Водонагревательное устройство и способ его работы
HOT-WATER DEVICE AND METHOD OF ITS OPERATION

Изобретение относится к области энергетики, а именно к устройствам для подогрева воды, и может быть использовано в аппаратах с погружным горением при нагреве воды.
Для теплоснабжения с использованием воды могут быть использованы широко применяемые в химической промышленности аппараты погружного горения, которые вместе с системами подачи воздуха и газа образуют установки погружного горения. Важным элементом такой установки является водонагревательное устройство, в котором осуществляется барботаж (пропускание через жидкость) продуктов горения, поступающих из горелок камер сгорания, выход которых погружен в жидкость на определенную глубину. Таким образом осуществляется прямой контакт продуктов сгорания с водой без применения теплообменников.
Известно водонагревательное устройство, содержащее бак с днищем и крышкой, по крайней мере одну вертикальную камеру сгорания, установленную в баке с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, газовые горелки камеры сгорания, патрубки подвода и отвода воды, расположенные соответственно в верхней и нижней части бака, заполненного водой и сообщенного с атмосферой при помощи выполненного в крышке отверстия, предназначенного для удаления продуктов сгорания, источники горючего газа и воздуха, сообщенные с горелками при помощи соответствующих магистралей (RU 22815, 2002 г.).
Из того же источника известен способ работы водонагревательного устройства, заключающийся в том, что нагревают воду путем пропускания продуктов сгорания от сжигания горючего газа и отводят продукты сгорания в атмосферу.
В известном техническом решении охлаждение продуктов сгорания осуществляется водой, которая подается для нагрева, т.е. температура продуктов сгорания определяется температурой нагретой воды. Известное техническое решение представляет собой контактный водонагреватель, в котором нагрев воды осуществляется за счет сжигания топлива в топочной камере с дутьевым вентилятором, а удаление продуктов сгорания осуществляется через последовательно расположенные в крышке бака контактную насадку и теплообменник. При прохождении через контактную насадку продукты сгорания охлаждаются за счет организации противотока воды, подаваемой в бак для нагрева и дополнительно охлаждаются при прохождении через теплообменник, в который подается наружный воздух. Недостатком известного технического решения является сложность конструкции и недостаточная эффективность охлаждения продуктов сгорания.
Известно водонагревательное устройство, содержащее бак с днищем и крышкой, по крайней мере одну вертикальную камеру сгорания, установленную в баке с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, газовые горелки камеры сгорания, патрубки подвода и отвода воды, расположенные соответственно в верхней и нижней части бака, заполненного водой до уровня выше нижнего обреза камеры сгорания и сообщенного с атмосферой при помощи выполненного в крышке отверстия, предназначенного для удаления продуктов сгорания (SU 325974, 1972 г.).
Из того же источника известен способ работы водонагревательного устройства, заключающийся в том, что нагревают воду путем пропускания продуктов сгорания от сжигания горючего газа и отводят продукты сгорания в атмосферу.
В известном техническом решении охлаждение отводимых продуктов сгорания осуществляется при прохождении горячих газов через поток нагреваемой воды и дополнительный поток воды, подаваемой противотоком основному потоку при помощи подпорной решетки. В результате происходит смешивание потоков, что не позволяет существенно снизить температуру продуктов сгорания.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является водонагревательное устройство, содержащее бак с днищем и крышкой, по крайней мере одну вертикальную камеру сгорания, установленную в баке с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, газовые горелки камеры сгорания, патрубки подвода и отвода воды, расположенные соответственно в верхней и нижней части бака, заполненного водой до уровня выше нижнего обреза камеры сгорания и сообщенного с атмосферой при помощи выполненного в крышке отверстия, предназначенного для удаления продуктов сгорания, источники горючего газа и воздуха, сообщенные с горелками при помощи соответствующих магистралей, включающих трубопроводы с установленной на них арматурой (RU 2469244, 2012 г.).
Из того же источника известен способ работы водонагревательного устройства, заключающийся в том, что нагревают воду путем пропускания продуктов сгорания от сжигания горючего газа, охлаждают продукты сгорания путем разбрызгивания части воды и отводят их в атмосферу.
В известном техническом решении охлаждение продуктов сгорания осуществляется водой, которая подается для нагрева и одновременно используется для охлаждения стенок камеры сгорания, т.е. охлаждение продуктов сгорания осуществляется в объеме, определяемом высотой камеры сгорания, причем температура продуктов сгорания определяется температурой нагретой воды.
Таким образом общим существенным недостатком указанных выше известных технических решений является недостаточный уровень снижения неблагоприятного воздействия на окружающую среду низкопотенциального тепла продуктов сгорания газа.
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в улучшении экологических показателей путем снижения неблагоприятного воздействия на окружающую среду низкопотенциального тепла продуктов сгорания газа.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в охлаждении продуктов сгорания газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды за счет использования хладоресурса сжиженного газа.
Заявленный технический результат в части водонагревательного устройства достигается за счет того, что водонагревательное устройство содержит бак с днищем и крышкой, по крайней мере одну вертикальную камеру сгорания, установленную в баке с зазором между нижним обрезом камеры и днищем бака, газовые горелки камеры сгорания, патрубки подвода и отвода воды, расположенные соответственно в верхней и нижней части бака, заполненного водой до уровня выше нижнего обреза камеры сгорания и сообщенного с атмосферой при помощи выполненного в крышке отверстия, предназначенного для удаления продуктов сгорания, источники горючего газа и воздуха, сообщенные с горелками при помощи соответствующих магистралей, включающих трубопроводы с установленной на них арматурой. Новым в заявленном устройстве является то, что устройство снабжено охладителем продуктов сгорания, выполненным в виде распылителя, установленного в отверстии крышки, и дополнительным охладителем воды, выполненным в виде водяной полости газового редуктора, вход которой сообщен с патрубком подвода воды, а выход - с входом распылителя, а источник горючего газа выполнен в виде емкости со сжиженным газом.
Заявленный технический результат в части способа работы водонагревательного устройства достигается за счет того, что нагревают воду путем пропускания продуктов сгорания от сжигания горючего газа, охлаждают продукты сгорания путем разбрызгивания части воды и отводят их в атмосферу, причем в качестве горючего газа используют сжиженный газ, часть нагретой воды охлаждают за счет использования хладоресурса сжиженного газа и дополнительно разбрызгивают охлажденную воду.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата в части устройства, так как:
- снабжение устройства охладителем продуктов сгорания, выполненным в виде распылителя, установленного в отверстии крышки, обеспечивает охлаждение продуктов сгорания газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды за счет организации противотока воды, охлажденной с использованием хладоресурса сжиженного газа;
- снабжение устройства дополнительным охладителем воды, выполненным в виде водяной полости газового редуктора, вход которой сообщен с патрубком подвода воды, а выход - с входом распылителя, и выполнение источника горючего газа в виде емкости со сжиженным газом обеспечивают охлаждение продуктов сгорания газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды за счет использования хладоресурса сжиженного газа.
Существенные признаки способа работы водонагревательного устройства обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как использование в качестве горючего газа сжиженного газа, охлаждение части нагретой воды за счет использования хладоресурса сжиженного газа и дополнительное разбрызгивание охлажденной воды обеспечивают охлаждение продуктов сгорания газа до температуры, близкой к температуре окружающей среды.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием водонагревательного устройства и способа его работы со ссылкой на иллюстрацию, где на фигуре изображена схема водонагревательного устройства для осуществления предлагаемого способа.
На фигуре приняты следующие обозначения:
1 - бак;
2 - днище бака;
3 - крышка бака;
4 - боковая кольцевая полость;
5 - центральная полость;
6 - разбрызгивающие отверстия;
7 - камера сгорания;
8 - газовые горелки;
9 - патрубок подвода воды;
10 - патрубок отвода воды;
11 - вода;
12 - отверстие в крышке;
13 - емкость со сжиженным газом;
14 - трубопровод газовой магистрали;
15 - трубопровод воздушной магистрали;
16 - газовый редуктор;
17 - кран газовой магистрали;
18 - газовый коллектор;
19 - кран воздушной магистрали;
20 - воздушный коллектор;
21 - распылитель воды;
22 - водяная полость газового редуктора;
23 - трубопровод водяной полости газового редуктора;
24 - кран трубопровода водяной полости;
25 - трубопровод распылителя воды.
Водонагревательное устройство содержит бак 1 с днищем 2 и крышкой 3. В баке 1 сформированы соответственно боковая кольцевая и центральная полости 4, 5 с разбрызгивающими отверстиями 6, и вертикальная кольцевая камера сгорания 7 с газовыми горелками 8, причем между нижним обрезом камеры 7 и днищем 2 имеется зазор. В верхней и нижней части бака 1 расположены соответственно патрубок 9 подвода и патрубок 10 отвода воды 11, причем патрубок 9 подвода воды 11 сообщен с боковой и центральной полостями 4 и 5. Часть бака 1, заполненная водой 11 до уровня выше нижнего обреза камеры сгорания 7, представляет собой зону нагрева воды. Бак 1 сообщен с атмосферой при помощи отверстия 12, предназначенного для удаления продуктов сгорания и выполненного в крышке 3. Источник горючего газа, выполненный в виде емкости 13, заполненной сжиженным газом, и источник (на чертеже не показан) воздуха при помощи газовой и воздушной магистралей сообщены с горелками 8. Магистрали включают соответственно газовый и воздушный трубопроводы 14 и 15 с установленной на них соответствующей арматурой: газовым редуктором 16, краном 17 и коллектором 18 газовой магистрали, а также краном 19 и коллектором 20 воздушной магистрали. Устройство снабжено охладителем продуктов сгорания, выполненным в виде распылителя 21, установленного в отверстии 12 крышки 3 и дополнительным охладителем воды 11, выполненным в виде водяной полости 22 газового редуктора 16, вход которой при помощи трубопровода 23 с соответствующим краном 24 сообщен с патрубком 9 подвода воды 11, а выход при помощи трубопровода 25 - с входом распылителя 21.
Способ работы водонагревательного устройства осуществляется следующим образом.
При выходе из камеры 7 продукты сгорания газовоздушной смеси пропускаются через толщу воды 11, в результате процесса теплообмена осуществляется нагрев воды 11 до требуемой температуры при непрерывной циркуляции в объеме бака 1 через патрубки 9 и 10. Продукты сгорания охлаждают путем разбрызгивания части воды 11, подаваемой разбрызгивающими отверстиями 6 полостей 4 и 5, и через отверстие 12 в крышке 3 бака 1 отводятся в атмосферу. При этом температура продуктов сгорания определяется температурой воды 11, циркулирующей в объеме бака 1, которая при использовании в целях теплоснабжения может быть достаточно высокой. Для дополнительного снижения температуры продуктов сгорания используют в качестве горючего газа сжиженный газ (например, пропан-бутановую смесь). Часть циркулирующей в объеме бака 1 воды 11 по трубопроводу 23 через кран 24 подается в водяную полость 22 газового редуктора 16. При открытии газового редуктора 16 начинается истечение сжиженного газа из емкости 13. При этом происходит снижение статического давления и температуры в газовом редукторе 16, сжиженный газ газифицируется и при полном открытии проходного сечения газового редуктора 16 наступает критический режим истечения с достижением предельного расхода газа с осаждением инея на поверхности газового редуктора 16. Для повышения расхода газа необходимо нагреть редуктор 16, чтобы повысить скорость звука в его критическом сечении.
В процессе работы водонагревательного устройства часть воды 11 в водяной полости 22 газового редуктора 16 охлаждают за счет хладоресурса сжиженного газа из емкости 13, а затем по трубопроводу 25 направляют в распылитель 21 и через него дополнительно разбрызгивают охлажденную воду 11 в бак 1. При этом продукты сгорания проходят в противотоке через разбрызгиваемую распылителем 21 охлажденную воду 11, в результате чего их температура дополнительно снижается (на 5-8°C).
Запуск устройства осуществляют следующим образом. В газовые горелки 8 по трубопроводу 15 воздушной магистрали через кран 19 и воздушный коллектор 20 подается воздух, а из емкости 13 со сжиженным газом по трубопроводу 14 газовой магистрали через газовый редуктор 16, кран 17 и газовый коллектор 18 подается горючий газ. В горелках 8 горючий газ и воздух гомогенно перемешиваются и поджигаются воспламенителем (на чертеже не показан). После этого через патрубок 9 заполняются водой 11 боковая и центральная полости 4 и 5, а через разбрызгивающие отверстия 6 последних заполняется полость бака 1 до уровня выше нижнего обреза камеры сгорания 7. Из бака 1 вода 11 отводится через патрубок 10, при этом обеспечивается объем потока, соответствующий расчетному уровню воды 11 относительно нижнего обреза камеры сгорания 7 и выходного среза газовых горелок 8, необходимому для запуска и работы устройства.
Предлагаемое техническое решение будет востребовано при индивидуальном эффективном обеспечении теплом различных потребителей взамен централизованного теплоснабжения, особенно в сельской местности, в регионах опережающего развития (Крым, Дальний Восток, Арктика). Демонстратор водонагревательного устройства мощностью 50 кВт при его работе на природном газе подтвердил к.п.д. на уровне 97%, что обусловлено низкой температурой продуктов сгорания (ниже 370 К).
Техническое решение обеспечивает улучшение экологических показателей путем снижения неблагоприятного воздействия на окружающую среду низкопотенциального тепла продуктов сгорания за счет использования хладоресурса сжиженного газа для охлаждения продуктов сгорания до температуры, близкой к температуре окружающей среды.