КОТЕЛ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И/ИЛИ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ И ТЕПЛООБМЕННИК КОТЛА Российский патент 2012 года по МПК F24H1/08 

Изобретения относятся к области производственной и коммунальной теплоэнергетики и могут быть использованы в конструкциях котлов, предназначенных для отопления и/или горячего водоснабжения, а также для организации технологических процессов локального тепло- и/или водоснабжения.

Известен котел водогрейный для систем отопления и горячего водоснабжения в бытовых помещениях, который включает контуры систем отопления и горячего водоснабжения, содержащие первичный и размещенный в нем вторичный теплообменники, установленные над газовой горелкой [описание полезной модели к патенту РФ №58669 от 17.07.2006, МПК F24H 1/00, опубл. 27.11.2006]. Первичный теплообменник котла выполнен в виде ряда параллельных горизонтальных оребренных труб, объединенных коллекторами, а вторичный - в виде змеевика. Трубы обоих теплообменников имеют поперечное сечение в форме эллипса, что, по мнению патентообладателя, повышает технологичность изготовления котла и упрощает конструкцию вторичного теплообменника.

К недостаткам котла можно отнести сложность конструкции первичного теплообменника, в частности изготовление оребрения на трубах овального сечения является сложной технологической операцией, а изготовление змеевика с одинаковым по всей длине, включая прямолинейные участки, овальным сечением также затруднительно. Кроме этого, сборка двух теплообменников предусматривает множество соединений, которые необходимо уплотнять от протекания как теплоносителя, так и нагреваемой воды.

Известен водогрейный котел для раздельного отопления и горячего водоснабжения, содержащий корпус, в котором размещена топка с газовой горелкой и дымовой коробкой, теплообменник круглого сечения, внутри которого установлен витой змеевик контура горячего водоснабжения, и в верхней части имеются вертикальные конвективные каналы круглого сечения, в полости которых размещены металлические турбулизаторы, в виде металлических пластин, а также патрубки подвода-отвода теплоностителя и воды, и патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой [описание полезной модели к патенту РФ №79985 от 25.04.2008, МПК F24H 1/08, опубл. 20.01.2009]. Работа котла не зависит от электроснабжения.

К недостаткам котла следует отнести сложность конструкции, малую унификацию узлов и деталей и низкую ремонтопригодность.

Части перечисленных недостатков лишен водогрейный котел для раздельного отопления и горячего водоснабжения, содержащий корпус, в котором размещена топка с газовой горелкой и дымовой коробкой, теплообменник четырехугольного сечения с пластинчатыми конвективными каналами такого же сечения, а внутри теплообменника, в его верхней части установлен витой змеевик контура горячего водоснабжения, а также патрубки подвода-отвода теплоностителя и воды, циркуляционный насос, связанный с патрубком подвода теплоносителя, и патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой [описание полезной модели к патенту РФ №90174 от 04.08.2009, МПК F24H 1/08, опубл. 27.12.2009].

К недостаткам котла следует отнести невозможность его работы в отсутствие электропитания.

Известен отопительный котел для теплоснабжения индивидуальных домов и зданий, оборудованных системами водяного отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя, содержащий корпус, в нижней части которого расположены топочная камера с газовыми горелками, а над ними теплообменник в виде пучка оребренных труб, выполненных из меди или медно-никелевого сплава и подключенных к выходному и оснащенному насосом входному водяным коллекторам, а в верхней части корпуса расположен коллектор дымовых газов с выходным отверстием. Каждая труба теплообменника снабжена отражательными пластинами. Кроме этого, котел оснащен тягопрерывателем потока дымовых газов и блоком управления, который включает реле наличия тяги и реле наличия потока воды, связанные с блоком зажигания [описание изобретения к патенту РФ №2169316 от 11.10.2000, МПК F24H 1/00, опубл. 20.06.2001]. Настоящее исполнение котла позволяет повысить эффективность использования тепла дымовых газов и обеспечивает возможность его эксплуатации без привлечения обслуживающего персонала.

Среди недостатков котла следует отметить то, что площадь теплообменника, несмотря на наличие отражательных пластин, работает неравномерно с преимущественной загрузкой лишь средней его части. Кроме этого, часть тепла от сгоревшего газа теряется за счет ее передачи боковым стенкам корпуса, что может быть небезопасно для окружающих.

Более совершенной конструкцией вышеописанного котла является котел отопительный водогрейный газовый каскадный, содержащий топочный блок с топочной камерой и газовой горелкой, теплообменную поверхность с расположенным над топочной камерой верхним теплообменником с пучком медных оребренных труб и нижним теплообменником в виде полого элемента из листового материала, расположенного по периметру вокруг топки, при этом его водяная полость соединена посредством перепускного патрубка с расположенным над ним верхним теплообменником, который выполнен медно-чугунно-стальным. Топочная камера с газовой горелкой, нижний и верхний теплообменники теплообменной поверхности и сборник продуктов сгорания газа размещены в корпусе таким образом, что их теплообменные поверхности соединены последовательно по циркуляции воды в единый контур при помощи циркуляционного насоса. Имеется микропроцессорное управление с единой для котла приборной панелью [описание изобретения к патенту РФ №2381421 от 17.09.2007, МПК F24H 1/00, опубл. 20.06.2001]. Техническое решение обеспечивает минимизацию занимаемой котлом площади помещения, повышение КПД и ремонтопригодности котла.

Недостатком котла является сложность и низкая технологичность конструкции, что, в первую очередь, определяется особенностями исполнения теплообменников.

Задача, решаемая первым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в разработке очередного котла для отопления и/или горячего водоснабжения на основе надежного, универсального и унифицированного теплообменника повышенной мощности, обладающего высоким КПД, увеличенной производительностью по теплопередаче, а также в повышении ресурса работы на отказ и ремонтопригодности. Кроме этого, увеличивается температура отходящих дымовых газов, что препятствует образованию росы на внутренней поверхности соответствующих патрубков в холодное время года.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в котле для отопления и/или горячего водоснабжения, содержащем корпус, внутри которого расположена топочная камера с газовой горелкой, теплообменники контура отопления, сборник продуктов сгорания газа, расположенный в верхней части котла и систему управления, соединенную с газовой горелкой, первый теплообменник контура отопления выполнен в виде водяной рубашки, расположенной, по меньшей мере, по части периметра топочной камеры, и включает витой змеевик контура горячего водоснабжения, установленный в его полости, и снабжен патрубками подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, а второй теплообменник выполнен в виде медной или на основе медного сплава оребренной трубы, расположенной в верхней части топочной камеры и сообщающейся с первым теплообменником, причем внутренняя полость оребренной трубы снабжена рядом вертикальных ребер из меди или сплава на основе меди, при этом каждое ребро включает верхнее и нижнее отверстия с перемычкой между ними, причем верхние и нижние отверстия каждого ребра расположены соосно друг другу, а сообщение теплообменников контура отопления выполнено в виде, по меньшей мере, двух пар патрубков на торцевых участках оребренной трубы, одни из которых соединяют ее верхнюю часть с верхней частью водяной рубашки первого теплообменника, а другие - ее нижнюю часть с нижней частью водяной рубашки.

Кроме этого:

- патрубки верхней и нижней частей оребренной трубы в месте соединения с водяной рубашкой в максимально возможной степени разнесены по ее высоте, при этом патрубки верхней части выполнены по высоте короче патрубков нижней части;

- в верхней части топочной камеры установлен, по меньшей мере, один дополнительный теплообменник на основе оребренной трубы, сообщающийся с первым теплообменником аналогично второму;

- система управления включает блок автоматического управления газовой горелкой, автоматический клапан воздуховыпуска, датчик опрокидывания тяги и датчик контроля температуры теплоносителя, установленный на втором теплообменнике на патрубке отвода теплоносителя и связанный с блоком автоматического управления газовой горелкой.

Известен теплообменник отопительного котла, включающий пучок оребренных труб из меди или медно-никелевого сплава [см. описание изобретения к патенту РФ №2169316].

Для снятия максимально возможного количества тепла от сгоревшего газа в настоящем теплообменнике, его трубы выполнены с малым проходным сечением, а их ребра расположены на минимальном удалении друг от друга и, кроме этого, конвективные потоки сгоревшего газа тормозятся специально установленными над ребрами отражательными пластинами. Для устранения закипания воды ее принудительно проталкивают вдоль оребренных труб с помощью насоса. Однако в случае снижения скорости или остановки потока воды неизбежно ее закипание в трубах, что недопустимо в отопительном оборудовании.

Известен теплообменник котла отопительного водогрейного газового, который включает пучок корпусов в виде оребренных медных труб круглого сечения, торцевые участки которых выполняют функцию патрубков подвода-отвода теплоностителя, в качестве которого выступает вода из системы отопления производственных, административных или жилых зданий [см. описание изобретения к патенту РФ №2381421].

Настоящему теплообменнику присущи те же самые недостатки, что и предыдущему.

Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в разработке новой конструкции надежного, универсального и унифицированного теплообменника повышенной мощности, обладающего высоким КПД, увеличении его производительности по теплопередаче, а также в повышении ресурса работы на отказ и ремонтопригодности отопительного оборудования.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в теплообменнике котла, включающем корпус в виде оребренной трубы круглого сечения и патрубки подвода-отвода теплоностителя, внутренняя полость оребренной трубы снабжена рядом вертикальных ребер, каждое из которых включает верхнее и нижнее отверстия с перемычкой между ними, при этом верхние и нижние отверстия каждого ребра расположены соосно друг другу.

Кроме этого:

- оребренная труба снабжена заглушками, а патрубки установлены на ее торцевых участках и выполнены с возможностью подвода теплоносителя отдельно к ее нижней части и отвода теплоносителя от верхней части;

- верхние и нижние отверстия ряда вертикальных ребер на своих участках, противолежащих перемычкам, выполнены на прорыв их стенок;

- труба корпуса, ребра наружного оребрения и внутренние вертикальные ребра выполнены из меди и/или сплава на основе меди;

- соединение ребер наружного оребрения и внутренних вертикальных ребер с трубой выполнено паяным;

- ребра наружного оребрения трубы срезаны по высоте со стороны верхних и/или нижних отверстий ряда вертикальных ребер, расположенных внутри ее полости.

Изобретения иллюстрируются чертежами, где

на фиг.1 показан общий вид котла для отопления и/или горячего водоснабжения с условно симметричной конструкцией первого теплообменника и со схемой организации движения потоков продуктов сгорания природного газа;

на фиг.2 - вид А фиг.1 - вид котла со стороны второго теплообменника контура отопления;

на фиг.3 изображено сечение Б-Б фиг.1 - поперечное сечение второго теплообменника;

на фиг.4 показана конструкция вертикального ребра внутренней полости оребренной трубы второго теплообменника;

на фиг.5 - поз.В фиг.1 - вариант соединения ребер с трубой второго теплообменника;

на фиг.6 - принципиальная схема организации тепловых потоков теплоносителя в теплообменниках контура отопления;

на фиг.7 изображен вариант исполнения котла - с условно асимметричной конструкцией первого теплообменника.

Котел для отопления и/или горячего водоснабжения содержит корпус 1, внутри которого расположена топочная камера 2 с газовой горелкой 3, теплообменники 4 и 5 контура отопления 6, сборник 7 продуктов сгорания газа, расположенный в верхней части котла, и систему управления 8, соединенную с газовой горелкой 3, при этом первый теплообменник 4 контура отопления 6 выполнен условно симметричным, в виде водяной рубашки, расположенной по периметру топочной камеры 2, или условно асимметричным 4', в виде водяной рубашки, расположенной по части периметра топочной камеры 2, и включает витой змеевик 9 или 9' контура горячего водоснабжения 10, установленный в его полости, и снабжен патрубками подвода 11 и отвода 12 теплоносителя и патрубками подвода 13 и отвода 14 воды, а второй теплообменник 5 выполнен в виде медной или на основе медного сплава оребренной трубы 15, расположенной в верхней части топочной камеры 2 и сообщающейся с первым теплообменником 4 (4'), причем внутренняя полость оребренной трубы 15 снабжена рядом вертикальных ребер 16 из меди или сплава на основе меди, при этом каждое ребро 16 включает верхнее 17 и нижнее 18 отверстия с перемычкой 19 между ними, причем верхние 17 и нижние 18 отверстия каждого ребра 16 расположены соосно друг другу, а сообщение теплообменников 4 и 5 контура отопления 6 выполнено в виде, по меньшей мере, двух пар патрубков 20, 21 и 22, 23 на торцевых участках 24 оребренной трубы 15, из которых патрубки 20 и 21 соединяют ее верхнюю часть с верхней частью водяной рубашки первого теплообменника 4, а патрубки 22 и 23 - ее нижнюю часть с нижней частью водяной рубашки. Используемый в описании термин «водяная рубашка» не ограничивает тип используемого теплоносителя одной водой. Это относится и к другим типам теплоносителей, например специальному водно-солевому раствору (рассолу), обладающему большей по сравнению с водой теплоемкостью и тормозящему процессы коррозии в системе отопления.

Дополнительно, патрубки 20, 21 и 22, 23 верхней и нижней частей оребренной трубы 15 в месте соединения с водяной рубашкой в максимально возможной степени разнесены по ее высоте, при этом патрубки 20 и 21 верхней части оребренной трубы 15 выполнены короче патрубков 22 и 23 в ее нижней части. Для расширения функциональных возможностей котла, в верхней части топочной камеры 2 может быть установлен, по меньшей мере, один дополнительный теплообменник 5' на основе оребренной трубы 15, сообщающийся с первым теплообменником 4 (4') аналогично теплообменнику 5, например, через параллельную врезку (для фиг.1) или общий коллектор необходимого проходного сечения (для фиг.7) - тот и другой условно не показаны. Система управления 8 включает блок 25 автоматического управления газовой горелкой 3, автоматический клапан 26 воздуховыпуска, датчик 27 опрокидывания тяги и датчик 28 контроля температуры теплоносителя, установленный на втором теплообменнике 5 на его патрубке 21 (или 20) отвода теплоносителя и связанный при помощи капиллярной трубки с блоком 25 автоматического управления газовой горелкой 3. Показания датчика 28 контроля температуры теплоносителя могут визуализироваться при помощи термометра на передней панели котла (не изображено).

Соответственно, второй теплообменник 5 (5') котла, как самостоятельное изделие, включает корпус в виде оребренной трубы 15 круглого сечения и патрубки: верхние - отвода 20, 21 теплоносителя и нижние - подвода 22, 23 теплоносителя. Внутренняя полость оребренной трубы 15 снабжена рядом вертикальных ребер 16, каждое из которых включает верхнее 17 и нижнее 18 отверстия с перемычкой 19 между ними, при этом верхние 17 и нижние 18 отверстия каждого ребра 16 расположены соосно друг другу. Кроме этого, оребренная труба 15 снабжена заглушками 29, а патрубки 20, 21 и 22, 23 установлены на ее торцевых участках 24 и выполнены с возможностью подвода теплоносителя отдельно к ее нижней части - патрубки 22 и 23, и отвода теплоносителя от верхней части - патрубки 21 и 22. Верхние 17 и нижние 18 отверстия ряда вертикальных ребер 16 на своих участках, противолежащих перемычкам 19 выполнены на прорыв их стенок. Труба 15 корпуса теплообменника, ребра 30 наружного оребрения и внутренние вертикальные ребра 16 выполнены из меди и/или сплава на основе меди, а соединение ребер 30 наружного оребрения и внутренних вертикальных ребер 16 с трубой 15 выполнено паяным. Дополнительно, ребра 30 наружного оребрения трубы 15 срезаны по высоте 31 со стороны верхних 17 и/или нижних 18 отверстий ряда вертикальных ребер 16, расположенных внутри ее полости.

Рассмотрим подробнее существенные признаки изобретений.

Наличие двух теплообменников 4 и 5 в контуре отопления 6 позволяет увеличить КПД котла и, как следствие, поднять температуру отходящих газов, что препятствует запотеванию стенок дымохода. Кроме этого, первый теплообменник 4 выполняет функцию буферной емкости с запасом теплоносителя, что позволяет переключать котел с режима «отопление и горячее водоснабжение» на режим «только горячее водоснабжение». Существует два характерных варианта исполнения первого теплообменника: первый - 4 - это когда он выполнен в виде условно симметричной водяной рубашки, расположенной по периметру топочной камеры 2 и, собственно, формирует ее (см. фиг.1), а другой - 4' - это когда водяная рубашка выполнена на части периметра топочной камеры 2, например, в виде условно асимметричной выраженной объемной полости 32 и менее объемных полостей 33 на оставшейся части периметра (см. фиг.7), или топочная камера 2 сформирована объемной полостью 31 и, вместо продолжения водяной рубашки (менее объемных полостей 33), специальным экраном 34 на оставшейся части периметра. Экран 34 может быть с отводом тепла, например, со змеевиком на его поверхности (или иметь каналы для протока теплоносителя), или без отвода тепла, например, с теплоизолирующей поверхностью, отражающей излучение горелки 3 и т.д.

Выполнение второго теплообменника 5 на основе оребренной трубы 15 с самостоятельными ребрами 16 в ее внутренней полости позволило совместить в себе преимущества как трубчатых теплообменников, так и объемных.

Таких теплообменников 5 на основе оребренной трубы 15 с внутренними ребрами 16 в составе котла может быть как один, так и более (см. фиг.2 - поз.5'). Каждый дополнительный теплообменник 5', незначительно изменяя габариты котла, практически пропорционально увеличивает его мощность.

Наличие патрубков 20, 21 и 22, 23 разной длины для соединения с первым теплообменником 4 (4') и их разнесение по высоте обеспечивает более выраженную принудительную циркуляцию теплоносителя в контуре первого теплообменника 4, где размещается витой змеевик 9 контура горячего водоснабжения 10. Это позволяет обеспечить практически стабильную температуру в контуре горячего водоснабжения 10 независимо от расхода горячей воды и подключения котла, а именно его первого теплообменника 4 к контуру отопления.

Система управления 8 котлом включает автоматический клапан 26 выпуска воздуха из первого теплообменника 4 (4'), блок автоматического управления газовой горелкой 3, который находится либо в работающем положении при наличии давления природного газа на горелке 3, включая работу одного лишь запального устройства, либо в неработающем - при отсутствии давления газа. Кроме этого, имеются датчик 27 опрокидывания тяги, подающий команду на отключение подачи газа, и к основной горелке 3, и к запальному устройству в случае отсутствия тяги в дымоходе, и датчик 28 контроля температуры теплоносителя, установленный на патрубке 21 (или 20) отвода теплоносителя со второго теплообменника 5, который перекрывает подачу газа к основной горелке 3 в случае недопустимого превышения температуры теплоносителя. Инерционность работы датчика 28 компенсируется достаточным объемом теплоносителя в контуре (полости) первого теплообменника 4 (4'). В случае снижения температуры теплоносителя до установленного уровня открывается подача газа к основной горелке 3 и запальное устройство зажигает его. Существует возможность механической регулировки температуры теплоносителя в контуре отопления 6 - не только настройкой датчика 28 контроля температуры теплоносителя, но также и регулировкой положения задвижки (не показана) на контуре отопления 6. Во всех случаях система управления 8 котлом адекватно и надежно среагирует на изменившиеся условия.

Как видно, использование типовых высоконадежных механических датчиков давления 27 и 28 позволяет обеспечить безопасную работу котла в автоматическом режиме без использования каких бы то ни было электрических и электронных устройств.

Следует отметить некоторые особенности конструкции второго теплообменника 5, который также может использоваться и самостоятельно в составе любого другого теплотехнического оборудования.

Как упоминалось выше, второй теплообменник 5 контура отопления 6 выполнен в виде трубы 15 с наружными ребрами 30 для увеличения площади поверхности, взаимодействующей с продуктами сгорания газа, и внутренними ребрами 16 для увеличения площади поверхности, взаимодействующей с теплоносителем. Для беспрепятственного перемещения теплоносителя внутри полости трубы 15 на внутренних ребрах 16 выполнены отверстия 17 и 18 с перемычкой 19 между ними. Отверстия 17 и 18 располагаются в два ряда - верхний и нижний с таким расчетом, чтобы потоки холодного (охлажденного) теплоносителя беспрепятственно перемещались вдоль нижней части трубы 15 от ее торцевых участков 24 к центру, а потоки нагретого (горячего) теплоносителя также беспрепятственно перемещались между внутренними ребрами 16 и вдоль верхней части трубы 15 к ее торцевым участкам 24, без образования воздушных пробок. Для этого, по меньшей мере, верхние отверстия 17 в ребрах 16 выполняют на прорыв стенок (см. фиг.4). Для обеспечения технологичности изготовления внутренних ребер 16 на прорыв стенок выполняют оба отверстия 17 и 18. Наружные ребра 30 по условиям теплопередачи в своих верхних и нижних частях недогружены, по этой причине их можно срезать по высоте 31 для оптимизации раскроя и экономии металла - без ущерба эксплуатационным возможностям теплообменника. В качестве материала для изготовления теплообменника можно использовать медь или сплавы на основе меди как обладающие оптимальным сочетанием веса, теплопроводности, коррозионной стойкости, обрабатываемости и стоимости.

При сборке теплообменника вначале во внутреннюю полость трубы 15 в определенном порядке запрессовывают сориентированные соответствующим образом внутренние ребра 16, а потом на наружную поверхность напрессовывают также сориентированные соответствующим образом наружные ребра 30. Собранный теплообменник паяется, например, окунанием в расплав припоя, после чего на трубу 15 ставят заглушки 29 и патрубки подвода 22, 23 и отвода 20, 21 теплоносителя. Срезанные участки (поз.31) наружных ребер 30 четко информируют о местоположении рядов отверстий 17 и 18 на внутренних ребрах 16, что позволяет правильно ориентировать теплообменник на всех операциях его изготовления.

Вне зависимости от области применения теплообменника его патрубки 22 и 23 должны обеспечить подвод охлажденного теплоносителя отдельно в нижнюю часть трубы 15, патрубки 20 и 21 - отвод нагретого теплоносителя от ее (поз.15) верхней части. В случае если теплообменник используется без принудительной подачи теплоносителя на нагрев некой буферной емкости или в паре с другим объемным теплообменником, следует предусмотреть выполнение патрубков 20 и 21 отвода теплоносителя от его верхней части по высоте короче патрубков 22 и 23 подвода теплоносителя к нижней части. В этом случае конвективные потоки нагретого теплоносителя будут более интенсивно засасывать холодный теплоноситель с нижнего уровня сопрягаемой емкости, например, из нижней части водяной рубашки первого теплообменника 4 (4') котла. В этом состоит одно из преимуществ объемных теплообменников.

В случае принудительной подачи теплоносителя второй теплообменник 5 будет работать как обычный трубчатый, что никак не скажется на его технико-эксплуатационных показателях. Просто при этом отпадает необходимость в «лишней» паре патрубков 22 и 21 или 23 и 20 подвода-отвода теплоносителя.

Перечисленные совокупности существенных признаков технических решений котла для отопления и/или горячего водоснабжения и его теплообменник 5 на основе оребренной трубы 15 не позволили выявить решения, в том числе тождественные, обеспечивающие тот же самый технический результат, что позволило сделать вывод о соответствии заявленных решений условиям охраноспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Рассмотрим работу котла и, соответственно, его теплообменников на наиболее характерных примерах.

Пример 1. Режим отопления и горячего водоснабжения

Конструктивные особенности котла: первый теплообменник 4 выполнен условно симметричным в виде водяной рубашки, равномерно расположенной по периметру топочной камеры 2 (фиг.1), и включает витой змеевик 9 контура горячего водоснабжения 10, установленный в его полости с копированием его очертаний, также по периметру топочной камеры 2.

Котел устанавливают на полу в специально отведенном месте и подключают его к системе (контуру) отопления 6 с учетом размещения и выхода патрубков подвода 11 и отвода 12 теплоносителя. Неиспользуемые патрубки 11' и 12' глушат специальными заглушками. Через патрубки 13 и 14 производят подключение к системе горячего водоснабжения. Сборник 7 продуктов сгорания газа соединяют с дымоходом 35. Проверяют наличие тяги.

В систему отопления 6 заливают теплоноситель, например воду. Воздушные пробки самостоятельно покидают систему через автоматический клапан 26 воздуховыпуска. Проверяют герметичность гидравлических соединений и устраняют возникшие течи. К патрубку 36 подводят природный газ с соблюдением всех мер предосторожности и техники безопасности.

На передней панели корпуса 1 котла (не показана) выставляют температуру теплоносителя. Открывают газовый кран и принудительно (вручную) включают подачу газа на запальное устройство и зажигают его. После разогрева биметаллической пластины блока 25 автоматического управления газовой горелкой 3 включается автоматическая подача газа и на горелку 3, и на запальное устройство, после чего принудительную (ручную) подачу отключают.

В результате сгорания газа в топочной камере 2 формируется открытое пламя и появляются продукты сгорания, которые за счет конвенции и тяги устремляются вверх в дымоход 35. Излучение от пламени улавливается стенками первого теплообменника 4. Эти же стенки улавливают часть тепла от поднимающихся вверх продуктов сгорания газа. В верхней части первого теплообменника 4 размещен второй теплообменник на основе оребренной трубы 15. Продукты сгорания, проходя вдоль наружных ребер 30 и охватывая трубу 15, передают им большую часть имеющегося тепла, а те в свою очередь передают тепло внутренним ребрам 16. Охлажденные дымовые газы покидают топочную камеру 2 и через дымоход 35 покидают помещение. Тепло от нагретых стенок и ребер обоих теплообменников передается теплоносителю (см. фиг.6). Его теплые слои начинают подниматься в верхнюю часть полости первого теплообменника 4, к торцевым участкам 24 трубы 15 второго теплообменника 5 и, в итоге, тоже в верхнюю часть полости первого теплообменника 4. На место горячей воды устремляется более холодная вода из нижней части первого теплообменника 4. По мере нагрева воды в полости первого теплообменника 4 она собирается возле патрубка 12 отвода теплоносителя и интенсивно выдавливается из него в систему отопления 6. Другая часть горячей воды перемешивается внутри полости первого теплообменника 4 с холодной водой и постепенно поднимает ее температуру. По мере нагрева воды внутри первого теплообменника 4 нагревается встроенный змеевик 9 и становится возможным отбирать горячую воду из патрубка 14.

По достижении заданной температуры теплоносителя срабатывает датчик 28 контроля температуры теплоносителя (датчик давления), установленный на патрубке 21 отвода теплоносителя со второго теплообменника 5, как обладающего наиболее выраженной температурой и дающего максимально объективную информацию о ее величине. Датчик 28 передает команду на подачу газа к горелке 3, и он перекрывается. Горит лишь одно пламя запального устройства. Циркуляция теплоносителя по системе отопления 6 и полостям теплообменников 4 и 5 продолжается до момента срабатывания датчика 28, изменение давления в котором снова формирует команду на подачу газа к горелке 3. Пламя запального устройства зажигает горелку 3, и процесс подачи горячей воды в систему отопления 6 продолжается.

Для борьбы с запотеванием стенок дымохода 35, особенно в холодное время года, существует возможность поднять температуру отходящих продуктов сгорания. Она регулируется за счет установленного расстояния между наружными ребрами 30 второго теплообменника 5 и может быть частично изменена за счет изменения величины зазоров между обоими теплообменниками 4 и 5. В результате этого за счет незначительного уменьшения КПД котла становится возможной его эксплуатация при любых отрицательных температурах воздуха.

В случае перерыва в подаче природного газа биметаллическая пластина блока 25 автоматического управления газовой горелкой 3 перекрывает подачу газа. Для повторного включения котла надо будет повторить все предыдущие операции по его розжигу.

В случае снижения уровня тяги в дымоходе 35 или ее отсутствии срабатывает датчик 27 опрокидывания тяги, который передает управляющее воздействие (некое давление, превышающее рабочее) на биметаллическую пластину блока 25 автоматического управления газовой горелкой 3 и газ автоматически перекрывается. Для повторного включения котла надо будет устранить неисправности тяги и повторить все предыдущие операции по розжигу.

Два последних случая являются нетипичными в работе котла. Тем не менее, возможность реагирования на них системы управления 8 котла предусмотрена его параметрическим резервом.

В случае использования котла в местах отсутствия природного газа, например на даче, в качестве источника последнего может использоваться баллонный газ с поправкой на ресурс работы баллона.

Пример 2. Режим только горячего водоснабжения

В этом режиме в котле по Примеру 1 на выходе с патрубка 12 отвода теплоносителя система (контур) отопления 6 перекрывается, и теплоноситель начинает интенсивно перемешиваться внутри полости первого теплообменника 4. По достижении заданной температуры все происходит, как и в Примере 1, с поправкой на отвод тепла исключительно за счет нагрева воды в змеевике 9 контура горячего водоснабжения 10.

Таким образом, для перевода котла из режима отопления и горячего водоснабжения в режим просто горячего водоснабжения, например, по окончании отопительного сезона, и наоборот достаточно перекрыть или открыть контур системы отопления 6.

Пример 3. Режим только отопления

Этот режим характерен для населенных пунктов, где отсутствует водопровод. В этом режиме в котле по Примеру 1 патрубки 13 и 14 подвода-отвода воды глушат. В остальном все происходит, как и в Примере 1, с поправкой на отсутствие в системе горячего водоснабжения 10 горячей воды.

Пример 4. Режим увеличенной мощности

Для реализации этого режима следует использовать котел по Примеру 1 с большим, нежели один, количеством теплообменников 5 на основе оребренной трубы 15, установленных параллельно основному - второму теплообменнику 4 (см. фиг.2). Увеличение количества теплообменников 5 в верхней части топочной камеры при незначительных изменениях конструкции котла практически пропорционально увеличивает его мощность. В этом случае может потребоваться и более мощная газовая горелка 3.

Пример 5. Режимы по Примерам 1-3

Конструктивные особенности котла: первый теплообменник 4' выполнен условно асимметричным в виде водяной рубашки, расположенной не просто по периметру топочной камеры 2, но с выраженной асимметричной полостью 32 увеличенного объема и менее объемных полостей 33 на оставшейся части периметра (фиг.7), внутри которой размещен более компактный витой змеевик 9' контура горячего водоснабжения 10. В результате такого исполнения появляется возможность разместить, например, двадцатипятикилограммовый котел не только на полу, но и на стене.

В таком котле соединение первого 4' и второго 5 теплообменников выполнено более технологичным.

В отличие от Примеров 1-3 основной нагрев и интенсивное перемешивание теплоносителя происходит в увеличенной полости 32 первого теплообменника 4'. В остальной части периметра первого теплообменника 4' происходит обычная утилизация части излучения от пламени горелки 3 и части тепла от поднимающихся вверх продуктов сгорания газа.

В остальном эксплуатация котла аналогична Примерам 1-3.

Пример 6. Режим увеличенной мощности

В этом режиме используется тот же принцип, что и в Примере 4, с поправкой на параллельное, более технологичное соединение теплообменников 5 на основе оребренных труб 15 через специальные коллекторы (не показаны) с большим проходным сечением, нежели сечение патрубков 20, 21 и 22, 23.

Пример 7. Режимы по Примерам 5 и 6

Конструктивные особенности котла: первый теплообменник 4' выполнен также условно асимметричным в виде водяной рубашки, расположенной всего лишь с одной стороны топочной камеры 2.

Как и в Примерах 5 и 6 основной нагрев и интенсивное перемешивание теплоносителя происходит в увеличенной полости 32 первого теплообменника 4'. В остальной части периметра топочной камеры 2 имеется отражающий излучение и частично изолирующий тепло экран 34.

Эксплуатация котла аналогична Примерам 5 и 6.

Возможны другие примеры реализации котельного отопительного оборудования, основу которых составляет универсальный теплообменник 5 на основе оребренной трубы 15.

В результате использования изобретений был создан новый котел для отопления и/или горячего водоснабжения и надежный, универсальный и унифицированный теплообменник повышенной мощности к нему, обладающие высоким КПД, увеличенной производительностью по теплопередаче, а также повышенным ресурсом работы на отказ и ремонтопригодностью. Дополнительно, увеличилась температура отходящих дымовых газов, что позволило исключить образование росы на внутренней поверхности дымовых труб в холодное время года.

Группа изобретений относится к теплоэнергетике и может быть использована в конструкциях котлов, предназначенных для отопления и/или горячего водоснабжения. Технический результат - разработка котла на основе надежного, универсального и унифицированного теплообменника, обладающего высоким КПД, увеличенной производительностью по теплопередаче. Для этого в котле первый теплообменник контура отопления выполнен в виде водяной рубашки, расположенной, по меньшей мере, по части периметра топочной камеры, и включает витой змеевик контура горячего водоснабжения, установленный в его полости, а второй теплообменник выполнен в виде медной или на основе медного сплава оребренной трубы, расположенной в верхней части топочной камеры и сообщающейся с первым теплообменником, причем внутренняя полость оребренной трубы снабжена рядом вертикальных ребер, каждое из которых включает верхнее и нижнее отверстия с перемычкой между ними, а сообщение теплообменников контура отопления выполнено в виде, по меньшей мере, двух пар патрубков. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Котел для отопления и/или горячего водоснабжения, содержащий корпус, внутри которого расположена топочная камера с газовой горелкой, теплообменники контура отопления, сборник продуктов сгорания газа, расположенный в верхней части котла, и систему управления, соединенную с газовой горелкой, при этом первый теплообменник контура отопления выполнен в виде водяной рубашки, расположенной, по меньшей мере, по части периметра топочной камеры, и включает витой змеевик контура горячего водоснабжения, установленный в его полости, и снабжен патрубками подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, а второй теплообменник выполнен в виде медной или на основе медного сплава оребренной трубы, расположенной в верхней части топочной камеры и сообщающейся с первым теплообменником, причем внутренняя полость оребренной трубы снабжена рядом вертикальных ребер из меди или сплава на основе меди, при этом каждое ребро включает верхнее и нижнее отверстия с перемычкой между ними, причем верхние и нижние отверстия каждого ребра расположены соосно друг другу, а сообщение теплообменников контура отопления выполнено в виде, по меньшей мере, двух пар патрубков на торцевых участках оребренной трубы, одни из которых соединяют ее верхнюю часть с верхней частью водяной рубашки первого теплообменника, а другие - ее нижнюю часть с нижней частью водяной рубашки.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что патрубки верхней и нижней частей оребренной трубы в месте соединения с водяной рубашкой в максимально возможной степени разнесены по ее высоте, при этом патрубки верхней части выполнены по высоте короче патрубков нижней части.

3. Котел по п.1, отличающийся тем, что в верхней части топочной камеры установлен, по меньшей мере, один дополнительный теплообменник на основе оребренной трубы, сообщающийся с первым теплообменником аналогично второму.

4. Котел по п.1, отличающийся тем, что система управления включает блок автоматического управления газовой горелкой, автоматический клапан воздуховыпуска, датчик опрокидывания тяги и датчик контроля температуры теплоносителя, установленный на втором теплообменнике на патрубке отвода теплоносителя и связанный с блоком автоматического управления газовой горелкой.

5. Теплообменник котла, включающий корпус в виде оребренной трубы круглого сечения и патрубки подвода-отвода теплоностителя, отличающийся тем, что внутренняя полость оребренной трубы снабжена рядом вертикальных ребер, каждое из которых включает верхнее и нижнее отверстия с перемычкой между ними, при этом верхние и нижние отверстия каждого ребра расположены соосно друг другу.

6. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что оребренная труба снабжена заглушками, а патрубки установлены на ее торцевых участках и выполнены с возможностью подвода теплоносителя отдельно к ее нижней части и отвода теплоносителя от верхней части.

7. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что верхние и нижние отверстия ряда вертикальных ребер на своих участках, противолежащих перемычкам, выполнены на прорыв их стенок.

8. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что труба корпуса, ребра наружного оребрения и внутренние вертикальные ребра выполнены из меди и/или сплава на основе меди.

9. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что соединение ребер наружного оребрения и внутренних вертикальных ребер с трубой выполнено паяным.

10. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ребра наружного оребрения трубы срезаны по высоте со стороны верхних и/или нижних отверстий ряда вертикальных ребер, расположенных внутри ее полости.