ПАРОВОДЯНОЙ КОНДЕНСАЦИОННЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1997 года по МПК F22B7/00 

Изобретение относится к котельной технике и может использоваться в системах отопления и горячего водоснабжения зданий и помещений.

Известны конструкции котлов, основанные на принципах излучательной в топках и конвективной в газоходах теплопередачи от факела горелки и от нагретого металла к жидкому теплоносителю, каким в большинстве применений является вода. В таких котлах имеются топочная камера с жаровой трубой и камера с теплоносителем, в которой установлены дымогарные трубы. В топочной камере сжигаются углеводородные топлива мазут, дизельное топливо, природный газ и др.

Поступление в камеру теплоносителя и отбор его осуществляется под давлением через входной и выходной штуцеры, вмонтированные в стенку камеры (см. напр. Д. Я. Борщов, устройство и эксплуатация отопительных котельных малой мощности, М. Стройиздат, 1989, с.62-63) Котлы такого типа имеют существенные недостатки. Они обладают значительными габаритами, так как их удельные характеристики при выбранных поверхностях теплообмена ограничены величиной коэффициента теплопередачи λ. В диапазоне на практике скоростей прокачки теплоносителя v 1 м/с значение l не превышает 4000 Вт/м²•K. Кроме того, котлы такого типа требуют специальной обработки питательной воды - обессоливание и деаэрирование, что еще более увеличивает габариты и массу устройства и снижает его экономичность, так как повышаются затраты теплопроизводительности на собственные нужды котла.

Настоящее изобретение относится к пароводяным конденсационным котлам низкого давления, которые по сравнению с вышеприведенными имеют меньшие массогабаритные характеристики при одинаковой теплопроизводительности. Это объясняется тем, что коэффициент теплопередачи при конденсации пара при тех же параметрах и условиях эксплуатации, что и в вышеприведенных котлах, значительно выше и составляет примерно 10000 Вт/м²•K, что позволяет почти вдвое уменьшить поверхность теплообмена или увеличить теплопроизводительность котла при сохранении его габаритов и массы.

Основными элементами таких котлов являются герметичный корпус, частично заполненный жидким теплоносителем, погруженные в жидкий теплоноситель топочную камеру и дымогарные трубы, размещенный над поверхностью жидкого теплоносителя теплообменник в результате испарения жидкого теплоносителя его паровая фаза конденсируется на поверхности теплообменника, а конденсат свободно стекает в объем жидкого теплоносителя.

Для того, чтобы конденсирующийся на теплообменнике теплоноситель не смешивался с паровой фазой, теплообменник размещается в специальной камере, в которую открыт доступ паровой фазы теплоносителя, а нижняя часть камеры снабжена трубками для отвода конденсирующегося на теплообменнике теплоносителя и отвода конденсата в объем жидкого теплоносителя, заполняющего нижнюю часть корпуса котла (Бюллетень выложенных заявок Японии N 13749/74 г). Работа котла по этой схеме не требует специальной водоподготовке, так как продуктом конденсации является дистиллят.

Недостатком этого котла является возможность "запирания" потока паровой фазы теплоносителя, т. е. нарушение баланса фазовых переходов пар-конденсат-пар, а также низкая скорость конденсации паровой фазы теплоносителя. Это приводит к снижению мощности котла.

Технической задачей, решаемой настоящим изобретением, является организация направленного движения паровой фазы теплоносителя к теплообменнику, что практически исключает возможность "запирания"потока паровой фазы и позволяет увеличить скорость конденсации и кратность фазовых переходов конденсат-пар-конденсат в единицу времени: вследствие чего увеличивается мощность котла или уменьшаются габариты и масса котла при сохранении выходной мощности.

Это достигается тем, что в пароводяной конденсационный котел низкого давления, содержащий герметичный корпус, частично заполненный жидким теплоносителем, погруженные в жидкий теплоноситель топочную камеру и дымогарные трубы и теплообменник, расположенный над поверхностью жидкого теплоносителя, в соответствии с изобретением под углом к поверхности жидкого теплоносителя установлена пластина, при этом между стенкой корпуса и верхней кромкой пластины и между стенкой корпуса и нижней кромкой пластины имеются зазоры, а теплообменник расположен над пластиной.

В частном случае пластина может быть частично погружена одним концом в жидкий теплоноситель.

возможно выполнение по меньшей мере одной стороны пластины с криволинейным профилем.

Пластина может быть выполнена перфорированной.

В другом варианте выполнения котла, содержащем как и вышеприведенный, герметичный корпус, частично заполненный жидким теплоносителем, погруженные в жидкий теплоноситель топочную камеру и дымогарные трубы, и теплообменник, расположенный над поверхностью жидкого теплоносителя, в соответствии с изобретением в него введена пластина, установленная между теплообменником и поверхностью жидкого теплоносителя, при этом между стенкой корпуса и верхней кромкой пластины имеется зазор, а в нижней части пластины выполнено по меньшей мере одно отверстие, в которое вставлена одним концом трубка, другой конец которой погружен в жидкий теплоноситель.

В этом варианте котла возможно выполнение по меньшей мере одной стороны пластины с криволинейным профилем, а сама пластина может быть выполнена перфорированной.

Сущность изобретения заключается в том, что введенная пластина совместно с поверхностью жидкого теплоносителя образует диффузор, следствием чего является формирование направленного движения потока паровой фазы теплоносителя в направлении раскрыва диффузора. Выход паровой фазы теплоносителя к теплообменнику осуществляется через зазор между стенкой корпуса и верхней кромкой пластины. Наличие диффузора обеспечивает увеличение скорости поступления паровой фазы на теплообменник, а разность давлений вдоль диффузора исключает возможность запирания потока паровой фазы теплоносителя.

Угол наклона пластины к поверхности жидкого теплоносителя и, следовательно, характеристики диффузора определяются объемом котла, объемом теплообменника и эксплуатационными характеристиками котла (давление и температура паровой фазы теплоносителя, скорость циркуляции паровой фазы).

Сконденсированный на теплообменнике теплоноситель отводится в объем жидкого теплоносителя через зазор между нижней кромкой пластины и стенкой корпуса в первом варианте котла и через отверстия в нижней части пластины во втором варианте.

В том случае, если отвод сконденсированного теплоносителя осуществляется в конструкции, в которой нижняя часть пластины погружена в объем жидкого теплоносителя, в области погруженной части пластины уменьшается противодавление и формируется строго одноправленное движение потока паровой фазы теплоносителя и тем самым увеличивается массовый расход фазы через теплообменник, а следовательно, и мощность.

В том случае, когда отвод сконденсированного теплоносителя осуществляется через отверстие в нижней части пластины и погруженные в жидкий теплоноситель трубки, увеличивается скорость конвекции в жидком теплоносителе, вследствие чего увеличивается энергосъем тепла (КПД) с газоходов и поверхности топочной камеры и дымогарных труб, что позволяет уменьшить габариты и массу котла.

Выполнение пластины с криволинейным профилем минимизирует потери полного давления в диффузоре. В оптимальном варианте профиль пластины должен совпадать с профилем крыла летательного аппарата, чем достигается разность давлений (подъемная сила) на нижней и верхней сторонах пластины и, следовательно, обеспечивается циркуляция паровой фазы теплоносителя через теплообменник вокруг пластины и исключается возможность запирания потока паровой фазы.

При использовании перфорированной пластины часть массового расхода паровой фазы теплоносителя через перфорацию попадает непосредственно на теплообменник, а часть через зазор между стенкой корпуса и верхней кромкой пластины. Это обеспечивает более равномерный теплосъем в режиме насыщения теплообмена со всей поверхности теплообменника, что также приводит к повышению мощности котла. Перфорация может быть любой, однако размеры перфорации и их ориентации не должны оказывать существенного влияния на динамику потока паровой фазы теплоносителя в диффузоре.

В качестве жидкого теплоносителя может быть использована питьевая вода из центральной системы водоснабжения, дистиллированная вода и т.п.

На фиг. 1, 2 изображены поперечные сечения возможных конструкций котла; на фиг. 3, 4 возможные варианты выполнения пластины для котла с цилиндрическим корпусом.

Герметичный корпус 1 котла частично заполнен жидким теплоносителем 2, в котором помещены топочная камера 3 и дымогарные трубы 4. Над поверхностью 5 жидкого теплоносителя 2 под углом к ней расположена жестко закрепленная в стенке корпуса 1 пластина 6, которая с поверхностью 5 жидкого теплоносителя 2 образует диффузор 7. Над пластиной 6 расположен теплообменник 8, который может быть выполнен в виде системы труб, через которые под давлением традиционными средствами прокачивается жидкость (вода). С целью обеспечения работы котла одновременно для теплоснабжения и горячего водоснабжения трубы теплообменника 8 могут быть объединены в секции с заданным соотношением мощностей.

Подвод паровой фазы теплоносителя в объем, занимаемый теплообменником 8, происходит через зазор 9 между стенкой корпуса 1 и верхней кромкой пластины 6. В варианте, представленном на фиг. 1, отбор сконденсированного на поверхности теплообменника 8 теплоносителя осуществляется через зазор 10 между стенкой корпуса 1 и нижней кромкой пластины 6. В варианте представленном на фиг. 2, сбор и слив сконденсированного теплоносителя происходит через отверстия 11 в пластине 6 и трубки 12, погруженные в объем жидкого теплоносителя 2.

В изображенных на фиг. 3 и 4 вариантах пластины 6, одна из пластин выполнена с перфорацией в виде круглых отверстий 13 (фиг. 3), а другая в виде щелевых (фиг. 4).

Котел работает следующим образом.

Продукты сгорания углеводородного топлива (горелочное устройство на чертежах показано) продуваются через топочную камеру 3 и систему дымогарных труб 4, вследствие чего осуществляется теплопередача от горячего газа к жидкому теплоносителю 2. Давление в корпусе 1 поддерживается (как в большинстве применений котла) ниже атмосферного, что обеспечивает режим кипения жидкого теплоносителя 2 при пониженных температурах и исключает возможность механического разрушения котла. При кипении жидкого теплоносителя 2 образуется его паровая фаза, которая в диффузоре 7 распространяется в виде потока в направлении раскрыва диффузора 7 и через зазор 9 между стенкой корпуса 1 и верхней кромкой пластины 6 поступает в объем, занимаемый теплообменником 8. При контакте нагретой паровой фазы теплоносителя с холодными трубками теплообменника 8 на их поверхности происходит конденсация паровой фазы с одновременным процессом передачи тепла к протекаемой через трубки теплообменника 8 жидкости (воде). Конденсат стекает с трубок теплообменника 8 и по пластине 6 возвращается в объем жидкого теплоносителя 2. За счет конвекции в жидком теплоносителе 2 осуществляется перемешивание слоев горячего теплоносителя и поступившего конденсата. В варианте, изображенном на фиг. 2, конденсат через трубки 12 поступает непосредственно в зону "холодного" теплоносителя, что повышает скорость конвекции теплоносителя и процесс перемешивания теплоносителя идет эффективнее.

Процессы кипения, образования паровой фазы и конденсации теплоносителя в герметическом корпусе котла происходят непрерывно без потери массы жидкого теплоносителя, что не требует использования дополнительных средств для подготовки (обессоливания и деаэрирования) питательной воды котла.

Регулированием давления в котле можно управлять температурой кипения, а следовательно, и мощностью котла, что значительно упрощает его применение в системах теплоснабжения жилых зданий и помещений.

Таким образом, применение заявленного решения позволяет создать малогабаритный, технологичный, высокопроизводительный и безопасный котел с встроенным теплообменником, что в свою очередь значительно упростит создание и эксплуатацию котельных установок в целом.

Использование: энергетика, системы отопления и горячего водоснабжения. Сущность изобретения: котел содержит герметичный корпус 1, частично заполненный водой. Ниже уровня воды размещена топочная камера 3 и дымогарные трубы 4, а выше уровня - теплообменник 8. Пластина 6 размещена ниже теплообменника 8 под углом к поверхности воды с образованием между ее вышерасположенной и нижерасположенной кромками и стенкой корпуса 1 соответствующих зазоров 9 и 10. По меньшей мере одна сторона пластины 6 может быть выполнена с криволинейным профилем. Пластина 6 может быть выполнена перфорированной. Пластина 6 может быть частично погружена под уровень воды. В другом варианте выполнения котла предусмотрена трубка для слива конденсата, одним концом опущенная под уровень воды, а другим размещенная в отверстии пластины. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Пароводяной конденсационный котел низкого давления, содержащий герметичный корпус, частично заполненный водой, ниже уровня которой размещены топочная камера и дымогарные трубы, а выше уровня теплообменник, отличающийся тем, что он снабжен пластиной, размещенной ниже теплообменника под углом к поверхности воды с образованием между ее вышерасположенной и нижерасположенной кромками и стенкой корпуса соответствующих зазоров. 2. Котел по п.1, отличающийся тем, что пластина частично погружена под уровень воды. 3. Котел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что по меньшей мере одна сторона пластины выполнена с криволинейным профилем. 4. Котел по пп.1 3 отличающийся тем, что пластина выполнена перфорированной. 5. Пароводяной конденсационный котел низкого давления, содержащий герметичный корпус, частично заполненный водой, ниже уровня которой размещены топочная камера и дымогарные трубы, а выше уровня теплообменник, и трубку для слива конденсата, опущенную под уровень воды, отличающийся тем, что он снабжен пластиной, размещенной между теплообменником и поверхностью воды, под углом к последней и с образованием зазора между вышерасположенной кромкой и стенкой корпуса, причем в пластине, в зоне нижерасположенной кромки выполнено по меньшей мере одно отверстие, в котором свободным концом размещена упомянутая трубка. 6. Котел по п. 5, отличающийся тем, что по меньшей мере одна сторона пластины выполнена с криволинейным профилем. 7. Котел по пп.5 и 6, отличающийся тем, что пластина выполнена перфорированной.