ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована в теплогенерирующих установках, предназначенных для отопления и горячего водоснабжения промышленных и жилых зданий и помещений, а также для других целей.
Известна теплогенерирующая установка, содержащая теплообменник «жидкость-жидкость» со спиральным теплообменным элементом, циркуляционный насос, и котлоагрегат, содержащий выполненный за одно целое с корпусом указанного теплообменника вертикальный цилиндрический трубчатый корпус, внутри которого размещены цилиндрическая жаровая труба, установленная с образованием между ней и корпусом котлоагрегата кольцевой полости, предназначенной для заполнения греющей жидкостью, газовая горелка, и расположенный в верхней части корпуса котлоагрегата контактный теплообменник с водораспылителем, подключенным к выходу циркуляционного насоса, при этом нижняя часть контактного теплообменника сообщается с указанной кольцевой полостью, к нижней части которой подключен вход циркуляционного насоса, а теплообменный элемент теплообменника «жидкость-жидкость» установлен в указанной кольцевой полости (патент RU 2013710, МПК F24H 1/10, опубл. 30.05.1994 г.).
Известна также теплогенерирующая установка, содержащая теплообменник «жидкость-жидкость» с корпусом, внутренняя полость которого предназначена для заполнения греющей жидкостью, и теплообменным элементом, размещенным в указанном корпусе, циркуляционный насос, вход которого подключен к нижней части внутренней полости корпуса указанного теплообменника, и котлоагрегат, содержащий выполненный за одно целое с корпусом указанного теплообменника вертикальный цилиндрический трубчатый корпус с крышкой и выходной трубой для отвода продуктов сгорания, камеру сгорания с трубчатым корпусом, установленным продольно в корпусе котлоагрегата с образованием между последним и корпусом камеры сгорания кольцевой теплообменной полости с закрытым нижним торцом, служащей внутренней полостью указанного теплообменника, спиральный теплообменник, установленный в указанной кольцевой полости, газовую горелку, установленную в камере сгорания и подключенную к линиям подвода к ней газа и воздуха, и установленные в верхней части корпуса котлоагрегата выше камеры сгорания контактный теплообменник с конденсатором водяных паров, и группу образующих водораспылитель водоподающих насадков, подключенных к выходу циркуляционного насоса и установленных над указанным контактным теплообменником, выполненным в виде короба с ситообразным днищем, заполненного засыпкой из колец Рашига, керамических шариков и т.п. (патент GB 2166853, МПК F24H 1/10, опубл. 14.05.1986 г.).
Известные установки имеют сложную и громоздкую конструкцию, большой вес, повышенный удельный расход газа, обусловленный низкой эффективностью использования тепловой энергии, и повышенное содержание вредных примесей в продуктах сгорания, поступающих в атмосферу.
Наиболее близкой к заявленной теплогенерирующей установке по технической сущности является принятая за прототип теплогенерирующая установка, содержащая теплообменник «жидкость-жидкость» с корпусом, внутренняя полость которого предназначена для заполнения греющей жидкостью, и теплообменным элементом, размещенным в указанном корпусе и подключенным к линиям подвода и отвода нагреваемой жидкости, и, по меньшей мере, один котлоагрегат, снабженный циркуляционным насосом, вход которого подключен к внутренней полости корпуса указанного теплообменника, и содержащий вертикальный или близкий к вертикальному корпус с крышкой, соединенный своей нижней частью с верхней частью корпуса указанного теплообменника, камеру сгорания, снабженную цилиндрическим трубчатым корпусом с открытыми торцами, установленным продольно в корпусе котлоагрегата с образованием между корпусом котлоагрегата и корпусом камеры сгорания кольцевой теплообменной полости с закрытым нижним торцом, снабженной трубой для отвода продуктов сгорания, и сообщающуюся с нижней стороны с внутренней полостью корпуса указанного теплообменника и с верхней стороны - с верхней частью упомянутой кольцевой теплообменной полости, горелку, установленную в камере сгорания и подключенную к линии подвода топливной смеси, водоподающий насадок, установленный в верхней части корпуса камеры сгорания тангенциально к последнему, и проточный теплообменник с нижним входом и верхним выходом, установленный в указанной кольцевой теплообменной полости и соединенный своим входом и выходом соответственно с выходом циркуляционного насоса и с водоподающим насадком (патент RU 2381422, МПК F24H 1/00, опубл. 10.02.2010 г.).
В каждом котлоагрегате принятой за прототип установки вход топливной смеси у горелки выполнен с нижней стороны и подключен к линии подвода топливной смеси (в виде газовоздушной смеси), снабженной установленным в нижней части котлоагрегата эжжекционным смесителем газа с воздухом, подаваемым к указанному смесителю по кольцевой воздушной полости, образованной между наружным кожухом и корпусом котлоагрегата. Наличие эжжекционного смесителя и наружного кожуха, а также - конструктивные меры по герметизации линии подвода топливной смеси, принимаемые с целью исключения возможности проникания в нее воды, стекающей по внутренней стенке камеры сгорания в теплообменник «жидкость-жидкость», усложняют конструкцию установки, увеличивают ее массу и габариты. Вместе с тем, наличие указанного эжжекционного смесителя с большим количеством стыкующих соединений с линиями подвода газа и воздуха и с выходной линией, сообщающей выход смесителя с газовой горелкой, повышает вероятность опасных для работы установки утечек газа и газовоздушной смеси через указанные соединения, что снижает уровень безопасности эксплуатации установки. Кроме того, указанные конструктивные особенности установки усложняют ее разборку и сборку при текущем ремонте, что усложняет эксплуатацию установки. Помимо этого, в каждом котлоагрегате линия подвода газовоздушной смеси с выхода смесителя к газовой горелке находится в постоянном контакте с водой, вследствие чего ее конструктивные элементы подвергаются коррозионной эрозии.
Задачей полезной модели является создание теплогенерирующей установки, у которой в каждом из котлоагрегатов линия подвода топливной смеси к горелке не проходит через зону движения воды, стекающей по внутренней стенке камеры сгорания в теплообменник «жидкость-жидкость», а конструкция каждого котлоагрегата исключает необходимость приготовления топливной смеси внутри или вблизи последнего.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в теплогенерирующей установке, содержащей теплообменник «жидкость-жидкость» с корпусом, внутренняя полость которого предназначена для заполнения греющей жидкостью, и теплообменным элементом, размещенным в указанном корпусе и подключенным к линиям подвода и отвода нагреваемой жидкости, и, по меньшей мере, один котлоагрегат, снабженный циркуляционным насосом, вход которого подключен к внутренней полости корпуса указанного теплообменника, и содержащий вертикальный или близкий к вертикальному корпус с крышкой, соединенный своей нижней частью с верхней частью корпуса указанного теплообменника, камеру сгорания, снабженную цилиндрическим трубчатым корпусом, установленным продольно в корпусе котлоагрегата с образованием между корпусом котлоагрегата и корпусом камеры сгорания кольцевой теплообменной полости с закрытым нижним торцом, снабженной трубой для отвода продуктов сгорания, и сообщающуюся с нижней стороны с внутренней полостью корпуса указанного теплообменника и с верхней стороны - с верхней частью упомянутой кольцевой теплообменной полости, горелку, установленную в камере сгорания и подключенную к линии подвода топливной смеси, водоподающий насадок, установленный в верхней части корпуса камеры сгорания тангенциально к последнему, и проточный теплообменник с нижним входом и верхним выходом, установленный в указанной кольцевой теплообменной полости и соединенный своим входом и выходом соответственно с выходом циркуляционного насоса и с водоподающим насадком, в отличие от прототипа, у каждого котлоагрегата в крышке корпуса выполнено сквозное отверстие, а вход топливной смеси у горелки выполнен с верхней стороны и соединен с линией подвода топливной смеси посредством патрубка, герметично установленного в указанном отверстии крышки корпуса котлоагрегата.
При этом установка снабжена емкостью для сбора и очистки конденсата, у которой нижняя часть предназначена для заполнения водоочищающим материалом, предпочтительно раскислителем, например, мелом, и сообщается выше уровня указанного материала с нижней частью внутренней полости теплообменника «жидкость-жидкость», а верхняя часть сообщается через гидравлический затвор с нижней частью кольцевой теплообменной полости каждого котлоагрегата с возможностью слива из последней конденсата в указанную емкость самотеком и выполнена с переливным отверстием, подключенным к сливной линии и расположенным на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости в указанном теплообменнике.
Кроме того, в установке корпус теплообменника «жидкость-жидкость» имеет цилиндрическую трубчатую форму и горизонтальное или близкое к горизонтальному расположение и в каждой его концевой части установлена внутренняя поперечная перегородка с отверстиями с образованием на концах указанного корпуса торцевых полостей, одна из которых подключена к линии подвода, а вторая - к линии отвода нагреваемой жидкости, при этом теплообменный элемент указанного теплообменника выполнен в виде пучка теплообменных трубок, расположенных продольно корпусу теплообменника, равномерно распределенных по площади поперечного сечения внутренней полости указанного корпуса и герметично соединенных своими концами с отверстиями указанных поперечных перегородок.
Выполнение теплогенерирующей установки с верхним подводом к горелкам приготовленной вне зоны расположения котлоагрегатов установки топливной смеси через патрубки, проходящие через отверстия в крышках котлоагрегатов, позволяет исключить из конструкции котлоагрегатов установки смеситель для приготовления газовоздушной смеси и наружный кожух, служащий для подвода воздуха к указанному смесителю. При этом исключается необходимость в применении конструктивных мер по герметизации линии подвода топливной смеси, принимаемых в прототипе с целью исключения возможности проникания в указанную линию воды, стекающей по внутренней стенке камеры сгорания в теплообменник «жидкость-жидкость». Указанные конструктивные отличия обеспечивают достижение технического результата полезной модели, заключающегося в упрощении конструкции и снижении массы и габаритов предлагаемой установки в сравнении с ее прототипом. Вместе с тем, подвод к каждому из котлоагрегатов установки готовой топливной смеси исключает необходимость ее приготовления внутри или вблизи котлоагрегата, благодаря чему полностью исключается возможность утечки топливной смеси внутри котлоагрегата, что обеспечивает достижение технического результата полезной модели, заключающегося в повышении уровня безопасности эксплуатации установки. Кроме того, указанные конструктивные отличия предлагаемой установки упрощают ее разборку и сборку при текущем ремонте, что обеспечивает достижение технического результата полезной модели, заключающегося в упрощении эксплуатации установки. Помимо этого, в каждом из котлоагрегатов предлагаемой установки исключается контакт линии подвода топливной смеси с водой, вследствие чего исключается присущая прототипу коррозионная эрозия конструктивных элементов указанной линии.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены:
- на фиг.1 - общий вид теплогенерирующей установки;
- на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Теплогенерирующая установка содержит теплообменник «жидкость-жидкость» 1 (фиг.1) и, по меньшей мере, один котлоагрегат 2, установленный над теплообменником 1 и снабженный циркуляционным насосом 3.
Каждый из котлоагрегатов 2 содержит вертикальный или близкий к вертикальному трубчатый корпус 4 с глухой верхней крышкой 5, камеру сгорания 6, снабженную цилиндрическим трубчатым корпусом 7 с открытыми торцами, установленным продольно в корпусе 4 с образованием между корпусом 7 и корпусом 4 кольцевой теплообменной полости 8 с закрытым нижним торцом, снабженной трубой 9 для отвода продуктов сгорания в атмосферу, проточный теплообменник 10 с нижним входом и верхним выходом, установленный в кольцевой полости 8, горелку 11, установленную в камере сгорания 6 и подключенную к линии 12 подвода к ней топливной смеси (ТС), и водоподающий насадок 13, соединенный с выходом теплообменника 10 и сообщающийся своим выходом с камерой сгорания 6. Камера сгорания 6 сообщается с верхней частью кольцевой полости 8 через верхний открытый торец корпуса 7, вход теплообменника 10 подключен к выходу циркуляционного насоса 3, а вход выходной трубы 9 подсоединен к нижней части кольцевой полости 8. При этом теплообменник 10 может быть выполнен, например, в виде спиральной трубки, как показано на фиг.1, или в виде набора продольных по отношению к корпусу 4 трубок (не показаны), равномерно распределенных по площади поперечного сечения кольцевой полости 8. Водоподающий насадок 13 имеет сужающееся к своему выходу сечение, герметично установлен в сквозном отверстии, выполненном в верхней части корпуса 7 камеры сгорания 6, и направлен тангенциально к последнему с обеспечением возможности движения выходящей из насадка 13 жидкости по спирали вниз по внутренней стенке корпуса 7. Корпус 4 имеет цилиндрическую форму и расположен коаксиально к корпусу 7 камеры сгорания 6.
Горелка 11 имеет преимущественно цилиндрическую форму, расположена коаксиально к корпусу 7 и выполнена с возможностью формирования пламени с тепловым излучением, направленным преимущественно радиально от горелки 11 к внутренней поверхности корпуса 7 камеры сгорания 6. При этом установка может быть выполнена с возможностью работы на топливной смеси в виде газовоздушной смеси или в виде смеси жидкого топлива с воздухом. В варианте установки, работающей на газовоздушной смеси, горелка 11 может быть выполнена в виде щелевой или инфракрасной, или каталитической газовой горелки, а в варианте установки, работающей на смеси жидкого топлива с воздухом, горелка 11 может быть выполнена в виде инфракрасной или каталитической жидкотопливной горелки или в виде набора жидкотопливных форсунок (не показаны), равномерно распределенных по площади наружной поверхности горелки 11.
У каждого котлоагрегата 2 в крышке 5 корпуса 4 выполнено сквозное отверстие, а вход топливной смеси у горелки 11 выполнен с верхней стороны и соединен с линией 12 подвода топливной смеси посредством патрубка 14, герметично установленного в указанном отверстии крышки 5 корпуса 4.
Теплообменник 1 соединен своей верхней частью с нижней частью каждого котлоагрегата 2, подключен, по меньшей мере, к одному потребителю 15 нагреваемой жидкости (например, к системе отопления и/или системе горячего водоснабжения, к вентиляционной системе, к какой-либо производственной системе и т.п.) и содержит корпус 16 предпочтительно цилиндрической трубчатой формы с горизонтальным или близким к горизонтальному расположением, во внутренней полости 17 которого, предназначенной для заполнения греющей жидкостью, размещен теплообменный элемент 18, через который в процессе работы установки циркулирует нагреваемая жидкость. При этом внутренняя полость 17 корпуса 16 сообщается с камерой сгорания 6 каждого котлоагрегата 2 через нижний открытый торец корпуса 7 камеры сгорания 6. У теплообменника 1 вход 19 подключен к линии 20 подвода нагреваемой жидкости с выхода потребителей 15, а выход 21 - к линии 22 отвода нагретой жидкости к потребителям 15. Теплообменник 1 может быть также снабжен дополнительным входом 23 для подвода холодной воды из водопроводной линии 24 с регулировкой подачи воды с помощью крана 25.
Теплообменный элемент 18 теплообменника 1 может иметь различное конструктивное исполнение. При этом, исходя из необходимости обеспечения высокой эффективности передачи тепла от греющей к нагреваемой жидкости, предпочтение отдается трубчатому варианту теплообменного элемента 18, выполненному в виде пучка теплообменных трубок 26 (фиг.1, 2), равномерно распределенных по площади поперечного сечения внутренней полости 17 корпуса 16 теплообменника 1 и расположенных продольно корпусу 16. В концевых частях корпуса 16 установлены внутренние поперечные перегородки 27 и 28 с образованием на одном конце указанного корпуса торцевой полости 29, подключенной через вход 19 к линии 20 и через вход 23 - к водопроводной линии 24, а на втором конце - торцевой полости 30, подключенной через выход 21 к линии 22. В каждой из перегородок 27 и 28 выполнены отверстия, равномерно распределенные по площади перегородки, при этом концы трубок 26 герметично подсоединены к указанным отверстиям.
У каждого из котлоагрегатов 2 нижняя часть корпуса 4 и корпус 7 камеры сгорания 6 соединена с верхней частью корпуса 16 теплообменника 1 с сообщением камеры сгорания 6 с верхней частью внутренней полости 17 корпуса 16 через открытый нижний торец корпуса 7, а циркуляционный насос 3 подключен своим входом к линии 31 подвода воды, вход которой соединен предпочтительно с нижней частью внутренней полости 17 корпуса 16 теплообменника 1. При этом в линии 31 установлен регулировочный кран 32, служащий также для перекрытия линии 31 при демонтаже циркуляционного насоса 3.
Для обеспечения отвода из кольцевой полости 8 котлоагрегата 2 конденсата, образующегося в процессе конденсации смешанных с продуктами сгорания водяных паров, а также для обеспечения его очистки и дальнейшего использования в качестве греющей жидкости установка может быть снабжена емкостью 33 для сбора и очистки конденсата 34, образующегося в кольцевой полости 8 каждого котлоагрегата 2 в процессе работы установки. При этом нижняя часть емкости 33 заполнена водоочищающим материалом 35, преимущественно раскислителем, например, мелом, и сообщается выше уровня материала 35 с нижней частью внутренней полости 17 теплообменника 1 через фильтр 36, а верхняя часть емкости 33 сообщается через гидравлический затвор 37 и сливную линию 38 с нижней частью кольцевой теплообменной полости 8 каждого котлоагрегата 2 с возможностью слива из последней конденсата в указанную емкость 33 самотеком. В верхней части емкости 33 выполнено переливное отверстие 39, расположенное на одном уровне с максимальным уровнем греющей жидкости в теплообменнике 1. При этом переливное отверстие 39 подключено к сливной линии 40, соединенной, например, с канализацией или специальной емкостью для отстоя и очистки (не показана).
Для обеспечения заданной скорости циркуляции нагреваемой жидкости через теплообменник 1 к потребителям 15 горячей воды в линии 20 может быть установлен циркуляционный насос 41 с фильтром 42 на его входе, а для обеспечения возможности регулировки объемной подачи жидкости с выхода потребителей 15 в линию 20 в линиях, соединяющих выходы потребителей 15 со входом фильтра 42, могут быть установлены регулировочные краны 43. Кроме того, для обеспечения заданной объемной подачи топливной смеси к горелке 11 каждого котлоагрегата 2 в линии 12 подачи топливной смеси к каждому котлоагрегату 2 может быть установлено устройство для регулировки подачи топливной смеси (не показано).
При этом не исключается возможность использования в предлагаемой установке других конструктивных вариантов теплообменника «жидкость-жидкость» 1, а также Других вариантов системы очистки конденсата, образующегося в кольцевых полостях 8 котлоагрегатов 2.
Теплогенерирующая установка работает следующим образом.
К горелке 11 каждого котлоагрегата 2 по линии 12 и патрубку 14 подается топливная смесь (газовоздушная смесь или смесь жидкого топлива с воздухом), в торцевую полость 29 теплообменника 1 подается нагреваемая жидкость, нагнетаемая с выхода потребителей 15 с помощью насоса 40 по линии 20 и/или из водопроводной линии 24, а к водоподающему насадку 13 каждого котлоагрегата 2 подается жидкость, нагнетаемая с помощью циркуляционного насоса 3 из нижней части внутренней полости 17 теплообменника 1 к насадку 13 через проточный теплообменник 10.
В каждом котлоагрегате 2 при сгорании топливной смеси, поступающей к горелке 11, в камере сгорания 6 создается тепловое излучение от пламени горелки 11, направленное радиально к внутренней поверхности корпуса 7 камеры сгорания 6. При этом жидкость, выходящая из насадка 13 в форме струи, совершает спиралеобразное движение сверху вниз по внутренней поверхности указанного корпуса 7. В процессе указанного спиралеобразного движения вниз жидкость нагревается под воздействием на нее энергии теплового излучения от пламени горелки 11, от поднимающихся вверх вдоль камеры сгорания 6 горячих продуктов сгорания, и от корпуса 7. Выходящие вверх из камеры 6 продукты сгорания, проходят по торцевому зазору между корпусом 7 и крышкой 5, после чего проходят вниз между теплообменником 10 и стенками корпусов 4 и 7, и по выходной трубе 9 отводятся в атмосферу. В процессе указанного движения горячие продукты сгорания нагревают корпус 7 и жидкость, поступающую через теплообменник 10 к водоподающему насадку 13.
Основная часть жидкости, поступающей в камеру сгорания 6 из насадка 13, после нагрева в камере 6 стекает по внутренней стенке корпуса 7 указанной камеры во внутреннюю полость 17 теплообменника 1 и становится греющей жидкостью, которая используется для нагрева воды, циркулирующей через трубки 26 из торцевой полости 29 теплообменника 1 в его торцевую полость 30, откуда нагретая жидкость поступает по линии 22 к потребителям 15. Остальная часть жидкости, поступающей в камеру сгорания 6 из насадка 13, под воздействием теплового излучения пламени горелки 11 и горячих продуктов сгорания испаряется и в виде водяных паров, смешанных с продуктами сгорания, поступает из камеры сгорания 6 в кольцевую полость 8.
2
При этом водяные пары конденсируются на внутренней стенке корпуса 4, внешней поверхности теплообменника 10 и внутренней стенке дымовой трубы 9. Горячий конденсат, образующийся в результате указанной конденсации водяных паров в кольцевой полости 8 и выходной трубе 9 каждого котлоагрегата 2, стекает на дно кольцевой полости 8, откуда самотеком стекает по сливной линии 38 в емкость 33 через гидравлический затвор 37, блокирующий проход продуктов сгорания из кольцевой полости 8 каждого котлоагрегата 2 в емкость 33. В емкости 33 конденсат 34 отстаивается и в процессе отстоя очищается от примесей, главным образом от окислов СО и СО, и через фильтр 36, исключающий попадание материала 35 в греющую жидкость, поступает в нижнюю часть внутренней полости 17 теплообменника 1, где используется в качестве греющей жидкости. Поскольку емкость 33 и теплообменник 1 являются сообщающимися сосудами конденсат 34 в емкости 33 и греющая жидкость в теплообменнике 1 находятся на одном уровне. С началом подъема уровня греющей жидкости в теплообменнике 1 выше допустимого максимального уровня, который ограничивается уровнем нижнего торца корпуса 7 камеры сгорания 6 конденсат 34 начинает перетекать из емкости 33 через переливное отверстие 39 в сливную линию 40, по которой сливается, например, в канализацию или специальную емкость, благодаря чему исключается дальнейший подъем уровня греющей жидкости в теплообменнике 1.
Для обеспечения заданной температуры нагретой воды, которую необходимо обеспечить на выходе 21 теплообменника 1 при заданной величине объемной подачи исходной воды в торцевую полость 29 последнего, в процессе работы установки может изменяться как величина объемной подачи топливной смеси к горелке 11 каждого котлоагрегата 2, так и число работающих котлоагрегатов 2. При этом объемная подача жидкости из внутренней полости 17 теплообменника 1 к водоподающему насадку 13 каждого котлоагрегата 2 может регулироваться в заданных пределах с помощью крана 32. Кроме того, с помощью регулировочных кранов 43 может регулироваться объемная подача на вход 19 теплообменника 1 жидкости, отработанной в потребителях 15 горячей воды, а с помощью регулировочного крана 25 может регулироваться объемная подача холодной воды из водопроводной линии 24 на вход 23 теплообменника 1.
Практическое использование полезной модели позволяет упростить конструкцию теплогенерирующей установки, снизить ее массу и габариты и повысить уровень безопасности эксплуатации установки.