CN111207510A - 一种无风机式固体蓄热电锅炉 - Google Patents

一种无风机式固体蓄热电锅炉 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无风机式固体蓄热电锅炉，包括锅炉外壳、蓄热部和放热部，蓄热部包括蓄热体、耐火支撑结构和加热装置；蓄热体下部设有耐火支撑结构，蓄热体内部设有加热装置；放热部包括受热面、上集箱、下集箱、进水管、出水管；出水管和进水管分别位于电锅炉的顶部和底部；进水管与多个下集箱连接，下集箱垂直于进水管的延伸方向并平行于电锅炉底面；出水管与多个上集箱相连，上集箱垂直于出水管的延伸方向并平行于电锅炉底面；在上集箱和下集箱之间垂直连接有受热面，受热面两侧均设有一排蓄热体。本发明不但针对风机式锅炉的缺点进行了针对性优化解决，对于无风机式固体蓄热锅炉内部的结构也进行了优化，运行安全，具有良好的应用前景。

Description

一种无风机式固体蓄热电锅炉
技术领域
本发明属于加热设备技术领域，具体是一种无风机式固体蓄热电锅炉。
背景技术
国内目前推广的利用固体蓄热的电锅炉主要是利用镁砖蓄热，空气作为热能传输介质的采暖装置。这种固体蓄热的电锅炉所采用的蓄热装置为镁砖，即利用电能把保温壳体内的镁砖加热，在整个蓄热装置上设有若干个纵向和横向贯穿空洞，到需要时，用风机带动固体蓄热砖空洞内的空气流动，利用空气带走固体蓄热砖中的热量，再在气/水换热器中将热量传递给供热循环水。
这样的以空气作为中间介质输送热量的结构方式，通过风机带动空气在其中流通带走热量，可以较均匀地带走固体蓄热砖蓄存的热量传递给供热***。然而这种换热方式也存在着一些缺陷：1.在热量输送过程中，空气的比热容很小，大约为水的比热容的四分之一，想达到较好的换热效果，需要较大的空气流量，因风机的功率与风量成正比，在此种工作环境下，就需要配备较大功率的变频风机，导致输送费用很高。2.流量越大时对同一风机来说，效率越低，会使得锅炉的整体效率低下。3.为了使蓄热砖的热量散发均匀，需在蓄热体上设有若干个纵向和横向贯穿空洞作为风道，蓄热体的下方和周围也需要设置风道，这种布置方式使得锅炉的整体体积变大，同时占地面积较大。
由以上可见，由于风机的使用，固体蓄热电锅炉存在一系列需要改进的问题，因此，取消风机的使用，利用蓄热砖与热水管道直接换热，由此提上了固体蓄热式加热设备领域的研究日程。
发明内容
本发明就是为了解决现有技术中存在的由于风机的使用导致的，固体蓄热电锅炉运行费用较高、占地面积大的问题，而提供一种无风机式固体蓄热电锅炉。
本发明是按照以下技术方案实现的：
一种无风机式固体蓄热电锅炉，包括锅炉外壳、蓄热部和放热部，
所述蓄热部包括蓄热体、耐火支撑结构和加热装置；所述蓄热体下部设有耐火支撑结构，蓄热体内部设有加热装置；
所述放热部包括受热面、上集箱、下集箱、进水管、出水管、压力表、温度计、大气连通管、泄水阀；所述出水管和进水管分别位于电锅炉的顶部和底部；所述进水管与多个下集箱连接，所述下集箱垂直于进水管的延伸方向并平行于电锅炉底面；所述出水管与多个上集箱相连，所述上集箱垂直于出水管的延伸方向并平行于电锅炉底面；在相对的上集箱和下集箱之间垂直连接有受热面，所述受热面两侧均设有一排与之平行排列的蓄热体。
进一步的，所述加热装置为加热板或者加热丝。
进一步的，所述蓄热体由蓄热砖砌成墙的形状，平行排布于受热面的两侧，并且不与受热面直接接触。
进一步的，所述出水管和进水管均位于蓄热体一侧，二者在竖直方向位于同一平面上。
进一步的，所述受热面由多根管道并联而成。
进一步的，所述下集箱和上集箱分别位于受热面下方和上方，下集箱和上集箱在竖直方向位于同一平面上。
进一步的，在所述出水管上还设有大气连通口、温度计接口和压力表接口分别连接大气连通管、温度计和压力表。
进一步的，所述大气连通口位于出水管的最高处。
进一步的，所述电锅炉的底部开设泄水口，泄水口上设有泄水阀。
进一步的，所述进水管的进水口与出水管的出水口位于同一侧。
本发明具有的优点和有益效果是：
本发明对于采用风机作为换热介质的固体蓄热电锅炉存在的占地面积大、运行费用高的问题进行了针对性优化。
(1)本发明可以在没有风机作为热量传输介质的情况下，实现热水管道与蓄热体的直接换热，并且得到较好的换热效果。由于不设风道，相对于有风机式固体蓄热电锅炉，结构紧凑，体积可大大减少，占地面积小。
(2)锅炉采用强制换热方式，用水泵代替了风机，由于水的比热容约为空气的1/3，水泵/风机的耗能与流量成正比，可节约大约2/3的耗能，因此可以大大减少运行费用。
(3)传统固体蓄热锅炉的加热丝与空气接触，在高压工作环境下有可能将空气击穿，使得加热***短路。针对这一问题，本设计的加热丝砌筑在蓄热体中，不与空气直接接触，可避免空气击穿的问题。
本发明保证了无风机式锅炉的良好安全运行。
(1)在锅炉内受热面设计时，根据供需平衡的原则，通过控制受热面管径、受热部分长度、并联管道根数来控制蓄热体与受热面之间的换热量，使蓄热体与受热面之间的换热量等于受热面内循环水从入口温度升温至额定出口温度(此温度低于对应压力下的饱和温度)所需的吸热量。
其次作为意外情况下保障措施，在锅炉的最高处开设大气连通管，将锅炉的循环水***设置为常压***，在此种结构下，即使锅炉内发生汽化，也可以通过大气连通管及时将气体排出锅炉外，保证锅炉的常压工作，避免了超压带来的危害。
这种设计方式既可以保证出口水温达到使用要求，又可基本保证锅炉内的循环水不会汽化。
(2)在锅炉形式上，采用了强制循环方式，在水泵的选择上使其扬程满足最不利管路的总阻力。其次进出水管和集箱的连接方式采用了循环水进入的端口与从流出的端口在同一侧的结构方式，即进出水管的连接、上下集箱的连接都采用U型结构，相对于循环水流入的端口与流出的端口分别在两侧的z型结构，采用U型结构有利于降低分配的不均匀性。
这种设计方式可以减小并联管路的流量偏差，减小因为流量偏差带来的运行危害。
附图说明
图1是本发明无风机式固体蓄热电锅炉的俯视剖视图；
图2是本发明无风机式固体蓄热电锅炉的前视剖视图；
图3是本发明受热面布置形式的左视图；
图4是本发明蓄热体及其加热装置的俯视剖视图；
图5是本发明蓄热体及其加热装置的前视剖视图；
图6是本发明蓄热体及其加热装置的左视剖视图；
图7是本发明蓄热体与受热面之间的换热示意图；
图8是集箱的Z型连接示意图；
图9是本发明集箱的U型连接示意图。
其中，1-锅炉外壳；2-蓄热体；3-耐火支撑结构；4-加热装置；5-进水口；6-进水管；7-下集箱；8-受热面；9-上集箱；10-出水管；11-出水口；12-大气连通口；13-温度计接口；14-压力表接口；15-泄水口。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细的说明。
如下图1-9所示，本蓄热***锅炉***可以分为蓄热和放热两大部分，两者之间相互独立，具有很高的安全系数。
锅炉的基本构造包括蓄热体2、加热材料，耐火支撑结构3和保温材料，是一个独立的蓄热***。蓄热体2由蓄热砖砌成类似墙的形状，平行排布于受热面8的两侧，并且不与受热面8直接接触，蓄热体下部装有耐火绝缘的支撑装置以对蓄热体起支撑作用，蓄热体2内部装有加热板或者加热丝等加热装置为蓄热体2加热。加热***利用10-110kV的高压电直接接入蓄热体2，采用电阻发热原理产生热量，再通过导热的方式将热量传递并存储于蓄热材料中，储能温度可达到800℃，此过程为蓄热体2的蓄热过程。
放热***包括受热面8、上集箱9、下集箱7、进水管6、出水管10以及压力表，温度计，大气连通管，安全阀，泄水阀等。放热***采用上下对称结构，进水管6和出水管10位于蓄热体2一侧，在竖直方向位于同一平面上，进水管6位于锅炉最低处，出水管10位于锅炉最高处。下集箱7和上集箱9分别位于受热面8下方和上方，在竖直方向也位于同一平面上，上下集箱之间垂直连接有受热面8，受热面8由多根管道并联而成，下集箱7进口连接在进水管6上，上集箱9出口连接在出水管10上。
每排受热面8两侧各有一排蓄热体2与之平行排列对其释放热量，蓄热体2与受热面8之间没有直接接触。
锅炉出水管10最高处上开设大气连通口12，以将锅炉内水汽化产生的气体及时排除，防止锅炉超压产生危害。
锅炉出水10管上开设压力表借口14及温度计接口13，以便在锅炉运行时安装相应的仪表，实时监测锅炉的运行情况。
锅炉最下部开设泄水口15，在检修或者锅炉停运等情况下泄放锅炉内的循环水。
锅炉各个部件的作用和工作过程：
在锅炉工作过程中，蓄热体2作为热源，当其温度达到200-800℃时，蓄热体2开始向受热面8放热，由于蓄热体2温度很高，与之平行排列的受热面8温度较低，根据蓄热体2与受热面8之间间距的不同，热量主要通过辐射加对流换热或者辐射加导热的混合换热方式传递给受热面8，将供热***中的循环水加热。
下集箱7起分配流量的作用，将进水管6中的流量均匀分配至受热面8。
上集箱9起汇集作用，将受热面8中的流量汇集至出水管10，上下集箱均不参与直接换热。
受热面8为多根并列的单根管道，是主要的换热结构，主要通过与平行排布在其两侧的蓄热体2之间的辐射换热来换热升温，再由流过的循环水将其吸收的热量带走，给循环水加热升温。
循环水经进水口5流入位于下部的进水管6，进而流入下集箱7，再由下集箱7分配至受热面8，在受热面8中自下而上流动通过受热面8，在流动过程中吸热升温，最后至受热面8上端变成高温水流入上集箱9继而由出水口11送出。显然，循环水采用的是“一次加热”的方式，给水在水泵的压头作用下，分别在多根并列的单根管道中，从下“一流而上”，由低温水加热成了高温水，是一种典型的直流锅炉。
这种自下而上的循环方式有其独特之处，就是可以将***内产生的气泡随水流带至最高点排出，否则气泡被水流带着向下流动，如果水流动速度较小，气泡会停滞聚集，形成“气塞”。
在锅炉顶部设置大气连通管起到及时排除气体保持锅炉常压的作用，锅炉假如发生汽化，可及时通过大气连通管排出，避免锅炉产生超压危险。
本发明的主要工作步骤如下：
第一步：计算受热面的受热部分长度
首先收集锅炉的额定热功率和额定进出口温度、蓄热体的温度和蓄热体表面的发射率，通过计算蓄热体对受热面的辐射换热量和受热面内循环水自进口温度升温至出口温度的需热量，令二者相等，可得到受热面受热部分长度与并联管道根数的关系式，二者成反比，根据锅炉房的大小和需求，进行合理的布置。
其中：
Figure BDA0002373511080000071
Figure BDA0002373511080000072
A1＝2L(m+1)s
A2＝πdL·m
A1X1，2＝A2X2，1＝A2
整理得：受热面受热部分长度
Figure BDA0002373511080000073
式中σ0——绝对黑体辐射常数，σ0＝5.67×10-8W/(m2·K4)；
A2——受热面的换热面积，m2；
A1——蓄热体的换热面积，m2；
X1，2——表面1对表面2的角系数，此处为蓄热体换热表面对受热面的角系数；
ε1——蓄热体表面的发射率；
ε2——受热面表面的发射率；
Twal——蓄热体表面的温度，K；
Tpi——受热面表面的温度，此处以受热面进出口水温的平均值进行计算，K。
d——受热面的管径，m；
s——受热面并联管道之间的间距，m，m＝2.5*d。
因为其他量均为已知量，此公式其实为受热面受热部分长度L与并联管道数的关系：
L＝f(m，n)
第二步：计算集箱和进出水管的管径
为了避免水流堵塞，在进行管径选择时，应计算对应管径下的流速，保证进水管的流速不大于下集箱的流速，下集箱的流速不大于受热面立管的流速。
第三步：计算大气连通管的管径
在本热水锅炉***的出水母管最高点增加大气连通管，可以使得汽化产生的蒸汽及时的排除，缓解***内的汽化程度，从而降低***发生水击、超压等安全事故的概率。
大气连通管的管路必须足够大，其管径应按照下式计算：
Dd＝20+88Q
式中Dd——大气连通管的当量直径，mm；
Q——热水锅炉的额定热功率，MW。
第四步：计算蓄热体的尺寸
蓄热体的体积与蓄存的热量有关，根据需连续放热的时间和蓄热体的放热温差计算蓄热体的体积。
Q'＝cmΔt
其中：
Figure BDA0002373511080000091
m＝ρV
V＝bHx
整理得：
蓄热体的宽度：b＝2s(m+1)
蓄热体的高度：H＝L
蓄热体的厚度：
Figure BDA0002373511080000092
式中Q’——蓄热体需要蓄存的热量，J；
Q——锅炉的额定热功率，W；
τ——蓄热体的连续放热时间，s；
m——蓄热体的质量，kg；
n——受热面的排数；
ρ——蓄热体的密度，kg/m3；
c——蓄热体的比热容，J/(kg·℃)；
V——蓄热体的体积，m3；
x——蓄热体的厚度，m。
蓄热体的宽度：b＝2s(m+1)
蓄热体的高度：H＝L
第五步：计算保温层的厚度
由于蓄热体蓄热温度较高，最高可达800℃左右，为防止其对外散热损失过大，导致热效率低下，和防止烫伤，故应对蓄热体不与受热面之间有热交换的表面进行保温。因此需要选择合适的蓄热体保温材料，使蓄热体的能量损失降到最小，最大限度地提高锅炉的效率，同时保证锅炉体外部温度的合理性，提高安全性。
在允许散热损失下，保温层厚度为：
Figure BDA0002373511080000101
式中twal——蓄热体的温度，℃；
ta——周围空气的温度，℃；
λ——保温材料的导热系数，W/(m2·℃)；
h——保温层表面与周围空气的对流换热系数，W/(m2·℃)；
q——散热量，W/m2。
第六步：水动力计算
机械流动锅炉水动力计算任务首先是计算锅炉受热管内的水动力特性和流动阻力，通过计算流动阻力从而确定泵的扬程。
单相流体在管内流动时，总压降可由下式计算：
ΔP＝ΔPmc+ΔPjb±ΔPzw+ΔPjs
式中△P——总压降，Pa；
△Pmc——单相流体的摩擦阻力，Pa；
△Pjb——单相流体的局部阻力，Pa；
△Pzw——单相流体的重力压降，Pa；(流体上升时为正，下降时为负)
△Pjs——单相流体的加速压降，Pa。
其中：
Figure BDA0002373511080000111
式中ν——流体沿管长的积分平均比容，m3/kg；
ρW——计算管内工质的质量流速，kg/(㎡·s)；
λ——摩擦阻力系数。
Figure BDA0002373511080000112
ξjb——局部阻力系数，由实验求得。
Figure BDA0002373511080000113
其中
Δh＝(hc-hj)
式中
Figure BDA0002373511080000114
——管内工质进出口算术平均密度，kg/m3；
△h——管子进出口高度差，m；
hc、hj—分别为管子进出口高度，m。
对于低压下的锅炉水力计算，加速压降△Pjs的损失比较小，因此在计算过程中一般忽略加速压降。按照上述计算的总压降选择大于其的水泵扬程，可保证锅炉的循环水动力。
在对不同热功率锅炉进行设计时，按照新的锅炉参数进行设计计算，重复以上步骤，得到新的锅炉设计尺寸。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种无风机式固体蓄热电锅炉，包括锅炉外壳(1)、蓄热部和放热部，其特征在于：
所述蓄热部包括蓄热体(2)、耐火支撑结构(3)和加热装置(4)；所述蓄热体(2)下部设有耐火支撑结构(3)，蓄热体(2)内部设有加热装置(4)；
所述放热部包括受热面(8)、上集箱(9)、下集箱(7)、进水管(6)、出水管(10)、压力表、温度计、大气连通管、泄水阀；所述出水管(10)和进水管(6)分别位于电锅炉的顶部和底部；所述进水管(6)与多个下集箱(7)连接，所述下集箱(7)垂直于进水管(6)的延伸方向并平行于电锅炉底面；所述出水管(10)与多个上集箱(9)相连，所述上集箱(9)垂直于出水管(10)的延伸方向并平行于电锅炉底面；在相对的上集箱(9)和下集箱(7)之间垂直连接有受热面(8)，所述受热面(8)两侧均设有一排与之平行排列的蓄热体(2)。
2.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述加热装置(4)为加热板或者加热丝。
3.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述蓄热体(2)由蓄热砖砌成墙的形状，平行排布于受热面(8)的两侧，并且不与受热面(8)直接接触。
4.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述出水管(10)和进水管(6)均位于蓄热体(2)一侧，二者在竖直方向位于同一平面上。
5.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述受热面(8)由多根管道并联而成。
6.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述下集箱(7)和上集箱(9)分别位于受热面(8)下方和上方，下集箱(7)和上集箱(9)在竖直方向位于同一平面上。
7.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，在所述出水管(10)上还设有大气连通口(12)、温度计接口(13)和压力表接口(14)分别连接大气连通管、温度计和压力表。
8.如权利要求7所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述大气连通口(12)位于出水管(10)的最高处。
9.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述电锅炉的底部开设泄水口(15)，泄水口(15)上设有泄水阀。
10.如权利要求1所述的一种无风机式固体蓄热电锅炉，其特征在于，所述进水管(6)的进水口(5)与出水管(10)的出水口(11)位于同一侧。
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