Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_12024
.pdf
В многотрубных котлах и водонагревателях, работающих на топливе, предусмотрена камера сгорания —
обычно внутри, но иногда и снаружи котла, — в которой горячие газы образуются в результате сгорания
топлива. Эта камера сгорания также используется для передачи значительной части выделяемого тепла воде
посредством излучения через такие стенки, которые охлаждаются водой. Тем не менее, какой бы большой ни
была площадь поверхности камеры сгорания, на практике оказывается неэкономичным отводить теплоту
горячих газов после того, как она снизится примерно до 7000 °C, и необходимо предусмотреть другой способ
поглощения этой низкотемпературной теплоты в виде трубок, расположенных в непосредственной близости
от поверхностей, по которым протекают горячие газы, чтобы теплота могла передаваться путем
теплопроводности.
К сожалению, до настоящего времени, когда устанавливались жаровые трубы, эффективное отведение этого
низкотемпературного тепла было возможно только при использовании труб большой длины относительно их
внутреннего диаметра, что вызывало ряд серьезных проблем. Необходимую длину можно определить по
приведенной ниже таблице, в которой указана приблизительная теплопередача для различных соотношений
длины трубки к диаметру: [Цена 11-] 39X,203 Нагреватели и соотношение длины трубки к диаметру. КПД.
16 27% 24 37% 32 46% 53 % 48 60% 64 71% 78% 96 84% 128 92% Одним из недостатков длинных труб
является то, что их расширение пропорционально их длине и происходит не одновременно и не в той же
степени, что и расширение корпуса котла, что приводит к возникновению внутренних напряжений, которые
часто вызывают утечки в местах расширения труб в трубные пластины, если не соблюдать особую
осторожность при эксплуатации котла.
Второе возражение против длинных труб заключается в том, что котлы вертикального типа становятся
слишком громоздкими для удобства использования. Второе возражение против использования длинных труб
в котлах других типов заключается в том, что они увеличивают занимаемое пространство, вес котла и его
габариты.
Часто возражения касаются длинных трубок? Проблема решается простым способом: жертвуя
эффективностью и используя короткие трубки.
Однако, согласно настоящему изобретению, нет необходимости жертвовать эффективностью, поскольку в
сочетании с любой подходящей камерой сгорания я предлагаю трубки, в которых сформирована большая
общая кривизна, так что проходящие через них газы многократно направляются к внутренним стенкам трубок,
например, способом, описанным в моей патентной заявке №.
8631, датировано 23 марта 1932 года.
--:,! ', --- ' -"'р ' / , . J 1 -;.'. ',------ '--,i ' h Данное изобретение применимо ко всем известным типам многотрубных
котлов, работающих на различных видах топлива, таким как вертикальные многотрубные котлы Cornish
Multitubular, Elephant, Economic, Return Tube, Cochran, Blake и другие. Без увеличения габаритов большинства
из них их эффективность может быть значительно повышена, или же, наоборот, длина или высота
большинства из них могут быть значительно уменьшены при сохранении той же эффективности.
Я провел множество экспериментов с вертикальными котлами, работающими на топливе, с круглыми топками,
имеющими различное соотношение длины и диаметра топки, и обнаружил, что количество общего тепла,
передаваемого излучением в топку, зависит от... Толщина стенок топки незначительно изменяется в
зависимости от соотношения высоты и диаметра топки. Например, я обнаружил, что при высоте топки B6x,
равной 1,2 диаметра топочной камеры, в которой сгорает уголь, падение температуры газов перед выходом
из топки составляет 47% от разницы температур между температурой, развивающейся в камере сгорания, и
температурой воды в котле.
Когда температура, создаваемая сгоранием топлива в топке, составляет 13000 °C, температура воды в котле
— 170 °C, что соответствует давлению 100 фунтов на квадратный дюйм, а температура газов, выходящих из
топки, снизилась на 47 % от разницы температур между первым и вторым, или на 530 °C, то следует, что их
температура на выходе из топки составляет 7700 °C, и становится возможным рассчитать возможное
снижение температуры в жаровых трубах, как только станут известны их диаметр и длина.
Обычно в вертикальных переносных котлах используются трубы диаметром 29 дюймов, и в котлах меньшего
размера их длина в погруженном в воду состоянии составляет около 21 фута, а в котлах наибольшего
размера — около 6-1 фута. При этом можно получить КПД теплопередачи 20% и 48% соответственно.
Разница между 7700 °C и 1700 °C составляет 6000 °C, причем 20% от этого значения равно 1200 °C, а 48% —
2880 °C. Отсюда следует, что температура газов, выходящих из жаровых труб, в первом случае составит
7700–200 °C или 650 °C, а во втором — 7700–2880 °C или 4820 °C.
во втором случае. Таким образом, общее падение температуры в первом котле составляет -1300 - 6500 °C,
или 6500 °C, что составляет 50% от 1300 °C. В первом случае общее падение температуры составляет
13000–4820 °C, или 8180 °C, что составляет 6,3% от 13000 °C. Пренебрегая различиями в удельной
теплоемкости газов при разных температурах и потерями тепла из котла в каждом случае, и предполагая, что
уголь имеет чистую теплотворную способность 14 000 БТЕ на фунт, испарение на фунт угля в первом случае
составит 7,25 фунтов при 2120 °F, а во втором случае — 9,15 фунтов при 2120 °F на фунт угля, что в целом
значительно, а зачастую и больше, чем можно ожидать от типичных переносных вертикальных котлов
указанных размеров.
Однако в настоящем изобретении я объединяю подходящую топку или камеру сгорания с жаровыми трубами,
которые...
Вместо того чтобы быть прямыми, в них образовалось большое количество градусов полной кривизны, что
значительно ускоряет передачу тепла и значительно повышает их эффективность. Теперь я опишу несколько
подходящих способов получения большого числа градусов полной кривизны, при этом трубки останутся
приблизительно прямыми и легко очищаемыми, и покажу, что можно получить от трубки заданной длины
эффективность теплопередачи, равную эффективности прямой трубки, в два и даже в два с половиной раза
больше. В настоящее время известно, что если упругая жидкость, к которой или от которой необходимо
передавать явное тепло, пропускается через прямую трубку, то любая желаемая эффективность передачи
может быть получена путем увеличения длины трубки до достаточно большого значения по отношению к ее
внутреннему диаметру. Например, экспериментально я обнаружил, что прямая труба диаметром 1 дюйм,
окруженная водой, будет иметь коэффициент теплопередачи, изменяющийся в зависимости от длины трубы
приблизительно следующим образом: Общий коэффициент теплопередачи. Отношение длины трубы к
диаметру трубы в футах.
2 16 27% 3 24 37% 4 32 46% 40 53% 6 48 60% 8 64 71% 80 78% 12 96 84% 16 128 92% С помощью нового
метода, который я открыл, можно достичь указанных выше показателей эффективности передачи с
использованием гораздо более коротких трубок того же диаметра. Например, мне удалось вдвое уменьшить
длину трубок (115 мм) при сохранении той же эффективности теплопередачи.
Таким образом, при использовании трубы диаметром 1,2 дюйма, изогнутой на подложке с радиусом кривизны,
равным 2,28 наружному диаметру трубы диаметром 120 мм, при этом смежные дуги являются
соприкасающимися, имеют обратный угол в одной плоскости, и каждая дуга имеет кривизну 37°, 3S99203
3991,203 I получили следующие приблизительные результаты: Общее количество труб, общая длина 37°,
кривизна, преобразование дуг, в градусах, эффективность изгиба.
в футах.
2 8 295 46% 4 16 590 71% 6 24 885 84 % 8 32 1180 92% Я экспериментировал с различными степенями
кривизны дуги, вплоть до 100 и выше, и обнаружил, что увеличение кривизны дуги сверх той, которая
необходима для направления всего потока газов, выходящего из одной дуги, к боковой стенке следующей
дуги и так далее, дает лишь незначительные преимущества. Однако до этого момента я обнаружил, что
увеличение кривизны дуги выгодно с точки зрения уменьшения необходимой длины трубки для достижения
любой желаемой эффективности теплопередачи.
Я также обнаружил, что чем меньше радиус кривизны, тем короче трубка, необходимая для достижения
желаемой эффективности теплопередачи, при условии достаточного увеличения общей кривизны. Например,
уменьшив радиус кривизны трубки диаметром 1,3 дюйма до 1,14 раза больше внешнего диаметра трубки, я
смог уменьшить общую длину трубок для достижения желаемой эффективности примерно до 40% от
требуемой для обычных прямых трубок, когда радиус кривизны составлял 47°, при этом смежные дуги были
смежными, имели обратное направление и располагались в одной плоскости, как и прежде, таким образом,
общая длина приблизительно равна 470°, а радиус кривизны – 11°, что соответствует эффективности.
трубка с внутренним диаметром.
41 22 1034 801- % 82 44 2068 96 oo, для достижения такой эффективности потребовались бы прямые трубки в
24 раза большей длины.
При работе с большими объемами газов на практике необходимо разделить упомянутые выше средства
теплопередачи на большое количество трубок, и на практике это обычно требует использования одного или
нескольких комплектов, состоящих из множества трубок, расположенных параллельно друг другу.
Трубки в котлах и водонагревателях часто выходят из строя и требуют замены.
Время от времени, и это может быть экономически целесообразно только при условии, что любую из трубок
можно извлечь из гнезда и вернуть на место, не потревожив соседние трубки. 65 В случае прямых трубок,
расширяющихся в трубной пластине, обычно один конец трубки расширяют на одну шестнадцатую или одну
восьмую дюйма, чтобы облегчить прохождение трубки через первую трубную пластину ко второй. Одна
шестнадцатая дюйма на 14 дюймах 0). D. трубка и одна восьмая дюйма на 23-дюймовой 0,1). Трубка
соответствует набуханию на 5%, но такое набухание, как правило, будет недостаточным для извлечения
отдельных трубок из группы трубок в аппарате для выполнения методов согласно настоящему изобретению.
Величина набухания на одном конце трубки согласно настоящему изобретению зависит от радиуса кривизны,
а также от степени кривизны отдельных выбранных дуг.
Например, если радиус бывшей трубы диаметром 85°, по которой проходит труба с диаметром канала 12
дюймов и толщиной проволоки 10 калибра, равен трем внешним диаметрам трубы, то трубу необходимо
будет расширить примерно на 25% на одном конце, если кривизна дуги составляет 90°365°, чтобы она могла
легко проходить через трубную пластину толщиной 4 дюйма.
Если бы кривизна дуги была увеличена до 456, этот припухлость увеличилась бы примерно до 35%. Однако,
если радиус кривизны 95 уменьшить до 14-кратного внешнего диаметра трубок, то необходимое набухание на
одном конце можно будет уменьшить до 22%, когда кривизна дуги составит 470.
Из вышеизложенного видно, что чем больше радиус изгиба трубки и чем больше степень кривизны отдельных
выбранных дуг, тем больше становится необходимое расширение на одном конце трубки, что является
недостатком, поскольку раздвигает центры трубок и увеличивает размер аппарата. Опять же, при заданном
радиусе кривизны дуги увеличение количества градусов — в отдельных областях — делает прорисовку
внутренней поверхности труб менее легкой задачей.
Целесообразно иметь возможность осматривать внутреннюю поверхность трубок, для чего изготавливаются
специальные приборы, состоящие из полой трубки, содержащей источник света 115 и зеркало. Такие приборы
позволяют осматривать внутренние стенки трубки по всей их длине. В настоящем изобретении данный
инструмент также может быть использован при условии, что радиус кривизны и 120 399 203 градусов
кривизны отдельных дуг выбраны таким образом, чтобы обеспечить возможность полного обзора трубки в
достаточной степени для работы с вышеуказанным инструментом.
С учетом вышеизложенных условий я счел удобными радиусы кривизны трубок, вокруг которых они
изгибаются, равные одному-трем внешним диаметрам трубки, что делает трубки удовлетворительными,
простыми в очистке и экономичными в изготовлении, однако в некоторых аппаратах можно использовать и
еще меньшие радиусы. Хотя использование радиусов от 3 до 4 диаметров возможно, такой подход имеет
существенные недостатки.
Я также обнаружил, что радиусы кривизны трубки, вокруг которых она изгибается, варьирующиеся от одного
до трех наружных диаметров трубки, в сочетании с дугообразными изгибами 470° или менее, являются
удобными, что делает трубки удовлетворительными, эффективными, простыми в очистке и экономичными в
изготовлении. Большая степень кривизны дуги, связанная с радиусом, в три раза превышающим внешний
диаметр трубки, или превышающим его, затрудняет внутреннюю очистку трубки. Кроме того, они затрудняют,
а в некоторых случаях и делают невозможным использование описанного выше инспекционного устройства.
Однако, когда труба изгибается вокруг каркаса с радиусом кривизны, равным 1,14 внешнего диаметра трубы,
я обнаружил, что для 470 градусов индивидуальной дуговой кривизны требуется лишь 22% расширения на
одном конце трубы для расширения в трубную пластину толщиной 4 дюйма.
Я также обнаружил, что уменьшение радиуса кривизны дуги не затрудняет очистку и осмотр трубок, при
условии, что кривизна отдельных дуг не увеличивается.
Я не ограничивал свои эксперименты пробирками с I! Я экспериментировал с трубками меньшего и большего
диаметра, и обнаружил, что результаты одинаково удовлетворительны как с трубками меньшего диаметра,
так и с трубками большего диаметра, причем результаты очень похожи независимо от диаметра трубок.
В случае использования трубы, изогнутой таким образом, что ее эффективность теплопередачи эквивалентна
эффективности прямой трубы, в два с половиной раза большей длины, эффективность трубы диаметром 24
дюйма и длиной 2 фута, упомянутой выше, увеличивается с 20% до 4721%, а эффективность трубы
диаметром 20 дюймов и длиной 6 футов, упомянутой выше, увеличивается с 48% до 82%.
Однако 47% от 7700–170 °C приводит к падению температуры в жаровых трубах на 28,50 °C вместо всего
лишь 1200 °C, а 82% от 7700–170 °C приводит к падению температуры в жаровых трубах на 4920 °C вместо
2880 °C. Следовательно, при прочих равных условиях, котлы, описанные выше и усовершенствованные
настоящим изобретением, снизят температуру газов, выходящих из жаровых труб, до 7700–2850 °C, или 4850
°C в первом случае и 770–4920 °C.
или 2780 С. во втором случае. Таким образом, общее падение температуры в котлах составляет 13000 - 4920
°C или 8080 °C, что составляет 62% от 13000 °C в первом случае, и 1300 - 2780 °C или 10220 °C, что
составляет почти 79% во втором случае.
Снова пренебрегая различиями в удельной теплоемкости газов при разных температурах и потерями из-за
излучения от корпуса котла, и предполагая чистую теплотворную способность 14 000 БТЕ на фунт угля,
сжигаемого в топке, ожидаемое испарение на фунт угля в первом котле увеличивается до 9 фунтов при
температуре 2120 °F, а во втором случае — до 11,4 фунтов.
При температуре 212°F и выше улучшение составило 24% в обоих случаях.
В качестве альтернативы, в тех немногих случаях, когда эффективность не имеет большого значения, длина
корпуса котла может быть значительно уменьшена, что позволит сэкономить материал.
стоимость, вес, объем и занимаемое пространство.
Дата: 30 марта 1932 года.
— Перси Сент-Джордж Кирке, — Заявитель.
ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
№ 9171, А.Т. 1932.
Усовершенствования в паровых котлах-утилизаторах, водонагревателях и тому подобном оборудовании.
Я, Перси Сент-Джордж КрнКБ, магистр искусств.
(Кембридж), A.M.I.C.E., A.M.I.E.E., A.M.I.M.E., из поместья Гивонс, Лезерхед, графство Суррей, джентльмен,
подданный Великобритании, настоящим заявляю, что сущность данного изобретения заключается в
следующем: В патенте № 140851, выданном мне 29 ноября 1918 года, описан очень эффективный
многотрубный котел-утилизатор тепла для использования в сочетании с промышленными печами,
особенностью которого является то, что в сочетании с высокой скоростью потока газов через трубки путем
индукции минимальная длина трубок в девяносто раз превышает их внутренний диаметр.
399,203 И снова, во втором патенте № 343234, выданном мне 13 августа 1930 года, описывается
эффективный многотрубный котел-утилизатор тепла, особенностью которого является то, что газы
проталкиваются через трубы, имеющие минимальную длину, почти в девяносто раз превышающую их
внутренний диаметр, а также то, что площадь нагревательных поверхностей котла составляет не менее 350
квадратных футов на квадратный фут площади дымовых газов.
В обоих этих вариантах минимальное соотношение диаметра трубы к ее длине обеспечит КПД теплопередачи
для чистой трубы приблизительно 81%, который может быть уменьшен или увеличен в любой желаемой
степени путем укорачивания или удлинения труб следующим образом: Соотношение длины трубы к диаметру
трубы. КПД теплопередачи.
48 60% 64 71% 78% 81% 96 84% 91% 144 94% Настоящее изобретение представляет собой
усовершенствование обоих типов котлов-утилизаторов тепла, упомянутых в данных двух спецификациях,
поскольку благодаря значительно более коротким трубам можно достичь любой желаемой эффективности в
котлах гораздо меньшей длины, что приводит к уменьшению длины или высоты, веса, габаритов, стоимости,
занимаемого пространства и времени, необходимого для получения пара.
Согласно настоящему изобретению, вместо использования прямых труб, соединяющих входную и выходную
камеры продуктов сгорания котлов-утилизаторов с принудительной или принудительной тягой,
водонагревателей и тому подобных устройств, я значительно уменьшаю расстояние между входной и
выходной камерами продуктов сгорания для достижения любой желаемой эффективности и соединяю их
жаровыми трубами, которые имеют большое количество степеней кривизны, что значительно ускоряет
передачу тепла. Далее Т. опишет некоторые подходящие способы получения большого числа степеней
полной кривизны в жаровых трубах, сохраняя при этом их приблизительно прямыми, легко очищаемыми,
извлекаемыми и способными к плотной сборке в количестве, параллельном друг другу, и покажет, что можно
придать трубе заданной длины эффективность теплопередачи, равную эффективности прямой трубы в два
раза и даже в два с половиной раза большей длины. В последнем случае вместо того, чтобы труба имела
длину в девяносто диаметров для достижения КПД 81%, ее можно уменьшить до длины в тридцать шесть
диаметров.
В настоящее время известно, что если упругая жидкость, к которой или от которой необходимо передавать
явное тепло, пропускается через прямую трубку, то любой желаемый КПД передачи может быть достигнут
путем увеличения длины трубки до достаточного значения по отношению к ее внутреннему диаметру.
Например, экспериментально я обнаружил, что прямая труба диаметром 1A', окруженная водой, будет иметь
коэффициент теплопередачи, изменяющийся в зависимости от длины трубы приблизительно следующим
образом: Общий коэффициент теплопередачи. Отношение длины трубы в футах к диаметру трубы.
2 16 27% 3 24 37% 4 32 46% 40 53% 6 48 60% 8 64 71% 80 78% 12 96 84% 16 128 92% С помощью нового
метода, который я открыл, описанные выше показатели эффективности передачи можно получить с
использованием гораздо более коротких трубок с тем же диаметром. Например, мне удалось уменьшить
длину трубок вдвое, сохранив при этом эффективность теплопередачи.
Таким образом, с трубой диаметром 11 дюймов, изогнутой на каркасе с радиусом кривизны, равным 2,28
наружному диаметру трубы, при этом смежные дуги являются смежными, имеют обратный угол наклона,
находятся в одной плоскости, и каждая дуга имеет кривизну 37°, я получил следующие приблизительные
результаты:
Общее количество трубок. Общая длина нагрева 370 градусов. Изгиб дуг. Эффективность изгиба в градусах.
в футах.
2 8 295 46% 4 16 590 71% 6 24 885 84% 8 32 1180 92% Я экспериментировал с изменением кривизны дуги U0
до 100 градусов и более и обнаружил, что увеличение кривизны дуги сверх той, которая необходима для
направления всех газов, не дает существенного преимущества. Я добился того, чтобы кривизна дуги была
достаточной для обеспечения желаемой эффективности.
радиус трубки, эффективность трубки, общий радиус увеличился. 1 _радиус cl, который трубка умножает на
длину es, эффективность с обычной кривизной w смежных,:
В одной плоскости. Общая длина после изгиба никеля c в футах для трубы с внутренним диаметром 14
дюймов.
442 84которые более легкие трубки 21. время В случае, если в трубку pI tice набухнуть ' leentan к одной судьбе
проход первой трубки pla.
Одна шестнадцатая часть трубки и один наружный диаметр трубки:
но такой прибор не подходит для извлечения, поскольку количество трубки соответствует следующим
параметрам:
Это зависит от условий, а также от индивидуальных особенностей. Например, толщина изогнутой трубки
внешнего диаметра составит 25% при 350°C, что позволит ей легко проходить через боковую стенку
следующей трубки. Это набухание увеличится примерно до 100°C. До этого момента, как - 3,5%, если
увеличить кривизну дуги, было обнаружено увеличение дуги до 450. Однако, если радиус кривизны,
благоприятствующий уменьшению кривизны, будет уменьшен до 1-кратного внешнего радиуса? Длина трубки
для любого диаметра трубки обеспечивает необходимую эффективность теплопередачи 65%. Разбухание на
одном конце можно уменьшить до 22%, когда кривизна дуги составляла 470. Было обнаружено, что меньшее
значение составляет 22%, когда кривизна дуги равна 470.
Из вышеизложенного видно, что для любой желаемой теплопередачи требуется больший радиус первого, при
условии, что труба изогнута, и чем больше кривизна 70, тем больше степень кривизны в отдельном.
Например, уменьшая количество выбранных дуг, тем больше становится кривизна первого относительно
необходимого набухания на одном конце трубы, например, труба с внутренним диаметром 11 дюймов была
изогнута до 1,14, что является недостатком, поскольку это раздвигает центры труб и увеличивает 75, что
позволяет уменьшить общий размер аппарата. Опять же, для трубок с любым желаемым радиусом кривизны
дуги, увеличивающимся примерно на 40% от требуемого количества градусов в отдельных дугах, прямые
трубки, когда дуга делает осмотр внутренней поверхности трубок менее легким, чем осмотр соседних дуг. 80,
изменив направление, iii Во многих типах аппаратов трудно осмотреть внутреннюю поверхность трубок,
поэтому для этой цели изготавливаются специальные приборы, включающие полую трубку, содержащую
источник света и зеркало.
85 Приблизительно такие приборы позволяют контролировать теплопередачу внутренних стенок трубки по
всей ее длине при угле кривизны 470°. В настоящем изобретении этот прибор для измерения углов в градусах
также может использоваться при условии, что эффективность, радиус кривизны и углы кривизны отдельных
дуг выбраны таким образом, чтобы можно было полностью видеть насквозь через трубку в достаточной
степени для обеспечения возможности работы вышеуказанного прибора. 95 С учетом вышеизложенных
условий, для трубок потребовались бы прямые трубки. Я обнаружил радиусы кривизны трубок такой же
длины. Ранее трубки изгибались относительно прямых трубок, расширенных от одного до трех внешних
диаметров. Это было распространенной практикой, делающей трубки удобными, легко чистящимися и
экономичными в изготовлении, но возможно использовать еще меньшие радиусы в некоторых устройствах,
подобных второй трубной пластине.
Хотя можно использовать радиусы в один дюйм на наружном диаметре 12 дюймов (341–4), это дает важные
преимущества.
Реагировать на набухание 5%0- Я также обнаружил, что радиусы кривизны, как правило, будут
соответствовать истине первого, вокруг которого трубка изгибается с изменением от одного до трех раз от
группы трубок по внешнему диаметру трубки, 110 выполняя методы, связанные с дугообразными кривизнами
470 или настоящим изобретением. Меньшее набухание на одном конце трубки является удобным, что делает
трубки удовлетворительными, эффективными, легкими в очистке и экономичными в изготовлении в
соответствии с настоящим изобретением. Большие степени кривизны дуги связаны с радиусом 115 градусов,
в три раза превышающим внешний диаметр выбранных дуг. Если радиус трубки превышает диаметр трубки, а
диаметр трубки 115 дюймов и толщина проволоки 10 калибра делают внутреннюю очистку трубки в три раза
сложнее, чем ожидалось, потребуется дополнительная помощь. Кроме того, они затрудняют, а в некоторых
случаях и делают невозможным использование описанного выше инспекционного устройства, требующего
набухания трубки диаметром 120 мм.
Если кривизна дуги равна 1,14 внешнего диаметра трубки, то при изгибе трубки вокруг оси, имеющей радиус
кривизны, равный 1,14 от внешнего диаметра трубки, я обнаружил, что 470% индивидуальной кривизны дуги
требует лишь 0% расширения на одном конце трубки для расширения в трубчатую пластину толщиной 1
дюйм. Я также обнаружил, что уменьшение радиуса кривизны дуги не облегчает очистку и осмотр трубок, при
условии, что не увеличивается эвактивность отдельных дуг.
Я не ограничивал свои эксперименты трубками с диаметром 1 дюйм, но также экспериментировал с трубками
гораздо меньшего и гораздо большего диаметра и обнаружил, что одинаково удовлетворительные результаты
получаются как с трубками меньшего диаметра, так и с трубками большего диаметра, причем результаты
очень похожи независимо от диаметра трубок.
В качестве комбинации я могу предоставить необходимые средства, такие как установка для производства
водяного газа или двигатель внутреннего сгорания, для получения и подачи под избыточным давлением
значительного количества горячих газов через трубы; или же я могу предоставить средства, такие как
промышленная печь и вентилятор принудительной тяги, для получения и подачи горячих газов через трубы
под отрицательным давлением с высокой скоростью, причем такая скорость в случае отрицательного
давления предпочтительно должна составлять от 60 до 120 футов в секунду.
Дата этого события указана? 1-го дня марта 193 года.
Перси Сент-Джордж Кимтке, заявитель.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Усовершенствования в многотрубных паровых котлах, водонагревателях и подобных устройствах.
Я, Перси Сент-Джонс Киркс, магистр искусств.
(Кембридж), A.M.I.C.E., A.M.I.E.E., A-M.I.M.E., подданный Великобритании, проживающий в поместье Гивонс,
Лезерхед, графство Суррей, настоящим заявляют о характере данного изобретения и о способе его
осуществления, которые будут подробно описаны и установлены в следующем заявлении:
Изобретение Тилла предназначено для усовершенствования паровых котлов, водонагревателей и подобных
устройств жаротрубного типа, в которых трубы вставляются в трубные пластины обычным способом и
закрепляются в них, и его целью является значительное снижение габаритных размеров и веса такого котла
или водонагревателя при заданной эффективности.
Согласно настоящему изобретению, предлагается комбинация с паровым котлом, водонагревателем или
подобным устройством жаровой трубы, имеющей ряд дуг такой формы, которая направляет горячие газы
многократно к стенкам трубы, а также обеспечивает свободное осевое пространство по всей длине трубы.
Благодаря многократному соприкосновению горячих газов со стенками трубки происходит более
совершенный теплообмен, чем в прямой трубке. Следовательно, длина жаровой трубы в паровом котле или
водонагревателе может быть значительно уменьшена при сохранении той же эффективности теплопередачи,
или же, наоборот, при использовании трубы той же длины достигается более высокая эффективность.
Выражение «свободное осевое пространство» здесь понимается в значении, определенном в описании
патента № 388227.
Ранее было предложено изготовить котловую трубу в виде непрерывной спирали. Также было предложено
сформировать котловую трубу из ряда отдельных прямых участков, каждый длиной около одного фута,
причем каждый участок смещен вбок и параллелен соседнему участку. Предлагаемые конструкции не
обеспечивают повышения эффективности теплопередачи, как в моем изобретении, и я не претендую на
создание котлов или водонагревателей с трубами, изготовленными таким образом. Также было предложено
сконструировать котел со стенками, отлитыми заодно с корпусом или с коллектором, 85 при этом стенки
образуют извилистый трубопровод с уплощенным прямоугольным поперечным сечением, но настоящее
изобретение не касается таких трубопроводов, а только жаровых труб, которые, за исключением специальной
продольной 90 конфигурации, описанной здесь, имеют обычный тип круглого или практически круглого
поперечного сечения и закреплены в трубных пластинах обычным способом. 95 Важной особенностью
настоящего изобретения является значительное уменьшение площади теплообмена при заданной
эффективности, и в этом заключается принципиальное отличие настоящего изобретения от тех изобретений,
которые касаются увеличения площади теплопередачи как средства повышения эффективности.
При проектировании жаротрубной трубы с множеством дуг, как указано выше, желательно, чтобы фактическая
площадь теплообмена указанной трубы не была намного больше площади теплообмена прямой трубы,
имеющей ту же общую длину. Предпочтительно, согласно изобретению, площадь теплообмена указанной
трубки не более чем на 10% больше, чем у прямой трубки той же длины и диаметра.
Важным аспектом при проектировании указанной жаротрубной трубы является то, что общая величина изгиба
трубы должна быть как можно больше. Предпочтительно, согласно изобретению, суммарная величина изгиба
всех изгибов в указанной жаровой трубе составляет не менее 400 г. Однако, если трубка расположена
горизонтально, предпочтительно, чтобы ее боковая поверхность имела прямую форму, чтобы не
образовывались углубления, в которых могли бы конденсироваться и задерживаться газы и пары.
Как описано в описании патента № 388227, предпочтительно, огневые трубки изготавливаются путем
изгибания вокруг рифленой опалубки в волнообразную или извилистую конфигурацию, и еще одним важным
моментом является то, что радиус кривизны изгибов должен быть малым.
Предпочтительно, согласно изобретению, радиус первого элемента у основания составляет порядка от 1 до 3i
наружных диаметров трубки.
Для обеспечения свободного осевого пространства в трубе и большого количества суммарных градусов
кривизны желательно, чтобы угловая протяженность каждого изгиба была небольшой. Согласно изобретению,
угловая протяженность каждого изгиба предпочтительно не превышает 60°.
В одном из примеров, согласно изобретению, указанная огневая труба изогнута в ряд коротких,
противоположно изогнутых дугообразных участков, каждый из которых имеет угловую протяженность до 60°,
вокруг каркаса, радиус которого у основания приблизительно равен внешнему диаметру трубы.
Жаротрубные котлы обычно располагаются группами, и для того, чтобы описанную выше жаротрубную трубу
можно было легко вставлять или извлекать из группы, предпочтительно, чтобы один конец трубы был
расширен на 12% или более.
Настоящее изобретение применимо ко всем известным типам жаротрубных котлов и водонагревателей, и
далее изобретение будет описано в применении к вертикальному жаротрубному паровому котлу,
горизонтальному жаротрубному паровому котлу и жаротрубному котлу-утилизатору тепла, со ссылкой на
прилагаемые чертежи, из которых:
Рисунок 1 представляет собой поперечный разрез вертикального парового котла согласно изобретению;
Рисунок 2 представляет собой вертикальный разрез котла типа «Кохран»; Рисунок 3 представляет собой план
поперечного сечения по линии 3 на Рисунке 2; Рисунок 4 показывает применение изобретения к
котлу-утилизатору тепла; а Рисунок 5 представляет собой схему, объясняющую оптимальные пропорции
жаротрубной системы, используемой в котлах согласно изобретению.
Котел, изображенный на рисунке 1, состоит из внешней цилиндрической оболочки 10 и топочной камеры 11 с
топочной дверцей 12; от топочной камеры 11 к верхней выпускной пластине 14 идет ряд жаровых труб 13.
Обычный дымоход предусмотрен.
Стальные жаровые трубы 13, вместо того чтобы быть прямыми, как в известных конструкциях котлов, имеют
извилистую или волнистую форму, по крайней мере, по длине ниже ватерлинии. Вследствие такой извилистой
конфигурации горячие газы, поднимающиеся из топки 11, многократно ударяются о стенки трубы. Это
многократное воздействие обеспечивает более эффективную передачу тепла от газов к трубкам, чем это
возможно при использовании прямой трубки. В результате, можно достичь той же эффективности, что и с
котлом с прямой трубой, используя более короткий котел. В качестве альтернативы, согласно настоящему
изобретению, котел становится значительно более эффективным при тех же габаритных размерах.
В котлах типа, изображенных на рисунке 1, жаровые трубы расширяются гораздо быстрее, чем наружная
оболочка 10, в результате чего в очень высоких котлах этого типа в местах соединения труб и коллекторной
плиты могут возникать протечки.
Кроме того, для обеспечения высокой эффективности котел должен быть очень высоким, а следовательно,
очень громоздким и дорогим. Как видно, настоящее изобретение в значительной степени устраняет оба этих
недостатка.
Трубки 13 устанавливаются в котле 105 путем пропускания их через верхнюю пластину 14, и для того, чтобы
каждую трубку можно было легко вставить или извлечь, верхние концы трубок 13 расширяются, как показано
на рисунке 16. На основании представленных трубок установлено, что оптимальное расширение потока
составляет 14% от внешнего диаметра трубки.
На рисунках 2 и 3 показан известный тип котла, имеющий камеру сгорания 18, из которой газы проходят вверх
в заднюю камеру 19, а затем через жаровые трубы 1-3 в переднюю камеру 20 и оттуда выходят через
дымовую трубу 21.
Согласно изобретению, трубки имеют волнообразную или извилистую конфигурацию, как показано на рисунке
3. Как уже было объяснено, такая форма трубы обеспечивает гораздо большую эффективность, чем прямая
труба, поэтому можно уменьшить диаметр котла при заданной эффективности 125, или, альтернативно,
получить гораздо большую эффективность при том же диаметре. Желательно формировать жаровые трубы с
большим числом степеней полной кривизны; в примере i10 399,203 на рисунке 3 каждая жаровая труба имеет
суммарную кривизну около 6500, и эта сумма, как правило, предпочтительно никогда не бывает меньше 4000.
Как и в случае с котлом, изображенным на рисунке 1, каждая из жаровых труб 13 расширена на одном конце
примерно на 14% или более от своего внешнего диаметра, чтобы облегчить введение и извлечение трубы.
На рисунке 4 показан котел, изображенный на рисунке 2, модифицированный таким образом, чтобы он
подходил для получения пара из отработанного тепла в газах, которые подаются через трубопроводы 22 и 23.
Например, этими газами могут быть выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания. Огневые трубы 1:3, как
и прежде, имеют волнистую или извилистую форму в плане, как показано на рисунке 3.
На котлах, изображенных на рисунках 2 и 4, жаровые трубы расположены горизонтально, но на боковом виде
кажутся прямыми. Иными словами, волнистая или извилистая конфигурация находится в горизонтальной
плоскости. Цель данной конструкции — предотвратить образование углублений, в которых газы могут
конденсироваться и удерживаться в жидком состоянии; такая жидкость уменьшит площадь поперечного
сечения труб и может разрушить их в результате коррозии.
Крайне важно, чтобы жаротрубная труба котла поддавалась очистке, и по этой причине жаротрубные трубы,
используемые в описанных здесь котлах, имеют форму, указанную в спецификации № 388227. Что.
Иными словами, каждая трубка имеет свободное осевое пространство по всей своей длине, как это
определено в вышеупомянутой спецификации. Когда трубка имеет такое свободное осевое пространство,
можно пропустить через нее чистящую щетку, а также, в некоторых случаях, вставить оптическое устройство
для осмотра внутренней поверхности стенок трубки.
На рисунке 5 показана подходящая форма жаровой трубы для использования в котле или водонагревателе в
соответствии с настоящим изобретением. Показаны три изгиба, 25, 26 и 27, и видно, что прямая касательная
28, соединяющая два внутренних выступа изгибов 25 и 27 с одной стороны трубки, не пересекает
противоположную стенку трубки. Таким образом, данная трубка представляет собой трубку, имеющую
«свободное осевое пространство», как определено в Спецификации №.
388.227.
Считается, что наиболее эффективная форма трубки получается, когда практически весь газ, выходящий из
одного из изгибов, направлен к противоположной стенке трубки, и я обнаружил, что при очень низких
скоростях газа очень удовлетворительная трубка получается, когда касательная в точке перегиба двух
изгибов (26, 27, рис. 5) пересекает противоположную стенку трубки в самой внутренней точке выступающей
внутрь части следующего изгиба (25, рис. 5). В приведенном примере радиус кривизны трубки у основания
приблизительно равен диаметру трубки, и в общем случае этот радиус предпочтительно составляет 70, то
есть от 1 до 3 диаметров трубки.
Я провел множество экспериментов с вертикальными котлами, работающими на топливе, с круглыми топками,
имеющими различное соотношение длины топки к ее диаметру, и обнаружил, что количество общего тепла,
передаваемого излучением на стенки топки, незначительно изменяется в зависимости от соотношения
высоты топки к ее диаметру. Например, я обнаружил, что в котле с топкой высотой в 1,2 раза превышающей
диаметр топки, в которой сжигался уголь, падение температуры газов перед выходом из топки составляло
47% от разницы температур между температурой, развивающейся в камере сгорания, и температурой воды в
котле.
Когда температура, создаваемая сгоранием топлива в топке, составляет 13000 °C, температура воды в котле
9G составляет 1700 °C, что соответствует давлению 100 фунтов на квадратный дюйм, а газы, выходящие из
топки, упали на 47% от разницы температур между первой и второй, или на 5300 °C, то 95.
Из этого следует, что их температура на выходе из топки составляет 7700 °C, и становится возможным
рассчитать возможное падение температуры в жаровых трубах, как только станут известны их диаметр и
длина. Обычно в вертикальных переносных котлах используются трубы диаметром 2,1 м, и в меньших
размерах их длина в погруженном в воду состоянии составляет около 2,1 фута, а в самых больших размерах
— около 61 фута, при этом можно получить КПД теплопередачи 20% и 48% соответственно. Разница между
7700 °C и 1700 °C составляет 6000 °C, и 20% от этого значения составляет 1200 °C, а 480 °C — 2880 °C.
Отсюда следует, что температура газов, выходящих из жаровых труб, в первом случае составит 7700–1200 °C
или 6500 °C, а в втором — 770–2880 °C или 4820 °C.
во втором случае. Таким образом, общее падение температуры в первом котле составляет 115 1300 - 6500 °C,
или 6500 °C, что составляет 50% от 13000 °C. Общее падение температуры во втором случае составляет
13000 - 4820 °C, или 818 °C, что составляет 63% от 13000 °C.
Пренебрегая различиями в удельной теплоемкости газов при разных температурах и потерями тепла из котла
в каждом случае, и предполагая, что уголь имеет чистую теплотворную способность 14 000 БТТ на фунт,
испарение на фунт угля в первом случае составит 7,25 фунтов при температуре 2120 °F, а во втором случае
— 9,15 фунтов при температуре 2120 °F на фунт угля. Оба показателя в значительной степени, а зачастую и
значительно превышают ожидаемые значения для типичных хороших переносных вертикальных котлов
указанных размеров.
Соседние файлы в папке патенты