ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 1998 года по МПК F24H1/00 

Изобретение относится к тепловой технике и может быть использовано для обогрева жилых, производственных помещений и горячего водоснабжения, что позволяет использовать отопительный аппарат в столовых, сельских больницах, фермах, теплицах.

Известен водогрейный котел [1], предназначенный для отопления и снабжения горячей водой, содержащий обрамленную водяной рубашкой топку, соединенную с окном для выхода продуктов сгорания. В верхней части топки расположены направляющие перегородки, одна из которых расположена поперечно на расстоянии от боковой стенки топки с образованием прохода для продуктов сгорания, а другая перегородка выполнена в виде вертикальной незамкнутой обечайки. Она установлена между поперечной перегородкой и верхней стенкой топки, а незамкнутый участок обечайки обращен в сторону, противоположную упомянутому выше проходу.

Для повышения эффективности теплообмена водогрейный котел снабжен дополнительными перегородками, одна из которых установлена поперечно между окнами для выхода продуктов сгорания, а вторая расположена продольно.

Недостатком известного водогрейного котла является то, что не в полной мере используются возможности по повышению эффективности теплообмена между перегородками и водой, заполняющей водяную рубашку, так как в нем увеличивается только путь прохождения продуктов сгорания и время их пребывания в топочном пространстве, а площадь теплообмена остается неизменной.

Эффективность теплообмена возрастает незначительно только за счет теплоотвода от металлических перегородок к стенкам водяной рубашки в верхней части котла. Такой характер теплопередачи не способствует обеспечению интенсивности циркуляции воды в отопительной системе.

Из известных отопительных котлов наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является котел [2], содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками с интенсификаторами теплообмена на верхней и нижней стенках, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал.

Недостатком известного котла является: недостаточная скорость циркуляции воды в отопительной системе; нет возможности циркуляции воды внутри котла при отключении его от отопительной системы из-за отсутствия нижней полости, отсутствует направленное движение нагреваемой воды в полых перегородках.

Изобретение направлено на повышение эффективности и интенсификации теплообмена от восходящего потока продуктов сгорания к теплоносительной среде и увеличение скорости ее циркуляции в отопительной системе путем повышения разности давлений на входе и выходе из отопительного аппарата.

Это достигается тем, что в известный отопительный котел, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками с интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде выдавок на перегородках на верхней и нижней стенках, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал, снизу топки установлена полость, образующая с теплоносительным корпусом замкнутый объемный контур теплоносительной среды. Перегородки - поверхности нагрева - выполнены в виде плоских полых теплообменных элементов в количестве 2 - 4 с продольными каналами, установленными горизонтально и диаметрально противоположно на разновысотных уровнях с перекрытием друг друга в топочном пространстве, соединены с контуром теплоносительной среды, причем площадь горизонтального сечения полости составляет
1/2 S_т ≤ S_г.п. ≤ S_т - S_D,
разновысотный уровень
S_D/b ≤ h ≤ 1,5 S_D/b,
внутренняя высота полости теплоносительной среды 10 мм ≤ h₁ ≤ B,
где S_т - площадь поперечного сечения топочной камеры;
S_г.п. - площадь горизонтального сечения полости;
S_D - площадь поперечного сечения дымохода;
b - ширина нагреваемой полости в самом узком месте;
B - толщина теплоносительной среды в теплопроводящем корпусе.

В отопительном котле топочная и наружная оболочки теплоносительного корпуса выполнены в виде цилиндров, а нагреваемые полости в виде сегментов.

В отопительном котле топочная и наружные оболочки теплоносительного корпуса выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов, а нагреваемые полости прямоугольной формы.

В верхней части теплоносительной рубашки установлен водонагревательный элемент для горячего водоснабжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено продольное сечение отопительного котла; на фиг. 2 - поперечное; на фиг. 3 - участок сечения теплообменного элемента.

Позиции на чертежах обозначают:
1 - топочная камера;
2 - топочное устройство;
3 - восходящий поток продуктов сгорания;
4 - теплообменные элементы с продольными каналами;
5 - топочная оболочка;
6 - теплоносительная среда;
7 - дымоход;
8 - патрубок входа в аппарат;
9 - наружная оболочка;
10 - патрубок выхода из аппарата;
11 - продольный канал теплообменного элемента;
12 - водонагреватель горячего водоснабжения;
13 - нижняя полость;
14 - перегородка теплообменного элемента.

На чертежах обозначены:
S_D - площадь сечения дымохода,
S_т.э. - площадь горизонтального сечения теплообменного элемента,
h₁ - внутренняя высота продольного канала,
h - расстояние между теплообменными элементами.

B - толщина рубашки теплоносительной среды.

S_Т - поперечное сечение топки.

Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи в отопительный котел введены следующие элементы: нижняя полость 13, образующая с теплоносительным корпусом замкнутый объемный контур теплоносительной среды 6, горизонтально установленные поверхности нагрева, выполненные в виде плоских полых теплообменных элементов 4 с перегородками 14, образующими продольные каналы 11, которые предназначены для направленного перемещения нагреваемой теплоносительной среды.

Горизонтально установленные теплообменные элементы с площадью S_т.э. удлиняют путь прохождения продуктов сгорания. Это способствует более эффективному их охлаждению за счет омывания большей поверхности теплопередачи при снижении высоты отопительного котла.

Такое расположение теплообменных элементов позволяет осуществить ускоренный разогрев теплоносительной среды, а наличие продольных каналов создает направленное ее перемещение. Это в свою очередь создает повышенную разность давлений на входе и выходе котла и ускоренную циркуляцию теплоносительной среды в отопительной системе.

Чем больше площадь теплообменных элементов, тем больше путь омывания их продуктами сгорания и следовательно выше эффективность теплопередачи, КПД котла при постоянной тяге в дымоходе.

При внутренней высоте канала теплообменного элемента h₁ менее 10 мм происходит преждевременное закипание теплоносительной среды в нем, что нарушает направленность ее перемещения. При h₁ > B уменьшается скорость разогрева теплоносительной среды и перепад давлений на входе и выходе котла снижается, что приводит к замедлению циркуляции теплоносительной среды и снижению КПД отопительной системы.

При использовании теплообменных элементов в количестве менее двух - резко сокращается путь прохождения горячих продуктов сгорания, площадь теплопередающих поверхностей, что приводит к нерациональному использованию тепловой энергии и снижению КПД отопительного котла.

При использовании теплообменных элементов в количестве более 4-х резко снижается температура продуктов сгорания на выходе из отопительного аппарата, образуется конденсат в дымоходе, что приводит к образованию сажистых отложений на теплообменных элементах? несмотря на незначительное возрастание его КПД.

Площадь поперечного сечения дымохода S_D - ограничена нормативными документами и определяется мощностью отопительного котла. Если S_D будет меньше установленной нормативными документами величины, то повышается вероятность неполноты сгорания топлива и рост выделения угарного газа и сажистых веществ, что приводит к разному снижению КПД отопительного аппарата. Поэтому максимальная площадь горизонтального сечения полости должна быть не более S_т - S_D. Увеличение сечений дымохода более нормированной величины способствует резкому снижению эффективности теплопередачи от потока продуктов сгорания к нагреваемым полостям и КПД котла.

Если расстояние по вертикали между горизонтально установленными полостями (теплообменными элементами) меньше h < S_D/b то повышается вероятность неполного сгорания топлива, что приводит к росту выделения угарного газа и сажистых веществ.

Это снижает КПД отопительного котла и за счет роста толщины слоя сажистых веществ на горизонтальных полостях теплообменных элементов, снижается эффективность теплопередачи от потока продуктов сгорания топлива к теплоносительной среде.

При h > 1,5 S_D/b снижается эффективность теплопередачи за счет нерационального использования тепловой энергии продуктов сгорания.

Установленная снизу топки полость, которая образует с топочной и внешней оболочками замкнутый объем теплоносительной среды, обеспечивает улучшение условий циркуляции теплоносителя за счет равномерного его распределения между оболочками и равномерной скорости перемещения снизу вверх и одновременно является дополнительной поверхностью нагрева теплоносителя, повышает КПД котла и его пожаробезопасность.

Отопительный котел работает следующим образом: теплоноситель подается в нижнюю полость 13, в которой при помощи топочного устройства 2 происходит сжигание топлива, горячие продукты сгорания 3, омывая теплообменные элементы 4 и стенки топочной оболочки 5, разогревают их и контактирующий с ними теплоноситель 6 и, передав им основную долю тепловой энергии, уходят в дымоход.

Наиболее эффективно теплопередача происходит в теплообменных элементах, плоскость которых расположена перпендикулярно восходящему потоку продуктов сгорания 3 и тепловому излучению. Заключенный в нагревательных элементах теплоноситель 6 за счет малого его объема подвергается более интенсивному разогреву и быстрому тепловому расширению, в результате чего создается направленный поток, способствующий увеличению разности давлений на входе 8 и выходе 10, закрепленных на наружной оболочке 9 отопительного котла.

Это приводит к увеличению скорости перемещения теплоносительной среды в замкнутой отопительной системе.

Теплоноситель, заключенный между внутренней и наружной оболочками верхней части котла, отдает часть тепловой энергии воде, которая протекает через водонагреватель 12 и используется для горячего водоснабжения.

При отключенной отопительной системе благодаря наличию нижней полости 13 происходит непрерывная циркуляция теплоносителя внутри котла и в этом случае вся тепловая энергия может использоваться для горячего водоснабжения при любых давлениях воды в водопроводной сети.

Использование новых элементов в котле для отопления и горячего водоснабжения выгодно отличает предлагаемый котел, так как позволяет:
- интенсифицировать теплообмен в поточной камере путем улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к нагревательным элементам;
- повысить скорость циркуляции теплоносителя за счет повышения скорости его разогрева в теплообменных элементах;
- снизить габариты и расход материалов на единицу мощности отопительного котла за счет горизонтального расположения теплообменных элементов с продольными каналами, удлинения пути прохождения продуктов сгорания;
- повысить КПД отопительного котла;
- использование в качестве проточного водонагревателя при любых давлениях в водопроводной сети.

Источники информации.

1. Авторское свидетельство N 1820156, A1 F 24 H 1/26, F 23 M 9/06, БИ N 21, 1993.

2. Авторское свидетельство N 1733867, A1 F 24 H 1/40, БИ N 18, 1992.

Отопительный котел предназначен для обогрева жилых и производственных помещений и горячего водоснабжения. Котел содержит корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками с интенсификаторами теплообмена на верхней и нижней стенках, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал. Снизу топки установлена полость, образующая с теплоносительным контуром замкнутый объемный контур теплоносительной среды. Поверхности нагрева выполнены в виде теплообменных элементов в количестве 2-4 с продольными каналами, установленными горизонтально и диаметрально противоположно на равновысотных уровнях с перекрытием друг друга в топочном пространстве, соединены с контуром теплоносителя. Площадь горизонтального сечения и внутренняя высота канала каждого теплообменного элемента выполнены заданной величины. Такое выполнение котла интенсифицирует теплообмен от восходящего потока продуктов сгорания к теплоносителю и увеличивает скорость циркуляции теплоносителя в отопительной системе путем повышения разности давлений на входе и выходе котла. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Отопительный котел для обогрева жилых и производственных помещений, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками с интенсификаторами теплообмена на верхней и нижней стенках, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал, отличающийся тем, что снизу топки установлена полость, образующая с полостью рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а полые перегородки выполнены в количестве 2-4 и в виде плоских полых теплообменных элементов с продольными каналами, установлены горизонтально и диаметрально противоположно на разновысотных уровнях с перекрытием друг друга в газоходе, причем площадь горизонтального сечения теплообменного элемента составляет
1/2 S_т≤S_т.п≤S_т-S_D,
разновысотный уровень
S_D/b≤h≤1,5 S_D/b,
внутренняя высота канала теплообменного элемента 10 мм ≤h₁≤ B,
где S_т - площадь поперечного сечения топки;
S_т.п - площадь горизонтального сечения теплообменного элемента;
S_D - площадь поперечного сечения дымохода;
b - ширина нагреваемого теплообменного элемента в самом узком месте;
B - толщина водяной рубашки в корпусе. 2. Отопительный котел по п. 1, отличающийся тем, что водяная рубашка корпуса выполнена в виде цилиндра, а теплообменные элементы в виде сегментов с продольными каналами. 3. Отопительный котел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что водяная рубашка корпуса выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, а нагреваемые теплообменные элементы - прямоугольной формы с продольными каналами. 4. Отопительный котел по пп.1-3, отличающийся тем, что в верхней части водяной рубашки установлен водонагревательный элемент для горячего водоснабжения.