ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Предлагаемый водогрейный котел предназначен для раздельного отопления и горячего водоснабжения квартир в жилых многоэтажных домах и индивидуальных жилых зданиях, с системами естественной и принудительной циркуляции воды.
Известен водогрейный котел (патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г. (1)) который содержит герметический корпус. В корпусе размещена топка, над которой выполнен конвективный газоход. В топке расположены теплообменные элементы в виде собранных в вертикальные ряды поперечно расположенных водяных труб. Конвективный газоход в его верхней части выполнен за одно целое с дымовой коробкой, в которую вставляется телескопический патрубок, выходящий за пределы зданий и имеющий каналы для подачи воздуха в топку к газовой горелке и для выброса продуктов сгорания. В нижней части топки установлены боковые экранные горизонтальные трубы. В средней и верхней частях топки установлены горизонтальные (поперек котла) водяные трубы разного диаметра, которые соединены с экранными трубами при помощи выполненных передней и задней водяных камер котла. Интенсивность смывания труб теплоносителем определяется расстоянием между трубами в одном ряду и расстоянием между трубами двух соседних рядов по диагонали. Конвективный газоход выполнен трапецеидальной формы и в нем водяные трубы расположены горизонтально (поперек котла) в шахматном порядке и также соединены с передней и задней водяными камерами котла. Трапециевидное расположение труб в средней и верхней частях топки обеспечивает площадь сечения между трубами первого ряда больше площади сечения между трубами последнего ряда в 1,5-2,5 раза. В задней части котла выполнен соединенный с задней водяной камерой дополнительный канал (байпас), в котором размещен теплообменник для горячего водоснабжения. Теплообменник выполнен в виде витого змеевика. Газовая горелка соединена с системой автоматики работы котла. Для удобства регулирования система автоматики установлена в передней части котла.
В известном устройстве в качестве теплообменника используются горизонтально расположенные трубы, число которых составляет не менее 30 штук. Поэтому у котлов подобной конструкции высока металлоемкость. При изготовлении теплообменника такой конструкции приходится выполнить 60 и более сварных швов, что существенно повышает трудоемкость изготовления котла и снижает его надежность при эксплуатации. Кроме того, горизонтальное расположение труб не обеспечивает равномерного и эффективного теплообмена между горячими газами поднимающимися от газовой горелки по конвективному газоходу и теплоносителем, находящемся в полости теплообменника.
Известна также конструкция водогрейного котла (патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г. (2)). Данный водогрейный котел имеет четное количество вертикальных конвективных каналов трапецеидальной формы разделенной вертикальными стенками на несколько газоходов. Каналы расположены внутри теплообменника, заполненного жидким теплоносителем, например водой. Высота конвективных каналов равна высоте теплообменника, а площадь сечения нижнего основания в 1,5-4,5 раза больше площади сечения верхнего основания конвективного канала. Газовая горелка выполнена двухсекционной, причем одна из секций работает постоянно, а другая имеет возможность включения в случае необходимости через отдельный запорный элемент. Конвективные газовые каналы установлены непосредственно над двухсекционной газовой горелкой. Телескопический газоход для выброса продуктов сгорания находится внутри телескопического патрубка для подачи воздуха и имеет на своей поверхности слой теплоизоляции. Витой змеевик контура горячего водоснабжения установлен непосредственно в полости теплообменника между наружными стенками конвективных каналов и внутренними стенками корпуса котла.
Котлы известной конструкции имеют определенные недостатки, в частности конвективные каналы трапецеидальной формы сложны в изготовлении. Кроме того, деление канала вертикальными стенками на газоходы существенно увеличивает металлоемкость конвективного канала и всего теплообменника водогрейного котла. Опыт эксплуатации водогрейных котлов известной конструкции показал, что используемые в данном котле конвективные каналы трапецеидальной формы имеют определенные недостатки, связанные с неравномерным прогревом стенок канала. Это приводит к локальному перегреву отдельных зон конвективного канала и как следствие этого локальному кипению теплоносителя в перегретых зонах.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому водогрейному котлу является водогрейный котел (патент на полезную модель №75458 от 23.10.2007 г. (3)). Данный водогрейный котел содержит герметичный корпус, в котором размещены топка с газовой горелкой, теплообменник с дымовой коробкой, система автоматики, соединенная с газовой горелкой, а также патрубки для подачи воздуха к газовой горелке и удаления продуктов сгорания. Внутри теплообменники имеются конвективные каналы, разделенные вертикальными стенками на несколько газоходов, витой змеевик. Конвективные каналы квадратного сечения расположены внутри теплообменника круглого сечения. Конвективные каналы разделены вертикальными стенками на несколько газоходов квадратного сечения. Вертикальные стенки газоходов выступают внутрь конвективного канала на величину равную 0,45 его ширины и смещены относительно осей конвективного канала соответственно на 0,05 ширины канала. Вертикальные стенки имеют в нижней части треугольный вырез основанием равный 0,5 ширины канала и высотой 0,25 высоты канал. Патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке одним концом закреплен на боковой поверхности корпуса котла, а на другом конце патрубка, расположенном в полости между внутренней поверхностью корпуса котла и наружной поверхностью теплообменника имеет датчик опрокидывания тяги. Диаметр выходного патрубка для удаления продуктов сгорания теплообменника составляет 0,8-0,9 диаметра выходного отверстия патрубка корпуса котла и вертикальные оси обеих патрубков совпадают.
Опыт эксплуатации отопительных котлов данной конструкции показывает, что в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения у них имеется определенный недостаток, а именно, возможно некоторое снижение температуры в контуре отопления при работе контура горячего водоснабжения. Поэтому, для получения необходимого количества воды заданной температуры для хозяйственных нужд возникает необходимость перекрывать вентилем систему отопления на обратной трубе. Это обстоятельство существенно снижает эксплутационные характеристики котла, усложняет обслуживание отопительного котла.
Целью предлагаемой полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик котла, упрощение его обслуживания.
Поставленная цель достигается тем, что водогрейный котел содержит герметичный корпус, в котором размещена топка с газовой горелкой, теплообменник с дымовой коробкой, внутри которого расположены конвективные каналы прямоугольного сечения, разделенные вертикальными стенками на несколько газоходов, патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке и патрубок удаления продуктов сгорания, датчик опрокидывания тяги, витой змеевик контура горячего водоснабжения и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, расположенной в полости, образованной нижней стенкой конвективных каналов и внутренними стенками теплообменника. Витой змеевик контура горячего водоснабжения расположен в отдельной водяной камере прямоугольного сечения, соединенной с теплообменником прямоугольного сечения дополнительным каналом, площадью поперечного сечения равной 2,5% площади стенки водяной камеры. Водяная камера примыкает к одной из боковых стенок теплообменника, в которой выполнены два отверстия прямоугольного сечения площадью равной 12% площади стенки водяной камеры каждая. Патрубки системы отопления и системы горячего водоснабжения расположены на боковой поверхности водяной камеры со стороны канала. Патрубок для подачи воздуха в топку и патрубок для удаления продуктов сгорания с датчиком опрокидывания тяги расположены на верхней крышке котла.
На фиг.1 изображен вид спереди, предлагаемого водогрейного котла (в разрезе). В предлагаемом водогрейном котле имеется герметичный корпус 1. Внутри герметичного корпуса имеется топка 2 с газовой горелкой 3. Над топкой расположен теплообменник 4 в верхней части которого имеется дымовая коробка 5. Внутри теплообменника 4 расположены вертикальные конвективные каналы 6 прямоугольного сечения, разделенные вертикальными стенками на несколько газоходов (вертикальные стенки на фиг.1 не показаны). В верхней части герметичного корпуса 1 котла расположен патрубок 7 для подачи воздуха в топку 2 к газовой горелке 3, а также патрубок 8 для удаления продуктов сгорания. В верхней части дымовой коробки 5 установлен датчик опрокидывания тяги 9. В нижней части герметичного корпуса 1 расположена система автоматики 11, соединенная с газовой горелкой 3. Газовая горелка 3 находится в полости, образованной нижней стенкой конвективных каналов 6 и внутренними стенками теплообменника 4. Отдельная водяная камера 12 примыкает к одной из боковых стенок теплообменника 4, в которой выполнены два отверстия 14 прямоугольного сечения. Площадь каждого из отверстий составляет 12% площади соответствующей стенки водяной камеры. В полости водяной камеры 12 установлен витой змеевик 10 контура горячего водоснабжения. Отдельная водяная камера 12 соединена с теплообменником 4 в верхней его части дополнительным каналом 13 прямоугольного сечения. Площадь поперечного сечения дополнительного канала 13 составляет 2,5% площади соответствующей стенки водяной камеры.
На фиг.2 показан вид сзади водогрейного котла. На одной из боковых поверхностей водяной камеры 12 со стороны дополнительного канала 13 имеются патрубки 15 системы отопления и патрубки 16 системы горячего водоснабжения. В верхней части котла находится патрубок 7 для подачи воздуха в топку и заглушка 17, закрывающее второе отверстие для забора воздуха. В случае необходимости патрубок 7 и заглушка 17 могут меняться местами.
Котел работает следующим образом.
При работе газовой горелки 3 происходит сгорании газа в топке 2 и поднимающиеся горячие продукты сгорания попадают в конвективные каналы 6, имеющие развитую внутреннюю поверхность. Продукты сгорания газа передают часть своей энергии вертикальным стенкам конвективных каналов, а те в свою очередь через стенки конвективных каналов 6 теплоносителю, находящемуся в пространстве, ограниченном стенками конвективных каналов 6, верхним и нижним основаниями конвективных каналов и наружной стенкой теплообменника 4. Отдав часть своего тепла теплоносителю, продукты сгорания уменьшают свой объем. Это приводит к уменьшению скорости течения горячих газов в верхней части конвективного канала и как следствие этого к ухудшению теплообмена в периферийной зоне конвективного канала. Наличие вертикальных стенок в центральной части конвективного канала способствует улучшению отбора тепла из центральной части газового потока, где температура продуктов сгорания максимальна. При такой конструкции конвективного канала удается обеспечить максимальный отбор тепловой мощности с единицы поверхности конвективного канала.
Продукты сгорания газового топлива (путь продуктов сгорания показан на фиг.1 сплошными стрелками), отдав часть своей энергии теплоносителю, попадают в дымовую коробку 5 и через патрубок 8 удаляются за пределы жилого помещения через существующий дымоход.
Одновременно через патрубок 7 в топку поступает воздух (путь по которому воздух подводится к горелке, показан на фиг.1 пунктирными стрелками). В предлагаемой конструкции котла возможна подача воздуха, как непосредственно из отапливаемого помещения, так и с улицы. Кроме того, в котле имеется возможности установки патрубка 7 слева или справа относительно патрубка 8.
При работе котла возможно попадание атмосферного воздуха (особенно в ветряную погоду) через систему дымоходов в топку 2, что может привести к задуванию газовой горелки 3. Наличие определенного объема воздуха, используемого для горения, в пространстве между стенкой теплообменника 4 и корпусом котла 1, способствует уменьшению вероятности задувания газовой горелки. Для защиты котла от этого вредного фактора в составе котла имеется датчик опрокидывания тяги 9, расположенный в верхней части дымовой коробки 5. Датчик опрокидывания 9 тяги соединен с системой автоматики 11, которая в экстремальных случаях прекращает подачу газа к газовой горелке 3.
Температура нагрева теплоносителя в котле устанавливается перед запуском котла и отслеживается системой автоматики 11. Когда теплоноситель на выходе из котла нагревается до температуры, соответствующей заданному регулятором температуры теплоносителя значению, система автоматики 11 уменьшает подачу газа на горелку 3. После охлаждения теплоносителя в отопительной системе на определенную величину, подача газа к основной горелке автоматически восстанавливается.
Если во время работы котла из водопровода вода подается по трубопроводу в змеевик 10 горячего водоснабжения, то подогретый в теплообменнике 4 теплоноситель (например, вода) через отверстия 14 в стенке теплообменника поступает в отдельную водяную камеру 12 и нагревает змеевик 10. Нагретая в змеевике вода будет поступать к смесителям горячей воды у потребителя. Наличие прямоугольных отверстий в стенке теплообменника, соединяющих его с отдельной водяной камерой, площадью 12% позволяет обеспечить интенсивную циркуляцию теплоносителя в водяной камере и повышает эффективность нагрева воды в змеевике 10. Площади отверстия подбирались опытным путем из конструктивных и эксплуатационных особенностей котла. При использовании отверстий площадью менее 12% площади стенки водяной камеры не удавалось в змеевике 10 получить необходимую температуру воды при заданном ее расходе. При увеличении площади отверстии более 12% отбор тепла у теплоносителя змеевиком 10 приводил к снижению температуры в контуре отопления.
Наличие дополнительного канала 13, площадью поперечного сечении равного 2,5% площади стенки водяной камеры, соединяющего теплообменник с отдельной водяной камерой способствовало выравниванию температуры теплоносителя между водяной камерой и теплообменником.
Отсутствие канала или использование канала площадью поперечного сечения менее 2,5% площади стенки водяной камеры приводило к образованию застойных зон в верхней части теплообменника. Наличие застойных зон влияло на точность поддержания заданной температуры блоком автоматики. Использование канала площадью поперечного сечения более 2,5% площади стенки водяной камеры не обеспечивало нужной циркуляции теплоносителя между теплообменником и отдельной водяной камерой и соответственно не обеспечивало выравнивания температуры теплоносителя в теплообменнике и водяной камере.
Наличие дополнительной водяной камеры 12 соединенной с теплообменником 4 и имеющей два отверстия 14 прямоугольного сечения и дополнительный канал 13 позволили опустить «тепловой центр» котла и создать внутри котла постоянную циркуляцию теплоносителя, что позволило значительно улучшить эффективность работы котла в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения. Водогрейный котел подобной конструкции лишен недостатков, присущих известным конструкциям, так как организации постоянной циркуляции теплоносителя между теплообменником и отдельной водяной камерой позволяет повысить эффективность теплообмена между теплоносителем котла и водой в змеевике контура горячего водоснабжения. При такой конструкции котла отбор горячей воды из контура горячего водоснабжения не влияет на температуру теплоносителя в контуре отопления. Наличие в составе котла датчика опрокидывания тяги, установленного в верхней части дымовой коробки, повышает устойчивость котла к перепадам атмосферного давления и снижает опасность задувания газовой горелки в процессе эксплуатации. Кроме того возможность забора воздуха для горения как непосредственно Из отапливаемого помещения, так и с улицы существенно улучшает эксплуатационные характеристики предлагаемой конструкции котла.
Источники информации
1. Патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г.
2. Патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г.
3. Патент на полезную модель №75458 от 23.10.2007 г.