Газовая горелка бытового газового котла широкой модуляции с применением самооткрывающейся форсунки Российский патент 2024 года по МПК F23D14/02 

Изобретение назвал газовая горелка бытового газового котла широкой модуляции с применением самооткрывающейся форсункой, которую можно использовать во всех газовых настенных и напольных котлах работающих на природном газе или сжиженном газе, где происходит инжекционное смешивание газа и воздуха, турбированных и атмосферных за исключением конденсационных котлов и наддувных горелок.

Рассмотрим принцип работы настенных газовых котлов, атмосферных и турбированных. В настоящее время настенный газовый котёл представляет собой компактный отопительный прибор, в корпусе которого, помимо собственно нагревательных элементов, находится всё необходимое оборудование для его эффективной работы. Настенный газовый котёл состоит из таких основных элементов:

1. Газ в камеру сгорания подаётся при помощи газовой горелки. Посредством газового клапана, газовой рампы и форсунок обеспечивается равномерное распределение газа в камере для прогрева теплоносителя. В современных котлах применяются модулируемые горелки способные регулировать пламя и точно поддерживать заданную температуру. Давление газа на газовой рампе варьируется в пределах от 2 до 13 миллибар.

2. Теплообменник может быть выполнен из меди или нержавеющей стали. Медные теплообменники обладают лучшей теплопроводностью и имеют более высокий КПД, стальные же более прочны и устойчивы к коррозии. Конденсационные котлы могут иметь как один, так и два теплообменника.

3. В зависимости от мощности котла проток воды обеспечивают один или два циркуляционных насоса.

4. Расширительный бак компенсирует избыток воды в результате нагрева.

5. Автоматика газовых котлов представляет собой систему устройств, направленную на поддержание стабильной температуры в системе отопления и помещении. Автоматика подразделяется на энергозависимую (электронные датчики, программаторы, комнатные термостаты, электромагнитные клапаны) и энергонезависимую, реагирующую на изменения показателей давления теплоносителя в результате перегрева или охлаждения.

6. Вентилятор (для турбированных котлов).

7. Термометр, манометр, воздухоотводчик, газовый клапан и другие - измерительные и регулирующие приборы необходимые для корректной работы котла.

8. Системы безопасности. Встроенная система защиты останавливает работу котла при отсутствии электроэнергии и перекрывает электромагнитный клапан подачи газа. После возобновления подачи электричества котёл перезапускается вручную.

Более подробно рассмотрим первый пункт на примере котла Протерм гепард 23 MTV. Газ приходит из газовой магистрали с давлением примерно 20 миллибар в газовый клапан, который регулирует давление газа от мин(1,4 миллибар) до макс(7,9 миллибар). После газ поступает в газовую рампу. На рампе установлены форсунки в количестве 13 штук, которые подают газ в камеру смешивания рассекателей пламени газовой горелки. Зажигание происходит от искры по электроду, который установлен над одном из рассекателей пламени газовой горелки. При правильно настроенном газовом клапане модуляция газовой горелки находится в диапазоне от 10,4 до 25,8 кВт. В данном случае форсунки все с одинаковым диаметром отверстия 1,3 мм и так как они все работают одновременно, то невозможно уменьшить мощность горелки ниже 10,4 кВт. Если уменьшать давление газа на газовом клапане, горение будет неустойчивым на рассекателях пламени, и пламя гаснет.

Для поддержания заданной температуры отопления в стандартном частном доме на 100-200 квадратных метров, особенно в период межсезонья, бывает нужна гораздо меньше мощность газовой горелки, порядка 2-3 кВт, а то и меньше. Рассмотрев все газовые котлы бытового применения, настенные, напольные, отечественные, импортные, конденсационные, наддувные, пришел к выводу, что экономичные котлы в плане потребления газа это котлы с широкой модуляцией газовой горелки, а именно это котлы Риннай (модуляция от 4 до 23,3 кВт) и конденсационные котлы (модуляция от 3 до 24 кВт). Хотя все производители конденсационных котлов утверждают, что у последних КПД более 100 процентов за счет конденсации, так как при сжигании газ и кислорода выделяется вода, которая оседает на теплообменник и отдает свое тепло, что и приводит к такому высокому КПД. В домашних условиях так же провел небольшой опыт, одной горелкой газового котла протерм гепард 23 MTV нагревал 10 литров воды с температуры +5 до температуры +50 при разной мощности горелки. При средней мощности потребовалось 72 литра газа, при минимальной мощности понадобилось 52 литра. Что подтверждает теорию о том, что работа газовой горелки на минимальном газу приводит к снижению расхода газа. Еще пример, дом 500 квадратных метров, стоял напольный газовый котел на 50 кВт, который потреблял газу в среднем на 5-6 тысяч рублей. Заменили данный котел на два настенных мощностью по 25 кВт каждый, для отопления дома вполне хватает одного, снизился расход по газу до 2 тысяч рублей в среднем за месяц.

Опять если рассмотреть процесс приготовления горячей воды, то ниже 22 кВт будет низкий нагрев последней. Из характеристики газового котла на 25,8 кВт при разности температур приходящей и выходящей воды в 400С расход будет 8,8 литра в минуту, средний расход одного смесителя составляет 7 л/мин, в связи с чем видим, что горячей воды хватает только на одну точку водоразбора, и уменьшать мощность газовой горелки нецелесообразно.

Взяв за аналог газовую горелку газового котла протерм гепард 23 MTV, для увеличения модуляции газовой горелки настенного газового котла без ущерба приготовления ГВС и существенных изменений предлагаю следующее:

1. На среднем рассекателе пламени газовой горелки оставить обычную форсунку (фиг. 1), на которой размещаем автоматику розжига и датчик наличия пламени, рассекатель пламени 1. Если рассекателей будет два, что может быть на напольных газовых котлах, то на один из них ставим обычную форсунку и размещаем автоматику розжига и датчик наличия пламени.

2. На последующих рассекателях пламени газовой горелки справа и слева ставим самооткрывающиеся форсунки, а именно форсунки, выполненные с возможностью при уменьшении давления в газовой рампе до заданного значения перекрывать подачу газа в рассекатель пламени, а при нарастании давления до заданного значения открывать подачу газа в рассекатель пламени для его воспламенения (фиг. 2), которые по мере повышения давления газа в газовой рампе открывают подачу газа начиная с давления газа в 2-2,5 миллибар от середины к краям с нарастанием давления до 6-6,5 миллибар. Так как средний рассекатель пламени будет гореть постоянно, то рассекатели пламени с самооткрывающимися форсунками будут воспламеняться и гаснуть по мере открывания и закрывания последних.

Примитивно высчитал модуляцию данной газовой горелки бытового газового котла широкой модуляции с применением самооткрывающихся форсунок, взяв нижний порог мощности и поделив на количество рассекателей пламени, получаем 0,8 кВт одной горелки, соответственно получаем модуляцию всей горелки примерно от 0,8 кВт до 25,8 кВт.

Рассмотрим эти два пункта более подробно.

Газовая горелка остается без изменений, за исключением переноса электрода розжига и электрода ионизации на средний рассекатель пламени, либо на крайний если их два, где установлена обычная форсунка. На остальные рассекатели пламени ставим самооткрывающиеся форсунки с увеличение порога открытия по давлению от середины к краям.

А теперь непосредственно сама форсунка, выполненная с возможностью при уменьшении давления в газовой рампе до заданного значения перекрывать подачу газа в рассекатель пламени, а при нарастании давления до заданного значения открывать подачу газа в рассекатель пламени для его воспламенения. Она состоит из трех частей (корпус один 4, корпус два 8, ось с мембраной 1) и пружины 2. Принцип работы мембранного типа. Конструкция показана на фиг. 2. Ось выполнена из стали, корпус форсунки камеры давления 8, и корпус форсунки камеры выхода газа 4 (назовем камерой разрежения 3) с пружиной 2 порога открытия материал латунь. В оси 1, на которой закреплена мембрана 5, имеется сквозное отверстие диаметром как на обычной форсунке, 1,3 мм. Мембрана 5 выполнена из резинотканевого материала. Мембрана зажата между двумя корпусами, которые свинчиваются между собой посредством резьбы. В корпусе камеры давления имеется втулка с конусом 10, для перекрывания отверстия оси с мембраной 1, чтоб не выходил газ из форсунки, пока не поднимется давление до нужного значения. Также в этой втулке имеются отверстие 9 и боковые отверстия 7, для доступа газа в камеру давления 6. Это выполнено для более простого изготовления. Хотя есть и другие варианты. Со стороны корпуса выхода газа (разрежения) ставим пружину 2, которая будет прижимать ось с мембраной 1 к конусу корпуса камеры давления 6. Жесткость пружины и площадь мембраны подбираем таким образом, чтобы форсунка открывалась при нужном давлении. Так как минимальное давление 1,4 миллибар, самооткрывающиеся форсунки настраиваем на открытие с увеличением давления шагом в 0,4-0,6 миллибар.

Установив данные форсунки на газовую рампу, с увеличением порога открытия от середины к краям добиваемся плавной и постепенной регулировки мощности газовой горелки бытового газового котла широкой модуляции с применением самооткрывающихся форсунок, в диапазоне от мощности одного рассекателя пламени работающего на минимальном газе, до работающих всех рассекателей пламени на максимальном газе.

При изготовлении данных форсунок производить маркировку порога открытия, для понимания на какой рассекатель пламени ее устанавливать. Затраты при внедрении газовой горелки газового котла широкой модуляции с применением самооткрывающейся форсункой имеем: небольшую доработку газовой горелки и собственно изготовление самооткрывающихся форсунок. По примерным подсчётам цена изменений составит в пределах 2000-3000 рублей. Только изготовление самих форсунок, перенастройка котла не потребуется. При средней цене котла Протерм гепард 23 МTV в 78000 цена может вырасти не более чем на 4%, но при экономии газа на отоплении даже на примере газового котла риннай с раздельной горелкой на 30% и 70% можно высчитать что данное превышение цены окупиться за первый отопительный сезон.

Таким образом, при небольших внедрениях получаем настенный газовый котел с модуляцией по потребляемой тепловой мощности от 0,8 кВт до 25,8 кВт. Диапазон мощности больше чем у конденсационного. Проанализировав большую часть отапливаемой бытовой техники, пришел к выводу, меньше расходуют газ газовое оборудование с большей модуляцией газовой горелки.

Данные самооткрывающиеся форсунки можно использовать и в напольных котлах, которые имеют модуляционный газовый клапан по давлению газа.

Для безопасности работы газовой горелки, на случай выхода из строя по каким-либо причинам какой-нибудь форсунки, добавим еще один рассекатель пламени 1, перпендикулярный всем остальным (фиг. 3 вариант 1). Это если вдруг не крайняя самооткрывающаяся форсунка не откроется, а остальные откроются. В этом случае всю автоматику розжига и наличия пламени ставим на перпендикулярный рассекатель пламени.

Еще для более большей модуляции рассмотрим газовую горелку Buderus Logamax U044-24K, там 18 рассекателей пламени. Устанавливаем еще один рассекатель пламени 1 между существующими (фиг. 3 вариант 2), на него монтируем автоматику и обычную форсунку. На остальные 18 рассекателей пламени, установив самооткрывающиеся форсунки можем добиться модуляции от 0,47 кВт до 24 кВт. Затраты будут существеннее, так как нужно полностью доработать газовую горелку.

Предложена газовая горелка бытового газового котла широкой модуляции. Горелка имеет более двух рассекателей пламени и подсоединена к модуляционному газовому клапану. Средний рассекатель снабжен форсункой, подающей газ на рассекатель в постоянном режиме и на которой установлены автоматика розжига и датчик пламени. Остальные рассекатели снабжены форсунками, которые имеют функцию при уменьшении давления газа на газовой рампе до заданного значения перекрывать подачу газа на рассекатель пламени и открывать подачу газа на рассекатели пламени при увеличении давления газа на газовой рампе до заданного значения для воспламенения рассекателя пламени. Заданное пороговое давление открытия форсунок увеличивается от середины горелки к ее краям. Также предложена конструкция форсунки. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Газовая горелка бытового газового котла широкой модуляции, имеющая более двух рассекателей пламени и подсоединенная к модуляционному газовому клапану, при этом средний рассекатель снабжен форсункой, подающей газ на рассекатель в постоянном режиме и на которой установлены автоматика розжига и датчик пламени, а остальные форсунками, которые имеют функцию при уменьшении давления газа на газовой рампе до заданного значения перекрывать подачу газа на рассекатель пламени и открывать подачу газа на рассекатели пламени при увеличении давления газа на газовой рампе до заданного значения для воспламенения рассекателя пламени, при этом заданное пороговое давление открытия форсунок увеличивается от середины горелки к ее краям.

2. Форсунка газовой горелки, выполненная с возможностью при уменьшении давления в газовой рампе до заданного значения перекрывать подачу газа в рассекатель пламени, а при нарастании давления до заданного значения открывать подачу газа в рассекатель пламени для его воспламенения, при этом форсунка состоит из камеры давления, в которую поступает газ из газовой рампы, и камеры выхода газа, в камере выхода расположена ось, на которой закреплена мембрана, разделяющая полости камер и зажатая между корпусами двух камер, в оси выполнено сквозное осевое отверстие, в корпусе камеры давления установлена втулка с конусом для перекрывания отверстия оси с мембраной, а в камере выпуска установлена пружина, поджимающая ось с мембраной к конусу, во втулке выполнены осевое отверстие и боковые отверстия для доступа газа в камеру давления.