КОТЁЛ ДЛЯ ОТОПЛЕНИЯ И/ИЛИ ГОРЯЧЕГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области теплоэнергетики, а именно к конструкции котлов для отопления и/или горячего водоснабжения.
Известен водогрейный котел, содержащий корпус, топочную камеру, размещенную в корпусе с образованием водяной рубашки между ними, патрубок подвода холодной (обратной) воды и горелочное устройство, которые размещены в нижней части соответственно водяной рубашки и топочной камеры, патрубок отвода горячей воды и дымовыводящий патрубок, при этом в нижней части топочной камеры над горелочным устройством установлен лабиринтный теплообменник в виде пучка труб, размещенных наклонно и закрепленных обоими концами в соответствующих противоположных стенках топочной камеры с образованием коллекторов соответственно входного и выходного, причем входной коллектор размещен ниже, чем выходной, и соединен с водяной рубашкой, а выходной коллектор соединен с патрубком отвода горячей воды [Описание изобретения к патенту РФ №2273802 от 12.07.2004, МПК F24H 1/44, опубл. 10/04/2006].
Наличие лабиринтного теплообменника существенно усложняет конструкцию котла и делает его менее надежным в работе, что связано с трудностями получения множества нетиповых сварных соединений стабильного качества.
7
Известен котел отопительный водогрейный с отбором горячей воды, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространство, дверку на лицевой части котла, введенный во внутренний объем котла полый теплообменный элемент, образующий с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, патрубок соединения с дымоходом, патрубки для подсоединения к системе отопления и горячего водоснабжения, лабиринт газового канала, при этом газовый канал выполнен в виде набора труб, проходящих через водяную рубашку, причем внутренняя часть труб оснащена турбулизаторами, а патрубок соединения с дымоходом оснащен прерывателем и отверстием установки датчика тяги [Описание полезной модели к патенту РФ №23960 от 15.11.200, МПК F24H 1/00, опубл. 20.07.2002].
Также существует аналогичное, но более совершенное техническое решение водогрейного котла, содержащего герметичный корпус, в котором размещена топка с газовой горелкой, теплообменник с дымовой коробкой, внутри которого расположены вертикальные конвективные каналы, патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, витой змеевик, установленный в полости теплообменника, и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, при этом котел имеет конвективные каналы круглого сечения, расположенные внутри теплообменника круглого сечения, в полости которых размещены металлические турбулизоторы, в виде металлических пластин с полукруглыми выступами, причем витой змеевик находится в полости между вертикальной стенкой и наружной стенкой теплообменника [Описание полезной модели к патенту РФ №79985 от 25.04.2008, МПК F24H 1/08, опубл. 20.01.2009].
Теоретически турбулизаторы улучшают передачу тепла теплоносителя стенкам теплообменника, но на практике для этого должны быть соблюдены особые условия эксплуатации котла, которые в бытовых условиях бывает трудно реализовать.
Известен водогрейный котел,, содержащий герметичный корпус, в котором размещены топка с газовой горелкой, теплообменник с дымовой коробкой, внутри которого расположены конвективные каналы, разделенные вертикальными стенками на несколько газоходов, патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, витой змеевик, установленный в полости теплообменника, и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, при этом котел имеет конвективные каналы квадратного сечения, расположенные внутри теплообменника круглого сечения и разделенные вертикальными стенками на несколько газоходов квадратного сечения, причем вертикальные стенки выступают внутрь канала [Описание полезной модели к патенту РФ №75458 от 23.10.2007, МПК F24H 1/08, опубл. 10.08.2008].
Наличие в конвективных каналах дополнительных газоходов способно спровоцировать «складывание» теплового потока, вследствие чего работать на теплопередачу будет не весь конвективный канал, а лишь его часть, ограниченная, например, одним газоходом или, всего лишь, некоторыми стенками.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели является водогрейный котел, содержащий теплообменник, герметичный корпус, в котором размещены топка с газовой горелкой, выполненный над ней конвективный газоход с дымовой коробкой, а также телескопический патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке и выброса продуктов сгорания, соединенный одним концом с дымовой коробкой и выходящий за пределы здания, и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, при этом конвективный газоход котла имеет четное количество вертикальных конвективных каналов трапецеидальной формы, разделенных вертикальными стенками и расположенных внутри теплообменника, заполненного жидким теплоносителем, установленных над двухсекционным блоком газовых горелок, одна из секций которого работает постоянно, а другая имеет возможность включения в случае необходимости через отдельный запорный элемент, а в полости теплообменника установлен витой змеевик [Описание полезной модели к патенту РФ №61013 от 11.04.2006, МПК F24H 1/08, опубл. 10.02.2007].
Несмотря на хорошие условия теплопередачи оптимальный режим работы настоящего теплообменника котла возможен при нагрузках близких к максимальным, кроме этого наличие трапециевидных каналов делает конструкцию котла крайне нетехнологичной.
Задача, решаемая настоящей полезной моделью и достигаемый технический результат заключаются в создании технологичной конструкции котла для отопления и горячего водоснабжения, теплообменник которого обеспечивает более полную утилизацию тепла продуктов сгорания, не зависящую от изменения потребностей теплоснабжения при отоплении и/или горячем водоснабжении.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в котле для отопления и/или горячего водоснабжения, содержащем корпус, в котором размещены топка с двухсекционным блоком газовых горелок, одна из секций которого работает постоянно, а другая имеет возможность включения в случае необходимости через отдельный запорный элемент, стальной теплообменник контура отопления, сборник продуктов сгорания газа, расположенный в верхней части котла и систему управления, соединенную с газовыми горелками, при этом теплообменник контура отопления выполнен в виде водяной рубашки топки и в своей верхней части имеет конвективные газоходы с вертикальными конвективными каналами и витой змеевик контура горячего водоснабжения, установленный в его полости по периметру конвективных газоходов, и патрубки подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, конвективные каналы конвективных газоходов выполнены в виде ряда прямоугольных пазов, внутренние удлиненные стенки которых снабжены вертикальными теплоподводящими ребрами, неразъемно связанными с ними по всей длине посредством непрерывных сварных швов, при этом между конвективными газоходами и витым змеевиком контура горячего водоснабжения расположена стенка, нижняя кромка которой располагается ниже уровня конвективных каналов конвективных газоходов. Кроме этого:
- теплоподводящие ребра на противоположных стенках конвективных каналов конвективных газоходов выполнены в виде пластин;
- теплоподводящие ребра на противоположных стенках конвективных каналов конвективных газоходов выполнены U-образными;
- теплоподводящие ребра на противоположных стенках конвективных каналов конвективных газоходов расположены симметрично друг другу и с зазором между ними;
- теплоподводящие ребра на противоположных стенках конвективных каналов конвективных газоходов расположены со смещением относительно друг друга и с заходом в межреберное пространство противоположных стенок;
- корпус выполнен негерметичным со стороны топки и снабжен каналом для подвода воздуха из пространства отапливаемого помещения и патрубком отвода продуктов сгорания, выведенным на улицу;
- корпус выполнен герметичным и снабжен патрубками подвода воздуха в топку и отвода продуктов сгорания, выведенными на улицу.
Полезная модель поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 показан общий вид котла для отопления и/или горячего водоснабжения открытого типа;
- на фиг. 2 показано сечение A-A фиг. 1 - поперечное сечение котла;
- на фиг. 3 показана конструкция конвективного канала конвективного газохода в поперечном сечении с увеличением;
- на фиг. 4-6 показаны варианты исполнения теплоподводящих ребер в конвективных каналах конвективных газоходов;
- на фиг. 7 показан общий вид котла для отопления и/или горячего водоснабжения закрытого типа;
- на фиг. 8 показана схема подвода воздуха и отвода продуктов сгорания на котле закрытого типа с использованием штатных воздуховодов.
Котел для отопления и/или горячего водоснабжения содержит корпус 1, в котором размещены топка 2 с двухсекционным блоком газовых горелок 3-4, секция 3 которого работает постоянно, а секция 4 имеет возможность включения (или наоборот) в случае необходимости через отдельный запорный элемент (условно не показан), стальной теплообменник 5 контура отопления, сборник 6 продуктов сгорания газа, расположенный в верхней части котла и систему управления (условно не показана), соединенную с газовыми горелками 3-4, при этом теплообменник 5 контура отопления выполнен в виде водяной рубашки топки 2 и в своей верхней части имеет конвективные газоходы 7 с вертикальными конвективными каналами 8 и витой змеевик 9 контура горячего водоснабжения, установленный в его полости по периметру конвективных газоходов 7, и патрубки 10 - подвода и 11 - отвода теплоносителя и 12 - подвода и 13 - отвода воды, причем конвективные каналы 8 конвективных газоходов 7 выполнены в виде ряда прямолинейных пазов, внутренние удлиненные стенки которых снабжены вертикальными (продольными) теплоподводящими ребрами 14, неразъемно связанными с ними по всей длине посредством непрерывных сварных швов, при этом между конвективными газоходами 7 и витым змеевиком 9 контура горячего водоснабжения расположена вертикальная стенка 15 нижняя кромка которой располагается ниже уровня конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7.
Особенностью конструкции конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7 является то, что теплоподводящие ребра 14 (собирательный образ) на их противоположных стенках могут быть выполнены в виде пластин 16 или U-образными - 17 и при этом располагаться симметрично друг другу и с зазором между собой (см. фиг. 3 и 4), а также со смещением относительно друг друга и с заходом в межреберное пространство противоположных (противолежащих) стенок (см. фиг. 5 и 6).
Корпус 1 котла может быть выполнен негерметичным (см. фиг. 1) со стороны топки 2 и снабжен каналом 18 для подвода воздуха из пространства отапливаемого помещения и патрубком 19 отвода продуктов сгорания, выведенным на улицу, или корпус 1 может быть выполнен герметичным (см. фиг. 7 и 8) и снабжен, по меньшей мере, одним патрубком 20 подвода воздуха в топку 2 извне, например, непосредственно с улицы, в том числе в виде выделенного канала 20', и патрубком 21 отвода продуктов сгорания, выведенным на улицу. В последнем случае для подвода воздуха и отвода продуктов сгорания может использоваться штатный воздуховод 22, площадь сечения которого позволяет разместить в нем изолированный патрубок 21 отвода продуктов сгорания без ущерба подводу воздуха.
Проанализируем существенные признаки полезной модели.
Выполнение конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7 в виде ряда прямолинейных пазов существенно улучшает технологичность их изготовления. В частности, появилась возможность сделать каналы 8 объединением двух одинаковых половинок газохода 7 и при этом оснастить их вертикальными (продольными) теплоподводящими ребрами 14, неразъемно связанными с ними по всей длине посредством непрерывных сварных швов. Фактически тиражируется одна половинка и впоследствии две из них соединяют, проваривают непрерывные продольные сварные швы и таким образом получают один из нескольких конвективных газоходов 7 из которых формируют пучок конвективных газоходов 7, для чего единичные конвективные газоходы 7 вваривают во фланцы трубных досок - получается теплообменник 5. Безусловно, сварные конвективные газоходы 7 предполагают с точки зрения технологичности конструкции изготовление корпуса 1 котла также сварным.
Между конвективными газоходами 7 и витым змеевиком 9 контура горячего водоснабжения расположена стенка 15, например, вертикальная изогнутая по периметру и замкнутая, при этом ее нижняя кромка располагается ниже уровня конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7. Такое конструктивное решение позволяет исключить резкие перепады температуры в контурах тепло- и водоснабжения и обеспечивает непрерывное перемешивание рабочей жидкости внутри корпуса 1 котла - независимо от рабочей жидкости, циркулирующей в контуре отопления. Это означает, что вся рабочая жидкость задействована в процессе отвода тепла от вертикальных конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7. Преимущества такого решения более всего проявляются в теплое время года, когда котел работает исключительно на горячее водоснабжение.
Использование теплоподводящих ребер 14 (16 и 17) на противоположных стенках конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7 позволяет более полно утилизировать тепло продуктов сгорания. В случае увеличенной тяги единичные конвективные потоки имеют свойство складываться - вытягиваться вдоль каждого из каналов 8 конвективных газоходов 7, следствием чего является снижение теплоотвода за счет теплопередачи. Наличие ребер 14 на пути потока продуктов сгорания не создает ему механического сопротивления. Иное дело с турбулизирующими вставками, которые уменьшают эффективное сечение конвективных каналов и в естественных условиях нормальной тяги увеличивают теплопередачу только на самом начальном участке канала (на первом турбулизаторе), а по мере дальнейшего движения продуктов сгорания они плавно обтекают остальные турбулизаторы, поскольку при теплопередаче уменьшается объем продуктов сгорания. Оребренные изнутри согласно полезной модели каналы 8 конвективных газоходов 7 отбирают все тепло от продуктов сгорания по мере их движения. Т.е. нельзя передать тепло, например, на начальном участке оребренного канала, в количестве большем, чем он может отвести и передать теплоносителю - тепло утилизируется по мере движения продуктов сгорания вдоль конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7.
Теплоподводящие ребра 14 на противоположных стенках конвективных каналов 8 конвективных газоходов 7 могут быть выполнены в виде пластин 16 или U-образными - 17, - все зависит от разработанного и принятого технологического регламента на их изготовление. В одном случае для крепления ребер 14 к стенкам каналов 8 используют дуговую сварку, в другом - более производительную контактную шовную.
Также, ребра 14 на противоположных стенках каналов могут располагаться симметрично друг другу и с зазором между ними или со смещением относительно друг друга и с заходом в межреберное пространство противоположных стенок. Во всех случаях изготавливается и тиражируется одна половинка газохода 7 и при его изготовлении объединяются две одинаковые сборочные единицы. Смещение противоположных ребер 14 относительно друг друга позволяет увеличить расстояние для размещения и прохода рабочих органов сварочного оборудования - сварочной горелки или шовного ролика. Во всех случаях расстояние между соседними боковыми ребрами 14 (16 и 17) в каналах 8 газоходов 7, предпочтительно, должно составлять 4-20 мм.
При выборе исполнения котла можно остановиться на его открытом варианте (фиг. 1), при котором забор воздуха и его подвод в топку 2 к блоку горелок 3 и 4 осуществляется из пространства отапливаемого помещения через канал 18 с отводом продуктов сгорания на улицу, или на закрытом - (фиг. 7 и 8), при котором подвод воздуха в топку 2 осуществляют, например, непосредственно с улицы или из штатного воздуховода 22 помещения. В последнем случае, если позволяют габариты и пропускная способность канала воздуховода 22, подвод воздуха и отвод охлажденных продуктов сгорания посредством изолированной трубы (продолжения патрубка 21) на улицу можно осуществить через этот канал.
Работу котла рассмотрим на следующих примерах.
Пример 1. Котел открытого типа.
Котел монтируется в помещении, подключается к системе отвода продуктов сгорания, к системе отопления и, через запорный кран (условно не показан), к системе подвода воды для нагрева, а также разводится на потребителей - в ванную комнату и на кухню. Производят подключение газа к блоку горелок 3 и 4.
В систему отопления заливают рабочую жидкость, т.н. теплоноситель, в качестве которого используют, как правило, подготовленную воду. Систему горячего водоснабжения подключают к водопроводной сети
Включают одну из секций блока горелок 3 или 4 или обе секции. Необходимый для сгорания газа воздух поступает из пространства помещения. По мере сгорания газа продукты горения заполняют топку 2 и за счет тяги устремляются в конвективные каналы 8 газоходов 7. В каналах 8 газоходов 7 происходит передача тепла теплоносителю, вследствие чего в объеме корпуса 1 котла происходит его нагрев и одновременно нагрев змеевика 9 контура водоснабжения. По мере нагрева теплоносителя его нагретые слои поднимаются вверх и выдавливаются в систему отопления. На место нагретого теплоносителя из системы отопления (т.н. «обратка») естественным образом или принудительно с помощью циркуляционного насоса поступает холодный теплоноситель, который также нагревается и поднимается в верхнюю часть корпуса 1 и далее через патрубок 11 - в систему отопления. Таким образом, происходит циркуляция теплоносителя - на место нагретой жидкости из системы отопления приходит жидкость охлажденная - отдавшая тепло в пространство помещения. Циркуляция горячей воды происходит очень интенсивно. Этому также способствует наличие вертикальной стенки 15 вокруг конвективных газоходов 7.
В случае необходимости подачи горячей воды включают соответствующий кран и холодная вода из системы холодного водоснабжения проходя через змеевик 9 контура горячего водоснабжения начинает отбирать тепло от теплоносителя, при этом нагревается сама и поступает, например, в ванную. По мере охлаждения окружающего змеевик 9 теплоносителя внутри корпуса 1 котла происходит интенсивное перемешивание его слоев, в том числе и через вертикальную стенку 15. При этом происходит незначительное охлаждение теплоносителя поступающего в систему отопления, что можно компенсировать вручную или автоматически - увеличением подачи газа или включением второй секции блока горелок 3 и 4.
После выключения подачи горячей воды котел возвращается к работе в режиме отопления.
В случае, если при работе котла возник эффект обратной тяги - продукты сгорания перестали выводиться наружу, - сработает датчик обратной тяги (условно не показан), который перекроет подачу газа на блок горелок 3 и 4.
Летом контур системы отопления, отвечающий за подвод теплоносителя, отключается. В корпусе 1 котла автоматически поддерживается заданная температура. В дежурном режиме работает только запальник горелки. При включении крана с горячей водой автоматика включает одну из секций горелок 3 или 4 или обе секции и начинается отбор нагретой воды, подвод холодной и, одновременно интенсивный нагрев находящегося в корпусе 1 котла теплоносителя через конвективные каналы 8 газоходов 7. После отключения отбора горячей воды температура теплоносителя постепенно поднимается и срабатывает температурный датчик, например, сильфонного типа, отключения подачи газа. Снова продолжает работать запальник горелки, который не влияет на эксплуатационную безопасность котла. В случае, если по какой-либо причине запальник погаснет - сработает автоматика на полное перекрытие подачи газа.
Следует отметить, что режимы работы котла, связанные с полным перекрытием подачи газа на блок горелок 3 и 4 в большей степени являются исключением из правила. Просто реализация этих возможностей обеспечивает эксплуатационную безопасность работы котла.
Пример 2. Котел закрытого типа.
Отличие настоящего котла заключаются в организации подвода воздуха в его топку - необходимый для сгорания газа воздух поступает непосредственно с улицы по выделенному каналу (например, штатный воздуховод 22). Подвод воздуха может осуществляться непосредственно в топку 2 или по специальному каналу 23, образованному между наружными стенками корпуса 1 котла и его герметичным кожухом 24. В этом случае в топку поступает нагретый воздух, и одновременно снижаются потери тепла, идущего на нагрев окружающего котел воздуха, поскольку воздушная прослойка выступает в качестве изолятора.
В остальном эксплуатация и работа этого котла аналогична Примеру 1.
Как вариант исполнения котла закрытого типа является использование штатного воздуховода 22 помещения для организации подвода воздуха и отвода продуктов сгорания (см. фиг. 8).
В результате использования полезной модели создана технологичная конструкция котла для отопления и горячего водоснабжения, при этом его теплообменник обеспечивает более полную утилизацию тепла продуктов сгорания, не зависящую от изменения потребностей теплоснабжения при отоплении и/или горячем водоснабжении.