ПАРОГАЗОВЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК F24H1/20 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано для нагрева воды в коммунально-бытовых установках и передвижных агрегатах, предназначенных для работы в полевых условиях и в условиях стихийных бедствий.

Известен нагреватель жидкости, содержащий нижнюю торообразную приемную и верхнюю колоколообразную расходные емкости, частично заполненные жидкостью, жаровую трубу, установленную между ними и коаксиально к ним горелку, установленную по оси жаровой трубы, полусферический экран, установленный в расходуемой емкости над торцом жаровой трубы, нижняя кромка которого опущена в жидкость, частично заполняющую расходную емкость и образующую кольцевую щель между кромкой экрана и верхним торцом жаровой трубы, причем жаровая труба выполнена из двух концентрично расположенных труб и образующаяся между ними кольцевая полость сообщает между собой нижними приемной и расходуемой емкостей, и работает как водяная рубашка [1]
Недостатком известного нагревателя жидкости является возрастание потерь тепла и жидкости в виде пара с отходящими продуктами сгорания топлива при увеличении горения, при прохождении из-за возрастания скорости барботирования этих продуктов через слой жидкости постоянной высоты в расходуемой емкости. Изменение интенсивности горения также невозможно вследствии устойчивой циркуляции опускающейся жидкости по водяной рубашке только лишь в расчетном режиме, т.е. конструкция обеспечивает циркуляцию этой жидкости при напоре, соответствующем высоте жаровой трубы, а так как высота этой трубы постоянна, то значит возможен лишь один режим горения, который бы обеспечил заданную температуру нагрева жидкости. Отмеченные недостатки препятствуют как увеличению мощности конструкции известного нагревателя, так и возможности расширения пределов регулирования производительностью этого нагревателя.

В известном нагревателе жидкости с заявляемым одинаковыми является наличие емкости, частично заполненной жидкостью, жаровой трубы с горелкой, расположенной по оси, экрана, изменяющего направление движения отходящих продуктов сгорания топлива, выполнение жаровой трубы из двух концентрично расположенных обечаек и использование при этом образующейся полости в качестве водяной рубашки для нагрева жидкости.

Известен контактный теплообменник, содержащий вертикальный цилиндрический корпус, частично заполненный жидкостью, вертикальную цилиндрическую циклонную камеру с нижним и верхним завихрителями, расположенную коаксиально в корпусе, опускные трубы, закреплямые в трубных решетках и размещаемых в кольцеобразном зазоре между корпусом и камерой, в которых образуется первый контур циркуляции греющего теплоносителя, камеру межтрубного пространства для циркуляции нагреваемого теплоносителя во втором контуре циркуляции, сепарационное устройство [2]
Недостатком известного теплообменника является возрастание потерь тепла и жидкости с отходящими горячими газами при увеличении их подачи, что происходит из-за возрастания скорости барботирования этих газов через слой жидкости постоянной высоты. Из-за стремления барботируемого потока газа двигаться с наименьшими гидравлическими сопротивлением невозможно обеспечить равномерное движение потока по всей площади располагаемого сечения контактной камеры, что препятствует увеличению диаметра этой камеры и увеличению числа опускных труб. Таким образом, для известного теплообменника, из-за отмеченных недостатком также невозможно увеличение производительности и увеличение пределов регулирования этой производительности.

В известном контактом теплообменнике одинаковыми с заявляемым является наличие вертикального корпуса, частично заполненного жидкостью, контактной камеры, расположенной коаксиально корпусу, опускных труб, размещаемых между корпусом и камерой, в которых организуется первый контур циркуляции греющей жидкости, камера для циркуляции нагреваемой жидкости во втором контуре циркуляции, сепарационного устройство.

Известно устройство для нагревания жидкости, содержащие вертикальный корпус, частично заполненный жидкостью; коаксиально расположенную в нем жаровую трубу с погруженной горелкой, ротор для циркуляции греющей среды, трубчатый змеевик, образующий второй контур циркуляции нагреваемой жидкости и расположенный в зоне циркуляции греющего теплоносителя, сепарационное устройство [3]
В известном устройстве пропорционально увеличению количества сжигаемого топлива увеличивается количество отходящих продуктов сгорания топлива, а следовательно, и скорость их выхода из жидкости. С увеличением скорости выхода продуктов сгорания топлива из жидкости (барботирования), увеличиваются потери тепла и жидкости в виде пара с этими отходящими продуктами. В известном теплообменнике отсутствует организованный контур циркуляции греющего теплоносителя, реализация теплообменных поверхностей для нагрева жидкости во втором контуре циркуляции, ввиде трубчатых элементов из-за ограниченного объема активного движения греющей жидкости, снижает возможность увеличения площади этих теплообменных поверхностей. Все это также препятствует увеличению производительности и расширению пределов регулирования этой производительностью.

В известном устройстве одинаковыми с заявляемым является наличие вертикально расположенного цилиндрического корпуса, частично заполненного жидкостью, коаксиально расположенной в нем жаровой трубы с погружной горелкой, теплообменного элемента для нагрева жидкости во втором контуре циркуляции и расположенного в зоне движения греющего теплоносителя, сепарационного устройства.

По совокупности общих признаков и достигаемому эффекту в качестве прототипа принят котел, содержащий вертикальный корпус из цилиндрической стенки и днища с крышкой, частично заполненной жидкостью первого греющего контура циркуляции, жаровую трубку с погружной горелкой, установленные на крышке корпуса, и циркуляционную трубу с барботажной решеткой, коаксиально размещаемые в корпусе с образованием кольцевых зазоров относительно друг друга и последнего, форсунку для впрыска воды, расположенную в жаровой трубе с возможностью ее перемещения вдоль оси этой трубы, газоход, вывод газа и сепарационное устройство над циркуляционной трубой в зазоре между корпусом и жаровой трубой [4]
В известном котле недостатки полностью идентичны предыдущим устройством для нагрева жидкости.

В известном котле одинаковыми с заявляемым является наличие вертикального корпуса с цилиндрической стенкой, днищем и крышкой, частично заполненного жидкостью первого греющего контура циркуляции, жаровой трубы с погружной горелкой и циркуляционной трубы, коаксиально размещаемые в корпусе с кольцевыми зазорами относительно друг другу и последнего, вывод газа и сепарационное устройство над циркуляционной трубой в зазоре между корпусом и жаровой трубой.

Целью изобретения является увеличение производительности и расширение пределов ее регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что сепарационное устройство выполнено в виде кольцевого полусферического экрана, частично перекрывающего выход газов из циркуляционной трубы, расположенных наклонно к оси корпуса отбойных и сепарационных колец, соединенных между собой лопатками, радиально размещенными между этими кольцами, и опускных труб, соединенных с нижней кромкой сепарационных колец и заведенных в нижнюю полость корпуса, причем отбойные и сепарационные кольца установлены относительно друг друга с зазором, сужающимся и затем расширяющимся по ходу парогазового потока в первом греющем контуре циркуляции, при этом водонагреватель снабжен элементами для ввода, вывода и циркуляции жидкости во втором нагреваемом контуре циркуляции.

Кроме того, кольцевой полусферический экран закреплен на жаровой трубе, отбойные кольца закреплены над экраном на той же трубе и крышке, опускные трубы размещены в кольцевом зазоре между циркуляционной трубой и корпусом, циркуляционная труба установлена на днище корпуса, в нижней ее части выполнены отверстия, соединяющие ее центральную полость с кольцевым зазором между ней и корпусом, а цилиндрическая стенка последнего, его днище и стенки обеих труб выполнены полыми, причем полость днища разделена перегородками на колцеобразные входную, промежуточную и центральную выходные полости в полостях стенок корпуса и обеих труб расположены цилиндрические перегородки с образованием упомянутых элементов для циркуляции жидкости во втором нагреваемом контуре циркуляции по двухходовой схеме в каждой из упомянутых полостей, причем полость стенки корпуса сообщена с полостью стенки циркуляционной трубы при помощи кольцеобразных входной и промежуточной полости днища, а с полостью жаровой трубы при помощи центральной выходной полости днища и перепускной трубы, при этом корпус снабжен обечайкой, с зазором охватывающей его наружи и соединенной с крышкой с образованием дополнительного газохода, а выход газа расположен в его нижней части.

Снабжение водонагревателя сепарационным устройством, состоящим из отбойных и сепарационных колец с опускной трубой, взаимное расположение которых обеспечивает образование между ними зазоров, работающих по направлению выхода продуктов сгорания топлива из циркуляционной трубы в качестве сужающегося устройства, а затем расширяющегося при одновременном резком изменении направления движения выходящего паро-газо-водяного потока из циркуляционной трубы, обеспечивает осуществление циркуляции жидкости по ее первому контуру за счет ее надежной сепарации из этого паро-газо-водяного потока. Образование направленного контура циркуляции греющего теплоносителя повышает эффективность терплообмена водонагревателя, а следовательно, и его производительность. Наличие сужающих устройств на пути движения паро-газо-водяного потока образует подпор в водонагревателе, величина которого в зависимости от интенсивности горения изменяется в пределах 0,005 0,02 МПа. Образующийся подпор представляет собой дополнительное гидравлическое сопротивление выходящим продуктам сгорания топлива из жидкости, которое возрастает с увеличением горения и препятствует увеличению скорости выхода продуктов сгорания топлива из жидкости. При этом уменьшаются пределы изменения этой скорости, а следовательно, уменьшаются при этом и потери тепла и жидкости в виде пара с отходящими продуктами сгорания топлива, что и обеспечивает расширение пределов регулирования производительностью заявляемого водонагревателя. Для увеличения производительности образуется второй контур циркуляции для нагрева жидкости. В качестве теплообменных элементов этого контура предусматривается использовать полые цилиндрические поверхности конуса, жаровой трубы и циркуляционной трубы с установкой в них перегородок, которые обеспечивают циркуляцию нагреваемой жидкости по двухходовой противоточной схеме.

Автор не обнаружил аналогичных технических решений, обеспечивающих повышение производительности и расширения пределов регулирования этой производительностью для подобных водонагревателей, в связи с чем делает вывод, что заявляемое техническое решение обладает существенными отличиями.

Пример конструктивного выполнения представлен на фиг. 1
Водонагреватель парогазовый содержит вертикальный корпус 1, состоящий из цилиндрической стенки типа обечайки, днища и крышки, частично заполненной жидкостью первого греющего контура циркуляции, жаровую трубу 2 с погружной горелкой 3 и циркуляционную трубу 4, установленные на крышке корпуса, которые коаксиально размещены в корпусе 1 с образованием кольцевых зазоров относительно друг друга, патрубок вывода газов 5 и сепарационное устройство, состоящее из полусферического экрана 6, частично перекрывающего выход газов из циркуляционной трубы 4 и расположенных наклонно к оси корпуса отбойных 7 и сепарационных колец 8, соединяемых между собой лопатками 9, радиально размещаемыми между этими кольцами, а также опускных труб 10, соединенных с нижней кромкой сепарационных колец 8 и опущенных в нижнюю часть полости корпуса 1 с зазором к его днищу, причем отбойные и сепарационные кольца 7 и 8 установлены относительно друг с другом с зазором, которые вначале сужается, а затем расширяются по ходу движения циркулирующего греющего парогазового потока в первом греющем контуре. При этом кольцевой полусферический экран 6 закреплен на жаровой трубе 2, отбойные кольца 7 над этим экраном также на той же трубе и крышке корпуса 1. Опускные трубы 10 размещены в кольцевом зазоре между циркуляционной труборй 4 и корпусом 1. Цилиндрическая стенка и днище корпуса 1, также как и стенки жаровой трубы 2 и циркуляционной трубы 4, выполнены полыми, причем полость днища корпуса 1 разделена кольцеобразными перегородками на кольцеобразные 11 входную, промежуточную 12, а также центральную выходную полость 13. В полостях стенок корпуса 1 и циркуляционной трубы 4 установлены цилиндрические перегородки 14, выполненные совместно с перегородками полостей днища. Такая же перегородка 14 имеется и в жаровой трубе 2, что обеспечивает циркуляцию нагреваемой жидкости во втором контуре циркуляции по двухходовой схеме в каждой из образуемых полостей. При этом полость стенки корпуса 1 с полостью стенки циркуляционной трубы 4 сообщаются между собой с помощью кольцеобразных входной 11 и промежуточной 12 полостях днищами корпуса 1. Полость же жаровой трубы 2 сообщается с упомянутыми полостями через центральную выходную полость 13 днища корпуса 1 с помощью перепускной трубы 15. Центральная полость циркуляционной трубы 4 в нижней своей части сообщается с помощью двух диаметрально расположенных отверстий с кольцеобразной полостью образованной корпусом 1 и циркуляционной трубой 4. Корпус 1 с наружной стороны с зазором охватывается обечайкой 16, и образующаяся при этом кольцеобразная полость сообщается с верхней частью водонагревателя через кольцеобразный зазор, образуемый верхним торцом корпуса 1 и его крышкой, устанавливаемой уже на верхний торец обечайки 16. Образуемая полость используется в качестве дополнительного газохода, по которому отводят отработанные продукты сгорания топлива и начинают нагрев жидкости, поступающей в водонагреватель. Отвод отработанных продуктов сгорания топлива производят из нижней части этого газохода, через патрубок 5 для отвода газов.

Для восполнения потерь жидкости в виде пара, выходящего из водонагревателя с отходящими продуктами сгорания топлива, предусмотрен подпиточный бачок 17 с жидкостью, который снабжается регулятором уровня. Бачок 17 должен располагаться на высоте выше уровня частичного заполнения корпуса жидкостью на величину, равную подпору продуктов сгорания топлива, образующегося при сгорании топлива.

Водонагреватель работает следующим образом.

При сжигании топлива в погружной горелке 3 образуется подпор горячих газов в пределах 0,005 -0,02 МПа при максимальной производительности. За счет подпора горячие газы барботируются через слой жидкости, частично заполняющей центральную полость циркуляционной трубы 4, образовывая поднимающийся поток водо-паро-газовой эмульсии. В верхней части этот поток встречается с кольцеобразным полусферическим экраном 6, дважды меняя направление своего движения на противоположное, за счет чего основная часть унесенной потоком жидкости возвращается в кольцеобразный зазор между корпусом 1 и циркуляционной трубой 4. Далее, этот поток поступает в зазор, образуемый отбойной 7 и сепарационной 8 тарелками, сечение между которыми суживается, а затем расширяется, за счет чего образуется дополнительный подпор горячих газов, причем не прямопропорционально, от величины горения. В расширяющейся части сепарационного устройства поток меняет свое направление движения, за счет чего повышается степень сепарации оставшейся жидкости из потока и проходит ее отвод с помощью опускной трубы 10 также в кольцеобразный зазор между корпусом 1 и циркуляционной трубой 4. Далее поток отходящих дымовых газов поступает в газоход, образуемый корпусом 1 и обечайкой 16, охватывающей его снаружи, опускается по нему вниз и через патрубок 5 отводится из водонагревателя наружу. Отсепарированная жидкость из водо-паро-газовой эмульсии с помощью опускных труб 10 отводится в нижнюю часть кольцевого зазора между корпусом 1 и циркуляционной трубой 4, откуда через два диаметрально расположенных в нижней части отверстия этой трубы жидкость поступает в ее центральную часть и, тем самым, замыкается первый контур циркуляции греющей жидкости.

Нагреваемая же жидкость через входную кольцеобразную полость 14 днища корпуса 1 поступает в его полую стенку, огибает перегородку 14 и поступает в промежуточную кольцеобразную полость 12 днища корпуса 1. При этом жидкость, поднимаясь вверх, первый ход, первоначально нагревается отходящими по дополнительному газоходу продуктами сгорания газа, а затем опускаясь, второй ход, опускающимся по опускным трубам 10 потоком жидкости первого контура циркуляции. Из кольцеобразной полости 12 днища корпуса 1 нагреваемая жидкость подымается по полой стенке циркуляционной трубы 4, первый ход, и нагревается также опускающимся по опускным трубам 10 потоком жидкости первого контура циркуляции, затем опускаясь, второй ход, огибая перегородку 14, нагревается восходящим потоком водо-паро-газовой эмульсии и попадает в центральную выходную полость 13 полого днища корпуса 17. Из этой полости нагреваемая жидкость по перепускной трубе 14 поступает в полость стенки жаровой трубы 2, в которой она, опускаясь, первый ход, нагревается также подымающейся водо-паро-газовой эмульсией, а затем, огибая цилиндрическую перегородку 14, подымается, второй ход, окончательно нагревается потоком горячих газов от факела газовой горелки 3 и выходит к потребителю. При уменьшении уровня жидкости в корпусе 1 происходит подпитка из подпиточного бачка 17.

В качестве варианта исполнения заявляемого технического решения представлена конструкция водонагревателя на фиг. 2.

Водонагреватель конструктивно отличается наличием дымохода 19, подсоединяемого к жаровой трубе, выполненного в виде отвода трубы, подсоединяемого к нижней части циркуляционной трубы 4. Причем эта циркуляционная труба опирается не на днище корпуса водонагревателя, а в перегородках 20 сегментного типа и кольцеобразный зазор между корпусом 1 и циркуляционной трубой 4 разделен этими перегородками. Экран 6 выполнен не в виде кольцевой полусферы, а в виде воронки, отбойные кольца 7 крепятся не на жаровой трубе 2, а на корпусе 1 и его крышке, опускные трубы размещаются не в кольцевом зазоре между корпусом 1 и циркуляционной трубой 4, а в центральной полости циркуляционной трубы.

За счет образования организованного контура циркуляции греющей среды и увеличении площади теплообмена увеличивается производительность. За счет наличия сепарационного устройства снижаются потери жидкости, появляется дополнительный подпор, величина которого не прямопропорционально зависит от горения, что позволяет увеличить пределы регулирования производительностью.

Использование: для нагрева воды, преимущественно для отопительно-бытовых нужд в передвижной установке, предназначенной для эксплуатации в периодическом режиме в полевых условиях и в условиях стихийных бедствий. Сущность изобретения: повышение производительности и расширение пределов регулирования обеспечивается тем, что в вертикальном цилиндрическом корпусе 1 водонагревателя контактного типа коаксиально расположены жаровая труба 2 с погружной горелкой 3 на крышке корпуса 1, циркуляционная труба 4, а также сепарационное устройство, состоящее из полусферического экрана 6, частично перекрывающего выход газообразных продуктов сгорания топлива из циркуляционной трубы 4, отбойные 7 и спепарационные 8 кольца, причем их взаимное расположение образует на пути движения отходящих от водонагревателя горячих газов, продуктов сгорания топлива сужающийся, а затем расширяющийся зазор, в котором поток газа меняет направление своего движения и поступает на следующую пару колец, а отсепарированная жидкость отпускными трубами 10, соединяемыми с нижней кромкой сепарационных колец 8, отводится в кольцеобразный зазор между корпусом 1 и циркуляционной трубой 4, из которого через отверстия в нижней части последней поступает в ее центральную полость, при этом замыкается первый контур циркуляции греющей жидкости. Нагреваемая вода последовательно циркулирует по двухходовым отсекам теплообменных элементов, образуемых полыми цилиндрическими стенками корпуса 1, циркуляционной 4 и жаровой 2 труб, сообщенных между собой с помощью кольцеобразных входного 11, промежуточного 12 и центрального выходного 13 отсеков полого днища корпуса 1, а также перепускной трубой 15. При работе водонагревателя дросселирование отходящего потока горячих газов продуктов сгорания топлива образует дополнительное гидравлическое сопротивление, за счет чего уменьшается скорость выхода этих газов и жидкости, а следовательно, и уменьшаются потери тепла и жидкости, что позволяет увеличить производительность водонагревателя и расширить пределы ее регулирования. Эффект увеличения производительности усиливается за счет увеличения поверхности теплообмена, образуемой двухходовыми полостями цилиндрических стенок корпуса 1, циркуляционной 4 и жаровой 2 труб. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Парогазовый водонагреватель, содержащий вертикальный корпус с цилиндрической стенкой, днищем и крышкой, частично заполненный жидкостью первого греющего контура циркуляции, жаровую трубу с погружной горелкой и циркуляционную трубу, коаксиально размещенные в корпусе с кольцевыми зазорами относительно друг друга и последнего, вывод газа и сепарационное устройство над циркуляционной трубой в зазоре между корпусом и жаровой трубой, отличающийся тем, что сепарационное устройство выполнено в виде кольцевого полусферического экрана, частично перекрывающего выход газов из циркуляционной трубы, расположенных наклонно к оси корпуса отбойных и сепарационных колец, соединенных между собой лопатками, радиально размещенными между этими кольцами, и опускных труб, соединенных с нижней кромкой сепарационных колец и заведенных в нижнюю полость корпуса, причем отбойные сепарационные кольца установлены относительно друг друга с зазором, сужающимся и затем расширяющимся по ходу движения парогазового потока в первом греющем контуре циркуляции, при этом водонагреватель снабжен элементами для ввода, вывода и циркуляции жидкости во втором нагреваемом контуре циркуляции. 2. Водонагреватель по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой полусферический экран закреплен на жаровой трубе, отбойные кольца закреплены над экраном на той же трубе и крышке, опускные трубы размещены в кольцевом зазоре между циркуляционной трубой и корпусом, циркуляционная труба установлена на днище корпуса и в нижней ее части выполнены отверстия, соединяющие ее центральную полость с кольцевым зазором между ней и корпусом, а цилиндрическая стенка последнего, его днище и стенки обеих труб выполнены полыми, причем полость днища разделена перегородками на кольцеобразные входную, промежуточную и центральную выходную полости, в полостях стенок корпуса и обеих труб расположены цилиндрические перегородки с образованием упомянутых элементов для циркуляции жидкости во втором нагреваемом контуре циркуляции по двухходовой схеме в каждой из упомянутых полостей, причем полость стенки корпуса сообщена с полостью стенки циркуляционной трубы при помощи кольцеобразных входной и промежуточной полостей днища, а с полостью жаровой трубы при помощи центральной выходной полости днища и перепускной трубы, при этом корпус снабжен обечайкой, с зазором охватывающей его снаружи и соединенной с крышкой с образованием дополнительного газохода, а вывод газа расположен в его нижней части.