воды, при этом каждая из ветвей входа воды соединена с коллектором подвода воды, а каждая из ветвей выхода воды соединена с коллектором отвода воды.

U-образные 7 трубы могут быть размещены, как это показано на нашем примере, по окружности так, что ряд ветвей выхода воды выполнен в виде ряда 14 наружных 15 ветвей U-образных труб, ряд ветвей входа воды выполнен в виде ряда 16 внутренних 17 ветвей U-образных труб (фиг.2), при этом каждая из дымогарных труб установлена во внутренней полости соответствующей ветви U-образной трубы.

Как показано в нашем примере, каждая из ветвей ряда 14 наружных ветвей U-образных труб соединена с коллектором 8 отвода воды, а каждая из ряда 16 внутренних 17 ветвей соединена с коллектором 9 подвода воды.

При этом дымогарная 6 труба установлена в полости каждой из наружных 15 ветвей и каждой из внутренних 17 ветвей U-образных 7 труб аксиально с образованием кольцевого канала 18 и жестко соединена с каждой из них, например, посредством сварки.

U-образная 7 труба может быть изготовлена из двух отрезков труб, соединенных между собой перемычкой 19, например, имеющей прямоугольное сечение, как это сделано в нашем примере, посредством сварки или, например, фланцевых соединений.

Дымогарные 6 трубы размещены с обеспечением возможности свободного прохождения по ним продуктов сгорания от топки 5 до патрубка выхода 2 продуктов сгорания. Для этого каждая из дымогарных 6 труб установлена так, что один из открытых ее торцов выходит за пределы соответствующей ветви, в которой эта дымогарная труба установлена, а другой открытый ее торец выходит за пределы соответствующего коллектора, т.е. если дымогарная 6 труба установлена в наружной 15 ветви U-образной 7 трубы, то один 20 из открытых горцев дымогарной 6 трубы расположен в прилегающем к топке 5 открытом для горячих продуктов сгорания внутреннем 21 пространстве корпуса 1, а другой 22 открытый торец дымогарной 6 трубы расположен за пределами коллектора 8 отвода воды. т.е. вблизи патрубка выхода 2 продуктов сгорания.

Дымогарные 6 трубы могут быть снабжены, например, ребрами (не показаны) для выравнивания кольцевого зазора 18, причем эти ребра для завихрения потока воды могут быть расположены на наружной поверхности под углом не более 45^o к оси дымогарной трубы. При этом ребра могут быть выполнены традиционно, например в виде спирали или отдельных фрагментов спирали, дискретно расположенных вдоль наружной поверхности дымогарной 6 трубы.

Количество дымогарных 6 и U-образных 7 труб определяется расчетным путем так, чтобы температура продуктов сгорания на выходе из водогрейного котла была в пределах, обеспечивающих эффективность использования топлива.

Коллектор 8 отвода воды может быть установлен в любой части корпуса. В нашем примере коллектор 8 отвода воды установлен в части корпуса 1, противолежащей топке 5, и соединен с патрубком отвода 4 воды. При этом геометрическая форма наружной поверхности коллектора 8 отвода воды выполнена повторяющей геометрическую форму внутренней поверхности корпуса 1, например, может быть выполнена круглой, если корпус 1 выполнен в виде цилиндрической обечайки, как это показано для наглядности в нашем примере, а может быть прямоугольной, овальной и т.п. в зависимости от геометрической формы места его посадки.

В нашем примере коллектор 8 выполнен кольцеобразным, т.е. так, что в него, как в кольцо, можно вставить следующий элемент водогрейного котла – коллектор 9 для подвода воды (фиг.4).

Коллектор 8 отвода воды представляет собой, например, в нашем случае, пустотелое кольцо, соединенное с патрубком отвода 4 воды, герметично соединенное со стороны топки 5 с рядом наружных 15 ветвей U-образных труб. В то же время в коллекторе 8 отвода воды жестко установлены с герметизацией выхода из него в сторону патрубка выхода 2 продуктов сгорания дымогарные 6 трубы наружных 15 ветвей U-образных труб.

В коллекторе 8 отвода воды установлен и жестко с ним соединен, например, посредством сварки, коллектор 9 подвода воды.

Коллектор 9 подвода воды представляет собой пустотелый, например, в нашем случае, диск, соединенный со стороны торца 11 корпуса 1 с патрубком подвода 3 воды, герметично соединенный со стороны топки 5 с рядом внутренних 17 ветвей U-образных труб. В то же время в коллекторе 9 подвода воды жестко установлены с герметизацией выхода из него в сторону патрубка выхода 2 продуктов сгорания дымогарные 6 трубы внутренних 17 ветвей U-образных труб.

Наружная теплоизолирующая облицовка котла может быть изготовлена традиционной, например, на основе минеральной ваты.

Водогрейный котел работает следующим образом.

Вода через патрубок 3 подвода воды поступает в коллектор 9 подвода воды, откуда распределяется, завихряясь от взаимодействия с ребрами дымогарных 6 труб, сначала по кольцевым каналам 18 внутренних 17 ветвей U-образных труб, т.е. ветвей входа воды, а затем через перемычки 19 – по кольцевым каналам 18 наружных 15 ветвей U-образных труб, т.е. ветвей выхода воды.

В это же самое время образующиеся в топке 5 горячие продукты сгорания отражаются от коллектора 9 подвода воды, при этом частично отдавая свое тепло находящейся в коллекторе 9 воде, проходят вдоль внешней поверхности ветвей U-образных труб в направлении торца 13 корпуса 1 и поступают в дымогарные 6 трубы внутренних 17 ветвей и наружных 15 ветвей U-образных труб, равномерно прогревая по пути всю массу подаваемой в котел воды, исключая местный пристенный перегрев и кипение воды и отложение шлама, присутствующего в сетевой воде, на трубах.

Собираясь в коллекторе 8 отвода воды, нагретая вода выходит из водогрейного котла через патрубок отвода 4 воды.

За счет того, что теплопередача происходит как через внешнюю поверхность U-образных труб, так и через поверхность дымогарных труб, а объем воды в кольцевом зазоре 18 минимален, теплоноситель движется со скоростью, увеличенной в 10 раз и более по сравнению с прототипом, в результате чего отношение суммарной поверхности теплопередачи к объему теплоносителя значительно увеличено. Все это в сочетании с высокой скоростью движения воды вдоль поверхности нагрева приводит к нагреву воды без образования локальных зон перегрева и вскипания воды и, естественно, без отложения шлама. Обеспечивается надежная работа водогрейного котла на воде, обработанной ингибиторами накипеобразования, снижаются эксплуатационные расходы. Уменьшение же металлоемкости и общего веса водогрейного котла с водой снижают капитальные затраты на изготовление и монтаж котла.

Формула изобретения

1. Водогрейный котел, содержащий корпус с патрубком выхода продуктов сгорания, с патрубками подвода и отвода воды, топку, дымогарные трубы, размещенные в корпусе с обеспечением возможности свободного прохождения по ним продуктов сгорания от топки до патрубка выхода продуктов сгорания, U-образные трубы, каждая из которых имеет ветвь входа воды и ветвь выхода воды, коллектор подвода воды, соединенный с патрубком подвода воды, коллектор отвода воды, соединенный с патрубком отвода воды, при этом каждая из ветвей входа воды соединена с коллектором подвода воды, а каждая из ветвей выхода воды – с коллектором отвода воды, отличающийся тем, что каждая из дымогарных труб установлена во внутренней полости соответствующей ветви U-образной трубы, при этом ветви входа воды и ветви выхода воды расположены в полости корпуса котла в шахматном порядке так, что ряд ветвей входа воды выполнен в виде ряда внутренних ветвей U-образных труб, ряд ветвей выхода воды – в виде ряда наружных ветвей U-образных труб.

2. Водогрейный котел по п. 1, отличающийся тем, что каждая из дымогарных труб жестко соединена с соответствующей ветвью U-образной трубы.

3. Водогрейный котел по п. 1, отличающийся тем, что U-образные трубы размещены по окружности.

4. Водогрейный котел по п. 1, отличающийся тем, что коллектор для отвода воды установлен в части корпуса, противолежащей топке.

5. Водогрейный котел по п. 4, отличающийся тем, что коллектор для отвода воды выполнен кольцеобразным.

6. Водогрейный котел по п. 1, отличающийся тем, что коллектор для отвода воды имеет прямоугольное сечение.

7. Водогрейный котел по п. 1, отличающийся тем, что каждая из U- образных труб размещена вдоль корпуса котла.

8. Водогрейный котел по п. 7, отличающийся тем, что U-образная труба выполнена из двух отрезков труб, соединенных между собой перемычкой.

9. Водогрейный котел по п. 8, отличающийся тем, что перемычка, соединяющая отрезки труб между собой, имеет прямоугольное сечение.

10. Водогрейный котел по п. 1, отличающийся тем, что каждая из дымогарных труб расположена во внутренней полости соответствующей ветви U-образной трубы аксиально с образованием кольцевого зазора между ними.

11. Водогрейный котел по п. 10, отличающийся тем, что дымогарные трубы имеют ребра, расположенные вдоль наружной поверхности под углом не более 45^o к оси дымогарной трубы.

12. Водогрейный котел по п. 11, отличающийся тем, что ребра выполнены в виде спирали или отдельных ее фрагментов.

13. Водогрейный котел по п. 1, отличающийся тем, что топка выбрана радиационного типа.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 18.04.2006

Извещение опубликовано: 7.03.2007 БИ: 09/2007