ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах автономного теплоснабжения с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.
Известны водогрейные котлы, содержащие экранированный корпус, разделенный вертикальной перегородкой на топку с колосниковой решеткой и конвективный газоход, сообщенные между собой отверстием в верхней части перегородки (а.с. 1059368, М. кл. С24Н 1/30, 1982), а также перемещаемую перегородку с регулируемым нижним проемом (а.с. 1128065, М. кл. С24Н 1/30, 1983 г.).
Недостатком данных конструкций является неудачная общая компоновка поверхностей нагрева топки и газохода, расположенных в одной горизонтальной плоскости, что не обеспечивает устойчивости процессов горения при сжигании нескольких видов низкосортных органических топлив и при переходах на другие виды топлива, и поэтому характеризуется низкой экологической эффективностью.
Известен водогрейный котел (RU 2039913, кл. F24Н 1/00, опубл. 20.07.1995), в котором топочная камера водогрейного котла обрамлена водяной рубашкой, к которой присоединены водогрейные трубы, соединяющие ее противоположные стороны в верхней и нижней частях, образуя два перекрещивающихся пучка. В водяной рубашке установлены термодатчики и электронагреватели, соединенные между собой через термореле и пускатель. В верхней части котел снабжен водонагревателем с водосмешивающими перегородками и дымовой трубой, выполненной в виде колена с шибером и дверцей. В нижней части топочной камеры установлена колосниковая решетка, под которой в зольной камере установлен съемный короб.
Недостатком данного устройства является недостаточно высокий КПД.
Известен жаротрубно-дымогарный котел (RU 2187040, кл. F22В 7/12, опубл. 20.07.1995) с тремя ходами по направлению движения газов, включающий корпус с крышками и штуцерами для отвода воды и дымовых газов, размещенный в корпусе первый ход газов в виде жаровой трубы с газовой камерой, соединенной с дымогарными трубами второго хода, вторую газовую камеру, размещенную на противоположных концах труб и соединенную с третьим ходом, штуцер для отвода газов корпуса котла расположен в зоне второй газовой камеры, третий ход газов выполнен в виде вынесенного за пределы корпуса прямоугольного газохода со штуцером для подвода газов, соединенным со штуцером для отвода газов корпуса котла, две противоположные стенки газохода выполнены в виде трубных решеток с закрепленными в них перпендикулярно направлению движения газов трубами с прямоугольными, кольцевыми или спиральными ребрами и снабжены крышками со штуцерами для подвода и отвода воды.
В этом котле достигается полезное действие котла за счет достижения более оптимального теплосъема, но конструкция его отличается сложностью.
Наиболее близким техническим решением является водогрейный котел (RU 2296920, кл. F24Н 1/08, опубл. 10.04.2007), который содержит корпус, выполненный из двух соосных обечаек в кольцевом пространстве, между которыми расположены дымогарные трубы конвективного пучка и контур нагрева теплоносителя, топочную камеру, образованную полостью внутренней обечайки, рабочий термостат, топливный бункер и горелку, размещенную в топочной камере и связанную автоматической системой подачи топлива с топливным бункером и автоматической подачей воздуха для горения с вентилятором наддува. Система автоматической подачи топлива выполнена в виде транспортера, приводимого в движение посредством мотора-редуктора, а рабочий термостат через программируемый контроллер управляет подачей электрического тока на вентилятор и мотор-редуктор.
Недостатком данного изобретения является невысокий коэффициент полезного действия из-за неэффективного съема тепла теплоносителем, невозможность работать на жидких и газообразных видах топлива. Автоматическая система управления не учитывает запросы потребителя, в частности нет возможности поддержания микроклимата в помещениях с необходимой точностью.
Задачей предлагаемого изобретения является создание удобного, экономичного и универсального водогрейного котла, приспособленного для работы на различных видах твердого, жидкого и газообразного топлива и имеющего высокий коэффициент полезного действия.
Поставленная задача решается с помощью водогрейного котла, включающего корпус, выполненный из двух соосных обечаек, в кольцевом пространстве между которыми расположены дымогарные трубы конвективного пучка, контур нагрева теплоносителя, топочную камеру, образованную полостью внутренней обечайки, горелку, установленную в топочной камере, узел подачи топлива и автоматическую систему управления. Отношение площади сечения кольцевого пространства между обечайками к площади суммарного сечения труб дымогарных составляет 5-7, отношение площади поперечного сечения топочной камеры к площади суммарного сечения дымогарных труб составляет 4-6.
Предпочтительно дымогарные трубы снабжены оребрением и перемычками.
Предпочтительно топочная камера конструктивно выполнена с возможностью установки горелок для разных видов топлив.
Топка котла имеет технологические отверстия и крепежные элементы для быстрого монтажа различных видов горелок для разных видов топлива. В зависимости от вида горелки она комплектуется соответствующим автоматическим узлом подачи топлива.
Предпочтительно узел подачи твердого топлива мелкой фракции включает емкость с топливом, расположенную выше или ниже уровня установки котла с горизонтальным шнеком в нижней части, сопряженным с наклонным шнеком, который в свою очередь соединен с механизмом подачи топлива в горелку.
Водогрейный котел предпочтительно имеет одношнековый механизм подачи топлива и оснащен резервуаром с водой, который соединен с полостью шнека трубопроводом, конец которого закрыт составом, плавящимся при повышенной температуре свыше 120°С, для обеспечения безопасной работы котла.
Водогрейный котел предпочтительно изготовлен из антикоррозионных материалов или конструкция котла защищена антикоррозионным покрытием.
Предпочтительно в топочную камеру введена перфорированная обечайка для более полного сгорания топлива.
Предпочтительно в кольцевом пространстве водогрейного котла установлены ТЭНы для нагрева теплоносителя и (или) более быстрого достижения необходимой температуры теплоносителя при выходе на рабочий режим.
Предпочтительно водогрейный котел оснащен источником бесперебойного электропитания, что обеспечивает надежную работу котла при отключении электроэнергии.
Предпочтительно в коробе дымовых газов установлена шиберная заслонка для регулирования тяги.
Водогрейный котел предпочтительно оснащен следующим электрооборудованием: программируемый контроллер с карточкой режима работы, аварийный блок питания, двухканальный терморегулятор с датчиками температуры, мотор-редуктор, датчик уровня, переключатель режимов работы, и имеет автоматическую систему регулирования температуры, получающую управляющие сигналы от датчика температуры, расположенного в помещении потребителя тепла, а также контролирующую и регулирующую температуру теплоносителя в котле в зависимости от полученного управляющего сигнала.
В предлагаемом решении для повышения эффективности работы водогрейного котла и увеличения теплопередачи от дымовых газов к нагреваемой воде водогрейный котел имеет отношение площади сечения кольцевого пространства между обечайками к площади суммарного сечения труб дымогарных 5-7, отношение площади поперечного сечения топочной камеры к площади суммарного сечения дымогарных труб 4-6.
Узел подачи жидкого и газообразного топлива имеет стандартную компоновку для данных видов топлива.
В случае использования твердого топлива крупной фракции в топку устанавливается колосниковая решетка.
Наличие шиберной заслонки в коробе дымовых газов позволяет регулировать тягу, а это ведет к более экономичному расходу тепла, отдаваемого топливом при использовании разных видов топлива, что в свою очередь позволяет оптимизировать КПД котла при работе на разных видах топлива.
В кольцевом пространстве между обечайками установлены ТЭНы для использования электрической энергии в качестве топлива. Также ТЭНы используются для быстрого достижения необходимой температуры теплоносителя в период выхода котла на рабочий режим.
На Фиг.1 представлено схематическое изображение продольного разреза котла,
на Фиг.2 - поперечный разрез котла,
на Фиг.3 - схема автоматической системы регулирования.
Водогрейный котел содержит корпус, выполненный из двух соосных обечаек: наружной 1 и внутренней 2. Отношение площади сечения кольцевого пространства между обечайками к площади суммарного сечения труб дымогарных равняется шести. С верхней и нижней стороны каждая обечайка закрыта приварным листом 3 с отверстиями 4 для труб. В кольцевом пространстве между обечайками 1, 2 расположены оребренные дымогарные трубы 5 конвективного пучка, контур нагрева теплоносителя 6 с патрубками подачи холодного теплоносителя (воды) в нижней части для нагрева и выхода горячего теплоносителями в верхней части (на Фиг.1 патрубки не показаны), ТЭНы 7. Полость внутренней обечайки 2 образует топочную камеру 9 с атмосферным клапаном 10. Отношение площади поперечного сечения топочной камеры 9 к площади суммарного сечения дымогарных труб 5 равняется пяти. В топочной камере 9 расположена перфорированная обечайка 11 для более полного сгорания топлива. В верхней части котла расположен короб дымовых газов 12 с шиберной заслонкой 13.
Узел подачи топлива может быть выполнен в различных вариантах в зависимости от вида используемого топлива.
На Фиг.1 показан водогрейный котел, работающий на твердом топливе, в котором узел подачи топлива (на Фиг.1 не показан), включает емкость с топливом, расположенную ниже уровня установления котла, горизонтальный шнек, сопряженный с наклонным шнеком и механизмом подачи топлива в горелку. Узел подачи топлива состоит из известных элементов, которые соединены в перечисленной последовательности друг с другом. По конструктивному расположению элементов узел подачи твердого топлива может быть выполнен в удобном для потребителя виде.
Водогрейный котел оснащен следующим электрооборудованием для автоматического регулирования рабочих процессов (Фиг.3): программируемый контроллер 14 с карточкой режима работы, аварийный блок питания 15, двухканальный терморегулятор 16 с датчиками температуры 17, датчики уровня 18, переключатель режимов работы 19, датчик температуры в помещении 20, мотор-редуктор 21.
Водогрейный котел оснащен источником бесперебойного питания, позволяющим поддерживать работу системы автоматики и работу исполнительных механизмов при отключении электроэнергии (на Фиг.1 патрубки не показаны).
Для заполнения обратной водой водогрейный котел снабжен патрубком в нижней части котла, а для выхода горячей воды - патрубком в верхней части котла (на Фиг.1 не показаны).
Поверхность водогрейного котла для увеличения срока его службы выполнена с антикоррозионным покрытием.
Водогрейный котел работает следующим образом:
В топочной камере 9 воспламеняют топливо в горелке. Топочный газ, поднимаясь по дымогарным трубам 5, нагревает воду в контуре теплоносителя 6. Наличие оребрения на трубах 5 позволяет увеличить теплоотдающую поверхность и ускорить процесс нагревания воды. Движение воды в пространстве контура нагрева теплоносителя 6 между обечайками 1, 2 и дымогарными трубами 5 организовано так, что не образуется застойных зон, что в свою очередь исключает местный перегрев конструкций котла и обеспечивает равномерность прогрева котла. Обратная вода из системы отопления поступает по патрубку в нижнюю часть котла, а нагретая вода через патрубок в верхней части котла - в систему отопления. Для быстрого выхода котла на рабочий режим дополнительно включаются ТЭНы 7.
В случае отсутствия основных видов топлива (жидкого, твердого, газообразного) в качестве аварийного источника теплоснабжения выступают ТЭНы 7 котла, позволяющие обеспечить необходимую жизнестойкость системы.
Шиберной заслонкой 13 регулируют тягу, что в свою очередь позволяет оптимизировать процесс расходования тепла и снизить температуру отходящих газов до минимально возможной величины (около 130°С).
Поддержание заданной температуры теплоносителя происходит в зависимости от необходимой температуры воздуха у потребителя. Это осуществляется с помощью двухканального терморегулятора 16 с датчиком температуры 17, датчика температуры воздуха в помещении 20, программируемого контроллера 14 и мотор-редуктора 21.
Предлагаемый водогрейный котел позволяет воде максимально забрать тепло дымогарных газов, минимизировать потери тепла, и как следствие максимизировать КПД котла в целом, что является техническим результатом предлагаемого решения.
Кроме увеличения КПД водогрейного котла, анализ состава отходящих газов на разных видах топлива показал минимальное количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу, что подтверждает создание оптимальных условий в водогрейном котле предлагаемой конструкции для сгорания топлива.