ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT-WATER BOILER

Изобретение относится к водогрейным котлам для нужд отопления и горячего, водоснабжения объектов коммунального, бытового и производственного назначения.
Водогрейные котлы широко известны в самых разных формах исполнения, которые характеризуются наличием в корпусе котла теплообменника и горелки, которая служит для нагрева проходящего через теплообменник теплоносителя, например, воды.
Известна конструкция водогрейного котла (патент РФ №45510, опубликовано 10.05.2005 г.), который с целью снижения потерь тепла, повышения эффективности и исключения необходимости в существенном охлаждении корпуса содержит теплоизолированный корпус с боковой стенкой и двумя замыкающими элементами, установленный внутри теплообменник с горелкой, вокруг которой расположена непрерывная поверхность теплообмена, задающая камеру сгорания котла и полностью экранирующая боковую стенку корпуса котла от излучения горелки.
Между теплообменником и боковой стенкой корпуса образован окружной канал, в который через отверстие для вывода дымовых газов перетекают дымовые газы из камеры сгорания, далее движутся вверх вдоль наружной стороны теплообменника и удаляются из котла через предусмотренный вверху патрубок для отвода продуктов сгорания.
Теплообменник образован двумя гофрированными окружными стенками, между которыми расположена перегородка, разделяющая внутреннее пространство теплообменника на два канала. По одному каналу теплоноситель перемещается вертикально вниз и нагревается дымовыми газами. Затем внизу теплообменника теплоноситель изменяет направление своего движения на противоположное и движется по второму каналу вертикально вверх. Подвод холодного теплоносителя в теплообменник и отвод горячего теплоносителя из теплообменника осуществляется на одной и той же стороне теплообменника, а именно на его верхней стороне.
Недостатком известного котла является его выполнение в виде двухходового котла, в котором теплоноситель движется в двух противоположных направлениях. Подобное двухходовое движение теплоносителя приводит к высокому гидравлическому сопротивлению, которое может быть преодолено лишь с помощью использования достаточно мощного насоса. Кроме того, двухходовой котел требует конструктивно сложного и затратного при изготовлении теплообменника, который обеспечивает два пути потока теплоносителя, занимает достаточно много места и имеет значительный вес.
Другим недостатком данного котла является его недостаточная теплообменная поверхность. Несмотря на попытки увеличения теплообменной поверхности за счет выполнения стенок теплообменника гофрированными, эта поверхность все еще недостаточна для максимальной передачи тепла за один проход теплоносителя. Дымовые газы, выходящие из камеры сгорания, имеют все еще высокую температуру и, двигаясь по окружному каналу между теплообменником и боковой стенкой корпуса, нагревают боковую стенку корпуса. Это приводит к значительным потерям тепла и, кроме того, требует дополнительного охлаждения боковой стенки корпуса и/или дополнительных мероприятий по теплоизоляции этой стенки. Соответственно, снижается полезная мощность, а конструкция котла значительно усложняется.
Также недостатком данного котла является гофрированное выполнение стенки. Гофры служат потенциальным местом удержания и осаждения как загрязнений теплоносителя, так и продуктов сгорания.
Это может приводить к дополнительному ухудшению теплообменной способности котла. Кроме того, гофры создают зоны, препятствующие протеканию теплоносителя, что еще больше увеличивает внутреннее гидравлическое сопротивление, с одной стороны, и дополнительно ухудшает теплообмен, с другой стороны.
Известна конструкция одноходового водогрейного котла (патент РФ №2625367, опубликовано 13.07.2017 г.), принятого за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, который содержит корпус, имеющий боковую стенку и два закрывающих элемента, которые жестко соединены с разными концами боковой стенки и формируют вместе с ней внутреннее пространство котла. Также котел содержит горелку, расположенную во внутреннем пространстве корпуса и соединенную с одним из закрывающих элементов, теплообменник, расположенный во внутреннем пространстве корпуса между боковой стенкой корпуса и горелкой так, что он задает окружающую горелку камеру сгорания и экранирует боковую стенку корпуса котла от лучистого излучения горелки. Между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла сформирован окружной канал для прохождения дымовых газов, образовавшихся в камере сгорания. Закрывающие элементы корпуса выполнены так, что один из них образует входной коллектор для подвода подлежащего нагреву теплоносителя в котел, а другой - выходной коллектор для отвода нагретого теплоносителя из котла. Теплообменник образован отдельными проточными в одном направлении трубками, каждая из которых одним концом подключена к входному коллектору, а другим концом - к выходному коллектору. При этом каждая трубка теплообменника имеет продолговатое поперечное сечение, продолговатые стороны которого задают расположенные напротив друг друга продолговатые теплообменные поверхности, одна из которых обращена к горелке, а другая - к боковой стенке корпуса котла. При этом трубки расположены так, что обращенная к горелке продолговатая теплообменная поверхность каждой трубки, по меньшей мере, частично перекрыта соседней трубкой, причем обращенная к горелке теплообменная поверхность каждой трубки и перекрывающая ее соседняя трубка своей обращенной к боковой стенке корпуса теплообменной поверхностью образуют непрерывный проходной канал для прохода дымовых газов из камеры сгорания в указанный окружной канал для дымовых газов, образованный между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла.
Выполнение теплообменника из множества отдельных трубок с продолговатым сечением, а также наличие каналов между трубками для прохождения дымовых газам из камеры сгорания в окружной канал, позволяют значительно увеличить теплообменную поверхность. При этом наличие подобных каналов, имеющих относительно большую протяженность в продольном направлении котла, обеспечивает связь между камерой сгорания и окружным каналом для дымовых газов без необходимости изменения направления движения дымовых газов на противоположное.
Таким образом, необходимая тепловая мощность указанного котла достигается за счет использования для нагрева теплоносителя как излучения горелки, так и конвективного тепла дымовых газов.
Кроме того, использование указанной одноходовой системы котла уменьшает внутреннее гидравлическое сопротивление теплообменника и тем самым позволяет использовать менее мощные насосы для циркуляции теплоносителя. Этот эффект снижения гидравлического сопротивления усиливается за счет выполнения теплообменника из множества однопроточных трубок, которые создают существенное общее проточное сечение теплообменника, что позволяет уменьшить скорость движения теплоносителя внутри теплообменника, вследствие чего более тяжелые частицы шлама оседают под действием силы тяжести во входном коллекторе, значительно снижая засорение трубок теплообменника, облегчая очистку теплообменника и увеличивая периоды между техническим обслуживанием.
Однако частичное перекрытие теплообменных трубок с образованием проходных каналов между теплообменными поверхностями соседних трубок приводит к тому, что на входе в такие проходные каналы со стороны горелки дымовые газы имеют значительную концентрацию и максимальную скорость движения, а на выходе из проходных каналов в окружной канал дымовые газы двигаются только вдоль той части теплообменной трубки, которая не перекрыта соседней трубкой, то есть подвергаются рассеиванию с уменьшением скорости их движения. Это приводит к тому, что максимально нагреваются только те части соседних теплообменных трубок, которые образуют проходные каналы для концентрированного и скоростного движения дымовых газов, то есть перекрывают друг друга. Части каждой теплообменной трубки, не перекрытые соседней трубкой, прогреваются в меньшей степени. В таком случае для равномерного нагрева всей поступающей в теплообменные трубки воды требуется либо более длительный промежуток времени, либо увеличение мощности котла.
Указанные недостатки свидетельствуют о недостаточной эффективности такой конструкции водогрейного котла.
Технической проблемой изобретения является создание конструкции одноходового водогрейного котла с повышенной эффективностью во всем допустимом диапазоне мощностей.
Техническим результатом изобретения является обеспечение равномерного прогрева воды в теплообменных трубках за счет повышения скорости дымовых газов на выходе из проходных каналов в окружной канал.
Технический результат достигается при использовании водогрейного котла, который содержит:
корпус, имеющий боковую стенку и два закрывающих элемента, которые жестко соединены с разными концами боковой стенки и формируют вместе с ней внутреннее пространство котла,
горелку, расположенную во внутреннем пространстве корпуса и соединенную с одним из закрывающих элементов,
теплообменник, расположенный во внутреннем пространстве корпуса между боковой стенкой корпуса и горелкой так, что он задает окружающую горелку камеру сгорания и экранирует боковую стенку корпуса котла от лучистого излучения горелки,
между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла сформирован окружной канал для прохождения дымовых газов, образовавшихся в камере сгорания,
закрывающие элементы корпуса выполнены так, что один из них образует входной коллектор для подвода подлежащего нагреву теплоносителя в котел, а другой - выходной коллектор для отвода нагретого теплоносителя из котла,
теплообменник образован отдельными проточными в одном направлении трубками, каждая из которых одним концом подключена к входному коллектору, а другим концом - к выходному коллектору,
каждая трубка теплообменника имеет продолговатое поперечное сечение, продолговатые стороны которого задают расположенные напротив друг друга теплообменные поверхности,
при этом
теплообменник выполнен в виде секторов, содержащих трубки, теплообменные поверхности которых преимущественно параллельны друг другу, каждая трубка сектора теплообменника с продолговатым поперечным сечением имеет концы, один из которых обращен к горелке, а другой - к боковой стенке корпуса котла,
причем теплообменные поверхности соседних трубок в секторе образуют непрерывный проходной канал для прохода дымовых газов из камеры сгорания в указанный окружной канал для дымовых газов, образованный между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла.
Соседние сектора с трубками теплообменника могут быть расположены под углом друг к другу. Главное здесь, чтобы одни концы всех теплообменных трубок были обращены к горелке, а противоположные концы - к боковой стенки корпуса котла.
Как и в случае с наиболее близким аналогом, выполнение одного торца корпуса котла в виде входного коллектора, а другого торца корпуса котла - в виде выходного коллектора в сочетании с проточными в одном направлении трубками теплообменника образует одноходовую систему котла. В этой одноходовой системе теплоноситель поступает с одной стороны котла, а выходит с другой стороны котла, причем внутри котла теплоноситель не изменяет направления своего движения и тем самым движется только в одном направлении (совершает один ход) от входного к выходному коллектору. Это не требует дополнительных элементов внутри котла и внутри теплообменника для изменения направления движения теплоносителя.
Выполнение трубок с продолговатым сечением позволяет без увеличения стоимости их изготовления и усложнения монтажа значительно увеличить общую теплообменную поверхность теплообменника.
Кроме того, выполнение теплообменника в виде множества секторов с трубками, имеющими параллельные друг другу теплообменные поверхности, обеспечивает максимальную площадь перекрытия соседних трубок. В свою очередь, это приводит к получению между соседними трубками длинных и преимущественно параллельных проходных каналов, на входе (со стороны камеры сгорания) и на выходе (со стороны окружного канала) которых дымовые газы имеют примерно одинаковую скорость. Таким образом, дымовые газы «успевают» передать энергию для нагрева как концу теплообменных трубок, обращенных к горелке, так и концу теплообменных трубок, обращенных к окружному каналу.
Расположение взаимно параллельных трубок виде секторов позволяет увеличить скорость движения дымовых газов на максимальной площади поверхности трубок теплообменника, что в свою очередь повышает эффективность котла на всем допустимом диапазоне мощностей.
При этом после прохождение концов теплообменных трубок, обращенных к окружному каналу, дымовые газы подвергаются рассеиванию, их скорость резко снижается и они претерпевают существенное охлаждение. В связи с этим, они не приводят к нагреву боковой стенки корпуса выше установленных нормативами температур и, тем самым, отпадает необходимость в специальном охлаждении или в обеспечении специальных изолирующих мероприятий для боковой стенки корпуса котла. Это существенно упрощает конструкцию котла и уменьшает его размеры и вес, а также сокращает тепловые потери.
Также указанное расположение трубок с взаимным полным перекрытием внутри каждого сектора теплообменника позволяет сохранить присущий уровню техники, но реализуемый со значительными затратами и усложнением конструкции эффект полного экранирования боковой стенки корпуса котла от лучевого излучения горелки.
В итоге, указанное выполнение трубок в сочетании с их указанным расположением позволяет в минимальном конструктивном пространстве конструктивно упрощенным образом реализовать увеличенную теплообменную поверхность при устранении потерь тепла и тем самым получить легкий, компактный, конструктивно простой, водогрейный котел с увеличенной тепловой мощностью и уменьшенными тепловыми потерями.
Здесь следует пояснить значение некоторых используемых в описании и далее в формуле изобретения терминов.
Под «продолговатым сечением» трубки понимается любое сечение, в котором величина сечения в одном направлении (главное направление) превышает величину сечения в перпендикулярном направлении.
Указанное главное направление, в котором сечение имеет наибольшую протяженность, задает главную геометрическую ось сечения. Причем поверхности трубки, параллельные главной геометрической оси сечения называются «теплообменные поверхности», а поверхности трубок, перпендикулярные главное геометрической оси и расположенные со стороны горелки и боковой стенки корпуса котла, называются соответственно «конец, обращенный к горелке» и «конец, обращенный к боковой стенке корпуса котла».
Указанные «теплообменные поверхности» рассматриваются как «расположенные напротив друг друга» поверхности в не зависимости от их конкретного выполнения (прямолинейного или криволинейного, идентичного или различного).
Под «окружным» каналом» для дымовых газов понимается его прохождение по всему периметру между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла, а не форма его поперечного сечения в виде геометрически правильной «окружности».
Под «сектором» понимается группа параллельных друг другу трубок теплообменника, расположенных напротив друг друга и имеющих максимальную поверхность перекрытия.
На фиг. 1 изображена конструкция заявляемого водогрейного котла (вид сбоку).
На фиг. 2 - конструкция заявляемого водогрейного котла (вид сверху).
На фиг. 1 изображен водогрейный котел, который имеет корпус, включающий окружную боковую стенку 1. В данном случае корпус имеет круглое поперечное сечение, однако возможны и другие формы поперечного сечения котла, которые известны специалистам.
На торцах, здесь на верхнем и нижнем торце, корпус замкнут посредством соединенных с боковой стенкой 1 замыкающих элементов 2 и 3. Теплообменник 4 здесь включает в себя теплообменные трубки 5 и трубные доски 6 и 7.
Замыкающие элементы (здесь вместе с трубными досками) образуют входной коллектор 8 и выходной коллектор 9.
Расположенный в нижней области котла входной коллектор 8 служит для подвода холодного теплоносителя в котел, для чего он имеет подводящий патрубок 10, который соединен с трубопроводом системы отопления (не показан). Выходной коллектор 9 служит для отвода нагретого/горячего теплоносителя из котла в систему отопления, для чего коллектор снабжен отводящим патрубком 11, соединенным с трубопроводом указанной системы (не показан).
Внутри корпуса котла расположена горелка 12, которая закреплена на горелочной двери 13, установленной на выходном коллекторе 9 и зафиксированной посредством фланца 14.
Для снабжения горелки 12 горючей смесью предусмотрен подвод (не показан) для горючей смеси, который проходит через выходной коллектор 9. Для воспламенения горючей смеси и контроля наличия пламени предусмотрен электрод 15.
Теплообменник 4, предусмотренный внутри корпуса котла, окружает горелку 12 и тем самым задает камеру сгорания 16.
Между теплообменником 4 и боковой стенкой 1 корпуса котла предусмотрен окружной канал 17 для дымовых газов.
Теплообменник 4 выполнен в виде множества секторов с отдельными параллельными друг другу трубками 5, которые соединены одним концом с входным коллектором 8, а другим - с выходным коллектором 9. Каждая трубка 5 выполнена с продолговатым поперечным сечением, что наглядно представлено на фиг. 2.
Продолговатое сечение выполнено, например, в виде прямоугольника с закругленными торцевыми гранями.
Расположенные напротив друг друга более протяженные стороны поперечного сечения и, соответственно, теплообменные поверхности каждой трубки выполнены преимущественно прямолинейно и идентично друг другу.
Каждая трубка 5 секторов теплообменника 4 имеет обращенный к горелке конец 18 и обращенный к боковой стенке корпуса котла конец 19.
Между теплообменными поверхностями соседних теплообменных трубок 5 образован проходной канал 20, который соединяет камеру сгорания 16 с окружным каналом 17 и служит для пропускания дымовых газов.
В представленном на фиг.1 варианте осуществления изобретения в нижней части котла предусмотрен дефлектор 21, который своей сплошной верхней стенкой 21 ограничивает снизу камеру сгорания 16. Дефлектор 21 имеет боковую окружную стенку 22, которая снабжена отверстиями для пропускания дымовых газов, которые в нижней части котла протекают из окружного канала 17 обратно через проходные каналы 20 между каждой парой соседних трубок 5 теплообменника к дефлектору 21.
Внутреннее пространство дефлектора 20 сообщается с дымоудаляющим выводом 23, предусмотренном во входном коллекторе 8. Через этот дымоудаляющий вывод 23 дымовые газы покидают котел.
В представленном на фиг. 1 водогрейном котле, при подаче горючей смеси на горелку и ее воспламенения, смесь горит на поверхности горелки в камере сгорания 16. Излучение (лучистое тепло) от горелки 12 передается от камеры сгорания 16 к трубкам 5. Возникающие в процессе горения дымовые газы проходят в проходные каналы 20 между трубками 5 теплообменника 4 и по этим каналам 20 перемещаются к окружному каналу 17. В ходе перемещения дымовых газов в проходных каналах 20 и в окружном канале 17 происходит конвективная передача тепла от них к трубкам 5 теплообменника 4. Дальнейшее движение дымовых газов по окружному каналу 17 и отчасти также по проходным каналам 20 происходит вниз в направлении дефлектора 21. По достижении области дефлектора 21, дымовые газы проходят из окружного канала 17 и проходных каналов 20 через отверстия в дефлекторе 21 во внутреннее пространство дефлектора 21. Из внутреннего пространства дефлектора 21 газы через дымоудаляющий вывод 23 выводятся за пределы котла.
Теплоноситель (вода) подается в нижний входной коллектор 8 и далее - в трубки 5 теплообменника 4. В трубках 5 теплоноситель течет вверх в противотоке с дымовыми газами в окружном канале 17 и перпендикулярно дымовым газам в проходных каналах 20 и вначале нагревается только конвективным теплом дымовых газов. Затем теплоноситель протекает через расположенную в камере сгорания 16 область трубок 5 и одновременно подвергается нагреву как конвективным теплом дымовых газов, так и за счет излучения горелки 12. Окончательно нагретый таким образом теплоноситель через выходной коллектор 9 покидает котел.
Хотя описанный вариант выполнения котла касается его вертикальной ориентации, для специалиста очевидно, что соответствующий изобретению котел в равной степени может быть использован и в горизонтальной ориентации без отхода от идеи изобретения, сформулированной в формуле изобретения.
Кроме того, дополнительно соответствующий изобретению котел может включать в себя различные усовершенствования.
В частности, трубки 5 теплообменника не обязательно расположены в один ряд, как представлено на фиг.2, а может быть предусмотрено несколько их рядов, что может очевидно увеличить степень теплообмена и может быть предпочтительно в случае котла с большой мощностью. Очевидно, что трубки 5 теплообменника не обязательно должны проходить строго перпендикулярно к коллекторам 8, 9, как показано на фиг. 1. Они также могут проходит под некоторым другим углом к коллекторам 8, 9, что может положительно сказаться на увеличении теплообменной площади трубок и/или на уменьшении размеров теплообменника, поскольку ввиду наклонного (т.е. не перпендикулярного) расположения трубок, расстояние между коллекторами может быть сокращено даже без снижения теплообменной площади трубок. В случае нескольких рядов трубок, трубки по меньшей мере одного ряда могут быть наклонены иначе, чем трубки другого/других ряда/рядов или же располагаться перпендикулярно коллекторам, в отличие от наклонного расположения трубок в другом/других ряду/рядах. Главной мыслью здесь остается выполнение теплообменника 4 в виде секторов, внутри которых трубки имеют параллельные друг другу теплообменные поверхности.
Возможны и другие усовершенствования изобретения, которые будут очевидны для специалиста исходя из приведенного выше описания соответствующего изобретению котла и тем самым будут использовать идею изобретения.