Конвективный пакет труб

(51) 22 37/40 (2011.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ гидравлических условиях. Установка всех равных по длине конвективных труб с перепускными коллекторами позволяет увеличивать в каждой последующей части пакета продольное число рядов труб, что невозможно сделать при -образных трубах. Перепускные коллектора закрывают собой промежутки между соседними коллекторами противоположных боковых сторон и тем самым увеличивают конвективную поверхность труб работающих под давлением. Для этого в конвективной части водогрейного котла, согласно изобретению, впервой части первого конвективного пакета содержитсяпродольных рядов прямых труб, а во второй части первого конвективного пакета содержится 1 продольных рядов прямых труб. Прямые трубы в первом конвективном пакете расположены с поперечным шагом 1 и с продольным шагом 2. В первой части второго конвективного пакета содержится 2 продольных рядов труб, а во второй части второго конвективного пакета содержится 3 продольных рядов труб. Во втором конвективном пакете прямые трубы расположены с поперечным шагом 0,91 и продольным шагом 0,92, при этом расстояние между осями коллекторов по глубине первого конвективного пакета равно 1,551, а между осями коллекторов по глубине второго конвективного пакета 1,351.(72) Орумбаев Рахимжан Кабиевич Абдуллаев Калык Абдуллаевич Абдуллаев Талгат Калыкович Орумбаева Шолпан Рахимжановна(73) Акционерное общество КазНИИ энергетики им. академика Ш.Ч. Чокина(57) Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к водогрейным котлам, которые могут быть использованы в системах централизованного теплоснабжения и предназначены для установки в отопительных и промышленно-отопительных котельных, а также на ТЭЦ в качестве основных источников горячею водоснабжения жилых и промышленных зданий и сооружений. В водогрейном котле новый конвективный пакет труб выполнен из труб равной длины и поэтому по всем трубам скорость воды одинаковая. Весь конвективный пакет труб охлаждается равномерно изнутри водой и одновременно равномерно происходит обтекание высокотемпературными газами из-за отсутствия- образных петель с двух боковых сторон. В новом конвективном пакете водогрейного котла 100 поверхности труб располагаются в одинаковых аэродинамических и Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к водогрейным котлам, которые могут быть использованы в системах централизованного теплоснабжения и предназначены для установки в отопительных и промышленно-отопительных котельных в качестве основных источников горячего водоснабжения жилых и промышленных зданий и сооружений, а также на ТЭЦ в качестве источников тепла в основном и пиковом режимах. Известен водогрейный газо-мазутный котел ПТВМ-120 Э (Каталог ОАО Дорогобужкотломаш,том 2, издание 4, 2007 г. 80 с.) с башенной компоновкой тепловой производительностью 139,6 МВт (120 Гкал/час). Котел содержит параллельно включенные вертикально расположенные трубы, с верху и с низу соединенные с коллекторами и объединенные в топочный экран, включающий фронтовой, тыльный и два боковых экрана, топка по середине разделена двухсветным экраном расположенным вдоль оси шестнадцати горелок и делит их по восемь горелок в каждой из половин топки, причем в верхней части топки трубы двухсветного экрана разведены в стороны к двум коллекторам боковых экранов по три ряда труб образуя фестон, и фактически экранируют собой от факела верхний конвективный пакет труб расположенный непосредственно над фестонным экраном котла. По сравнению с трубами первого ряда конвективного пакета фестонные трубы двусветного экрана испытывают максимальную тепловую нагрузку от светящего восходящего высокотемпературного факела, так как они расположены непосредственно над горелками на расстоянии 4200 мм. Существенным недостатком такой конструкции котла ПТВМ-120 Э является то, что конвективные трубы выполняются с -образными петлями,причем каждый следующий ряд труб короче на 390490 мм от предыдущих и так от пятнадцати до двадцати трех рядов. Это обусловлено расположением каждой последующей петли из трубы расположенной в -образной предыдущей петле из трубы с большим радиусом изгиба, т.е. каждая последующая труба с петлей имеет меньшую длину, чтобы разместиться внутри предыдущей петли. Поэтому в крайних -образных трубах с максимальной длиной скорость воды меньше чем в трубах расположенных внутри с меньшим радиусом изгиба, так как гидравлическое сопротивление у длинной трубы больше, а перепад по давлению на входе и выходе из -образных труб одинаковый. Следовательно, условия охлаждения стенок внешних -образных труб хуже, чем у коротких труб с большей скоростью воды и находящихся за ними в более благоприятных тепловых условиях. Более того в зоне изгиба всех- образных труб газовый поток оттесняется от места изгиба в более свободное место с прямыми участками, так как там пространство занято участками изгиба труб и аэродинамический поток становится неравномерным, что дополнительно обуславливает неравномерную тепловую нагрузку конвективного пакета труб. Причем своими торцами -образные трубы привариваются к вертикально расположенным коллекторам таким образом, что перегородка в коллекторе размещается между двумя торцамиобразной самой короткой трубы и расположенной внутри всех -образных труб, где скорость циркуляции воды по внутренним трубам максимальная. По наружным большим петлям изобразных труб с максимальной длинной скорость воды меньше. Вследствие такой геометрии конвективного пакета труб с- образными петлями нарушается равномерное распределение потока воды по всем трубам, так как их длина не одинакова. Конвективный пакет труб находится непосредственно над топкой котла с высокотемпературным факелом и наружные трубы конвективного пакета, в которых скорость воды меньше испытывают большее тепловое воздействие,а температура стенки таких труб выше, чем у труб расположенных внутри. Это приводит к перегреву стенки труб из-за недостаточного охлаждения при низкой скорости воды относительно более коротких труб, где скорость воды выше. Перегрев стенки трубы может привести к началу образования окалин на внешней стенке и дальнейшему пережогу трубы с образованием свищей. Поэтому завод изготовитель в конструкции котла ПТВМ-120 Э увеличил расстояние от верхнего яруса горелок до первого ряда конвективных труб. Дополнительно, для смягчения гидравлической и аэродинамической неравномерности по указанным причинам перед конвективным пакетом труб был установлен двухсветный экран с разведенными к верху к боковым экранам трубами, который служит защитой первых рядов труб от высокотемпературного восходящего факела, а конструкция конвективного пакета труб не изменена по сути и выполнена в обычном исполнении собразными трубами. Задача изобретения - разработка эффективного и надежного вертикального водогрейного котла для работы на природном газе, жидком и твердом топливе, обеспечивающего циркуляцию воды с высокими скоростями в трубах первых частей конвективного пакета и с меньшими скоростями воды в последующих конвективных пакетах с сохранением постоянной скорости газового потока,с целью максимальной теплоотдачи конвективного пакета труб при изменении тепловой нагрузки котла. В водогрейном котле первая часть первого конвективного пакета содержит меньшее количество параллельных труб. Вторая часть первого конвективного пакета содержит параллельных труб на один или два ряда больше чем в первой части. Поэтому скорость воды в первой части конвективного пакета больше и охлаждение стенок труб водой интенсивнее, так как первый пакет находится непосредственно над высокотемпературным факелом. Стенки труб второй части первого конвективного пакета 2 охлаждаются водой с меньшей скоростью, так как вторая часть пакета экранирована от факела первой частью пакета и находится за ним. По ходу газов первая часть второго конвективного пакета содержит большее количество параллельных труб,чем вторая часть первого конвективного пакета. Вторая часть второго конвективного пакета содержит параллельных труб на один или два ряда больше чем в первой части второго конвективного пакета, а скорость воды в трубах второй части второго конвективного пакета меньше. Стенки труб второй части второго конвективного пакета воспринимают меньше тепла от газов водой, так как вторая часть второго конвективного пакета обтекается газовым потоком с низким уровнем температуры. Основная часть тепла газового потока передается двум частям первого конвективного пакета и первой части второго конвективного пакета. Новая конструкция конвективного пакета труб отличается от старых конвективных пакетов труб с-образными петлями. В новых конвективных пакетах водогрейного котла 100 поверхности труб располагаются в одинаковых аэродинамических и гидравлических условиях. Причем установка равных по длине всех конвективных труб позволяет увеличить конвективную поверхность нагрева с двух боковых сторон, закрыв промежутки между соседними коллекторами противоположной боковой стороны и увеличить рабочую поверхность труб. Для этого согласно изобретению последовательно в первой части первого конвективного пакета размещеныпродольных рядов труб, а во второй части первого конвективного пакета размещены 1 продольных рядов труб с поперечным шагом 1 и с продольным шагом 2. В первой части второго конвективного пакета 2 продольных ряда труб, а во второй части второго конвективного пакета 3 продольных ряда труб с поперечным шагом 0,91 и с продольным шагом 0,92. При этом расстояние между осями коллекторов первого конвективного пакета равно 1,551, а между осями второго конвективного пакета 1,351. Где 1 - поперечный шаг труб в первом конвективном пакете труб,2 - продольный шаг труб в первом конвективном пакете труб по ходу газов. Поперечное количество рядов труб по глубине в первом и втором конвективных пакетах не меняется конструктивно, а конвективные трубы одинаковой длины привариваются к двум противоположным коллекторам в шахматном порядке. Конвективные пакеты по ширине топки содержат в первой части первого конвективного пакетапродольных рядов труб с равной длиной,во второй части 1 продольных рядов труб с поперечным шагом труб 1 и продольным шагом 2,а в первой части второго конвективного пакета 2 продольных рядов труб, во второй части 3 продольных рядов с поперечным шагом 0,91 и с продольным шагом 0,92 обеспечивают равномерное тепловое напряжение стенок труб конвективных пакетов и одинаковую скорость обтекания газами труб с равномерным теплосъемом. Это обеспечивается только с применением прямых труб равной длины. В серийных водогрейных котлах с двух боковых сторон конвективных стоек весь свободный промежуток поверхности между конвективными стойками обычно закрывается толстым слоем теплоизоляции. В новой конструкции конвективного пакета труб промежуток между конвективными стойками закрывается перепускными коллекторами вместо -образных петель труб и соответственно добавляется конвективная поверхность. Установка равных по длине всех конвективных труб с предложенным порядком расположения в частях конвективных пакетов позволяет увеличить надежность работы конвективной части и котла в целом. Упрощается эксплуатация, ремонт и обслуживание конвективной части котла,сокращаются расходы по ремонту и замене труб конвективного пучка. Конструкция конвективного пакета обеспечивает надежную работу котла при прямом и обратном движении воды по трубам конвективного пакета в зависимости от вида сжигаемого топлива и схемы циркуляции. Из научной и технической литературы известно,что все работы, по экспериментальным и теоретическим исследованиям гидродинамики и теплообмена при поперечном обтекании шахматных пакетов проводились только с трубами равной длины. А вынужденное производство серийных водогрейных котлов с -образными конвективными трубами обусловлено унификацией технологии изготовления на заводах и сокращением количества сварки труб к коллекторам в два раза только по конвективной части котла. Поэтому разработчики и специалисты на котельных заводах пренебрегали неравномерным распределением скорости воды в трубах разной длины и аэродинамической неоднородностью по условиям обтекания конвективных шахматных пакетов труб. На фиг. 1 представлено продольное сечение первого конвективного пакета 3 с первой 1 и второй 2 частями прямых труб в шахматном порядке. На фиг.2 представлено поперечное сечение по АА по фиг.1 второй части 2 первого конвективного пакета 3 с размещением прямых труб. На фиг.3 представлено продольное сечение второго конвективного пакета 6 с первой 4 и второй 5 частями прямых труб в шахматном порядке. На фиг.4 представлено поперечное сечение по ББ по фиг.3 второй части 2 второго конвективного пакета 6 с размещением прямых труб. Первая часть 1, вторая часть 2 первого конвективного пакета 3, первая часть 4, вторая часть 5 второго конвективного пакета 6 содержат осевые конвективные трубы 7 одинаковой длины и прямые конвективные трубы 8 со скосом, приваренные с двух сторон и смещенных относительно труб 7 в шахматном порядке к коллекторам 9 с перегородками 10 и к перепускным коллекторам 11 с заглушками 12 между распорками 13. 3 Первая 1 и вторая часть 2 первого конвективного пакета 3 размещены горизонтально, первая 4 и вторая часть 5 второго конвективного пакета 6 размещены горизонтально, осевые конвективные трубы 7 и прямые конвективные трубы 8 со скосом размещены горизонтально, коллектора 9 размещены вертикально,перегородки 10 размещены горизонтально в коллекторах 9, перепускные коллектора 11 размещены вертикально, заглушки 12 размещены горизонтально с торцевых сторон перепускных коллекторов 11. Размещение в первой 1 частипродольных рядов, во второй 2 части 1 продольных рядов осевых конвективных труб 7 и прямых конвективных труб 8 со скосом первого конвективного пакета 3 с поперечным шагом труб 1 и продольным шагом 2, а в первой 4 части 2 продольных рядов, во второй 5 части 3 продольных рядов осевых конвективных труб 7 и прямых конвективных труб 8 со скосом второго конвективного пакета 6 с поперечным шагом труб 0,91 и продольным шагом 0,92, с расстоянием между осями коллекторов 9 и 11 первого конвективного пакета 3 равного 1,551 и между осями коллекторов 9 и 11 второго конвективного пакета 6 1,351 по ходу газов, обеспечивает равномерное тепловое напряжение стенок труб конвективных пакетов при одинаковой скорости обтекания газовым потоком наружной поверхности труб и сбалансированную скорость воды в разных частях конвективного пакета для равномерного теплосъема. Новая конструкция конвективного пакета труб и ее первая часть 1 с количествомпродольных рядов труб защищает от высокотемпературных газов остальную конвективную поверхность нагрева за счет увеличения скорости воды с низкой входной температурой. Во второй части 2 первого конвективного пакета 3 количество труб увеличивается с 1 продольными рядами и скорость воды уменьшается, а конвективная поверхность нагрева труб увеличивается, так как температура газового потока уменьшается после прохождения первой 1 части с количествомпродольных рядов труб. Для первой части 4 второго конвективного пакета 6 с 2 продольными рядами труб конвективная поверхность увеличивается относительно второй части 2 первого конвективного пакета 3 с 1 продольными рядами труб, так как температура газового потока еще меньше, а скорость воды соответствует температурному уровню газового потока для пакета с 2 рядами труб и т.д. Обслуживание и ремонт конвективных пакетов с прямыми трубами равной длины в условиях эксплуатации и при ремонте более удобны. Конвективные пакеты с прямыми трубами,состоящие каждая из двух частей, водогрейного котла работают следующим образом. По газовому тракту котла движение выполняется таким образом воздух подводится к горелкам отдельно. Природный газ или резервное топливо мазут подаются к осевым направляющим аппаратам горелок, расположенных на двух уровнях вдоль двух боковых экранов водогрейного котла. Продукты сгорания топливно-воздушной смеси в призматической вертикальной топке поднимаются вверх и омывают последовательно первую 1 и вторую 2 части первого конвективного пакета 3 си 1 продольными рядами труб, обтекая с наружи осевые конвективные трубы 7 одинаковой длины и прямые конвективные трубы 8 со скосом. Трубы 7 и 8 размещены в первом конвективном пакете 3 с поперечным шагом 1 и продольным шагом 2. После первого конвективного пакета 3 восходящий поток газов равномерно омывает, конвективные трубы 7 и 8 первой 4 и второй 5 части второго конвективного пакета 6 труб с 2 и 3 продольными рядами труб. Осевые конвективные трубы 7 одинаковой длины и прямые конвективные трубы 8 со скосом второго конвективного пакета 6 размещены с поперечным шагом 0,91 и продольным шагом 0,9 1. При этом уменьшение поперечного сечения во втором конвективном пакете 6 обеспечивает сохранение высокой скорости обтекания газами конвективных труб с увеличенной поверхностью нагрева для 2 и 3 продольных рядов труб, чем достигается высокий уровень теплоотдачи от газов к трубам. По водяному контуру котел работает следующим образом. Вода из боковых экранов водогрейного котла поступает в нижние коллектора конвективной части котла и далее равномерно перераспределяясь поступает в коллектора 9 до перегородок 10 и через все осевые конвективные трубы 7 одинаковой длины и все прямые конвективные трубы 8 со скосом спродольными рядами труб первой 1 части первого пакета 3 попадает в перепускные коллектора 11 с заглушками 12. В перепускных коллекторах 11 вода разворачивается на 180 и обратно через осевые конвективные трубы 7 одинаковой длины и прямые конвективные трубы 8 со скосом, но уже с 1 продольными рядами труб второй 2 части первого пакета 3 поступает в коллектора 9 за перегородки 10. После первого хода воды по трубам 7 одинаковой длины и прямым конвективным трубам 8 со скосами в первой 1 части и второй 2 части первого пакета 3 и поднявшись выше перегородок 10 по коллекторам 9 поток воды попадает в осевые конвективные трубы 7 одинаковой длины и прямые конвективные трубы 8 со скосом первой части 4 второго пакета 6, но уже с 2 продольными рядами труб, где с меньшей скоростью вода поступает в перепускные коллектора 11 с заглушками 12. В перепускных коллекторах 11 вода разворачивается на 180 и последовательно через осевые конвективные трубы 7 одинаковой длины и прямые конвективные трубы 8 со скосом с 3 продольными рядами труб второй 5 части второго пакета 6 поступает с еще меньшей скоростью чем в первой части 4 в коллектора 9 за следующие перегородки 10 и по коллекторам 9 поступает в 4 верхний сборный конвективный коллектор из которого перепускается во фронтовой экран водогрейного котла и далее через выходные патрубки из водогрейного котла подается в общую систему. Изобретение подтверждается гидравлическими расчетами циркуляции воды по нормативному методу с постепенным увеличением в каждой части конвективного пакета количества осевых конвективных труб 7 одинаковой длины и прямых конвективных труб 8 со скосами, с учетом поворотов потока воды на 180 в перепускных коллекторах 11, а также в коллекторах 9 с перегородками 10 всех последовательно частей конвективного пакета труб водогрейного котла. Расчеты теплоотдачи в шахматных пакетах труб с поперечным обтеканием высокотемпературного газового потока подтверждают заявляемое в новой конструкции пропорциональное распределение воды по частям конвективных пакетов в трубах равной длины и совпадают практически со всеми экспериментальными работами известных научных центров России, в результате увеличивается теплоотдача от газов к поверхностям нагрева,снижается температура уходящих газов за котлом и увеличивается КПД котла. Расчетами по аэродинамическому,гидравлическому и тепловому нормативному методу показано, что гидравлическое сопротивление конвективного пакета труб равной длины на 5-7 меньше по сравнению с конвективным пакетом с образными трубами разной длины водогрейного котла ПТВМ-100. Увеличение поверхности нагрева боковых стенок конвективной части за счет использования дополнительных коллекторов с противоположной боковой стороны достигает 2-2,5 и одновременно сокращается расход теплоизоляционных материалов. Новые конвективные пакеты с прямыми трубами равной длины с одинаковой скоростью воды и улучшенными гидравлическими характеристиками и равномерным аэродинамическим обтеканием всех труб конвективного пакета могут быть реализованы с водогрейными котлами ПТВМ-50, ПТВМ-100, а также в опускной (подъемной) конвективной шахте новых водогрейных котлов серии КВ-ГМ при сжигании природного газа, мазута или твердого топлива. Установка новых конвективных пакетов труб равной длины для котлов работающих на природном газе, мазуте или твердом топливе увеличивает надежность конструкции конвективной части и обеспечивает удобство в обслуживании и ремонте в условиях эксплуатации. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Конвективные пакеты труб по ширине топки котла, состоящие из горизонтально расположенных конвективных труб соединенных с коллекторами,каждый из конвективных пакетов содержит перепускные коллектора отличающийся тем, что в первой части первого конвективного пакетапродольных рядов труб, а во второй части первого конвективного пакета 1 продольных рядов труб расположены с поперечным шагом 1 и с продольным шагом 2, причем в первой части второго конвективного пакета 2 продольных рядов труб, а во второй части второго конвективного пакета 3 продольных рядов труб расположены с поперечным шагом 0,91 и продольным шагом 0,92, при этом расстояние между осями коллекторов по глубине первого конвективного пакета равно 1,551, а между осями коллекторов но глубине второго конвективного пакета 1,352