ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области эффективных теплогенерирующих устройств и может быть использована в аппаратах с погружным горением при нагреве воды или упаривания жидкостей. При необходимости децентрализации теплоснабжения, например, для отопительно-бытовых нужд с использованием воды или водосодержащих жидкостей, важную роль могут выполнять широко используемые в химической промышленности аппараты погружного горения (АПГ), которые вместе с КИП (регулирование подачи воздуха и газа, автоматика контроля и безопасности) и системами подачи воздуха (вентилятор с приводом), а также системами подачи горючего газа формируют установку погружного горения. Важным элементом этой установки является водонагревательное устройство, в котором осуществляется барботаж (пропускание через жидкость) продуктов сгорания, поступающих из камер сгорания непрерывного действия, опущенных выходом на 200-300 мм под уровень жидкости. Таким образом, обеспечивается прямой контакт продуктов сгорания с нагреваемой жидкостью без использования теплообменников.
Известен АПГ (патент РФ №325974), содержащий бак с циркулирующей через него жидкостью, в котором вертикально установлены камеры сгорания с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, барботер, патрубки для ввода и вывода жидкости и удаления продуктов сгорания, дополнительная подпорная решетка и дополнительный патрубок подвода жидкости, подающий жидкость в сторону, противоположную подачи ее из основного патрубка. Дополнительная подпорная решетка установлена выше барботера так, что между ними имеется достаточно толстый слой жидкости. При этом дополнительный патрубок расположен выше уровня жидкости в баке.
Техническое решение хотя и позволяет несколько увеличить теплосъем от продуктов сгорания, но в нем все еще не полностью используется тепловой потенциал горючей смеси из-за недостаточного перемешивания продуктов сгорания с жидкостью. В устройстве из-за установки дополнительной подпорной решетки существенно увеличено заглубление камеры сгорания, что требует соответствующего увеличения давления воздуха, поступающего в камеру сгорания, а следовательно, и увеличения мощности компрессора или вентилятора, подающего воздух в устройство.
Известны конверсионные разработки АПГ. См., например, «Эффективное теплоснабжение зданий на основе погружного горения топлива»: журнал «Конверсия в машиностроении», 2001, №5, с. 77-79. Коэффициент использования теплоты сгорания топлива в котлах на основе АПГ может достигать 95-98%. Очевидно, что в идеале осуществить практически полностью безотходную и экологически чистую технологию получения тепла можно лишь при использовании кислорода и водорода в качестве компонентов топлива. В этом отношении известен паровой кислородно-водородный котел с погружным горением кислородно-водородной смеси (патент РФ №2018048 на изобретение с приоритетом от 28.12.1991 года).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является водонагревательное устройство (патент РФ №2469244), принятый за прототип. Устройство содержит бак с днищем и крышкой, установленной в баке, по меньшей мере, одну вертикальную камеру сгорания с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, отверстие отвода в атмосферу продуктов сгорания в крышке, патрубки подвода и отвода воды соответственно в верхней и нижней части бака, залитую выше нижнего обреза камеры воду, магистраль подвода горючего газа и воздушную магистраль с кранами, воздушный коллектор, газовый коллектор, горелки, центральную и промежуточную, примыкающую к боковой стенке бака, полости, ограниченные стенками и сообщающиеся с патрубком подвода воды, расположенные в верхней части стенок этих полостей разбрызгивающиеся отверстия. Где горелки газодинамически соединены с воздушным коллектором, подключенным через кран к воздушной магистрали и с газовым коллектором, подключенным через кран к магистрали горючего газа. Камера сгорания расположена концентрично между центральной и примыкающей к стенке бака полостями и снабжена в нижней части стенки розжиговыми отверстиями, расположенными ниже исходного уровня залитой в баке воды. Горелки встроены равномерно в верхнем торце камеры сгорания. Отверстия в верхней части стенок полостей бака направлены в сторону наружной и внутренней стенок камеры сгорания.
Работа устройства осуществляется подводом воды перед запуском через верхний патрубок в центральную и промежуточную полости бака, а оттуда через разбрызгивающие отверстия в остальные полости бака. Из бака вода отводится через нижний патрубок, чем обеспечивается проток воды через бак. При запуске устройства в горелки из магистрали горючего газа через кран и газовый коллектор подается горючий газ, а из воздушной магистрали через кран и воздушный коллектор подается воздух с расходом и давлением ниже расчетных. В горелках газ и воздух перемешиваются с образованием горючей смеси, которая поджигается воспламенителем (не показано). От сгорания смеси образуются горячие продукты сгорания, которые, проходя через воду в полости бака, нагревают ее и далее через отверстие в крышке бака поступают в атмосферу.
Устройство увеличивает удельный теплосъем с продуктов сгорания. Однако в таких устройствах много тепла теряется с отходящими газами. В частности, не происходит достаточной конденсации водяных паров, в результате чего скрытая теплота конденсации паров, содержащихся в продуктах горения, недостаточно используется. Кроме того, полнота сгорания горючего газа в воздухе не достаточно высока. Таким образом, недостатком прототипа является неполная эффективность сжигания смеси горючего газа с воздухом и недостаточный теплосъем с продуктов сгорания.
В основу заявленной полезной модели положено решение задачи увеличения теплосъема от сжигания топливовоздушной смеси как за счет повышения эффективности сжигания топлива, например, в виде смеси природного газа и газообразного водорода, так и использования скрытой теплоты конденсации паров воды в продуктах сгорания.
Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в повышении коэффициента полезного действия устройства.
Поставленная задача решается тем, что водонагревательное устройство содержит бак с днищем и крышкой, установленной в баке, по меньшей мере, одну вертикальную камеру сгорания с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, патрубки подвода и отвода воды соответственно в верхней и нижней части бака, воду, залитую выше нижнего обреза камеры. Кроме того, устройство содержит магистраль подвода горючего газа и воздушную магистраль с кранами, воздушный коллектор, газовый коллектор, горелки, которые газодинамически соединены с воздушным коллектором, подключенным через кран к воздушной магистрали и с газовым коллектором, подключенным через кран к магистрали горючего газа. Причем крышка бака имеет отверстие отвода продуктов сгорания в атмосферу.
Новым в полезной модели является то, что водонагревательное устройство дополнительно содержит магистраль подвода газообразного водорода с краном, смеситель горючего газа с газообразным водородом, снабженный магистралью подвода смеси от смесителя к газовому коллектору, и проницаемый пакет гранул, причем смеситель подключен к магистрали горючего газа после крана на ней. В отверстии отвода продуктов сгорания крышки бака установлен пакет гранул.
При таком выполнении водонагревательного устройства достигается следующее:
- дополнительное наличие магистрали подвода газообразного водорода с краном обеспечивает возможность улучшения теплотворной способности горючего газа;
- наличие смесителя горючего газа с газообразным водородом, снабженного магистралью подвода смеси от смесителя к газовому коллектору, позволяет гомогенно перемешивать компоненты топлива;
- подключение смесителя к магистрали горючего газа после крана на ней позволяет в исключительных случаях обеспечивать работу устройства полностью на газообразном водороде, т.е. позволяет повышать ее потребительские качества;
- установка проницаемого пакета гранул в отверстии отвода продуктов сгорания крышки бака обеспечивает повышение конденсации водяных паров выхлопных газов, возвращая дополнительное тепло в устройство.
Развитие совокупности существенных признаков полезной модели для частных случаев ее выполнения дано в дополнительных пунктах:
- использование в качестве горючего газа природного газа улучшает экологические показатели устройства и улучшает эффективность сжигания топлива;
- выполнение гранул из гравия обеспечивает доступность используемого материала и низкой стоимостью гранул;
- выполнение гранул из стеклопластика позволяет снизить массу гранул.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача увеличения теплосъема от сжигания топливовоздушной смеси как за счет повышения эффективности сжигания топлива, например, в виде смеси природного газа и газообразного водорода, так и использования скрытой теплоты конденсации паров воды в продуктах сгорания.
Настоящая полезная модель поясняется последующим описанием схемы водонагревательного устройства и его функционирования со ссылкой на чертеж.
Водонагревательное устройство содержит бак 1 с днищем 2 и крышкой 3, установленной в баке 1, по меньшей мере, одну вертикальную камеру сгорания 4 с зазором между нижним обрезом камеры и днищем 2 бака 1, патрубки 5, 6 подвода и отвода воды соответственно в верхней и нижней части бака 1, воду, залитую выше нижнего обреза камеры 4. Кроме того, устройство содержит магистраль 7 подвода горючего газа и воздушную магистраль 8 соответственно с кранами 9, 10, воздушный коллектор 11, газовый коллектор 12, горелки 13, которые газодинамически соединены с воздушным коллектором 11, подключенным через кран 10 к воздушной магистрали 8 и с газовым коллектором 12, подключенным через кран 9 к магистрали 7 горючего газа. Крышка 3 бака 1 имеет отверстие 14 отвода продуктов сгорания камеры в атмосферу. Устройство дополнительно содержит магистраль 15 подвода газообразного водорода с краном 16, смеситель 17 горючего газа с газообразным водородом, снабженный магистралью 18 подвода смеси от смесителя 17 к газовому коллектору 12, и проницаемый пакет 19 гранул 20. Смеситель 17 подключен к магистрали 7 горючего газа после крана 9 на ней. Пакет 19 гранул 20 установлен в отверстии 14 отвода продуктов сгорания крышки 3 бака 1. В качестве горючего газа используют природный газ. Гранулы 20 могут быть выполнены из гравия или стеклопластика.
Устройство функционирует следующим образом. В начале запуска в горелки 13 из воздушной магистрали 8 через кран 10 и воздушный коллектор 11 подается воздух, а из магистрали 7 горючего газа через кран 9 и газовый коллектор 12 подается горючий газ. При этом магистраль 15 подвода водорода через кран 16 в смеситель 17 перекрыта. Из коллекторов 11 и 12 воздух и горючий газ подаются в горелки 13. В горелках 13 горючий газ и воздух перемешиваются и поджигаются воспламенителем (не показано). Далее с помощью патрубка 5 полость бака 1 заполняется водой. Из бака 1 вода отводится через патрубок 6, чем обеспечивается такой проток воды через бак 1, при котором обеспечивается расчетный для запуска и работы уровень воды относительно выходного среза горелок. От сгорания топливовоздушной смеси образуются горячие продукты сгорания. Продукты сгорания, проходя сквозь толщу воды, нагревают ее и далее через проницаемый пакет 19 с гранулами 20 в отверстии 14 крышки 3 уходят в атмосферу. В пакете 19 гранулах 20 происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания. В результате конденсации паров скрытая теплота, содержащаяся в продуктах сгорания, выделяется в каплях воды, которые падая в бак, дополнительно нагревают воду.
Интенсификации процесса сжигания топливовоздушной смеси в камере сгорания способствует постепенное подмешивание к горючему газу газообразного водорода из магистрали 15 через открытый кран 16. Это позволяет повысить полноту сгорания топливовоздушной смеси, что важно при использовании природного газа. Предлагаемое техническое решение будет востребовано при индивидуальном обеспечении теплом различных потребителей, особенно в сельской местности, в частности, в регионах опережающего развития (Крым, Дальний Восток, Арктика).