ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к водогрейным котлам для нужд отопления и горячего водоснабжения объектов коммунального, бытового и производственного назначения.
Водогрейные котлы широко известны в самых разных формах исполнения, которые характеризуются наличием в корпусе котла теплообменника и горелки, которая служит для нагрева проходящего через теплообменник теплоносителя, например, воды.
С целью снижения потерь тепла и эффективности котла, а также исключения необходимости в существенном охлаждении корпуса котла известен тип котлов, в которых горелка помещена в камеру сгорания, которая ограничена теплообменником со сплошной поверхностью теплообмена. То есть в данном типе котлов горелка и теплообменник расположены коаксиально друг другу и тем самым поверхность теплообмена экранирует стенку корпуса от излучения горелки. Пример такого рода водогрейного котла раскрыт в RU 45510 U1.
Известный котел имеет теплоизолированный корпус с боковой стенкой и двумя замыкающими элементами, внутрь которого устанавливается теплообменник с горелкой. Внутри теплообменника размещена горелка, вокруг которой расположена непрерывная поверхность теплообмена, которая задает камеру сгорания котла и полностью экранирует боковую стенку корпуса котла от излучения горелки.
Между теплообменником и боковой стенкой корпуса образован окружной канал, в который через отверстие для вывода дымовых газов перетекают дымовые газы из камеры сгорания и движутся вверх вдоль наружной стороны теплообменника и удаляются из котла через предусмотренный вверху патрубок для отвода продуктов сгорания.
Теплообменник образован двумя гофрированными окружными стенками, между которыми расположена перегородка. Эта перегородка делит внутренне пространство теплообменника на два канала. По одному каналу теплоноситель перемещается вертикально вниз и нагревается дымовыми газами, а потом внизу теплообменника теплоноситель изменяет направление своего движения на противоположное и движется по второму каналу вертикально вверх. Подвод холодного теплоносителя в теплообменник и отвод горячего теплоносителя из теплообменника осуществляется на одной и той же стороне теплообменника, а именно на его верхней стороне.
Недостатком известного котла является то, что он является так называемым двухходовым котлом, то есть котлом, в котором теплоноситель движется в двух противоположных направлениях. Подобное двухходовое движение теплоносителя приводит к высокому гидравлическому сопротивлению, которое может быть преодолено лишь с помощью использования достаточно мощного насоса. Кроме того, двухходовой котел требует конструктивно сложного и затратного при изготовлении теплообменника, который обеспечивает два пути потока теплоносителя и к тому же занимает достаточно много места и имеет значительный вес.
Другим недостатком данного котла является его недостаточная теплообменная поверхность. Несмотря на попытки увеличения теплообменной поверхности за счет гофров стенок теплообменника, эта поверхность все еще недостаточна для максимальной передачи тепла за один проход. Вследствие этого, дымовые газы, выходящие из камеры сгорания, имеют все еще высокую температуру и за счет этого, двигаясь по окружному каналу между теплообменником и боковой стенкой корпуса, значительно нагревают боковую стенку корпуса. Это приводит к значительным потерям тепла и, кроме того,  требует дополнительного охлаждения боковой стенки корпуса и/или дополнительных мероприятий по теплоизоляции этой стенки. Соответственно, снижается полезная мощность, а конструкция котла значительно усложняется.
Наконец, недостатком данного известного котла является гофрированное выполнение стенки. Гофры служат потенциальным местом удержания и осаждения, как загрязнений теплоносителя, так и продуктов сгорания. Это может приводить к дополнительному ухудшению теплообменной способности котла. Кроме того, гофры создают зоны, препятствующие протеканию теплоносителя, что еще больше увеличивает внутреннее гидравлическое сопротивление, с одной стороны, и дополнительно ухудшает теплообмен, с другой стороны.
Таким образом, задачей изобретения является предложить одноходовой водогрейный котел, использующий как низшую так и высшую теплоту сгорания, который при конструктивно простом выполнении обеспечивает значительную тепловую мощность при относительно малых размерах и требует меньших затрат и не нуждается в частом техническом обслуживании.
Указанная задача решается посредством одноходового водогрейного котла, использующего для нагрева теплоносителя как излучение горелки, так и конвективное тепло дымовых газов.
Соответствующий изобретению водогрейный котел содержит:
корпус, имеющий боковую стенку и два закрывающих элемента, которые жестко соединены с разными концами боковой стенки и формируют вместе с ней внутреннее пространство котла,
горелку, расположенную во внутреннем пространстве корпуса и соединенную с одним из закрывающих элементов,
теплообменник, расположенный во внутреннем пространстве корпуса между боковой стенкой корпуса и горелкой так, что он задает окружающую горелку камеру сгорания и экранирует боковую стенку корпуса котла от лучистого излучения горелки,
причем между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла сформирован окружной канал для прохождения дымовых газов, образовавшихся в камере сгорания, отличающийся тем, что закрывающие элементы корпуса выполнены так, что один из них образует входной коллектор для подвода подлежащего нагреву теплоносителя в котел, а другой – выходной коллектор для отвода нагретого теплоносителя из котла, теплообменник образован отдельными проточными в одном направлении трубками, каждая из которых одним концом подключена к входному коллектору, а другим концом - к выходному коллектору,
причем каждая трубка теплообменника имеет продолговатое поперечное сечение, продолговатые стороны которого задают расположенные напротив друг друга продолговатые теплообменные поверхности, одна из которых обращена к горелке, а другая – к боковой стенке корпуса котла,
причем трубки расположены так, что обращенная к горелке продолговатая теплообменная поверхность каждой трубки, по меньшей мере, частично перекрыта соседней трубкой,
причем обращенная к горелке теплообменная поверхность каждой трубки и перекрывающая ее соседняя трубка своей обращенной к боковой стенке корпуса теплообменной поверхностью образуют непрерывный проходной канал для прохода дымовых газов из камеры сгорания в указанный окружной канал для дымовых газов, образованный между теплообменником  и боковой стенкой корпуса котла.
Здесь следует пояснить значение некоторых используемых в описании и далее в формуле изобретения терминов.
Под «продолговатым сечением» трубки понимается любое сечение, в котором величина сечения в одном направлении (главное направление) превышает величину сечения в перпендикулярном направлении.
Указанное главное направление, в котором сечение имеет наибольшую протяженность, задает главную геометрическую ось сечения, причем поверхность трубки, расположенная между главной геометрической осью сечения и горелкой, называется как «обращенная к горелке теплообменная поверхность», в то время как поверхность трубки, расположенная между главной геометрической осью сечения и боковой стенкой корпуса котла, называется как «обращенная к боковой стенке корпуса котла теплообменная поверхность».
Указанные «обращенная к горелке» поверхность и «обращенная к боковой стенке корпуса котла» поверхность рассматриваются как «расположенные напротив друг друга» поверхности в не зависимости от их конкретного выполнения (прямолинейного или криволинейного, идентичного или различного).
Под «по меньшей мере, частичным перекрытием» теплообменных поверхностей соседних трубок понимается то, что одна из трубок закрывает, по меньшей мере, часть обращенной к горелке теплообменной поверхности соседней трубки от прямого воздействия лучевого излучения горелки.
Под «толщиной теплообменника» понимается расстояние между камерой сгорания и окружным каналом для дымовых газов, которое занято теплообменником.
Под «окружным» каналом для дымовых газов понимается его прохождение по всему периметру между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла, а не форма его поперечного сечения в виде геометрически правильной «окружности».
В соответствующем заявленному изобретению котле выполнение одного торца корпуса котла в виде входного коллектора, а другого торца корпуса котла – в виде выходного коллектора в сочетании с проточными в одном направлении трубками теплообменника образует одноходовую систему котла. В этой одноходовой системе – в отличие от уровня техники – теплоноситель поступает с одной стороны котла, а выходит с другой стороны котла, причем внутри котла теплоноситель не изменяет направления своего движения и тем самым движется только в одном направлении (совершает один ход) от входного к выходному коллектору. Это не требует дополнительных элементов внутри котла и внутри теплообменника для изменения направления движения теплоносителя. Соответственно, получается более простой по структуре и изготовлению котел, в особенности, его теплообменник. Кроме того, это снижает вес всего котла и его водяной объем.
Выполнение теплообменника из множества отдельных трубок позволяет значительно увеличить теплообменную поверхность без существенного усложнения самой конструкции теплообменника и его внутреннего строения. Так отдельные трубки могут быть достаточно просто изготовлены и смонтированы внутри котла, в отличие от сложного в изготовлении сплошного в окружном направлении, двустенного теплообменника.
При этом выполнение трубок с продолговатым сечением позволяет без влияния на процесс (его простоту) и стоимость их изготовления и без усложнения их отдельного монтажа значительно увеличить общую теплообменную поверхность теплообменника. В то же время расположение таких продолговатых в поперечном сечении трубок с по меньшей мере частичным взаимным перекрытием (то есть под углом к горелке) позволяет, с одной стороны, получить указанный выше выигрыш в площади теплообменной поверхности без увеличения толщины теплообменника или даже с уменьшением этой толщины по отношению к известному уровню техники. С другой стороны, указанное расположение трубок с взаимным перекрытием позволяет сохранить присущий уровню техники, но реализуемый со значительными затратами и усложнением конструкции эффект полного экранирования боковой стенки корпуса котла от лучевого излучения горелки.
Таким образом, получается более простой в изготовлении, относительно легкий и менее объемный теплообменник с увеличенной теплообменной поверхностью и с эффектом полного экранирования стенки корпуса котла от горелки.
Указанное увеличение теплообменной поверхности также обусловлено наличием канала между трубками, который позволяет прохождение дымовых газов из камеры сгорания в окружной канал.
Наличие подобных каналов, имеющих относительно большую протяженность в продольном направлении котла, обеспечивает связь между камерой сгорания и окружным каналом для дымовых газов без необходимости изменения направления движения дымовых газов на противоположное и тем самым позволяет получение упрощенной конструкции котла, использующего нагрев теплоносителя, как с помощью лучевого излучения горелки, так и с помощью конвекции.
Кроме того, ввиду продолговатого выполнения трубок теплообменника и их расположения со взаимным перекрытием относительно горелки обеспечивается значительная длина и площадь каналов, конструктивно просто реализованная в минимальном пространстве. Проходя по этим каналам, дымовые газы претерпевают существенное охлаждение за счет передачи тепла теплообменным поверхностями трубок, так что они поступают в окружной канал уже достаточно охлажденными. В связи с этим, они не приводят к нагреву боковой стенки корпуса выше установленных нормативами температур и, тем самым, отпадает необходимость в специальном охлаждении или в обеспечении специальных изолирующих мероприятий для боковой стенки корпуса котла. Это существенно упрощает конструкцию котла и уменьшает его размеры и вес, а также сокращает тепловые потери.
Таким образом, указанное выполнение трубок в сочетании с их указанным расположением позволяет в минимальном конструктивном пространстве конструктивно упрощенным образом реализовать увеличенную теплообменную поверхность при устранении потерь тепла и тем самым получить легкий, компактный, конструктивно простой, водогрейный котел с увеличенной тепловой мощностью и уменьшенными тепловыми потерями.
Кроме того, использование указанной одноходовой системы котла, исключающей необходимость изменения направления течения теплоносителя внутри теплообменника на противоположное направление, уменьшает внутреннее гидравлическое сопротивление теплообменника и тем самым позволяет использовать менее мощные насосы для циркуляции теплоносителя. Этот эффект снижения гидравлического сопротивления усиливается за счет выполнения теплообменника из множества указанных однопроточных трубок, которые создают существенное общее проточное сечение теплообменника, что в свою очередь позволяет значительно уменьшить скорость движения теплоносителя внутри теплообменника. Уменьшенная, соответственно, невысокая скорость движения теплоносителя через трубки теплообменника, в свою очередь, позволяет более тяжелым частицам шлама оседать под действием силы тяжести во входном коллекторе, что значительно уменьшает засорение трубок теплообменника и облегчает очистку теплообменника и увеличивает периоды между техническим обслуживанием теплообменника. Этот эффект самоочистки, правда, имеет более существенное значение в случае вертикальной ориентации котла.
Другие возможные преимущества и выполнения следуют из приведенного ниже описания предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылками на чертежи, на которых показано:
фиг.1 – водогрейный котел согласно первому варианту осуществления изобретения,
фиг.2 – поперечное сечение котла вдоль линии А-А на фиг.1,
фиг.3 – водогрейный котел согласно второму варианту осуществления изобретения,
На фиг.1 представлен первый вариант осуществления соответствующего изобретению водогрейного котла для нагрева теплоносителя, например, воды, системы отопления или горячего водоснабжения.
Котел имеет корпус, который включает в себя окружную боковую стенку 1. В данном случае корпус имеет круглое поперечное сечение, однако возможны и другие формы поперечного сечения котла, которые известны специалистам.
На торцах, здесь на верхнем и нижнем торце, корпус замкнут посредством соединенных с боковой стенкой 1 замыкающих элементов 2 и 3. Теплообменник 4 здесь включает в себя теплообменные трубки 5 и трубные доски 6 и 7.
Замыкающие элементы (здесь вместе с трубными досками) образуют входной коллектор 8 и выходной коллектор 9.
Расположенный в данном варианте осуществления в нижней области котла входной коллектор 8 служит для подвода холодного теплоносителя в котел, для чего он имеет подающий патрубок 10, который соединен с не показанным здесь трубопроводом системы отопления. Соответственно расположенный здесь вверху выходной коллектор 9 служит для отвода нагретого/горячего теплоносителя из котла в систему отопления, для чего коллектор снабжен отводящим патрубком 11, соединенным с не показанным здесь трубопроводом указанной системы.
Внутри корпуса котла расположена горелка 12, которая закреплена в данном случае на выходном коллекторе 9.
Для снабжения горелки горючей смесью предусмотрен подвод (не показан) для горючей смеси, который проходит через выходной коллектор 8. Для воспламенения горючей смеси предусмотрен электрод 13, для контроля наличия пламени предусмотрен электрод 14.
Теплообменник 4 предусмотрен внутри корпуса котла, окружает горелку 12 и тем самым задает камеру 15 сгорания.
Между теплообменником 4 и боковой стенкой 1 корпуса котла предусмотрен окружной канал 16 для дымовых газов.
Теплообменник выполнен в виде множества отдельных прямых трубок 5, которые соединены одним концом с входным коллектором 8, а другим – с выходным коллектором 9. Каждая трубка 5 выполнена с продолговатым поперечным сечением, что наглядно представлено на фиг.2.
Продолговатое сечение предпочтительно выполнено в виде эллипса. Однако, возможны и любые другие формы, например, в виде прямоугольника или в виде более сложной, в том числе не симметричной геометрической формы. При этом предпочтительно, чтобы возможные углы поперечного сечения были скруглены.
Расположенные напротив друг друга продолговатые стороны поперечного сечения и, соответственно, продолговатые теплообменные поверхности каждой трубки здесь выполнены по существу прямолинейно и идентично друг другу.
Альтернативно, эти противолежащие поверхности могут быть выполнены также криволинейными, дугообразными и т.п., причем выполнение поверхностей не обязательно является идентичным, а может быть разным, например, одна поверхность выполнена выгнутой, а другая вогнутой. То есть возможны различные комбинации, которые определяются дополнительно.
Каждая трубка 5 теплообменника расположена не по радиусу, а с отклонением от радиального прохождения, так что продольная протяженность трубки и тем самым большая (главная) ось поперечного сечения расположена относительно радиуса котла с углом, отличным от 0 градусов.
Вследствие этого, каждая трубка 5 имеет обращенную к горелке теплообменную поверхность 17, и обращенную к боковой стенке корпуса котла теплообменную поверхность 18. При этом, как хорошо видно на фиг.2, обращенная к горелке теплообменная поверхность 17 каждой трубки 5 частично перекрыта соседней трубкой. Таким образом, отдельные трубки образуют непрерывную в радиальном направлении окружную стенку, которая полностью экранирует боковую стенку 1 корпуса котла от излучения горелки 12.
Между обращенной к горелке теплообменной поверхностью 17 каждой трубки 5 и обращенной к боковой стенке корпуса котла теплообменной поверхностью 18 соседней (перекрывающей ее) трубки 5 образован проходной канал 19, который соединяет камеру 15 сгорания с окружным каналом 16 для дымовых газов. Этот проходной канал 19 служит для пропускания дымовых газов из камеры 15 сгорания в окружной канал 16, но ввиду указанного расположения трубок исключает прохождение излучения от горелки 17. Разумеется, в проходных каналах 19 дымовые газы могут также двигаться не только к окружному каналу 16, но и параллельно ему (в представленном на фиг.1 варианте – сверху вниз).
На фиг.2 все трубки 5 выполнены одинаковыми. Однако, альтернативно возможно выполнение, в котором некоторые из трубок в направлении главной геометрической оси поперечного сечения выполнены более длинными и/или некоторые из трубок выполнены более короткими, так что одна из трубок может полностью перекрывать обращенную к горелке теплообменную поверхность соседней трубки. Это может быть необходимо для дополнительного увеличения теплообменной поверхности и/или сокращения веса и/или для использования в переходных областях теплообменника, имеющего более сложную, чем круг форму поперечного сечения.
В представленном на фиг.1 варианте осуществления изобретения в нижней части котла предусмотрен дефлектор 20, который своей сплошной верхней стенкой 21 ограничивает снизу камеру 15 сгорания. Дефлектор 20 имеет боковую окружную стенку 22, которая снабжена отверстиями для пропускания дымовых газов, которые в нижней части котла протекают из окружного канала 16 обратно через проходные каналы 19 между каждой парой соседних трубок 5 теплообменника к дефлектору 20.
Внутреннее пространство дефлектора 20 сообщается с дымоудаляющим выводом 23, предусмотренном во входном коллекторе 8. Через этот дымоудаляющий вывод 23 дымовые газы покидают котел.
Кроме того, входной коллектор дополнительно служит для сбора оседающих под действием силы тяжести в процессе работы котла загрязнений (шлам). Для удаления этих загрязнений, а также для слива воды при техническом обслуживании во входном коллекторе 8 предусмотрен дренажный штуцер 24, а в выводном коллекторе 9 — воздухоотводящий штуцер 25.
В представленном на фиг.1 водогрейном котле, при подаче горючей смеси на горелку и ее воспламенения, смесь горит на поверхности горелки в камере 15 сгорания. Излучение (лучистое тепло) от горелки 12 передается в камере 15 сгорания к трубкам 5. Возникающие в процессе горения дымовые газы проходят в проходные каналы 19 между трубками 5 теплообменника и по этим каналам 19 перемещаются к окружному каналу 16. В ходе перемещения дымовых газов в проходных каналах 19 и в окружном канале 16 происходит конвективная передача тепла от них к трубкам 5 теплообменника. Дальнейшее движение дымовых газов по окружному каналу 16 и отчасти также по проходным каналам 19 происходит вниз в направлении дефлектора 20. По достижении области дефлектора 20, дымовые газы проходят из окружного канала 16 и проходных каналов 19 через отверстия в дефлекторе во внутренне пространство дефлектора. Из внутреннего пространства дефлектора газы через дымоудаляющий вывод 23 выводятся за пределы котла.
Теплоноситель (вода) подается в нижний входной коллектор 8 и далее в трубки 5 теплообменника. В трубках теплоноситель течет вверх в противотоке с дымовыми газами и вначале нагревается только конвективным теплом дымовых газов. Затем теплоноситель протекает через расположенную в камере 15 сгорания область трубок 5 и одновременному подвергается нагреву как конвективным теплом дымовых газов, так и за счет излучения горелки 12. Окончательно нагретый таким образом теплоноситель через выходной коллектор 9 покидает котел.
Имеющиеся в теплоносителе котла загрязнения ввиду небольшой скорости движения по трубкам 5 теплообменника под действием силы тяжести оседают и собираются во входном коллекторе 8, тем самым не загрязняя трубки и последующие трубопроводы систем отопления. Из входного коллектора загрязнения могут по мере необходимости удаляться через дренажный вывод.
В случае выполнения соответствующего изобретению котла с большей мощностью вместо дефлектора предусматривается вторая горелка 26. Этот вариант выполнения представлен на фиг.3.
В таком случае, во входном коллекторе соответственно также предусматривается подвод для снабжения горелки 26 горючей смесью, а также предусмотрен электрод для поджигания горючей смеси, а также электрод контроля пламени.
При таком варианте выполнения котла дымоудаляющий вывод 27 предпочтительно предусмотрен не во входном коллекторе 8, а в боковой стенке 1 корпуса котла. А так же предусмотрен штуцер 28 удаления конденсата (в вертикальном исполнении конденсат удаляется через дымоход).
В остальном конструкция котла согласно фиг.3 по существу аналогична конструкция котла, представленного на фиг.1.
Работа котла согласно фиг.3 незначительно отличается от котла с фиг.1, но с учетом приведенных выше сведений будет понятна специалисту. Соответственно, в отдельном описании работы котла с фиг.3 здесь нет необходимости.
Хотя описанные выше варианты выполнения котла касаются его вертикальной ориентации, для специалиста должно быть очевидно, что соответствующий изобретению котел в равной степени может быть  использован и в горизонтальной ориентации без отхода от идеи изобретения, сформулированной в формуле изобретения.
Кроме того, дополнительно соответствующий изобретению котел может включать в себя различные усовершенствования.
В частности, трубки 5 теплообменника не обязательно расположены в один ряд, как представлено на фиг.2, а может быть предусмотрено несколько их рядов, что может очевидно увеличить степень теплообмена и может быть предпочтительно в случае котла с большой мощностью. Очевидно, что трубки 5 теплообменника не обязательно должны проходить строго перпендикулярно к коллекторам 8, 9, как показано на фиг.1 и 3. Они также могут проходит под некоторым другим углом к коллекторам 8, 9, что может положительно сказаться на увеличении теплообменной площади трубок и/или на уменьшении размеров теплообменника, поскольку ввиду наклонного (т.е. не перпендикулярного) расположения трубок, расстояние между коллекторами может быть сокращено даже без снижение теплообменной площади трубок. В случае нескольких рядов трубок, трубки по меньшей мере одно ряда могут быть наклонены иначе, чем трубки другого/других ряда/рядов или же располагаться перпендикулярно коллекторам, в отличие от наклонного расположения трубок в другом/других ряду/рядах.
Возможны и другие усовершенствования изобретения, которые будут очевидны для специалиста исходя из приведенного выше описания соответствующего изобретению котла и тем самым будут использовать идею изобретения.