ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2005 года по МПК F24H1/28 

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

Известен водогрейный котел (авторское свидетельство СССР №1543183, кл. F 22 В 7/12), содержащий заполненный водой герметичный корпус, внутри которого расположена топка, жаровая труба и дымогарные трубы. Для интенсификации теплообмена дымогарные трубы снабжены винтовыми вставками.

Недостатком данного котла является сложность конструктивного исполнения, а также недостаточная интенсификация теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде при использовании винтовых вставок. Интенсификация теплопередачи за счет винтовой вставки достигается из-за уменьшения эффективного диаметра канала дымогарной трубы и, как следствие, увеличения коэффициента теплообмена, а также из-за радиационного теплообмена от нагретой в потоке дымовых газов винтовой вставки.

Известен водогрейный котел (патент РФ №21877763, кл. F 24 Н 1/00), взятый в качестве прототипа водогрейного котла. Водогрейный котел содержит корпус с крышкой, закрепленную в центральной части крышки горелку, размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру дымовых газов и дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена с кольцевым зазором в дымогарную трубу, причем впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему воду трубопроводу, а выпускные - к водяному объему котла. Согласно изобретению, в каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами и дымогарными трубами, установлены турбулизаторы газового потока, поворотная камера дымовых газов образована днищами водяного объема и топочной камеры, впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, а выпускные - непосредственно к водяному объему, при этом водяной коллектор образован днищами котла и топочной камеры, а коллектор дымовых газов - крышкой котла и обращенной к крышке поверхностями водяного объема. При этом турбулизаторы газового потока, размешенные на равном расстоянии друг от друга по длине трубы, могут быть выполнены в виде кольцевых выступов на внутренней поверхности дымогарной трубы, в том числе кольцевыми выдавками материала дымогарной трубы или в виде кольцевых выступов на наружной поверхности нагревательного элемента. В результате использования технического решения повышается эффективность теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде, уменьшение массы и габаритов котла.

Недостатком данного котла является сложность конструктивного исполнения, особенно в части щелевого канала дымогарной трубы между двумя коаксиальными трубами, а также недостаточная интенсификация теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде за счет кольцевых выступов внутри щелевого канала дымогарной трубы. Оставляя в стороне технологию изготовления кольцевых выступов и их размещение в относительно узком щелевом канале дымогарной трубы, отметим, что эффективность теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде достигается прежде всего за счет использования узкого щелевого канала, что должно приводить к значительному сопротивлению газового тракта. Увеличение теплопередачи определяется как уменьшением ширины щелевого канала в зоне кольцевого выступа, так и отрывом потока от стенки за кольцевым выступом, что сопровождается увеличением коэффициента теплообмена. Однако из-за достаточно плавных по своему контуру кольцевых выступов, как это следует из описания, эффект увеличения коэффициента теплообмена использован не в полном объеме, так как зона отрыва потока (зона рециркуляции) будет относительно небольшой по сравнению с резким краем выступа, например типа течения Барда.

Отметим, что использование узких щелевых каналов в дымогарных трубах, да плюс кольцевых выступов в них должно сопровождаться значительным сопротивлением в газовом тракте, что исключает использование относительно простых в изготовлении атмосферных горелок, характерных для бытовых водогрейных котлов.

В основу изобретения поставлена задача разработать водогрейный котел, который позволит устранить указанные недостатки и реализовать бытовой водогрейный котел с высоким КПД при относительно простой в исполнении конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в водогрейном котле, содержащем корпус, размещенные в корпусе водяной объем с соответствующими входом и выходом для протока воды, топочную камеру с горелками, дымогарные трубы, снабженные вставками и сообщенные своими входами с топочной камерой, а выходами - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, вставки имеют поперечное сечение, например, в форме креста, по периферии вставок установлены турбулизаторы в форме сопла, обрезанного в его горле, с диаметром горла сопла, равным 0,5-0,9 внутреннего диаметра дымогарной трубы, и расстоянием между турбулизаторами, равным 0,5-2,5 внутреннего диаметра дымогарной трубы, при этом турбулизаторы в форме сопла выполнены, например, штамповкой из листа.

В водогрейном котле водяной объем может быть разделен по крайней мере на две части, сообщенные между собой, при этом вход для протока воды размещен в верхней части, а выход - в нижней.

Так как теплообмен в дымогарной трубе со стороны жидкости определяется свободной конвекцией и реализуется турбулентный режим течения с высоким коэффициентом теплообмена, а теплообмен со стороны дымовых газов определяется вынужденной конвекцией, при этом реализуется ламинарный режим течения с низким коэффициентом теплообмена, то необходимо интенсифицировать теплообмен со стороны дымовых газов.

Предлагаемое техническое решение выполнения водогрейного котла позволяет увеличить теплопередачу от дымовых газов к нагреваемой воде за счет следующих факторов:

- постановка вставки с поперечным сечением в форме креста уменьшает эквивалентный диаметр канала дымогарной трубы примерно в 2,5 раза и при ламинарном теплообмене это приводит соответственно к увеличению коэффициента конвективного теплообмена примерно в 2,5 раза,

- постановка вставки с поперечным сечением в форме креста, нагреваемой потоком дымовых газов, увеличивает тепловой поток к стенке дымогарной трубы за счет радиационного теплового потока от вставки, при этом доля радиационного теплового потока от вставки составляет примерно 20% от полного теплового потока к стенке дымовой трубы,

- постановка турбулизаторов-сопел с диаметром 0,5-0,9 диаметра дымогарной трубы приводит к тому, что за соплом образуется ступенька 0,25-0,05 диаметра дымогарной трубы соответственно, за ступенькой поток отрывается от стенки с образованием зоны рециркуляционного течения с повышенным коэффициентом теплообмена. Так на линии примыкания к стенке оторвавшегося потока на расстоянии примерно 4-5 калибров ступеньки реализуется наибольший теплообмен, примерно 2 раза превышающий теплообмен в гладком канале, влияние на теплообмен ступеньки завершается на расстоянии 8-10 калибров ступеньки.

При выполнении турбулизаторов-сопел штамповкой из листа кроме простоты изготовления расширяется зона рециркуляции за ступенькой за счет пространства под соплом.

При разделении в котле водяного объема по крайней мере на две части, сообщенные между собой, с входом воды в верхней части, а выходом - в нижней в каждой из частей водяного объема из-за малой скорости протока воды в объеме и свободно конвективного теплообмена на стенках дымогарных труб будет устанавливаться своя температура, причем в верхних частях она будет ниже, что будет способствовать увеличению теплопередачи.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлено схематичное изображение водогрейного котла, на фиг.2 - элемент дымогарной трубы с размещенными в ней крестообразной вставкой с турбулизаторами-соплами, на фиг.3 - элемент дымогарной трубы с размещенными в ней крестообразной вставкой с турбулизаторами-соплами, выполненными штамповкой из листа, на фиг.4 - схематичное изображение водогрейного котла с разделением водяного объема на две части.

Водогрейный котел содержит корпус 1, размещенные в корпусе водяной объем 2 с соответствующими входом и выходом для протока воды, топочную камеру 3 с горелками 4, дымогарные трубы 5, снабженные вставками 6 и сообщенные своими входами с топочной камерой, а выходами - с коллектором дымовых газов 7, связанным с дымовой трубой 8. Вставки 6 имеют поперечное сечение, например, в форме креста 9, по периферии вставок установлены турбулизаторы в форме сопла 10, обрезанного в его горле, с диаметром горла сопла, равным 0,5-0,9 внутреннего диаметра дымогарной трубы, и расстоянием между турбулизаторами, равным 0,5-2,5 внутреннего диаметра дымогарной трубы, при этом турбулизаторы в форме сопла выполнены, например, штамповкой из листа 11.

В водогрейном котле водяной объем может быть разделен по крайней мере на две части 12 и 13, сообщенные между собой, при этом вход для протока воды размещен в верхней части, а выход - в нижней.

Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано для отопления и/или горячего водоснабжения зданий. Водогрейный котел содержит корпус, размещенные в корпусе водяной объем с соответствующими входом и выходом для протока воды, топочную камеру с горелками, дымогарные трубы, снабженные вставками и сообщенные своими входами с топочной камерой, а выходами - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой. Вставки имеют поперечное сечение, например, в форме креста. По периферии вставок установлены турбулизаторы в форме сопла, обрезанного в его горле, с диаметром горла сопла, равным 0,5-0,9 внутреннего диаметра дымогарной трубы, и расстоянием между турбулизаторами, равным 0,5-2,5 внутреннего диаметра дымогарной трубы. Турбулизаторы в форме сопла выполнены, например, штамповкой из листа. В водогрейном котле водяной объем может быть разделен, по крайней мере, на две части, сообщенные между собой, при этом вход для протока воды размещен в верхней части, а выход - в нижней. Изобретение обеспечивает повышение КПД котла. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Водогрейный котел, содержащий корпус, размещенные в корпусе водяной объем с соответствующими входом и выходом для протока воды, топочную камеру с горелками, дымогарные трубы, снабженные вставками и сообщенные своими входами с топочной камерой, а выходами - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, отличающийся тем, что вставки имеют поперечное сечение, например в форме креста, по периферии вставок установлены турбулизаторы в форме сопла, обрезанного в его горле, с диаметром горла сопла, равным 0,5-0,9 внутреннего диаметра дымогарной трубы, и расстоянием между турбулизаторами, равным 0,5-2,5 внутреннего диаметра дымогарной трубы, при этом турбулизаторы в форме сопла выполнены, например, штамповкой из листа.2. Водогрейный котел по п.1, отличающийся тем, что водяной объем разделен по крайней мере на две части, сообщенные между собой, при этом вход для протока воды размещен в верхней части, а выход - в нижней.