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. Применение дополнительного канала (байпаса) с теплообменником также увеличивает металлоемкость (вес) котла, а также его габаритные размеры.
Известно также устройство для приготовления горячей воды (авторское свидетельство СССР №371399 от 24.11.1970 г. (2)). Данное устройство содержит корпус с входным и выходным патрубками, топку и дымогарные трубки, причем в установленной в корпусе емкости, образующей с корпусом кольцевой зазор, вмонтированы соединяющие верхнюю и нижнюю части ее теплообменные трубы. В нижней части емкости установлена топка с горелками для сжигания природного газа или жидкого топлива.
Недостатком данного устройства является сложность его изготовления. Кроме того, наличие гладких трубок не обеспечивает интенсивной теплопередачи тепла, что существенно снижает эффективность работа данного устройства, особенно в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому водогрейному котлу является водогрейный котел (патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г. (3)). 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.
Котел известной конструкции имеет 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. Кроме того, в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения у данного котла имеется определенный недостаток, для получения необходимого количества воды для хозяйственных нужд возникает необходимость перекрывать вентилем систему отопления на обратной трубе. Это обстоятельство существенно снижает эксплутационные характеристики котла.
Целью предлагаемой полезной модели является снижение трудоемкости при его изготовлении, повышение эффективности работы котла в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения и как следствие этого, улучшение эксплуатационных характеристик котла.
Поставленная цель достигается тем, что водогрейный котел имеет конвективные каналы прямоугольного сечения, расположенные в полости теплообменника. Конвективные каналы разделены вертикальными стенками на несколько газоходов четырехугольного сечения. Вертикальные стенки выполнены П-образными и выступают внутрь конвективного канала на величину равную 0,42÷47 расстояния между противоположными стенками конвективного канала. Высота конвективных каналов составляет 0,45-0,55 высоты теплообменника. Газовая горелка расположена в полости, образованной нижней стенкой конвективных каналов и внутренними стенками теплообменника. В полости между внутренними и внешними стенками теплообменника установлена вертикальная разделительная стенка высотой равной 0,9-0,95 высоты конвективных каналов и охватывающая конвективные каналы. Расстояние между вертикальной стенкой и наружной стенкой теплообменника равно 1,5-2 расстояния между вертикальной стенкой и наружными стенками конвективных каналов. Витой змеевик расположен в полости между наружной стенкой теплообменника и вертикальной разделительной стенкой. Патрубки подающего и обратного трубопровода соединены между собой дополнительным трубопроводом и в месте соединения дополнительного трубопровода с патрубком обратного трубопровода установлен трехходовой кран и на обратном трубопроводе системы отопления установлен циркуляционный насос.
На фиг.1 изображен вид сбоку, предлагаемого водогрейного котла. В предлагаемом водогрейном котле имеется топка 1. Топка 1 в верхней ее части переходит в конвективные каналы 2 прямоугольного сечения, разделенные вертикальными П-образными стенками на несколько газоходов четырехугольного сечения. В нижней части топки 1 установлена газовая горелка 3, размещенная выше днища корпуса 4 котла. Особенностью котла данной конструкции является то, что газовая горелка 3 находится внутри корпуса теплообменника 5 и благодаря этому достигается надежная защита стенок корпуса 6 котла от теплового излучения газовой горелки. В результате этого стенки корпуса 6 котла не перегреваются и тем самым повышается безопасность котла. Газовая горелка 3 соединена с системой автоматики 7. Высота конвективных каналов составляет 0,45-0,55 высоты теплообменника. Над газовой горелкой 3 устанавливается несколько (в зависимости от мощности котла) конвективных каналов 2. Продукты сгорания через дымовую коробку 8 и патрубок 9 выводятся за пределы жилого помещения. Через патрубок 10 происходит подача воздуха к газовой горелке 3. В верхней части теплообменника котла находится витой змеевик 11 контура горячего водоснабжения и вертикальная разделительная стенка 12, высотой h равной (0,9-0,95)Н, где Н - высоты конвективных каналов. Расстояние А между вертикальной стенкой и наружной стенкой теплообменника равно (1,5-2)а, где а - расстояния между вертикальной стенкой и наружными стенками конвективных каналов. Змеевик 11 находится в полости между вертикальной разделительной стенкой 12 и наружной стенкой теплообменника 5. Полость между наружными стенками теплообменника 5 и стенками конвективных каналов 2 заполнена теплоносителем (например водой). На боковой поверхности теплообменника 5 имеются патрубки 13 и 14 для подключения котла к системе отопления. Патрубок 13 подключается к подающему трубопроводу системы отопления, а патрубок 14 - к обратному трубопроводу системы отопления. Снаружи все элементы котла закрыты днищем 4 и стенками 6 корпуса котла. Подающий патрубок системы отопления 13 при помощи дополнительного трубопровода 17 соединен с трехходовым краном 16. Патрубок обратного трубопровода 14 системы отопления соединен с циркуляционным насосом 15, который в свою очередь соединен с трехходовым краном 16.
На патрубке для удаления продуктов сгорания 9 имеется прерыватель тяги 18 с датчиком опрокидывания тяги 19.
На боковой поверхности стенки корпуса котла расположении патрубки 20 контура горячего водоснабжения, соединенные со змеевиком 11
На фиг.2 приведен пример конкретного исполнения конвективных каналов (вид сверху). Канал имеет прямоугольную форму, разделенного П-образными вертикальными стенками на несколько газоходов четырехугольного сечения, где 21 - наружные стенки конвективного канала, а 22 - вертикальные П-образные стенки. Вертикальные стенки 22 выступают внутрь канала на величину b равную (0,42-0,47)В, где В - расстояние между противоположными стенками конвективного канала.
Котел работает следующим образом.
При работе газовой горелки 3 происходит сгорании газа в топке 1 и поднимающиеся вверх горячие продукты сгорания проходят через конвективные каналы 2, имеющие развитую внутреннюю поверхность. Продукты сгорания газа передают часть своей энергии вертикальным стенкам 22, а те в свою очередь через наружные стенки 21 конвективных каналов 2 теплоносителю, находящемуся в полости теплообменника 5. Возможность непосредственного контакта продуктов сгорания, как с внутренними вертикальными стенками конвективного канала, так и с наружными его стенками, значительно увеличивают эффективность работы теплообменника и всего котла в целом. Отдав часть своего тепла теплоносителю, продукты сгорания уменьшают свой объем. Уменьшение объема ведет к ухудшению теплообмена в верхней зоне конвективного канала известных конструкций. Наличие вертикальных стенок, расположенных в центральной части конвективного канала и высотой, равной 0,45-0,55 высоты теплообменника, 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, отдав часть своей энергии теплоносителю, попадают в дымовую коробку 8 и через патрубок 9 удаляются за пределы жилого помещения.
При работе котла возможно попадание атмосферного воздуха (особенно в ветреную погоду) через систему дымоходов в топку 1, что может привести к задуванию газовой горелки 3. Наличие определенного объема воздуха, используемого для горения, в пространстве между стенкой теплообменника 5 и корпусом котла 6, способствует уменьшению вероятности задувания газовой горелки. Для защиты котла от этого вредного фактора в составе котла имеется прерыватель тяги 18 с датчик опрокидывания тяги 19, расположенными в верхней части дымовой коробки 5, Датчик опрокидывания 19 тяги соединен с системой автоматики 7, которая в экстремальных случаях прекращает подачу газа к газовой горелке 3.
В процессе работы котла через патрубок 10 в топку поступает воздух, необходимый для сгорания газообразного топлива. В предлагаемой конструкции котла возможна организация подачи воздуха, как непосредственно из отапливаемого помещения, так и с улицы.
Температура нагрева теплоносителя в котле устанавливается перед запуском котла и отслеживается системой автоматики 7. Когда теплоноситель на выходе из котла нагревается до температуры, соответствующей заданному регулятором температуры теплоносителя значению, система автоматики 7 уменьшает подачу газа на горелки. После охлаждения теплоносителя в отопительной системе на определенную величину, подача газа к основной горелке автоматически восстанавливается. Теплоноситель в систему отопления подается через патрубок 13, а после охлаждения в системе отопления возвращается в теплообменник котла через патрубок 14. Патрубок 14 расположен ниже секций газовой горелки, в результате этого тепловой центр котла находится значительно ниже, чем в известных котлах этого класса. Смещение теплового центра вниз котла дает возможность улучшить циркуляцию теплоносителя в отопительных системах с естественной циркуляцией (например, при аварийном отключении электроэнергии и отключении циркуляционного насоса).
А. Работа котла в режиме отопления (фиг.3)
В режиме отопления теплоноситель, нагретый в полости теплообменника 5, через патрубок 13 подающего трубопровода поступает в систему отоплении (на фиг.3 система отопления не показана). Пройдя через отопительные приборы и отдав часть своего тепла теплоноситель через патрубок 14 обратного трубопровода, трехходовой кран 16 и циркуляционный насос 15 возвращается в полость теплообменника 5, где снова нагревается до заданной температуры. Трехходовой кран 16 находится в положении, позволяющим теплоносителю двигаться только от патрубка 14 обратного трубопровода в направлении циркуляционного насоса 16 (положение «отопление»).
Б. Работа котла в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения (фиг.3).
Если во время работы котла по трубопроводу контура горячего водоснабжения подается холодная вода в змеевик 11, то подогретая в теплообменнике 5 вода нагревает змеевик 11, а соответственно и воду в нем. Горячая вода начинает поступать потребителю. Наличие в полости теплообменника вертикальной стенки 12 обеспечивает постоянную циркуляцию теплоносителя в теплообменнике котла. При отборе тепла у теплоносителя змеевиком 11 контура горячего водоснабжения появляется разность температур теплоносителя расположенного по разные стороны вертикальной стенки 12. В полости между наружными стенками конвективных каналов 2 и вертикальной стенкой 12 происходит быстрый прогрев теплоносителя, а в полости между наружной стенкой теплообменника 5 и вертикальной стенкой 12 отбор тепла змеевиком 11 контура горячего водоснабжения. Разность температур теплоносителя по разные стороны вертикальной стенки 12 вызывает интенсивную циркуляцию теплоносителя внутри теплообменника котла. Расстояние А между вертикальной стенкой 12 и наружной стенкой теплообменника 5 составляет (1,5-2)а, где а - расстояния между вертикальной стенкой 12 и наружными стенками конвективных каналов 2. Экспериментальным путем установлено, что при таком соотношении расстояний между вертикальной стенкой 12 и стенками теплообменника 5 и конвективных каналов 2 обеспечивается быстрый прогрев теплоносителя, интенсивная его циркуляция в теплообменнике, а благодаря этому эффективный и быстрый прогрев воды в контуре горячего водоснабжения, что обеспечивает заданное количество горячей воды нужной температуры. При работе котла в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения трехходовой кран находится в таком же положении как и при работе в режиме отопления. Наличие в составе котла циркуляционного насоса 15, трехходового крана 16 и дополнительного трубопровода 17 повышает эффективность работы котла в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения. Подобная конструкция котла позволяет получать нужное количество горячей воды для хозяйственных нужд без каких либо дополнительных действий (в котлах известной конструкции для получения необходимого количества воды необходимо перекрывать вентилем систему отопления на обратной трубе, то есть фактически отключать контур отопления).
В. Работа котла в режиме горячего водоснабжения (фиг.4).
В отличие от режима совместного отопления и горячего водоснабжения в режиме горячего отопления трехходовой кран переводится в положение «горячее водоснабжение». В этом случае теплоноситель циркулирует по контуру: полость теплообменника 5 - патрубок подающего трубопровода 13 - дополнительный трубопровод 17 - трехходовой кран 16 - циркуляционный насос 15 - полость теплообменника 5.
Предлагаемая конструкция водогрейного котла позволяет уменьшить его трудоемкость изготовления за счет упрощения конструкции теплообменника, так как конвективный канал может быть изготовлен из двух частей, сваренных между собой. При такой конструкции существенно уменьшает протяженность сварных швов. Применение вертикальных П-образных стенок, выступающих внутрь конвективного канала на величину, равную 0,42-0,47 расстояния между противоположными стенками канала существенно повышает эффективность работы конвективного канала и всего устройства в целом. Экспериментальным путем установлено, что при высоте стенок менее 0,42 расстояния между противоположными стенками снижается КПД котла, а при высоте более 0,47 возможен локальный перегрев П-образных стенок в нижней их части. Применение конвективных каналов высотой 0,45-0,55 высоты теплообменника значительно уменьшает металлоемкость конструкции. При высоте каналов менее 0,45 высоты теплообменника также снижается КПД котла, а при высоте более 0,55 высоты теплообменника увеличивается его металлоемкость. Наличие в составе котла вертикальной разделительной стенки заданных размеров, расположенной на определенном расстоянии от конвективных каналов и стенок теплообменника, гарантирует устойчивую, надежную и эффективную работу котла в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения и обеспечивает получение горячей воды для хозяйственных нужд в необходимом количестве и заданной температуры. При высоте стенки более 0,95 высоты конвективных каналов ухудшается циркуляция теплоносителя, а при высоте менее 0,9 высоты конвективных каналов снижается теплопередача от теплоносителя к змеевику. Расстояния между вертикальной стенкой и наружной стенкой теплообменника и между вертикальной стенкой и наружными стенками конвективных каналов выбрано из конструктивных соображений и проверено экспериментально. При расстоянии между вертикальной стенкой и наружной стенкой теплообменника менее 1,5 расстояния между вертикальной стенкой и наружной стенкой конвективных каналов ухудшается циркуляция теплоносителя и возможен локальный перегрев стенок конвективных каналов. При расстоянии между вертикальной стенкой и наружной стенкой теплообменника более 2,0 расстояния между вертикальной стенкой и наружной стенкой конвективных каналов возможно снижение температуры в контуре отопления в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения. Коме того, смещение теплового центра в низ котла повышает эффективность его работы в отопительных системах с естественной циркуляцией теплоносителя. Все это позволяет существенно улучшить эксплуатационные характеристики котла.
Источники информации
1. Патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г.
2. Авторское свидетельство СССР №371399 от 22.11.1970
3. Патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г.