ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2001 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 котел в столовых, сельских больницах, фермах, теплицах и др. помещениях.

Известен водогрейный котел [1, 2] , 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 отопительный котел [3], содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоходное пространство, снабженный полыми перегородками, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал.

Недостатком известного отопительного котла при увеличении количества теплообменах элементов более двух является: увеличение габаритных размеров, усложнение конструкции котла, снижение технологичности изготовления и незначительный прирост КПД, который экономически и технически оказывается не рациональным, а также способствует снижению температуры отходящих газов, что приводит к образованию конденсата и ухудшению условий удаления с горизонтальных поверхностей нагревательных элементов сажи. Конструкция котла является чувствительной к резким изменениям скорости воздушных потоков, которые могут приводить к погасанию запальника и прекращению процесса сгорания газообразного топлива.

Изобретение направлено на повышение эффективности и интенсивности теплообмена между продуктами сгорания топлива и теплообменных элементов конструкции за счет увеличения площади конвективного теплообмена и турбулизации потока газообразных продуктов сгорания топлива и снижения массогабаритных параметров котла на единицу мощности.

Это достигается тем, что в известный отопительный котел, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространство, снабженный введенным во внутренний объем котла полым теплообменным элементом, образующим с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а также образующим в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал. Теплообменный элемент выполнен Г-образной формы с различной величиной поперечного сечения и разделяет внутренний объем котла на топочное и газоходное пространство продуктов сгорания топлива. В верхней части водяной рубашки над газоходным пространством расположен люк, через который введена перегородка с вырезом. Люк закрывается крышкой с тепловым отражателем и фиксирует перегородку. Перегородка с верхней частью теплообменного элемента образуют лабиринт для прохождения газообразных продуктов сгорания топлива, а объем топочного пространства котла составляет
V = (0,9...1,1) (22400 + 850) N (см³);
высота верхней части полости теплообменного элемента Г-образной формы
а = (1...1,1)(21,25 + 0,625N) (мм);
площадь поперечного сечения дымохода котла
S_д=85 + 3,1N (см²);
площадь поперечного сечения канала для отходящих газов продуктов сгорания между торцом горизонтальной части теплообменного элемента Г-образной формы и внутренней стенкой обрамляющей рубашки
S₁ = (0,7...0,75) S_д (см²);
площадь поперечного сечения между горизонтальной плоскостью теплообменного элемента Г-образной формы и верхней части обрамляющей рубашки
S₂ = (0,8...0,85) S₂ (см²);
площадь поперечного сечения газоходного пространства
S₃ = S₄ = S_д,
где N - мощность котла в кВт.

В отопительный котел в топочное пространство введено испарительное устройство конденсата, сообщающееся с газоходным пространством, причем испаритель установлен на уровне выше зоны сгорания топлива.

В отопительном котле водяная рубашка корпуса выполнена в виде цилиндра, а верхняя часть теплообменного элемента Г-образной формы выполнена в виде сегментного параллелепипеда.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено продольное сечение отопительного котла; на фиг. 2 - вид сзади на котел; на фиг. 3 - сечение отопительного котла по А-А; на фиг. 4 - сечение по В-В.

Позиции на чертежах обозначают:
1 - обрамляющая рубашка;
2 - теплоносительная среда;
3 - теплообменный элемент Г-образной формы;
4 - топочное пространство;
5 - испарительное устройство;
6 - проем;
7 - патрубок входа в котел теплоносительной среды;
8 - перегородка;
9 - газоходное пространство;
10 - дымоход;
11 - патрубок отбора горячей воды;
12 - люк;
13 - крышка люка с тепловым отражателем;
14 - патрубок выхода из котла теплоносительной среды;
15 - водонагреватель горячего водоснабжения;
16 - поток продуктов сгорания;
17 - патрубок ввода воды для подогрева.

На чертежах обозначены:
S_д - площадь поперечного сечения дымохода котла;
S₁ - площадь поперечного сечения канала для отходящих газов продуктов сгорания из топочного пространства;
S₂ - площадь поперечного сечения между горизонтальной плоскостью теплообменного элемента Г-образной формы и верхней части обрамляющей рубашки;
S₃, S₄ - площадь поперечного сечения газоходного пространства;
"a" - толщина внутренней полости горизонтальной части нагревательного элемента Г-образной формы.

Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи в отопительный котел введены следующие элементы: теплообменный элемент Г-образной формы 3, люк 12, крышка люка с тепловым отражателем 13 и перегородка 8.

Теплообменный элемент Г-образной формы выполнен в виде полой полости с различной величиной толщины поперечного сечения горизонтальной и вертикальной составляющих частей, образующий с теплоносительной обрамляющей рубашкой (корпусом) замкнутый объемный контур теплоносительной среды 2 и разделяющий внутренний объем котла на топочное 4 и газоходное пространство 9. Над газоходной частью котла создан люк 12, через который вставлена перегородка 8 с вырезом. Перегородка 8 с днищем обрамляющей рубашки в газоходном объеме образует проем 6. Перегородка 8 сверху фиксируется крышкой люка 12 с тепловым отражателем. Перегородка 8 делит газоходное пространство на две части. Теплообменный элемент 3, перегородка 8 с проемом 6 образуют лабиринт для выхода в дымоход 10 потока газообразных продуктов сгорания топлива 16. Разделение газоходного пространства 9 перегородкой 8 удлиняет путь прохождения продуктов сгорания. Это способствует более эффективной теплопередаче продуктов сгорания топлива благодаря омыванию ими большей площади внутренней поверхности обрамляющей рубашки и тыльной стороны теплообменного элемента 3, их охлаждению, что приводит к повышению КПД.

Теплообменный элемент Г-образной формы включает в себя преимущества вертикально и горизонтально расположенных теплонагревательных полостей. Вертикально составляющая часть нагревательного элемента Г-образной формы выполнена с толщиной полости, равной толщине полости обрамляющей рубашки. Она обеспечивает наиболее благоприятные условия для циркуляции теплоносительной среды за счет наибольшего перепада температуры между нижней и верхней горизонтальной составляющих частей. Горизонтально составляющая часть теплообменного элемента установлена перпендикулярно восходящему тепловому потоку продуктов сгорания топлива. Это обеспечивает наилучшие условия конвективного и лучевого теплообмена между газообразными продуктами сгорания топлива и нагревательным элементом. За счет относительно малого объема теплоносительной среды в горизонтальной составляющей части нагревательного элемента она подвергается интенсивному разогреву и быстрому тепловому расширению. В результате этого создается направленный поток, способствующий увеличению разности давлений на входе 7 и выходе 14 отопительного котла.

Внутренняя высота полости "а" горизонтальной составляющей нагревательного элемента выбрана из условия, предотвращающего локальное закипание теплоносительной среды в ней с целью исключения снижения скорости перемещения теплоносительной среды в результате образования и попадания в отопительную систему пузырьков воздуха и образования накипи, снижающей теплопередачу от газообразных продуктов сгорания к теплоносительной среде. Это исключает снижение КПД в процессе увеличения времени эксплуатации.

Увеличение внутренней высоты полости "а" горизонтальной доставляющей нагревательного элемента способствует снижению температуры в ней и уменьшает скорость разогрева теплоносительной среды и перепад давления. Это приводит к замедлению циркуляции теплоносительной среды и снижению КПД отопительной системы.

При площади поперечного сечения канала S₁ для отходящих газов продуктов сгорания из топочного пространства между торцом горизонтальной части теплообменного элемента Г-образной формы и внутренней стенки обрамляющей рубашки 1 больше (0,7...0,75)S_д ухудшаются условия конвективного теплообмена и снижается КПД. При S₁ < (0,7...0,75)S_д газообразные продукты сгорают не полностью, что также снижает КПД котла и способствует образованию угарного газа и сажи, которая оседает на теплообменные поверхности, ухудшает условия теплопередачи и в свою очередь КПД котла и требует дополнительной очистки его от сажи.

Объем топочного пространства выбирается из условия получения наибольшего КПД котла. При объеме топочного пространства котла
V > (0,9...1,1) (22400 + 850) N (см³)
КПД котла снижается из-за нерационального условия теплопередачи к нагревательным элементам и излишних потерь теплоты на нагрев воздуха в топочном пространстве. При V < (0,9...1,1) (22400 + 850) N (см³) КПД снижается из-за неполного сгорания топлива.

Площадь поперечного сечения дымохода S_д ограничена нормативными документами и определяется мощностью отопительного котла. Если S_д < 85 + 3,1 N (см²) будет меньше установленной нормативными документами величины, то повышается вероятность неполноты сгорания топлива и рост выделения угарного газа и сажистых веществ, что приводит к снижению КПД отопительного котла. Увеличение сечения дымохода S_д > 85 + 3,1 N (см²) способствует резкому снижению эффективности теплопередачи от потока продуктов сгорания к нагреваемым элементам и КПД котла.

Площадь поперечного сечения между горизонтальной плоскостью теплообменного элемента Г-образной формы и верхней части обрамляющей рубашки S₂ = (0,8. ..0,85)S_д(см²) выбраны из условия получения наибольшего КПД и снижения образования сажистых веществ.

Если S₂ < (0,8...0,85) S_д, газообразные продукты сгорают не полностью, что снижает КПД котла и способствует образованию сажи, которая оседает на горизонтальную часть теплонагревательного элемента, ухудшает условия теплопередачи к теплоносителю, что в свою очередь дополнительно снижает КПД котла и требует дополнительной очистки его от сажи. Если S₂ >(0,8...0,85) S_д, ухудшаются условия теплопередачи в горизонтальную часть теплонагревательного элемента.

При розжиге отопительного котла, резком снижении температуры атмосферного воздуха в помещении расположения котла, снижении температуры отходящих продуктов сгорания топлива происходит образование на внутренних стенках обрамляющей рубашки дымоходного пространства конденсата. Конденсат с продуктами сгорания топлива образует химически активные соединения, способствующие коррозии стенок обрамляющей рубашки, снижению эксплуатационного срока котла, ухудшению теплопередачи к теплоносительной среде 2 и снижению КПД котла. По мере увеличения конденсата он собирается на дне газоходного пространства 9. Для удаления конденсата в отопительный котел введено испарительное устройство 5. Конденсат из газоходного пространства 9 стекает в испарительное устройство 5, которое выведено в топочное пространство 4. Конденсат из жидкого состояния в испарительном устройстве 5 переводится в пар, возвращается в дымоходное пространство 9 и вместе с газообразными продуктами сгорания топлива выбрасывается в атмосферу. Отсутствие конденсата повышает срок эксплуатации отопительного котла без снижения КПД в течение срока эксплуатации.

Крышка люка 13 с тепловым отражателем обеспечивают фиксацию перегородки 8, создают направленное движение газообразных продуктов сгорания топлива по лабиринту и снижают потери тепловой энергии через крышку люка.

Отопительный котел работает следующим образом; теплоносительная среда 2 через патрубок 7 подается в нижнюю часть обрамляющей рубашки котла. В топочном пространстве 4 производится сжигание топлива. Продукты сгорания образуют газообразный поток 16, который омывает внутренние стенки обрамляющей рубашки 1, теплообменный элемент 3, поступает в газоходное пространство 9, где омывает верхнюю внутреннюю стенку обрамляющей рубашки, заднюю стенку нагревательного элемента 3, вертикальные стенки обрамляющей рубашки в дымоходном пространстве 9, нагревают их и контактирующий с ними теплоноситель 2. Передав этим элементам основную долю тепловой энергии, газообразный поток уходит в дымоход.

Теплоноситель, заключенный между внутренней и наружной оболочками верхней части обрамляющей рубашки котла, отдает часть тепловой энергии воде, циркулирующей по водонагревателю 13, которая используется для горячего водоснабжения на хозяйственные нужды. При отключенной отопительной системе вся тепловая энергия котла может использоваться для горячего водоснабжения при любых давлениях воды в водопроводной сети.

Такая конструкция отопительного котла обеспечивает наиболее эффективную теплопередачу в теплообменных элементах за счет увеличения площади теплопередачи без увеличения габаритных размеров.

Использование новых элементов в котле для отопления и горячего водоснабжения выгодно отличает предлагаемый котел, так как позволяет:
- интенсифицировать теплообмен в топочном и газоходном пространстве путем улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к нагревательным элементам;
- повысить скорость циркуляции теплоносительной среды за счет повышения скорости разогрева в теплообменах элементах;
- снизить габариты и расход материалов на единицу мощности отопительного котла за счет применения Г-образного нагревательного элемента и создания сложного лабиринта перемещения продуктов сгорания топлива, увеличивающего путь их прохождения и площадь омывания;
- повысить КПД отопительного котла;
- повысить надежность работы котла за счет исключения задувания запальника при резких изменениях потока атмосферного воздуха.

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

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

3. Патент РФ N 2122688, F 24 H 1/00,. БИ N 33, 1998.

Отопительный котел предназначен для нагрева воды и может быть использован для обогрева жилых, производственных помещений и отбора горячей воды для бытовых нужд. Котел содержит корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства, снабженный введенным во внутренний объем котла полым теплообменным элементом, образующим с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды. Теплообменный элемент выполнен Г-образной формы с различной величиной поперечного сечения и разделяет внутренний объем котла на топочное и газоходное пространства продуктов сгорания топлива. В верхней части водяной рубашки над газоходным пространством расположен люк, через который введена перегородка с вырезом. Люк закрывается крышкой с тепловым отражателем, который фиксирует перегородку, а перегородка с верхней частью теплообменного элемента образуют лабиринт для прохождения газообразных продуктов сгорания топлива. Объем котла, высота полой части нагревательного элемента, площадь поперечного сечения дымохода, канала для прохождения продуктов сгорания на различных участках лабиринта выполнены заданной величины в зависимости от мощности котла. Такое выполнение котла интенсифицирует теплообмен в топочном и газоходном пространстве, обеспечивает повышение КПД котла без увеличения массогабаритных размеров на единицу мощности и надежность его работы. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Отопительный котел для обогрева жилых, производственных помещений и отбора горячей воды для бытовых нужд, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства, снабженный введенным во внутренний объем котла полым теплообменным элементом, образующим с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а также образующим в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал, отличающийся тем, что теплообменный элемент выполнен Г-образной формы с различной величиной поперечного сечения и разделяет внутренний объем котла на топочное и газоходное пространства продуктов сгорания топлива, в верхней части водяной рубашки над газоходным пространством расположен люк, через который введена перегородка с вырезом, при этом люк закрыт крышкой с тепловым отражателем и фиксирует перегородку, а объем топочного пространства котла составляет
V = (0,9 ... 1,1) (22400 + 850)N, см³,
высота верхней части полости теплообменного элемента Г-образной формы
a = (1 ... 1,1) (21,25 + 0,625N), мм,
площадь поперечного сечения дымохода котла
S_д = 85 + 3,1N, см²,
площадь поперечного сечения канала для отходящих газов продуктов сгорания между торцом горизонтальной части теплообменного элемента Г-образной формы и внутренней стенкой обрамляющей рубашки
S₁ = (0,7 ... 0,75) S_д, см²,
площадь поперечного сечения между горизонтальной плоскостью теплообменного элемента Г-образной формы и верхней частью обрамляющей рубашки
S₂ = (0,8 ... 0,85) S_д, см²,
площадь поперечного сечения газоходного пространства
S₃ = S₄ = S_д,
где N - мощность котла в кВт. 2. Отопительный котел по п.1, отличающийся тем, что в топочное пространство введено испарительное устройство конденсата, сообщающееся с газоходным пространством, причем испаритель установлен на уровне выше зоны сгорания топлива. 3. Отопительный котел по пп.1 и 2, отличающийся тем, что водяная рубашка корпуса выполнена в виде цилиндра, а верхняя часть теплообменного элемента Г-образной формы выполнена в виде сегмента.