ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2005 года по МПК F24H1/24 

Изобретение относится к тепловой технике и может быть использовано для обогрева жилых, производственных помещений, индивидуальных теплиц и др. помещений.

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 водяной рубашки и образующими в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал.

Недостатком известного отопительного котла является то, что увеличение количества теплообменных элементов более двух дает малый рост турбулизации потока газообразных продуктов сгорания топлива и незначительный прирост КПД, что экономически и технически оказывается не рациональным, а также ведет и к ухудшению условий удаления с горизонтальных поверхностей нагревательных элементов сажи. Конструкция котла является чувствительной к резким изменениям скорости воздушных потоков, что может приводить к погасанию запальной и основной горелок.

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

Это достигается тем, что в известный отопительный котел, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства, с введенными во внутренний объем котла четырьмя полыми теплообменными элементами, установленными горизонтально, образующими с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а также образующими в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал, при этом два из упомянутых теплообменных элементов являются центральными, а два - боковыми. Центральные элементы с площадью боковой поверхности S_цэ=(70÷80)N см² установлены на разновысотных уровнях, симметрично вдоль продольной оси поперечного внутреннего сечения котла, горизонтально и параллельно друг другу, а их торцевые стороны соединены с противоположными сторонами обрамляющей рубашки и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды, где - N мощность котла, кВт.

Два боковых теплообменных элемента с площадью боковой поверхности S_бэ=(35÷40)N см² установлены между центральными на одном уровне и диаметрально противоположно так, что продольная боковая сторона каждого элемента, прилегающая к внутренней боковой стенке котла, и их торцевые стороны (части) соединены с обрамляющей рубашкой и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды. Между другими свободными продольными сторонами боковых теплообменных элементов образовано окно с поперечным сечением S₁=(5÷9)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива. Между боковыми поверхностями центральных теплообменных элементов с двух сторон и внутренней стенкой обрамляющей рубашки, между верхней поверхностью центрального теплообменного элемента и внутренней стенкой обрамляющей рубашки, а также между боковыми и центральными теплообменными элементами выполнены каналы с поперечным сечением S₂=(2,5÷4,5)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива.

При этом газогорелочное устройство установлено поперек продольных осей теплообменных элементов.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено поперечное сечение отопительного котла; на фиг.2 - продольное сечение отопительного котла по сечению А-А.

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 - среда теплоносительная;

5 - элемент полый теплообменный, боковой;

6 - элемент полый теплообменный, центральный;

7 - торцевые стороны элемента полого теплообменного центрального;

8 - боковая поверхность теплообменного элемента;

9 - нижняя поверхность теплообменного элемента;

10 - верхняя поверхность теплообменного элемента;

11 - окно для прохода газообразных продуктов сгорания топлива между боковыми поверхностями боковых теплообменных элементов сечением S₁;

12 - окна между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и боковыми поверхностями центральных теплообменных элементов сечением S₂;

13 - топочное пространство котла;

14 - канал газоходного пространства котла сечением S₂;

15 - газогорелочное устройство с системой автоматики;

16 - поток газообразных продуктов сгорания топлива;

17 - дымоход;

18 - регулятор тяги (разрежения);

19 - патрубок выхода из котла теплоносительной среды;

20 - патрубок ввода в котел теплоносительной среды;

21 - верхняя полость газоходного пространства котла;

22 - торцевые стороны элемента полого теплообменного бокового;

23 - горелка.

Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи во внутреннюю полость отопительного котла, содержащего корпус в виде водяной рубашки 1 с внутренней 2 и внешней 3 стенками, обрамляющей топочное 13 и газоходное 14 пространства (см. фиг.1 и фиг.2), введены четыре полых теплообменных элемента: два центральных 6 и два боковых 5. Центральные теплообменные элементы 6 с площадью боковой поверхности S_цэ=(70÷80)N см² установлены на разновысотных уровнях, симметрично вдоль продольной оси поперечного внутреннего сечения котла 1 (фиг.1), горизонтально и параллельно друг другу. Торцевые стороны 7 теплообменных элементов 6 соединены с противоположными сторонами внутренней стенки 2 обрамляющей рубашки корпуса котла 1 и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды 4.

Боковые теплообменные элементы 5 с площадью боковой поверхности S_бэ=(35÷40)N см² в количестве двух штук установлены между центральными теплообменными элементами 6 на одном уровне диаметрально противоположно. При этом продольная боковая сторона каждого элемента 5, прилегающая к внутренней стенке обрамляющей рубашки 2 котла 1, соединена своими торцевыми сторонами 22 с обрамляющей рубашкой и образует замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды 4. Между другими свободными продольными боковыми поверхностями 8 теплообменных элементов 5 в газоходном пространстве образовано окно 11 с поперечным сечением S₁=(5÷9)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива. Между боковыми поверхностями 8 центральных теплообменных элементов 6 с двух сторон и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2, между верхней поверхностью 10 центрального теплообменного элемента 6 и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2, а также между нижними поверхностями 9 и верхними поверхностями 10 боковыми 5 и центральными 6 теплообменными элементами выполнены каналы 14 газоходного пространства с поперечным сечением S₂=(2,5÷4,5)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива 16.

Предложенное расположение теплообменных элементов 5 и 6, окон 11 и 12 с поперечным сечением S₁ и S₂ и пространством между верхними 10 и нижними 9 поверхностями центральных 6 и боковых 5 теплообменных элементов, внутренней стенкой 2 обрамляющей рубашки топочного пространства котла создают два лабиринтных канала 14 для прохождения потока газообразных продуктов сгорания топлива 16. Наличие двух лабиринтных каналов в котле удлиняет путь прохождения газообразных продуктов сгорания топлива 16, увеличивает их турбулизацию, улучшает конвективную теплопередачу к теплонагревательным элементам котла и теплоносительной среде. Предложенное техническое решение способствует более эффективному использованию сжигаемого топлива и повышению КПД котла.

Площади поперечного сечения S₁ окна 11 и S₂ канала 14 для прохода газообразных продуктов сгорания топлива определяются мощностью отопительного котла. Если площади поперечного сечения S₁ окна 11 и S₂ канала 14 для прохода газообразных продуктов сгорания топлива будут больше указанного для определенной мощности котла, то будет наблюдаться снижение теплопередачи от газообразных продуктов сгорания топлива к теплообменным элементам котла. Часть теплоты из топочной камеры будет выбрасываться в дымоход 17, что приведет к существенному снижению КПД котла. Если площади поперечного сечения S₁ окна 11 и S₂ канала 14 для прохода газообразных продуктов сгорания топлива будут меньше указанного, то будет происходить неполное сгорание топлива, вырастут концентрации оксида углерода и окислов азота, а также выделение сажистых веществ, которые, оседая на поверхностях теплообменных элементов 5, 6 и внутренней стенке обрамляющей рубашки 2, образуют слой сажи. Это снижает теплопередачу к теплоносительной среде и уменьшает сечения S₁ и S₂ для прохода газообразных продуктов сгорания топлива. Одновременно ухудшаются условия эксплуатации котла. Все это приводит к значительному снижению КПД отопительного котла.

Площади S_цэ=(70÷80)N см² боковой поверхности центральных теплообменных элементов 6 и боковой поверхности S_бэ=(35÷40)N см² боковых теплообменных элементов 5 определяются также мощностью отопительного котла. Если площади S_цэ и S_бэ будут меньше указанного для определенной мощности котла, то будет наблюдаться снижение теплопередачи от газообразных продуктов сгорания топлива к теплообменным элементам котла. Часть теплоты из топочной камеры будет выбрасываться в дымоход 17, что приведет к существенному снижению КПД котла.

Если площади S_цэ и S_бэ будут больше указанного, то значительно снизится температура отходящих газов, что приведет к образованию и оседанию водного конденсата в дымоотводящих трубах, а также к увеличению массогабаритных параметров котла.

Предлагаемая конструкция отопительного котла обеспечивает более эффективную теплопередачу в теплообменных элементах за счет увеличения площади теплопередачи при уменьшении габаритных размеров котла; оптимальное снижение температуры отходящих газов; уменьшение содержания в них оксида углерода и окислов азота.

Отопительный котел работает следующим образом. Предварительно отопительная система, подсоединенная к патрубку ввода в котел теплоносительной среды 20 и патрубку выхода теплоносительной среды из котла 19, заполняется теплоносительной средой 4. Затем включают подачу газообразного топлива в газогорелочное устройство 15. В газогорелочном устройстве 15 образуется газовоздушная смесь. Полученную газовоздушную смесь поджигают на горелке 23. Начинается процесс горения и образование газообразного потока продуктов сгорания топлива 16. Поток продуктов сгорания топлива 16 в топочном пространстве омывает внутреннюю стенку обрамляющей рубашки 2, нижнюю поверхность 9 теплообменного элемента центрального 6 и разделяется на две части. Одна часть потока 16 проходит через окно 12 слева вдоль боковой поверхности 8 теплообменного элемента центрального 6 и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2 и упирается в нижнюю поверхность 9 теплообменного элемента бокового 5. Эта часть потока 16 разворачивается на девяносто градусов и перемещается по каналу 14, образованному верхней поверхностью 10 теплообменного элемента центрального 6 нижнего и нижней поверхностью 9 теплообменного элемента бокового 5, омывает поверхность 10 и 9 теплообменных элементов 6 и 5. Одновременно аналогично вторая часть потока 16 проходит через окно 12 справа теплообменного элемента центрального 6 и направлена навстречу части потока 16 слева. Части потока 16 встречаются в центральном продольном сечении котла, объединяются и, проходя через окно 11, омывают боковые поверхности 8 теплообменных элементов боковых 5. При выходе из окна 11 газообразный поток продуктов сгорания топлива 16 упирается в нижнюю поверхность 9 верхнего теплообменного элемента центрального 6 и вновь делится на две части. Одна часть потока 16 направляется влево в канал, образованный верхней поверхностью 10 теплообменного элемента бокового 5 и нижней поверхностью 9 теплообменного элемента центрального 6, а затем в окно 12, омывая боковую поверхность 8 теплообменного элемента центрального 6 и внутреннюю стенку обрамляющей рубашки 2. После выхода потока из окна 12 он попадает в верхнюю полость газоходного пространства котла 21, образованную верхней поверхностью 10 теплообменного элемента центрального 6 и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2. Одновременно аналогично вторая часть потока 16 справа проходит через окно 12 теплообменного элемента центрального 6 и направляется в верхнюю полость газоходного пространства котла 21 навстречу части потока 16, движущегося слева. Поток продуктов сгорания топлива 16, передав основную часть теплоты теплообменным элементам 6 и 5 котла, уходит в верхнюю полость 21 котла, объединяется и через регулятор тяги (разрежения) 18 уходит в дымоход 17.

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 ее быстрому тепловому расширению, увеличению разностей давлений на входе 20 в котел теплоносительной среды и на выходе 19 и направленному ее течению. Это приводит к увеличению скорости перемещения теплоносительной среды в замкнутой отопительной системе.

Такая конструкция котла и его работа обеспечивают наиболее эффективную теплопередачу от продуктов сгорания топлива к теплоносительной среде.

Использование новых элементов в котле для отопления 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;

- увеличить степень турбулизации потока продуктов сгорания топлива;

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

- повысить КПД отопительного котла;

- повысить надежность работы котла за счет уменьшения возможности задувания запальной горелки при резких изменениях потока атмосферного воздуха;

- улучшить условия обслуживания котла в процессе эксплуатации.

Источники информации

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

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

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

Изобретение предназначено для нагрева теплоносителя и может быть использовано для обогрева помещений. Котел содержит корпус в виде водяной рубашки с введенными во внутренний объем полыми теплообменными элементами, установленными горизонтально, образующими с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды. Центральные элементы с площадью боковой поверхности S_цэ=(70-80)N см² установлены на разновысотных уровнях, симметрично вдоль продольной оси поперечного внутреннего сечения котла, горизонтально и параллельно друг другу, а их торцевые стороны соединены с противоположными сторонами обрамляющей рубашки. Два боковых теплообменных элемента с площадью боковой поверхности S_бэ=(35-40)N см² установлены между ними на одном уровне, диаметрально противоположно так, что продольная боковая сторона каждого элемента, прилегающая к внутренней боковой стенке котла, и их торцевые стороны соединены с обрамляющей рубашкой. Между другими свободными продольными сторонами этих теплонагревательных элементов образовано окно с поперечным сечением S₁=(5-9)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива. Между боковыми поверхностями центральных теплообменных элементов с двух сторон и внутренней стенкой обрамляющей рубашки, между верхней поверхностью центрального теплообменного элемента и внутренней стенкой обрамляющей рубашки, а также между боковыми и центральными теплообменными элементами выполнены каналы с поперечным сечением S₂=(2,5-4,5)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива, при этом N - это мощность котла, кВт. Изобретение обеспечивает повышение КПД котла и снижение габаритов. 2 ил.

Отопительный котел для обогрева жилых, производственных помещений, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства, с введенными во внутренний объем котла четырьмя полыми теплообменными элементами, установленными горизонтально, образующими с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а также образующими в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал, отличающийся тем, что два из упомянутых теплообменных элементов являются центральными, а два - боковыми, при этом центральные элементы с площадью боковой поверхности S_цэ=(70-80)N см² установлены на разновысотных уровнях, симметрично вдоль продольной оси поперечного внутреннего сечения котла, горизонтально и параллельно друг другу, а их торцевые стороны соединены с противоположными сторонами обрамляющей рубашки и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды, два боковых теплообменных элемента с площадью боковой поверхности S_бэ=(35-40)N см² установлены между ними на одном уровне, диаметрально противоположно так, что продольная боковая сторона каждого элемента, прилегающая к внутренней боковой стенке котла, и их торцевые стороны (части) соединены с обрамляющей рубашкой и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды, а между другими свободными продольными сторонами этих теплонагревательных элементов образовано окно с поперечным сечением S₁=(5-9)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива, при этом между боковыми поверхностями центральных теплообменных элементов с двух сторон и внутренней стенкой обрамляющей рубашки, между верхней поверхностью центрального теплообменного элемента и внутренней стенкой обрамляющей рубашки, а также между боковыми и центральными теплообменными элементами выполнены каналы с поперечным сечением S₂=(2,5-4,5)N см² для прохода газообразных продуктов сгорания топлива, газогорелочное устройство установлено вдоль продольных осей теплообменных элементов, при этом N - это мощность котла, кВт.