RU184842U1

RU184842U1 - Hot water boiler

Info

Publication number: RU184842U1
Application number: RU2018131443U
Authority: RU
Inventors: Юрий Константинович Якимович; Юрий Германович Злодеев
Original assignee: Юрий Константинович Якимович; Бутко Александр Александрович; Юрий Германович Злодеев
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2018-11-12

Abstract

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения. Водогрейный котел содержит герметичный цилиндрообразной формы корпус, внутри которого расположена топочная камера, на входе которой установлен узел горелки, выполненный с каналами подвода топлива и воздушного потока. Кольцевая полость корпуса, образованная между стенками топочной камеры и корпуса, использована для прохождения воды и для образования высокотемпературной секции, а также вентилятор для подачи воздушного потока в узел горелки. В указанной кольцевой полости высокотемпературной секции расположены по окружности топочной камеры дымогарные трубы, сообщенные с топочной камерой, а часть указанной полости между стенками топочной камеры и корпуса и стенками дымогарных труб использована для прохождения воды, поступающей из низкотемпературной секции, представляющей собой закрепленный на корпусе высокотемпературной секции отдельный корпус с теплообменником из труб внутри, сообщаемых с источником подачи воды и с кольцевой полостью высокотемпературной секции, выходы дымогарных труб которой сообщены с полостью низкотемпературной секции, образованной трубами теплообменника и стенками ее корпуса, в одной из которых выполнен выход для топочных газов. Котел снабжен турбокомпрессором, турбинное колесо которого установлено в канале сообщения дымогарных труб с полостью низкотемпературной секции, а компрессорное колесо размещено в канале подачи воздушного потока из атмосферы к узлу горелки, в котором размещен клапан открытия этого канала при понижении давления в этом канале ниже атмосферного и отключения вентилятора. 6 ил.The utility model relates to the field of power engineering. The hot water boiler contains a sealed cylinder-shaped housing, inside of which there is a combustion chamber, at the entrance of which a burner assembly is installed, made with channels for supplying fuel and air flow. An annular cavity of the casing, formed between the walls of the combustion chamber and the casing, is used to pass water and to form a high-temperature section, as well as a fan to supply air flow to the burner assembly. In the annular cavity of the high-temperature section, smoke tubes connected to the combustion chamber are arranged around the circumference of the combustion chamber, and a part of the specified cavity between the walls of the combustion chamber and the casing and the walls of the smoke pipes is used to pass water coming from the low-temperature section, which is a high-temperature section mounted on the casing separate housing with a heat exchanger from pipes inside, connected to a water supply source and with an annular cavity of the high-temperature section, outputs smoke tubes of which are in communication with the cavity of the low-temperature section formed by the pipes of the heat exchanger and the walls of its body, in one of which an outlet for flue gases is made. The boiler is equipped with a turbocharger, the turbine wheel of which is installed in the communication channel of the smoke tubes with the cavity of the low-temperature section, and the compressor wheel is placed in the channel for supplying air flow from the atmosphere to the burner assembly, in which the valve for opening this channel is located when the pressure in this channel drops below atmospheric and shuts down fan. 6 ill.

Description

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована в котлостроении. В частности, рассматривается конструкция водогрейного котла с применением турбокомпрессоров для подачи воздуха в горелочное устройство.The utility model relates to the field of power engineering and can be used in boiler building. In particular, the design of a boiler using turbocompressors for supplying air to the burner device is considered.

В подавляющем большинстве случаев современные паровые котлы имеют т.н. камерную топку, в которой с помощью горелочного устройства, куда подаются топливо и воздух, горит факел. Топка экранируется трубами, по которым течет вода. Тепло, излучаемое горящим факелом (т.н. лучистый теплообмен), нагревает и испаряет воду. Так схематически происходит нагрев воды и генерация пара в котле. Лучистый тепловой поток составляет в камерной топке главную часть теплового потока, падающего на единицу площади экранной поверхности, и определяется температурой факела. В обычных условиях предельная температура факела в котле составляет величину порядка 2000 К. При таких температурах удельный лучистый тепловой поток не превышает 100-120 кВт/м². Эти цифры дают возможность подсчитать требуемую величину теплообменной экранной поверхности и, соответственно, размеры камерной топки при заданной тепловой мощности парового или водогрейного котла.In the vast majority of cases, modern steam boilers have the so-called a chamber furnace, in which a torch burns with the help of a burner, where fuel and air are supplied. The furnace is shielded by pipes through which water flows. The heat emitted by a burning torch (the so-called radiant heat transfer) heats and evaporates water. This is how water is heated and steam is generated in the boiler. The radiant heat flux in the chamber furnace makes up the main part of the heat flux incident on a unit area of the screen surface and is determined by the temperature of the torch. Under normal conditions, the limit temperature of the torch in the boiler is about 2000 K. At these temperatures, the specific radiant heat flux does not exceed 100-120 kW / m ² . These figures make it possible to calculate the required value of the heat-exchange screen surface and, accordingly, the dimensions of the chamber furnace for a given thermal power of a steam or hot water boiler.

Совершенно очевидно, что если бы удалось увеличить значение удельного теплового потока, то при той же мощности котла потребуется меньше теплообменной поверхности и размеры и, соответственно, масса котла уменьшатся. В условиях, когда главную часть теплового потока составляет лучистая энергия, возможности для увеличения теплового потока ограничены температурой факела. Ситуацию можно изменить, если сделать такую топку, в которой доминирующим будет теплообмен не лучистый, а конвективный, при котором теплообменная поверхность обтекается горячим газом с высокой скоростью. В этом случае удельный тепловой поток зависит не только от температуры, но и от скорости и плотности греющего газа. Создать высокотемпературный поток газа большой скорости можно с помощью камеры сгорания, имеющей цилиндрическую форму. Подобные камеры сгорания применяются в газотурбинных установках. Подобрав определенное соотношение топлива и окислителя (воздуха) на входе в камеру сгорания и создав повышенноедавление греющих воду продуктов сгорания, можно получить удельные тепловые потоки, в несколько раз превышающие удельные тепловые потоки, возникающие при лучистом теплообмене.It is quite obvious that if it was possible to increase the value of the specific heat flux, then at the same boiler capacity, less heat-exchange surface would be required and the dimensions and, accordingly, the mass of the boiler would decrease. In conditions where the main part of the heat flux is radiant energy, the possibilities for increasing the heat flux are limited by the flame temperature. The situation can be changed if you make such a furnace, in which heat transfer is not dominant, not radiant, but convective, in which the heat exchange surface is flowed around with hot gas at high speed. In this case, the specific heat flux depends not only on temperature, but also on the speed and density of the heating gas. A high-temperature high-speed gas flow can be created using a cylindrical-shaped combustion chamber. Similar combustion chambers are used in gas turbine installations. Having selected a certain ratio of fuel and oxidizer (air) at the entrance to the combustion chamber and creating increased pressure of the water heating products, it is possible to obtain specific heat fluxes that are several times higher than the specific heat fluxes arising from radiant heat transfer.

Отметим, однако, важную проблему, которая возникает при переводе механизма теплообмена из лучистого в конвективный. При увеличении скорости греющих продуктов сгорания в газовом тракте существенно возрастает гидравлическое сопротивление, для преодоления которого приходится затрачивать дополнительную электроэнергию на привод воздушного нагнетателя. Чтобы преодолеть эту проблему, было предложено отказаться от электропривода и использовать нагнетающий воздушный компрессор с приводом от газовой турбины (турбокомпрессор), работающей на продуктах сгорания этого же парогенератора. Такие турбокомпрессоры применяются, например, для наддува дизельных двигателей с целью увеличения их мощности (ст. "Малогабаритные цилиндрические пароводогрейные котлы с турбокомпрессором для коммунальных и технологических целей", автор Якимович К.А., https://www.rosteplo.ru/Tech_stat/kot_r8A2pU.htm, найдено 01.06.2018).We note, however, an important problem that arises in the transfer of the heat transfer mechanism from radiant to convective. With an increase in the speed of heating products of combustion in the gas path, the hydraulic resistance substantially increases, to overcome which it is necessary to expend additional electricity to drive an air supercharger. To overcome this problem, it was proposed to abandon the electric drive and use a pumping air compressor driven by a gas turbine (turbocharger) operating on the products of combustion of the same steam generator. Such turbochargers are used, for example, to pressurize diesel engines to increase their power (article "Small-sized cylindrical steam boilers with a turbocompressor for utility and technological purposes", author K. Yakimovich, https://www.rosteplo.ru/Tech_stat /kot_r8A2pU.htm, found on 06/01/2018).

Известен парогенерирующий цилиндрический котел с агрегатом наддува, содержащий источник нагреваемой среды, газоход, разделенный на две части, каждая из которых образована своей теплообменной поверхностью, первая часть газохода на входе осевого канала подключена к горелочному устройству, причем части газохода соединены последовательно с образованием газового тракта, а агрегат наддува выполнен в виде нагнетающего в горелочное устройство воздух компрессора с приводом от газовой турбины, подключенной к газовому тракту между упомянутыми частями газохода, при этом теплообменная поверхность первой части газохода между горелочным устройством и газовой турбиной выполнена в виде цилиндрических обечаек с полыми стенками, внутри которых образованы спиральные каналы для прохода нагреваемой среды, обечайки размещены относительно друг друга коаксиально с зазором и образованием упомянутого газохода, теплообменная поверхность второй части газохода образована цилиндрами, расположенными снаружи от обечаек, причем стенки цилиндров изготовлены из расположенных вдоль оси по образующей и примыкающих одна к другой прямых трубок для прохода в нихнагреваемой среды, цилиндры установлены коаксиально по отношению к обечайкам и между собой с зазорами и образованием последовательно соединенных между собой каналов газохода, а выход турбины подключен к каналу, образованному внешней поверхностью обечайки и внутренней поверхностью цилиндра, при этом трубки соединены с коллекторами, расположенными по их концам (RU 2121622, F24H 1/24, опубл. 10.11.1998).Known steam-generating cylindrical boiler with a boost unit containing a source of a heated medium, a gas duct divided into two parts, each of which is formed by its heat exchange surface, the first part of the duct at the inlet of the axial channel is connected to the burner device, and the parts of the duct are connected in series with the formation of the gas path, and the boost unit is made in the form of a compressor forcing air into the burner device driven by a gas turbine connected to the gas path between the aforementioned parts of the duct, while the heat exchange surface of the first part of the duct between the burner and the gas turbine is made in the form of cylindrical shells with hollow walls, inside which spiral channels are formed for the passage of the heated medium, the shells are placed relative to each other coaxially with a gap and the formation of the mentioned duct, heat transfer surface the second part of the duct is formed by cylinders located outside of the shells, and the walls of the cylinders are made of located along the axis along the sample of the direct and adjacent straight tubes for the passage of a heated medium into them, the cylinders are mounted coaxially with respect to the shells and with each other with gaps and the formation of gas ducts connected in series, and the turbine outlet is connected to a channel formed by the outer surface of the shell and the inner surface of the cylinder , while the tubes are connected to collectors located at their ends (RU 2121622, F24H 1/24, publ. 11/10/1998).

Известный парогенерирующий котел, равно как и другие такие же парогенерирующие установки с применением турбонаддува, используют для сжигания топлива камеру сгорания с воздушным охлаждением по типу камер сгорания для газотурбинных установок. Высокая теплонапряженность такой камеры зачастую приводит к перегреву поверхности камеры на частичных режимах и к повышенному содержанию вредных выбросов в продуктах сгорания. Для запуска этих котлов в работу и работы на частичных режимах используется дополнительная вспомогательная камера сгорания. Наличие двух камер сгорания значительно усложняет конструкцию и работу котла. Стартовая раскрутка турбокомпрессора осуществляется сжатым воздухом, подающимся на лопатки турбокомпрессора из баллона со сжатым воздухом, что, во-первых, требует доработки серийно выпускаемых турбокомпрессоров и, во-вторых, ограниченный запас воздуха в баллоне оставляет весьма незначительное время (как правило, не более 2-3-х минут) на запуск установки и вывод ее на режим, когда турбокомпрессоры смогут обеспечить подачу необходимого количества воздуха для работы установки. Следствием нехватки воздуха может являться прекращение работы установки до выхода на заданный режим.The well-known steam generating boiler, as well as other similar steam generating units using turbocharging, use an air-cooled combustion chamber as a combustion chamber for gas turbine plants to burn fuel. The high thermal stress of such a chamber often leads to overheating of the surface of the chamber in partial modes and to an increased content of harmful emissions in the combustion products. To launch these boilers into operation and work in partial modes, an additional auxiliary combustion chamber is used. The presence of two combustion chambers greatly complicates the design and operation of the boiler. The start-up of the turbocharger is carried out by compressed air supplied to the blades of the turbocharger from the cylinder with compressed air, which, firstly, requires refinement of commercially available turbochargers and, secondly, the limited air supply in the cylinder leaves very little time (usually no more than 2 -3 minutes) to start the installation and bring it to the mode when the turbochargers can provide the necessary amount of air for the operation of the installation. The result of a lack of air can be the termination of the installation before reaching the specified mode.

Паровой прямоточный котел не может работать в водогрейном режиме, т.к. расход воды в водогрейном котле при той же мощности примерно в 20 раз больше, чем в паровом. Сечения пароводяного тракта прямоточного парового котла не рассчитаны на проход такого количества теплоносителя. Перепад давления воды между входом и выходом котла будет запредельно большим, что делает практически невозможным работу прямоточного парового котла в водогрейном режиме.The direct-flow steam boiler cannot operate in the hot water mode, as water consumption in a boiler at the same power is approximately 20 times greater than in a steam boiler. The cross-section of the steam-water path of a once-through steam boiler is not designed for the passage of such an amount of coolant. The difference in water pressure between the inlet and outlet of the boiler will be prohibitively large, which makes it practically impossible for the once-through steam boiler to operate in the hot water mode.

В водогрейных котлах системы турбонаддува до сих пор не применялись.Turbocharging systems have not yet been used in hot water boilers.

Традиционно, водогрейный котел содержит заполненный водой герметичный корпус, внутри которого расположена жаровая камера и дымогарные трубы, снабженные установленными с зазором нагревательными элементами, один конец трубы которых подключен к водяному объему котла, а каждый нагревательный элемент представляет собой навитый из гладкой трубы винтовой змеевик, вставленный в дымогарную трубу с образованием спирального канала, при этом второй конец трубы нагревательных элементов подключен к питательному трубопроводу (RU 2137049, F24H 1/00, опубл. 10.09.1999). Данное решение принято в качестве прототипа.Traditionally, a hot water boiler contains a sealed housing filled with water, inside which there is a fire chamber and smoke tubes equipped with heating elements installed with a gap, one end of the pipe of which is connected to the boiler water volume, and each heating element is a helical coil wound from a smooth pipe, inserted in the smoke pipe with the formation of a spiral channel, while the second end of the pipe of the heating elements is connected to the feed pipe (RU 2137049, F24H 1/00, publ. 1 09/09/1999). This decision was made as a prototype.

По мере нагрева воды циркуляционным насосом, связанным с трубопроводом, в трубы змеевика подают питательную воду, которая, двигаясь по трубам одних ветвей спирали встречно потоку газов, нагревается. Далее, возвращаясь по трубам других ветвей спирали в сторону коллектора, вода продолжает нагреваться до более высокой температуры. Затем подогретая таким образом вода направляется в водяной объем котла, откуда через патрубок поступает в отопительную систему.As the water is heated by a circulation pump connected to the pipeline, feed water is supplied into the pipes of the coil, which, moving along the pipes of some branches of the spiral opposite the gas flow, is heated. Further, returning through pipes of other branches of the spiral towards the collector, the water continues to heat up to a higher temperature. Then, the water preheated in this way is sent to the water volume of the boiler, from where it enters the heating system through the pipe.

Факел пламени горелочного устройства, веерообразно распространяясь в жаровой камере, отражается от ее днища и, увлекаемый тягой, устремляется через дымогарные трубы в дымовую трубу. Проходя по спиральным каналам, образованным трубами винтовых змеевиков, топочные газы нагревают последние по всей их длине, а также нагревают воду, взаимодействующую с наружными поверхностями дымогарных труб.The torch of the flame of the burner device, fan-shaped spreading in the fire chamber, is reflected from its bottom and, carried away by the draft, rushes through the smoke tubes into the chimney. Passing through the spiral channels formed by the pipes of helical coils, the flue gases heat the latter along their entire length, and also heat the water interacting with the outer surfaces of the smoke tubes.

В данном решении теплопередача от дымовых газов воде (теплоносителю) осуществляется за счет радиационного и конвективного теплообменов в полости корпуса между стенкой топки и трубчатым змеевиком, по которому пропускается теплоноситель. Дымовые газы (продукты сгорания топлива) после обмыва трубок змеевика выходят в атмосферу.In this solution, heat transfer from flue gases to water (coolant) is carried out due to radiation and convective heat exchanges in the body cavity between the furnace wall and the tubular coil through which the coolant is passed. Flue gases (products of fuel combustion) after washing the tubes of the coil exit into the atmosphere.

Недостатком известного котла является низкое использование тепла сгоревшего топлива вследствие малой поверхности нагрева и низкой скорости горения факела. Низкая интенсификация теплообмена приводит к повышенному расходу топлива и к большим тепловым потерям из-за недостаточного использования тепла топочных газов. Кроме того, в камерах прохождениятопочных газов создается повышенное давление, которое при естественном течении процесса перемещения газов, создает сопротивление потоку. Это сопротивление так же усугублено тем, что газы не имеют прямого вектора перемещения из-за формы труб змеевиков. С одной стороны, змеевик позволяет увеличить поверхность теплопередачи, а с другой формирует зоны подтормаживания газового потока. Известно, что теплопередача тем выше, чем выше скорость обдува. Наличие зон или участков подтормаживания приводит к потере тепла и снижению теплопередачи. От этого зависит КПД установки в целом. Кроме того, процесс образования тепла проходит при атмосферном давлении и поэтому он ограничен по мощности. В данном случае, применительно к известному водогрейному котлу, увеличение мощности можно добиться только за счет увеличения факела, то есть повышением расхода топлива. Так же остается нерешенным вопрос экологической утилизации топочных газов. Процесс утилизации прямо связан с температурой этих газов на выходе. А в известном решении температура газов на выходе не намного отличается от температуры топочных газов, поступающих к трубам змеевиков.A disadvantage of the known boiler is the low heat utilization of the burned fuel due to the small heating surface and the low burning rate of the torch. Low intensification of heat transfer leads to increased fuel consumption and to large heat losses due to insufficient use of heat from the flue gases. In addition, increased pressure is created in the chambers of the passage of flue gases, which, during the natural course of the process of moving gases, creates resistance to flow. This resistance is also exacerbated by the fact that the gases do not have a direct displacement vector due to the shape of the coil pipes. On the one hand, the coil allows you to increase the heat transfer surface, and on the other hand forms a zone of slowdown gas flow. It is known that heat transfer is higher, the higher the speed of blowing. The presence of zones or sections of braking leads to heat loss and a decrease in heat transfer. The efficiency of the installation as a whole depends on this. In addition, the process of heat generation occurs at atmospheric pressure and therefore it is limited in power. In this case, in relation to the well-known hot water boiler, an increase in power can be achieved only by increasing the torch, that is, by increasing fuel consumption. The issue of environmental utilization of flue gases also remains unresolved. The disposal process is directly related to the temperature of these gases at the outlet. And in a known solution, the temperature of the gases at the outlet is not much different from the temperature of the flue gases entering the pipes of the coils.

Настоящая полезная модель ставит своей целью создание такой конструкции водогрейного котла с использованием турбокомпрессоров для наддува горелочного устройства, которая позволила бы избежать вышеуказанных недостатков.This utility model aims to create a design of a hot water boiler using turbochargers to pressurize the burner device, which would avoid the above disadvantages.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении топливной экономичности водогрейного котла.This utility model is aimed at achieving a technical result consisting in increasing the fuel economy of a boiler.

Указанный технический результат достигается тем, что в водогрейном котле, содержащем герметичный цилиндрообразной формы корпус, внутри которого расположена топочная камера, на входе которой установлен узел горелки, выполненный с каналами подвода топлива и воздушного потока, кольцевая полость корпуса, образованная между стенками топочной камеры и корпуса, использована для прохождения воды и противотоком направлению движения воды топочных газов для образования высокотемпературной секции, а также вентилятор для подачи воздушного потока в узел горелки, в указанной кольцевой полости высокотемпературной секции расположены по окружноститопочной камеры дымогарные трубы, сообщенные с топочной камерой, а часть указанной полости между стенками топочной камеры и корпуса и стенками дымогарных труб использована для прохождения воды, поступающей из низкотемпературной секции, представляющей собой закрепленный на корпусе высокотемпературной секции отдельный корпус с теплообменником из труб внутри, сообщаемых с источником подачи воды и с кольцевой полостью высокотемпературной секции, выходы дымогарных труб которой сообщены с полостью низкотемпературной секции, образованной трубами теплообменника и стенками ее корпуса, в одной из которых выполнен выход для топочных газов, при этом котел снабжен турбокомпрессором, турбинное колесо которого установлено в канале сообщения дымогарных труб с полостью низкотемпературной секции, а компрессорное колесо размещено в канале подачи воздушного потока из атмосферы к узлу горелки, в котором размещен воздушный клапан открытия этого канала при понижении давления в этом канале ниже атмосферного и отключения вентилятора.The specified technical result is achieved by the fact that in the boiler containing a sealed cylinder-shaped body, inside which there is a combustion chamber, at the entrance of which there is a burner assembly made with fuel and air flow channels, an annular cavity of the housing formed between the walls of the combustion chamber and the housing , used for the passage of water and countercurrent flow direction of the water of the flue gases to form a high-temperature section, as well as a fan for supplying air flow and into the burner assembly, in the indicated annular cavity of the high-temperature section, smoke tubes connected to the combustion chamber are located around the combustion chamber, and a part of the specified cavity between the walls of the combustion chamber and the casing and the walls of the smoke pipes is used to pass water coming from the low-temperature section, which is fixed on the casing of the high-temperature section, a separate casing with a heat exchanger from pipes inside connected to the water supply source and to the annular cavity of the high-temperature section, the exits of the smoke tubes of which are in communication with the cavity of the low-temperature section formed by the pipes of the heat exchanger and the walls of its body, in one of which there is an outlet for flue gases, the boiler is equipped with a turbocompressor, the turbine wheel of which is installed in the channel of communication of the smoke tubes with the cavity of the low-temperature section and the compressor wheel is placed in the channel for supplying air flow from the atmosphere to the burner assembly, in which the air valve for opening this channel is located when the pressure in this anal below atmospheric pressure and the fan is turned off.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.These features are significant and are interconnected with the formation of a stable set of essential features sufficient to obtain the desired technical result.

Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.The present utility model is illustrated by a specific example of execution, which, however, is not the only possible one, but clearly demonstrates the possibility of achieving the required technical result.

На фиг. 1 - блок-схема водогрейного котла с применением турбокомпрессоров для подачи воздуха в горелочное устройство;In FIG. 1 is a block diagram of a boiler using turbocompressors to supply air to the burner device;

фиг. 2 - конструктивная схема водогрейного котла;FIG. 2 is a structural diagram of a boiler;

фиг. 3 - конструкция горелочного узла;FIG. 3 - burner assembly design;

фиг. 4 - продольный разрез водогрейного котла согласно схеме, приведенной на фиг. 2;FIG. 4 is a longitudinal section through a boiler according to the circuit of FIG. 2;

фиг. 5 - сечение А-А по фиг. 4; фиг. 6 - сечение Б-Б по фиг. 4.FIG. 5 is a section AA in FIG. four; FIG. 6 is a section BB in FIG. four.

Согласно настоящей полезной модели рассматривается водогрейный котел с применением турбокомпрессора/ров для подачи воздуха в горелочное устройство.According to this utility model, a hot water boiler is considered using a turbocharger / ditch to supply air to the burner device.

Водогрейный котел с использованием турбокомпрессоров для наддува горелочного устройства согласно общей концепции полезной модели состоит из: узла горелки, радиационной секции, конвективной секции, турбокомпрессора или блока турбокомпрессоров, низкотемпературной секции, вентилятора высокого давления и воздушного клапана.The boiler using turbochargers for boosting the burner according to the general concept of a utility model consists of: a burner assembly, a radiation section, a convection section, a turbocharger or a turbocharger block, a low-temperature section, a high-pressure fan and an air valve.

Для подачи воздуха в узел горелки водогрейного котла используется турбокомпрессор. Радиационная секция выполнена в виде топочной камеры, конвективная секция выполнена в виде параллельного пучка дымогарных труб, расположенных по окружности в кольцевом зазоре в общем объеме теплоносителя между стенкой топочной камеры и корпусом котла.A turbocharger is used to supply air to the burner assembly of the boiler. The radiation section is made in the form of a combustion chamber, the convection section is made in the form of a parallel bundle of smoke pipes arranged around a circle in an annular gap in the total volume of the coolant between the wall of the combustion chamber and the boiler body.

В качестве основных элементов узла горелки использованы узлы (сопло и голова сгорания) от серийно выпускаемых атмосферных горелок. Турбокомпрессорный узел состоит из одного или нескольких параллельно установленных турбокомпрессоров. А для запуска котла и для работы на режимах небольшой мощности используется вентилятор высокого давления. Для отсечения линии подачи воздуха от атмосферы в момент запуска установлен воздушный клапан. При этом при запуске водогрейного котла с использованием турбокомпрессора/ров для наддува узла горелки для подачи воздуха на поджиг котла и начальной раскрутки турбокомпрессоров используется система, состоящая из вентилятора высокого давления и воздушного клапана.As the main elements of the burner assembly, the assemblies (nozzle and combustion head) from commercially available atmospheric burners are used. The turbocharger assembly consists of one or more parallel mounted turbochargers. And to start the boiler and to work at low power modes, a high pressure fan is used. An air valve is installed to cut off the air supply line from the atmosphere at the time of start-up. At the same time, when starting a hot water boiler using a turbocharger / ditch to pressurize the burner assembly, a system consisting of a high-pressure fan and an air valve is used to supply air for igniting the boiler and initial spin-up of the turbochargers.

В общем случае, водогрейный котел содержит герметичный цилиндрообразной формы корпус, внутри которого расположена топочная камера, на входе которой установлен узел горелки, выполненный с каналами подвода топлива и воздушного потока.In general, a hot water boiler contains a sealed cylinder-shaped housing, inside of which there is a combustion chamber, at the entrance of which a burner assembly is installed, made with channels for supplying fuel and air flow.

Кольцевая полость корпуса, образованная между стенками топочной камеры и корпуса, использована для прохождения воды и противотоком направлению движения воды топочных газов для образования высокотемпературной секции, а также вентилятор высокого давления для подачи воздушного потока в узел горелки.An annular cavity of the casing, formed between the walls of the combustion chamber and the casing, is used to pass water and countercurrently to the direction of water movement of the flue gases to form a high-temperature section, as well as a high-pressure fan to supply air flow to the burner assembly.

В указанной кольцевой полости высокотемпературной секции расположены по окружности топочной камеры дымогарные трубы, сообщенные с топочной камерой, а часть указанной полости между стенками топочной камеры и корпусаи стенками дымогарных труб использована для прохождения воды, поступающей из низкотемпературной секции, представляющей собой закрепленный на корпусе высокотемпературной секции отдельный корпус с теплообменником из труб внутри, сообщаемых с источником подачи воды и с кольцевой полостью высокотемпературной секции, выходы дымогарных труб которой сообщены с полостью низкотемпературной секции, образованной трубами теплообменника и стенками ее корпуса, в одной из которых выполнен выход для топочных газов.In the annular cavity of the high-temperature section, smoke tubes connected with the combustion chamber are arranged around the circumference of the combustion chamber, and a part of the specified cavity between the walls of the combustion chamber and the casing and the walls of the smoke pipes is used to pass water coming from the low-temperature section, which is a separate section mounted on the casing of the high-temperature section case with a heat exchanger from pipes inside, connected to a water supply source and with an annular cavity of the high-temperature section, outputs smoke tubes of which are in communication with the cavity of the low-temperature section formed by the pipes of the heat exchanger and the walls of its body, in one of which an outlet for flue gases is made.

Котел снабжен турбокомпрессором, турбинное колесо которого установлено в канале сообщения дымогарных труб с полостью низкотемпературной секции, а компрессорное колесо размещено в канале подачи воздушного потока из атмосферы к узлу горелки, в котором размещен клапан открытия этого канала при понижении давления в этом канале ниже атмосферного и отключения вентилятора.The boiler is equipped with a turbocharger, the turbine wheel of which is installed in the communication channel of the smoke tubes with the cavity of the low-temperature section, and the compressor wheel is placed in the channel for supplying air flow from the atmosphere to the burner assembly, in which the valve for opening this channel is located when the pressure in this channel drops below atmospheric and shuts down fan.

Ниже рассматривается пример конкретного исполнения полезной модели (фиг. 1-6).Below is an example of a specific implementation of the utility model (Fig. 1-6).

Блок-схема и схемное решение водогрейного котла с использованием турбокомпрессора/ров для подачи воздуха в узел горелки представлены на фиг. 1 и 2.The block diagram and circuit diagram of the boiler using a turbocharger / ditch for supplying air to the burner assembly is shown in FIG. 1 and 2.

Котел состоит из узла горелки 1, в который подаются топливо и воздух, радиационной 2 и конвективной 3 теплообменных секций, объединенных в единый модуль высокотемпературной теплообменной секции 4, турбокомпрессора или блока турбокомпрессоров 5, низкотемпературной теплообменной секции 6. Для нагнетания воздуха при запуске котла и работе на режимах менее 40% мощности используется вентилятор 7 высокого давления. На входе воздуха из атмосферы установлен воздушный клапан 8.The boiler consists of a burner assembly 1, into which fuel and air are supplied, radiation 2 and convective 3 heat exchange sections, combined into a single module of a high-temperature heat exchange section 4, a turbocompressor or turbocompressor unit 5, a low-temperature heat exchange section 6. For air injection during boiler start-up and operation at modes less than 40% of power, a high-pressure fan 7 is used. An air valve 8 is installed at the air inlet from the atmosphere.

На малых мощностных режимах воздушный клапан 8 открыт, и воздух засасывается вентилятором 7 высокого давления и по каналу подается в узел горелки. Осуществляется поджиг топлива и формирование факела для разогрева топливно-воздушной смеси и образования топочных газов, проходящих через высокотемпературную секцию 4. Затем под давлением поток топочных газов поступает в канал, в котором расположено турбинное колесо турбокомпрессора, заставляя его вращаться и вращать смонтированное на общем с ним валу компрессорное колесо, которое размещено в воздушном канале. После турбокомпрессора поток топочных газов поступает внутрь низкотемпературной секции 6, в которой отдает свое тепло теплообменным элементам этой секции, снижает общую температуру этого потока и в дальнейшем утилизируется через атмосферу или систему 10 активного/пассивного поглощения или нейтрализации топочных газов. Вода сначала подается от внешнего источника 11 в теплообменник низкотемпературной секции 6, где происходит ее первичный разогрев путем теплообмена с топочными газами внутри этой секции (этот теплообмен приводит к понижению температуры топочных газов перед утилизацией), а затем поступает (поз. 12) в высокотемпературную секцию, где разогревается за счет получаемого тепла от радиационной 2 и конвективной 3 теплообменных секций. После этого горячая вода выходит потребителю (поз. 13).At low power modes, the air valve 8 is open, and the air is sucked in by a high-pressure fan 7 and is supplied to the burner assembly via a channel. The fuel is ignited and a torch is formed to heat the air-fuel mixture and the formation of flue gases passing through the high-temperature section 4. Then, under pressure, the flue gas stream enters the channel in which the turbine wheel of the turbocharger is located, forcing it to rotate and rotate mounted on a common with it shaft compressor wheel, which is located in the air channel. After the turbocharger, the flue gas stream enters the low-temperature section 6, in which it transfers its heat to the heat-exchanging elements of this section, reduces the overall temperature of this stream and is subsequently utilized through the atmosphere or the active / passive absorption or neutralization system of the flue gases. Water is first supplied from an external source 11 to the heat exchanger of the low-temperature section 6, where it is primarily heated by heat exchange with the flue gases inside this section (this heat transfer leads to a decrease in the temperature of the flue gases before disposal), and then enters (key 12) into the high-temperature section , where it is heated due to the received heat from radiation 2 and convective 3 heat-exchange sections. After that, hot water goes to the consumer (item 13).

При увеличении мощности котла турбокомпрессор все активнее засасывает воздух (за счет постепенного разгона турбинного колеса), для поддержания заданного коэффициента избытка воздуха обороты вентилятора высокого давления снижаются вплоть до полного останова. При дальнейшем увеличении мощности, забор воздуха турбокомпрессором растет, и давление на входе турбокомпрессора становится ниже атмосферного. В этот момент за счет перепада давлений начинает открываться заслонка воздушного клапана 8, подавая воздух из атмосферы напрямую на вход компрессорного колеса турбокомпрессора, исключая негативное влияние гидравлического сопротивления остановленного вентилятора 7 высокого давления.With increasing boiler power, the turbocharger increasingly sucks in air (due to the gradual acceleration of the turbine wheel), to maintain a given coefficient of excess air, the high-pressure fan rpm decreases until it stops. With a further increase in power, the air intake of the turbocharger increases, and the pressure at the inlet of the turbocharger becomes lower than atmospheric. At this moment, due to the pressure differential, the damper of the air valve 8 begins to open, supplying air from the atmosphere directly to the inlet of the compressor wheel of the turbocompressor, eliminating the negative effect of the hydraulic resistance of the stopped high-pressure fan 7.

По сути котел включает две секции - высокотемпературную и низкотемпературную. Продукты сгорания, пройдя высокотемпературную секцию, попадают на турбину турбокомпрессора (или нескольких небольших турбокомпрессоров, расположенных параллельно), крутят ее и потом идут в низкотемпературную секцию. В турбокомпрессоре турбина и компрессор расположены на одном валу. Турбокомпрессор захватывает воздух из атмосферы, сжимает его и подает на горелку.In fact, the boiler includes two sections - high temperature and low temperature. The combustion products, having passed the high-temperature section, fall on the turbine of the turbocompressor (or several small turbocompressors located in parallel), twist it and then go to the low-temperature section. In a turbocharger, the turbine and compressor are located on the same shaft. The turbocharger captures air from the atmosphere, compresses it and delivers it to the burner.

Высокотемпературная секция представляет собой вариант стандартного двухходового котла, преобразованного так, чтобы на выходе извысокотемпературной секции температура продуктов сгорания находилась в диапазоне 400-600°С, который является оптимальным для работы турбокомпрессоров.The high-temperature section is a variant of a standard two-way boiler, converted so that at the outlet of the high-temperature section the temperature of the combustion products is in the range of 400-600 ° C, which is optimal for the operation of turbochargers.

Радиационная секция выполнена в виде топки или топочной камеры, в которой горит факел 14.The radiation section is made in the form of a furnace or a combustion chamber in which the torch 14 burns.

Конвективная секция выполнена в виде параллельного пучка дымогарных труб 15, расположенных по окружности в кольцевом зазоре в общем объеме теплоносителя между стенкой 16 топочной камеры и стенкой 17 корпуса котла. Продукты сгорания после выхода из топочной камеры проходят внутри дымогарных труб конвективной секции и выходят на турбину/ны турбокомпрессорного блока. Теплоноситель (вода) омывает дымогарные трубы 15 конвективной секции снаружи.The convective section is made in the form of a parallel bundle of smoke tubes 15 located around the circumference in an annular gap in the total volume of the coolant between the wall 16 of the combustion chamber and the wall 17 of the boiler body. The combustion products after leaving the combustion chamber pass inside the smoke tubes of the convection section and exit to the turbine / s of the turbocompressor unit. The coolant (water) washes the smoke tubes 15 of the convection section from the outside.

Низкотемпературная секция 6 представляет собой теплообменник из оребренных труб 18, расположенных в «шахматном» порядке, внутри которых проходит теплоноситель (вода).The low-temperature section 6 is a heat exchanger of finned tubes 18 arranged in a "checkerboard" order, inside which passes the coolant (water).

Теплоноситель сначала поступает в низкотемпературную теплообменную секцию, затем в высокотемпературную теплообменную секцию (в противоход 19 продуктам сгорания). В низкотемпературной секции можно в небольших габаритах разместить такую теплообменную поверхность, чтобы температура уходящих газов практически равнялась температуре входной воды, и, тем самым, повысить КПД установки.The coolant first enters the low-temperature heat-exchange section, then to the high-temperature heat-exchange section (in the counterflow to 19 combustion products). In the low-temperature section, it is possible to place a heat exchange surface in small dimensions so that the temperature of the flue gases is almost equal to the temperature of the inlet water, and, thereby, increase the efficiency of the installation.

Компрессоры турбокомпрессорного блока засасывают воздух из атмосферы, сжимают его и подают его в горелочное устройство. Турбокомпрессорный блок состоит из одного или нескольких параллельно установленных турбокомпрессоров.Compressors of a turbocompressor unit suck in air from the atmosphere, compress it and supply it to the burner device. The turbocharger unit consists of one or more parallel mounted turbochargers.

В качестве основных элементов горелочного устройства используются узлы (сопло и голова сгорания) от серийно выпускаемых атмосферных горелок (фиг. 3). Поскольку горелки, работающие с таким давлением воздуха, серийно не выпускаются, для котлов с турбокомпрессорами было разработан узел горелки, устойчиво работающий на газе среднего давления (2-3,5 бар изб.) и воздухе с давлением от 0,1 до 1,5 бар изб., с использованием узлов от серийных горелок.As the main elements of the burner device, nodes (nozzle and combustion head) from commercially available atmospheric burners are used (Fig. 3). Since burners operating with this air pressure are not commercially available, a burner assembly has been developed for boilers with turbocompressors that stably operates on medium-pressure gas (2-3.5 bar g) and air with a pressure of 0.1 to 1.5 bar hut using knots from serial burners.

Узел горелки состоит из головы сгорания 20, размещенной в сопло 21, которым заканчивается трубчатый отвод 22 (воздуховод подачи под давлениемвоздушного потока от компрессорного колеса). Отвод крепится к корпусу высокотемпературной секции через фланец 23. К голове сгорания 20 через полость отвода 22 подведена трубка 24 газоподводная. Гайкой 25 регулировочной и болтом 26 поджимным регулируют величину распыла топлива в голове сгорания.The burner assembly consists of a combustion head 20, located in the nozzle 21, which ends with a pipe outlet 22 (air supply duct under pressure of the air flow from the compressor wheel). The outlet is attached to the housing of the high-temperature section through the flange 23. A gas supply pipe 24 is connected to the combustion head 20 through the outlet cavity 22. The adjusting nut 25 and the pinch bolt 26 control the amount of fuel atomization in the combustion head.

Запуск котла в работу производится следующим образом: Включается вентилятор 7 высокого давления, который подает воздух в узел горелки по воздуховоду отвода 22. В горелочное устройство подается топливо по трубке 24 газоподводной, подается искра через ввод 27 в узле горелки и происходит поджиг. Воздушный клапан 8 в начальный момент перекрывает подачу воздуха непосредственно из атмосферы. Подача воздуха осуществляется только с вентилятора 7 высокого давления. Воздушный поток от вентилятора 7 высокого давления начинает раскручивать компрессорное колесо турбокомпрессора и одновременно его турбинное колесо. Далее пропорциональным увеличением подачи воздуха и топлива производится разгон котла, при котором увеличиваются обороты колес турбокомпрессора за счет протока топочных газов. Такой разгон осуществляют до выхода котла на уровень 40% мощности. По мере увеличения мощности, развиваемой турбинами, турбокомпрессор подает все больше воздуха, позволяя снижать подачу воздуха от вентилятора высокого давления. Когда давление на входе воздуха в блок турбокомпрессоров становится ниже атмосферного, открывается воздушный клапан 8 и выключается вентилятор 7 высокого давления. Дальнейший набор мощности происходит только путем увеличения расхода топлива.The boiler is put into operation as follows: A high-pressure fan 7 is turned on, which supplies air to the burner assembly through the exhaust duct 22. The fuel is supplied to the burner through a gas supply pipe 24, a spark is supplied through the inlet 27 at the burner assembly, and ignition occurs. The air valve 8 initially closes the air supply directly from the atmosphere. The air supply is carried out only from the fan 7 high pressure. The air flow from the high-pressure fan 7 begins to spin the compressor wheel of the turbocharger and at the same time its turbine wheel. Further, by proportionally increasing the air and fuel supply, the boiler is accelerated, at which the speed of the turbocharger wheels increases due to the flow of flue gases. Such acceleration is carried out before the boiler reaches the level of 40% of power. As the power developed by the turbines increases, the turbocharger supplies more and more air, making it possible to reduce the air supply from the high-pressure fan. When the pressure at the air inlet to the turbocharger unit becomes lower than atmospheric, the air valve 8 opens and the high-pressure fan 7 turns off. Further power gain occurs only by increasing fuel consumption.

Топочные газы из высокотемпературной секции проходят в низкотемпературную секцию и нагревают оребренные трубы теплообменника. Поступающая в низкотемпературную секцию вода за счет теплообмена повышает свою температуру и в разогретом состоянии подается в полость высокотемпературной секции, где разогревается от дымогарных труб и разогретой стенки топочной камеры. Процесс переноса тепла с ребер труб теплообменника на воду в режиме противохода воды и газов приводит к тому, что на выходе из низкотемпературной секции топочные газы имеют существенно более низкую температуру, чем на входе в эту секцию, а вода на выходе из этой секции приобретает более высокую температуру, с которой входит ввысокотемпературную секцию. Естественно, что в этом случае значительно сокращается расход топлива для подогрева теплой воды до уровня более высокой температуры. Кроме того, из-за того, что вода в высокотемпературную секцию подается уже частично разогретой, то отсутствует необходимость в использовании трубчатых змеевиков. Применяются прямые дымогарные трубы, обеспечивающие прохождение воды без подтормаживания. Совмещение в одной секции двух процессов - радиационного и конвективного теплообменов - обеспечивает ускорение разогрева воды до заданной температуры при небольшом распыле факела.The flue gases from the high-temperature section pass into the low-temperature section and heat the finned tubes of the heat exchanger. The water entering the low-temperature section due to heat exchange increases its temperature and is supplied to the cavity of the high-temperature section when it is warmed up, where it is heated from smoke tubes and the heated wall of the combustion chamber. The process of heat transfer from the edges of the heat exchanger tubes to water in the regime of water and gas counterflow leads to the fact that at the outlet of the low-temperature section the flue gases have a significantly lower temperature than at the inlet of this section, and the water at the outlet of this section acquires a higher temperature at which the high-temperature section enters. Naturally, in this case, fuel consumption is significantly reduced for heating warm water to a higher temperature level. In addition, due to the fact that the water in the high-temperature section is already partially heated, it is not necessary to use tubular coils. Direct smoke tubes are used to ensure the passage of water without braking. The combination of two processes in one section - radiation and convective heat exchanges - accelerates the heating of water to a given temperature with a small spray of the torch.

Применение полезной модели дает три основных преимущества.Using the utility model provides three main benefits.

- Турбокомпрессор может прокачать гораздо большее аэродинамическое сопротивление газовоздушного тракта, чем обычный вентилятор. Соответственно, в низкотемпературной секции можно набрать практически любую теплообменную поверхность, чтобы снизить температуру уходящих газов до желаемой величины и, тем самым, повысить КПД установки.- The turbocharger can pump a much greater aerodynamic drag of the gas-air duct than a conventional fan. Accordingly, in the low-temperature section, almost any heat-transfer surface can be drawn in order to reduce the temperature of the flue gases to the desired value and, thereby, increase the efficiency of the installation.

- В узел горелки подается воздух, сжатый в компрессоре турбокомпрессора до 1-1.5 бар изб. Размеры факела при горении под давлением становятся меньше, чем при горении в атмосферных условиях. За счет этого размер топки уменьшается, и котел становится более компактным.- Air is compressed into the burner assembly, compressed in a turbocompressor compressor up to 1-1.5 bar g. The size of the flame when burning under pressure becomes smaller than when burning in atmospheric conditions. Due to this, the size of the furnace is reduced, and the boiler becomes more compact.

- Отсутствие расхода электроэнергии на привод вентилятора и дымососа, что также повышает экономичность установки.- Lack of energy consumption for the fan drive and exhaust fan, which also increases the efficiency of the installation.

Claims

A water boiler containing a sealed cylinder-shaped body, inside which there is a combustion chamber, at the entrance of which a burner assembly is installed, made with fuel and air flow channels, an annular cavity of the housing formed between the walls of the combustion chamber and the housing is used to pass water and flue gases for the formation of a high-temperature section, as well as a fan for supplying air flow to the burner assembly, characterized in that in the specified annular cavity of the high-temperature section and smoke tubes connected with the combustion chamber are arranged around the circumference of the combustion chamber, and a part of the indicated cavity between the walls of the combustion chamber and the casing and the walls of the smoke pipes is used to pass water coming from the low-temperature section, which is a separate casing fixed to the casing of the high-temperature section from pipes inside, connected to the water supply source and with the annular cavity of the high-temperature section, the exits of the smoke tubes of which are in communication with the low-temperature cavity of the heating section formed by heat exchanger pipes and the walls of its housing, in one of which a flue gas outlet is provided, the boiler is equipped with a turbocharger, the turbine wheel of which is installed in the communication channel of the smoke tubes with the cavity of the low-temperature section, and the compressor wheel is placed in the air flow channel from the atmosphere to the burner assembly, in which the air valve for opening this channel is located when the pressure in this channel is lower than atmospheric and the fan is turned off.