ТЕПЛООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ОТОПИТЕЛЬНОГО КОТЛА

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к рекуперативным теплообменным устройствам, и может быть использована в теплоэнергетике для автономного водяного отопления бытовых и производственных помещений.
Известно теплообменное устройство с теплообменными элементами в виде плоских горизонтальных труб (см. патент РФ №2158394, МПК F24H 1/00).
Однако плоские теплообменные элементы имеют недостаточную площадь теплосъема, что ведет к снижению КПД отопительного котла.
Известно теплообменное устройство отопительного котла, содержащее наружный и внутренний корпуса, полость между которыми образует водяную рубашку, с теплообменными элементами в виде рядов полых плоских элементов для циркуляции теплоносителя. Теплообменные элементы расположены во внутреннем корпусе и образуют с полостью водяной рубашки замкнутый контур для теплоносителя. Теплообменные элементы установлены горизонтально и диаметрально противоположно на разновысотных уровнях (см. патент на изобретение РФ №2232948, МПК F24H 1/44).
Недостатком является то, что, теплообменные элементы выполнены в виде плоских полых элементов, что снижает КПД. Строго горизонтальное расположение теплообменных элементов задерживает движение теплоносителя, что не способствует интенсивному теплообмену. Расположение теплообменных элементов по отношению к предыдущему под углом 90° усложняет сборку и сварку котла.
Наиболее близким к предлагаемому решению является теплообменное устройство, выполненное в виде наружного корпуса, внутри которого находится теплообменный блок, сваренный из набора плоских П-образных пластин. Сваренные пластины образуют каналы для прохода теплоносителя (воды) и для прохода теплового агента (отработанных газов), повернутые под углом 90° по отношению друг к другу. Для увеличения теплоотдачи в канале для прохода теплового агента вварены змеевидные турбулизаторы, изменяющие направление движения теплового агента. Пространство между теплообменным блоком и наружным контуром образует водяную рубашку. Водяная рубашка и канал для движения теплоносителя образуют замкнутый контур. Смешение воды происходит за счет вваренных в канал для прохода теплоносителя двух пластин, расположенных на одной высоте с противоположных сторон и вваренных в контур водяной рубашки перегородок
(см. Котел отопительный водогрейный КОВ-С «Сигнал». Руководство по эксплуатации, СЯМИ 621261-289 РЭ, ЗАО «Сигнал-Прибор»).
Недостатком является то, что при данной конструкции не обеспечивается высокий КПД котла из-за небольшой площади плоских теплообменных элементов и из-за короткого пути прохождения теплоносителя. Турбулизаторы в процессе работы выгорают, что также снижает КПД котла. Использование плоских теплообменных элементов с вваренными дополнительными деталями ведет к удорожанию теплообменника за счет увеличения количества деталей и дополнительных сварочных работ.
Задачей предлагаемого решения является повышение КПД и надежности при снижении металлоемкости и трудозатрат.
Поставленная задача решается тем, что в теплообменном устройстве отопительного котла, содержащем корпус с теплообменным блоком, полость между которыми образует водяную рубашку, теплообменный блок содержит чередующиеся каналы для прохождения теплоносителя и теплового агента, имеющие смежные вертикальные боковые стенки, при этом каналы для прохождения теплоносителя и водяная рубашка образуют замкнутый контур для циркуляции теплоносителя, элементы для изменения направления движения теплоносителя и теплового агента, согласно решению, элементы для изменения направления движения теплового агента выполнены в виде отформованных в одной из боковых стенок соответствующих каналов горизонтально расположенных рядов выступов, при этом выступы в соседних рядах смещены по горизонтали относительно друг друга, высота выступов сопоставима с шириной канала.
Замкнутый контур образован поперечными перегородками в водяной рубашке и перегородками для изменения направления движения теплоносителя, которые расположены одна над другой на уровне между соседними горизонтальными рядами выступов, и соединены с перегородками водяной рубашки с одной стороны, образуя зазор для прохода теплоносителя с противоположной стороны.
Перегородки для изменения направления движения теплоносителя выполнены в виде пластин, а перегородки в водяной рубашке в виде уголков.
Каналы образованы последовательно сваренными между собой П-образными пластинами, при этом соседние пластины повернуты относительно друг друга в вертикальной плоскости на угол 90°.
Выступы имеют овальную форму продольная ось которых расположена по отношению к вертикальной оси под углом 20°÷25°, при этом выступы в соседних рядах имеют противоположный наклон и смещение на полшага.
Оптимальным является количество рядов выступов равное четырем, а количество перегородок для изменения направления движения теплоносителя равно трем.
Площадь поверхности боковых стенок с выступами превышает площадь поверхности боковых стенок без выступов на 20-30%.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведено объемное изображение теплообменного блока с перегородками водяной рубашки, на фиг.2 приведен фронтальный вертикальный разрез теплообменного устройства, а на фиг.3 - профиль выступа в канале для теплового агента, где: 1 - боковые стенки теплообменного блока; 2 - выступы; 3 - канал для прохода теплового агента; 4 - канал для прохода теплоносителя; 5 - корпус; 6 - теплообменный блок; 7 - водяная рубашка; 8 - пластины; 9 - перегородки. Стрелками на чертежах показаны направление движения теплового агента и направление движения теплоносителя в соответствующих каналах.
Теплообменное устройство отопительного котла содержит корпус 5 и вваренный в него теплообменный блок 6, состоящий из последовательно расположенных формованных и неформованных П-образных пластин, образующих каналы шириной 12÷15 мм для прохода теплоносителя и каналы шириной 12÷15 мм для прохода теплового агента. Каналы образованы вертикально расположенными боковыми стенками 1 и параллельно расположенными торцевыми стенками, при этом боковые стенки соседних каналов 3, 4 являются смежными, а торцевые стенки соседних каналов взаимно-перпендикулярны. Одна из пластин канала для прохода теплового агента 3 отформована четырьмя горизонтальными рядами выпуклостей 2. Каждый ряд состоит из шести элементов, имеющих наклон 20÷25° к вертикальной оси и расположенных на расстоянии 48÷52 мм друг от друга. Каждый ряд элементов имеет последовательно противоположный наклон и смещен по отношению к предыдущему на полшага. Расстояние между центрами рядов - 84÷88 мм. Выпуклости (выступы) выполнены овальной формы высотой 14÷17 мм (с учетом толщины металла). В основании выступа (выпуклости) с внутренней стороны в поперечном сечении размер составляет 28÷33 мм, в продольном сечении 76÷80 мм. Выпуклости своей верхней точкой соприкасаются со следующей неформованной пластиной, образуя тракт для прохода теплового агента. Тепловой агент, поднимаясь вверх по тракту в канале 3, меняет свое направление и при входе в каждый последующий ряд дополнительно разделяется на два направления. Полость между корпусом и теплообменным блоком образует водяную рубашку 7. Для циркуляции теплоносителя в каждый канал для прохода теплоносителя 4 вварены три противоположно расположенные на различной высоте пластины 8 длиной 320 мм. В водяную рубашку 7 на уровне пластин по замкнутому контуру вварены перегородки в форме уголков 9, служащих одновременно
для связки теплообменного блока 6 с корпусом 5. Зазор для похода теплоносителя составляет 45÷55 мм. Таким образом, теплоноситель при прохождении через теплообменное устройство четыре раза меняет направление движения. Направление движения теплоносителя совпадает с направлением угла наклона впадин формованных элементов пластины, что облегчает прохождение теплоносителя и исключает наличие застойных зон. За счет формовки увеличивается площадь теплосъема с формованных пластин на 20÷30% по сравнению с площадью теплосъема с неформованных пластин, что при равном КПД с аналогом уменьшает металлоемкость, а при равной металлоемкости позволяет увеличить мощность и КПД теплообменного устройства. Надежность теплообменного устройства увеличивается за счет того, что роль турбулизаторов выполняют формованные, в определенной последовательности расположенные элементы. Здесь исключается выгорание турбулизаторов в процессе работы теплообменного элемента и неправильная сборка турбулизаторов в процессе изготовления.
Устройство работает следующим образом: теплоноситель (вода), поступающий снизу водяной рубашки 7 устройства, нагревается и перемещается вверх по направлению, указанному стрелками в канале 4.
Для оптимизации теплосъема при перемещении теплоносителя одна из стенок каждого канала 3 отформована, формовка выполнена в виде четырех горизонтальных, имеющих противоположное направление и смещенных относительно друг друга на полшага рядов, состоящих из шести овальных выступов 2. Направление движения теплоносителя совпадает с направлением угла наклона формованных элементов. Все это обеспечивает непрямолинейное прохождение теплоносителя. Тепловой агент перемещается по определенным образом расположенному и описанному выше газовому тракту. Расположение и геометрические параметры отформованных элементов определены в результате расчетов и опытных работ. Отсутствие отформованных элементов приведет к отсутствию турбулизации теплового агента и смешению теплоносителя (прямоточному их прохождению) и как следствие к снижению КПД теплообменного устройства.
Предложенное решение позволяет также уменьшить трудовые и материальные затраты за счет отсутствия дополнительно устанавливаемых элементов, обеспечивающих непрямолинейное прохождение теплоносителя и теплового агента по теплообменному устройству, энергоемкость, себестоимость единицы изделия за счет использования меньшего количества оригинальных деталей и простой конструкции устройства. Решение позволило увеличить КПД до 92% для котлов, рассчитанных на работу 50-100 кВт.