ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ ЕМКОСТНОЙ ГАЗОВЫЙ Российский патент 2004 года по МПК F24H1/28 

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к газовым емкостным водонагревателям, и может быть использовано для нагрева воды и негорючих водных растворов в различных отраслях промышленности для комплектации установок питьевого, противопожарного и технологического водоснабжения.

Известен водонагреватель (см. патент РФ 2028554 по кл. F 24 Н 1/28, опубл. 1983 г.), содержащий корпус, состоящий из верхней и нижней емкостей, расположенных одна над другой, снабженных патрубками для подвода и отвода нагреваемой жидкости, расположенную в корпусе и погруженную в последний жаровую трубу, выполненную в виде спирально-конического змеевика, состоящего соответственно из нижнего и верхнего участков, соединенных между собой перепускным патрубком, расположенным в верхней емкости, причем один конец змеевика подключен к горелочному устройству. Верхняя емкость корпуса выполнена в виде конусообразной воронки, сливной патрубок расположен в нижней емкости и выполнен по спирали, имеющей направление закрутки, совпадающее с направлением закрутки верхнего участка змеевика, и противоположное направлению закрутки нижнего его участка.

Однако конструкция данного водонагревателя сложна в изготовлении и ненадежна в эксплуатации за счет выполнения жаровых труб в виде спирально-конического змеевика. Кроме этого, недостатком данной конструкции является непродолжительный срок службы водонагревателя из-за коррозии жаровой трубы, обусловленной конденсацией в ней водяных паров, а также сложность эксплуатации горелки из-за присутствия сконденсированной влаги в жаровой трубе.

Известен также водонагреватель (см. а.с. СССР 390335 по кл. F 24 H 1/28, опуб. 1973 г.), содержащий резервуар, газовую горелку, жаровую трубу Г-образной формы, одним концом жестко закрепленную в стенке резервуара, и дымовую трубу. Нижняя часть дымовой трубы выполнена в виде служащего гидравлическим затвором колпака с прорезью в днище и с параллельными направляющими для свободного перемещения вертикального участка трубы, горизонтальный участок которой расположен на опорах, установленных на днище резервуара.

Недостатком данной конструкции является небольшой срок службы водонагревателя из-за наличия коррозии, обусловленной присутствием сконденсированной влаги в жаровой трубе.

Наиболее близким к заявляемому является водонагреватель (см. а.с. СССР 684261 по кл. F 24 H 1/28, опуб. 1979 г.), содержащий резервуар, газовую горелку, Г-образную жаровую трубу (одну или несколько), горизонтальным концом жестко закрепленную в стенке резервуара, и подключенную к горелочному устройству, противоположный конец каждого горизонтального участка трубы расположен на опорах, установленных на днище резервуара. Вертикальные участки Г-образных жаровых труб подключены к размещенной над крышей резервуара дымовой трубе и имеют соосно расположенные на каждом из вертикальных участков патрубки.

Недостатком данного устройства, как и предыдущего аналога, является небольшой срок службы из-за наличия коррозии, обусловленной присутствием сконденсированной влаги в жаровой трубе. Кроме этого, снижает срок службы устройства возможность деформации резервуара, обусловленная наличием гидрозатвора, препятствующего выравниванию давления между атмосферой и воздухом внутри резервуара, а также наличием изгибающих усилий на стенку резервуара, в которой закреплен горизонтальный участок каждой из жаровых труб, возникающих из-за размещения этого участка на опоре качения, которая не препятствует всплытию труб при заполнении резервуара.

Изобретение направлено на решение задачи создания емкостного газового водонагревателя, надежного в эксплуатации и имеющего повышенный срок службы за счет предотвращения коррозии жаровых труб путем исключения конденсации водяных паров внутри каждой из них.

Для решения поставленной задачи в водонагревателе емкостном газовом, содержащем резервуар с крышей, внутри которого расположены Г-образные жаровые трубы, горизонтальные участки каждой из которых подключены к горелочному устройству и расположены на опорах, установленных на днище резервуара под вертикальными участками, каждый из которых имеет соосно размещенный с ним патрубок, согласно изобретению, длину горизонтального участка каждой из Г-образных жаровых труб выбирают из условия:
L=[GC(t_вых-t_вх)n^-1-KπDH(t_ст-0,5(t_вых+t_вх))]:[KπD(t_ст-0,5(t_вых+t_вх))],
где L - длина горизонтального участка Г-образной жаровой трубы, м;
G - расход нагреваемой воды, кг/с;
С - теплоемкость нагреваемой воды, кДж/(кг•^oС);
t_вых - температура нагреваемой воды на выходе из резервуара,^oС;
t_вх - температура нагреваемой воды на входе в резервуар, ^oС;
n - количество Г-образных жаровых труб;
К - средний коэффициент теплопередачи от стенки жаровой трубы к нагреваемой воды, кВт/(м²•^oС);
π=3,14;
D - наружный диаметр жаровой трубы, м;
Н - высота вертикального участка жаровой трубы, смачиваемого жидкостью, м;
t_ст - средняя температура стенки жаровой трубы, ^oС.

Кроме того, водонагреватель дополнительно снабжен блоком управления, подключенным к датчику температуры, расположенному внутри резервуара на его стенке, и к горелочному устройству.

Устройство дополнительно может содержать взрывной клапан, расположенный на крыше резервуара; подключенные к горелочному устройству подогреватели газа, жестко закрепленные к стенке резервуара и расположенные компланарно по отношению к каждому из горизонтальных участков Г-образных жаровых труб; а опора выполнена в виде опоры скольжения.

Каждый из вертикальных участков Г-образных жаровых труб может быть выполнен выступающим за пределы резервуара и патрубка, при этом каждый патрубок снабжен дефлектором, расположен на крыше резервуара и имеет высоту не менее одного диаметра Г-образной жаровой трубы.

При выборе длины горизонтального участка каждой из жаровых труб по указанной зависимости, полученной из совместного решения уравнений теплового баланса и теплопередачи, средняя температура стенки жаровой трубы t_ст принимается на уровне на 5-10^oС выше температуры конденсации водяных паров ("точки росы по водяным парам") для используемого топлива и для номинального режима эксплуатации жаровых труб.

Оптимальная длина горизонтального участка исключает образование конденсата водяных паров в жаровой трубе.

Для исключения конденсации водяных паров внутри каждой из жаровых труб, при тепловой нагрузке ниже номинальной, блок управления, обеспечивает дискретное автоматическое управление работой горелок.

Расположенный на крыше резервуара взрывной клапан, обеспечивает сброс импульса давления водяных паров внутри резервуара при нештатном режиме его эксплуатации (например, при подаче воды в резервуар при уже включенной жаровой трубе). Предотвращение деформации резервуара при номинальном режиме эксплуатации водонагревателя осуществляется с помощью патрубка на крыше резервуара, обеспечивающего образование кольцевого воздушного зазора между вертикальным участком жаровой трубы и крышей, что, в конечном итоге, приводит к выравниванию давления воздуха внутри и снаружи резервуара.

Для повышения срока службы водонагревателя опора каждой жаровой трубы, выполненная в виде опоры скольжения, допускает только аксиальное перемещение жаровой трубы при ее температурных деформациях, что, в отличие от прототипа, исключает всплытие жаровых труб при заполнении водой резервуара и, следовательно, исключает изгибающие усилия на стенку резервуара, возникающие при использовании опоры качения.

Для обеспечения возможности надежной работы водонагревателя, особенно в зимних условиях эксплуатации, для предотвращения отказов работы установленных перед горелками регулятора давления и отсечных клапанов вследствие образования в них газовых гидратов, водонагреватель может дополнительно содержать подогреватели газа, жестко закрепленные в стенке резервуара и расположенные компланарно по отношению к каждому из горизонтальных участков Г-образных жаровых труб.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен поперечный разрез водонагревателя; на фиг.2 - вид сверху; на фиг.3 - вид спереди водонагревателя с двумя жаровыми трубами.

Водонагреватель емкостной газовый содержит цилиндрический теплоизолированный резервуар 1, с крышей 2, в котором расположены жаровые трубы 3 Г-образной конфигурации, состоящие из соединенных друг с другом горизонтальных 4 и вертикальных 5 участков. Горизонтальные участки 4 одним концом закреплены в стенке резервуара 1 и подключены к горелочному устройству 6, а другим концом - размещены на опоре скольжения 7, закрепленной на днище резервуара 1. На крыше 2 резервуара 1 расположены соосно вертикальным участкам 5 жаровых труб 3 патрубки 8, имеющие дефлекторы 9. Взрывной клапан 10 также расположен на крыше 2 резервуара 1. Над крышей 2 размещена дымовая труба 11, являющаяся одновременно продолжением вертикального участка жаровой трубы. Горелочное устройство 6 подключено к блоку управления 12, через отсечной клапан 13. Датчик температуры 14, расположенный на стенке внутри резервуара, подключен также к блоку управления 12.

Водонагреватель имеет также подогреватели газа 15, жестко закрепленные в стенке резервуара 1 и расположенные компланарно по отношению к соответствующим горизонтальным участкам 5 Г-образных жаровых труб 3, регулятор давления, расположенный перед отсечным клапаном 13.

Подвод воды осуществляется по подпиточному и циркуляционному водоводам, а отвод воды - по отводящему водоводу (не показаны).

Подвод воздуха к горелкам осуществляется по отдельному воздуховоду 16.

Водонагреватель емкостной газовый работает следующим образом.

Нагрев жидкости в резервуаре 1 осуществляется за счет передачи теплоты через стенку каждой из жаровых труб 3 от продуктов сгорания, выходящих из горелочных устройств 6. При этом, длину горизонтального участка 4 подбирают таким образом, чтобы исключить образование конденсата водяных паров в жаровой трубе. При этом среднюю температуру стенки жаровой трубы 3 выбирают выше температуры конденсации водяных паров на стенке жаровой трубы 3 или "точки росы по водяным парам".

В качестве примера конкретного исполнения определения оптимальной длины L горизонтального участка Г-образной жаровой трубы в двухтрубном водонагревателе используем следующие исходные данные:
- расход нагреваемой воды G=7,67 кг/с;
- теплоемкость нагреваемой воды С=4,19 кДж/(кг•^oС);
- температура нагреваемой воды на выходе из резервуара t_вых=15^oС;
- температура нагреваемой воды на входе в резервуар t_вх=1^oС;
- количество Г-образных жаровых труб n=2;
- средний коэффициент теплопередачи от стенки жаровой трубы к нагреваемой воды К=0,2 кВт/(м²•^oС);
- наружный диаметр жаровой трубы D=0,53 м;
- высота вертикального участка жаровой трубы, смачиваемого жидкостью, Н= 4,5 м;
- средняя температура стенки жаровой трубы t_ст=100^oС.

При подстановке исходных данных можно определить, что при номинальной теплопроизводительности длина горизонтальных участков каждой из двух жаровых труб должна быть L=2,8 м. При этом водяные пары, образующиеся при сжигании газа, выводятся с дымовыми газами из жаровых труб 3 и не конденсируются на их внутренней стенке.

Дискретное автоматическое управление работой горелочных устройств 6 с помощью блока управления 12, представляющему собой микропроцессор (контроллер), также обеспечивает исключение водяных паров внутри труб 3 при теплопроизводительности жаровых труб ниже номинальной величины. Так, при достижении заданного уровня температуры жидкости на выходе из резервуара горелка жаровой трубы отключается, а при снижении температуры воды на выходе ниже заданного уровня горелка автоматически включается в работу на номинальной нагрузке. При отключенной горелке и снижении температуры стенки ниже "точки росы" внутрь жаровой трубы не поступают дымовые газы, содержащие в своем составе водяные пары и, как следствие, конденсат на стенках не образуется.

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к газовым емкостным водонагревателям, и может быть использовано для нагрева воды и негорючих водных растворов в различных отраслях промышленности. Задача изобретения - создание надежного в эксплуатации емкостного газового водонагревателя за счет предотвращения коррозии жаровых труб путем исключения конденсации водяных паров внутри каждой из них. Поставленная задача решается в водонагревателе, содержащем резервуар с крышей, внутри которого расположены Г-образные жаровые трубы, горизонтальные участки каждой из которых подключены к горелочному устройству и расположены на опорах, установленных на днище резервуара под вертикальными участками, каждый из которых имеет соосно размещенный с ним патрубок, причем длину горизонтального участка каждой из Г-образных жаровых труб выбирают по заданной зависимости. При этом водонагреватель дополнительно снабжен блоком управления, подключенным к датчику температуры, расположенному внутри резервуара на его стенке, и к горелочному устройству, взрывным клапаном, подогревателями газа, жестко закрепленными в стенке резервуара и расположенными компланарно по отношению к каждому из горизонтальных участков Г-образных жаровых труб. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Водонагреватель емкостный газовый, содержащий резервуар с крышей, внутри которого расположены Г-образные жаровые трубы, горизонтальные участки каждой из которых подключены к горелочному устройству и расположены на опорах, установленных на днище резервуара под вертикальными участками, каждый из которых имеет соосно размещенный с ним патрубок, отличающийся тем, что длину горизонтального участка каждой из Г-образных жаровых труб выбирают из условия

L=[GC(t_вых-t_вх)n^-1-KπDH(t_ст-0,5(t_вых+t_вх))]:[KπD(t_ст-0,5(t_вых+t_вх))],

где L - длина горизонтального участка Г-образной жаровой трубы, м;

G - расход нагреваемой воды, кг/с;

С - теплоемкость нагреваемой воды, кДж/(кг·°С);

t_вых - температура нагреваемой воды на выходе из резервуара, °С;

t_вх - температура нагреваемой воды на входе в резервуар, °С;

n - количество Г-образных жаровых труб;

К - средний коэффициент теплопередачи от стенки жаровой трубы к нагреваемой воды, Вт/(м²·°С);

π=3,14;

D - наружный диаметр жаровой трубы, м;

Н - высота вертикального участка жаровой трубы, смачиваемого жидкостью, м;

t_ст - средняя температура стенки жаровой трубы, °С.