УСТАНОВКА ДЛЯ ВОДЯНОГО ОТОПЛЕНИЯ И/ИЛИ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F24D3/08 F24D17/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для отопления и/или горячего водоснабжения зданий и сооружений децентрализованным образом.

Из предшествующего уровня техники известна установка для горячего водоснабжения (см. авторское свидетельство СССР N 1557417, кл. F 22 B 1/18, 1990), содержащая теплогенератор, сообщенный с газоходом, в котором последовательно по ходу газов установлены три теплообменника, и водоводяной теплообменник контура горячего водоснабжения, при этом конденсатосборник первого теплообменника через циркуляционный насос соединен с входом третьего теплообменника, выход которого через водоводяной теплообменник соединен с входом первого теплообменника, а второй теплообменник включен в контур горячего водоснабжения перед водяным теплообменником по ходу нагреваемой среды.

Недостатками известной установки являются невысокий коэффициент полезного действия, как правило, не превышающий 0,85, и высокое содержание окиси углерода и окислов азота в продуктах сгорания, что делает эту установку весьма далекой от экологически чистых устройств.

Известна также установка для водяного отопления и/или горячего водоснабжения (см. патент РФ N 2018771, кл. F 24 D 3/08, 1994), взятая в качестве прототипа и содержащая газовый генератор тепла, сообщенный с дымовой трубой посредством газохода, в котором последовательно по ходу нагретого газа установлены начальный теплообменник, средний теплообменник, конденсатосборник и конечный теплообменник. Кроме того, установка содержит первый и второй водоводяной теплообменники и регулируемый разделитель потока циркулирующей жидкости, при этом вход разделителя сообщен с выходом начального теплообменника через первый водоводяной теплообменник, первый выход сообщен с входом конечного теплообменника через второй водоводяной теплообменник, выход которого, а также второй выход распределителя сообщены с входом среднего теплообменника, выход которого сообщен с входом начального теплообменника. При этом теплообменники выполнены в виде пакета пластин, установленных вдоль потока нагретого газа с зазором между соседними пластинами и снабженных каналами для прокачки потока циркулирующей жидкости, входы и выходы которых соединены соответствующими коллекторами пакетов.

Недостаток указанной установки заключается в том, что в случае последовательного размещения в ней по ходу нагретого газа начального теплообменника, движение циркулирующей жидкости, в котором в целом совпадает с движением нагретого газа (прямоток), среднего теплообменника, движение циркулирующей жидкости, в котором в целом противоположно движению нагретого газа (противоток), конденсатосборника и конечного теплообменника, движение циркулирующей жидкости, в котором в целом противоположно движению нагретого газа (противоток), возможны режимы работы установки, когда температура стенок среднего теплообменника оказывается ниже температуры "точки росы". При этом будет происходить конденсация паров воды на стенках среднего теплообменника. Расположение в одной плоскости V-образных профилей конденсатосборника не позволяет перекрыть все поперечное сечение газохода и, как следствие, не обеспечивает полного улавливания конденсата, образующегося выше конденсатосборника. Конденсат, который не уловлен конденсатосборником, и конденсат, который образовался на стенках среднего теплообменника, может попадать в генератор тепла с работающими горелками, ухудшая процесс горения, а испарившаяся при этом часть конденсата приводит к увеличению расхода нагретого газа и, как следствие, к увеличению сопротивления газохода. Дополнительное увеличение расхода нагретого газа и сопротивления газохода также может вызываться частичным испарением конденсата на неохлаждаемых V-образных профилях конденсатосборника.

В указанной установке в каждой пластине пакета каналы для протока циркулирующей жидкости, входы и выходы которых объединены соответствующими коллекторами, выполнены параллельными друг другу как в пластине в целом, так и в отдельных зонах, например в форме треугольника или параллелограмма, образующих конфигурацию проточной части внутри пластины. При этом, в любом случае, крайние зоны входной и выходной частей пластин выполнены параллельными горизонтальными каналами. Последнее не позволяет в полной мере реализовать оптимальную схему теплообмена "прямоток-противоток". Кроме того, параллельные горизонтальные каналы работают в разных условиях, так как количество тепла, подводимое к единичному каналу, уменьшается по высоте пластины. Поэтому в нижней по ходу нагретого газа части пластин с горизонтальными параллельными каналами в области повышенной теплопередачи от нагретого газового потока возможно вскипание воды в крайних каналах, блокировка паром протока циркулирующей жидкости и разрушение теплообменника. Размещение во входном коллекторе пакета распределительного устройства (хонейкомба) проблему эту не снимает, к тому же приводит к увеличению гидравлического сопротивления теплообменников и установки в целом.

В основу изобретения поставлена задача разработать установку для водяного отопления и/или горячего водоснабжения с таким конденсатосборником и элементами теплообменника, конструктивные выполнения которых и определенный выбор гидравлического контура установки обеспечили бы более высокую надежность работы установки, экологическую чистоту (класса "голубой ангел") и высокий термический КПД (более 0,92).

Поставленная цель достигается тем, что в установке для водяного отопления и/или горячего водоснабжения, содержащей газовый генератор тепла с контуром охлаждения, сообщенный с газовым генератором тепла газоход, в котором последовательно по ходу нагретого газа установлены первая теплообменная система, конденсатосборник со сливными желобами и вторая теплообменная система, при этом первая и вторая теплообменные системы содержат по крайней мере по одному теплообменнику, выполненному в виде пакета пластин, установленных вдоль потока нагретого газа с определенным шагом и снабженных каналами для протока циркулирующей жидкости, конденсатосборник выполнен в виде расположенных параллельно друг относительно друга V-образных профилей, обращенных вершинами навстречу потоку нагретого газа, сливные желобы установлены поперек профилей под ними у их концов, а выход первой теплообменной системы и вход второй теплообменной системы в их верхних частях по ходу нагретого газа предназначены для подключения тепловой нагрузки, V-образные профили конденсатосборника расположены по крайней мере в двух уровнях. При этом V-образные профили, расположенные в одном из уровней, смещены в поперечном направлении относительно V-образных профилей, расположенных в других уровнях, таким образом, что проекции всех V-образных профилей на горизонтальную плоскость перекрывают полностью поперечное сечение газохода, каждый V-образный профиль конденсатосборника снабжен по крайней мере одним каналом для протока циркулирующей жидкости, входы и выходы каналов объединены дополнительно введенными входным и выходным коллекторами конденсатосборника.

Такое выполнение конденсатосборника обеспечивает полное улавливание конденсата и устраняет негативный процесс испарения конденсата на самих V-образных профилях. Количество рядов и расстояние между ними, а также размеры и угол раскрытия V-образных профилей выбираются из условий создания минимального сопротивления потоку нагретого газа.

Шаг между пластинами в пакете может быть неодинаковым в разных теплообменниках и выбирается из условий теплообмена и гидравлического сопротивления проточных каналов и газохода.

Пластины теплообменников выполнены из двух металлических листов, каждая из пластин имеет два симметричных относительно продольной (по потоку нагретого газа) оси пластины канала зигзагообразной формы для протока циркулирующей жидкости, в верхней и нижней частях пластин с центрами на их продольной оси выполнены осесимметричные выступы, образующие коллекторы для зигзагообразных каналов, листы соединены между собой в местах прилегания, например точечной сваркой, и герметично соединены по периметру, например сплошным сварочным швом. Через коллекторы пропущены трубы-распределители. Пластины в пакете герметично соединены через коллекторы или между собой, или с трубами-распределителями. Вход и выход труб-распределителей в пакете выполнены герметичными. Трубы-распределители имеют отверстия для подачи жидкости в коллектор или для приема жидкости из коллектора пластин, по крайней мере один из концов труб-распределителей является входом/выходом теплообменника. Между каждой парой пластин по бокам пакета установлены закладные элементы.

При указанном выполнении теплообменников распределение расхода циркулирующей жидкости по пластинам определяется в основном отверстиями в трубах-распределителях для подачи жидкости в коллектор или для приема жидкости из коллектора пластин, т. е. в каждую пластину подается одинаковое количество жидкости из-за симметрии зигзагообразных каналов относительно продольной оси пластины оба канала находятся в идентичных условиях теплообмена. Поэтому эффекта блокировки для протока воды через один из каналов в единичной пластине или в различных пластинах теплообменника наблюдаться не будет.

Выход второй теплообменной системы в ее нижней части по ходу нагретого газа сообщен с входным коллектором конденсатосборника, вход контура охлаждения газового генератора тепла сообщен с выходным коллектором конденсатосборника, а выход контура охлаждения газового генератора тепла сообщен со входом первой теплообменной системы в ее нижней части по ходу нагретого газа.

Такая схема выполнения гидравлического контура установки обеспечивает работу второй теплообменной системы в режиме "противоток" при температуре, близкой к температуре циркулирующей жидкости на входе в установку. При температуре поверхностей пластин ниже температуры "точки росы" на них будут конденсироваться пары воды, передавая циркулирующей жидкости скрытую теплоту конденсации. Использование же охлаждаемых V-образных профилей позволяет размещать конденсатосборник в зоне газового потока с более высокой температурой, что дает возможность рационально использовать газоход для размещения первой к второй теплообменных систем.

На фиг. 1 представлена схема установки, на фиг. 2, 3 - схема выполнения конденсатосборника, на фиг. 4-9 - схемы и варианты выполнения теплообменника и его элементов, на фиг. 10-12 - схемы контура охлаждения газового генератора тепла.

Установка для водяного отопления и/или горячего водоснабжения (фиг. 1) содержит газовый генератор тепла 1 с контуром охлаждения, газоход 2, первую теплообменную систему 3, конденсатосборник 4 и вторую теплообменную систему 5. Первая и вторая теплообменные системы содержат по крайней мере по одному теплообменнику 8.

Конденсатосборник 4 (фиг. 1-3) выполнен в виде расположенных параллельно друг относительно друга V-образных профилей 7, обращенных вершинами навстречу потоку нагретого газа. Сливные желобы 8 установлены поперек профилей под ними у их концов. V-образные профили конденсатосборника расположены по крайней мере в двух уровнях 9. При этом V-образные профили, расположенные в данном уровне, смещены в поперечном направлении относительно V-образных профилей, расположенных в других уровнях, таким образом, что проекции всех V-образных профилей на горизонтальную плоскость перекрывают полностью поперечное сечение газохода. Каждый V-образный профиль конденсатосборника снабжен по крайней мере одним каналом 10 для протока циркулирующей жидкости, например в виде трубки, размещенной в нижней части V-образного профиля и соединенной с ним. Входы и выходы каналов объединены дополнительно введенными входным 11 и выходным 12 коллекторами конденсатосборника.

Вход 13 (фиг. 1) второй теплообменной системы в ее верхней части по ходу нагретого газа сообщен с выходом тепловой нагрузки, выход 14 второй теплообменной системы в ее нижней части по ходу нагретого газа сообщен с входным коллектором 11 конденсатосборника, выходной коллектор 12 конденсатосборника сообщен со входом 15 контура охлаждения газового генератора тепла, выход 16 контура охлаждения газового генератора тепла сообщен со входом 17 первой теплообменной системы в ее нижней части по ходу нагретого газа, выход 18 первой теплообменной системы в ее верхней части по ходу нагретого газа сообщен со входом тепловой нагрузки.

Теплообменники 6 (фиг. 1, 4-9) выполнены в виде пакета пластин 19, установленных вдоль потока нагретого газа на одинаковом расстоянии друг от друга и снабженных каналами для протока циркулирующей жидкости. Пластины теплообменников выполнены из двух металлических листов 20, 21, каждая из пластин имеет симметричные относительно продольной оси 22 пластины два канала 23 зигзагообразной формы. В верхней и нижней частях пластин с центрами на их продольной оси выполнены осесимметричные выступы 24, образующие коллекторы для зигзагообразных каналов. Листы 20,21 соединяются между собой в местах прилегания 25 и герметично соединяются по периметру 26 пластины. Через коллекторы пропущены трубы - распределители 27, пластины в пакете герметично соединены через коллекторы или между собой 28, или с трубами-распределителями 29. Трубы-распределители имеют отверстия 30 для подачи жидкости в коллекторы пластин (на входе в теплообменник) или для приема жидкости из коллекторов пластин (на выходе из теплообменника). По крайней мере один из концов 31 труб-распределителей 27 является входом/выходом теплообменника (в случае, когда жидкость подводится/отводится с одного конца, другой конец глушится). Для герметизации газохода по бокам пакета между каждой парой пластин 19 устанавливаются закладные элементы 32. Профиль закладных элементов согласуется с профилем пластин. Заглубление закладного элемента определяется из условий теплообмена закладного элемента с нагретым газом и закладного элемента с пластинами.

Газовый генератор тепла 1 может выполняться с различными вариантами контура охлаждения (фиг. 1, 10-12), обеспечивающими как охлаждение всего генератора тепла, так и охлаждение отдельных его элементов - днища и боковых стенок. Размещение входа 15 и выхода 16 контура охлаждения газового генератора тепла регламентируется его конструктивными особенностями.

Изобретение может применяться в теплоэнергетике. Установка содержит газовый генератор тепла с контуром охлаждения и сообщенный с генератором тепла газоход, в котором последовательно по ходу нагретого газа установлены первая теплообменная система, конденсатосборник со сливными желобами и вторая теплообменная система, при этом теплообменные системы содержат по крайней мере по одному теплообменнику в виде пакета пластин. Конденсатосборник образован по крайней мере двумя рядами охлаждаемых V-образных профилей, проекции которых на горизонтальную плоскость перекрывают все сечение газохода. Пластины теплообменников выполнены из металлических листов, в которых для протока жидкости образованы два зигзагообразных канала, входы и выходы которых сообщены с соответствующими коллекторами. В коллекторах размещены трубы-распределители для подвода/отвода жидкости. По бокам пакета между пластинами для герметизации теплообменника по газу установлены закладные элементы. Выход второй теплообменной системы сообщен с входным коллектором конденсатосборника, выходной коллектор кондесатосборника сообщен с входом контура охлаждения газового генератора тепла, выход которого сообщен с входом первой теплообменной системы. Вход второй теплообменной системы и выход первой теплообменной системы предназначены для подключения тепловой нагрузки. Изобретение обеспечивает более высокую надежность работы установки, ее экологическую чистоту и высокий термический КПД. 12 ил.

Установка для водяного отопления и/или горячего водоснабжения, содержащая газовый генератор тепла с контуром охлаждения, сообщенный с газовым генератором тепла газоход, в котором последовательно по ходу нагретого газа установлены первая теплообменная система, конденсатосборник со сливными желобами и вторая теплообменная система, при этом первая и вторая теплообменные системы содержат по крайней мере по одному теплообменнику, выполненному в виде пакета пластин, установленных вдоль потока нагретого газа с определенным шагом и снабженных каналами для протока циркулирующей жидкости, конденсатосборник выполнен в виде расположенных параллельно друг относительно друга V-образных профилей, обращенных вершинами навстречу потоку нагретого газа, сливные желобы установлены поперек профилей под ними у их концов, выход первой теплообменной системы и вход второй теплообменной системы в их верхних частях по ходу нагретого газа предназначены для подключения тепловой нагрузки, отличающаяся тем, что V-образные профили конденсатосборника расположены по крайней мере в двух уровнях, при этом V-образные профили, расположенные в одном из уровней, смещены в поперечном направлении относительно V-образных профилей, расположенных в других уровнях, таким образом, что проекции всех V-образных профилей на горизонтальную плоскость перекрывают полностью поперечное сечение газохода, каждый V-образный профиль конденсатосборника снабжен по крайней мере одним каналом для протока циркулирующей жидкости, входы и выходы каналов объединены дополнительно введенными входным и выходным коллекторами конденсатосборника, выход второй теплообменной системы в ее нижней части по ходу нагретого газа сообщен с входным коллектором конденсатосборника, вход контура охлаждения газового генератора тепла сообщен с выходным коллектором конденсатосборника, а выход контура охлаждения газового генератора тепла сообщен со входом первой теплообменной системы и ее нижней части по ходу нагретого газа, пластины теплообменников выполнены из двух металлических листов, каждая из пластин имеет два симметричных относительно продольной оси пластины канала зигзагообразной формы для протока циркулирующей жидкости, в верхней и нижней частях пластин с центрами на их продольной оси выполнены осесимметричные выступы, образующие коллекторы для зигзагообразных каналов, листы соединены между собой в местах прилегания и герметично соединены по периметру, через коллекторы пропущены трубы-распределители, пластины в пакете герметично соединены через коллекторы или между собой, или с трубами-распределителями, трубы-распределители имеют отверстия для подачи жидкости в коллектор или для приема жидкости из коллектора пластин, по крайней мере один из концов труб-распределителей является входом-выходом теплообменника, между каждой парой пластин по бокам пакета установлены закладные элементы.