ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Предлагаемый водогрейный котел предназначен для раздельного отопления и горячего водоснабжения квартир в жилых многоэтажных домах и индивидуальных жилых зданиях, с системами естественной и принудительной циркуляции воды.
Известна конструкция бытового водогрейного котла, содержащего топку, размещенную в водоохлаждаемом корпусе, снабженном змеевиковым теплообменником, выполненным из оребренных труб, причем теплообменник расположен в верхней части корпуса и выполнен из секций, соединенных между собой последовательно, в каждом из которых труба змеевика закручена по однозаходной винтовой линии, шаг между которыми превышает двукратный диаметр труб (авторское свидетельство СССР, №1196614 от 16.04.90 г. (1)). Недостатком известного устройства является сложность изготовления и малая площадь теплообмена, что снижает эффективность нагрева воды.
Известен водогрейный котел (патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г. (2)) который содержит герметический корпус. В корпусе размещена топка, над которой выполнен конвективный газоход. В топке расположены теплообменные элементы в виде собранных в вертикальные ряды поперечно расположенных водяных труб. Конвективный газоход в его верхней части выполнен за одно целое с дымовой коробкой, в которую вставляется телескопический патрубок, выходящий за пределы зданий и имеющий каналы для подачи воздуха в топку к газовой горелке и для выброса продуктов сгорания. В нижней части топки установлены боковые экранные горизонтальные трубы. В средней и верхней частях топки установлены горизонтальные (поперек котла) водяные трубы разного диаметра, которые соединены с экранными трубами при помощи выполненных передней и задней водяных камер котла. Интенсивность смывания труб теплоносителем определяется расстоянием между трубами в одном ряду и расстоянием между трубами двух соседних рядов по диагонали. Конвективный газоход выполнен трапецеидальной формы и в нем водяные трубы расположены горизонтально (поперек котла) в шахматном порядке и также соединены с передней и задней водяными камерами котла. Трапециевидное расположение труб в средней и верхней частях топки обеспечивает площадь сечения между трубами первого ряда больше площади сечения между трубами последнего ряда в 1,5-2,5 раза. В задней части котла выполнен соединенный с задней водяной камерой дополнительный канал (байпас), в котором размещен теплообменник для горячего водоснабжения. Теплообменник выполнен в виде витого змеевика. Газовая горелка соединена с системой автоматики работы котла. Для удобства регулирования система автоматики установлена в передней части котла.
В известном устройстве в качестве теплообменника используются горизонтально расположенные трубы, число которых составляет не менее 30 штук. Поэтому у котлов подобной конструкции высока металлоемкость. При изготовлении теплообменника такой конструкции приходится выполнить 60 и более сварных швов, что существенно повышает трудоемкость изготовления котла и снижает его надежность при эксплуатации. Кроме того, горизонтальное расположение труб не обеспечивает равномерного и эффективного теплообмена между горячими газами поднимающимися от газовой горелки по конвективному газоходу и теплоносителем, находящемся в полости теплообменника. Применение дополнительного канала (байпаса) с теплообменником также увеличивает металлоемкость (вес) котла, а также его габаритные размеры. Кроме того снижается эффективность работы котла в режиме горячего водоснабжения.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому водогрейному котлу является водогрейный котел (патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г. (3)). Данный водогрейный котел имеет четное количество вертикальных конвективных каналов трапецеидальной формы разделенной вертикальными стенками на несколько газоходов. Каналы расположены внутри теплообменника, заполненного жидким теплоносителем, например водой. Высота конвективных каналов равна высоте теплообменника, а площадь сечения нижнего основания в 1,5-4,5 раза больше площади сечения верхнего основания конвективного канала. Газовая горелка выполнена двухсекционной, причем одна из секций работает постоянно, а другая имеет возможность включения в случае необходимости через отдельный запорный элемент. Конвективные газовые каналы установлены непосредственно над двухсекционной газовой горелкой. Телескопический газоход для выброса продуктов сгорания находится внутри телескопического патрубка для подачи воздуха и имеет на своей поверхности слой теплоизоляции. Витой змеевик контура горячего водоснабжения установлен непосредственно в полости теплообменника между наружными стенками конвективных каналов и внутренними стенками корпуса котла.
Котлы известной конструкции имеют определенные недостатки, в частности конвективные каналы трапецеидальной формы сложны в изготовлении. Деление канала вертикальными стенками на газоходы существенно увеличивает металлоемкость конвективного канала и всего теплообменника водогрейного котла, а также увеличивает объем сварочных работ. Опыт эксплуатации водогрейных котлов известной конструкции показал, что используемые в данном котле конвективные каналы трапецеидальной формы имеют определенные недостатки, связанные с неравномерным прогревом стенок канала. Это приводит к локальному перегреву отдельных зон конвективного канала и как следствие этого локальному кипению теплоносителя в перегретых зонах. Кроме того, в котлах известной конструкции при включении контура горячего водоснабжения происходит снижение температуры теплоносителя в контуре
отопления и для того чтобы поднять температуру в контуре отопления требуется значительное время.
Целью предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции водогрейного котла, снижение трудоемкости при изготовлении и как следствие этого, улучшение эксплуатационных характеристик котла.
Поставленная цель достигается тем, что герметичный водогрейный котел имеет конвективные каналы круглого сечения, расположенного внутри теплообменника круглого сечения. В полости конвективных каналов размещены металлические турбулизаторы, в виде металлических пластин с полукруглыми выступами. Высота турбулизатора составляет 0,75-0,85 высота конвективного канала. Диаметр выступов турбулизатора составляет 0,7-0,8 внутреннего диаметра конвективного канала. Расстояние между полукруглыми выступами турбулизатора составляет 1,0-1,5 диаметра выступа турбулизатора. Теплообменник котла разделен на две части вертикальной стенкой, имеющей круглые отверстия в верхней и нижней его частях. Витой змеевик находится в полости теплообменника между вертикальной стенкой и наружной стенкой теплообменника.
На фиг.1 изображен вид сбоку, предлагаемого водогрейного котла. В водогрейном котле имеется топка 1. Топка 1 в верхней ее части переходит в конвективные каналы 2 круглого сечения. Конвективные каналы 2 снаружи охватывает вертикальная стенка 3 с круглыми отверстиями 4 в верхней и нижней его частях. В нижней части топки 1 установлена газовая горелка 5, размещенная выше дна корпуса 6 котла и соединенная с системой автоматики 7. Над газовой горелкой 5 устанавливается несколько (в зависимости от мощности котла) конвективных каналов 2. Продукты сгорания через дымовую коробку 8 и выходной патрубок 9 корпуса котла выводятся за пределы жилого помещения. Через патрубок 10 происходит подача воздуха в полость между корпусом котла 6 и наружной стенкой теплообменника 11, откуда воздух поступает к газовой горелке 5. В верхней части котла находится витой змеевик 12 контура горячего водоснабжения. Змеевик 12 охватывает своими витками конвективные каналы 2 и установлен в полости между конвективными каналами 2 и вертикальной стенкой 3, которая заполнена теплоносителем (например водой). Снаружи все элементы котла закрыты корпусом 6.
На фиг.2 приведен пример конкретного расположения конвективных каналов в теплообменнике (вид сверху), где 2 вертикальные цилиндрические конвективные каналы. Количество каналов в теплообменнике определяет мощность котла. В полостях конвективных каналов расположены турбулизаторы 13.
На фиг.3 показан пример конкретного исполнения турбулизатора 13 и его расположение в полости конвективного канала 2. Турбулизатор, имеющий высоту h, расположен в полости цилиндрического конвективного канала высотой Н и диаметром D, причем высота турбулизатора h составляет (0,75÷0,85)Н, а диаметр выступов турбулизатора d составляет (0,7÷0,8)D. Расстояние между выступами турбулизатора составляет (1,0÷1,5)d.
Котел работает следующим образом.
При работе газовой горелки 5 происходит сгорании газа в топке 1 и поднимающиеся горячие продукты сгорания попадают в конвективные каналы 2. Продукты сгорания газа передают часть своей энергии вертикальным стенкам конвективных каналов 2, а те в свою очередь через стенки конвективных каналов 2 теплоносителю, находящемуся в пространстве, ограниченном стенками конвективных каналов 2 и наружной стенкой теплообменника 11. Отдав часть своего тепла теплоносителю, продукты сгорания уменьшают свой объем. Это приводит к уменьшению скорости течения горячих газов в верхней части конвективного канала и как следствие этого к ухудшению теплообмена в верхней части конвективного канала. Наличие металлических турбулизаторов 13 в центральной части цилиндрического конвективного канала способствует улучшению отбора тепла из центральной части газового потока, где температура продуктов сгорания максимальна. При такой конструкции конвективного канала и турбулизатора удается обеспечить максимальный отбор тепловой мощности с единицы поверхности конвективного канала, что определяет величину КПД котла.
Продукты сгорания газового топлива, отдав часть своей энергии теплоносителю, попадают в дымовую коробку 8 и через патрубок 9 удаляются за пределы жилого помещения через существующий дымоход.
Одновременно через патрубок 10 в топку поступает воздух, который закреплен на боковой поверхности корпуса 6 котла. В предлагаемой конструкции котла возможна организация подачи воздуха, как непосредственно из отапливаемого помещения, так и с улицы.
Наличие определенного объема воздуха, используемого для горения, в пространстве между стенкой теплообменника 11 и корпусом котла 6, способствует повышению стабильности и устойчивости работы газовой горелки.
Температура нагрева теплоносителя в котле устанавливается перед запуском котла и отслеживается системой автоматики 7. Когда теплоноситель на выходе из котла нагревается до температуры, соответствующей заданному регулятором температуры теплоносителя значению, система автоматики 7 уменьшает подачу газа на горелки. После охлаждения теплоносителя в отопительной системе на определенную величину, подача газа к основной горелке автоматически восстанавливается.
Если во время работы котла из водопровода вода подается по трубопроводу в змеевик 12 горячего водоснабжения, то подогретая в теплообменнике вода нагревает змеевик 12 и из него будет поступать к смесителям горячей воды у потребителя. Объем в котором находится теплоноситель в теплообменнике разделен вертикальной стенкой 3 на две части. Наличие в вертикальной стенке 3 цилиндрический отверстий 4 способствует выравниванию температуры теплоносителя в полости теплообменника при работе контура горячего водоснабжения. Это
происходит потому, что при наличие вертикальной стенки 3 имеется внутренний контур циркуляции теплоносителя.
Подобная конструкция водогрейного котла позволяет уменьшить трудоемкость изготовления за счет упрощения конструкции теплообменника. Применение цилиндрических вертикальных конвективных каналов, в сочетании с цилиндрическим теплообменником ведет к упрощению конструкции котла и уменьшает объем сварочных работ, производимых при изготовлении теплообменника. Минимальная протяженность сварных швов, находящихся в зоне действия высоких температур повышает надежность работы котла данной конструкции.
Использование цилиндрических конвективных каналов с металлическими турбулизаторами, в виде металлических пластин с полукруглыми выступами, высотой 0,75-0,85 высота конвективного канала, диаметром выступов турбулизатора 0,7-0,8 внутреннего диаметра конвективного и расстоянием между полукруглыми выступами турбулизатора 1,0-1,5 диаметра выступа турбулизатора, позволяет существенно улучшить условия теплообмена между горячими продуктами сгорания газового топлива и теплоносителем. Именно такая конструкция турбулизатора обеспечивает эффективное распределение газового потока в конвективном канале и позволяет улучшить условия теплообмена. Это ведет к улучшение эксплуатационных характеристик котла. Параметры турбулизатора и конвективных каналов определялись опытным путем. Результаты испытаний сведены в таблицы 1-3 (оценка эффективности работы котла определялась по величине КПД и содержанию окислов в продуктах сгорания).
Теплообменник котла, разделенный вертикальной стенкой на две части существенно повышает эффективность работы котла в режиме отопления и горячего водоснабжения. Применение теплообменника разделенного вертикальной стенкой с отверстиями в верхней и нижней частях позволяет улучшить эксплуатационные характеристики котла, так как отбор тепла контуром горячего водоснабжения не сказывается на работа контура отопления.
Кроме того возможность забора воздуха для горения как непосредственно из отапливаемого помещения, так и с улицы существенно улучшает эксплуатационные и потребительские характеристики предлагаемой конструкции котла.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР, №1196614 от 16.04.90 г.
1. Патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г.
2. Патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г.
Таблица 1
Количественные признаки
Технический результат
Высота турбулизатора
Диаметр выступов
Расстояние между выступами
КПД котла
Содержание окислов в продуктах сгорания
Менее 0,75 высота конвективного канала
Менее 0,7 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 75 %
Не определялось
1,0-1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 78 %
Более 1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 80 %
0,7-0,8 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла мене 82 %
1,0-1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 82 %
Более 1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 82 %
Более 0,8 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 83 %
Содержание оксида углерода и оксидов азота в продуктах сгорания выше нормы
1,0-1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 84 %
Более 1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 85 %
Таблица 2
Количественные признаки
Технический результат
Высота турбулизатора
Диаметр выступов
Расстояние между выступами
КПД котла
Содержание окислов в продуктах сгорания
0,75-0,85 высота конвективного канала
Менее 0,7 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 77 %
Не определялось
1,0-1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 79 %
Более 1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 81 %
0,7-0,8 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 90 %
Содержание оксида углерода и оксидов азота в продуктах сгорания выше нормы
1,0-1,5 диаметра выступа
КПД котла более 90 %
Содержание оксида углерода и оксидов азота в продуктах сгорания в пределах нормы
Более 1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 90 %
Содержание оксида углерода и оксидов азота в продуктах сгорания выше нормы
Более 0,8 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 85 %
Содержание оксида углерода и оксидов азота в продуктах сгорания выше нормы
1,0-1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 86 %
Более 1,5 диаметра выступа
КПД котла менее 86 %
Таблица 3
Количественные признаки
Технический результат
Высота турбулизатора
Диаметр выступов
Расстояние между выступами
КПД котла
Содержание оксида углерода и оксидов азота в продуктах сгорания выше нормы
Более 0,85 высоты конвективного канала
Менее 0,7 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 77 %
1,0-1,5 диаметра выступа
Более 1,5 диаметра выступа
0,7-0,8 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 90 %
1,0-1,5 диаметра выступа
Более 1,5 диаметра выступа
Более 0,8 внутреннего диаметра конвективного канала
Менее 1,0 диаметра выступа
КПД котла менее 85 %
1,0-1,5 диаметра выступа
Более 1,5 диаметра выступа