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 омывания 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.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому водогрейному котлу является водогрейный котел (патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г. (2)). 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.
Котлы известной конструкции имеют 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.
Целью предлагаемой полезной модели является снижение металлоемкости водогрейного котла, трудоемкости при изготовлении и как следствие этого, улучшение эксплуатационных характеристик котла.
Поставленная цель достигается тем, что водогрейный котел имеет конвективные каналы квадратного сечения, расположенного внутри теплообменника круглого сечения. Конвективные каналы разделены вертикальными стенками на несколько газоходов квадратного сечения. Вертикальные стенки газоходов выступают внутрь конвективного канала на величину равную 0,45 его ширины и смещены относительно осей конвективного канала соответственно на 0,05 ширины канала. Вертикальные стенки имеют в нижней части треугольный вырез основанием равным 0,5 ширины канала и высотой 0,25 высоты канала. Патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке одним концом закреплен на боковой поверхности корпуса котла, а на другом конце патрубка, расположенном в полости между внутренней поверхностью корпуса котла и наружной поверхностью
теплообменника имеет датчик опрокидывания тяги. Диаметр выходного патрубка для удаления продуктов сгорания теплообменника составляет 0,8-0,9 диаметра выходного отверстия патрубка корпуса котла и вертикальные оси обеих патрубков совпадают.
На фиг.1 изображен вид сбоку, предлагаемого водогрейного котла. В водогрейном котле имеется топка 1. Топка 1 в верхней ее части переходит в конвективные каналы 2 квадратного сечения, разделенные вертикальными стенками на несколько газоходов квадратного сечения. В нижней части топки 1 установлена газовая горелка 3, размещенная выше дна корпуса 4 котла и соединенная с системой автоматики 5. Над газовой горелкой 3 устанавливается несколько (в зависимости от мощности котла) конвективных каналов 2. Продукты сгорания через дымовую коробку 6 с патрубком 7 и выходной патрубок 8 корпуса котла выводятся за пределы жилого помещения. Диаметр выходного отверстия патрубка 7 для удаления продуктов сгорания дымовой коробки 6 составляет 0,8-0,9 диаметра выходного отверстия патрубка 8 корпуса котла. Через патрубок 9 происходит подача воздуха к газовой горелке 3. Патрубок 9 имеет датчик опрокидывания тяги 10. В верхней части котла находится витой змеевик 11 контура горячего водоснабжения. Змеевик 11 охватывает своими витками конвективные каналы 2 и установлен в полости теплообменника 12, которая заполнена теплоносителем (например водой). Снаружи все элементы котла закрыты корпусом 4.
На фиг.2 приведен пример конкретного исполнения конвективных каналов (вид сверху и вид сбоку), где 13 и 14 соответственно верхнее и нижнее основания конвективного канала, служащие для фиксации каналов, 15 - наружные стенки конвективного канала, а 16 - вертикальные стенки, делящие конвективный канал на газоходы. Вертикальные стенки 16 выступают внутрь канала на величину равную 0,45В, где В - ширина конвективного канала и смещены относительно осей конвективного канала соответственно на величины равные 0,05В, где В - ширина конвективного канала.
На фиг.3 показан пример конкретного исполнения вертикальной стенки 16 конвективного канала. Вертикальные стенки 16 имеют в нижней части треугольный вырез с основанием равным 0,5В, где В - ширина канала и высотой 0,25Н, где Н - высота канала.
Котел работает следующим образом.
При работе газовой горелки 3 происходит сгорании газа в топке 1 и поднимающиеся горячие продукты сгорания попадают в конвективные каналы 2, имеющие развитую внутреннюю поверхность. Продукты сгорания газа передают часть своей энергии вертикальным стенкам 16, а те в свою очередь через стенки 15 конвективных каналов 2 теплоносителю, находящемуся в пространстве, ограниченном стенками 15 конвективных каналов 2, верхним 13 и нижним 14 основаниями конвективного канала и наружной стенкой теплообменника 12. Отдав часть своего тепла
теплоносителю, продукты сгорания уменьшают свой объем. Это приводит к уменьшению скорости течения горячих газов в верхней части конвективного канала и как следствие этого к ухудшению теплообмена в периферийной зоне конвективного канала. Наличие вертикальных стенок в центральной части конвективного канала 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 6 и через систему патрубков 7 и 8 удаляются за пределы жилого помещения через существующий дымоход.
Одновременно через патрубок 9 в топку поступает воздух, один из концов которого закреплен на боковой поверхности корпуса 4 котла. В предлагаемой конструкции котла возможна организация подачи воздуха, как непосредственно из отапливаемого помещения, так и с улицы.
При работе котла возможно попадание атмосферного воздуха (особенно в ветряную погоду) через систему дымоходов в топку, что может привести к задуванию газовой горелки. Наличие определенного объема воздуха, используемого для горения, в пространстве между стенкой теплообменника 12 и корпусом котла 4, способствует уменьшению вероятности задувания газовой горелки. Для защиты котла от этого вредного фактора в составе котла имеется датчик опрокидывания тяги 10, расположенный на другом конце патрубка 9 и расположенном в полости между внутренней поверхностью котла и наружной поверхностью теплообменника. Датчик опрокидывания 10 тяги соединен с системой автоматики 5, которая в экстремальных случаях прекращает подачу газа к газовой горелке 3.
Температура нагрева теплоносителя в котле устанавливается перед запуском котла и отслеживается системой автоматики 5. Когда теплоноситель на выходе из котла нагревается до температуры, соответствующей заданному регулятором температуры теплоносителя значению, система автоматики 5 уменьшает подачу газа на горелки. После охлаждения теплоносителя в отопительной системе на определенную величину, подача газа к основной горелке автоматически восстанавливается.
Если во время работы котла из водопровода вода подается по трубопроводу в змеевик 11 горячего водоснабжения, то подогретая в теплообменнике 12 вода нагревает змеевик 11 и из него будет поступать к смесителям горячей воды у потребителя.
Подобная конструкция водогрейного котла позволяет уменьшить его металлоемкость и трудоемкость изготовления за счет упрощения конструкции теплообменника. Применение вертикальных стенок, выступающих внутрь конвективного канала на величину, равную 0,45 ширины канала, смещенных относительно осей конвективного канала на величину равную 0,05 его ширины, и имеющих в нижней части треугольный
вырез с основанием равным 0,5 ширины канала и высотой 0,25 высоты канала, существенно повышает эффективность работы конвективного канала и способствует улучшению эксплуатационных характеристик котла. Наличие в составе котла датчика опрокидывания тяги, установленного в полости между внутренней поверхностью корпуса котла и наружной поверхностью теплообменника, повышает устойчивость котла к перепадам атмосферного давления и снижает опасность задувания газовой горелки в процессе эксплуатации. Кроме того возможность забора воздуха для горения как непосредственно из отапливаемого помещения, так и с улицы существенно улучшает эксплуатационные характеристики предлагаемой конструкции котла.
Источники информации
1. Патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г.
2. Патент на полезную модель №61013 от 11.04.2006 г.