КОТЕЛ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ВОДОГРЕЙНЫЙ ГАЗОВЫЙ КАСКАДНЫЙ
CASCADE GAS HOT-WATER HEATING BOILER

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в отопительных котлах с принудительной циркуляцией теплоносителя для отопления производственных, административных и жилых зданий, особенно для устройства транспортабельных и крышных котельных. В комплекте с теплообменником типа «вода-вода» может быть использовано, например, для горячего водоснабжения данных объектов, а также для подогрева воды в бассейнах, для технологических целей в производстве и т.д.
Известен отопительный котел, содержащий изолированный корпус, включающий размещенные в нижней части топочную камеру с газовыми горелками, над ними теплообменник в виде пучка труб из меди или медно-никелевого сплава, подключенный к чугунным коллекторам входа и выхода воды, а также коллектор дымовых газов с выходным отверстием (см. патент РФ №2169316, F24H 1/00, 2001). Принят за прототип.
Данное известное решение обеспечивает возможность эксплуатации котла без постоянного присутствия обслуживающего персонала. Медно-чугунные теплообменники котла компактны и имеют сравнительно небольшой вес. Однако «неработающие» стенки топки котлов с медно-чугунными или медными теплообменниками не позволяют использовать всю поверхность топки для теплообмена. Вся тепловая нагрузка падает на медные трубы, расположенные над горелкой, из-за чего рекомендуется поддерживать перепад температур воды на входе и выходе не более 15°С, т.е. обеспечить высокую скорость циркуляции.
Задачей, решаемой в предложении заявителя, является минимизация занимаемой котлом площади помещения, обеспечение возможности рядной установки котлов лицевой стороной к продольному проходу в транспортабельных котельных, минимизация веса котла, обеспечение КПД не ниже 91%, повышение ресурса и ремонтопригодности котла, обеспечение удобства эксплуатации и технического обслуживания котла, обеспечение возможности применения в котельных без постоянного присутствия персонала (соответствие требованиям ГОСТ 30735-2001 и СНиП II-35-76) путем объединения преимуществ двух различных концепций в одной конструкции - скоростного медного и объемного стального теплообменников.
Сущность изобретения состоит в том, что в котле отопительном водогрейном газовом каскадном, содержащем корпус, топочный блок с топочной камерой и газовой горелкой, теплообменную поверхность с расположенным над топочной камерой верхним теплообменником с пучком медных оребренных труб и сборник продуктов сгорания газа над ним, особенность состоит в том, что теплообменная поверхность дополнительно снабжена нижним теплообменником в виде полого элемента из листового материала, расположенного по периметру вокруг топки, его водяная полость соединена посредством перепускного патрубка с расположенным над ним верхним теплообменником, который выполнен медно-чугунно-стальным, при этом топочная камера с газовой горелкой, нижний и верхний теплообменники теплообменной поверхности и сборник продуктов сгорания газа объединены в модуль, а, по крайней мере, два модуля расположены и закреплены один над другим таким образом, что их теплообменные поверхности соединены последовательно по циркуляции воды в единый контур, для чего верхний теплообменник нижнего модуля посредством перепускного патрубка сопряжен с нижним теплообменником верхнего модуля, модули помещены в корпус в виде шкафа с преобладающим вертикальным размером, который снабжен патрубками входа и выхода воды, соединенные с нижним теплообменником нижнего модуля и верхним теплообменником верхнего модуля соответственно, а также самостоятельным для каждого модуля дымоотводом, с которым сопряжен его сборник продуктов сгорания газа, причем каждый модуль снабжен самостоятельным микропроцессорным управлением с единой для котла приборной панелью управления, трубы верхнего теплообменника сопряжены между собой через крепление их концов к планкам, к обратной стороне которых через прокладки посредством разъемного соединения установлены коллекторы, а верхний теплообменник каждого модуля закреплен жестко только с одной стороны в точке подвода воды из нижнего теплообменника. Особенность и в том, что медные оребренные трубы верхнего теплообменника могут быть расположены в два горизонтальных ряда в шахматном порядке, а межтрубное пространство верхнего ряда и боковое пространство крайних труб верхнего теплообменника могут быть снабжены пластинами-активаторами из нержавеющей стали. Также возможно выполнение коллекторов верхнего теплообменника из чугуна и со смотровыми пробками, а планок крепления коллекторов и концов труб верхнего теплообменника - из листовой стали. Концы труб верхнего теплообменника могут быть запрессованы и впаяны в стальные планки. Еще листовым материалом нижнего теплообменника может быть сталь. Нижний теплообменник каждого модуля может иметь прямоугольную форму. Перепускной патрубок, соединяющий нижний и верхний теплообменники каждого модуля, может быть выполнен из чугуна. Кроме этого, каждый модуль может иметь газовую горелку атмосферного типа, нижний теплообменник может быть установлен открытым сверху для выхода продуктов сгорания газа, а топочная камера с газовой горелкой каждого модуля может быть выполнена закрытой снизу посредством съемного стального поддона. Особенность и в том, что возможно выполнение патрубка, соединяющего теплообменные поверхности модулей в единый контур, стальным, сборника продуктов сгорания газа каждого модуля из стального листа, прямоугольной формы с наклоном (подъемом) верхней части в сторону сопряжения с дымоотводом, патрубков входа и выхода воды стальными, расположенными в задней части корпуса котла. Особенностью котла может быть и то, что дымоотвод каждого модуля может быть выполнен прямоугольной формы из листовой стали со щелью в нижней стенке, а дымоотводы могут быть расположены параллельно друг другу в задней части корпуса. При этом корпус котла может быть выполнен в виде прямоугольного шкафа и почти квадратным по горизонтальному сечению.
Заявляемая совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат.
Выполнение корпуса в виде шкафа, в том числе прямоугольного, с небольшим размером в глубину позволяет осуществить рядную установку котлов вертикальной компоновки лицевой стороной к продольному проходу. Преобладающий вертикальный размер прямоугольного корпуса с почти квадратным горизонтальным сечением обеспечивает компактную установку в нем один над другим, по меньшей мере, двух модулей, минимизирует занимаемую котлом площадь помещения. Последовательное соединение двух модулей в одном корпусе обеспечивает снижение массогабаритных параметров котла на единицу мощности. Относительно малый вес и габариты позволяют монтировать котлы на существующих перекрытиях и в подвалах при реконструкции котельных. Микропроцессорное управление позволяет использовать котел в котельных без постоянного присутствия персонала. Дополнительная установка нижнего теплообменника позволяет получить топку с водоохлаждаемыми стенками, что обусловливает использование всей поверхности топки для теплообмена, а следовательно обеспечивает теплопередачу, обеспечивающую значительный нагрев воды и значительное охлаждение продуктов сгорания газа, что повышает эффективность их использования, снижает тепловую нагрузку на верхний теплообменник, увеличивает площадь теплообмена и обеспечивает КПД котла не менее 91%, уменьшает образование накипи. При этом максимальная разность температур теплоносителя на входе и выходе при работе котла в номинальном режиме допускается до 22°С. Вес котла в сравнении с прототипом увеличивается незначительно (~ на 10%). Пластины-активаторы направляют движение продуктов сгорания между ребер труб, а также регламентируют аэродинамическое сопротивление теплообменника, повышая тем самым КПД. Кроме этого, увеличивают эффективность теплообмена путем образования Z-образного серпантинного движения продуктов сгорания. Выполнение верхнего теплообменника медно-чугунно-стальным позволяет равномерно распределить тепловые напряжения, а его жесткое крепление только с одной (задней) стороны в точке подвода воды из стального теплообменника не допускает выхода его из строя из-за тепловых деформаций, повышая ресурс котла. Коллекторы верхнего теплообменника направляют ток воды. Смотровые пробки в них обеспечивают контроль отложения накипи на внутренних стенках оребренных труб. Выполнение коллекторов съемными обеспечивает возможность быстрого и удобного ремонта. Сняв коллекторы, без проблем можно удалить накипь механическим способом. Щели в нижней стенке дымоотвода служат для стабилизации тяги в топках котла, обеспечивая удобство эксплуатации. Применение газовых горелок атмосферного типа обеспечивает низкие шумовые характеристики и отсутствие вибрации при работе котла, что позволяет применять данный котел при любом проектном решении в крышных котельных и прочих автономных источниках. Последовательное соединение теплообменных поверхностей модулей с образованием общего контура теплоносительной среды, подключенного к патрубкам входа и выхода воды, позволяет иметь рациональные проходные сечения и скорости воды в них. Щель в нижней стенке дымоотвода служит для стабилизации тяги в топках котла.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет устранить недостатки отдельно взятых котлов разных типов и объединить достоинства компактного, со сравнительно небольшим весом скоростного медного теплоообменника, в оребренных трубах которого при правильном режиме циркуляции почти не образуется накипь, а если даже образовалась (при несоблюдении рекомендаций по эксплуатации), без проблем накипь можно удалить механическим способом, сняв коллекторы, с водоохлаждаемой топкой (стальным нижним теплообменником), позволяющей несколько снизить тепловую нагрузку на верхний теплообменник, увеличить площадь теплообмена, КПД, уменьшить образование накипи при незначительном увеличении веса котла.
На фиг.1 представлена схема котла, продольный разрез; на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1.
Котел отопительный водогрейный газовый каскадный содержит корпус 1 в виде прямоугольного шкафа с преобладающим вертикальным размером и почти квадратного по горизонтальному сечению, внутри которого установлены, по крайней мере, два модуля (не указано), расположенные и закрепленные один над другим таким образом, что их теплообменные поверхности (не указано) соединены последовательно по циркуляции воды в единый контур посредством стального патрубка 2. Каждый из модулей имеет расположенную в его нижней части топочную камеру (не указано) с газовой горелкой 3, например газовой горелкой атмосферного типа, теплообменную поверхность (не указано), включающую нижний теплообменник 4 в виде полого элемента из листовой стали, расположенный по периметру вокруг топочной камеры с газовой горелкой 3, водяная полость 5 которого соединена с расположенным над ним верхним теплообменником 6 посредством перепускного чугунного патрубка 7. Нижний теплообменник 4 имеет прямоугольную форму. Теплообменник 4 установлен открытым сверху для выхода продуктов сгорания газа, а топочная камера с газовой горелкой 3 снизу закрыта съемным поддоном 8, выполненным из стального листа. Верхний теплообменник 6 выполнен медно-чугунно-стальным. Его медные оребренные трубы 9 расположены двумя горизонтальными рядами в шахматном порядке. Концы труб 9 запрессованы и впаяны в стальные планки 10, 11, к плоскостям которых через тепловодостойкую уплотнительную прокладку (не указано) крепятся посредством шпилек (не указано) и гаек (не указано) коллекторы 12, 13, выполненные из чугуна. Между труб 9, расположенных в верхнем ряду и по бокам крайних труб 9 верхнего теплообменника 6 установлены специальные пластины-активаторы 14, выполненные из нержавеющей стали. Жесткое крепление теплообменника 6 выполнено только с одной (задней) стороны в точке подвода воды из теплообменника 4. В коллекторах 12, 13 имеются смотровые пробки 15. Над теплообменником 6 каждого модуля установлен сборник продуктов сгорания газа 16, имеющий, например, прямоугольную форму и выполненный из стального листа. Верх сборника продуктов сгорания газа 16 имеет наклон (подъем) в сторону сопряженного с ним дымоотвода 17, самостоятельного для каждого модуля, расположенного в задней части котла и выполненного из листовой стали. Сечение дымоотвода 17 имеет в том числе прямоугольную форму. В нижней стенке дымоотвода 17 расположена щель 18. Дымоотводы 17 каждого модуля расположены параллельно друг другу. Для подсоединения циркуляционного контура котла к системе отопления задняя стенка корпуса котла снабжена стальными патрубками 19, 20 входа и выхода воды соответственно.
Циркуляция воды в котле происходит следующим образом. Обратная вода из системы подается циркуляционным насосом (не показан) через патрубок 19 в полость нижнего теплообменника 4 первого модуля, заполняет его, омывает топку, огибая ее по периметру, подогревается и поступает через перепускной чугунный патрубок 7 в верхний теплообменник 6, распределяется по теплообменным трубам 9, подогревается, затем по стальному патрубку 2 переходит в теплообменник 4 второго (верхнего) модуля, дополнительно подогревается, оттуда - в теплообменник 6, а последовательно нагретая вода через выходной патрубок 20 уходит в систему.
Использование данного решения позволяет более эффективно использовать теплоту продуктов сгорания газа, повысить эффективность теплообмена при простоте конструкции и одновременном обеспечении возможности монтажа и демонтажа. Кроме этого, позволяет рационально использовать площадь помещения, в котором устанавливается котел, благодаря рядной установке при вертикальной компоновке, а также снизить габариты и расход материалов на единицу мощности котла за счет модульной конструкции и введения дополнительного теплообменника и улучшить условия в процессе эксплуатации.
Предлагаемое решение имеет по сравнению с прототипом большую производительность за счет более развитой поверхности теплообмена. Кроме того, более рационально используется тепло от сгораемого топлива. Предлагаемая конструкция технологична в изготовлении и имеет высокую эффективность и надежность в эксплуатации. Котел данного типа найдет широкое применение в промышленном и гражданском строительстве, а также при реконструкции старых отопительных систем, при переводе объектов с централизованного на индивидуальное отопление и горячее водоснабжение.