ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
WATER HEATING DEVICE

Изобретение относится к области эффективных теплогенерирующих устройств.
При необходимости децентрализации теплоснабжения, например для отопительно-бытовых нужд с использованием воды или водосодержащих жидкостей, важную роль могут выполнять широко применяемые в химической промышленности аппараты погружного горения (АПГ), которые вместе с КИП (регулирование подачи воздуха и газа, автоматика контроля и безопасности) и системами подачи воздуха (вентилятор с приводом), а также подачи газа образуют установку погружного горения. Важным элементом этой установки является водонагревательное устройство, в котором осуществляется барботаж (пропускание через жидкость) продуктов сгорания, поступающих из горелок, с помощью трубчатых камер сгорания, опущенных выходом на 200-300 мм под уровень жидкости. Таким образом обеспечивается прямой контакт продуктов сгорания с нагреваемой жидкостью без использования теплообменников.
Известно устройство погружного горения (авторское свидетельство СССР на изобретение №1386216 от 28.04.1986 г.), содержащее бак с жидкостью, погружную горелку, а также патрубок выпуска продуктов сгорания в верхней части корпуса. Жидкость в баке нагревается теплом проходящих непосредственно через нее горячих выхлопных газов, генерируемых горелкой. Однако отсутствие непрерывного протока жидкости через бак не позволяет использовать это устройство для нужд теплофикации.
Известен парогазовый водонагреватель (Патент РФ №2079796 от 28.10.1991 г.), содержащий вертикальный бак с циркулирующей через него жидкостью, погружной камерой сгорания с горелкой и циркуляционной трубой, коаксиально размещенных в баке с кольцевыми зазорами относительно друг друга, вывод газа и сепарационный узел. Это устройство позволяет нагревать жидкость при непрерывном ее протоке через водонагреватель и обеспечивает меньшую потерю жидкости, уходящей с выхлопными газами. Однако заметного увеличения теплосъема водой в устройстве, несмотря на введенные конструктивные усложнения, ожидать не приходится из-за малой величины поверхностей теплопередачи от газа к жидкости и малых скоростей протекания выхлопного газа в каналах.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является аппарат погружного горения (Патент РФ №325974 от 21.01.1969 г.), принятый за прототип, содержащий бак с циркулирующей через него жидкостью, в котором вертикально установлены камеры сгорания с зазором между нижним обрезом и днищем бака, барботер, патрубки для ввода и вывода жидкости и удаления газов, дополнительная подпорная решетка и дополнительный патрубок подвода жидкости, подающий жидкость в сторону, противоположную подачи ее из основного патрубка. Дополнительная подпорная решетка установлена выше барботера так, что между ними имеется достаточно толстый слой жидкости, при этом дополнительный патрубок расположен выше уровня жидкости в баке.
Техническое решение по прототипу хотя и позволяет несколько увеличить теплосъем от выхлопного газа, но в нем все еще не полностью используется тепловой потенциал горючей смеси из-за недостаточного перемешивания продуктов сгорания с жидкостью. При этом в устройстве из-за установки дополнительной подпорной решетки существенно увеличено заглубление камеры сгорания, что требует соответствующего увеличения давления воздуха, поступающего в камеру сгорания, а следовательно, и увеличения мощности компрессора или вентилятора, подающего воздух в устройство. Кроме того, увеличенное заглубление камеры сгорания делает невозможным плавный, без взрывных хлопков, запуск устройства.
Для устранения недостатков прототипа и для решения задач повышения эффективности работы аппарата погружного горения при запуске и эксплуатации предлагается применительно к нагреву воды водонагревательное устройство, в основу которого положено решение следующих задач:
- увеличение удельного теплосъема с выхлопных газов в жидкость без дополнительных внешних энергозатрат,
- обеспечение плавных, без взрывных хлопков, запусков устройства.
Поставленные задачи решаются тем, что водонагревательное устройство содержит бак (например, цилиндрической формы) с днищем и крышкой, установленную в баке, по меньшей мере, одну вертикальную камеру сгорания (например, кольцевой формы) с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, залитую выше нижнего обреза камеры жидкость, патрубки подвода и отвода жидкости, отверстие отвода продуктов сгорания в крышке.
Новым в изобретении является то, что устройство дополнительно содержит магистраль горючего газа и воздушную магистраль с кранами, воздушный коллектор, газовый коллектор, горелки, центральную и промежуточную, примыкающую к боковой стенке бака полости, ограниченные стенками и сообщающиеся с патрубком подвода жидкости, расположенными в верхней части стенок этих полостей кольцевыми рядами разбрызгивающих отверстий. Камера сгорания расположена концентрично между центральной и примыкающей к стенке бака полостями и снабжена в нижней части в стенке росжиговыми сквозными отверстиями. Эти отверстия расположены ниже исходного уровня залитой в баке воды. Горелки связаны газодинамически с воздушным коллектором, соединенным через кран с воздушной магистралью и с газовым коллектором, связанным через кран с магистралью горючего газа. Горелки встроены равномерно по окружности в верхний торец кольцевой камеры сгорания. Разбрызгивающие отверстия в верхней части стенок полостей бака направлены в сторону наружной и внутренней стенок камеры сгорания.
При такой конструкции водонагревающего устройства:
- магистраль горючего газа и воздушная магистраль с кранами подводят к устройству компоненты топлива для обеспечения работы устройства.
- воздушный коллектор обеспечивает подачу воздуха, а газовый коллектор - горючего газа (например, природного газа) в заданном соотношении и с одинаковым расходом к каждой горелке;
- горелка, смешивая поступающие воздух и горючий газ, выдает гомогенную горючую смесь, которая сгорает в камере сгорания, образуя горячий выхлопной газ;
- центральная и промежуточная полости с сквозными отверстиями (в боковых, ограничивающих их стенках), направленными на камеру сгорания, обеспечивают за счет впрыска через разбрызгивающие отверстия жидкости в полости, смежные с камерой сгорания, увеличение теплосъема с выхлопных газов;
- применение камеры сгорания кольцевого типа позволяет существенно увеличить площадь поверхности выхлопного газа, контактирующей через боковые стенки с водой, что также увеличивает теплоотдачу выхлопных газов воде;
- розжиговые отверстия в боковой стенке камеры сгорания, расположенные между нижним срезом камеры сгорания и исходным уровнем жидкости, позволяют производить запуск устройства при меньшем избыточном давлении в камере сгорания из-за меньшего противодавления жидкости на нижнем ее срезе. Это дает возможность уменьшить начальный объем горючей смеси в камере сгорания и, соответственно, скачек давления в ней при запуске; зазор между нижним обрезом камеры сгорания и днищем бака необходим для облегчения прохода выхлопных газов из камеры сгорания в толщу воды в баке и улучшения теплоотдачи от газов к воде за счет интенсификации барботажа.
Горелки в камере сгорания могут быть расположены по окружности на расстоянии не более 10-12 диаметров выходного сечения горелки друг от друга, что, как показывает опыт, позволяет обеспечить гарантированную устойчивость фронта пламени в камере сгорания без применения дополнительных стабилизирующих конструктивных элементов.
Зазор между нижним обрезом камеры сгорания и днищем бака составляет не менее ширины выходного сечения камеры сгорания, что обеспечивает, по опытным данным, максимальную передачу тепла от горячих газов к жидкости при минимальной затрате мощности на сжатие воздуха, поступающего в камеру сгорания.
Расположение розжиговых сквозных отверстий в стенке камеры сгорания может обеспечивать заглубление ниже исходного уровня жидкости в баке на 25-35% меньше, чем заглубление нижнего обреза камеры сгорания. Это по опытным данным обеспечивает плавный запуск при практическом отсутствии уменьшения теплосъема с выхлопного газа, проходящего через розжиговые отверстия на номинальном режиме работы устройства.
Водонагревательное устройство может дополнительно содержать смеситель и кран вне бака, которые дают возможность создавать горючую смесь не в каждой горелке камеры сгорания, а централизованно в смесителе, причем воздушная магистраль соединена с воздушным коллектором последовательно через кран и смеситель, магистраль горючего газа дополнительно соединена со смесителем через кран, что позволяет подавать во все горелки камеры сгорания горючую смесь строго одинакового качества, упрощает конструкцию горелок и понижает стоимость устройства.
Таким образом решена поставленная в изобретении задача. Разработана конструктивная схема устройства, обеспечивающего нагрев проточной воды в баке с увеличенным удельным теплосъемом с выхлопных газов без дополнительных внешних энергозатрат с плавным, без взрывных хлопков многократным запуском.
Настоящее изобретение будет более понятно после рассмотрения последующего описания водонагревательного устройства со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1-2.
На фиг.1 показано схематически водонагревательное устройство.
На фиг.2 показана схема водонагревательного устройства с централизованной подачей горючей смеси.
Водонагревательное устройство (см. фиг.1) содержит бак 1, в частности цилиндрической формы, с днищем 2 и крышкой 3, установленную в баке, по меньшей мере, одну вертикальную камеру сгорания 4, патрубки 5 и 6 подвода и отвода жидкости соответственно и отверстие 7 отвода продуктов сгорания в крышке. Новым в изобретении является то, что устройство дополнительно содержит магистраль 8 горючего газа с краном 9, воздушную магистраль 10 с краном 11, воздушный коллектор 12, газовый коллектор 13, горелки 14, центральную (например, цилиндрическую) и промежуточную (например, кольцевую), примыкающую к боковой стенке бака 1 полости 15 и 16 соответственно, ограниченные стенками с расположенными в верхней части этих стенок кольцевыми рядами разбрызгивающих отверстий 17. Камера сгорания 4 может быть выполнена кольцевой, с зазором между нижним обрезом и днищем 2 бака 1. Камера сгорания 4 расположена концентрично между центральной и примыкающей к стенке бака полостями 15 и 16, соответственно, и снабжена в нижней части стенки розжиговыми сквозными отверстиями 18. Розжиговые отверстия 18 расположены ниже исходного уровня залитой в баке 1 воды. Горелки 14 связаны газодинамически с воздушным коллектором 12 и с газовым коллектором 13, Воздушный коллектор 12 соединен через кран 11 с воздушной магистралью 10. Газовый коллектор 13 связан через кран 9 с магистралью 8 горючего газа. Горелки 14 равномерно по окружности встроены в верхний торец камеры сгорания 4. Разбрызгивающие отверстия 17 в верхней части стенок полостей 15 и 16, направлены в сторону внутренней и наружной стенок камеры сгорания 4 соответственно. Полости 15 и 16 сообщаются с патрубком 5 подвода жидкости.
Водонагревательное устройство (см. фиг.2) может дополнительно содержать смеситель 19 и кран 20. Воздушная магистраль 10 соединена через кран 11 и смеситель 19 с воздушным коллектором 12. Магистраль 8 горючего газа соединена через кран 9 с газовым коллектором 13 и дополнительно через кран 20 со смесителем 19.
Работа устройства (см. фиг.1) осуществляется следующим образом. Перед запуском с помощью патрубка 5 подвода жидкости заполняются центральная и промежуточная полости 15 и 16 соответственно, откуда через разбрызгивающие отверстия 17 в стенках полостей 15 и 16 жидкость поступает в бак 1. Из бака 1 жидкость отводится через патрубок 6 отвода жидкости, чем обеспечивается такой проток жидкости через бак 1, при котором обеспечивается расчетный для запуска уровень заглубления камеры сгорания 4 и расположения розжиговых отверстий 18 ниже этого уровня жидкости. При запуске устройства в горелки 14 из магистрали 8 горючего газа через кран 9 и газовый коллектор 13 подается горючий газ, а из воздушной магистрали 10 через кран 11 и воздушный коллектор 12 подается воздух с расходом и давлением, ниже расчетных. При этом уровень жидкости в камере сгорания 4 понижается ниже уровня расположения розжиговых отверстий 18. В горелках 14 газ и воздух перемешиваются и образующаяся горючая смесь поджигается воспламенителем (не показано). От сгорания смеси образуется горячий выхлопной газ в камере сгорания 4, который, проходя через розжиговые отверстия 18 и жидкость в полости бака 1, поступает в отверстие 7 отвода продуктов сгорания в крышке 3. После запуска устройства устанавливаются номинальные значения подачи расходов горючего газа и воздуха, поступающих в горелки 14. Существенно увеличивается и образование продуктов сгорания и их давление в камере сгорания 4. При этом уровень воды в камере сгорания 4 понижается, а в баке 1, соответственно, повышается. Увеличенный расход выхлопного газа не может полностью пройти через розжиговые отверстия 18, и основное его количество проходит через нижний обрез камеры сгорания 4 в толщу жидкости в баке 1. Проходя сквозь толщу жидкости, выхлопной газ интенсивно отдает часть своего тепла жидкости, поступает в «наджидкостные» области бака 1 и далее через отверстие 7 в крышке 3 бака 1 уходит в атмосферу. В «наджидкостные» полости бака 1 также впрыскивается жидкость через разбрызгивающие отверстия 17 из центральной и промежуточной полостей 15 и 16 соответственно, что приводит к дополнительному отбору тепла жидкостью от выхлопного газа.
При работе устройства по фиг.2 при запуске кран 9 закрыт, открываются краны 20 и 11, горючий газ из магистрали 8 и воздух из магистрали 10 поступают в смеситель 19, где газ и воздух перемешиваясь образуют горючую смесь, которая далее через воздушный коллектор 12 подается во все горелки 14 камеры сгорания 4. Далее работа устройства проходит так же, как и в устройстве по фиг.1.
Погружной нагрев жидкости широко используется в химической промышленности для выпаривания различных растворов, а также в теплофикационных котельных установках. За счет прохождения выхлопного газа через толщу жидкости из погруженной в нее на 200-300 мм камеры сгорания теплосъем жидкости существенно выше, чем при использовании обычных теплообменных аппаратов. Внедрение в поток выхлопного газа струй жидкости через разбрызгивающие отверстия 17 дополнительно увеличивает отдачу тепла жидкости, при этом температура выходящего газа составляет 40-45°C против значения температуры 130, характерного для традиционных котельных. Это позволяет на 95-98% использовать теплоту сгорания топлива и повысить экологические показатели по вредным выбросам. К тому же простота конструкции устройства и исключение теплообменника позволяют снизить стоимость водонагревательного устройства на 30-40%. При этом промежуточная полость 16 помимо увеличения поверхности теплообмена жидкости с выхлопным газом уменьшает отток тепла из бака 1 за счет меньшей температуры присутствующей в ней жидкости по сравнению с температурой жидкости, поступающей в отвод 6. Это дополнительно повышает эффективность работы устройства.
Эффективность погружного нагрева воды, используемой для теплофикационных нужд, подтверждена экспериментально.