ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР ДЛЯ АВТОНОМНОГО ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ И ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ ПРИ СЖИГАНИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
HEAT RECOVERY UNIT FOR AUTONOMOUS AIR HEATING AND HOT WATER SUPPLY DURING BURNING OF NATURAL GAS

Теплоутилизатор для автономного воздушного отопления и горячего водоснабжения относится к комбинированным нагревателям текучих сред для извлечения скрытой теплоты парообразования водяных паров из отходящих газов. Компоновка теплоутилизатора объединяет функции каркаса, тепловой изоляции от тепловых потерь в окружающую среду и теплообменных поверхностей между рабочими средами.
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является принципиальная схема парогенератора, приведенная на рис.1-3 [1]. Топливо сгорает в топочной камере, в которой отдает свое тепло экранным поверхностям нагрева. По ходу движения продуктов сгорания размещены водяной экономайзер, воздухоподогреватель, которыми передается теплота двум теплоносителям - воде и воздуху. Нагнетание воздуха осуществляется вентилятором, а удаление продуктов сгорания дымососом.
Тепловая эффективность рассмотренного теплового источника на 20-30% меньше, чем для теплового источника, работающего в конденсационном режиме. Под конденсационным режимом понимается охлаждение продуктов сгорания ниже температуры точки росы. В этом случае происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания. Дополнительная теплота конденсации водяных паров и конвективная теплота охлаждения отходящих газов сводит потери с уходящими газами к нулю. Таким образом, при переводе расчета теплового баланса по высшей теплотворной способности топлива кпд теплового источника приближается к 100%.
Конструктивно котельный агрегат состоит из каркаса, к которому крепятся теплообменные поверхности и тепловая обмуровка. Такое компоновочное решение связано с повышенными массогабаритными показателями относительно варианта, который совмещает каркасные, обмуровочные и теплообменные элементы.
Теплоутилизатор является вариантом реализации компоновочного решения автономного отопления и горячего водоснабжения, при котором совмещаются функции несущего каркаса, тепловой изоляции и теплообменных поверхностей между рабочими средами. При этом имеет место снижение массогабаритных показателей. Теплоутилизатор работает в конденсационном режиме.
Данное конструктивное решение достигается следующим образом.
В теплоутилизаторе, включающем топочную камеру с экранными поверхностями нагрева, которая посредством дымососа гидравлически связана с водонагревателем и конвективным воздухоподогревателем, в результате сварки перпендикулярно расположенными фронтальной и тыльной опорными плитами с газовой перегородкой, экранной водяной полостью, внутри которой размещены топочная камера и газовая горелка, и с водяными трубками образован каркас, к водяным трубкам которого приварены воздушные теплообменные элементы, имеющие входные и выходные отверстия, образующие между собой каналы продуктов сгорания для встречного кругового теплообмена продуктов сгорания с воздухом и водой, кроме того, входной водяной патрубок последовательно соединен посредством водяных трубок через тыльную и экранную полости с выходным водяным патрубком, причем движение воды по водяным трубкам осуществлено также навстречу продуктам сгорания.
Основой каркаса являются фронтальная и тыльная опорные плиты, перпендикулярно которым устанавливают экранную и тыльную водяные полости, вертикальную газовую перегородку, а также водяные трубки. Они обвариваются, обеспечивая тем самым жесткость конструкции, которая способна противостоять температурному перепаду между топкой и патрубком охлажденных продуктов сгорания. Во внутреннем объеме экранной водяной полости размещена топочная камера с газовой горелкой. Воздушные теплообменные элементы, которые устанавливаются на определенном расстоянии между собой, имеют входные и выходные отверстия. Воздушные теплообменные элементы обвариваются в местах сопряжения с водяными трубками. В пространстве между ними находятся каналы продуктов сгорания. В воздушном теплообменном элементе и в канале продуктов сгорания осуществляется встречное круговое движение воздуха и продуктов сгорания. Для удаления конденсата водяных паров, выделяющегося из продуктов сгорания, в нижней части тыльной трубной доски устанавливается конденсатоотводная трубка.
Поступление воды в теплоутилизатор осуществляется через входной водяной патрубок. Вода течет по водяным трубкам, которые окружают топочную камеру, и одновременно совершает круговое встречное движение относительно траектории движения продуктов сгорания. Из последней водяной трубки вода последовательно поступает в тыльную и экранную полости. Откуда она по выходному патрубку направляется потребителю. С внешней стороны герметичность теплоутилизатора достигается внешним ограждением.
Конструкция теплоутилизатора представлена на фиг.1-6, где 1 - газовая горелка, 2 - топочная камера, 3 - монтажная плита горелки, 4, 20 - экранная и тыльная водяные полости, 5 - выходной водяной патрубок, 6 - вертикальная газовая перегородка, 7 - дымосос, 8 - вентилятор, 9, 10 - патрубки горячего и холодного воздуха, 11 - патрубок охлажденных продуктов сгорания, 12 - конденсатоотводная трубка, 13 - воздушный теплообменный элемент, 14 - канал продуктов сгорания, 15, 24 - входные водяные патрубки, 16, 17 - фронтальная и тыльная опорные плиты, 18, 19 - входное и выходное отверстия воздушного теплообменного элемента, 21 - водяная трубка, 22 - внешнее ограждение, 23 - экранная перегородка.
Перпендикулярно фронтальной 16 и тыльной 17 опорным плитам размещают экранную водяную полость 4, вертикальную газовую перегородку 6 и водяные трубки 21. После сварки они образуют достаточно жесткий каркас, который допускает длительную работу при температурах продуктов сгорания от 1000°C в топочной камере 2 и до 20°C на выходе из патрубка охлажденных продуктов сгорания.
Воздушный теплообменный элемент 13 представляет собой замкнутый кольцевой канал, который имеет входное 18 и выходное 19 отверстия. Они на определенном расстоянии нанизываются на водяные трубы 21, а места сопряжения водяных труб 21 и воздушного теплообменного элемента 13 обвариваются. Входные 18 и выходные 19 отверстия всех воздушных элементов 13 изолируют от потока продуктов сгорания и объединяют патрубками холодного 9 и горячего 10 воздуха. Таким образом, в патрубке 9 с входными отверстиями 18 происходит разделение воздушного потока, а после выходных отверстий 19 в патрубке 10 деление воздушного потока.
Продукты сгорания после топочной камеры 2 равномерно распределяются по каналам продуктов сгорания 14. В патрубке 11 они сливаются и удаляются в атмосферу.
Нагрев воды осуществляется в водяных трубах 21, тыльной 20 и экранной 4 полостях. Тыльная полость размещена в торце топочной камеры 2. Она не допускает повышение температуры внешней поверхности теплоутилизатора выше 60°C.
Экранная полость 4 образует топочную камеру 2. Она внутри разделена перегородками 23, которые переменно направляют водяной поток от тыльной трубной доски 17 до фронтальной 19 и обратно. При этом поток огибает по периметру топочную камеру 2 и по выходному патрубку 5 направляется потребителю.
Конструктивные размеры теплоутилизатора, например теплообменная поверхность для воздушного и водяного теплоносителей, определяются по результатам теплового расчета. Сечения потоков воздуха, продуктов сгорания, воды находят из аэродинамического расчета конструкции. Расчеты проводятся для следующих режимов работы теплоутилизатора: нагрев только воздуха или воды и совместный нагрев теплоносителей. Обязательным условием работы теплоутилизатора на всех режимах является охлаждение продуктов сгорания ниже температуры точки росы.
Работа теплоутилизатора протекает следующим образом. Продукты сгорания, которые образуются при сжигании природного газа в газовой горелке 1, из топочной камеры 2 распределяются по каналам продуктов сгорания 14. Они отдают теплоту воздуху и воде. Продукты сгорания и воздух движутся противотоком по кругу. При снижении температуры продуктов сгорания ниже температуры точки росы из них конденсируются водяные пары. Это происходит в виду того, что температура наружного воздуха в зимний и летний периоды ниже температуры точки росы. Конденсат отводится через конденсатоотводную трубку 12, а дымосос 7 удаляет по патрубку 11 продукты сгорания в атмосферу. При сильных холодах возникает опасность оледенения выходной части патрубка 11 совместно с примыкающими каналами продуктов сгорания 14 и водяными трубками 21. Чтобы этого не произошло, наружный воздух контактирует с горячей вертикальной газовой перегородкой 6. Он может также перемешиваться с теплым воздухом, который подается на рециркуляцию (не показано). Данные мероприятия не допускают оледенения выпускного патрубка 11. Воздух нагнетается вентилятором 8 через патрубок 10 в воздушные теплообменные элементы 13. Он подогревается до температуры 50-60°C и направляется через патрубок 9 потребителю. Вода нагревается при движении по водяному тракту, отмеченному на фиг.1, 5 и 6, до температуры 50-70°С. Теплоутилизатор может нагревать воду и воздух как одновременно, так и раздельно.
Теплоутилизатор для автономного воздушного отопления и горячего водоснабжения обладает следующими преимуществами:
1. Более низкие массогабаритные показатели относительно водотрубных котлов;
2. Коэффициент полезного действия теплового источника, работающего в конденсационном режиме, близок к 100% относительно высшей теплотворной способности топлива;
3. Отсутствуют потери теплоты во внешнюю среду от теплоутилизатора до обогреваемого помещения, так как все коммуникации расположены внутри жилого дома;
4. Отпадает необходимость в тепловых сетях, тепловых пунктах, системе радиаторного отопления;
5. Существенно снижается себестоимость 1 Гкал/ч отпущенной теплоты.
Литература
1. М.А.Стырикович, К.Я.Катковская, Е.П.Серов. Парогенератоы электростанций. «Энергия», М., Л., 1966 г., с.384.