РЕГУЛЯТОР ПОДВОДА ВОЗДУХА КОНВЕКЦИОННОГО ГАЗОВОГО КОТЛА

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области теплоэнергетики, в частности к котлам конвекционного типа, устройствам подвода воздуха для горения, и может быть использована в децентрализованных и автономных системах отопления и горячего водоснабжения зданий.
Уровень техники
Известен котел наружного размещения, содержащий гидротеплоизолированный корпус с размещенным в нем теплообменником с прямой и обратной линиями, горелочным устройством, основанием дымовой трубы, циркуляционным насосом, при этом он дополнительно снабжен автоматическим клапаном с постоянно открытым соплом, а циркуляционный насос снабжен подающим и всасывающим патрубками и расположен вдоль обратной линии, причем автоматический клапан с постоянно открытым соплом установлен между соединениями патрубков на обратной линии (см. патент RU №2436018, МПК F24H 1/00, от 07.06.2010 г.).
Недостатком данного котла является невысокая надежность, низкий коэффициент энергетической эффективности, большие размеры, забор воздуха, необходимого для горения происходит непосредственно из атмосферы через постоянно открытые каналы воздухозабора.
Известен конденсационный котел наружного размещения, содержащий гидротеплоизолированный корпус, внутри которого установлены газогорелочное устройство, жаротрубный теплообменник с прямой и обратной линиями, коаксиальный дымоход, соединенный с дымовой трубой, дополнительно снабженным конденсационным теплообменником и центробежным вентилятором, при этом коаксиальный дымоход с конденсационным теплообменником установлены за жаротрубным теплообменником в основании дымовой трубы, а в верхней части гидротеплоизоляционного корпуса, за жаротрубным теплообменником, установлен центробежный вентилятор с возможностью преодоления дополнительного сопротивления движения дымовых газов в коаксиальном дымоходе (см. патент RU №2449225, МПК F24H 1/00, опубликован 27.04.2012 г.).
Недостатком данной конструкции являются большие габариты и сложности обслуживания, высокая стоимость, забор воздуха происходит через постоянно открытые воздушные каналы.
Представленные выше конструкции котлов не могут быть применены для поквартирного отопления и горячего водоснабжения в многоэтажных домах или для объектов малых площадей из-за их габаритов.
Известен водогрейный котел наружного размещения, содержащий теплогидроизолированный корпус с размещенным в нем теплообменником с прямой и обратной линиями, горелочным устройством, узлом автоматической подпитки теплоносителя, отличающийся тем, что в теплогидроизолированном звукоизолирующем корпусе выполнены канал забора воздуха для образования горючей смеси и канал удаления продуктов сгорания, снабженные запорными двухпозиционными клапанами, имеющие электромагнитные приводы, обеспечивающие герметичность в периоды пауз работы котла и при любых порывах ветра (см. патент на полезную модель RU №199017, МПК F24H 1/10, F24H 1/08 от 07.08.2020 г.).
Однако при использовании котлов конвекционного типа при работе часто не учитываются конкретные условия размещения котлов и конструкции дымоходов. Необходима настройка объемов поступления воздуха для образования оптимальной газовоздушной смеси непосредственно на объекте размещения котла. В случае неоптимального соотношения горючего газа и воздуха в газовоздушной смеси для работы конвекционного газового котла возможно увеличение выбросов парниковых газов СО и NOx и снижение эффективности работы котла.
Из открытых источников (Торопов А.Л., «Настенные газовые котлы автономных систем теплоснабжения. История создания. Основные элементы. Классификация. Часть 1. Конвекционные настенные газовые котлы, учебное пособие». - М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2020. - 60 с. ISBN 978-5-91327-630-8 DOI 10. 17513/пр.411) известно, что конвекционные газовые котлы предназначены для работы без образования конденсата дымовых газов на теплообменнике. Основными элементами конвекционного газового котла являются: первичный теплообменник, атмосферная газовая горелка, вентилятор системы дымоудаления с асинхронным мотором постоянной скорости вращения, группой распределения гидравлических потоков, вторичным теплообменником, блоком системы управления работой котла, дымоходом ударения продуктов сгорания и каналами подвода воздуха, необходимого для горения. Из открытых источников (Торопов А.Л., «Настенные газовые котлы автономных систем теплоснабжения. История создания. Основные элементы. Классификация. Часть 1. Конвекционные настенные газовые котлы, учебное пособие». - М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2020. - 60 с. ISBN 978-5-91327-630-8 DOI 10. 17513/пр.411) известно, что работа вентилятора системы дымоудаления конвекционного котла происходит на постоянной скорости вращения ротора и не зависит от конкретных условий установки котла. Возможность применения котлов, указанная заводом изготовителем, определяется минимальными и максимальными значениями длин дымоходов, минимальной и максимальной мощность работы котла во всех случаях работы, производительность вентиляционной установки дымоудаления не меняется, так как это не предусмотрено конструкцией.
Поскольку вентилятор системы дымоудаления конвекционных котлов работает на постоянной скорости, а дымоходы и каналы подачи воздуха для горения зависят от конкретного объекта, в котором размещен котел, и необходимая мощность работы котла меняется в несколько раз, то при фиксированной скорости вращения вентилятора происходит неэффективное, одинаковое во всем диапазоне изменения тепловой мощности, смесеобразование воздушно газовой горючей смеси, использованной при горении (Торопов А.Л., «Настенные газовые котлы автономных систем теплоснабжения. История создания. Основные элементы. Классификация. Часть 2. Конденсационные настенные газовые котлы. - М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2020. - 68 с. ISBN 978-5-91327-642-1 DOI 10. 17513/пр.417).
Неэффективное смесеобразование приводит к значительным выбросам парниковых газов и потере коэффициента полезного действия теплоэнергетической установки. Регулирование объемов воздуха, необходимого для горения, возможно только на объекте размещения котла, поскольку только в этом случае известны характеристики конкретных дымоходов и каналов подачи воздуха. По технической сути наиболее близким к предлагаемой полезной модели, является двухконтурный настенный газовый котел (см. патент RU №202243, F24H 1/08 (2020.08); F23N 3/02 (2020.08); F23L 1/00 (2020.08), от 11.09.2020).
Котел конвекционного типа с закрытой камерой сгорания, состоящий из горелки, теплообменника, вентилятора удаления дымовых газов, оснащенного электрическим мотором асинхронного типа с постоянной скоростью вращения ротора, промежуточной камерой поступления воздуха из раздельных воздушных каналов, с поступлением воздуха в закрытую камеру сгорания через регулируемое по площади сечение клапана с механизмом регулировки проходного сечения клапана, выведенным на внешний корпус котла.
Недостатком предложенной конструкции является то, что при разной температуре окружающего воздуха для поддержания температуры в помещении нужна разная мощность газового котла. Изменение мощности в конвекционных газовых котлах происходит за счет изменения мощности газовой горелки (количества поданного горючего газа). Для сгорания большего количества газа нужно больше кислорода. В конвекционных котлах применяются вентиляторы с постоянной скоростью вращения ротора. Таким образом, количество воздуха, подаваемого для горения одинаково для всего диапазона изменения мощности. При работе на малой мощности подача воздуха происходит со значительным избытком воздуха, что значительно снижает показатели энергетической эффективности котла, поскольку смесь горючего газа с воздухом становится обедненной.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства, регулирующего объем воздуха, поступающего в котел из каналов воздухозабора. Данная регулировка может осуществляться изменением величины проходного сечения внутренних каналов котла, обеспечивающих подачу воздуха в зону горения газовоздушной смеси.
Забор воздуха происходит из раздельных воздушных каналов. Для обеспечения указанного варианта забора воздуха в конструкции котла размещена промежуточная камера.
Технический результат достигается с помощью размещения регулируемого по площади клапана подачи воздуха в горелку котла. Регулировка выполняется на объекте размещения котла, при конкретных технических характеристиках дымоходов и каналов забора воздуха путем установки необходимой позиции клапана по цвету пламени горения и показаниям переносных газоанализаторов. Регулировочный клапан оснащен штоком, к штоку прикреплен шаговый электромотор с линейным перемещением. Шаговый электромотор закреплен на верхней части котла, причем механизм крепления допускает регулировку положения по оси регулировочного клапана. Регулировка положения шагового электромотора выведена на внешнюю поверхность корпуса котла, что позволяет проводить ее без открытия корпуса котла. Регулировка выполняется один раз при установке и наладке работы котла и не требует повторных изменений. После регулировки положение шагового электромотора фиксируется. Фиксация положения клапана происходит для варианта максимальной мощности газового котла. Для вариантов работы котла на меньшей мощности шток клапана имеет возможность перемещения с помощью шагового электромотора. Положение штока связано с мощностью котла. Таким образом, достигается возможность выставления первоначального положения шагового электромотора привода положения штока в зависимости от сопротивления дымоходов конкретного объекта, где расположен котел (выполняется один раз при настройке работы котла) и регулировки положения штока клапана подачи воздуха в зависимости от мощности котла.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 дана схема котла конвекционного типа с закрытой камерой сгорания. Осуществление полезной модели.
Котел конвекционного типа с закрытой камерой сгорания состоит из горелки 1, в которую поступает горючий газ под давлением, теплообменника 2, в который поступает холодная вода (теплоноситель) и выходит нагретая вода (теплоноситель), продукты сгорания (дымовые газы) выводятся с помощью вентилятора 3, оснащенного электрическим мотором асинхронного типа с постоянной скоростью вращения ротора. Воздух, необходимый для горения, поступает в Зону I из раздельных каналов подачи воздуха, направление указано стрелками Б. Из Зоны I, воздух поступает в Зону II закрытой камеры через отверстие с клапаном 4, проходное сечение которого определяется механизмом линейного перемещения с шаговым электромотором 5. Регулировка 6 положения шагового электромотора 5 вынесена на внешнюю поверхность котла, что позволяет проводить настройку без его разборки.
Из Зоны II, воздух попадает в зону горелки 1, смешивается с горючим газом, воспламеняется и вырабатывает в процессе горения тепловую энергию. Оптимальное соотношение объемов воздуха и горючего газа определено установленным сечением регулируемого клапана 4 с помощью механизма линейного перемещения с шаговым электромотором 5, крепление которого выполняется один раз при настройке работы котла на конкретном объекте по цвету пламени горения и показаниям переносных газоанализаторов для работы при максимальной мощности.
Предлагаемая полезная модель, по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями, имеет преимущество в более высоком коэффициенте энергетической эффективности, поскольку этот показатель зависит от правильного соотношения объемов горючего газа и воздуха, которые уникальны на каждом объекте. Именно возможность регулировки объемов поступления воздуха позволяет достичь максимальных результатов эффективности сгорания газовоздушной смеси и минимизировать выбросы парниковых газов во всем диапазоне изменения мощности газовой горелки конвекционного котла.