КОТЕЛ ВОДОГРЕЙНЫЙ

Полезная модель относится к источникам получения тепловой энергии, в частности к водогрейным котлам и может быть использована, в частности, для нужд теплоснабжения в частных домах, а также для комплектации блочно-модульных или крышных котельных.
Известен котел водогрейный, содержащий корпус с экономайзерной и активной зонами, каталитические нагревательные элементы, выполненные из пористого материала, включающие катализатор, расположенный на носителе, и теплообменники (Поливода Ф.А. Каталитические котлы и энергоустановки, МЭИ, 2003, с. 54-55).
Недостатками известного котла являются: нерациональное конструктивное выполнение излучающих каталитических элементов, которое снижает на 30% интенсивность инфракрасного излучения и уменьшает бинарную радиационно-конвективную теплопередачу к теплоприемникам, а также повышает взрывоопасность котла.
Наиболее близким к заявляемому по технической сути является котел водогрейный, содержащий корпус с экономайзерной и активной зонами, устройство подготовки топливо-воздушной смеси и устройство дымоудаления, каталитические нагревательные элементы, выполненные из пористого материала и включающие катализатор, расположенный на носителе, и теплоприемники /RU 39687, F24H 1/00, 2004/. Данное техническое решение выбрано за прототип. Отличительной особенностью прототипа является то, что он снабжен отражающим замкнутым экраном, установленным в активной зоне с зазором относительно внутренней поверхности корпуса. Каждый каталитический элемент выполнен из магнитного материала с магнитной восприимчивостью от 3,6·106 до 106·10 6 ГсЭ/г в виде полой камеры с продольным сечением в форме трапеции, две противоположно расположенные боковые стенки которой выполнены в виде излучающих пластин. Теплоприемники выполнены в виде трубчатых змеевиков с ребрами, при этом змеевики с ребрами, размещенные в активной зоне, на внешней своей стороне имеют покрытие, обладающее селективными свойствами, с толщиной 50-80 мкм, и выполненное из оксидов магнитных металлов переходных групп. Причем змеевики с ребрами, размещенные в активной зоне, установлены вокруг каталитических нагревательных элементов на расстоянии от внешней поверхности излучающих пластин, равным 7-14 мм, а между змеевиками, расположенными в экономайзерной зоне в средней ее части, установлены средства для сбора конденсата.
К недостаткам прототипа следует отнести, во-первых, низкую энергетическую эффективность, а, во-вторых, повышенную нагрузку на окружающую среду. Первый недостаток обусловлен тем обстоятельством, что трубная решетка теплообменника реакторной зоны котла состоит из 1-го ряда труб расположенных напротив излучающих пластин и выполнена с большим межтрубным зазором - 12 мм. Вследствие этого значительная доля ИК-излучения проходит, минуя теплоприемные поверхности. Кроме того, низкая скорость движения дымовых газов в экономайзере ограничивает их тепловосприятие и, соответственно, теплоперенос. Второй недостаток обусловлен значительным количеством выбросов окислов азота NOx с дымовыми газами, образующимися вследствие неполного сжигания газового топлива на различных режимах работы водогрейного котла.
Авторы решали задачу по созданию водогрейного котла, лишенного указанных недостатков. Технический результат заключается в повышении энергетической эффективности и снижении нагрузки на окружающую среду.
Для решения поставленной задачи, а также для достижения заявленного технического результата предлагается котел водогрейный, содержащий, как минимум, один вертикально расположенный нагревательный элемент, выполненный из пористого материала, теплообменники, содержащие оребренные трубы, устройство подготовки топливо-воздушной смеси и устройство дымоудаления. Отличительной особенностью предлагаемого водогрейного котла является то, что нагревательный элемент расположен между теплообменниками, содержит обращенные к теплообменникам пористые пластины толщиной 5-7 мм с объемной плотностью пор 60-70%, теплообменник содержит два или три ряда оребренных труб, расположенных горизонтально, причем каждое ребро загнуто с двух противоположных сторон до соприкосновения с соседним ребром, а трубы установлены так, чтобы образовавшиеся плоскости гиба ребер были повернуты относительно плоскости пластин на угол от 70 до 80°.
Дополнительно предлагается котел снабдить шестью нагревательными элементами, объединенными в три ячейки, установленные на едином основании. При этом в канале, соединяющем устройство подготовки топливо-воздушной смеси с ячейками может быть размещен перфорированный лист.
Дополнительно предлагается котел снабдить системой окон, оборудованных прозрачными термостойкими стеклами.
Дополнительно предлагается зазор между пористыми пластинами и оребренными трубами выполнить от 40 до 50 мм.
Дополнительно предлагается ребра загнуть на угол, составляющий от 80 до 88°.
Дополнительно предлагается зазор между ребрами в местах их крепления к трубе выполнить от 3 до 5 мм.
Дополнительно предлагается ребра выполнить с толщиной составляющей от 0.8 до 1,2 мм.
Также дополнительно предлагается выполнить оребренные трубы с шагом оребрения от 3 до 6 мм.
Выполнение котла водогрейного с нагревательным элементом, расположенным между теплообменниками и содержащим обращенные к теплообменникам пористые пластины толщиной 5-7 мм с объемной плотностью пор 60-70% позволяет организовать эффективную передачу тепла от нагревательного элемента к теплообменникам. Выполнение теплообменника с двумя или тремя рядами оребренных труб, расположенных горизонтально так, чтобы каждое ребро было загнуто с двух противоположных сторон до соприкосновения с соседним ребром, а трубы установлены так, чтобы образовавшиеся плоскости гиба ребер были повернуты относительно плоскости пластин на угол от 30 до 40° приводит к тому, что трубная решетка становится светонепроницаемой и значительно эффективнее утилизирует тепло поступающее от горелок в виде ИК-излучения. Кроме того, указанный выше характер оребрения труб, их взаимное расположение обеспечивают значительное повышение скорости потока дымовых газов, как следствие возрастает тепловосприятие в экономайзерной зоне из-за увеличения коэффициента теплопередачи. Выполнение нагревательного элемента с пластинами указанной толщины и объемной плотностью пор совместно с конструктивным исполнением трубной решетки позволяет эффективно сжигать топливо без образования вредных примесей CO и NOx.
Исполнение водогрейного котла с шестью нагревательными элементами, объединенными в три ячейки, установленные на едином основании совместно с канале, совместно с размещением перфорированного листа с заданной пропускной способностью в канале, соединяющем устройство подготовки топливо-воздушной смеси с ячейками, позволяет добиться равномерного распределения газового топлива в каждую из трех ячеек горелочного блока.
Оснащение котла системой окон, оборудованных прозрачными термостойкими стеклами, позволяет обеспечить визуальный контроль и регулирование процесса горения газового топлива.
Выполнение котла с зазором между пористыми пластинами и оребренными трубами в диапазоне от 40 до 50 мм обеспечивает эффективный дожиг CO.
Выполнение водогрейного котла с указанными геометрическими параметрами оребренных труб позволяет увеличить скорость дымовых газов и интенсифицировать конвективный теплообмен.
Таким образом, достигается указанный технический результат.
На фиг. 1 представлен поперечный разрез водогрейного котла, на фиг.2 представлен продольный разрез котла, на фиг. 3, 4 и 5 представлены три проекции оребренной трубы, на фиг. 6 показана оребренная труба в аксонометрии, где 1 - нагревательный элемент, объединяющий несколько пористых пластин, 2 и 3 - теплообменники, содержащие оребренные трубы, 4 - устройство подготовки топливо-воздушной смеси включающее эжектор и вентилятор, 5 - устройство дымоудаления, 6 и 7 - пористые пластины, 8 - ребро, 9 - ячейка, объединяющая нагревательные элементы, 10 - основание, 11 - канал, соединяющий устройство подготовки топливо-воздушной смеси с ячейками, 12 - перфорированный лист, 13 - смотровое окно, 14, 15 - электроды розжига, 16 - корпус, 17, 18 - патрубки удаления конденсата, 19 - патрубок ввода газа. Пористые пластины 6 и 7 выполнены толщиной 5-7 мм с объемной плотностью пор 60-70% и имеют изотропную или анизотропную структуру в поперечном сечении пластины. Оребренные трубы теплообменников 2 и 3 установлены так, чтобы образовавшиеся плоскости гиба ребер были повернуты относительно плоскости пластин на угол α, находящийся в диапазоне от 70 до 80° (70°≤α<80°). Зазор A между пористыми пластинами 6, 7 и оребренными трубами теплообменников 2 и 3 составляет от 40 до 50 мм (40≤A≤50). Ребра загнуты на угол β, составляющий от 80 до 88° (80°≤β≤88°). Зазор между ребрами B в местах их крепления к трубе составляет от 3 до 5 мм (3≤B≤5). Толщина ребра C составляет от 0.8 до 1,2 мм (0,8≤C≤1,2). Шаг оребрения D составляет от 3 до 6 мм (3≤D≤6).
Котел водогрейный работает следующим образом. Перед началом работы теплообменники 2 и 3 подключают к водяному контуру (на фигурах не показан). Устройство подготовки топливно-воздушной смеси 4 через патрубок ввода газа 19 подключают к газовой сети (на фигурах не показана). Патрубки удаления конденсата 17 и 18 подключают к дренажной системе (на фигурах не показана). Устройство дымоудаления 5 подключают к дымоходу (на фигурах не показан). Топливный газ, проходя по устройству подготовки топливно-воздушной смеси 4 эжекторно смешивается с воздухом и при помощи вентилятора нагнетается в канал 11, соединяющий устройство подготовки топливо-воздушной смеси 4 с ячейками 9. Проходя через перфорированный лист 12 с заданной пропускной способностью топливная смесь распределяется по ячейкам 9 и проникает через пористые пластины 6 и 7. В поперечном сечении пористая пластина 6 или 7 может иметь как изотропную так и анизотропную структуру. Пористая структура и материал пластин 6 и 7 обеспечивает больший ресурс работы в условиях инфракрасного излучения и циклического термонагружения. Топливо-воздушную смесь разжигают при помощи электродов розжига 14 и 15. Горение топливо-воздушной смеси происходит в толще пластин 6 и 7. При этом беспламенное сгорание сопровождается мощным инфракрасным излучением с длиной волны от 1,5 до 7,5 мкм при температуре пластин 650-850°C. Тепло, выделившееся от пластин 6 и 7 передается на оребренные трубы теплообменников 2 и 3, где происходит поглощение тепла и нагрев воды. Вода, при прохождении по трубам теплообменников 2 и 3 нагревается за счет инфракрасного излучения пластин 6 и 7 (лучистое тепло) и использованных дымовых газов (конвективное тепло). Для визуального контроля процесса горения, в корпусе 16 предусмотрено смотровое окно 13, закрытое термостойким стеклом. Нагретая в теплообменниках 2 и 3 вода поступает в водяной контур. Охлажденные в теплообменнике 2 и 3 дымовые газы через устройство дымоудаления 5 направляются в дымоход. В процессе работы конденсат, образовавшийся на поверхностях за счет остаточного тепловыделения собирается внизу корпуса 16 и выводится в дренажную систему при помощи патрубков удаления конденсата 17 и 18.