КОТЕЛ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ И ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ КОТЛА ОТОПИТЕЛЬНОГО

Область техники
Полезная модель относится к отопительным котлам и теплообменным аппаратам. Заявленные устройства могут быть использованы для автономного отопления жилых, производственных и иных помещений.
Уровень техники
Известен пластинчатый воздухоподогреватель по авторскому свидетельству на изобретение SU 1575062 (дата публикации - 1990.06.30, заявитель - Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт нефтяного машиностроения (SU), изобретатели - САМОТЕС Л.В. и другие). Пластинчатый воздухоподогреватель содержит теплообменные пластины, попарно соединенные между собой с образованием каналов. Каждая пластина снабжена коридорно расположенными опорными выступами, имеющими форму усеченного конуса, размещенными на разных сторонах пластины в чередующемся порядке и контактирующими с аналогичными выступами смежных пластин, и коридорно расположенными плоско-овальными турбулизирующими выступами, размещенными также в чередующемся порядке на разных сторонах пластины. Ряды опорных выступов чередуются с рядами турбулизирующих выступов. Края пластин из каждой пары и их контактирующие опорные выступы жестко соединены между собой.
Поток нагреваемого теплоносителя движется между пластинами перпендикулярно потоку продуктов сгорания, обмениваясь с ним теплом, при этом каналы для прохода теплоносителя имеют точно такую же конфигурацию, как и каналы для прохода продуктов сгорания.
Проходя через каналы, образованные парами пластин, потоки продуктов сгорания и нагреваемого теплоносителя встречают на своем пути опорные и турбулизирующие выступы, периодически рассекаются и образуют завихрения, благодаря чему теплообмен между ними интенсифицируется.
Недостатком аналога является короткий путь прохождения теплоносителя и, как следствие, недостаточно высокий КПД.
Наиболее близким аналогом предлагаемого решения является изобретение по международной заявке WO 01/92788, дата публикации - 2001.12.06, заявитель - SOUTHCORP AUSTRALIA PTY LTD (AU), изобретатель - ADAM Quentin Arthur Carl. Данный аналог обладает наибольшим числом признаков, общих с заявляемой полезной моделью, и может рассматриваться в качестве прототипа.
Изобретение касается конструкции каналов прохождения текучих сред в теплообменном аппарате водонагревателя.
Водонагреватель содержит корпус, камеру сгорания, по крайней мере один канал прохождения продуктов сгорания, по крайней мере один канал прохождения жидкого теплоносителя (воды), теплообменный аппарат. Теплообменный аппарат выполнен в виде ряда пар вертикально расположенных пластин, соединенных между собой таким образом, что между ними имеется, по крайней мере, по одному входу, выходу и каналу прохождения текучих сред - жидкого теплоносителя и газообразных продуктов сгорания. Каждая пластина снабжена выступами продолговатой формы, расположенными горизонтальными рядами, причем выступы в рядах расположены наклонно.
В одном из вариантов изобретения выступы на пластине во всех рядах наклонены под одним и тем же (по абсолютному значению) углом наклона, но при этом выступы в каждом последующем ряду наклонены в противоположную сторону по отношению к предыдущему.
Указанные выступы на пластинах, разделяющих потоки теплоносителей, выполняют функции турбулизаторов. Они отклоняют, рассекают и перемешивают в каналах теплообменного аппарата потоки текучих сред (продуктов сгорания и нагреваемой воды), таким образом увеличивая путь их прохождения и интенсифицируя теплообмен.
Вместе с тем прототип обладает рядом недостатков.
Использование теплообменных пластин с двухсторонним расположением выступов в каналах теплоносителей ограничивает возможность дальнейшего увеличения пути прохождения нагреваемой воды и, тем самым, увеличить КПД водонагревателя.
Кроме того, применяемые в прототипе пластины с выступами по обеим сторонам трудоемки в изготовлении.
Раскрытие полезной модели
В заявляемой полезной модели предпринята попытка устранить недостатки, присущие аналогу и прототипу.
Полезная модель направлена на достижение нескольких технических результатов, а именно:
- увеличение мощности отопительного котла;
- повышение КПД теплообменного аппарата и нагревательного котла в целом;
- обеспечение содержания углекислого газа (СО) в пределах нормы;
- обеспечение взрывобезопасности котла;
- обеспечение возможности чистки каналов прохождения продуктов сгорания.
Указанные технические результаты достигаются реализацией признаков котла отопительного и теплообменного аппарата указанного котла, совокупность которых составляет сущность заявляемой полезной модели.
Котел отопительный содержит корпус, газоподводящую трубу, блок автоматики, по крайней мере одну газовую горелку, камеру сгорания, по крайней мере один канал прохождения продуктов сгорания газа, по крайней мере один канал прохождения нагреваемого теплоносителя, теплообменный аппарат.
В отличие от прототипа, в отопительном котле под газовыми горелками установлен поддон с отверстиями. При этом отверстия в поддоне имеют щелевидную форму.
Блок автоматики и газоподводящая труба со стороны камеры сгорания закрыты слоем теплоизоляционного материала.
Теплообменный аппарат котла отопительного содержит корпус, каналы прохождения продуктов сгорания и нагреваемого теплоносителя, образованные корпусом и вертикальными разделяющими стенками П-образной формы, повернутыми друг относительно друга в вертикальной плоскости на угол 90° и последовательно соединенными между собой. На стенках каналов рядами расположены турбулизаторы.
В отличие от прототипа часть разделяющих стенок выполнены плоско-поверхностными, а часть - гофрированными, при этом плоско-поверхностные разделяющие стенки чередуются с гофрированными.
Турбулизаторы плоско-поверхностных разделяющих стенок представляют собой прикрепленные к указанным стенкам пластинчатые перегородки, размещенные в канале прохождения нагреваемого теплоносителя.
Турбулизаторы гофрированных разделяющих стенок представляют собой искривления указанных стенок, обращенные выступами в канал прохождения продуктов сгорания, а выемками - в канал прохождения нагреваемого теплоносителя.
Ширина турбулизаторов П-образных разделяющих стенок равна ширине боковых сторон указанных стенок. За счет этого в канале
прохождения продуктов сгорания выступы турбулизаторов гофрированных разделяющих стенок упираются в поверхность плоско-поверхностных стенок, а в канале прохождения теплоносителя турбулизаторы плоско-поверхностных разделяющих стенок упираются в промежутки между рядами турбулизаторов гофрированных стенок.
В канале нагреваемого теплоносителя, образованном зазором между корпусом теплообменного аппарата и блоком соединенных между собой разделяющих стенок, размещены П-образные пластинчатые перегородки. Они расположены в поперечной плоскости канала таким образом, что с трех сторон охватывают блок разделяющих стенок, и соединены с корпусом теплообменного аппарата. При этом торцы боковых пластин каждой перегородки выступают за край блока разделяющих стенок таким образом, что также соединены с корпусом. Каждая последующая П-образная перегородка повернута относительно предыдущей на 180°.
Площадь поперечного сечения выступа турбулизатора гофрированных разделяющих стенок в канале прохождения продуктов сгорания меньше площади поперечного сечения промежутка между выступами.
Верхняя часть корпуса теплообменного аппарата выполнена съемной.
Краткое описание чертежей
Заявляемая полезная модель проиллюстрирована чертежами (фиг.1-7). На фиг.1 и 2 представлена общая конструкция котла нагревательного: на фиг.1 - главный вид в разрезе, на фиг.2 - вид сбоку в разрезе.
На фиг.3 показана схема расположения турбулизаторов плоско-поверхностных разделяющих стенок, размещенных в канале прохождения нагреваемого теплоносителя.
На фиг.4 показана схема расположения турбулизаторов на гофрированной разделяющей стенке.
На фиг.5 показан фрагмент поперечного разреза А-А гофрированной разделяющей стенки, представленной на предыдущей фигуре.
На фиг.6 показана схема соединения пары разделяющих стенок - гофрированной и плоско-поверхностной (в аксонометрии).
На фиг.7 показана схема движения потока нагреваемого теплоносителя в теплообменном аппарате (в аксонометрии).
На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - корпус котла;
2 - газоподводящая труба;
3 - блок автоматики;
4 - газовые горелки;
5 - камера сгорания;
6 - теплообменный аппарат;
7 - поддон;
8 - отверстия в поддоне;
9 - слой теплоизоляционного материала;
10 - корпус теплообменного аппарата;
11 - канал прохождения продуктов сгорания;
12 - канал прохождения нагреваемого теплоносителя;
13 - плоско-поверхностная разделяющая стенка;
14 - гофрированная разделяющая стенка;
15 - турбулизаторы плоско-поверхностных разделяющих стенок;
16 - турбулизаторы гофрированных разделяющих стенок;
17 - П-образные пластинчатые перегородки;
18 - съемная верхняя часть корпуса теплообменного аппарата;
19 - направление потока продуктов сгорания;
20 - направление потока нагреваемого теплоносителя.
Осуществление полезной модели
Конструкция отопительного котла показана на фиг.1 и 2.
Котел отопительный содержит корпус 1, газоподводящую трубу 2, блок автоматики 3, газовые горелки 4, камеру сгорания 5. В пространстве между корпусом котла и камерой сгорания расположен теплообменный аппарат 6.
Под газовыми горелками установлен поддон 7 с отверстиями 8 щелевидной формы.
Газоподводящая труба 2 и блок автоматики 3 со стороны камеры сгорания 5 закрыты слоем теплоизоляционного материала 9.
Теплообменный аппарат 6 котла содержит корпус 10, каналы прохождения продуктов сгорания 11 и нагреваемого теплоносителя 12, образованные корпусом 10 теплообменного аппарата и последовательно соединенными между собой чередующимися разделяющими стенками: плоско-поверхностными 13 и гофрированными 14. Разделяющие стенки имеют П-образную форму, они образованы одной средней и двумя боковыми прямоугольными пластинами, боковые пластины расположены под углом 90° к средней. Разделяющие стенки расположены вертикально; соседние стенки повернуты друг относительно друга в вертикальной плоскости на угол 90°.
На стенках каналов рядами расположены турбулизаторы 15 и 16.
Турбулизаторы 15 плоско-поверхностных разделяющих стенок (фиг.3) представляют собой прикрепленные к указанным стенкам пластинчатые перегородки, размещенные в канале прохождения нагреваемого теплоносителя 12.
Турбулизаторы 16 гофрированных разделяющих стенок (фиг.4) представляют собой искривления указанных стенок, обращенные выступами в канал прохождения продуктов сгорания 11, а выемками - в канал прохождения нагреваемого теплоносителя 12.
Эти турбулизаторы 16 имеют продолговатую форму, например, плоскоовальную (как показано на фиг.4, 5, 6, 7) или эллипсоидальную. Они расположены горизонтальными рядами с определенными интервалами между турбулизаторами и между их рядами. В каждом последующем ряду турбулизаторы наклонены в противоположную сторону по отношению к предыдущему ряду под одним и тем же углом наклона. Турбулизаторы в каждом последующем ряду по отношению к предыдущему ряду смещены на величину части шага между ними (фиг.4).
Ширина перегородок турбулизаторов 15 и выступов турбулизаторов 16 равна ширине боковых пластин соответствующих П-образных разделяющих стенок 13 и 14. Поэтому в канале прохождения продуктов сгорания 11 выступы турбулизаторов 16 гофрированных разделяющих стенок упираются в поверхность плоско-поверхностных стенок 13, а в канале прохождения нагреваемого теплоносителя 12 турбулизаторы 15 плоско-поверхностных разделяющих стенок упираются в промежутки между рядами турбулизаторов 16 гофрированных стенок 14 (фиг.6).
Площадь поперечного сечения выступа турбулизатора 16 гофрированных разделяющих стенок в канале прохождения продуктов сгорания меньше площади поперечного сечения промежутка между выступами (фиг.5).
В канале нагреваемого теплоносителя 12, образованном зазором между корпусом 10 теплообменного аппарата 6 и блоком соединенных между собой разделяющих стенок 13 и 14, размещены П-образные пластинчатые перегородки 17. Они расположены в поперечной плоскости канала таким образом, что с трех сторон охватывают блок разделяющих стенок, и
соединены с корпусом 10. При этом торцы боковых пластин каждой перегородки выступают за край блока разделяющих стенок и соединены с корпусом 10. Каждая последующая П-образная перегородка 17 повернута относительно предыдущей на 180°.
Верхняя часть 18 корпуса 10 теплообменного аппарата 6 выполнена съемной (фиг.1 и 2).
Таким образом, в теплообменном аппарате образованы вертикальные каналы для прохождения потока продуктов сгорания и горизонтальные каналы для прохождения потока нагреваемого теплоносителя.
Устройство работает следующим образом.
Нагрев теплоносителя производится за счет сгорания газа, подводимого к газовым горелкам 4 через газоподводящую трубу 2 с блоком автоматики 3. Блок автоматики осуществляет автоматическое включение и отключение горелки в зависимости от заданной температуры нагрева теплоносителя. Слой термоизоляционного материала 9 защищает газоподводящую трубу с блоком автоматики от нагрева, обеспечивая взрывобезопасность котла.
Под газовыми горелками 4 установлен поддон 7 с щелевидными отверстиями 8, через которые в камеру сгорания 5 поступает воздух. Расстояние между горелками и поддоном, форма, размеры и взаимное расположение отверстий выбраны таким образом, чтобы обеспечить поступление в камеру сгорания определенного количества воздуха, необходимого для наиболее полного сгорания газа. Этим обеспечивается экономия топлива и низкое содержание углекислого газа (СО) в потоке продуктов сгорания.
Поток продуктов сгорания перемещается через теплообменный аппарат вверх по направлению 19. Теплоноситель (например, вода) поступает снизу по каналу 12, нагревается и перемещается вверх по направлению 20.
Конструкция, размеры и взаимное расположение турбулизаторов, разделяющих стенок и перегородок обеспечивают серпантинный (змееобразный), максимально большой путь прохождения потоков теплоносителей, лучшее их перемешивание, одновременно обеспечивая жесткость теплообменного аппарата без установки дополнительных элементов жесткости.
Предложенная конструкция теплообменного устройства позволила увеличить мощность котла, КПД, а также уменьшить трудовые и материальные затраты, себестоимость единицы изделия.
Выполнение верхней части корпуса теплообменного аппарата съемной открывает доступ к каналу прохождения продуктов сгорания и позволяет осуществлять его чистку.
Изготовлен и испытан опытный образец данного устройства, испытания показали достижение в реализованном изобретении заявленных технических результатов.
Оптимальное количество гофрированных и плоско-поверхностных разделяющих стенок, оптимальные формы, размеры и расположение перегородок, турбулизаторов в каналах и отверстий в поддоне определены в результате расчетов и испытаний опытного образца.