ДЫМОГАРНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1998 года по МПК F24H1/26 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в водонагревателях и котельных агрегатах бытового и промышленного назначения для нагрева воды и получения пара.

Из конструкций бытовых автоматических газовых водонагревателей (АГВ) известно дымогарное устройство, состоящее из нескольких параллельно установленных труб, сообщенных входными участками с топкой водогрейного котла и размещенных в полости камеры с водяной рубашкой (источники информации отсутствуют).

Недостатком дымогарного устройства является низкий теплообмен, так как продукты горения, особенно в центральной части дымогарной трубы, не успевают догореть и отдать свое тепло нагреваемой жидкости, что существенно снижает КПД водонагревателя.

Из конструкций бытовых водонагревателей Франции известно аналогичное устройство, состоящее из одной дымогарной трубы и установленных в ней шнековых удлинителей газового потока (источники информации отсутствуют).

В этом устройстве КПД несколько выше, однако недостатки в нем идентичны недостаткам предыдущего описанного устройства, так как в осевой центральной части шнека продукты горения также не успевают догореть и отдать тепло нагреваемой воде.

Известно дымогарное устройство, в котором дымогарная труба снабжена пластинчатым интенсификатором теплообмена и выполнена в виде зигзагообразного канала [1].

Недостатком известного устройства является недостаточное время теплообмена, так как продукты горения не успевают сгорать и отдать тепло теплообменным поверхностям.

Известно дымогарное устройство, в котором дымогарная труба выполнена в виде зигзагообразного канала и имеется интенсификатор теплообмена, выполненный в виде вертикальной перегородки, установленной в канале, при этом боковые края перегородки заведены в поворотные края канала и выполнены гофрированными [2].

Недостатком устройства является недостаточное время горения и теплообмена.

В целом основной причиной низкого КПД известных бытовых водонагревателей, и особенно котельных промышленных установок, являются следующие недостатки: газы продуктов горения, перемещающиеся в центральной части трубы бытового водонагревателя или в пространстве трубчатых теплообменников промышленной котельной установки, полностью не сгорают и отдают свое тепло в ограниченном количестве, образуя зону низкого теплообмена. Это происходит по причине низкого технического уровня теплообменного оборудования, так как в нем не решены основные задачи, т.е. интенсивность перемешивая продуктов горения как на стадии горения, так и в период теплообмена, надежность сгорания продуктов горения; необходимое время для сгорания и теплообмена.

В связи с нерешенными перечисленными техническими задачами, как следствие оборудование имеет значительные габариты, металлоемкость и соответственно сложность конструкций, способствующих значительным потерям тепла и топлива, и загрязнению окружающей среды выбросами несгоревших продуктов горения.

Цель изобретения - повышение КПД путем устранения в теплообменных устройствах зоны низкого теплообмена, интенсификации перемешивания продуктов горения на стадиях сгорания и теплообмена, повышения надежности сгорания продуктов горения и увеличения времени и пути для сгорания и теплообмена, а также решением этих задач создать предпосылки, способствующие созданию существенно новых типов оборудования, имеющего небольшие металлоемкости и габариты, простую конструкцию и надежность работы.

Поставленная цель достигается тем, что в дымогарном устройстве, состоящем из дымогарной трубы, интенсификатора теплообмена и шнекового удлинителя газового потока, интенсификатор теплообмена расположен в зоне низкого теплообмена дымогарной трубы, а шнековый удлинитель газового потока выполнен в виде спиральной полосы и размещен на интенсификаторе теплообмена.

Для дымогарных устройств, преимущественно промышленных котельных установок, интенсификатором теплообмена является теплообменная емкость, снабженная патрубками подвода и отвода воды и/или пара, при этом один из патрубков опущен в теплообменную емкость до ее дна.

Для дымогарных устройств, преимущественно бытовых водонагревателей с естественной вытяжкой продуктов горения, интенсификатором теплообмена является вспомогательная дымогарная труба, содержащая на одном конце клапан.

Для увеличения срока службы котельной установки, а также для улучшения условий для монтажных и ремонтных работ интенсификатор теплообмена целесообразно выполнить сменным, для этого спиральная полоса на интенсификаторе теплообмена и дымогарная труба выполняются расширяющимися в сторону перемещения газов в дымогарной трубе.

Для возможности более правильного выбора варианта конструкции в зависимости от вида топлива, габаритов и производительности котельной установки зазор между дымогарной трубой и интенсификатором теплообмена в поперечном сечении может быть выполнен концентричным и/или эксцентричным, а в продольном сечении - постоянным, сужающимся или расширяющимся вверх (в сторону перемещения газов) и/или вниз (против перемещения газов). При этом спиральная полоса может быть выполнена однозаходной или многозаходной, с постоянным или переменным шагом вверх и/или вниз. Переменный шаг может быть увеличивающимся и/или уменьшающимся.

Дымогарное устройство в водяном барабане котельной установки, с естественной тягой продуктов горения, располагается осью симметрии вертикально или под углом к вертикали, не большим угла наклона витка спиральной полосы к горизонтальной плоскости.

Дымогарное устройство в водяном барабане котельной установки с искусственной тягой продуктов горения располагается осью симметрии под любым углом к вертикали, но не большим 90^o.

На фиг. 1 изображено предлагаемое дымогарное устройство, состоящее из дымогарной трубы и установленного в ней концентрично интенсификатора теплообмена, выполненного в виде теплообменной емкости с патрубками подвода и отвода воды и/или пара, и удлинители газового потока, выполненного в виде однозаходной спиральной полосы с постоянным шагом; на фиг. 2 показано дымогарное устройство, в котором интенсификатор теплообмена выполнен в виде вспомогательной дымогарной трубы с клапаном; на фиг. 3 - дымогарное устройство с интенсификатором теплообмена, выполненным расширяющимся вверх; на фиг. 4 - изображен бытовой водонагреватель с предлагаемым дымогарным устройством, размещенным в барабане его водяной рубашки, использующий преимущественно газообразное или жидкое топливо; на фиг. 5 - то же, использующий все виды топлива, при этом водонагреватель содержит бак для приготовления кормов; на фиг. 6 - универсальный бытовой водонагреватель, содержащий дымогарные устройства, показанные на фиг. 1 и 2, предназначенные для использования всех видов топлива, в т.ч. и комбинированного; на фиг. 7 - сечение Б-Б на фиг. 6; на фиг. 8 - промышленная котельная установка, в барабане и водяной рубашке которой размещено множество предлагаемых дымогарных устройств, где барабан расположен вертикально; на фиг. 9 - то же, барабан расположен наклонно; на фиг. 10 - то же, барабан расположен горизонтально; на фиг. 11 - разрез А-А на фиг. 7 и 8; по казано компактное размещение дымогарных устройств в барабане водяной рубашки котельной установки.

Дымогарное устройство состоит из дымогарной трубы 1, интенсификатора 2 теплообмена и шнекового удлинителя газового потока.

Для повышения КПД бытовых водонагревателей и промышленных котельных установок путем устранения зоны низкого теплообмена (расположена вдоль оси симметрии дымогарной трубы), интенсификации перемешивания продуктов горения на стадиях сгорания и теплообмена, повышения надежности сгорания продуктов горения, увеличения пути газового потока и времени для сгорания и теплообмена, а также решением этих задач создать предпосылки, способствующие созданию существенно новых типов котельного оборудования, имеющего небольшие металлоемкости и габариты, простую конструкцию и надежность работы, интенсификатор 2 теплообмена расположен в зоне низкого теплообмена дымогарной трубы 1, а шнековый удлинитель газового потока выполнен в виде спиральной полосы 3 и размещен на интенсификаторе 2 теплообмена. При этом зона низкого теплообмена в дымогарной трубе 1 ликвидируется (см. фиг. 1(, а длина газового потока увеличивается, так как при равных наружных диаметрах витков спиральной полосы и шнека средняя длина газового потока, образованного спиральной полосой, больше средней длины газового потока, образованного шнеком. Кроме того, спиральная полоса в отличие от шнека формирует более правильную (в сечении) прямоугольную форму газового потока, способствующего уменьшению сопротивления перемещению газам и увеличению скорости перемещения, а также способствует интенсификации сепарации продуктов горения, так как минимальный радиус витка спиральной полосы существенно больше минимального радиуса витка шнека.

Интенсификатор 2 теплообмена выполнен в виде теплообменной емкости, снабженной патрубками 4 и 5 подвода и отвода воды и/или пара, при этом патрубок 4 опущен концом 6 в емкость до ее дна 7.

Описанная конструкция интенсификатора 2 теплообмена предназначена для всех видов топлива (газообразного, жидкого, твердого) при условии искусственной тяги продуктов горения.

При естественной тяге продуктов горения устройство предназначено преимущественно для газообразного и жидкого топлива.

Для повышения универсальности дымогарного устройства, которое способно было бы работать при естественной тяге продуктов горения на всех видах топлива, а также для повышения санитарного состояния эксплуатации водонагревателя, интенсификатор 2 теплообмена выполнен в виде вспомогательной дымогарной трубы 8, содержащей на одном конце клапан 9, например, размещенный, на оси 10 (см. фиг. 2).

Для увеличения срока службы промышленной котельной установки, а также для улучшения условий монтажных и ремонтных работ интенсификатор 2 теплообмена выполнен сменным, при этом спиральная полоса 2 и дымогарная труба 1 выполняются расширяющимися в сторону перемещения газов. Это облегчает установку или замену вышедшего из строя интенсификатора 2 теплообмена, - он легко вставляется или удлиняется из дымогарной трубы 1.

Производственный и научный опыт в будущем покажет, что в зависимости от вида топлива, габаритов рабочих органов, производительности и др. выполнение конструктивных элементов будет равным и поэтому зазор 11 между дымогарной трубой 1 и интенсификатором 2 теплообмена в поперечном сечении устройства может выполняться концентричным и/или эксцентричным, а в продольном сечении постоянным, сужающимся или расширяющимся вверх и/или вниз, при этом спиральная полоса 3 может быть выполнена однозаходной или многозаходной с переменным шагом вверх и/или вниз.

На фиг. 3 показано дымогарное устройство с интенсификатором 2 теплообмена, выполненным расширяющимся вверх и установленным в дымогарной трубе 1 эксцентрично (ось симметрии интенсификатора 2 теплообмена смещена с оси симметрии дымогарной трубы 1), а спиральная полоса 3 выполнена с уменьшающимся вверх шагом, зазор 11 между дымогарной трубой 1 и интенсификатором 2 теплообмена при этом выполнен сужающимся вверх.

Используя приведенные дымогарные устройства, можно на их основе создать различные варианты бытовых водонагревателей.

На фиг. 4 показан вариант бытового водонагревателя с предлагаемым дымогарным устройством (фиг. 1), размещенным в барабане 12 с водяной рубашкой 13, и использующим преимущественно газообразное или жидкое топливо, при условии естественной тяги продуктов сгорания. При этом барабан 12 имеет входной патрубок 14 для поступления воды в водяную рубашку 13, которая сообщается патрубком 4 с интенсификатором 2 теплообмена, и выходной патрубок 15 для горячей воды. Нижняя часть водонагревателя снабжена топкой 16 (в связи с широкой известностью показана условно) и горелкой 17, а верхняя - содержит вытяжную трубу 18. Устройство позволяет нагревать не только воду, но и получать одновременно пар высокого давления, выходящего через патрубок 5.

На фиг. 5 также изображен вариант бытового водонагревателя с предлагаемым дымогарным устройством (фиг. 2), которое при условии естественной тяги может работать на всех видах топлива. Здесь из барабана 12 по патрубку 15 может выходить из водонагревателя горячая вода или пар низкого давления, а по патрубку 19 только горячая вода. Как вариант водонагреватель может содержать бак 20 для тепловой обработки кормов в сельских и фермерских хозяйствах.

Дно 21 бака является одновременно подом 22 топки 23 (показано условно), которая при необходимости может быть универсальной, т.е. для всех видов топлива.

Универсальный и более производительный нагреватель для получения горячей воды и/или пара представлен на фиг. 6 и 7 с дымогарным устройствами, показанными на фиг. 1 и 2, которые установлены в общем барабане 24 с водяной рубашкой 13, патрубком 15 для горячей воды и патрубком 5 для пара. Топку 26 водонагревателя целесообразно перегородить шарнирной заслонкой 27 на две части (показаны условно), одна из которых будет предназначена для сжигания жидкого и/или газообразного топлива, а другая - для твердого топлива.

На основе приведенных дымогарных устройств можно компоновать промышленные котельные установки.

Размещая в барабане 28 с водяной рубашкой 29 предлагаемые дымогарные устройства, можно получить высокопроизводительную установку (см. фиг. 8) для нагрева воды и выработки пара.

При условии искусственной вытяжки продуктов горения целесообразно компоновать в барабане дымогарные устройства, показанные на фиг. 1 и/или фиг. 3. В этой котельной установке вход воды в барабан 28 осуществляется через патрубок 30, выход горячей воды через патрубок 31 и перегретого пара через патрубок 32.

При естественной вытяжке продуктов горения котельную установку необходимо комплектовать преимущественно из дымогарных устройств, показанных на фиг. 2.

В связи с широкой известностью автоматических средств обеспечения работы котельных установок они на чертежах не показаны.

Топка 33 показана условно.

Над барабаном 28 с дымогарными устройствами для отработанных продуктов горения установлена вытяжная труба 34.

На фиг. 9 и 10 показаны варианты котельных установок аналогичного назначения, отличием которых является только то, что на фиг. 8 водяной барабан 28 расположен вертикально, на фиг. 9 - наклонно и на фиг. 10 - горизонтально. Такие компоновки позволяют делать выбор котельной установки соразмерно помещению, где она будет эксплуатироваться. В зависимости от производительности и технологических возможностей изготовления оборудования дымогарная труба, водонагреватель и котельная установка, вдоль оси симметрии, могут быть изготовлены секционными, при этом поступление в них воды и/или пара может быть последовательным и/или параллельным, прямоточным и/или противоточным.

При компоновке котельных установок с естественной тягой продуктов горения дымогарные устройства в барабане 28 располагают осью симметрии преимущественно вертикально или под углом к вертикали, не большим угла наклона витка его спиральной полосы к горизонтальной плоскости. При компоновке котлов с искусственной тягой продуктов горения дымогарные устройства располагают осью симметрии под любым углом к вертикали, но не большим 90^o, т.е. под острым углом.

Работает дымогарное устройство (фиг. 1), размещенное в водонагревателе (фиг. 4), следующим образом.

Топливо (газ, мазут) сгорает в горелке 17 топки 16 и продукты горения поступают между витками спиральной полосы 3 в дымогарную трубу 1, в которой между витками спиральной полосы 3 с большей скоростью закручиваются и, вращаясь вокруг интенсификатора 2 теплообмена, перемещаются вверх. В результате большой скорости вращения происходит сепарация газов, которой также способствует радиус спиральной полосы (в центре шнека этот радиус отсутствует), и более тяжелые частицы (не сгоревшие в топке) под действием центробежных сил прижимаются к периферии дымогарной трубы 1, трутся о ее поверхность, измельчаются, интенсивно перемешиваются и дожигаются обгоняющими их более легкими частицами, находящимися в стадии горения. Кроме того, в результате интенсивного трения частиц (молекул) между собой, о стенку дымогарной трубы 1 и спиральную полосу 3 (имеет на периферии температуру равную температуре продуктов горения) происходит дополнительное получение тепла механическим путем, а также дополнительного радиационного тепла от свечения трущихся молекул друг о друга (получение дополнительного тепла путем трения горячих молекул доказано наукой). Тепло от продуктов горения и полученное дополнительное тепло от трения и радиации интенсивно перемешиваются и путем постоянного трения его на всем пути спирального потока газов непрерывно передается (путем интенсивного трения) дымогарной трубе 1, являющейся теплообменной поверхностью водяной рубашки 13 барабана 12 водонагревателя.

В результате этого, по сравнению с существующими дымогарными и трубчатыми теплообменными устройствами, теплообменный процесс в предлагаемом устройстве существенно интенсифицируется. Благодаря этому вода в водяной рубашке 13 барабана 12 быстро нагревается и в верхней части водонагревателя через патрубок 4 перетекает в теплообменную емкость интенсификатора 2 теплообмена на его дно 7, в которой водой осуществляется дополнительный съем тепла через стенку емкости и вода, приобретая более высокую температуру, опять поднимается вверх и через патрубок 5 уходит к потребителю.

Если уровень воды в водяной рубашке 13 будет поддерживаться ниже горизонтального участка патрубка 4, то водонагреватель будет вырабатывать пар. При этом он будет перемещаться аналогично перемещению воды и удаляться с устройства через патрубок 5.

Благодаря устранению в дымогарной трубе 1 зоны низкого теплообмена, путем расположения в ней интенсификатора 2 теплообмена, интенсификации перемешивания продуктов горения на стадиях сгорания и теплообмена, повышению надежности сгорания продуктов горения и удлинению пути газового потока и времени для сгорания и теплообмена существенно повышается КПД водонагревателя. Если диаметр дымогарной трубы принять 350 мм, а длину 1000 мм и шаг спиральной полосы 100 мм, то длина газового потока в устройстве будет более 10 метров.

Даже если не учитывать другие преимущества теплообмена в предлагаемом устройстве, приведенный результат будет иметь по сравнению с существующими устройствами многократные преимущества.

Работа дымогарного устройства, показанного на фиг. 3, отличается от работы дымогарного устройства, приведенного на фиг. 1 тем, что газовый поток по мере перемещения его в дымогарной трубе 1 вверх, в поперечном сечении со всех сторон постоянно сжимается посредством расширяющегося вверх интенсификатора 2 теплообмена и уменьшающихся вверх шагом спиральной полосы 3, в результате чего скорость вращения газов в дымогарной трубе 1 постоянно увеличивается, а следовательно и интенсифицируется теплообмен.

Кроме того, так как интенсификатор 2 теплообмена установлен в дымогарной трубе эксцентрично, то за каждый оборот газового потока газ дополнительно сжимается и несколько расширяется, что также интенсифицирует процесс путем смешивания газов, температурной пульсации при теплообмене и пульсации трения.

Работа дымогарного устройства (фиг. 2) в водонагревателе (фиг. 5) отличается от дымогарного устройства (фиг. 1) в водонагревателе (фиг. 4) тем, что в нем отсутствует возможность двойного съема тепла, так как интенсификатор 2 теплообмена выполнен в виде дополнительной дымогарной трубы 8 с клапаном 9.

В период росжига тепла, особенно твердого или жидкого, в начальный период пока разгорится топливо происходит интенсивное выделение дымовых газов. Поэтому для предотвращения выхода их из топки водонагревателя клапан 9 на трубе 8 открывают путем вращения оси 10 по часовой стрелке и часть газов путем наименьшего сопротивления выходит из топки 23 по трубе 8 и вытяжную трубу 18. Как только топливо в топке 23 разгорится клапан 9 поворачивает осью 10 против часовой стрелки и он закрывает трубу 8, в результате чего перемещение продуктов горения через нее прекращается и они уходят между витками спиральной полосы 3 в дымогарную трубу 1, где теплообмен происходит аналогично теплообмену, происходящему в водонагревателе, показанному на фиг. 4.

Этот вариант водонагревателя более универсальный, так как благодаря применению трубы 8 с клапаном 9 представляется возможность сжигания всех видов топлива, при этом улучшаются санитарные условия его эксплуатации.

Если водонагреватель изготовлен с баком 20, то в нем можно осуществлять тепловую обработку кормов для скота и птицы в бытовых и фермерских условиях сельского хозяйства. Для этого корм погружают в воду в баке 20 в специальной перфорированной корзине (на чертеже не показана), в которой путем передачи тепла из топки 23 в бак 20 через его дно 21 и дымогарную трубу 1 (возле дна 21) происходит разваривание продукта. Кроме того, корм можно также обрабатывать горячей водой из патрубка 19 или паром из патрубка 15.

Для большей производительности приготовления горячей воды и/или пара может быть применен универсальный водонагреватель (фиг. 7) состоящий из двух дымогарных устройств (фиг. 1 и 2), предназначенный для сжигания всех видов топлива, в том числе и комбинированного.

При сжигании твердого топлива в топке 26 поворачивают заслонку 27 против часовой стрелки к горелке 17, защищая горелку от сжигаемого в топке топлива. При этом над заслонкой 27 газы свободно перемещаются к обоим дымогарным устройствам, работа которых аналогична устройствам, показанным на фиг. 1, 2, 4, 5.

При сжигании в горелке 17 газообразного или жидкого топлива заслонка 27 поворачивается по часовой стрелке в правое крайнее положение.

В этом водонагревателе через патрубок 5 исходит горячая вода или пар, а через патрубок 15 только горячая вода.

Промышленные котельные установки скомпонованы аналогично описанному водонагревателю, только в одном барабане 28 расположено значительно большее количество дымогарных устройств (фиг. 1, 2, 3), виды, габариты и количество которых зависит от вида топлива, производительности и состояния вырабатываемого теплоносителя (пар, вода). Поэтому работа промышленных котлов (фиг. 8, 9, 10) ничем не отличается от описанных водонагревателей.

В котлах с естественной тягой продуктов горения будут установлены преимущественно дымогарные устройства (фиг. 2), а при искусственной тяге - только дымогарные устройства, показанные на фиг. 1 и(или 3.

В приведенных промышленных котлах (фиг. 8, 9, 10) сжигание топлива происходит в топке 33, а удаление отработанных газов через вытяжную трубу 34.

Вход воды в барабан 28 котла осуществляется через патрубок 30, выход горячей воды через патрубок 31 и перегретого пара или воды - через общий коллектор 32, к которому подсоединены патрубки 5 всех интенсификаторов 2 теплообмена.

Благодаря простоте и надежности конструкций предлагаемых дымогарных устройств, способных значительно повысить КПД, предоставляется возможность создания нового котельного оборудования с существенно новыми технологическими характеристиками, основными из которых являются небольшие габариты и металлоемкость, простота конструкции, высокая производительность, низкий расход топлива и надежность работы.

Изобретение способствует также устранению топливного кризиса в государстве.

Устройство предназначено для использования в водонагревателях и котельных агрегатах бытового и промышленного назначения. В дымогарном устройстве, состоящем из дымогарной трубы, интенсификатора теплообмена и шнекового удлинителя газового потока, интенсификатор теплообмена расположен в зоне низкого теплообмена трубы, а шнековый удлинитель газового потока выполнен в виде спиральной полосы и размещен на интенсификаторе теплообмена. Для дымогарных устройств, преимущественно промышленных котельных установок, интенсификатором теплообмена является теплообменная емкость, снабженная патрубками подвода и отвода воды и/или пара, при этом один из патрубков опущен в теплообменную емкость до ее дна. Для дымогарных устройств, преимущественно бытовых водонагревателей, интенсификатором теплообмена является вспомогательная дымогарная труба с клапаном. 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Дымогарное устройство, состоящее из дымогарной трубы, интенсификатора теплообмена и шнекового удлинителя газового потока, отличающееся тем, что интенсификатор теплообмена расположен в зоне низкого теплообмена дымогарной трубы, а шнековый удлинитель газового потока выполнен в виде спиральной полосы и размещен на интенсификаторе теплообмена в зазоре между последним и дымогарной трубой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что интенсификатор теплообмена выполнен в виде теплообменной емкости, снабженной патрубками подвода и отвода воды и/или пара, при этом один из патрубков опущен в теплообменную емкость до ее дна. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что интенсификатор теплообмена выполнен в виде вспомогательной дымогарной трубы, содержащей на одном конце клапан. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что интенсификатор теплообмена выполнен сменным, при этом спиральная полоса и дымогарная труба выполняются расширяющимися в сторону перемещения газов. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что зазор между дымогарной трубой и интенсификатором теплообмена в поперечном сечении выполнен эксцентричным и/или концентричным, а в продольном сечении постоянным, сужающимся или расширяющимся вверх и/или вниз. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спиральная полоса выполнена с переменным шагом вверх и/или вниз. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что спиральная полоса выполнена однозаходной или многозаходной.