ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РЕЗЕРВУАРНЫЙ

Изобретение относится к области теплотехники, в частности к газовым автоматизированным резервуарным водонагревателям и может быть использовано для нагрева воды и негорючих водных растворов в различных отраслях промышленности для комплектации установок питьевого, противопожарного, технологического и горячего водоснабжения.
Известен водонагреватель (см. а.с. СССР №390335 по кл. F 24 H 1/28, опуб. 1973 г.), содержащий резервуар, газовую горелку, жаровую трубу Г-образной формы, одним концом жестко закрепленную в стенке резервуара, и дымовую трубу. Нижняя часть дымовой трубы выполнена в виде служащего гидравлическим затвором колпака с прорезью в днище и с параллельными направляющими для свободного перемещения вертикального участка трубы, горизонтальный участок которой расположен на опорах, установленных на днище резервуара.
Недостатком данной конструкции является отсутствие отвода конденсата водяных паров и не достаточное использование его теплоты для нагрева воды в резервуаре. Вследствие этого снижен тепловой КПД водонагревателя и неизбежна неустойчивая работа горелки при попадании в ее проточную часть конденсата водяных паров, образующихся в жаровой трубе при температуре ее стенки ниже «точки росы по водяным парам».
Известен также водонагреватель (см. а.с. СССР №684261 по кл. F 24 H 1/28, опуб. 1979 г.), содержащий резервуар, газовую горелку, Г-образную жаровую трубу (одну или несколько), горизонтальным концом жестко закрепленную в стенке резервуара, и подключенную к горелочному устройству, противоположный конец каждого горизонтального участка трубы расположен на опорах, установленных на днище резервуара. Вертикальные участки Г-образных жаровых труб подключены к размещенной над крышей резервуара дымовой трубе и имеют соосно расположенные на каждом из вертикальных участков патрубки.
На нижней образующей начального участка (находящегося внутри резервуара) каждой жаровой трубы размещен патрубок отвода конденсата водяных паров. Выходной конец патрубка выведен наружу через стенку резервуара и располагается над воронкой дренажного коллектора.
Недостатком данного устройства, как и предыдущего аналога, является не использование теплоты конденсата водяных паров, конденсирующихся в жаровой трубе. Кроме этого, срок службы устройства снижает возможность деформации резервуара, обусловленная наличием гидрозатвора, препятствующего выравниванию давления между атмосферой и воздухом внутри резервуара, а также наличием изгибающих усилий на стенку резервуара, в которой закреплен горизонтальной участок
каждой из жаровых тру6, возникающих из-за размещения этого участка на опоре качения, которая не препятствует всплытию труб при заполнении резервуара.
Наиболее близким к заявляемому является водонагреватель емкостной газовый (свидетельство РФ на полезную модель №25581, по кл. F 24 H 1/28, опубл. 10.10.2002, бюлл. №28). Водонагреватель содержит резервуар, внутри которого расположены Г-образные жаровые трубы, горизонтальные участки каждой из которых одним концом жестко закреплены в стенке резервуара и подключены к горелочному устройству, противоположный конец каждого горизонтального участка трубы расположен на опорах, установленных на днище резервуара, вертикальные участки жаровых труб подключены к размещенным над крышей резервуара дымовым трубам, которые соосны расположенным на крыше вертикальным патрубкам.
Недостатком водонагревателя является недостаточно высокий тепловой КПД, обусловленный конструктивными ограничениями длины горизонтальных участков жаровых тру6, которые имеют среднюю температуру стенки выше «точки росы» по водяным парам. При этом водяные пары, образующиеся при сжигании газа, выводятся с дымовыми газами из жаровых труб и не конденсируются на их внутренней стенке. Тем самым теплота конденсации водяных паров безвозвратно теряется.
Изобретение направлено на решение задачи создания водонагревателя резервуарного, надежного в эксплуатации и имеющего повышенный тепловой КПД за счет использования теплоты конденсации водяных паров внутри жаровых труб.
Для решения поставленной задачи водонагреватель отличается тем, что каждый горизонтальный участок жаровых труб имеет уклон в сторону горелки, в нижней входной части каждой Жировой трубы размещено устройство для отвода конденсата водяных паров, состоящее из последовательно соединенных фильтра и конденсатного насоса, выход которого подключен к резервуару через обратный и запорный клапаны, соединенные с патрубком отвода конденсата, размещенным на нижней образующей жаровой трубы, причем приводом конденсатного насоса является газовый детандер, установленный перед горелочным устройством.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен продольный разрез водонагревателя, на фиг.2 - вид А (схема размещения устройства отвода конденсата), на фиг.3 - вид Б (поперечный разрез входного участка жаровой трубы), на фиг.4 - вид В (схема размещения средств защиты, измерения, контроля и автоматического управления водонагревателем).
Водонагреватель автоматизированный резервуарный (см. фиг.1) содержит цилиндрический теплоизолированный резервуар 1, с крышей 2, в котором расположены жаровые трубы 3, состоящие из соединенных друг с другом горизонтальных 4 и вертикальных 5 участков. Горизонтальные участки 4 одним концом закреплены в стенке резервуара 1, а другим концом - размещены на опоре скольжения 7, закрепленной на днище резервуара 1. Горизонтальные участки жаровых труб имеют уклон к наружной их части, в которой размещены горелки 6. На крыше 2 резервуара 1 расположены соосно вертикальным участкам 5 жаровых труб 3 патрубки 8, имеющие дефлекторы 9. Над крышей 2 размещена дымовая труба 10, являющаяся одновременно продолжением вертикального участка жаровой трубы. Верхняя часть каждой дымовой трубы оборудована дефлектором 11.
В нижней входной части горизонтальных участков жаровых труб (см. фиг.2) размещены фильтр конденсатный 12, насос 13 (с приводом 14), обратный клапан 15, запорный клапан 16 и патрубок 17 отвода конденсата в резервуар 1. Указанное устройство отвода конденсата комплектуется тепловым экраном 18.
На нижней образующей трубы закреплен также (см. фиг.3 и фиг.4) датчик 19 температуры стенки жаровой трубы.
Датчик 19 температуры стенки жаровой трубы подключен к блоку автоматического управления 33, к которому подключены также: 20 -датчик температуры уходящих дымовых газов; 21 - датчик входного давления топливного газа; 22 - датчик давления газа перед горелкой; 24 -датчик давления газа в обвязке горелки; 25 - датчик температуры топливного газа; 26 - датчик уровня воды в резервуаре; 27 - датчик температуры воды в резервуаре; 28 - датчик разрежения в жаровой трубе; 29 - датчик сигнализатора загазованности в укрытии горелки; 35 - датчик наличия пламени на горелке.
К блоку автоматического управления 33 подключены также следующие исполнительные механизмы: 31 - клапан предохранительный газовый; 32 - клапан регулирующий газовый. Блок автоматического управления 33 используется также для управления работой насоса 13 откачки конденсата из жаровой трубы и управления работой насосов подачи и отбора воды из резервуара (на схеме не показаны).
Обвязка горелки водонагревателя имеет на входном участке газопровода клапан термозапорный газовый 30. Обвязка имеет также свечу продувки газа 23, используемую в периоды подготовки водонагревателя к пуску или к длительной остановке.
Горелочное устройство 6 подключено к газовой обвязке горелки (арматурному блоку, контролируемому и управляемому блоком автоматического управления 33).
Подвод воздуха к каждой горелке 6 осуществляется по отдельному воздуховоду 34.
Подвод воды в резервуар 1 водонагревателя осуществляется по подпиточному и циркуляционному водоводам, а отвод воды - по отводящему водоводу (на чертежах не показаны).
Водонагреватель автоматизированный резервуарный работает следующим образом (далее приведено описание работы одногорелочного водонагревателя, двух- и трехгорелочные водонагреватели работают аналогично).
Подаваемый на обвязку водонагревателя топливный газ проходит последовательно клапан термозапорный 30, клапан предохранительный 31, клапан регулирующий 32, которые являются исполнительными механизмами блока автоматического управления 33. С их помощью осуществляются функции защиты и регулирования.
Клапан термозапорный 30 срабатывает и перекрывает подачу газа на водонагреватель при превышении температуры его корпуса выше 100°С (при пожароопасной ситуации).
При подаче управляющего сигнала от блока автоматического управления 33 клапан предохранительный 31 обеспечивает защиту водонагревателя путем отключения подачи газа на водонагреватель в следующих аварийных ситуациях:
- уменьшении ниже заданного уровня воды в резервуаре, контролируемого датчиком 26;
- недопустимом, контролируемом датчиком 19, повышении температуры стенки жаровой трубы (при накипеотложении на жаровой трубе или отсутствии воды в резервуаре);
- погасании пламени на включенной в работу горелке, при отсутствии сигнала с датчика наличия пламени 35;
- недопустимом превышении и понижении входного давления топливного газа перед обвязкой горелки, которое контролируется датчиком давления 22;
- недопустимом превышении и понижении входного давления топливного газа перед клапаном регулирующим 32 горелки, которое контролируется датчиком давления 24;
- недопустимом превышении и понижении входного давления топливного газа перед горелкой водонагревателя, которое контролируется датчиком давления 21;
- превышении температуры нагретой воды на выходе из водонагревателя выше аварийного значения, контролируемого датчиком температуры 27;
- уменьшении, в режиме работы горелки, разрежения перед горелкой ниже заданного значения, контролируемого датчиком разрежения 28;
- загазованности в зоне размещения обвязки горелки выше 20% нижнего концентрационного предела взрываемости, контролируемого датчиком 29 сигнализатора загазованности.
С помощью клапана регулирующего газового 32 блоком автоматического управления 33 осуществляется автоматическое регулирование (поддержание на заданном уровне) температуры воды в водонагревателе в заданном диапазоне путем изменения расхода газа на горелку.
Топливный газ после клапана 32 подается на вход привода насоса 14 (газового детандера, в котором работа расширения газа преобразуется в механическую работу вращения вала привода). Использование газового детандера в качестве привода 14 конденсатного насоса 13 позволяет повысить надежность отвода водяного конденсата из жаровой трубы. Так как количество образующегося конденсата пропорционально количеству сжигаемого на горелке 6 топливного газа, то применение газового детандера позволяет повысить надежность системы отвода конденсата за счет отказа от использования дополнительных датчиков, автоматических регуляторов и исполнительных механизмов.
С выхода привода 14 насоса газ поступает на горелку 6, размещенную внутри входного участка жаровой трубы 3. Технологический контроль расхода топливного газа на горелку 6 осуществляется блоком автоматического управления 33 при обработке результатов измерений температуры топливного газа и его давления - сигналов от датчиков температуры 25 и давления 22.
Воздух, необходимый для горения, подается по воздуховоду 34 к горелке 6 из атмосферы. Воздух к горелке подается за счет естественной тяги дымовой трубы 10. Контроль разрежения перед горелкой (тяги дымовой трубы) осуществляется датчиком разрежения 28.
Нагрев жидкости в резервуаре 1 осуществляется за счет передачи теплоты через стенку каждой из жаровых труб 3 от продуктов полного сгорания, выходящих из горелочных устройств 6.
Контроль заданной температуры воды в резервуаре осуществляется датчиком температуры 27, сигнал от которого поступает на блок управления 33, осуществляющего автоматическое регулирование (поддержание на заданном уровне) температуры воды в водонагревателе в заданном диапазоне путем изменения расхода газа на горелку с помощью клапана регулирующего газового 32.
Контроль заданного уровня воды в резервуаре осуществляется датчиком уровня 26, сигнал от которого поступает на блок управления 33. При уменьшении ниже заданного уровня воды в резервуаре, блоком управления 33 производится отключение подачи газа, а в случае превышения уровня воды в резервуаре выше заданного - производится выдача сигнала на отключение насосов подачи воды в резервуар.
Продукты полного сгорания топливного газа проходят внутри жаровой трубы, поступают в дымовую трубу 10, размещенную над крышей
2 резервуара и удаляются из нее в атмосферу за счет естественной тяги дымовой трубы. Контроль за температурой уходящих дымовых газов осуществляется с помощью датчика температуры 20.
При работе водонагревателя на основном рабочем режиме и, в особенности, в режиме поддержания низкой температуры воды (не выше 20°С), средняя температура стенки жаровой трубы 3 ниже температуры конденсации водяных паров на ее стенке или «точки росы по водяным парам». Контроль температуры стенки жаровой трубы осуществляется датчиком температуры 19. Конденсат водяных паров из продуктов полного сгорания топливного газа стекает вниз по жаровой трубе к ее входному участку, на котором размещено устройство для отвода конденсата. При воздействии теплового излучения горелки на пленку стекающего конденсата происходит его дегазация от углекислого газа. Затем конденсат поступает в фильтр конденсата водяных паров 12, в котором происходит его очистка от возможных механических включений и нейтрализация от поглощенного углекислого газа. После фильтра 12 состав и показатели качества конденсата соответствуют требованиям, предъявляемым исходной воде, подаваемой в водонагреватель.
Из фильтра 12 очищенный конденсат подается насосом конденсатным 13, к которому подключены обратный клапан 15 и запорный клапан 16, к патрубку отвода конденсата в резервуар 17, размещенному на нижней образующей жаровой трубы. При таком размещении перечисленное оборудование охлаждается конденсатом и воздействие теплового излучения горелки на него минимально.
Для защиты от теплового излучения горелки в период пуска, а также при возможной работе водонагревателя в режиме отсутствия конденсата на стенке жаровой трубы, устройство для отвода конденсата защищено тепловым экраном 18.
Использование теплоты конденсации водяных паров на стенке жаровых тру6, а также использование теплоты конденсата при смешении его в резервуаре с исходной водой, имеющей более низкую температуру, позволяет существенно повысить тепловой КПД водонагревателя. Тем самым достигается основная цель предлагаемого технического решения -повышение экономичности и надежности водонагревателя.