ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT WATER BOILER

Изобретение относится к устройствам для подогрева воды с применением газового топлива и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения бытовых и промышленных помещений.
Известны водогрейные котлы с радиационными газовыми горелками, в которых теплота, образующаяся при сгорании топлива, передается воде посредством теплового излучения, поглощаемого стенками теплообменника и за счет конвективного теплообмена от продуктов сгорания (US 4510890, RU 2189538, US 5511516, US 5494003, US 6725811, US 7299768).
Известен водогрейный котел (US 6945196), содержащий теплообменник. Оболочка корпуса и часть оболочки теплообменника образуют топочную камеру, в которой установлена радиационная горелка с инжекционным смесителем. Часть оболочки теплообменника образует радиационную и конвективную поверхности нагрева топочной камеры. Через теплообменник проходит газоход для отвода продуктов сгорания. Стенки канала газохода образуют конвективные поверхности нагрева котла.
Радиационная горелка состоит из корпуса, на котором установлены узлы горелки: инжекционный смеситель и керамическая газопроницаемая вставка. Корпус является распределительной камерой радиационной горелки, обеспечивающей равномерное распределение топливовоздушной смеси по поверхности керамической вставки.
Недостатком конструкции является низкая надежность работы, связанная с перегревом корпуса распределительной камеры радиационной горелки. В условиях замкнутого пространства топочной камеры и воздействия радиационного нагрева от стенок топочной камеры и конвективного нагрева от продуктов сгорания, контактирующих с конструкционными элементами горелки, происходит нагревание всех элементов, расположенных в топочной камере, в частности стенок распределительной камеры горелки выше температуры воспламенения топливовоздушной смеси.
Этот эффект приводит к проскоку пламени в корпус горелки по стенке смесительной камеры и особенно проявляется в зоне соединения керамической вставки с корпусом горелки из-за воздействия дополнительного нагревания от керамической вставки.
Наиболее близким к предлагаемому водогрейному котлу является водогрейный котел (US 7040258), содержащий теплообменник с водяной емкостью, топочную камеру, соединенную с газоходом для отвода продуктов сгорания, устройства розжига и контроля пламени и установленную в топочной камере при помощи узла крепления газовую радиационную горелку с распределительной камерой, снабженную керамической газопроницаемой вставкой, закрепленной между стенками распределительной камеры. Днище теплообменника и корпус котла образуют топочную камеру. Днище теплообменника образует конвективную и радиационную поверхности нагрева. Сквозь водяную емкость проходит газоход для отвода продуктов сгорания. Стенки канала газохода образуют конвективные поверхности нагрева котла. Устройства розжига и контроля пламени находятся в топочной камере.
Однако радиационная горелка известного водогрейного котла работает в условиях замкнутого пространства, что приводит к дополнительному нагреванию распределительной камеры радиационной горелки излучением и конвекцией. Это может привести к нагреванию стенки распределительной камеры горелки выше температуры воспламенения топливовоздушной смеси, то есть приводить к проскоку пламени не по каналам керамической газопроницаемой вставки, а по стенке распределительной камеры горелки.
Кроме того, перегрев стенок распределительной камеры радиационной горелки в зоне крепления в ней керамической газопроницаемой вставки приводит к возникновению термических напряжений и деформаций, что может привести к нарушению герметичности соединения.
Недостатки конструкции связаны также с тем, что элементы устройств розжига и контроля пламени находятся в топочной камере при высокой температуре. Перегрев элементов систем розжига и контроля приводит к снижению их ресурса, то есть также к снижению надежности.
Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы водогрейного котла с радиационными горелками, расположенными в топочной камере.
Поставленная задача решается тем, что в водогрейном котле, содержащем теплообменник с водяной емкостью, топочную камеру, соединенную с газоходом для отвода продуктов сгорания, устройства розжига и контроля пламени и установленную в топочной камере при помощи узла крепления газовую радиационную горелку с распределительной камерой, снабженную газопроницаемой вставкой, закрепленной между стенками распределительной камеры, согласно изобретению топочная камера образована внутренней стенкой теплообменника и газопроницаемой вставкой горелки, а узел крепления горелки в топочной камере выполнен теплопроводным с возможностью соединения по периметру внешней стенки теплообменника со стенками распределительной камеры горелки в зоне крепления в ней газопроницаемой вставки.
Поставленная задача решается также тем, что узел крепления горелки в топочной камере дополнительно может быть выполнен из монолитного теплопроводного материала.
Поставленная задача решается также тем, что узел крепления горелки в топочной камере дополнительно может быть выполнен в виде водяного кольцевого канала.
Поставленная задача решается также тем, что узел крепления горелки в топочной камере дополнительно может быть выполнен в виде воздушного кольцевого канала.
Поставленная задача решается также тем, что устройства розжига и контроля пламени могут быть частично размещены в каналах, проходящих через водяную емкость теплообменника.
На фиг.1 представлен разрез предлагаемого водогрейного котла с охлаждением стенок распределительной камеры радиационной горелки при помощи теплопроводного монолитного материала.
На фиг.2 - разрез предлагаемого водогрейного котла с охлаждением стенок распределительной камеры радиационной горелки при помощи водяного кольцевого канала.
На фиг.3 - вид сверху на панельную радиационную горелку с охлаждением стенок распределительной камеры горелки при помощи воздушного кольцевого канала.
На фиг.4 - вид сверху на панельную радиационную горелку, состоящую их двух примыкающих друг к другу радиационных горелок, имеющих отдельные распределительные камеры, инжекционные смесители и кольцевые каналы.
Предлагаемый водогрейный котел (фиг.1) содержит теплообменник 1 с водяной емкостью 2, топочную камеру 3, соединенную с газоходом 4 для отвода продуктов сгорания, устройства розжига и контроля пламени 5 и установленную в топочной камере 3 при помощи узла крепления 6 газовую радиационную горелку 7 инжекционного типа с инжекционным смесителем 8 и распределительной камерой 9, снабженную керамической газопроницаемой вставкой 10, закрепленной между стенками 11 распределительной камеры 9. Топочная камера 3 образована внутренней стенкой 12 теплообменника 1 и газопроницаемой вставкой 10 горелки 7. Узел крепления 6 горелки 7 в топочной камере 3 выполнен теплопроводным с возможностью соединения по периметру внешней стенки 13 теплообменника 1 со стенками 11 распределительной камеры 9 горелки 7 в зоне крепления в ней газопроницаемой вставки 10.
В первом варианте узел крепления 6 горелки 7 в топочной камере 3 дополнительно может быть выполнен из монолитного теплопроводного материала. При этом обеспечивается охлаждение стенок 11 распределительной камеры 9 за счет теплопроводности конструкционного материала.
Во втором варианте (фиг.2, 4) узел крепления 6 горелки 7 в топочной камере 3 дополнительно может быть выполнен в виде водяного кольцевого канала 14 с патрубками 15.
В третьем варианте (фиг.3) узел крепления 6 горелки 7 в топочной камере 3 дополнительно может быть выполнен в виде воздушного кольцевого канала 16, сообщающего воздухозаборник 17 с инжекционным смесителем 8. При этом между каналами 14, 16 и стенками 11 распределительной камеры 9 обеспечивается тепловой контакт.
Устройства розжига и контроля пламени 5 могут быть частично размещены в каналах 18, проходящих через водяную емкость 2 теплообменника 1.
Для радиационных горелок большой мощности (>50 кВт) (фиг.4) размеры инжекционного смесителя 8 не позволяют размещать его в распределительной камере 9 горелки 7, поэтому панельная радиационная горелка может состоять из нескольких примыкающих друг к другу горелок, имеющих собственные смеситель и распределительную камеру. В этом случае для теплоотвода применяется кольцевой канал 14 по периметру каждой горелки в отдельности.
Излучающая поверхность радиационной горелки 7 может быть прямоугольной или круглой в зависимости от проема топочной камеры 3, для которой используется горелка 7.
Описываемый водогрейный котел работает следующим образом.
При розжиге котла происходит подача газообразного топлива и воздуха в инжекционный смеситель 8, где образуется газовоздушная смесь, близкая к стехиометрическому составу. Образовавшаяся газовоздушная смесь заполняет распределительную камеру 9 горелки 7 и через керамическую газопроницаемую вставку 10 поступает в топочную камеру 3, где осуществляется ее воспламенение устройствами розжига и контроля пламени 5 и горение с выделением тепла. Выделившееся тепло поглощается через внутреннюю стенку 12 теплообменника 1 водой, протекающей в его водяной емкости 2. Охлажденные продукты сгорания отводятся из топочной камеры 3 через газоход 4. Нагретая вода поступает потребителю. По мере выхода на заданный режим работы водогрейного котла возрастают температуры его узлов и элементов, особенно стенок 11 распределительной камеры 9 горелки 7 в зоне крепления в ней газопроницаемой вставки 10. Узел крепления 6 горелки 7 в топочной камере 3 передает теплоту со стенок 11 распределительной камеры 9 горелки 7 на внешнюю стенку 13 теплообменника 1. При этом температура стенок 11 распределительной камеры 9 снижается до безопасного по вероятности проскока пламени уровня. Охлаждение стенок 11 распределительной камеры 9 в зоне крепления в ней газопроницаемой вставки 10 приводит к снижению термических напряжений и деформаций, что повышает надежность работы горелки 7 по проскоку пламени по стенке 11 распределительной камеры 9 и крепления в ней газопроницаемой вставки 10.
В случае использования узла крепления 6 по второму варианту теплота со стенок 11 распределительной камеры 9 горелки 7 передается охлаждающей воде, протекающей по кольцевому каналу 14, в качестве которой может быть использована вода из водяной емкости 2 теплообменника 1 котла.
В случае использования узла крепления 6 по третьему варианту теплота со стенок 11 распределительной камеры 9 передается потоку воздуха, который прокачивается по кольцевому каналу 16 за счет разрежения в инжекционном смесителе 8.
Устройства розжига и контроля пламени 5, частично размещенные в каналах 18, проходящих через водяную емкость 2 теплообменника 1, также обеспечены необходимым теплоотводом, что в свою очередь повышает надежность работы котла.