ПОДОГРЕВАТЕЛЬ СЕТЕВОЙ ВОДЫ
DELIVERY WATER HEATER

Изобретение относится к установкам по производству горячей воды и пара, которые широко применяются в промышленности, энергетике, строительстве для обеспечения бытовых нужд.
Известны газотрубные и водотрубные котлы по производству горячей воды и пара (Теплотехника. Учебник для вузов под редакцией A.M. Архипова и В.М. Афанасьева. Издательство МГТУ им. Баумана. Москва 2011 г.), которые представляют собой емкости с водой, нагреваемой с помощью продуктов сгорания, проходящих через эти емкости по трубопроводам. К недостаткам этих устройств относятся их незначительная поверхность и невысокая производительность. Промышленные водотрубные установки большой мощности (М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванов. Котельные установки: учебник для вузов, изд-во литературы по строительству, Москва, 1966) имеют развитые радиационные (лучевоспринимающие) поверхности нагрева в виде экранов (пучка труб), размещенных в камерной топке. Эти установки обладают высокой производительностью, однако требуют дополнительных устройств - экономайзера, устройства для предварительного подогрева воздуха и др. Кроме того, эти установки обладают значительными размерами.
Известны водотрубные малогабаритные установки для бытовых нужд, одноконтурные и двухконтурные (С.В. Беликов «Бытовые отопительные котлы», изд-во АКВА-ТЕРМ, Москва, 2012 г.). В одноконтурных котлах вода поступает в проточный теплообменник (например, в виде змеевика), омываемый продуктами сгорания газовоздушной смеси. Эти установки обладают малой производительностью и незначительной мощностью из-за невысокой поверхности теплообмена, и использования в основном конвективной его составляющей. В двухконтурных установках омываемые продуктами горения змеевики поставляют воду для бытовых нужд, а водяная рубашка, представляющая собой второй контур, поставляет горячую воду для обогрева жилища. Такие установки также обладают невысокой производительностью из-за использования только конвективных составляющих теплообмена и потери тепла при теплообмене.
Известны компактные устройства - инфракрасные нагреватели (А.И. Богомолов, Д.Я. Вигдорчик, М.А. Маевский «Газовые горелки инфракрасного излучения и их применение», изд-во литературы по строительству, Москва, 1967 г.), использующие для нагрева лучистую энергию и представляющие собой перфорированные керамические плитки, разогреваемые путем беспламенного сгорания газовоздушной смеси и нагреваемые до 1000-1100°C. Такие устройства используются для тепловой обработки материалов, сушки и т.д. Используемые керамические плитки обладают небольшими размерами и большим гидравлическим сопротивлением перфорации. Для повышения лучистой составляющей энергии используются также в виде насадок металлические сетки из жаропрочного материала. Эти сетки способствуют также интенсификации сжигания газа и стабилизации горения, однако большая часть напора газовоздушной смеси падает на преодоление их гидравлического сопротивления.
Предлагаемый подогреватель сетевой воды позволяет устранить вышеперечисленные недостатки, что является задачей изобретения.
Технический результат изобретения - увеличение поверхности теплообмена и повышение лучистой и конвективной составляющих коэффициента теплообмена, тем самым повышение производительности (коэффициента полезного действия).
Это достигается использованием в конструкции подогревателей, работающих на газовоздушной смеси (на основе метана), компактных газотрубных устройств по производству горячей воды проточного типа с высокой производительностью за счет сочетания лучистых и конвективных составляющих теплообмена, а также с высокими энергетическими характеристиками этих составляющих. Высокотемпературный режим работы, сочетание в едином объеме развитой лучистой и конвективных поверхностей нагрева позволяет сделать установку компактной и с высоким коэффициентом полезного действия.
Подогреватель сетевой воды содержит камеру сгорания с горелочным устройством, экран, теплообменник, водяную рубашку. Водяная рубашка, окружающая горелочное устройство и являющаяся одновременно теплообменником, осуществляет отбор тепла на всех стадиях теплообмена одновременно с помощью лучистого и конвективных механизмов теплообмена. Вся внутренняя поверхность (стенка) водяной рубашки теплообменника является лучевоспринимающей и конвективной развитой поверхностью нагрева, что приближает коэффициент использования внутренней поверхности к 1. Между горелочным устройством и внутренней поверхностью (стенкой) водяной рубашки (теплообменника) расположен нагреваемый горелочным устройством и равный по площади с теплообменником перфорированный экран, путем своего высокого коэффициента излучения резко усиливающий лучистую составляющую теплообмена, а также формирующий зону сгорания газовоздушной смеси. Со стороны воды теплообмен с внутренней поверхности водяной рубашки, обращенной к экрану, осуществляется с помощью механизма пузырькового кипения за счет разности температур между поверхностью нагрева и водой, температура которой равна температуре кипения, соответствующей давлению, при котором происходит кипение. Окна перфорированных отверстий экрана выдавлены под прямым углом на цилиндрической поверхности экрана в несколько рядов в шахматном порядке, что сохраняет излучающую поверхность экрана 100% целостно-неразрывной по фронту, и в то же время является прозрачной для прохождения продуктов горения, направляя их к внутренней стенке водяной рубашки (теплообменника) по касательной.
На фигуре 1 показан подогреватель сетевой воды, разрез.
На фигуре 2 показан подогреватель сетевой воды, дополнительные перфорированные отверстия (окна) экрана.
Подогреватель сетевой воды (фиг. 1) состоит из камеры сгорания 1 с горелочным устройством 2, которые окружены водяной рубашкой 3, являющейся одновременно теплообменником, равномерно распределенных и соединенных между собой параллельно теплообменных каналов 4 (в количестве пятидесяти одного - 51) для продуктов сгорания. Движение продуктов сгорания в теплообменных каналах и воды осуществляется в противотоке. Между водяной рубашкой (теплообменником) 3 и камерой сгорания 1 расположен перфорированный экран 5, служащий для увеличения лучистой составляющей теплообмена, поскольку газовый факел обладает незначительным коэффициентом излучения. Кроме того, экран 5, пропуская продукты горения, препятствует «проскоку» пламени в зазор между водяной рубашкой и экраном, т.е. формирует зону сгорания газовоздушной смеси. Водяная рубашка (теплообменника) 3 имеет развитую внутреннюю поверхность (внутреннюю стенку) 6, которая является одновременно лучевоспринимающей и конвективной поверхностью нагрева, т.е. лучистого потока, усиленного свечением экрана 5 и конвективной составляющей продуктов сгорания, проходящих из камеры сгорания 1 через перфорацию в экране 5. Продукты сгорания, отдав значительную часть тепла внутренним стенкам водяной рубашки (теплообменника) 3 попадают в теплообменные каналы 4, где с помощью только конвективной составляющей отдают воде оставшееся тепло. Эти каналы за счет их количества (51) имеют широко развитую конвективную поверхность, а за счет малого внутреннего диаметра (30 мм) обладают высоким конвективным коэффициентом теплообмена, что позволяет произвести отбор остающегося тепла в полной мере. Чтобы полнее использовать внутреннюю поверхность 6 водяной рубашки 3, со стороны циркулирующей воды путем повышения коэффициента теплообмена, выбран режим ее нагрева до температуры - выше температуры пузырькового кипения, на порядок увеличивающего отбор тепла от этой поверхности за счет интенсивного перемешивания воды пузырьками (однако, ее температура не должна превышать критическую, при которой начинается уже пленочное кипение с прослойкой пара, затрудняющее теплообмен). Разность между температурами пузырькового и пленочного кипения при нормальном атмосферном давлении составляет ~ 25°C. Таким образом, водяная рубашка 3 является одновременно теплообменником и осуществляет отбор тепла на всех стадиях теплообмена одновременно с помощью лучистого и конвективных коэффициентов теплообмена.
Предлагаемый подогреватель работает следующим образом. В небольшом объеме реализуется повышение скорости теплообмена за счет лучистой составляющей, которая становится основным механизмом теплообмена и значительно превышает конвективный. Такое повышение теплообмена формируется инфракрасным экраном 5, нагреваемым горелочным устройством 2. Температура экрана ограничена лишь жаропрочностью его материала. Поскольку энергия, переданная посредством излучения по уравнению теплообмена  где
л
Q - тепло, переданное излучением, ккал/кг;
к
α - приведенная степень черноты камеры сгорания;
з
Т - температура наружного слоя (загрязнения) лучевоспринимающей поверхности, К;
л
2
Н - лучевоспринимающая поверхность нагрева, м;
р
B - расчетный расход топлива;
ф
луч
4
Т - эффективная температура топочной среды, К растет пропорционально температуре в четвертой степени (Q-T), то при температуре экрана более 1000°C лучистый коэффициент теплообмена превышает конвективный более чем в 3 раза.
Интенсификации теплообмена также способствуют развитые по площадям и равные между собой поверхности теплообмена - экран 5 и внутренней поверхности 6 водяной рубашки (теплообменника) 3, а также расположение этих поверхностей фронтально и непосредственной близости друг от друга (величина зазора между ними выбрана таким образом, чтобы его площадь поперечного сечения соответствовала бы суммарной площади поперечного сечения теплообменных каналов 4, при этом коэффициент черноты этих поверхностей, благодаря покрытию, близок к 1).
Чтобы лучше использовать лучеиспускаемую поверхность экрана, имеющего 50% прозрачность из-за перфорации для прохождения сквозь него продуктов горения) экран перфорирован выдавленными под прямым углом со смещением отверстиями (окнами) 7 (фиг. 2), разводящими по разным направлениям излучение, направленного фронтально к внутренней поверхности 6 водяной рубашки 3, и движение продуктов сгорания по касательной к этой поверхности, благодаря чему фронтальная поверхность перфорированного экрана и излучающая поверхность целостно неразрывны. Это позволило развить до 100% излучающую поверхность экрана и в то же время не создавать сколь либо заметного гидравлического сопротивления движению продуктов горения.
Выход продуктов горения по касательной к внутренней стенке 6 водяной рубашки 3 приводит к общему их спиралевидному движению и дополнительной турбулизации, что увеличивает конвективный коэффициент теплообмена.
Максимально развитая площадь теплообмена водяной рубашки 3 (ее внутренней поверхности 6), а также омываемое водой дно 8 подогревателя, позволяет приблизить коэффициент использования внутренней поверхности к 1, а наличие большого количества теплообменных каналов позволяет максимально передать воде дополнительную часть тепла, что позволяет получить в компактном объеме как высокую производительность, так и высокий коэффициент полезного действия подогревателя.
Поскольку высокотемпературная зона опоясана водяной рубашкой, температура внешних металлических стенок рубашки уже ограничена температурой не более 100°C, а наличие тепловой изоляции 9 снижает внешние тепловые потери по корпусу до минимума.
Разработан и изготовлен опытный образец установки мощностью 600-900 кВт и производительностью горячей воды (до 100°C) 2÷3 л/с с коэффициентом полезного действия 90%.
Габаритные размеры установки составили 1350×1230×1800 мм.