ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к отопительной технике и горячему водоснабжению, а именно к области водогрейных котлов малой и средней теплопроизводительности, а также отдельно стоящих теплоутилизаторов конденсационного типа, устанавливаемых за теплогенерирующими установками, и может быть использовано для теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений.
Известны контактно-поверхностные водогрейные котлы, состоящие из радиационной части и контактной части (см. книгу Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели, изд. 4, М.: Стройиздат, 1988 г., С.69, 73, 76, патент РФ №2176766, МПК 7 F 24 H 1/00, 1/10, 2001 г.) - аналог.
2
X
Недостатками известных котлов являются загрязнение нагреваемой воды вредными компонентами (в том числе СО, СО, NO и др.), образующимися при сгорании топлива, на первой (контактной) стадии нагрева воды и низкий КПД при подаче в котел обратной сетевой воды с температурой 50 - 70°С, узкая область их применения, а также большие габариты и масса поверхностей нагрева радиационной части.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению является водогрейный котел, содержащий радиационную часть, состоящую из внутреннего цилиндра с внутренним днищем и кольцевой верхней трубной решеткой, к которой сверху прикреплена внутренняя крышка, имеющая патрубок с горелкой, снабженной патрубками подачи топлива и воздуха, и внешнего цилиндра, установленного концентрично внутреннему цилиндру с образованием межстеночного кольцевого зазора, при этом внешний цилиндр снабжен кольцевой нижней трубной решеткой с внешним днищем, имеющим патрубок подвода отопительной воды, и внешней крышкой с цилиндрической обечайкой, герметично связанной с патрубком горелки и имеющей патрубок отвода отопительной воды, при этом в межстеночном кольцевом зазоре, образованном внешним и внутренним цилиндрами, установлен пучок дымогарных труб для прохождения продуктов сгорания противотоком по отношению к восходящему потоку нагреваемой воды на отопление, и контактно-рекуперативную часть, расположенную параллельно по отношению к радиационной части, и состоящую из расположенных друг под другом внутри отдельного корпуса патрубка отвода топочных газов, каплеуловителя, трубчатого теплообменника для прохождения нагреваемой воды для горячего водоснабжения противотоком по отношению к двухфазному газожидкостному восходящему потоку, опорно-распределительной решетки, и коллектора с форсунками, при этом радиационная и контактно-рекуперативная части сообщены между собой посредством закрытого сборника жидкости, снабженного патрубком, соединенным с линией подачи жидкости, причем закрытый сборник жидкости имеет патрубок отвода излишка жидкости, кроме того, корпус контактно-рекуперативной части связан с закрытым сборником жидкости посредством по меньшей мере одной трубы возврата конденсата (см. патент РФ №2270405, МПК 7 F24Н 1/00, 1/10, 2006 г.) - прототип.
Недостатками известного решения являются недостаточно высокая интенсивность теплообмена в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части и большая масса корпуса контактно-рекуперативной части.
Сущность полезной модели заключается в том, что в водогрейном котле, содержащем радиационную часть, состоящую из внутреннего цилиндра, выполненного с внутренним днищем и снабженного жестко прикрепленной к наружной поверхности цилиндра сверху кольцевой верхней трубной решеткой, диаметр центрального отверстия которой равен наружному диаметру внутреннего цилиндра, а отверстия кольцевой верхней трубной решетки, расположенные по ее периферии, выполнены по концентрическим окружностям, причем к наружной боковой поверхности кольцевой верхней трубной решетки сверху жестко прикреплена внутренняя крышка с осевым отверстием, к краям которого сверху жестко прикреплен патрубок с разъемно установленной горелкой, снабженной патрубками подачи, соответственно, топлива и воздуха, и внешнего цилиндра, установленного концентрично внутреннему цилиндру с образованием межстеночного кольцевого зазора, при этом внешний цилиндр снабжен жестко прикрепленной к его нижнему основанию кольцевой нижней трубной решеткой, отверстия которой, расположенные по ее периферии, выполнены по концентрическим окружностям, причем оси отверстий совпадают с осями аналогичных отверстий в кольцевой верхней трубной решетке, а к краям центрального отверстия кольцевой нижней трубной решетки снизу жестко прикреплено внешнее днище, от нижней центральной части которого отходит патрубок подвода отопительной воды, при этом внешнее и внутреннее днища образуют межстеночное пространство для прохождения отопительной воды снизу вверх, и жестко прикрепленной к верхнему основанию внешнего цилиндра внешней крышкой с осевым отверстием, к краям которого сверху жестко прикреплена цилиндрическая обечайка, герметично связанная с патрубком горелки и снабженная жестко закрепленным на боковой поверхности цилиндрической обечайки в верхней ее части патрубком отвода отопительной воды, причем внешняя и внутренняя крышки, а также цилиндрическая обечайка и патрубок горелки образуют межстеночное пространство для прохождения отопительной воды снизу вверх; при этом в межстеночном кольцевом зазоре, образованном внешним и внутренним цилиндрами, установлен пучок дымогарных труб, жестко прикрепленных к краям соосных отверстий в кольцевой верхней и кольцевой нижней трубных решетках для прохождения продуктов сгорания сверху вниз противотоком по отношению к восходящему потоку нагреваемой воды на отопление, и контактно-рекуперативную часть, расположенную параллельно по отношению к радиационной части, и состоящую из расположенных друг под другом внутри отдельного корпуса жестко прикрепленных к корпусу патрубка отвода топочных газов, каплеуловителя, трубчатого теплообменника и опорно-распределительной решетки, а также разъемно прикрепленного к корпусу коллектора с форсунками, причем на трубчатом теплообменнике сверху жестко закреплен патрубок для подвода холодной воды, а снизу - патрубок для отвода нагретой воды на горячее водоснабжение, при этом радиационная и контактно-рекуперативная части сообщены между собой посредством разъемно прикрепленного снизу к кольцевой нижней трубной решетке и к нижней части корпуса контактно-рекуперативной части закрытого сборника жидкости, снабженного патрубком, соединенным с линией подачи жидкости, выполненной в виде всасывающего и напорного трубопровода с насосом и связанной с коллектором, причем закрытый сборник жидкости имеет патрубок отвода излишка жидкости, кроме того, к корпусу контактно-рекуперативной части в районе верхней части трубчатого теплообменника одним концом жестко прикреплена, по меньшей мере, одна труба возврата конденсата, другим концом введенная в закрытый сборник жидкости, согласно предлагаемому решению трубки трубного пучка трубчатого теплообменника прямые, плоскоовальные, а к корпусу контактно-рекуперативной части с двух противоположных сторон, имеющих меньшую ширину, на уровне трубного пучка жестко прикреплены две прямоугольные трубные решетки с имеющимися в них расположенными в шахматном порядке плоскоовальными отверстиями под плоскоовальные трубки трубного пучка трубчатого теплообменника, при этом шаги размещения отверстий в прямоугольных трубных решетках соответствуют шагам плоскоовальных трубок, плоскоовальные трубки жестко прикреплены к соответствующим отверстиям в прямоугольных трубных решетках, при этом трубное пространство трубчатого теплообменника герметично изолировано от окружающей среды посредством крышек трубных решеток, разъемно прикрепленных к прямоугольным трубным решеткам, при этом для перепуска воды из одного хода трубного пучка трубчатого теплообменника в другой в крышках трубных решеток предусмотрены герметично отделенные друг от друга перепускные камеры, кроме того, концы плоскоовальных трубок трубного пучка трубчатого теплообменника дополнительно обжаты на длину, равную толщине прямоугольных трубных решеток.
Задачей полезной модели является повышение интенсивности теплообмена в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части за счет уменьшения зазоров между его трубками, что позволяет уменьшить площадь проходного сечения в межтрубном пространстве трубчатого теплообменника, повышая скорость теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве трубчатого теплообменника при соблюдении технологических требований к креплению труб в трубных решетках сваркой и уменьшение массы корпуса контактно-рекуперативной части за счет уменьшения относительного горизонтального шага между трубами трубчатого теплообменника, что позволяет уменьшить ширину корпуса контактно-рекуперативной части и, соответственно, его материалоемкость при сохранении необходимой поверхности теплообмена.
Для решения поставленной задачи, согласно предлагаемому решению, трубки трубного пучка трубчатого теплообменника прямые, плоскоовальные, а к корпусу контактно-рекуперативной части с двух противоположных сторон, имеющих меньшую ширину, на уровне трубного пучка жестко прикреплены две прямоугольные трубные решетки с имеющимися в них расположенными в шахматном порядке плоскоовальными отверстиями под плоскоовальные трубки трубного пучка трубчатого теплообменника, при этом шаги размещения отверстий в прямоугольных трубных решетках соответствуют шагам плоскоовальных трубок, плоскоовальные трубки жестко прикреплены к соответствующим отверстиям в прямоугольных трубных решетках, при этом трубное пространство трубчатого теплообменника герметично изолировано от окружающей среды посредством крышек трубных решеток, разъемно прикрепленных к прямоугольным трубным решеткам, при этом для перепуска воды из одного хода трубного пучка трубчатого теплообменника в другой в крышках трубных решеток предусмотрены герметично отделенные друг от друга перепускные камеры, кроме того, концы плоскоовальных трубок трубного пучка трубчатого теплообменника дополнительно обжаты на длину, равную толщине прямоугольных трубных решеток.
Использование в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части плоскоовальных трубок с дополнительным обжатием их концов позволяет уменьшить зазоры между трубками, что уменьшает площадь проходного сечения в межтрубном пространстве трубчатого теплообменника. Это повышает скорость теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве трубчатого теплообменника, за счет чего повышается интенсивность теплообмена в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части. При этом соблюдаются технологические требования к креплению труб в трубных решетках сваркой. При этом использование в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части плоскоовальных трубок с дополнительным обжатием их концов позволяет уменьшить относительный горизонтальный шаг между ними. Это позволяет уменьшить ширину корпуса контактно-рекуперативной части и, соответственно, его материалоемкость и массу при сохранении необходимой поверхности теплообмена.
Предлагаемый водогрейный котел показан на чертежах. На фиг.1 показан осевой продольный разрез котла, на фиг.2 - разрез I-I фиг.1, на фиг.3 - разрез II-II фиг.1.
Водогрейный котел содержит радиационную часть 1, состоящую из внутреннего цилиндра 2, выполненного с внутренним днищем 3 и снабженного жестко прикрепленной, например, сваркой, к наружной поверхности цилиндра сверху кольцевой верхней трубной решеткой 4, диаметр центрального отверстия которой равен наружному диаметру внутреннего цилиндра 2, а отверстия кольцевой верхней трубной решетки 4, расположенные по ее периферии, выполнены по концентрическим окружностям, причем к наружной боковой поверхности кольцевой верхней трубной решетки 4 сверху жестко прикреплена, например, сваркой, внутренняя крышка 5 с осевым отверстием, к краям которого сверху жестко прикреплен, например, сваркой, патрубок 6 с разъемно установленной, например, на болтах, горелкой 7, снабженной патрубками 8 и 9 подачи, соответственно, топлива и воздуха, и внешнего цилиндра 10, установленного концентрично внутреннему цилиндру 2 с образованием межстеночного кольцевого зазора 1 1. Внешний цилиндр 10 снабжен жестко прикрепленной, например, сваркой, к его нижнему основанию кольцевой нижней трубной решеткой 12, отверстия которой, расположенные по ее периферии, выполнены по концентрическим окружностям, причем оси отверстий совпадают с осями аналогичных отверстий в кольцевой верхней трубной решетке 4, а к краям центрального отверстия кольцевой нижней трубной решетки 12 снизу жестко прикреплено, например, сваркой, внешнее днище 13, от нижней центральной части которого отходит патрубок подвода отопительной воды 14, при этом внешнее и внутреннее днища, соответственно, 13 и 3 образуют межстеночное пространство для прохождения отопительной воды снизу вверх, и жестко прикрепленной, например, сваркой, к верхнему основанию внешнего цилиндра 10 внешней крышкой 15 с осевым отверстием, к краям которого сверху жестко прикреплена, например, сваркой, цилиндрическая обечайка 16, герметично связанная с патрубком горелки 6, например, кольцевой крышкой, и снабженная жестко закрепленным, например, сваркой, на боковой поверхности цилиндрической обечайки 16 в верхней ее части патрубком отвода отопительной воды 17. Внешняя и внутренняя крышки, соответственно 15 и 5, а также цилиндрическая обечайка 16 и патрубок горелки 6 образуют межстеночное пространство для прохождения отопительной воды снизу вверх. В межстеночном кольцевом зазоре 11, образованном внешним и внутренним цилиндрами, соответственно 10 и 2, установлен пучок дымогарных труб 18, жестко прикрепленных, например, сваркой, к краям соосных отверстий в кольцевой верхней и кольцевой нижней трубных решетках, соответственно 4 и 12 для прохождения продуктов сгорания сверху вниз противотоком по отношению к восходящему потоку нагреваемой воды на отопление. Аппарат содержит контактно-рекуперативную часть 19, расположенную параллельно по отношению к радиационной части 1, и состоящую из расположенных друг под другом внутри отдельного корпуса 20 жестко прикрепленных, например, сваркой, к корпусу 20 патрубка отвода топочных газов 21, каплеуловителя 22, двух прямоугольных трубных решеток 23, размещенных с двух противоположных сторон корпуса 20, имеющих меньшую ширину, и опорно-распределительной решетки 24, а также разъемно прикрепленного, например, болтами, к корпусу 20 коллектора 25 с форсунками 26. В прямоугольных трубных решетках 23 имеются плоскоовальные отверстия, имеющие шахматное расположение, к которым жестко прикреплены, например, сваркой, прямые плоскоовальные трубки 27, составляющие трубный пучок трубчатого теплообменника 28, причем концы плоскоовальных трубок 27 трубного пучка трубчатого теплообменника 28 дополнительно обжаты на длину, равную толщине прямоугольных трубных решеток 23. Трубное пространство трубчатого теплообменника 28 герметично изолировано от окружающей среды посредством крышек трубных решеток 29, разъемно прикрепленных, например, болтами, к прямоугольным трубным решеткам 23. Для перепуска воды из одного хода трубного пучка трубчатого теплообменника 28 в другой в крышках трубных решеток 29 предусмотрены герметично отделенные друг от друга перепускные камеры 30. На трубчатом теплообменнике 28 сверху жестко закреплен патрубок для подвода холодной воды 31, а снизу - патрубок для отвода нагретой воды на горячее водоснабжение 32. Такое расположение обеспечит прохождение воды для горячего водоснабжения в трубчатом теплообменнике 28 противотоком по отношению к двухфазному газожидкостному восходящему потоку. Радиационная и контактно-рекуперативная части, соответственно 1 и 19 сообщены между собой посредством разъемно прикрепленного, например, болтами, снизу к кольцевой нижней трубной решетке 12 и к нижней части корпуса 20 контактно-рекуперативной части 19 закрытого сборника жидкости 33, снабженного патрубком 34, соединенным с линией подачи жидкости, выполненной в виде всасывающего и напорного трубопровода 35 с насосом 36 и связанной с коллектором 25. Закрытый сборник жидкости 33 имеет патрубок отвода излишка жидкости 37, жестко закрепленный на нем, например, сваркой, на высоте, соответствующей необходимому уровню жидкости в закрытом сборнике жидкости 33. К корпусу 20 контактно-рекуперативной части 19 в районе верхней части трубчатого теплообменника 28, а в предлагаемом решении в районе расположения верхних рядов трубного пучка, одним концом жестко прикреплена, например, сваркой, по меньшей мере, одна труба возврата конденсата 38, другим концом введенная в закрытый сборник жидкости 33.
Водогрейный котел работает следующим образом.
Закрытый сборник жидкости 33 предварительно заполняется технической водой из любого источника, которая в процессе работы агрегата замещается непрерывно вырабатываемым в контактно-рекуперативной части 19 конденсатом водяных паров, а в радиационную часть 1 через патрубок подвода отопительной воды 14 подается обратная сетевая вода.
Одновременно с этим в трубный пучок трубчатого теплообменника 28 через патрубок для подвода холодной воды 31 подается холодная вода. Далее на горелку 7 через патрубок 8 подается топливо, например, природный газ, которое сгорает в атмосфере воздуха, поступающего через патрубок 9, и, одновременно с этим, включается насос 36 для подачи технической воды из закрытого сборника жидкости 33 в коллектор 25. Продукты сгорания топлива, проходя сначала по внутреннему цилиндру 2, посредством радиационного теплообмена, а затем по дымогарным трубам 18, жестко закрепленным на кольцевой верхней трубной решетке 4 и кольцевой нижней трубной решетке 12, посредством конвективного теплообмена нагревают отопительную сетевую воду, подаваемую через патрубок 14 в межстеночное пространство, образованное внешним и внутренним днищами, соответственно 13 и 3 и далее проходящую в межстеночном кольцевом зазоре 11 противотоком к потоку газов в дымогарных трубах 18, до требуемой температуры прямой отопительной воды. Горячая вода, проходя в межстеночном пространстве, образованном внутренней и внешней крышками, соответственно 5 и 15, а также патрубком горелки 6 и цилиндрической обечайкой 16, охлаждает стенки внутренней крышки 5 и патрубка горелки 6 и через патрубок 17 направляется теплопотребителю. Топочные газы через дымогарные трубы 18 выходят снизу радиационной части 1 и, проходя через закрытый сборник жидкости 33, поступают в контактно-рекуперативную часть 19, где они вначале контактируют с каплями конденсата водяных паров в факелах форсунок 26 и, увлекая часть конденсата, переносят его на опорно-распределительную решетку 24. На последней происходит инверсия фаз: газ из сплошной фазы (под решеткой) превращается в дисперсную (над решеткой), а конденсат наоборот: из дисперсной (под решеткой) становится сплошной (над решеткой).
Таким образом, над решеткой формируется эмульсионный двухфазный восходящий поток газ-конденсат, который омывает внешнюю поверхность плоскоовальных трубок 27 трубчатого теплообменника 28, передавая физическую теплоту газов и теплоту конденсации водяных паров нагреваемой воде для горячего водоснабжения. Вода для горячего водоснабжения подается в трубчатый теплообменник 28 через патрубок 31 и через плоскоовальные отверстия первого хода в прямоугольной трубной решетке 23 поступает в плоскоовальные трубки 27 первого хода, проходит их и, вытекая из плоскоовальных отверстий первого хода в противоположной прямоугольной трубной решетке 23, попадает в перепускную камеру 30, предусмотренную в крышке трубной решетки 29, где меняет направление своего движения на 180°. Из перепускной камеры 30 вода через плоскоовальные отверстия второго хода в прямоугольной трубной решетке 23 поступает в плоскоовальные трубки 27 второго хода и, проходя таким образом через все ходы трубчатого теплообменника 28, движется в нем противотоком по отношению к потоку топочных газов.
Далее происходит сепарация конденсата из газового потока: конденсат по трубе возврата конденсата 38 возвращается в закрытый сборник жидкости 33, а газы, освободившись в каплеуловителе 22 от капель конденсата, удаляются из аппарата через патрубок отвода топочных газов 21 корпуса 20. Из закрытого сборника жидкости 33 конденсат, отводясь через патрубок 34, насосом 36 вновь подается по линии 35 в коллектор 25 с форсунками 26, а излишек конденсата удаляется из аппарата через патрубок отвода излишка жидкости 37. Горячая вода для горячего водоснабжения, нагретая в трубчатом теплообменнике 28 контактно-рекуперативной части 19, через патрубок 32 подается потребителю.
Предлагаемый водогрейный котел по сравнению с прототипом выигрывает в том, что использование в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части плоскоовальных трубок с дополнительным обжатием их концов позволяет повысить интенсивность теплообмена в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части при соблюдении технологических требований к креплению труб в трубных решетках сваркой. При этом использование в трубчатом теплообменнике контактно-рекуперативной части плоскоовальных трубок с дополнительным обжатием их концов позволяет уменьшить материалоемкость и массу корпуса контактно-рекуперативной части при сохранении необходимой поверхности теплообмена.