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 котел (авторское свидетельство СССР №1437631 от 25.05.86 г. (1)), имеющий теплообменные секции, которые размещены в топочной камере веерообразно и имеющие в поперечном сечении форму трапеций, образующих между собой газоходы переменного проходного сечения, уменьшающегося по ходу движения продуктов сгорания. Недостатком известного котла является большая металлоемкость и сложность изготовления. Кроме того, опыт эксплуатации подобных котлов показал, что такое расположение газоходов не обеспечивает равномерного и эффективного теплосъема теплообменными секциями.
Известен также многотопливный отопительный котел (свидетельство на полезную модель №8453 от 04.02.98 г. (2)), содержащий прямоугольный корпус, внутри которого размещены окруженные рубашкой топка с двумя автономными последовательно расположенными газоходами, площади проходных сечений которых по ходу газов уменьшаются от входных участков к выходным. Недостатком данного котла является сложность изготовления и низкая эффективность теплосъема.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому водогрейному котлу является водогрейный котел (патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г. (3)) 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 передней и задней водяных камер котла. Интенсивность смывания 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 более 60 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, в частности в передней и задней водяных камерах котла и в камере дополнительного канала (байпаса). Применение дополнительного канала (байпаса) с теплообменником также увеличивает металлоемкость (вес) котла, а также его габаритные размеры.
Опыт эксплуатации котлов подобной конструкции для индивидуального отопления показал, что при работе котла только в режиме отопления мощность развиваемая односекционной горелкой не превышает 20-30% ее номинальной мощности. При такой мощности снижается КПД котла и ухудшаются его эксплуатационные характеристики, в частности увеличивается концентрация вредных веществ в продуктах сгорания.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение эффективности теплообмена, снижение металлоемкости и трудоемкости изготовлении, а также улучшение эксплуатационных характеристик.
Поставленная цель достигается тем, что в водогрейном котле, содержащим теплообменник, герметичный корпус, в котором размещены топка с газовой горелкой, выполненный над ней конвективный газоход с дымовой коробкой, а также телескопический патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке и выброса продуктов сгорания соединенный одним концом с дымовой коробкой и выходящий за пределы здания, и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, конвективный газоход котла имеет четное количество вертикальных конвективных каналов трапецеидальной формы разделенных вертикальными стенками и расположенных внутри теплообменника заполненного жидким теплоносителем, высота которых равна высоте теплообменника и площадью сечения нижнего основания в 1,5-4,5 раза большей площади сечения верхнего основания конвективного канала и установленных над двухсекционным блоком газовых горелок, одна из секций которого работает постоянно, а другая имеет возможность включения в случае необходимости через отдельный запорный элемент, причем мощность постоянно работающей секции составляет 30-40% суммарной мощности двухсекционного блока горелок и телескопический газоход для выброса продуктов сгорания находится внутри телескопического патрубка для подачи воздуха и имеет на своей поверхности слой теплоизоляции, а в полости теплообменника между наружными стенками конвективных каналов установлен витой змеевик.
На фиг.1 изображен вид сбоку, предлагаемого водогрейного котла. В водогрейном котле имеется топка 1, размещенная внутри герметичного корпуса 4. Топка 1 в верхней ее части переходит в конвективные каналы 2 трапецеидальной формы разделенные вертикальными стенками на несколько газоходов. В нижней части топки 1 установлена двухсекционная газовая горелка 3, размещенная выше дна герметичного корпуса 4 котла и соединенная с системой автоматики 10. Над каждой секцией газовой горелки 3 устанавливается один или несколько (в зависимости от мощности котла) конвективных каналов 2. Поэтому общее количество конвективных каналов в водогрейном котле всегда четное число. Продукты сгорания через дымовую коробку 5 и телескопический газоход 6 выводятся за пределы жилого помещения (на фиг.1 стена помещения не показана). Телескопический газоход 6 имеет на своей поверхности слой теплоизоляции. Через патрубок 8 происходит подача воздуха к газовой горелке 3. Рассекатель 9 служит для равномерного распределения продуктов сгорания и защиты патрубка 8 (и соответственно топки 1) от задувания при порывах ветра. В верхней части котла находится теплообменник 12, заполненный теплоносителем (например, водой). Витой змеевик 11 контура горячего водоснабжения охватывает своими витками конвективные каналы 2 и установлен в полости теплообменника 12. Снаружи все элементы котла закрыты декоративным корпусом 7.
На фиг.2 приведен пример конкретного исполнения конвективного канала (вид сверху и вид сбоку), где 13 и 14 наружные стенки конвективного канала, 15 - стенки газоходов.
На фиг.3 показан двухсекционный блок газовых горелок, который содержит две одинаковые секции газовой горелки 3, систему автоматики 10 и запорный элемент 16, позволяющий в случае необходимости включать или выключать одну из секций блока газовых горелок 3.
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. При движении по конвективному каналу продукты сгорания отдают часть своего тепла теплоносителю, находящемуся в теплообменнике 12 и соответственно уменьшается их объем. Уменьшение объема влечет за собой уменьшение скорости течения горячих газов в верхней части конвективного канала. С уменьшением скорости течения уменьшается коэффициент теплопередачи, а следовательно и эффективность работы котла.
Так как конвективный канал выполнен трапецеидальной формы, то по высоте канала изменяется скорость теплоносителя, чем улучшается теплообмен. При такой конструкции канала имеется возможность плавно разогнать теплоноситель до скорости примерно в 3 раза выше, чем в цилиндрическом канале. В этом случае удается обеспечить отбор большей тепловой мощности с единицы поверхности теплового канала.
Отработанные продукты сгорания попадает в дымовую коробку 5 и при помощи телескопического газохода 6 удаляется за пределы жилого помещения. Наличие герметичного корпуса 4 надежно, изолирует объем жилого помещения от продуктов сгорания и забора воздуха на сжигание газообразного топлива. Одновременно при помощи патрубка 8 с улицы в топку 1 поступает воздух. Опыт эксплуатации водогрейных котлов подобной конструкции при морозах ниже - 30°С показал необходимость защиты телескопического газохода 6 от действия низких температур теплоизоляционным слоем, что повышает стабильность работы котла при низких температурах.
Температура нагрева воды в котле устанавливается перед запуском котла и отслеживается системой автоматики 10. Когда вода на выходе из котла нагревается до температуры, соответствующей заданному регулятором температуры воды значению, система автоматики 10 уменьшает подачу газа на горелки 3. После охлаждения воды в отопительной системе на определенную величину, подача газа к горелке 3 автоматически восстанавливается.
Если во время работы котла из водопровода в змеевик 11 горячего водоснабжения по имеющемуся в квартире трубопроводу подается холодная вода, то нагретый в теплообменнике 12 теплоноситель нагревает змеевик 11 и из него будет поступать горячая вода потребителю на хозяйственные нужды.
Эксплуатация водогрейных котлов для поквартирного отопления и горячего водоснабжения, в режиме отопления показала, что котлы с одной газовой горелкой не обеспечивают регулирования мощности котла в требуемом диапазоне, так как требуемая мощность, необходимая для отопления составляет 20-30% номинальной мощности котла. В этом случае в водогрейном котле предлагаемой конструкции запорный элемент 16 закрыт и диапазон регулирования мощности котла определяется мощностью одной (постоянно работающей) секции котла. В режиме горячего водоснабжения, когда мощность котла должна быть максимальна (80-100% номинальной мощности) запорный элемент 16 - открыт и диапазон регулирования мощности котла определяется суммарной мощностью газовых горелок. Только наличие двухсекционного блока газовых горелок, позволяет регулировать мощность котла в заданном диапазоне мощностей, при этом мощность постоянно работающей секции составляет 30-40% суммарной мощности двухсекционного блока газовых горелок.
Подобная конструкция водогрейного котла позволяет уменьшить его металлоемкость и трудоемкость изготовления за счет упрощения конструкции теплообменника, повысить его надежность за счет уменьшения количества сварных соединений, увеличить эффективность теплообмена за счет оптимизации скорости течения продуктов сгорания и улучшить эксплуатационные характеристики, за счет применения двухсекционной газовой горелки.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1437631 от 25.05.86 г.
2. Свидетельство на полезную модель №8453 от 04.02.98 г.
3. Патент на полезную модель №30946 от 04.02.2003 г.