ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2004 года по МПК F24H1/44 

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 в количестве 2-4, установленными горизонтально и диаметрально противоположно на разновысотных уровнях с перекрытием друг друга в газоходе и сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал.

Недостатком известного отопительного котла является то, что увеличение количества теплообменных элементов более двух приводит к незначительной турбулизации потока газообразных продуктов сгорания топлива и незначительному приросту КПД, который экономически и технически оказывается не рациональным, а также способствует снижению температуры отходящих газов, что приводит к образованию конденсата и ухудшению условий удаления сажи с горизонтальных поверхностей теплообменных элементов. 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, теплообменными элементами и внутренней стенкой обрамляющей рубашки корпуса котла за счет увеличения площади конвективного теплообмена, турбулизации потока газообразных продуктов сгорания топлива, снижения массогабаритных параметров котла на единицу мощности, улучшения условий его эксплуатации.

Это достигается тем, что во внутреннюю полость известного отопительного котла, содержащего корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства, с введенными во внутренний объем котла плоскими полыми теплообменными элементами, установленными горизонтально на разновысотных уровнях, образующими с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а также образующими в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал, введено n=N/10+1 упомянутых плоских полых теплообменных элемента, а в обрамляющую рубашку k - люков, соответствующих количеству установленных поперечных теплообменных элементов. Причем теплообменные элементы выполнены продольными и поперечными и установлены симметрично оси поперечного внутреннего сечения котла и каждый последующий развернут относительно предыдущего на угол 90 градусов. Торцевые стороны теплообменных элементов соединены с противоположными сторонами обрамляющей рубашки и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды. Люки с крышками и тепловыми отражателями устанавливаются против поперечных теплообменных элементов.

Между боковыми поверхностями теплообменных элементов с двух сторон и внутренней поверхностью обрамляющей рубашки выполнены отверстия с поперечным сечением S=0,9-1,1(35+1,5N), см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива, где - N - мощность котла, кВт;

n - количество плоских полых теплообменных элементов принимается округленным целым числом;

k - количество люков, равное количеству поперечных теплообменных элементов.

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 Б-Б.

Позиции на чертежах обозначают:

1 - корпус котла в виде обрамляющей рубашки;

2 - внутренняя стенка обрамляющей рубашки корпуса котла;

3 - внешняя стенка обрамляющей рубашки корпуса котла;

4 - теплоносительная среда;

5 - теплообменный элемент полый, продольный;

6 - теплообменный элемент полый, поперечный;

7 - торцевая сторона теплообменного элемента;

8 - боковая поверхность теплообменного элемента;

9 - отверстие для прохода газообразных продуктов сгорания топлива;

10 - топочное пространство;

11 - устройство для сжигания топлива;

12 - газоходное пространство;

13 - дымоход;

14 - патрубок входа в котел теплоносительной среды;

15 - люк;

16 - крышка люка с тепловым отражателем;

17 - водонагреватель горячего водоснабжения для бытовых нужд;

18 - патрубок ввода холодной воды из водопроводной сети;

19 - патрубок отбора горячей воды для бытовых нужд;

20 - патрубок выхода из котла теплоносительной среды;

21 - поток газообразных продуктов сгорания;

22 - верхняя горизонтальная поверхность теплообменного элемента;

23 - нижняя горизонтальная поверхность теплообменного элемента;

24 - проем входа в топочное пространство котла.

Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи во внутреннюю полость отопительного котла (см.фиг.1) введены следующие элементы: n=N/10+1 плоских полых теплообменных элементов (продольных 5 и поперечных 6) относительно устройства для сжигания топлива 11, а в корпус котла 1, выполненный в виде обрамляющей рубашки, установлены против поперечных теплообменных элементов люки 15 с крышками 16, снабженными тепловыми отражателями, n - количество плоских полых теплообменных элементов принимается округленным целым числом.

Теплообменные элементы продольные 5 и поперечные 6 установлены на разновысотных уровнях горизонтально, симметрично оси поперечного внутреннего сечения котла и развернуты относительно друг друга на угол 90 градусов (см. фиг.3). Торцевые стороны 7 теплообменных элементов 5 и 6 соединены с внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2 корпуса котла 1 и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды 4. Между боковыми поверхностями 8 теплообменных элементов 5 и 6 с двух сторон и внутренней стенкой 2 обрамляющей рубашки выполнены отверстия 9 с поперечным сечением S=0,9-1,1(35+1,5N), cm для прохода газообразных продуктов сгорания топлива 21, где - N мощность котла, кВт.

Начало отсчета теплообменных элементов производится со стороны устройства сжигания топлива 11.

Например, для отопительного котла мощностью 22 кВт количество плоских полых теплообменных элементов n=N/10+1=22/10+1=3,2 выбирается 3 элемента. В этом случае поперечных теплообменных элементов 1, количество люков 1.

Для котла мощностью 37 кВт n=N/10+1=37/10+1=4,7 выбирается 5 элементов. Поперечных теплообменных элементов 2, количество люков 2.

Предложенное расположение теплообменных элементов 5, 6 и отверстия для прохода газообразных продуктов сгорания топлива 9 с поперечным сечением S с внутренней стенкой 2 обрамляющей рубашки 2 топочного пространства котла 1 создают лабиринтный канал для прохождения газообразных продуктов сгорания топлива.

Площадь поперечного сечения S отверстия для прохода газообразных продуктов сгорания топлива 9 определяется мощностью отопительного котла. Если площадь поперечного сечения S отверстия для прохода газообразных продуктов сгорания топлива 9 будет больше указанного для определенной мощности котла, то будет наблюдаться частичный прямоточный выход газообразных продуктов сгорания топлива из топочной камеры в дымоход, что приводит к существенному снижению КПД котла. Если площадь поперечного сечения S отверстия для прохода газообразных продуктов сгорания топлива 9 будет меньше указанного, то происходит не полное сгорание топлива, рост выделения угарного газа и сажистых веществ, что приводит к значительному снижению КПД отопительного котла.

При длительной эксплуатации отопительного котла и нарушении режима горения топлива на горизонтальных поверхностях теплообменных элементов 5 и 6 происходит отложение слоя сажистых веществ. Слой сажи ухудшает теплопередачу от газообразных продуктов сгорания топлива к теплообменным элементам 5 и 6. Кроме того, по мере роста толщины слоя сажи, уменьшается поперечное сечение газоходного канала между горизонтальными поверхностями теплообменных элементов 5 и 6. Это приводит к росту концентрации угарного газа и увеличению толщины слоя сажи. С целью удобства профилактического осмотра состояния поверхностей теплообменных элементов 5 и 6, а в случае отложения слоя сажи для его удаления, в предлагаемом изобретении предусмотрено k люков 15. Люки 15 из условия технологичности изготовления котла и удобства его эксплуатации установлены над входным проемом топочного пространства котла 24 против поперечных теплообменных элементов 6. Через люки 15 слой сажи легко удаляется с верхней 22 и нижней 23 горизонтальных поверхностей поперечного теплообменного элемента 5, нижней горизонтальной поверхности 23 последующего продольного теплообменного элемента 6 и верхней горизонтальной поверхности 22 предыдущего.

Отопительный котел работает следующим образом: в топочном пространстве 10 котла сжигается газовоздушная смесь, подаваемая устройством для сжигания топлива 11. Продукты сгорания образуют газообразный поток 21, который снизу омывает продольный теплообменный элемент 5, разделяется на два потока и направляется вверх в отверстия для прохода газообразных продуктов сгорания топлива 9. Потоки продуктов сгорания топлива 21 омывают внутреннюю стенку обрамляющей рубашки 2 корпуса котла 1, боковые поверхности 8 продольного теплообменного элемента 5 и упираются в поперечный теплообменный элемент 6. Потоки газообразных продуктов сгорания 21 разворачиваются и направляются вдоль поперечного теплообменного элемента 6 навстречу друг друга, омывая поверхности 22, 23 теплообменных элементов 5, 6, и перемешиваются между собой.

Это улучшает теплопередачу через стенки нагревательных элемента 5 и 6 к теплоносительной среде 4 котла. Потоки, подходя к отверстиям 9 между внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2 корпуса котла 1, боковыми стенками теплообменного элемента 6, делятся на два потока, разворачиваются, поднимаются вверх и упираются в следующий продольный теплообменный элемент 5. После смывания всех теплообменных элементов и внутренней стенки обрамляющей рубашки 2 поток газообразных продуктов сгорания топлива 21, передав указанным элементам котла основную долю тепловой энергии, уходит в дымоход 13.

Наиболее эффективно теплопередача происходит в теплообменных элементах 5 и 6. Заключенная в них теплоносительная среда 4, за счет относительно малого объема, более интенсивно разогревается, что приводит к быстрому тепловому расширению, увеличению разностей давлений на входе в котел теплоносительной среды и его выходе и направленному ее течению. Это приводит к увеличению скорости перемещения теплоносительной среды в замкнутой отопительной системе.

Теплоносительная среда 4, заключенная в верхнюю часть полости обрамляющей рубашки, отдает часть тепловой энергии воде, циркулирующей по водонагревательному элементу горячего водоснабжения 17, которая используется для бытовых нужд. При отключенной отопительной системе и шунтировании патрубка входа 14 теплоносительной среды 4 котла (см. фиг.2) вся тепловая энергия может использоваться для горячего водоснабжения при любом давлении воды в водопроводной сети.

Наличие сложного лабиринтного пути движения газообразных продуктов сгорания топлива способствует повышению устойчивости процесса горения топлива при резких перепадах атмосферного давления воздуха.

Использование новых элементов в котле для отопления и горячего водоснабжения выгодно отличает предлагаемый котел, так как позволяет:

- интенсифицировать теплообмен в топочном и газоходном пространствах путем улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к нагревательным элементам;

- повысить скорость циркуляции теплоносительной среды за счет повышения скорости разогрева в теплообменных элементах;

- снизить габариты и расход материалов на единицу мощности отопительного котла за счет создания сложного лабиринта перемещения продуктов сгорания топлива, увеличивающего путь их прохождения и оптимизирующего условия омывания теплообменных элементов котла;

- повысить КПД отопительного котла;

- повысить надежность работы котла за счет исключения задувания запальника при резких изменениях направления потока атмосферного воздуха;

- улучшить условия обслуживания в процессе эксплуатации.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1820156 A1, F 24 Н 1/26, F 23 М 9/06, БИ №21, 1993.

2. Авторское свидетельство №1733867 A1, F 24 Н 1/40, №18, 1992.

3. Патент РФ №2122688, F 24 H 1/00, БИ №33, 1998.

Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано для обогрева помещений и отбора горячей воды для бытовых нужд. Котел содержит корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства. Во внутренний объем котла введено n=N/10+1 горизонтальных плоских полых теплообменных элемента, выполненных продольными и поперечными. Теплообменные элементы установлены симметрично оси поперечного внутреннего сечения котла, и каждый последующий развернут относительно предыдущего на угол 90 градусов, а их торцевые стороны соединены с противоположными сторонами обрамляющей рубашки и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды. Между боковыми поверхностями теплообменных элементов с двух сторон и внутренней поверхностью обрамляющей рубашки выполнены отверстия с поперечным сечением S=0,9-1,1(35+1,5N), см² для прохода продуктов сгорания, против поперечных теплообменных элементов установлены люки с крышками и тепловыми отражателями, где N - мощность котла, кВт; n - количество плоских полых теплообменных элементов, принимаются округленным целым числом; k - количество люков, равное количеству поперечных теплообменных элементов. Изобретение обеспечивает интенсификацию теплообмена в топочном и газоходном пространствах. 3 ил.

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, с введенными во внутренний объем котла плоскими полыми теплообменными элементами, установленными горизонтально на разновысотных уровнях, образующими с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а также образующим в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал, отличающийся тем, что во внутреннюю полость котла введено n=N/10+1 упомянутых плоских полых теплообменных элементов, а в обрамляющую рубашку k люков, соответствующих количеству установленных поперечных теплообменных элементов, причем теплообменные элементы выполнены продольными и поперечными и установлены симметрично оси поперечного внутреннего сечения котла, и каждый последующий развернут относительно предыдущего на угол 90^о, а их торцевые стороны соединены с противоположными сторонами обрамляющей рубашки и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды, при этом между боковыми поверхностями теплообменных элементов с двух сторон и внутренней поверхностью обрамляющей рубашки выполнены отверстия с поперечным сечением S=0,9-1,1(35+1,5N) см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива, а люки с крышками и тепловыми отражателями установлены против поперечных теплообменных элементов, где N - мощность котла, кВт, n - количество плоских полых теплообменных элементов, принимается округленным целым числом; k - количество люков, равное количеству поперечных теплообменных элементов.