ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА (ВАРИАНТЫ)
HEAT-GENERATING UNIT (VERSIONS)

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в теплогенерирующих установках, предназначенных для отопления и горячего водоснабжения промышленных и жилых зданий и помещений.
Известна теплогенерирующая установка, содержащая теплообменник «жидкость-жидкость» с вертикальным цилиндрическим трубчатым корпусом и размещенным в нем теплообменным элементом в виде трубчатой спирали, соединенным с линиями подвода и отвода нагреваемой жидкости, циркуляционный насос и котлоагрегат, содержащий выполненный за одно целое с корпусом указанного теплообменника вертикальный цилиндрический трубчатый корпус, внутри которого размещены цилиндрическая жаровая труба, установленная продольно и соосно по отношению к корпусу котлоагрегата с образованием между ней и последним кольцевой полости, заполненной греющей жидкостью, газовую горелку и расположенный в верхней части корпуса котлоагрегата контактный теплообменник с водораспылителем, подключенным к выходу циркуляционного насоса, при этом нижняя часть контактного теплообменника сообщается с указанной кольцевой полостью, к нижней части которой подключен вход циркуляционного насоса, а теплообменный элемент теплообменника «жидкость-жидкость» установлен в указанной кольцевой полости (патент RU 2013710, МПК F24H 1/10, опубл. 30.05.1994 г.).
Наиболее близкой к предлагаемой теплогенерирующей установке по технической сущности является принятая за прототип теплогенерирующая установка, содержащая теплообменник «жидкость-жидкость» с корпусом, внутренняя полость которого заполнена греющей жидкостью, и теплообменным элементом, размещенным в указанном корпусе и подключенным к линиям подвода и отвода нагреваемой жидкости, циркуляционный насос, вход которого подключен к нижней части внутренней полости корпуса указанного теплообменника, и котлоагрегат, содержащий выполненный за одно целое с корпусом указанного теплообменника вертикальный цилиндрический трубчатый корпус с крышкой и выходной трубой для отвода продуктов сгорания, камеру сгорания с трубчатым корпусом, установленным продольно в корпусе котлоагрегата с образованием между последним и корпусом камеры сгорания кольцевой теплообменной полости с закрытым нижним торцом, служащей внутренней полостью указанного теплообменника, спиральный теплообменник, установленный в указанной кольцевой полости, газовую горелку, установленную в камере сгорания и подключенную к линиям подвода к ней газа и воздуха, и установленные в верхней части корпуса котлоагрегата выше камеры сгорания контактный теплообменник с конденсатором водяных паров, поднимающихся при работе установки вместе с продуктами сгорания из камеры сгорания к выходной трубе, и группу образующих водораспылитель водоподающих насадков, подключенных к выходу циркуляционного насоса и установленных над указанным контактным теплообменником, выполненным в виде короба с ситообразным днищем, заполненного засыпкой из колец Рашига, керамических шариков и т.п. (патент GB 2166853, МПК F24H 1/10, опубл. 14.05.1986 г.).
Наличие в известных установках громоздкого и массивного теплообменника с засыпкой усложняет конструкцию указанных установок и увеличивает их вес и габариты. В свою очередь, усложнение конструкции усложняет изготовление и повышает стоимость теплогенерирующей установки, а увеличение веса и габаритов усложняет ее транспортировку и монтаж и сужает область применения установки, т.к. не позволяет размещать ее в закрытых помещениях и на открытых площадках с малой полезной площадью и ограничениями по весу устанавливаемого оборудования.
3
Вместе с тем, известные установки имеют низкую эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, обусловленную тем, что контактный теплообменник расположен на большом удалении от газовой горелки, в связи с чем продукты сгорания поступают к нему с пониженной температурой, а нагрев воды осуществляется только проходящими через засыпку продуктами сгорания и теплом, отдаваемым корпусом камеры сгорания, при этом остается неиспользованной значительная часть тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате. Эффективность использования указанной тепловой энергии в известных установках снижается также вследствие того, что поступающая к водораспылителю контактного теплообменника вода охлаждается в процессе ее циркуляции из кольцевой полости котлоагрегата к указанному водораспылителю, а также вследствие образования на внешней стороне корпуса камеры сгорания, находящейся в контакте с греющей водой, накипи, которая снижает теплоотдачу от корпуса камеры сгорания к греющей жидкости. Вследствие низкой эффективности использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, повышается удельный расход газа, необходимый для нагрева единичного объема воды (например, 1 м) до заданной температуры и снижается КПД установки.
Вместе с тем, в известных установках испарение выходящей из водоподающих насадков жидкости осуществляется на большом удалении от камеры сгорания, вследствие чего снижается эффективность процесса горения газовоздушной смеси, что выражается в снижении полноты сгорания последней и увеличении содержания вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата.
Кроме того, используемый в контактном теплообменнике известных установок материал засыпки в виде керамических шариков в процессе эксплуатации установки постепенно разрушается от воздействия резких перепадов температуры, что вызывает необходимость периодической замены указанного материала, в результате чего усложняется эксплуатация установки и повышаются затраты на производство установкой горячей воды. Вместе с тем, в процессе разрушения материала засыпки образуется шлам, способный в установке по указанному выше патенту RU 2013710 частично или полностью забить узкие зазоры между трубчатой спиралью теплообменника «жидкость-жидкость», корпусом последнего и жаровой трубой, в результате чего подача воды к водораспылителю контактного теплообменника может заметно снизиться вплоть до полного прекращения, что в итоге снижает надежность работы установки. В установке по прототипу - патенту GB 2166853 указанный шлам оседает на днище корпуса котлоагрегата, что вызывает необходимость периодической очистки от шлама днища корпуса котлоагрегата, в результате чего усложняется эксплуатация установки и повышаются затраты на производство установкой горячей воды.
Задачей изобретения является создание теплогенерирующей установки, конструкция которой не содержит контактного теплообменника с засыпкой и при этом позволяет повысить эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, и снизить содержание вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата.
3
Техническим результатом, получаемым при практическом использовании изобретения, является снижение удельного расхода газа, необходимого для нагрева единичного объема воды (например, 1 м) до заданной температуры, и повышение КПД установки, что достигается за счет повышения эффективности использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате. Вместе с тем, техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и изготовления, а также снижение веса, габаритов и стоимости теплогенерирующей установки за счет исключения из ее конструкции громоздкого и массивного контактного теплообменника с засыпкой. Техническим результатом изобретения является также повышение экологической безопасности установки, обеспечиваемое за счет снижения содержания вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата. Кроме того, техническим результатом изобретения является упрощение эксплуатации установки и снижение затрат на производство установкой горячей воды за счет исключения присущей прототипу необходимости периодической замены материала засыпки в контактном теплообменнике и очистки от шлама днища корпуса котлоагрегата. Техническим результатом изобретения является также упрощение транспортировки и монтажа теплогенерирующей установки и расширение области ее применения, что обеспечивается за счет снижения веса и габаритов установки, позволяющего транспортировать последнюю даже на машинах с малой грузоподъемностью и размещать указанную установку как в закрытых помещениях с ограниченной полезной площадью и небольшой высотой, так и на открытых местах (например, на крышах, во дворах, в нишах и пристройках зданий и сооружений), имеющих ограничения по весу и/или габаритам устанавливаемого на них оборудования.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в теплогенерирующей установке по первому варианту, содержащей теплообменник «жидкость-жидкость» с корпусом, внутренняя полость которого заполнена греющей жидкостью, и теплообменным элементом, размещенным в указанном корпусе и подключенным к линиям подвода и отвода нагреваемой жидкости, циркуляционный насос, вход которого подключен к внутренней полости корпуса указанного теплообменника, предпочтительно к нижней части последней, и котлоагрегат, содержащий вертикальный или близкий к вертикальному корпус с крышкой и трубой для отвода продуктов сгорания, камеру сгорания с цилиндрическим трубчатым корпусом, установленным продольно в корпусе котлоагрегата с образованием между последним и корпусом камеры сгорания кольцевой теплообменной полости с закрытым нижним торцом, спиральный теплообменник, установленный в указанной кольцевой полости, газовую горелку, установленную в камере сгорания и подключенную к линиям подвода к ней газа и воздуха, и водоподающий насадок, установленный в верхней части корпуса котлоагрегата и подключенный к выходу циркуляционного насоса, в отличие от прототипа, согласно пункту 1 формулы изобретения теплообменник «жидкость-жидкость» установлен под котлоагрегатом и соединен своей верхней частью с нижней частью котлоагрегата с сообщением верхней части внутренней полости корпуса теплообменника «жидкость-жидкость» с камерой сгорания котлоагрегата и расположением упомянутого уровня греющей жидкости ниже камеры сгорания, а спиральный теплообменник служит для нагрева жидкости, подаваемой циркуляционным насосом к водоподающему насадку, и соединен своим нижним концом с выходом циркуляционного насоса, а верхним концом - с водоподающим насадком, выход которого сообщается с камерой сгорания котлоагрегата, при этом вход трубы для отвода продуктов сгорания подсоединен к кольцевой теплообменной полости котлоагрегата, предпочтительно к нижней части последней, в верхней части корпуса камеры сгорания выполнено сквозное отверстие, а водоподающий насадок размещен в указанном отверстии и направлен тангенциально к корпусу камеры сгорания с обеспечением возможности движения выходящей из указанного насадка жидкости по спирали вниз по внутренней стенке корпуса камеры сгорания, верхний конец которого расположен в верхней части корпуса котлоагрегата с торцевым зазором относительно крышки последнего, обеспечивающим проход через него продуктов сгорания из камеры сгорания в кольцевую теплообменную полость котлоагрегата. При этом газовая горелка может иметь цилиндрическую форму, может быть расположена коаксиально к корпусу камеры сгорания и может быть выполнена с возможностью формирования пламени с тепловым излучением, направленным преимущественно радиально от газовой горелки к внутренней поверхности корпуса камеры сгорания. При таком выполнении и расположении газовой горелки целесообразно, чтобы ее верхний конец был расположен под водоподающим насадком вблизи последнего, газовая горелка была выполнена предпочтительно в виде щелевой или инфракрасной газовой горелки, а корпус котлоагрегата имел цилиндрическую форму и был расположен коаксиально к корпусу камеры сгорания, при этом целесообразно, чтобы стенки корпуса котлоагрегата и корпуса камеры сгорания, обращенные к спиральному теплообменнику, были расположены вблизи витков последнего с образованием между указанными витками и упомянутыми стенками корпуса котлоагрегата и корпуса камеры сгорания спиралеобразного канала для прохода продуктов сгорания из камеры сгорания на вход трубы для отвода продуктов сгорания.
Спиральный теплообменник котлоагрегата может быть выполнен из гофрированной трубки, а корпус котлоагрегата и его крышка могут быть окружены кожухом с образованием между котлоагрегатом и указанным кожухом воздушной полости, встроенной в линию подвода воздуха к газовой горелке с возможностью движения подводимого воздуха по указанной воздушной полости в направлении от верхней к нижней части последней, при этом указанная воздушная полость имеет форму кольцевой полости в зоне расположения корпуса котлоагрегата.
Установка может быть снабжена емкостью для сбора и очистки конденсата, у которой нижняя часть заполнена водоочищающим материалом, предпочтительно раскислителем, например мелом, и сообщается выше уровня указанного материала с нижней частью внутренней полости теплообменника «жидкость-жидкость», а верхняя часть сообщается через гидравлический затвор с нижней частью кольцевой теплообменной полости котлоагрегата с возможностью слива из последней конденсата в указанную емкость самотеком и выполнена с переливным отверстием, подключенным к сливной линии и расположенным на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости в указанном теплообменнике.
Водоподающий насадок котлоагрегата может быть выполнен сужающимся к своему выходу.
Кроме того, спиральный теплообменник котлоагрегата может быть выполнен из цилиндрической трубки, а водоподающий насадок может быть выполнен цилиндрическим с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру указанной трубки, при этом водоподающий насадок может быть выполнен за одно целое с верхним концом спирального теплообменника или может быть совмещен с упомянутым отверстием корпуса камеры сгорания, которое в этом случае должно быть выполнено тангенциально к внутренней поверхности корпуса камеры сгорания и герметично соединено снаружи последнего с верхним концом спирального теплообменника.
Водоподающий насадок котлоагрегата может быть направлен вниз под заданным углом к горизонтальной плоскости, не превышающим 30°.
Корпус теплообменника «жидкость-жидкость» может быть выполнен трубчатым и может быть расположен продольно и предпочтительно соосно с корпусом котлоагрегата с расположением входа теплообменного элемента указанного теплообменника в нижней части, а выхода - в верхней части последнего, при этом корпус теплообменника «жидкость-жидкость» может быть выполнен за одно целое с корпусом камеры сгорания.
Кроме того, корпус теплообменника «жидкость-жидкость» может быть выполнен трубчатым и может быть расположен перпендикулярно к корпусу котлоагрегата. При этом установка может быть снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным котлоагрегатом и соответственно одним или более дополнительными циркуляционными насосами, число которых равно числу дополнительных котлоагрегатов, причем все котлоагрегаты установки идентичны по конструкции и у каждого дополнительного котлоагрегата нижняя часть соединена с верхней частью корпуса теплообменника «жидкость-жидкость» с сообщением камеры сгорания с верхней частью внутренней полости корпуса указанного теплообменника, а нижний конец спирального теплообменника соединен с выходом одного из дополнительных циркуляционных насосов, вход которого соединен с нижней частью внутренней полости корпуса теплообменника «жидкость-жидкость», при этом выход каждого дополнительного циркуляционного насоса соединен со спиральным теплообменником только одного дополнительного котлоагрегата.
При таком выполнении установки она может быть снабжена емкостью для сбора и очистки конденсата, у которой нижняя часть заполнена водоочищающим материалом, предпочтительно раскислителем, например мелом, и сообщается выше уровня указанного материала с нижней частью внутренней полости теплообменника «жидкость-жидкость», а верхняя часть сообщается через гидравлический затвор с нижней частью кольцевой теплообменной полости каждого котлоагрегата с возможностью слива из последней конденсата в указанную емкость самотеком и выполнена с переливным отверстием, подключенным к сливной линии и расположенным на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости в указанном теплообменнике.
Теплообменный элемент теплообменника «жидкость-жидкость» может быть выполнен в виде трубчатой спирали.
В другом варианте исполнения теплообменника «жидкость-жидкость» на каждом конце его корпуса может быть выполнена торцевая полость, отделенная от остальной внутренней полости указанного теплообменника поперечной перегородкой с отверстиями, а теплообменный элемент указанного теплообменника может быть выполнен в виде пучка теплообменных трубок, расположенных продольно корпусу теплообменника, равномерно распределенных по площади поперечного сечения внутренней полости указанного корпуса и герметично соединенных своими концами с отверстиями поперечных перегородок указанных торцевых полостей, одна из которых подключена к линии подвода, а вторая - к линии отвода нагреваемой жидкости.
Кроме того, теплообменник «жидкость-жидкость» может быть выполнен с возможностью нагрева воды для системы отопления и отдельно для системы горячего водоснабжения, для чего он может быть снабжен двумя линиями подвода и двумя линиями отвода нагреваемой жидкости и подключен с помощью одной линии подвода и одной линии отвода соответственно к выходу и входу системы отопления и с помощью второй линии подвода и второй линии отвода соответственно к выходу и входу системы горячего водоснабжения, при этом на каждом конце корпуса указанного теплообменника выполнена торцевая полость, отделенная от остальной внутренней полости указанного теплообменника поперечной перегородкой с отверстиями и разделенная на два отдельных отсека, а теплообменный элемент указанного теплообменника выполнен в виде пучка теплообменных трубок, расположенных продольно корпусу теплообменника, равномерно распределенных по площади поперечного сечения внутренней полости указанного корпуса и герметично соединенных своими концами с отверстиями поперечных перегородок указанных торцевых полостей, причем у одной из указанных торцевых полостей каждый из отсеков подсоединен к одной из указанных линий подвода нагреваемой жидкости, а у второй из указанных торцевых полостей каждый из отсеков подсоединен к одной из указанных линий отвода нагреваемой жидкости, при этом отсек, соединенный с линией подвода воды с выхода системы отопления, соединен указанными теплообменными трубками с отсеком, соединенным с линией отвода нагреваемой жидкости на вход системы отопления, а отсек, соединенный с линией подвода воды с выхода системы горячего водоснабжения, соединен указанными теплообменными трубками с отсеком, соединенным с линией отвода нагреваемой жидкости на вход системы горячего водоснабжения.
В другом варианте исполнения теплообменник «жидкость-жидкость» может быть выполнен с возможностью нагрева воды для системы отопления, отдельно для системы горячего водоснабжения и отдельно для вентиляционной системы, для чего он может быть снабжен тремя линиями подвода и тремя линиями отвода нагреваемой жидкости и подключен с помощью одной линии подвода и одной линии отвода соответственно к выходу и входу системы отопления, с помощью второй линии подвода и второй линии отвода соответственно к выходу и входу системы горячего водоснабжения и с помощью третьей линии подвода и третьей линии отвода соответственно к выходу и входу вентиляционной системы, при этом на каждом конце корпуса указанного теплообменника выполнена торцевая полость, отделенная от остальной внутренней полости указанного теплообменника поперечной перегородкой с отверстиями и разделенная на три отдельных отсека, а теплообменный элемент указанного теплообменника выполнен в виде пучка теплообменных трубок, расположенных продольно корпусу теплообменника, равномерно распределенных по площади поперечного сечения внутренней полости указанного корпуса и герметично соединенных своими концами с отверстиями поперечных перегородок указанных торцевых полостей, причем у одной из указанных торцевых полостей каждый из отсеков подсоединен к одной из указанных линий подвода нагреваемой жидкости, а у второй из указанных торцевых полостей каждый из отсеков подсоединен к одной из указанных линий отвода нагреваемой жидкости, при этом отсек, соединенный с линией подвода воды с выхода системы отопления, соединен указанными теплообменными трубками с отсеком, соединенным с линией отвода нагреваемой жидкости на вход системы отопления, отсек, соединенный с линией подвода воды с выхода системы горячего водоснабжения, соединен указанными теплообменными трубками с отсеком, соединенным с линией отвода нагреваемой жидкости на вход системы горячего водоснабжения, а отсек, соединенный с линией подвода воды с выхода вентиляционной системы, соединен указанными теплообменными трубками с отсеком, соединенным с линией отвода нагреваемой жидкости на вход вентиляционной системы.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в теплогенерирующей установке по второму варианту, содержащей теплообменник «жидкость-жидкость» с корпусом, внутренняя полость которого заполнена греющей жидкостью, и теплообменным элементом, размещенным в указанном корпусе и подключенным к линиям подвода и отвода нагреваемой жидкости, циркуляционный насос, вход которого подключен к внутренней полости корпуса указанного теплообменника, предпочтительно к нижней части последней, и котлоагрегат, содержащий вертикальный или близкий к вертикальному цилиндрический трубчатый корпус с расположенной в его верхней части трубой для отвода продуктов сгорания, камеру сгорания, расположенную внутри корпуса котлоагрегата, газовую горелку, установленную в камере сгорания и подключенную к линиям подвода к ней газа и воздуха, и установленные в верхней части корпуса котлоагрегата выше камеры сгорания конденсатор водяных паров, поднимающихся при работе установки вместе с продуктами сгорания из камеры сгорания к упомянутой трубе для отвода продуктов сгорания, и, по меньшей мере, один водоподающий насадок, подключенный к выходу циркуляционного насоса, в отличие от прототипа, согласно пункту 23 формулы изобретения теплообменник «жидкость-жидкость» установлен под котлоагрегатом и соединен своей верхней частью с нижней частью котлоагрегата с сообщением верхней части внутренней полости корпуса теплообменника «жидкость-жидкость» с камерой сгорания котлоагрегата и расположением упомянутого уровня греющей жидкости ниже камеры сгорания, каждый водоподающий насадок установлен с возможностью стекания выходящей из него жидкости в камеру сгорания котлоагрегата, а конденсатор водяных паров выполнен в виде сужающегося книзу замкнутого полого тела, установленного над газовой горелкой с радиальным зазором по отношению к корпусу котлоагрегата, обеспечивающим проход через него продуктов сгорания, поднимающихся из камеры сгорания к упомянутой трубе для отвода продуктов сгорания, и жидкости, стекающей из каждого водоподающего насадка в камеру сгорания, при этом полое тело снабжено установленным под ним сборником конденсата, расположенным с возможностью стекания в него конденсата с полого тела и снабженным сливной линией, выход которой сообщается с внутренней полостью теплообменника «жидкость-жидкость», внутренняя полость полого тела сообщается с выходом циркуляционного насоса, а каждый из водоподающих насадков закреплен в верхней боковой части указанного полого тела, подключен к выходу циркуляционного насоса через внутреннюю полость полого тела и направлен тангенциально к корпусу котлоагрегата с обеспечением возможности движения выходящей из указанного насадка жидкости по спирали вниз по внутренней стенке корпуса котлоагрегата, причем при выполнении котлоагрегата с несколькими водоподающими насадками последние расположены относительно корпуса котлоагрегата с обеспечением возможности движения выходящей из указанных насадков жидкости по внутренней стенке корпуса котлоагрегата в одном направлении. При этом газовая горелка может иметь цилиндрическую форму, может быть расположена коаксиально к корпусу котлоагрегата и может быть выполнена с возможностью формирования пламени с тепловым излучением, направленным преимущественно радиально от газовой горелки к внутренней поверхности корпуса котлоагрегата. При таком выполнении и расположении газовой горелки целесообразно, чтобы нижний конец упомянутого полого тела был расположен вблизи верхнего конца газовой горелки, а последняя была выполнена предпочтительно в виде щелевой или инфракрасной газовой горелки.
Установка может быть снабжена емкостью для сбора и очистки конденсата, у которой нижняя часть заполнена водоочищающим материалом, предпочтительно раскислителем, например мелом, и сообщается выше уровня указанного материала с нижней частью внутренней полости теплообменника «жидкость-жидкость», а верхняя часть сообщается через гидравлический затвор со сливной линией сборника конденсата полого тела котлоагрегата с возможностью слива конденсата из упомянутого сборника конденсата в указанную емкость самотеком и выполнена с переливным отверстием, подключенным к сливной линии и расположенным на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости в указанном теплообменнике.
Упомянутое полое тело может быть выполнено в виде расположенного соосно с корпусом котлоагрегата, обращенного вниз и выполненного в полном или усеченном виде тела вращения, например, конуса, сегмента сферы или эллипсоида и т.п., при этом на оси указанного тела вращения может быть установлен герметично входящий внутрь последнего патрубок для упомянутого сообщения внутренней полости указанного полого тела с выходом циркуляционного насоса с расположением нижнего конца указанного патрубка вблизи нижней стенки указанного тела вращения. В другом варианте выполнения тела вращения его верхняя стенка может быть выполнена в виде соосной с последним и обращенной вниз впадины с обеспечением плавного сужения внутренней полости указанного тела вращения в радиальном направлении от оси к периферии последнего, при этом в указанной верхней стенке выполнено осевое отверстие для упомянутого сообщения внутренней полости указанного полого тела с выходом циркуляционного насоса.
Кроме того, часть упомянутого полого тела, взаимодействующая с продуктами сгорания, поднимающимися при работе установки из камеры сгорания к упомянутой трубе для отвода продуктов сгорания, может быть выполнена гофрированной с расположением гофр предпочтительно продольно по отношению к корпусу котлоагрегата.
Каждый водоподающий насадок котлоагрегата может быть направлен вниз под заданным углом к горизонтальной плоскости, не превышающим 30°.
Корпус теплообменника «жидкость-жидкость» может быть выполнен трубчатым и соединен продольно и предпочтительно соосно с корпусом котлоагрегата с расположением входа теплообменного элемента указанного теплообменника в нижней части, а выхода - в верхней части последнего, при этом корпус теплообменника «жидкость-жидкость» может быть выполнен за одно целое с корпусом котлоагрегата.
В другом варианте корпус теплообменника «жидкость-жидкость» может быть выполнен трубчатым и соединен с корпусом котлоагрегата перпендикулярно к последнему. При этом установка может быть снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным котлоагрегатом и соответственно одним или более дополнительными циркуляционными насосами, число которых равно числу дополнительных котлоагрегатов, причем все котлоагрегаты установки идентичны по конструкции и у каждого дополнительного котлоагрегата корпус котлоагрегата соединен своей нижней частью с верхней частью корпуса теплообменника «жидкость-жидкость» с сообщением камеры сгорания с верхней частью внутренней полости корпуса указанного теплообменника, а каждый водоподающий насадок подключен через внутреннюю полость упомянутого полого тела к выходу одного из дополнительных циркуляционных насосов, вход которого соединен с нижней частью внутренней полости корпуса теплообменника «жидкость-жидкость», при этом выход каждого дополнительного циркуляционного насоса подключен к каждому из водоподающих насадков только одного дополнительного котлоагрегата.
При таком выполнении установки она может быть снабжена емкостью для сбора и очистки конденсата, у которой нижняя часть заполнена водоочищающим материалом, предпочтительно раскислителем, например мелом, и сообщается выше уровня указанного материала с нижней частью внутренней полости теплообменника «жидкость-жидкость», а верхняя часть сообщается через гидравлический затвор со сливной линией сборника конденсата полого тела каждого котлоагрегата с возможностью слива конденсата из упомянутого сборника конденсата в указанную емкость самотеком и выполнена с переливным отверстием, подключенным к сливной линии и расположенным на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости в указанном теплообменнике.
Входящий в установку по второму варианту теплообменник «жидкость-жидкость» имеет идентичное конструктивное исполнение с таким же теплообменником, входящим в установку по первому варианту, что отражено в формуле изобретения, в которой существенные признаки по пунктам 38-41, относящиеся ко второму варианту установки, полностью идентичны существенным признакам по пунктам 19-22, относящимся к первому варианту установки.
Выполнение теплогенерирующей установки по первому варианту в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения и по второму варианту в соответствии с пунктом 23 формулы изобретения позволяет исключить из конструкции указанной установки громоздкий и массивный контактный теплообменник с засыпкой, повысить эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, и снизить содержание вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата.
Эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, повышается в каждом из вариантов предлагаемой установки за счет расположения зоны контактного теплообмена непосредственно в камере сгорания котлоагрегата. При таком расположении зоны контактного теплообмена нагрев выходящей из водоподающего насадка жидкости происходит при непосредственном контакте последней с пламенем газовой горелки (лучистый теплообмен) и с горячими продуктами сгорания, а в первом варианте предлагаемой установки также и с горячей поверхностью внутренней стенки корпуса камеры сгорания, что позволяет повысить температуру греющей жидкости, заполняющей теплообменник «жидкость-жидкость».
3
Вместе с тем, эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, повышается также за счет обеспечения возможности движения выходящей из водоподающего насадка жидкости по спирали вниз по внутренней стенке корпуса камеры сгорания - в первом варианте или корпуса котлоагрегата - во втором варианте установки, что повышает площадь и время контакта единичного объема жидкости (например, 1 см) с пламенем газовой горелки и с горячими продуктами сгорания, а в первом варианте предлагаемой установки также и с горячей поверхностью внутренней стенки корпуса камеры сгорания, за счет чего, в конечном итоге, повышается температура греющей жидкости в теплообменнике «жидкость-жидкость».
Кроме того, эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, повышается в первом варианте исполнения предлагаемой установки также за счет того, что в ней обеспечивается предварительный нагрев жидкости, поступающей в зону контактного теплообмена котлоагрегата, осуществляемый в спиральном теплообменнике горячими продуктами сгорания, проходящими из камеры сгорания через кольцевую теплообменную полость котлоагрегата. Во втором варианте исполнения предлагаемой установки эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, повышается также за счет глубокой конденсации смешанных с продуктами сгорания водяных паров на конденсаторе, выполненном в виде сужающегося книзу замкнутого полого тела, снабженного сборником конденсата и установленного в непосредственной близости от камеры сгорания. В результате указанной конденсации водяных паров обеспечивается возможность получения конденсата с высокой температурой, используемого в качестве греющей жидкости в теплообменнике «жидкость-жидкость».
Повышению эффективности использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, в первом варианте предлагаемой установки способствует также исключение свойственной прототипу возможности образования накипи на стенках корпуса камеры сгорания и связанного с этим снижения теплоотдачи указанного корпуса. Исключение указанной накипи обеспечивается благодаря отсутствию греющей жидкости в кольцевой теплообменной полости котлоагрегата, что достигается за счет размещения теплообменника «жидкость-жидкость» под котлоагрегатом с расположением уровня греющей жидкости в указанном теплообменнике ниже камеры сгорания. Во втором варианте предлагаемой установки накипь на внутренней стенке корпуса котлоагрегата исключается благодаря тому, что указанный корпус защищается от пламени газовой горелки жидкостью, стекающей по спирали вниз по внутренней стенке указанного корпуса, вследствие чего последний имеет невысокую температуру.
Вместе с тем, введение в конструкцию предлагаемой установки по первому варианту предпочтительных отличительных признаков, содержащихся в зависимых пунктах 2-8 формулы изобретения, обеспечивает дополнительное повышение эффективности использования выделяемой при сгорании газа тепловой энергии за счет:
- усиления нагрева выходящей из водоподающего насадка жидкости теплом, излучаемым пламенем газовой горелки, а также теплом горячих продуктов сгорания и корпуса камеры сгорания, для чего газовая горелка имеет цилиндрическую форму, расположена коаксиально к корпусу камеры сгорания и выполнена с возможностью формирования пламени с тепловым излучением, направленным преимущественно радиально от газовой горелки к внутренней поверхности корпуса камеры сгорания, а верхний конец газовой горелки расположен под водоподающим насадком вблизи последнего, причем газовая горелка выполнена предпочтительно в виде щелевой или инфракрасной газовой горелки;
- усиления нагрева проходящей через спиральный теплообменник жидкости путем повышения количества тепла, передаваемого продуктами сгорания виткам спирального теплообменника и соответственно циркулирующей по ним жидкости, для чего корпус котлоагрегата имеет цилиндрическую форму и расположен коаксиально к корпусу камеры сгорания, при этом стенки корпуса котлоагрегата и корпуса камеры сгорания, обращенные к спиральному теплообменнику, расположены вблизи витков последнего с образованием между указанными витками и упомянутыми стенками корпуса котлоагрегата и корпуса камеры сгорания спиралеобразного канала для прохода продуктов сгорания из камеры сгорания на вход выходной трубы, а спиральный теплообменник изготовлен из гофрированной трубки;
- использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, для нагрева поступающего к газовой горелке воздуха с целью повышения эффективности процесса горения газовоздушной смеси, выражающегося в повышении полноты сгорания последней и снижении вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата, для чего корпус котлоагрегата и его крышка окружены кожухом с образованием между котлоагрегатом и указанным кожухом воздушной полости, встроенной в линию подвода воздуха к газовой горелке с возможностью движения подводимого воздуха по указанной воздушной полости в направлении от верхней к нижней части последней, при этом указанная воздушная полость в зоне расположения корпуса котлоагрегата имеет форму кольцевой полости;
- очистки и использования в качестве греющей жидкости горячего конденсата, образующегося в процессе работы установки в кольцевой теплообменной полости котлоагрегата, для чего установка снабжена емкостью для сбора и очистки указанного конденсата, у которой нижняя часть заполнена водоочищающим материалом, предпочтительно раскислителем, например мелом, и сообщается выше уровня указанного материала с нижней частью внутренней полости теплообменника «жидкость-жидкость», а верхняя часть сообщается через гидравлический затвор с нижней частью кольцевой теплообменной полости котлоагрегата с возможностью слива из последней конденсата в указанную емкость самотеком.
Кроме того, введение в конструкцию предлагаемой установки по второму варианту предпочтительных отличительных признаков, содержащихся в зависимых пунктах 24-28 и 31 формулы изобретения, обеспечивает дополнительное повышение эффективности использования выделяемой при сгорании газа тепловой энергии за счет:
- усиления нагрева выходящей из водоподающего насадка жидкости от пламени газовой горелки, а также теплом горячих продуктов сгорания и горячего корпуса котлоагрегата, для чего газовая горелка имеет цилиндрическую форму, расположена коаксиально к корпусу котлоагрегата и выполнена с возможностью формирования пламени с тепловым излучением, направленным преимущественно радиально от газовой горелки к внутренней поверхности корпуса котлоагрегата, а нижний конец полого тела, выполняющего роль конденсатора водяных паров, расположен вблизи верхнего конца газовой горелки, причем газовая горелка выполнена предпочтительно в виде щелевой или инфракрасной газовой горелки;
- использования в качестве греющей жидкости горячего конденсата, образующегося в результате конденсации смешанных с продуктами сгорания водяных паров, для чего полое тело, выполняющее роль конденсатора водяных паров, снабжено установленным под ним сборником конденсата, имеющим сливную линию, выход которой сообщается с внутренней полостью теплообменника «жидкость-жидкость» напрямую или через емкость для сбора и очистки конденсата;
- интенсификации и более полной конденсации водяных паров за счет увеличения рабочей поверхности конденсатора водяных паров, контактирующей с водяными парами, для чего конденсатор водяных паров выполнен в виде расположенного соосно с корпусом котлоагрегата, обращенного вниз и выполненного в полном или усеченном виде полого замкнутого тела вращения, например, конуса, сегмента сферы или эллипсоида и т.п., при этом часть конденсатора водяных паров, взаимодействующая с продуктами сгорания, поднимающимися при работе установки из камеры сгорания к выходной трубе, выполнена гофрированной с расположением гофр предпочтительно продольно по отношению к корпусу котлоагрегата.
3
Достигаемое в предлагаемой установке повышение эффективности использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, обеспечивает повышение эффективности работы теплогенерирующей установки и достижение технического результата изобретения, выражающегося в снижении удельного расхода газа, необходимого для нагрева единицы объема воды (например, 1 м) до заданной температуры, и повышении КПД установки.
Испарение выходящей из водоподающего насадка жидкости, осуществляемое в предлагаемой установке непосредственно в камере сгорания, позволяет повысить эффективность процесса горения газовоздушной смеси, что выражается в увеличении полноты сгорания последней и снижении содержания вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата, за счет чего обеспечивается достижение технического результата изобретения, выражающегося в повышении экологической безопасности установки.
Вместе с тем, исключение громоздкого и массивного контактного теплообменника с засыпкой, имеющего место в прототипе, обеспечивает достижение технического результата изобретения, выражающегося в упрощении конструкции и изготовления теплогенерирующей установки, а также в упрощении эксплуатации установки и снижении затрат на производство установкой горячей воды за счет исключения присущей прототипу необходимости периодической замены материала засыпки в контактном теплообменнике и очистки днища корпуса котлоагрегата от шлама, образующегося в результате разрушения материала засыпки.
Кроме того, исключение контактного теплообменника с засыпкой позволяет снизить вес и габариты теплогенерирующей установки и тем самым обеспечивает технический результат изобретения, выражающийся в упрощении транспортировки и монтажа теплогенерирующей установки и в расширении области ее применения.
Вместе с тем, введение в конструкцию предлагаемой установки предпочтительных отличительных признаков, содержащихся в зависимых пунктах 17 и 36 формулы изобретения, обеспечивает возможность выполнения установки по каскадной схеме с несколькими идентичными по конструкции котлоагрегатами, что позволяет повысить тепловую мощность установки и обеспечивает возможность регулирования указанной мощности в широких пределах в соответствии с изменяющейся потребностью со стороны потребителей горячей воды, подключенных к отводящей линии теплообменника «жидкость-жидкость».
Кроме того, введение в конструкцию предлагаемой установки предпочтительных отличительных признаков, содержащихся в зависимых пунктах 21, 22, 40 и 41 формулы изобретения, обеспечивает возможность выполнения установки с раздельным нагревом воды для разных систем потребления горячей воды, в частности для системы отопления, системы горячего водоснабжения и вентиляционной системы, что позволяет существенно уменьшить количество задвижек, кранов, циркуляционных насосов, контрольно-измерительных приборов и другого оборудования в установке, что упрощает ее конструкцию, изготовление и эксплуатацию и вместе с тем снижает ее вес, габариты и стоимость.
3
Представленные в изобретении варианты теплогенерирующей установки образуют единый изобретательский замысел и отвечают требованию единства изобретения, поскольку оба варианта направлены на решение одной и той же задачи - создание теплогенерирующей установки, конструкция которой не содержит контактного теплообменника с засыпкой и обеспечивает повышение эффективности использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, и снижение содержания вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата, и при этом указанные варианты позволяют получить одинаковый технический результат - снижение при работе установки удельного расхода газа, необходимого для нагрева единицы объема воды (например, 1 м) до заданной температуры, повышение КПД и экологической безопасности установки, упрощение изготовления и снижение стоимости теплогенерирующей установки за счет упрощения ее конструкции, упрощение эксплуатация установки и снижение затрат на производство установкой горячей воды, а также упрощение транспортировки и монтажа теплогенерирующей установки и расширение области ее применения. Причем указанный технический результат, получаемый при использовании первого варианта предлагаемой установки, отличается от такого же технического результата, получаемого при использовании второго варианта предлагаемой установки, лишь количественной мерой. При этом второй вариант предлагаемой установки предпочтительнее ее первого варианта в отношении технического результата, выражающегося в упрощении конструкции установки. Вместе с тем, в первом варианте указанной установки обеспечивается нагрев воздуха, поступающего к газовой горелке, и предварительный нагрев жидкости в спиральном теплообменнике, что повышает эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, и делает данный вариант установки предпочтительнее ее второго варианта в отношении технического результата, выражающегося в снижении удельного расхода газа, и повышении КПД установки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг.1 - общий вид теплогенерирующей установки по первому варианту, в котором у теплообменника «жидкость-жидкость» корпус соединен продольно и соосно с корпусом котлоагрегата, а теплообменный элемент выполнен в виде трубчатой спирали;
- на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1;
- на фиг.3 - фрагмент варианта показанной на фиг.1 установки, в котором установка снабжена емкостью для сбора и очистки конденсата, а у теплообменника «жидкость-жидкость» корпус соединен продольно и соосно с корпусом камеры сгорания, а теплообменный элемент выполнен в виде пучка трубок;
- на фиг.4 - вариант сечения А-А на фиг.1;
- на фиг.5 - вид по стрелке Б на фиг.2;
- на фиг.6 - фрагмент варианта показанной на фиг.1 установки, в котором у теплообменника «жидкость-жидкость» корпус расположен перпендикулярно к корпусу котлоагрегата, а теплообменный элемент выполнен в виде пучка трубок;
- на фиг.7 - сечение В-В на фиг.6, соответствующее установке по первому варианту, выполненной с несколькими котлоагрегатами;
- на фиг.8 - общий вид теплогенерирующей установки по второму варианту, в котором у теплообменника «жидкость-жидкость» корпус соединен продольно и соосно с корпусом котлоагрегата, а теплообменный элемент выполнен в виде пучка трубок;
- на фиг.9 - сечение Г-Г на фиг.8;
- на фиг.10 - вариант выполнения конденсатора водяных паров в установке по второму варианту;
- на фиг.11 - сечение Д-Д на фиг.8;
- на фиг.12 - вид по стрелке Е на фиг.8;
- на фиг.13 - вариант показанной на фиг.8 установки, выполненной с несколькими котлоагрегатами и с теплообменником «жидкость-жидкость», у которого корпус соединен с корпусами котлоагрегатов перпендикулярно к последним, а теплообменный элемент выполнен в виде трубчатой спирали;
- на фиг.14 - вариант выполнения теплообменника «жидкость-жидкость» с раздельным нагревом воды для системы отопления и системы горячего водоснабжения;
- на фиг.15 - вариант выполнения теплообменника «жидкость-жидкость» с раздельным нагревом воды для системы отопления, системы горячего водоснабжения и вентиляционной системы;
- на фиг.16 - сечение Ж-Ж на фиг.15.
По первому варианту конструктивного исполнения предлагаемая теплогенерирующая установка содержит котлоагрегат 1 (фиг.1), теплообменник «жидкость-жидкость» 2 и циркуляционный насос 3.
Котлоагрегат 1 содержит вертикальный или близкий к вертикальному трубчатый корпус 4 с глухой крышкой 5 и выходной трубой 6, служащей для отвода продуктов сгорания из котлоагрегата 1 в атмосферу, камеру сгорания 7 с цилиндрическим трубчатым корпусом 8, установленным продольно в корпусе 4 с образованием между корпусом 8 и корпусом 4 кольцевой теплообменной полости 9 с закрытым нижним торцом, спиральный теплообменник 10, установленный в кольцевой полости 9, газовую горелку 11, установленную в камере сгорания 7 и подключенную к линиям 12 и 13 подвода к ней соответственно газа и воздуха, и водоподающий насадок 14, соединенный с верхним концом спирального теплообменника 10 и сообщающийся своим выходом с камерой сгорания 7.
Теплообменник 2 установлен под котлоагрегатом 1, соединен своей верхней частью с нижней частью котлоагрегата 1 и снабжен предпочтительно цилиндрическим трубчатым корпусом 15, внутренняя полость 16 которого заполнена греющей жидкостью 17. Во внутренней полости 16 корпуса 15 размещен теплообменный элемент 18, через который циркулирует нагреваемая жидкость. У теплообменного элемента 18 вход 19 подключен к линии 20 подвода холодной воды из водопроводной сети и/или с выхода системы отопления и/или системы горячего водоснабжения, и/или вентиляционной системы (не показаны), а выход 21 - к отводящей линии 22, соединенной со входом системы отопления и/или системы горячего водоснабжения, и/или вентиляционной системы. При этом к внутренней полости 16 корпуса 15 теплообменника 2 предпочтительно в ее нижней части подключена отводящая линия 23, соединяющая полость 16 со входом циркуляционного насоса 3. Верхняя часть указанного корпуса 15 соединена с нижней частью корпуса 4 котлоагрегата 1 и корпуса 8 камеры сгорания 7 с сообщением верхней части внутренней полости 16 корпуса 15 с камерой сгорания 7 и расположением уровня греющей жидкости в указанной полости 16 ниже камеры сгорания 7, а в отводящей линии 23 установлен регулировочный кран 24, служащий также для перекрытия линии 23 при демонтаже циркуляционного насоса 3.
В котлоагрегате 1 спиральный теплообменник 10 служит для предварительного нагрева жидкости, подаваемой циркуляционным насосом 3 из внутренней полости 16 теплообменника 2 к водоподающему насадку 14, и соединен своим нижним концом с выходом циркуляционного насоса 3, а вход выходной трубы 6 подсоединен к нижней части кольцевой полости 9. При этом в верхней части корпуса 8 камеры сгорания 7 выполнено сквозное отверстие 25 (фиг.2), а водоподающий насадок 14 размещен в указанном отверстии 25 корпуса 8 и направлен тангенциально к последнему с обеспечением возможности движения выходящей из насадка 14 жидкости по спирали вниз по внутренней стенке корпуса 8, верхний конец которого расположен в верхней части корпуса 4 котлоагрегата 1 с торцевым зазором относительно крышки 5, обеспечивающим проход через указанный зазор продуктов сгорания из камеры сгорания 7 в кольцевую полость 9.
Для усиления нагрева выходящей из водоподающего насадка 14 жидкости теплом, излучаемым пламенем газовой горелки 11, а также теплом горячих продуктов сгорания, поднимающихся вверх по камере сгорания 7, и теплом корпуса 8, газовая горелка 11 имеет цилиндрическую форму, расположена коаксиально к корпусу 8 и выполнена с возможностью формирования пламени с тепловым излучением, направленным преимущественно радиально от газовой горелки 11 к внутренней поверхности корпуса 8 камеры сгорания 7, а верхний конец газовой горелки 11 расположен под водоподающим насадком 14 вблизи последнего. С этой же целью газовая горелка 11 выполнена предпочтительно в виде щелевой или инфракрасной газовой горелки.
Вместе с тем, для усиления нагрева жидкости, проходящей через спиральный теплообменник 10, корпус 4 котлоагрегата 1 имеет цилиндрическую форму и расположен коаксиально к корпусу 8 камеры сгорания 7, при этом стенки корпуса 4 и корпуса 8, обращенные к спиральному теплообменнику 10, расположены вблизи витков последнего с образованием между указанными витками и упомянутыми стенками корпуса 4 и корпуса 8 спиралеобразного канала 26 для прохода продуктов сгорания из камеры сгорания 7 на вход выходной трубы 6. С этой же целью спиральный теплообменник 10 может быть изготовлен из гофрированной трубки (не показано), что позволяет увеличить площадь его рабочей поверхности и усилить за счет этого нагрев проходящей через него жидкости.
Для обеспечения смешения газа, поступающего по линии 12, с воздухом, поступающим по линии 13, на выходе линии 12 установлен эжекционный насадок 27, обращенный своим выходом в сторону смесительного патрубка 28, у которого вход сообщается с выходом линии 13, а выход - с газовой горелкой 11. При этом для повышения эффективности процесса горения газовоздушной смеси котлоагрегат 1 выполнен с обеспечением возможности нагрева воздуха, подводимого по линии 13 к газовой горелке 11. Для этого корпус 4 котлоагрегата 1 и его крышка 5 окружены кожухом 29 с образованием между котлоагрегатом 1 и кожухом 29 воздушной полости 30, встроенной в линию 13 подвода воздуха к газовой горелке 11 с возможностью движения подводимого воздуха по воздушной полости 30 в направлении от верхней к нижней части последней, при этом в зоне расположения корпуса 4 котлоагрегата 1 воздушная полость 30 имеет форму кольцевой полости.
Для обеспечения отвода из кольцевой полости 9 конденсата, образующегося в процессе конденсации смешанных с продуктами сгорания водяных паров, нижняя часть полости 9 может быть снабжена сливной линией (не показана), сообщающейся, например, с внутренней полостью 16 теплообменника 2, или с канализацией, или с какой-либо емкостью для отстоя и очистки конденсата (не показана). Вместе с тем, с целью повышения эффективности работы установки за счет очистки указанного конденсата с последующим использованием его в качестве греющей жидкости установка может быть снабжена емкостью 31 (фиг.3) для сбора и очистки конденсата 32, образующегося в кольцевой полости 9 котлоагрегата 1 в процессе работы установки. При этом нижняя часть емкости 31 заполнена водоочищающим материалом 33, предпочтительно раскислителем, например мелом, и сообщается выше уровня материала 33 с нижней частью внутренней полости 16 теплообменника 2 через фильтр 34, а верхняя часть емкости 31 сообщается через гидравлический затвор 35 с нижней частью кольцевой теплообменной полости 9 котлоагрегата 1 с возможностью слива из последней конденсата в указанную емкость 31 самотеком. В верхней части емкости 31 выполнено переливное отверстие 36, расположенное на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости 17 в теплообменнике 2. При этом переливное отверстие 36 подключено к сливной линии 37, соединенной, например, с канализацией или специальной емкостью для отстоя и очистки (не показана).
Водоподающий насадок 14 может быть выполнен сужающимся к своему выходу (фиг.2), а при изготовлении спирального теплообменника 10 из цилиндрической трубки насадок 14 может быть выполнен цилиндрическим (фиг.4) с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру трубки, из которой изготовлен спиральный теплообменник 10. При этом в качестве цилиндрического водоподающего насадка 14 может служить верхний конец спирального теплообменника 10, т.е. насадок 14 может быть выполнен за одно целое с верхним концом спирального теплообменника 10, как показано на фиг.4.
Для упрощения конструкции котлоагрегата 1 в любом из описанных выше вариантов выполнения водоподающего насадка 14 последний может быть конструктивно совмещен с отверстием 25 (фиг.2) корпуса 8. В этом случае отверстие 25 выполняется в виде сужающегося или цилиндрического водоподающего насадка 14, направленного тангенциально к внутренней поверхности корпуса 8, и герметично соединяется снаружи корпуса 8 с верхним концом спирального теплообменника 10.
В любом из описанных вариантов исполнения водоподающего насадка 14 последний может быть направлен вниз под заданным углом α (фиг.5) к горизонтальной плоскости, не превышающим 30°. Оптимальная величина угла α определяется расчетным и/или экспериментальным путем исходя из условия обеспечения максимальной температуры греющей жидкости 17 в теплообменнике 2, а также наиболее полного сгорания газовоздушной смеси с обеспечением минимального содержания вредных примесей в продуктах сгорания при заданной величине объемного расхода и заданном компонентном составе газовоздушной смеси, поступающей к газовой горелке 11, а также при заданной величине объема греющей жидкости 17 в теплообменнике 2 и объемной подачи жидкости к насадку 14 и на вход 19 теплообменного элемента 18 теплообменника 2 и заданных геометрических параметрах котлоагрегата 1 и теплообменника 2, оказывающих влияние на процесс сгорания газовоздушной смеси и процессы теплообмена, протекающие в котлоагрегате 1 и теплообменнике 2. При этом целесообразно выбирать такую величину указанного угла α, при которой соседние витки спиралеобразного потока, движущегося с выхода насадка 14 по внутренней стенке корпуса 8 камеры сгорания 7, сливаются друг с другом на своих границах, образуя сплошной и равномерный по толщине поток жидкости на внутренней стенке указанного корпуса 8. При таком течении жидкости по корпусу 8 обеспечивается равномерный нагрев жидкости и практически вся тепловая энергия, выделяемая при сгорании газовоздушной смеси в камере сгорания 7, используется для нагрева жидкости, что обеспечивает максимальный КПД установки.
Корпус 15 теплообменника 2 может быть расположен продольно и предпочтительно соосно с корпусом 4 котлоагрегата 1 (фиг.1) с расположением входа 19 теплообменного элемента 18 в нижней части теплообменника 2, а выхода 21 - в верхней части последнего. При этом указанный корпус 15 может быть соединен с корпусом 4 котлоагрегата 1 и корпусом 8 камеры сгорания 7 посредством разъемного (например, фланцевого) соединения 38. Возможно также выполнение корпуса 15 теплообменника 2 за одно целое с корпусом 8 камеры сгорания 7 из одной трубы (фиг.3), соединенной с корпусом 4 котлоагрегата 1 посредством разъемного (например, фланцевого) соединения 39.
Вместе с тем, корпус 15 теплообменника 2 может быть расположен перпендикулярно к корпусу 4 котлоагрегата 1 (фиг.6). При этом указанный корпус 15 может быть соединен посредством разъемного (например, фланцевого) соединения 40 с корпусом 4 котлоагрегата 1 и с корпусом 8 камеры сгорания 7.
При перпендикулярном расположении корпуса 15 теплообменника 2 относительно корпуса 4 котлоагрегата 1 с целью повышения тепловой мощности установки и обеспечения возможности регулирования указанной мощности в широких пределах в соответствии с изменяющейся потребностью со стороны потребителей горячей воды, подключенным к отводящей линии 22 теплообменника 2, установка может быть снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным котлоагрегатом 41 (фиг.7) и соответственно одним или более дополнительными циркуляционными насосами 42, число которых равно числу дополнительных котлоагрегатов 41. Все дополнительные котлоагрегаты 41 идентичны по конструкции с котлоагрегатом 1 и у каждого из них нижняя часть соединена с верхней частью корпуса 15 теплообменника 2 с сообщением камеры сгорания 7 с верхней частью внутренней полости 16 корпуса 15 теплообменника 2, а нижний конец спирального теплообменника 10 соединен с выходом одного из дополнительных циркуляционных насосов 42, вход которого соединен с нижней частью внутренней полости 16 теплообменника 2 через дополнительную отводящую линию 43 последнего, в которой установлен регулировочный кран 44, служащий также для перекрытия линии 43 при демонтаже циркуляционного насоса 42. При этом выход каждого дополнительного циркуляционного насоса 42 соединен со спиральным теплообменником 10 только одного дополнительного котлоагрегата 41, т.е. каждый из дополнительных циркуляционных насосов 42 работает в паре только с одним дополнительным котлоагрегатом 41. Кроме того, установка может быть снабжена общей для всех котлоагрегатов емкостью 31 для сбора и очистки конденсата 32 и общей сливной линией 45, через которую нижняя часть кольцевой полости 9 каждого из котлоагрегатов 1 и 41 соединена с верхней частью емкости 31 через гидравлический затвор 35 с возможностью слива самотеком в емкость 31 конденсата из полости 9 каждого из котлоагрегатов 1 и 41 по линии 45. При этом у емкости 31 верхняя часть выполнена с переливным отверстием 36, подключенным к сливной линии 37, а нижняя часть заполнена водоочищающим материалом 33 и сообщается выше уровня последнего с нижней частью внутренней полости 16 теплообменника 2 через фильтр 34.
Во втором варианте исполнения теплогенерирующая установка содержит котлоагрегат 46 (фиг.8), расположенный под ним теплообменник «жидкость-жидкость» 2 с отводящей линией 23 и циркуляционный насос 3, соединенный своим входом с линией 23, в которой установлен регулировочный кран 24. При этом теплообменник 2 соединен своей верхней частью с нижней частью котлоагрегата 46, который содержит вертикальный или близкий к вертикальному цилиндрический трубчатый корпус 47 с расположенной в его верхней части выходной трубой 48, служащей для отвода продуктов сгорания из котлоагрегата 46 в атмосферу, камеру сгорания 49, расположенную внутри корпуса 47, газовую горелку 11, установленную в камере сгорания 49 и подключенную к линиям 12 и 13 подвода к ней соответственно газа и воздуха, и установленные в верхней части корпуса 47 котлоагрегата 46 конденсатор 50 водяных паров и, по меньшей мере, один водоподающий насадок 51, подключенный к выходу циркуляционного насоса 3 и установленный с возможностью стекания выходящей из него жидкости по внутренней стенке корпуса 47 через камеру сгорания 49 во внутреннюю полость 16 теплообменника 2.
Корпус 15 теплообменника 2 соединен своей верхней частью с нижней частью корпуса 47 котлоагрегата 46 с сообщением верхней части внутренней полости 16 корпуса 15 с камерой сгорания 49 и расположением уровня греющей жидкости 17 в указанной полости 16 ниже камеры сгорания 49.
Конденсатор 50 выполнен с возможностью контакта его боковой поверхности с водяными парами, поднимающимися при работе установки вместе с продуктами сгорания из камеры сгорания 49 к выходной трубе 48. При этом конденсатор 50 выполнен в виде сужающегося книзу замкнутого полого тела 52, установленного над газовой горелкой 11 с радиальным зазором по отношению к корпусу 47 котлоагрегата 46, обеспечивающим проход через него продуктов сгорания, поднимающихся из камеры сгорания 49 к выходной трубе 48, и жидкости, стекающей из каждого водоподающего насадка 51 в камеру сгорания 49. Полое тело 52 снабжено установленным под ним сборником конденсата 53, расположенным с возможностью стекания в него конденсата с полого тела 52 и снабженным сливной линией 54, выход которой сообщается с внутренней полостью 16 теплообменника 2, внутренняя полость 55 полого тела 52 сообщается с выходом циркуляционного насоса 3, а каждый из водоподающих насадков 51 закреплен в верхней боковой части полого тела 52, подключен к выходу циркуляционного насоса 3 через внутреннюю полость 55 полого тела 52 и направлен тангенциально к корпусу 47 котлоагрегата 46 (фиг.9) с обеспечением возможности движения выходящей из насадка 51 жидкости по спирали вниз по внутренней стенке корпуса 47 котлоагрегата 46. При выполнении котлоагрегата 46 с несколькими водоподающими насадками 51 последние размещаются равномерно по периметру поперечного сечения конденсатора 50 и располагаются относительно корпуса 47 котлоагрегата 46 с обеспечением возможности движения выходящей из насадков 51 жидкости по внутренней стенке указанного корпуса 47 в одном направлении.
Для усиления нагрева выходящей из каждого водоподающего насадка 51 жидкости при ее проходе через камеру сгорания 49 газовая горелка 11 имеет цилиндрическую форму и расположена коаксиально к корпусу 47 котлоагрегата 46, при этом газовая горелка 11 выполнена с возможностью формирования пламени с тепловым излучением, направленным преимущественно радиально от газовой горелки 11 к внутренней поверхности корпуса 47 котлоагрегата 46, а нижний конец полого тела 52 расположен вблизи верхнего конца газовой горелки 11. С этой же целью газовая горелка 11 выполнена предпочтительно в виде щелевой или инфракрасной газовой горелки.
Сборник конденсата 53 может иметь различное конструктивное исполнение, в частности, он может быть выполнен в виде круглого в плане поддона, чаши, воронки и т.п., а его сливная линия 54 может иметь прямое сообщение с внутренней полостью 16 теплообменника 2, при котором указанная линия проходит вниз через газовую горелку 11 (фиг.10) с возможностью слива конденсата из сборника 53 непосредственно во внутреннюю полость 16 теплообменника 2 без очистки конденсата от вредных примесей. В другом варианте с целью повышения эффективности работы установки за счет очистки сливаемого из указанного сборника 53 конденсата от вредных примесей установка может быть снабжена емкостью 31 (фиг.8) для сбора и очистки конденсата, у которой нижняя часть заполнена водоочищающим материалом 33, предпочтительно раскислителем, например мелом, и сообщается выше уровня указанного материала с нижней частью внутренней полости 16 теплообменника 2 через фильтр 34, а верхняя часть сообщается через гидравлический затвор 35 со сливной линией 54 сборника конденсата 53 с возможностью слива конденсата из указанного сборника 53 в емкость 31 самотеком и выполнена с переливным отверстием 36, подключенным к сливной линии 37 и расположенным на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости 17 в теплообменнике 2. При этом сливная линия 54 сборника конденсата 53 сообщается с внутренней полостью 16 теплообменника 2 через гидрозатвор 35, емкость 31 и фильтр 34, а сливная линия 37 емкости 31 может быть соединена, например, с канализацией или специальной емкостью для отстоя и очистки (не показана). Сливная линия 54 сборника конденсата 53 может быть направлена вбок от нижней части указанного сборника 53 с небольшим наклоном вниз и при этом может проходить через отверстие в стенке корпуса 47 котлоагрегата 46 с последующим поворотом в сторону гидрозатвора 35 (не показано). В другом варианте выполнения сливной линии 54 она может проходить через газовую горелку 11 (фиг.8) с выходом наружу из корпуса 47 котлоагрегата 46 и последующим соединением с гидрозатвором 35.
Полое тело 52 может иметь различную геометрическую форму рабочей поверхности, взаимодействующей с продуктами сгорания, выходящими из камеры сгорания 49 в выходную трубу 48. Оно может быть выполнено, например, в виде расположенного соосно с корпусом 47 котлоагрегата 46, обращенного вниз и выполненного в полном или усеченном виде тела вращения 56, например, конуса, сегмента сферы или эллипсоида и т.п.
В качестве примера, указанное тело вращения 56 представлено на фиг.8 в виде усеченного конуса. Данный вариант выполнения тела вращения 56 является, вероятно, наиболее простым в изготовлении в технологическом плане. На оси тела вращения 56 установлен герметично входящий внутрь последнего патрубок 57, у которого верхний конец соединен с выходом циркуляционного насоса 3, а нижний конец расположен вблизи нижней стенки тела вращения 56.
В другом варианте выполнения тела вращения 56 его верхняя стенка 58 (фиг.10) может быть выполнена в виде соосной с последним и обращенной вниз впадины с обеспечением плавного сужения внутренней полости 55 тела вращения 56 в радиальном направлении от оси к периферии последнего. При этом в указанной верхней стенке 58 выполнено осевое отверстие 59 для сообщения указанной внутренней полости 55 с выходом циркуляционного насоса 3.
Вместе с тем, при любом варианте выполнения полого тела 52 с целью интенсификации и более полной конденсации водяных паров за счет увеличения рабочей поверхности полого тела 52, вступающей в контакт с водяными парами, содержащимися в продуктах сгорания, часть полого тела 52, взаимодействующая с продуктами сгорания, поднимающимися при работе установки из камеры сгорания 49 к выходной трубе 48, может быть выполнена гофрированной. При этом боковая стенка полого тела 52 выполняется с гофрами, расположенными предпочтительно продольно относительно корпуса 47 котлоагрегата 46. В качестве примера реализации такого усовершенствования на фиг.8, фиг.9 и фиг.11 показан вариант выполнения конденсатора 50 водяных паров в виде полого тела 52, имеющего форму усеченного конуса, боковая стенка которого выполнена гофрированной с продольными гофрами 60.
Каждый водоподающий насадок 51 может быть направлен вниз под заданным углом β (фиг.12) к горизонтальной плоскости, не превышающим 30°. Оптимальная величина угла β определяется таким же образом, как и величина угла α (фиг.5) в первом варианте выполнения предлагаемой установки. При выполнении котлоагрегата 46 с несколькими водоподающими насадками 51 последние могут быть установлены на конденсаторе 50 с равным или различным по величине указанным углом β. При этом целесообразно выбирать такую величину указанного угла β для каждого из насадков 51, при которой потоки жидкости, выходящие из разных насадков 51, не накладываются друг на друга и в то же время сливаются друг с другом на своих границах, обеспечивая сплошной и равномерный по толщине поток жидкости на внутренней стенке корпуса 47 котлоагрегата 46. При таком течении жидкости по корпусу 47 обеспечивается равномерный нагрев жидкости и практически вся тепловая энергия, выделяемая при сгорании газовоздушной смеси в камере сгорания 49, используется для нагрева жидкости, что обеспечивает максимальный КПД установки.
Корпус 15 теплообменника 2 выполнен трубчатым и может быть расположен продольно и предпочтительно соосно с корпусом 47 котлоагрегата 46 или перпендикулярно к нему. При продольном расположении корпуса 15 относительно корпуса 47 (фиг.8) вход 19 теплообменного элемента 18 расположен в нижней части теплообменника 2, а выход 21 - в верхней части последнего. При этом корпус 15 теплообменника 2 может быть выполнен за одно целое с корпусом 47 котлоагрегата 45 из одной трубы (фиг.10) или может быть соединен с указанным корпусом 47 посредством разъемного (например, фланцевого) соединения 61 (фиг.8).
При перпендикулярном расположении корпуса 15 теплообменника 2 относительно корпуса 47 котлоагрегата 46 (фиг.13) указанный корпус 15 может быть соединен с корпусом 47 посредством разъемного (например, фланцевого) соединения 62. При этом, как и в случае выполнения установки по первому варианту с одним или несколькими дополнительными котлоагрегатами 41 (фиг.7), установка по второму варианту может быть также снабжена, по меньшей мере, одним дополнительным котлоагрегатом 63 и соответственно одним или более дополнительными циркуляционными насосами 42, число которых равно числу дополнительных котлоагрегатов 63. Дополнительные котлоагрегаты 63 идентичны по конструкции с котлоагрегатом 46 и у каждого из них корпус 47 соединен своей нижней частью посредством разъемного соединения 62 с верхней частью корпуса 15 теплообменника 2 с сообщением камеры сгорания 49 с верхней частью внутренней полости 16 корпуса 15 теплообменника 2, а каждый водоподающий насадок 51 подключен через внутреннюю полость 55 полого тела 52 к выходу одного из дополнительных циркуляционных насосов 42, вход которого соединен с нижней частью внутренней полости 16 корпуса 15 теплообменника 2 через дополнительную отводящую линию 43 последнего, в которой установлен регулировочный кран 44. При этом выход каждого дополнительного циркуляционного насоса 42 подключен к каждому из водоподающих насадков 51 только одного дополнительного котлоагрегата 63, т.е. каждый из дополнительных циркуляционных насосов 42 работает в паре только с одним дополнительным котлоагрегатом 63. Кроме того, установка может быть снабжена общей для всех котлоагрегатов емкостью 31 для сбора и очистки конденсата 32 и общей сливной линией 64, через которую сливная линия 54 сборника конденсата 53 полого тела 52 каждого из котлоагрегатов 46 и 63 соединена с верхней частью емкости 31 через гидравлический затвор 35 с возможностью слива самотеком в емкость 31 конденсата из указанного сборника конденсата 53 каждого из котлоагрегатов 46 и 63 по сливной линии 64. При этом у емкости 31 верхняя часть выполнена с переливным отверстием 36, подключенным к сливной линии 37, а нижняя часть заполнена водоочищающим материалом 33 и сообщается выше уровня последнего с нижней частью внутренней полости 16 теплообменника 2 через фильтр 34.
Предлагаемая установка характеризуется также следующими конструктивными признаками, общими для обоих ее вариантов.
Благодаря низкой температуре продуктов сгорания на выходе каждого котлоагрегата установки и низкому содержанию в указанных продуктах вредных примесей труба 6 или 48 для отвода продуктов сгорания может быть выполнена в виде короткого патрубка при расположении установки на открытой площадке, например, на крыше, во дворе или в нише. В случае, если установка расположена в закрытом помещении, указанная труба 6 или 48 выполняется в виде дымовой трубы, выходящей вверх из указанного помещения.
Для обеспечения заданной скорости циркуляции нагреваемой жидкости через теплообменник 2 к потребителям горячей воды (системе отопления, и/или горячего водоснабжения, и/или вентиляционной системе) в линии 20 может быть установлен циркуляционный насос 65 (фиг.1, 8) с фильтром 66 на его входе. Кроме того, для обеспечения заданной объемной подачи воздуха к газовой горелке 11 на входе линии 13 подачи воздуха может быть установлен вентилятор 67, а для обеспечения возможности регулировки в заданных пределах объемной подачи газа к газовой горелке 11 на входе линии 12 может быть установлено устройство 68 регулировки подачи газа, вход которого подключен к трубопроводу 69 газовой сети.
В каждом варианте установки теплообменный элемент 18 теплообменника 2 может быть выполнен в виде трубчатой спирали 70 (фиг.1, 13) или в виде пучка теплообменных трубок 71 (фиг.3, 6-8, 14-16), равномерно распределенных по площади поперечного сечения внутренней полости 16 корпуса 15 теплообменника 2 и расположенных продольно корпусу 15. При выполнении теплообменного элемента 18 в виде пучка трубок 71 на концах корпуса 15 теплообменника 2 выполнены торцевые полости 72 и 73 (фиг.3, 8), первая из которых соединена со входом 19, а вторая - с выходом 21 теплообменного элемента 18. Торцевые полости 72 и 73 отделены от остальной внутренней полости 16 теплообменника 2 поперечными перегородками соответственно 74 и 75, в каждой из которых выполнены отверстия соответственно 76 и 77, равномерно распределенные по площади перегородки, в которой они выполнены, а концы трубок 71 герметично подсоединены к указанным отверстиям 76 и 77.
С целью упрощения конструкции, изготовления и эксплуатации установки, а также с целью снижения ее веса и габаритов за счет сокращения количества задвижек, кранов, циркуляционных насосов, контрольно-измерительных приборов и другого оборудования в установке последняя может быть выполнена с раздельным нагревом воды для разных систем потребления горячей воды, в частности для системы отопления, системы горячего водоснабжения и вентиляционной системы. Для обеспечения возможности раздельного снабжения системы отопления и системы горячего водоснабжения горячей водой, вырабатываемой установкой, теплообменник 2 с теплообменными трубками 71 может быть выполнен с возможностью нагрева воды для системы отопления и отдельно для системы горячего водоснабжения. Для этого указанный теплообменник 2 может быть снабжен двумя линиями 78 и 79 (фиг.14) подвода и двумя линиями 80 и 81 отвода нагреваемой жидкости и подключен с помощью линии 78 подвода и линии 80 отвода соответственно к выходу и входу системы отопления и с помощью линии 79 подвода и линии 81 отвода соответственно к выходу и входу системы горячего водоснабжения. При этом торцевая полость 72 разделена на два отдельных отсека 82 и 83, первый из которых соединен с линей 78, а второй - с линией 79 подвода нагреваемой жидкости. Соответственно торцевая полость 73 разделена на два отдельных отсека 84 и 85, первый из которых соединен с линей 80, а второй - с линией 81 отвода нагреваемой жидкости. При этом отсеки 82 и 83 торцевой полости 72 соединены теплообменными трубками 71 соответственно с отсеками 84 и 85 торцевой полости 73, а в линиях 78 и 79 установлены подкачивающие циркуляционные насосы соответственно 86 и 87.
Для обеспечения возможности раздельного снабжения системы отопления, системы горячего водоснабжения и вентиляционной системы горячей водой, вырабатываемой установкой, теплообменник 2 с теплообменными трубками 71 может быть выполнен с возможностью нагрева воды для системы отопления, отдельно для системы горячего водоснабжения и отдельно для вентиляционной системы. Для этого указанный теплообменник 2 может быть снабжен тремя линиями 78, 79 и 88 (фиг.15) подвода и тремя линиями 80, 81 и 89 отвода нагреваемой жидкости и подключен с помощью линии 78 подвода и линии 80 отвода соответственно к выходу и входу системы отопления, с помощью линии 79 подвода и линии 81 отвода соответственно к выходу и входу системы горячего водоснабжения и с помощью линии 88 подвода и линии 89 отвода соответственно к выходу и входу вентиляционной системы, выполненной, например, в виде, по меньшей мере, одного калорифера 90, снабженного подающим воздух вентилятором 91 и выходом 92 нагретого воздуха, подаваемого в помещение и/или сушильную камеру (не показаны). При этом торцевая полость 72 разделена на три отдельных отсека 82, 83 и 93, первый из которых соединен с линей 78, второй - с линией 79, а третий - с линией 88 подвода нагреваемой жидкости. Соответственно торцевая полость 73 разделена на три отдельных отсека 84, 85 и 94, первый из которых соединен с линей 80, второй - с линией 81, а третий - с линией 89 отвода нагреваемой жидкости. При этом отсеки 82, 83 и 93 торцевой полости 72 соединены теплообменными трубками 71 соответственно с отсеками 84, 85 и 94 торцевой полости 73, в линиях 78, 79 и 88 установлены подкачивающие циркуляционные насосы соответственно 86, 87 и 95, а отсеки 82, 83 и 93 и отсеки 84, 85 и 94 соответственно торцевых полостей 72 и 73 могут быть выполнены в виде секторов указанных полостей, отделенных друг от друга радиальными перегородками 96 (фиг.16).
Для обеспечения возможности компенсации объема греющей жидкости, уносимой в парообразном состоянии через выходную трубу 6 или 48, а также теряемой при сливе конденсата 32 в сливную линию 37 и в результате утечек через неплотные соединения, предлагаемая установка в каждом из вариантов ее исполнения может быть снабжена устройством для автоматической подпитки теплообменника 2 жидкостью (не показано), подключенным к внутренней полости 16 теплообменника 2 и выполненным с обеспечением возможности автоматической подпитки теплообменника 2 жидкостью при снижении в нем уровня греющей жидкости 17 ниже заданного минимального значения с прекращением указанной подпитки при достижении уровня греющей жидкости заданного максимального значения.
Установка может быть снабжена опорной рамой (не показана), а в случае наружного применения указанной установки она может быть снабжена также защитным утепленным кожухом (не показан).
Теплогенерирующая установка по первому варианту ее исполнения работает следующим образом.
При сгорании газовоздушной смеси, поступающей к горелке 11, в камере сгорания 7 создается тепловое излучение от пламени горелки 11, направленное радиально к внутренней поверхности корпуса 8 камеры сгорания 7. Одновременно с этим жидкость из нижней части внутренней полости 16 теплообменника 2 подается с помощью циркуляционного насоса 3 через спиральный теплообменник 10 к водоподающему насадку 14.
3
Вследствие тангенциальной направленности насадка 14 относительно корпуса 8 камеры сгорания 7 и под воздействием силы собственной тяжести жидкость, выходящая из насадка 14 в форме струи, совершает спиралеобразное движение сверху вниз по внутренней поверхности указанного корпуса 8 и при этом нагревается под воздействием на нее энергии теплового излучения от пламени газовой горелки 11, имеющего температуру порядка 1200-1500°С, от поднимающихся вверх вдоль камеры сгорания 7 горячих продуктов сгорания, имеющих температуру порядка 900-1200°С, и от корпуса 8, имеющего сравнительно невысокую температуру порядка 100-150°С в связи с тем, что корпус 8 закрывается от пламени газовой горелки 11 и от горячих продуктов сгорания водой, стекающей по его внутренней стенке. Спиралеобразное движение жидкости по внутренней поверхности корпуса 8 камеры сгорания 7 увеличивает площадь и продолжительность прямого контакта единичного объема проходящей через насадок 14 жидкости (например, 1 см) с пламенем газовой горелки 11 и горячими продуктами сгорания, за счет чего повышается температура греющей жидкости 17 в теплообменнике 2 и соответственно возрастает эффективность использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газовоздушной смеси в камере 7.
Выходящие вверх из камеры 7 продукты сгорания проходят по торцевому зазору между корпусом 8 и крышкой 5, после чего поворачивают вниз и при температуре порядка 600-800°С поступают в спиралеобразный канал 26, пройдя по которому при температуре порядка 50-90°С попадают на вход выходной трубы 6, по которой отводятся в атмосферу. В процессе указанного движения горячие продукты сгорания нагревают крышку 5 и спиральный теплообменник 10, а также корпус 4 котлоагрегата 1 и корпус 8 камеры сгорания 7. В результате указанного теплообмена, протекающего внутри котлоагрегата 1, жидкость, поступающая к водоподающему насадку 14, предварительно нагревается в спиральном теплообменнике 10 до температуры порядка 80-90°С, а воздух, поступающий к газовой горелке 11 из подводящей линии 13 (например, от вентилятора 67) через кольцевую полость 30, предварительно нагревается теплом, исходящим от крышки 5 и корпуса 4.
Часть жидкости, поступающей в камеру сгорания 7 из насадка 14 после нагрева в камере 7 стекает по внутренней стенке корпуса 8 указанной камеры во внутреннюю полость 16 теплообменника 2 и становится греющей жидкостью 17 указанного теплообменника, которая используется для нагрева воды, подаваемой с помощью циркуляционного насоса 65 из подводящей линии 20 на вход 19 теплообменного элемента 18 теплообменника 2 и отводимой после нагрева с выхода 21 указанного элемента 18 по отводящей линии 22 к потребителям горячей воды. Другая часть жидкости, поступающей в камеру сгорания 7 из насадка 14, под воздействием теплового излучения пламени газовой горелки 11 и горячих продуктов сгорания испаряется и в виде водяных паров, смешанных с продуктами сгорания, поступает из камеры сгорания 7 в кольцевую полость 9. При этом преобладающая часть указанных водяных паров конденсируется на внутренней стенке корпуса 4, витках спирального теплообменника 10 и внутренней стенке дымовой трубы 6, а незначительная часть указанных водяных паров, не успевшая конденсироваться, уносится из кольцевой полости 9 вместе с продуктами сгорания в атмосферу через выходную трубу 6. За счет конденсации водяных паров продукты сгорания обезвоживаются и при этом отдают свое тепло конденсату, благодаря чему выходящие из трубы 6 продукты сгорания визуально практически не заметны и имеют низкую температуру, в связи с чем не пожароопасны, что позволяет существенно уменьшить высоту выходной трубы 6.
2
Горячий конденсат, образующийся в результате указанной конденсации водяных паров в кольцевой полости 9 и выходной трубе 6, стекает на дно кольцевой полости 9, откуда самотеком стекает по сливной линии (не показана), например, во внутреннюю полость 16 теплообменника 2, пополняя объем греющей жидкости 17 в последнем, или в канализацию, или в какую-либо емкость для отстоя и очистки конденсата (не показана). В установке, снабженной емкостью 31 (фиг.3), горячий конденсат стекает самотеком в указанную емкость 31 через гидравлический затвор 35, блокирующий проход продуктов сгорания из кольцевой полости 9 в емкость 31. В емкости 31 конденсат 32 отстаивается и в процессе отстоя очищается от примесей, главным образом от окислов СО и СО, и через фильтр 34, исключающий попадание материала 33 в греющую жидкость 17, поступает в нижнюю часть внутренней полости 16 теплообменника 2, где используется в качестве греющей жидкости 17. Поскольку емкость 31 и теплообменник 2 являются сообщающимися сосудами, конденсат 32 в емкости 31 и греющая жидкость 17 в теплообменнике 2 находятся на одном уровне. С началом подъема уровня греющей жидкости 17 в теплообменнике 2 выше допустимого максимального уровня конденсат 32 начинает перетекать из емкости 31 через переливное отверстие 36 в сливную линию 37, по которой сливается, например, в канализацию или специальную емкость, благодаря чему исключается дальнейший подъем уровня греющей жидкости 17 в теплообменнике 2.
2
При работе теплогенерирующей установки, выполненной по второму варианту, жидкость из нижней части внутренней полости 16 теплообменника 2 с помощью циркуляционного насоса 3 подается через патрубок 57 (фиг.8) или через осевое отверстие 59 (фиг.10) во внутреннюю полость 55 конденсатора 50. После удара о дно указанной полости 55 жидкость растекается радиально по нижней и боковой стенкам конденсатора 50, охлаждая последние, и поступает в водоподающие насадки 51. При этом на выходе каждого насадка 51 формируется струя жидкости, направленная тангенциально к внутренней стенке корпуса 47 котлоагрегата 46. Вследствие указанной тангенциальной направленности струи и действия силы собственной тяжести выходящая из каждого насадка 51 жидкость совершает движение по спирали вниз по внутренней стенке корпуса 47 в сторону внутренней полости 16 теплообменника 2 и при этом нагревается под воздействием на нее энергии теплового излучения от пламени газовой горелки 11 и от горячих продуктов сгорания, поднимающихся вверх вдоль камеры сгорания 49. Часть нагретой таким образом жидкости попадает во внутреннюю полость 16 теплообменника 2 и становится греющей жидкостью 17 указанного теплообменника, которая используется для нагрева воды, подаваемой с помощью циркуляционного насоса 65 из подводящей линии 20 на вход 19 теплообменного элемента 18 теплообменника 2 и отводимой после нагрева с выхода 21 указанного элемента 18 по отводящей линии 22 к потребителям горячей воды. Другая часть нагретой жидкости под воздействием указанного теплового излучения испаряется и в виде водяных паров смешивается с продуктами сгорания. При этом смешанные с продуктами сгорания водяные пары поднимаются по камере сгорания 49 вверх и конденсируются при их контакте с более холодной рабочей поверхностью конденсатора 50, охлаждаемой со стороны внутренней полости 55 последнего жидкостью, подаваемой циркуляционным насосом 3 на дно полости 55 из нижней части внутренней полости 16 теплообменника 2, где температура греющей жидкости 17 имеет наименьшее значение. Образующийся при этом горячий конденсат стекает с полого тела 52 в сборник конденсата 53, откуда самотеком стекает по сливной линии 54 во внутреннюю полость 16 теплообменника 2 (фиг.10), пополняя объем греющей жидкости 17 в последнем. В установке, снабженной емкостью 31 (фиг.8), горячий конденсат стекает самотеком по сливной линии 54 в указанную емкость 31 через гидравлический затвор 35, блокирующий проход продуктов сгорания из котлоагрегата 46 в емкость 31. В емкости 31 конденсат 32 отстаивается и в процессе отстоя очищается от окислов СО и СO и через фильтр 34 поступает в нижнюю часть внутренней полости 16 теплообменника 2, где используется в качестве греющей жидкости 17. С началом подъема уровня греющей жидкости 17 в теплообменнике 2 выше допустимого максимального уровня конденсат 32 начинает перетекать из емкости 31 через переливное отверстие 36 в сливную линию 37, по которой сливается, например, в канализацию или специальную емкость, благодаря чему исключается дальнейший подъем уровня греющей жидкости 17 в теплообменнике 2.
2
При выполнении установки по первому варианту с дополнительными котлоагрегатами 41 (фиг.7) или по второму варианту - с дополнительными котлоагрегатами 63 (фиг.13) описанный выше порядок работы установки для каждого из ее вариантов сохраняется. При этом в установке по первому варианту горячий конденсат, образующийся в кольцевых полостях 9 котлоагрегатов 1 и 41, сливается по общей сливной линии 45, а в установке по второму варианту горячий конденсат, стекающий в котлоагрегатах 46 и 63 с полых тел 52 в их сборники конденсата 53, сливается по общей сливной линии 64. Сливаемый по любой из линий 45 и 64 конденсат поступает через гидравлический затвор 35 в общую емкость 31, из которой после очистки от окислов СО и CO через фильтр 34 поступает в нижнюю часть внутренней полости 16 теплообменника 2, где используется в качестве греющей жидкости 17. В обоих вариантах установки в зависимости от величины заданной температуры нагретой воды, которую необходимо обеспечить на выходе 21 теплообменника 2 при заданной величине объемной подачи исходной воды на вход 19 последнего, может изменяться как величина объемной подачи газовоздушной смеси к газовой горелке 11 каждого котлоагрегата установки, так и число работающих котлоагрегатов последней.
Объемная подача жидкости из внутренней полости 16 теплообменника 2 к водоподающему насадку 14 котлоагрегата 1 - по первому варианту установки или к каждому водоподающему насадку 51 котлоагрегата 46 - по второму варианту установки может регулироваться в заданных пределах с помощью крана 24. Указанная объемная подача жидкости в каждом дополнительном котлоагрегате 41 или 63 выполняется с помощью крана 44. При этом объемная подача газа и воздуха к газовой горелке 11 может регулироваться в заданных пределах соответственно с помощью устройства 68 регулировки подачи газа и вентилятора 67, объемная подача воздуха на выходе которого может изменяться в заданных пределах путем регулировки числа оборотов рабочего органа указанного вентилятора.
При раздельном нагреве воды для системы отопления и системы горячего водоснабжения (фиг.14) холодная вода с выхода системы отопления подается по линии 78 с помощью циркуляционного насоса 86 в отсек 82 торцевой полости 72 теплообменника 2 и по теплообменным трубкам 71, сообщающим друг с другом отсеки 82 и 84, течет в сторону отсека 84, нагреваясь при этом от греющей жидкости 17, окружающей указанные трубки 71. Из отсека 84 нагретая вода поступает по линии 80 на вход системы отопления. Одновременно с этим холодная вода с выхода системы горячего водоснабжения и/или из водопроводной сети подается по линии 79 с помощью циркуляционного насоса 87 в отсек 83 торцевой полости 72 теплообменника 2 и по теплообменным трубкам 71, сообщающим друг с другом отсеки 83 и 85, течет в сторону отсека 85, откуда нагретая вода поступает по линии 81 на вход системы горячего водоснабжения.
При раздельном нагреве воды для системы отопления, системы горячего водоснабжения и вентиляционной системы (фиг.15) к описанному выше раздельному нагреву воды для первых двух из указанных систем потребителей горячей воды добавляется отдельный нагрев холодной воды, подаваемой в теплообменник 2 с выхода вентиляционной системы по линии 88 с помощью циркуляционного насоса 95. Указанная холодная вода поступает в отсек 93 торцевой полости 72 теплообменника 2 и по теплообменным трубкам 71, сообщающим друг с другом отсеки 93 и 94, течет в сторону отсека 94, откуда нагретая вода поступает по линии 89 на вход вентиляционной системы.
Выполнение предлагаемой установки с расположением зоны контактного теплообмена непосредственно в камере сгорания котлоагрегата позволяет исключить из ее конструкции громоздкий и массивный контактный теплообменник с засыпкой, имеющий место в прототипе, за счет чего упрощается изготовление, транспортировка, монтаж и эксплуатация установки и обеспечивается возможность ее размещения в местах, имеющих ограничения по полезной площади или по весу устанавливаемого оборудования (например, в подвальных помещениях, во дворах, в пристройках, на крышах или в нишах зданий или сооружений), что расширяет область практического применения предлагаемой установки.
Обеспечиваемый в предлагаемой установке нагрев воды непосредственно от пламени газовой горелки с движением нагреваемой жидкости в зоне камеры сгорания по спирали позволяет повысить температуру греющей жидкости, заполняющей теплообменник «жидкость-жидкость». Вместе с тем, испарение воды, протекающее непосредственно внутри камеры сгорания, повышает эффективность процесса горения газовоздушной смеси, что выражается в увеличении полноты сгорания последней и снижении содержания вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу через выходную трубу котлоагрегата. Кроме того, в первом варианте выполнения установки эффективность процесса горения газовоздушной смеси повышается также за счет предварительного нагрева воздуха, поступающего к газовой горелке, а эффективность работы установки повышается также за счет предварительного нагрева воды в спиральном теплообменнике перед поступлением воды в камеру сгорания. Во втором варианте выполнения установки эффективность ее работы повышается также за счет глубокой конденсации смешанных с продуктами сгорания водяных паров, осуществляемой вблизи камеры сгорания с получением конденсата с высокой температурой, который проходит очистку от вредных примесей с последующим использованием в качестве греющей жидкости. Вместе с тем, размещение теплообменника «жидкость-жидкость» под котлоагрегатом с расположением уровня греющей жидкости в указанном теплообменнике ниже камеры сгорания исключает в предлагаемой установке контакт греющей жидкости с корпусом камеры сгорания, благодаря чему исключается свойственное прототипу образование накипи на наружной стенке указанного корпуса и связанное с этим снижение теплоотдачи последнего. Указанные преимущества предлагаемой установки обеспечивают повышение эффективности использования тепловой энергии, выделяемой при сгорании газа в котлоагрегате, и соответственно снижение потребления газа, что, в свою очередь, повышает экономичность (КПД) установки и снижает себестоимость вырабатываемой установкой горячей воды.
В целом, предлагаемое изобретение позволяет создать компактную, легкую и высокоэкономичную теплогенерирующую установку с пониженным потреблением газа, низкими эксплуатационными расходами и низким содержанием вредных выбросов в атмосферу. При одном теплообменнике «жидкость-жидкость» установка может иметь целый каскад подключенных к нему котлоагрегатов, позволяющий путем включения и отключения требуемого количества котлоагрегатов изменять в широких пределах тепловую мощность установки в соответствии с изменяющимся текущим потреблением горячей воды на выходе установки. Вместе с тем, корпус камеры сгорания в предлагаемой установке, в отличие от установки по прототипу, не является «жаровой трубой», поскольку он защищается от нагрева до высоких температур омывающей его внутреннюю стенку жидкостью, поступающей из водоподающего насадка. Благодаря этому корпус камеры сгорания имеет высокую долговечность и не требует для его изготовления дорогостоящих теплостойких материалов.