ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к тепловой технике и может быть использована для обогрева жилых и производственных помещений, иных зданий площадью до 1500 м2.
Известны отопительные котлы, в которых для увеличения площади конвективного теплообмена в полости котла устанавливают препятствия на пути потока газообразных продуктов сгорания топлива, о них сказано ниже.
Известен отопительный котел, содержащий корпус, передние, задние и боковые стенки которого образуют с установленными в нем топочным устройством, секционным теплообменником, подключенным к раздающему и собирающему коллекторам, емкостью с водой для бытовых нужд соединяющиеся на выходе из корпуса газоходы, обеспечивающие возможность лабиринтного движения топочных газов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит, по меньшей мере, три горизонтально расположенные в корпусе перегородки, две из которых установлены с возможностью перекрытия прохода топочным газом к передней и боковым стенкам корпуса, а третья, расположенная между ними, - с возможностью перекрытия прохода топочным газам к задней и боковым стенкам, выход из корпуса, соединяющий газоходы, размещен в его верхней части, а количество газоходов в нем составляет по меньшей мере три. Котел дополнительно содержит по меньшей мере один ТЭН, расположенный в теплообменнике, (патент РФ №2109223).
Недостатками такого котла являются недостаточное использование тепла уходящих газов и как следствие высокая температура уходящих дымовых газов на выходе из котла; недостаточная оборачиваемость дымовых газов и недостаточная турбулизация газового потока, а также значительный унос твердых частиц с дымовыми газами, кроме этого, по сравнению с габаритами котла площадь поверхности нагрева котла небольшая. Таким образом, недостаточно эффективно используется теплота продуктов сгорания топлива и поэтому коэффициент полезного действия котла невысокий.
2
Известен отопительный котел, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства, с введенными во внутренний объем котла плоскими полыми теплообменными элементами, установленными горизонтально на разновысотных уровнях, образующими с полостью водяной рубашки замкнутый контур теплоносительной среды, а также образующим в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал, при этом во внутреннюю полость котла введено n=N/10+1 упомянутых плоских полых теплообменных элементов, а в обрамляющую рубашку k люков, соответствующих количеству установленных поперечных теплообменных элементов, причем теплообменные элементы выполнены продольными и поперечными и установлены симметрично оси поперечного внутреннего сечения котла, и каждый последующий развернут относительно предыдущего на угол 90°, а их торцевые стороны соединены с противоположными сторонами обрамляющей рубашки и образуют замкнутый контур циркуляции теплоносительной среды, при этом между боковыми поверхностями теплообменных элементов с двух сторон и внутренней поверхностью обрамляющей рубашки выполнены отверстия с поперечным сечением S=0,9-1,1(35+1,5N) см для прохода газообразных продуктов сгорания топлива, а люки с крышками и тепловыми отражателями установлены против поперечных теплообменных элементов, где N - мощность котла, кВт, n - количество плоских полых теплообменных элементов, принимается округленным целым числом; k - количество люков, равное количеству поперечных теплообменных элементов (патент РФ №2232948).
Недостатками такого котла является то, что он достаточно сложен конструктивно и работает только на газовоздушной смеси, что не всегда может быть удобным для пользователей. Кроме этого, практически отсутствует оборачиваемость дымовых газов, почти прямой восходящий поток уходящих газов и их высокая температура на выходе, а также в зоне горения топлива, где самая высокая температура, нет теплообменных элементов, используется только конвективное тепло газовоздушной смеси.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является отопительный котел (патент РФ №2122688), содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоходное пространство, снабженный полыми перегородками в количестве 2-4, установленными горизонтально и диаметрально противоположно на разновысотных уровнях с перекрытием друг друга в газоходе и сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходном пространстве лабиринтный газовый канал. В данной конструкции котла встроенные теплообменные элементы позволяют увеличить теплообменную поверхность нагрева котла, емкость котла, что способствует увеличению эффективности его работы.
Однако, простое увеличение количества горизонтальных теплообменных элементов более двух приводит к незначительной турбулизации потока газообразных продуктов сгорания топлива и незначительному приросту КПД, который экономически и технически оказывается не рациональным, а также способствует снижению температуры отходящих газов, что приводит к образованию конденсата и ухудшению условий удаления сажи с горизонтальных поверхностей теплообменных элементов. Кроме того, небольшая топочная камера для сжигания твердого топлива, маленькие дверцы для прочистки создают неудобство в эксплуатации котла.
Задачей настоящей полезной модели является повышение эффективности работы котла за счет интенсификации теплопередачи в отопительном котле, предназначенном для обогрева индивидуальных домов, иных зданий площадью до 1500 м2, приготовления горячей воды для хозяйственных нужд, а также удобство в обслуживании котла и уменьшение расхода топлива.
Сущность полезной модели заключается в том, что в отопительном котле для обогрева жилых и производственных помещений, содержащем корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства, и перегородки установленные в газоходном пространстве, в виде полых плоских теплообменных элементов сообщенных с полостью рубашки и расположенных противоположно друг другу на разновысотных уровнях с перекрытием друг друга в газоходе с образованием лабиринтного газового канала, согласно полезной модели, в верхней части котла установлен конвективный пучок труб, а в нижней части котла установлены колосники выполненные из жаростойких труб, которые составляют единый контур с водяной рубашкой, при этом котел содержит три теплообменных элемента, из которых верхний и нижний теплообменный элементы установлены на задней стенке корпуса перпендикулярно к ее поверхности, а средний теплообменный элемент установлен на передней стенке корпуса между ними и с отклонением на 15 градусов вниз, по отношению к горизонтальной оси котла, при этом задняя стенка котла выполнена с наклонном внутрь котла, с отклонением от вертикальной оси котла 15 градусов.
Теплообменные элементы отопительного котла, выполнены по ширине равноразмерными с сопряженной внутренней стороной котла
Конвективный пучок труб расположен в верхней части котла.
На передней стенке котла расположены лючки для прочистки котла. Общими существенными признаками с прототипом являются:
- корпуса котла выполнен в виде водяной рубашки, обрамляющей топочное и газоходное пространства,
- в газоходном пространстве установлены перегородки, в виде полых плоских теплообменных элементов сообщенных с полостью рубашки;
- перегородки, в виде полых плоских теплообменных элементов расположены противоположно друг другу на разновысотных уровнях с перекрытием друг друга в газоходе с образованием лабиринтного газового канала.
Существенными признаками, отличающими полезную модель от прототипа являются следующие:
- в верхней части котла установлен конвективный пучок труб;
- в нижней части котла установлены колосники выполненные из жаростойких труб, которые составляют единый контур с водяной рубашкой;
- котел содержит три теплообменных элемента, из которых
* верхний и нижний теплообменный элементы установлены на задней стенке корпуса перпендикулярно к ее поверхности,
* средний теплообменный элемент установлен на передней стенке корпуса между ними и с отклонением на 15 градусов вниз, по отношению к горизонтальной оси котла,
* задняя стенка котла выполнена с наклонном внутрь котла, с отклонением от вертикальной оси котла 15 градусов.
Заявляемая полезная модель является промышленно применимой и может использоваться в промышленном производстве отопительных котлов для обогрева жилых и производственных помещений.
Основываясь на результатах проведенного патентного поиска, заявитель полагает, что заявляемая полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна», поскольку из уровня техники не известен отопительный котел, которому присущи все существенные признаки заявляемой полезной модели.
Котел всегда выполняется только с тремя теплообменными элементами, а на мощность котла влияют его размеры.
Введение конвективного пучка труб в полость котла позволяет увеличить теплообменную поверхность нагрева между теплоносительной средой и дымовыми газами, а также наиболее полно использовать тепло уходящих газов и снизить их температуру на выходе из котла.
Введение колосников в водяную рубашку позволяет усилить нагрев теплоносителя и сократить время нагрева теплоносительной среды в котле за счет того, что колосники находятся в зоне горения топлива. Происходит увеличение скорости циркуляции теплоносителя, как внутри самого котла, так и в системе отопления, в которой нагревательные приборы прогреваются очень быстро с момента начала работы котла.
Наклонное расположение задней стенки котла под углом в 15 градусов позволяет наиболее максимально использовать температуру горения топлива в зоне горения, и тепло уходящих газов. Задняя стенка котла, расположенная под углом в 15 градусов «зажимает» пламя в местах расположения теплообменных элементов и создается высокотемпературная зона.
Взаимное расположение теплообменных элементов позволяет удлинить газоходный тракт, обеспечить лабиринтное движение дымовых газов, создать турбулентность газовых потоков, обеспечить равномерный нагрев теплоносителя в теплообменных элементах.
Таким образом, введение новая конструкция отопительного котла, позволяет интенсифицировать процесс теплопередачи.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображено продольное сечение котла. Позиции на чертеже обозначают:
1 - топочная камера;
2 - топочная дверца;
3 - восходящий поток топочных газов;
4 - теплообменные элементы;
5 - водяная рубашка;
6 - дымоход;
7 - колосники;
8 - входной патрубок теплоносителя;
9 - конвективный пучок труб;
10 - выходной патрубок теплоносителя;
11 - поддувало;
12 - лючки для прочистки котла;
13 - передняя стенка котла;
14 - задняя стенка котла.
Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи в отопительный котел введены следующие элементы: над поддувалом 11 встроены колосники 7, выполненные из жаростойких труб, образующие с водяной рубашкой 5 замкнутый циркуляционный контур теплоносителя, полые плоские теплообменные элементы 4 заполненные теплоносителем, один из которых расположен под углом 15 градусов к передней стенке котла 13, два других перпендикулярно к задней стенке котла 14, которая наклонена под углом 15 градусов по отношению к вертикальной оси котла; конвективный пучок труб, который представляет собой единый контур теплоносительной среды 5.
Расположение теплообменных элементов и введение конвективного пучка труб позволяет наиболее эффективно использовать тепло уходящих газов за счет того, что удлиняется путь их прохождения, их охлаждение за счет омывания большей поверхности теплопередачи и увеличения турбулентности восходящих потоков дымовых газов.
Введение в конструкцию котла колосников из жаростойких труб, которые образуют с водяной рубашкой котла единый контур теплоносителя, обеспечивает улучшение условий циркуляции теплоносителя за счет равномерного его распределения, быстрой скорости нагрева, и одновременно являются дополнительной поверхностью нагрева.
Отопительный котел работает следующим образом: теплоноситель подается через входной патрубок 8 в полость водяной рубашки 5. В топочном пространстве 1, где находятся колосники 7 происходит сжигание топлива. Теплота, полученная от сгорания топлива нагревает колосники, которые находятся в зоне горения топлива, далее, двигаясь в лабиринтном газоходном пространстве, продукты сгорания топлива 3, «омывают» теплообменные элементы 4, внутреннюю стенку котла и конвективный пучок 9, контактируют с теплообменными поверхностями 4, 9, нагревая теплоносительную среду, передают им основную долю тепловой энергии и уходят в дымоход 6. Наиболее эффективно теплопередача происходит в теплообменных элементах 4 передней 13 и задней 14 стенок котла, в колосниках 7, конвективном пучке 9, а также в водяной рубашке котла, за счет наклонного расположения задней стенки котла 14. Заключенный в них теплоноситель подвергается интенсивному нагреву и быстрому тепловому расширению за счет малого его объема, в результате чего создается направленный поток движения теплоносителя, увеличение скорости его циркуляции в отопительной системе путем повышения разности давлений на входе 8 и выходе 10 из котла. При необходимости котел подвергается очистке от сажи без остановки котла через лючки 12 расположенные на передней стенке.
Технический результат полезной модели состоит в повышении эффективности работы отопительного котла за счет интенсификации теплообмена от восходящего потока продуктов сгорания. Новое расположение теплообменных элементов в котле позволяет повысить эффективность и интенсивность теплообмена от восходящего потока продуктов сгорания топлива к теплоносительной среде и увеличение скорости ее циркуляции в отопительной системе путем повышения разности давлений на входе и выходе из котла. Использование промышленного образца заявляемой конструкции позволяет сократить расход топлива и уменьшить загрязнение окружающей среды.
Увеличение эффективности работы отопительного котла доказано в условиях эксперимента, опытным путем в течение трех отопительных сезонов на предприятиях Дальневосточного региона..
При прохождении отопительного сезона на предприятиях «Славянское АТП», «Хорольское АТП», ЗАО «Фадеевское» и База ООО ПКФ «Амур», где проводились экспериментальные испытания котла, проведен анализ расхода топлива за весь зимний период. Расход топлива при использовании заявляемого промышленного образца уменьшился от 41,5% до 50%. Котел прост и удобен в обслуживании.
В таблице представлены результаты по отопительному периоду (с октября по апрель) 2010 года
Предприятие
Расход топлива до установки отопительного котла, т
Расход топлива после установки отопительного котла,
Экономия расхода топлива, т
т
%
Славянское АТП
220
120
54
100
Хорольское АТП
400
166
41,5
250
База ОПКФ «Амур»
120
50
41,7
70
ЗАО «Фадеевское»
60
30
50,0
30