ГИБРИДНЫЙ НАСТЕННЫЙ ГАЗОВО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОТЕЛ Российский патент 2022 года по МПК F24H1/08 F24H1/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области теплоэнергетики автономных систем теплоснабжения для получения тепловой энергии в виде горячей воды для отопления и горячего водоснабжения. Заявляемая конструкция может быть использована в промышленном и гражданском строительстве для отопления и горячего водоснабжения в автономных передвижных и стационарных объектах при выработке тепловой энергии за счет сжигания топливного газа и нагрева с помощью электрической энергии. В том числе в автономных системах отопления и горячего водоснабжения многоквартирных зданий с разной высотой.

Уровень техники

Для теплоснабжения индивидуальных домов и квартир в качестве теплогенерирующего устройство часто используют газовые двухконтурные котлы, содержащие контур отопления и контур подготовки горячей воды. Необходимая тепловая мощность котла определяется размером отапливаемого помещения, количеством жильцов, местом расположения объекта и общими тепловыми потерями ограждающей конструкции дома. В большинстве случаев, для проживания одной семьи максимальная мощность теплогенератора не превышает 40 киловатт в час. С точки зрения экологии, выбросов парниковых газов, энергоэффективности в настоящее время наиболее эффективными являются газовые котлы с широким диапазоном изменения (модуляции) тепловой мощности. Конвекционные газовые котлы составляют 98% российского рынка отопительного оборудования, имеют диапазон изменения мощности от 40% до 100%, конденсационные котлы, составляющие оставшиеся 2% российского рынка, обладают возможностью регулировать тепловую мощность от 20% до 100%. Настенные газовые котлы мощностью до 24 киловатт нашли широкое распространение, как альтернатива централизованному теплоснабжению квартир в многоэтажных домах. Общее количество таких автономных систем теплоснабжения в Российской Федерации составляет около 3 миллионов.

В автономных системах теплоснабжения объектов площадью до 100 квадратных метров, в большинстве случаев, используются двухконтурные настенные газовые котлы с возможностью применения одного теплового генератора для контура системы отопления (первый контур) и второго теплового генератора для подготовки горячей воды (второй контур). Газообразное топливо сгорает в камере с помощью горелочного устройства и нагревает теплообменник, по которому, под действием циркуляционного насоса, движется теплоноситель. Далее нагретый теплоноситель с помощью распределительного крана направляется в контур отопления для передачи тепловой энергии отопительным приборам отапливаемых помещений или в контур подготовки горячей воды для нагрева через второй теплообменник проточной холодной воды системы водоснабжения. Проблема работы газовых котлов автономных систем теплоснабжения заключаются в том, что расчет мощности тепловых генераторов по существующим в настоящее время нормативам выполняется из расчета обеспечением тепла при температуре окружающего атмосферного воздуха, соответствующей минимальной пятидневной температуре за последние 50 лет. Учитывая потепление климата в последние годы, а также то, что отопительный период длится от 5 до 7 месяцев в году, большую часть отопительного периода котельные установки должны работать в режиме, составляющем в 10 раз меньше, чем максимальная (расчетная) мощность котла. В частности, для квартир в многоэтажных домах, расположенных в центральной полосе РФ, площадью 45 квадратных метров максимальные тепловые потери при температуре окружающего воздуха минус 25 градусов Цельсия составляют не более 2,5 киловатт в час, а средние тепловые потери за отопительный период составляют 1,2 киловатта в час. 2-3 месяца в отопительном периоде года тепловые потери составляют менее 1 киловатта в час, что в 25 раз ниже мощности котла. Существующие газовые котлы не могут работать, как было указано выше, при таких маленьких тепловых нагрузках. Котлы переходят в режим работы постоянного включения - выключения, количество которых может составлять до 20 раз в час. Данный режим работы является нерасчетным и приводит к преждевременному выходу котла из строя. Работа газовых котлов в прерывистом режиме сопровождается резким снижением энергетической эффективности и повышенным выбросом угарного газа и других парниковых газов. Необходимо создать конструкцию, позволяющую обеспечить работу теплового генератора в широком диапазоне вырабатываемой мощности, составляющей до 50 раз, то есть мощность котла должна изменяться от 2% до 100%. Существующие конструкции газовых горелок любых газовых котлов не позволяют обеспечить такой широкий диапазон изменения мощности тепловой генерации. Известен двухконтурный настенный газовый котел, содержащий вентилятор, главный теплообменник, контрольный датчик температуры, газовую горелку, электрозапальник, блок электронного регулирования, датчик протока нагреваемой воды для горячего водоснабжения, газовый вентиль, датчик температуры нагреваемой воды для горячего водоснабжения, запорный электромагнитный клапан контура отопительной воды, запорный электромагнитный клапан вторичного теплообменника, датчик давления отопительной воды, датчик работы вентилятора, автоматический выпускной клапан, предохранительный клапан, вторичный теплообменник, водяной насос, напорную трубу контура отопительной воды, возвратную трубу контура отопительной воды, трубу подачи нагретой воды для горячего водоснабжения, трубу подачи холодной воды для нагрева, трубу подпитки, обратный клапан подпиточную трубу, обратный клапан возвратной трубы, запорный электромагнитный клапан вторичного теплообменника, подпиточный насос, бак с подпиточной водой, (см. патент на полезную модель RU №160237 U1, МПК F24H 1/00 от 24.03.2015 г.).

Недостатком изобретения является то, что данный котел относится к конвекционным газовым котлам с диапазоном регулирования мощности от 40% до 100%, что не позволяет конструкции обеспечивать необходимый уровень компенсации тепловых потерь помещения при минимальных расчетных температурах и при температуре атмосферного воздуха в осенне-весенний период. Большую часть отапливаемого периода времени в году данный котел работает в режиме включения-выключения, что приводит к снижению энергетической эффективности, повышенным выбросам парниковых газов и дополнительным экономическим затратам.

Наиболее близким по технической сути является патент КОНСТРУКЦИЯ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ (RU №2496061 С2, МПК F24H 1/20, опубликовано 20.10.2013, Бюл. №29).

Водонагревательная система с газовым водонагревательным устройством, которое подключено к впускной трубе для холодной воды и к выпускной трубе для горячей воды, отличающаяся тем, что дополнительно содержит электрический водонагреватель накопительного типа, встроенный по последовательной схеме в выпускную трубу для горячей воды и снабженный термостатом. Электрический водонагреватель установлен внутри газового водонагревательного устройства. Накопительная емкость электрического водонагревателя имеет накопительный объем менее 20 л.

Недостатками данной конструкции является то, что она предназначена только для подготовки горячей воды и не решает вопросы отопления. Электрический водонагреватель, встроенный в котел, объемного типа, а основное назначение системы сгладить скачки температуры нагреваемой проточной воды в моменты начала потребления горячей воды или в периоды резкого изменения объема потребления. В данном конструктивном решении рассматривается только один момент - подготовки горячей воды. Не рассматриваются вопросы энергоэффективности при отоплении помещения, величины выбросов парниковых газов.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка котла, имеющего диапазон модуляции в полном диапазоне изменения вырабатываемой тепловой энергии. Решить данный вопрос за счет использования одного вида топлива, как источника энергии, затруднительно. Широчайшим диапазоном регулирования обладают электрические котлы. В них достаточно просто реализовать возможность изменения вырабатываемой мощности, однако, электричество - один из самых дорогих видов топлива. В настоящее время большая часть электрической энергии вырабатывается на газотурбинных установках, сжигающих газ, и теплоэлектростанциях, сжигающих уголь, при этом выделяется большое количество парниковых газов. Основная часть энергии при таком способе получения электричества уходит в тепло, а в электрическую энергию превращается только около 35%. Наиболее эффективные и экологически чистые способы получения тепловой энергии заключаются в сжигании газообразного топлива и преобразования выделяемого тепла в тепловую энергию в современных конвекционных и, особенно, в конденсационных котлах. Коэффициент полезного действия таких систем составляет от 80% до 94% по отношению к высшей теплотворной способности сжигаемого газа. Однако, как было указано выше, газовые котлы, даже конденсационные, не способны работать при низких значениях тепловой нагрузки, составляющей менее 10% от максимальной мощности котельной установки. В индивидуальных домах малой площади, квартирах в многоквартирных домах более четверти отопительного сезона, а этот период составляет до двух месяцев в году, необходимая тепловая энергия на отопление составляет менее одного киловатта в час. Автономные котлы малой мощности, применяемые для таких помещений, одновременно используются и для отопления, и для подготовки горячей воды. Необходимая тепловая мощность на подготовку горячей воды значительно превышает мощность для отопления даже в максимально холодный период времени года. В осенне-весенний период необходимая мощность на отопление составляет около 5% от максимальной мощности котла. Данный уровень мощности газовые котлы любой конструкции не могут поддерживать. Для реализации поставленной задачи целесообразно использовать гибридные котлы, использующие возможность работы на двух и более источниках тепловой энергии. Предлагается гибридный котел, работающий в диапазоне мощности полной нагрузки от 2% до 40% для конвекционных котлов и от 2% до 20% для конденсационных котлов, работающий на электрическом нагреве и для выше указанных диапазонов - на газообразном топливе. Применительно к варианту газового котла мощностью 24 киловатта в час гибридный котел при работе на отопление в диапазоне от 2% до 40% для конвекционных котлов, что соответствует нагрузке до 10 киловатт в час, работает как электрический котел, а при более высокой нагрузке - как газовый. Для конденсационных котлов данный диапазон соответствует: до 5 киловатт в час как электрический, при более высоких нагрузках - как газовый.

Технический результат поставленной задачи решается созданием гибридной конструкции настенного котла, работающего с двумя источниками тепловой энергии: энергии сгорания газообразного топлива при больших мощностях и электрической энергии тепловых электрических нагревательных элементов, размещенных в проточном блоке теплового электрического нагрева, который установлен в обратную магистраль газового котла, после циркуляционного насоса, до главного теплообменника газового котла. Применение данной конструкции гибридного настенного котла позволяет снизить суммарные выбросы парниковых газов, поскольку при работе традиционного газового котла на малой мощности генерация тепла происходит в режиме постоянного включения - выключения (тактования). Данный режим работы сопровождается резким снижением КПД - до 25%, сокращение срока службы котла до двух раз.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена схема гибридного настенного газово-электрического котла, состоящего из двух контуров.

Конструкция котла состоит из:

- главного теплообменника 1;

- камеры сгорания 2 настенного котла;

- горелки 3 для нагрева теплоносителя в результате сгорания газообразного топлива;

- вентилятора 4 для удаления продуктов сгорания;

- внутреннего трубопровода подачи 5;

- внутреннего трубопровода обратной магистрали 7;

- циркуляционного насоса 6;

- расширительного бака 8 для компенсации температурных расширений теплоносителя;

- трехходового крана 9 переключения режимов подготовки горячей воды и отопления;

- пластинчатого теплообменника подготовки горячей воды 10;

- предохранительного клапана 11 сброса давления;

- воздухоудалительного клапана 12;

- клапана заполнения и подпитки контура 13;

- патрубков подключения потребления горячей воды: выходного 14 и входного 15;

- патрубка подачи 16 отопительного контура;

- обратного патрубка 17 отопительного контура;

- блока теплового электрического нагрева 18 для нагрева теплоносителя;

- канала протока теплоносителя 19, выполненного в виде змеевика;

- тепловых электрических нагревательных элементов 20;

- воздушного клапана 21 дымоудаления.

Осуществление изобретения.

Настенный газовый котел работает в двух режимах: подготовка горячей воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) и отопления (нагрева теплоносителя контура отопительных приборов).

При работе гибридного котла в режиме отопления (нагрева теплоносителя контура отопительных приборов) возможны два режима.

Если потребная тепловая мощность котла для компенсации тепловых потерь помещения менее 10 киловатт в час для конвекционных котлов мощностью 24 киловатта в час, то газовая горелка 3 не работает. Нагрев теплоносителя производится в блоке теплового электрического нагрева 18. Теплоноситель поступает в котел через обратный патрубок 17, проходит последовательно клапана заполнения и подпитки контура 13, воздухоудалительный клапан 12, предохранительный клапан 11 сброса давления. Компенсация температурных расширений теплоносителя производится расширительным баком 8 компенсации. Движение теплоносителя производится циркуляционным насосом 6. Теплоноситель поступает в блок теплового электрического нагрева 18 и движется по трубчатому каналу протока теплоносителя 19, выполненному в виде змеевика. В блоке теплового электрического нагрева 18 также расположены тепловые электрические нагревательные элементы 20. Для передачи тепловой энергии от тепловых электрических нагревательных элементов 20 к трубчатому каналу протока теплоносителя 19, выполненному в виде змеевика, пространство между ними в блоке теплового электрического нагрева 18 заполнено материалом с высокой теплопроводностью. Далее нагретый теплоноситель по внутреннему трубопроводу обратной магистрали 7, главному теплообменнику 1, внутреннему трубопроводу подачи 5, минуя трехходовой кран 9 переключения режимов подготовки горячей воды и отопления, установленный в положении для отопления, поступает через патрубок подачи 16 отопительного контура в контур отопительных приборов (на рисунке не показан). Для исключения тепловых потерь через дымоход (на рисунке не показаны) после вентилятора 4 для удаления продуктов сгорания установлен воздушный клапан 21 дымоудаления.

В случае если потребная мощность предлагаемого гибридного котла превышает 10 киловатт в час, то блок теплового электрического нагрева 18 теплоносителя отключается, воздушный клапан 21 дымоудаления открывается, включается вентилятор 4 для удаления продуктов сгорания и поджигается газовая горелка 3. Происходит нагрев теплоносителя в главном теплообменнике 1 камеры сгорания 2 настенного котла.

Применение двух источников энергии: электрического при потребной тепловой мощности до 10 киловатт и энергии сжигания горючего газа при большем значении потребной тепловой мощности, позволяет создать гибридный настенный газово-электрический котел, работающий в режиме отопления (нагрева теплоносителя контура отопительных приборов) с модуляцией (диапазоном изменения тепловой мощности), равной 50, что позволяет достигать наивысших показателей энергетической эффективности настенных котлов.

В режиме подготовки горячей воды системы горячего водоснабжения (ГВС) данный котел работает исключительно на газу, создавая максимальную тепловую мощность. Переключение на режим работы подготовки горячей воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) выполняется трехходовым краном 9, который направляет поток нагретого теплоносителя, возникающего в теплообменнике 1 камеры сгорания 2 настенного котла с помощью горелки 3, в пластинчатый теплообменник подготовки горячей воды 10. Холодная вода поступает через входной патрубок 15. Горячая вода, нагретая в теплообменнике подготовки горячей воды 10, поступает потребителю через выходной патрубок 14. В режиме работы котла для подготовки горячей воды в системе горячего водоснабжения (ГВС) воздушный клапан 21 дымоудаления постоянно открыт.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- применение двух источников энергии: электрического и энергии сжигания газообразного топлива позволяет создать гибридный настенный газово-электрический котел, работающий в режиме отопления с модуляцией равной 50, что позволяет достигать наивысшие показатели энергетической эффективности настенных котлов;

- пониженным выбросом парниковых газов;

- сохранением ресурса работы котла;

- уменьшением тепловых потерь черед дымоход.

Поскольку заявленное изобретение отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

В основу заявленного изобретения положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость»

Поскольку из уровня техники не известен гибридный настенный газово-электрический котел, можно сделать вывод о соответствии заявленного устройства условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Изобретение относится к области теплоэнергетики автономных систем теплоснабжения для получения горячей воды для отопления и горячего водоснабжения. Предложен настенный котел, работающий с двумя источниками тепловой энергии: энергии сгорания газообразного топлива при больших мощностях и электрической энергии тепловых электрических нагревательных элементов при низких. В обратную магистраль газового котла, после циркуляционного насоса, до главного теплообменника газового котла установлен проточный блок теплового электрического нагрева. Для уменьшения тепловых потерь через дымоход в конструкции гибридного настенного котла установлен воздушный клапан. Реализация изобретения позволяет создать гибридный настенный газово-электрический котел, работающий в режиме отопления с модуляцией, равной 50, что позволяет достигать наивысших показателей энергетической эффективности настенных котлов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Настенный газово-электрический котел для отопления и подготовки горячей воды, содержащий главный теплообменник, газовую горелку, вентилятор, расширительный бак, циркуляционный насос, предохранительный клапан, воздухоудалительный клапан, внутренние трубопроводы котла, патрубки присоединения контуров отопления и горячего водоснабжения, трехходовой кран переключения режимов подготовки горячей воды и отопления, отличающийся тем, что конструкция котла выполнена гибридной, использующей два источника энергии: электрическую для выработки тепловой энергии при мощности от нуля до 40 процентов максимальной мощности котла и энергию сгорания газообразного топлива при мощности от 40 до 100 процентов максимальной мощности котла, для реализации чего во внутренний трубопровод обратной магистрали встроен блок теплового электрического нагрева.

2. Настенный газово-электрический котел для отопления и подготовки горячей воды по п. 1, отличающийся тем, что канал протока теплоносителя в блоке теплового электрического нагрева выполнен в виде змеевика.

3. Настенный газово-электрический котел для отопления и подготовки горячей воды по п. 1, отличающийся тем, что в блоке теплового электрического нагрева пространство между тепловыми электрическими нагревательными элементами и змеевиком заполнено материалом с высокой теплопроводностью.

4. Настенный газово-электрический котел для отопления и подготовки горячей воды по п. 1, отличающийся тем, что установлен воздушный клапан, закрытый в режиме работы отопления при выработке тепловой энергии электрическим источником и полностью открытый в режиме работы при выработке тепловой энергии при сгорании газообразного топлива.