НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ

НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ
Полезная модель относится к конструкции проточных модульных нагревателей жидкости, преимущественно воды для отопления или горячего водоснабжения жилых и общественных зданий или для технологических нужд предпочтительно малых предприятий пищевой промышленности.
Потребность в таких нагревателях по мере развития индивидуального жилищного строительства и приближения предприятий пищевой промышленности к источникам сырья становится всё более массовой. Однако одновременно растут цены на энергоносители, ухудшается качество исходной воды и, нередко, существует дефицит воды для нужд водоснабжения.
Поэтому к нагревателям предъявляют комплекс требований, к важнейшим из которых относятся: как можно более высокий термический к.п.д.; простота конструкции и, соответственно, надёжность, технологичность в изготовлении и удобство обслуживания; нетребовательность к качеству исходной жидкости (воды); возможность включения в водный поток конденсата, полученного из продуктов сгорания топлива; и возможность регулирования теплопроизводительности в широком диапазоне в зависимости от количества подключаемых потребителей, сезона года и суточных колебаний потребности в горячем теплоносителе (горячей воде).
Раздельное выполнение указанных требований или сочетаний некоторых из них не представляет существенных затруднений.
Действительно, для повышения термического к.п.д. теплообмен между продуктами сгорания и нагреваемой жидкостью должен быть организован так, чтобы температура отходящих газов на выхлопе была как можно ближе к температуре подаваемой на нагрев жидкости, например, оборотной воды на выходе из системы отопления.
Для достижения этого эффекта немало сделано даже при конструировании нагревателей жидкости на основе поверхностных теплообменников. Примером может служить вертикальный водогрейный котёл по патенту RU 2032128 (МПК F24H 1/28, приоритет 20.03.90). Он имеет теплоизолированный корпус, нижняя часть которого служит испарительной камерой для жидМПКб F 24 Н 1/00 F24H 1/10
кого топлива, которая оборудована испарительной горелкой, по меньшей мере одну сообщающуюся с испарительной камерой и открытую в атмосферу жаровую трубу, внутри которой размещён винтовой удлинитель пути потока газов, и окружающий жаровую трубу теплоизолированный проточный бак.
Сложность изготовления винтового удлинителя и интенсивная тепловая нагрузка на его начальные витки существенно снижают технологичность и надёжность описанного нагревателя даже при использовании жаростойких материалов. Его производительность при колебаниях нагрузки в системе отопления трудно регулировать, ибо во избежание прогара жаровой трубы в проточном баке на всём протяжении постоянно должна быть жидкость. И, наконец, для питания нагревателя нужна высокоочищенная вода.
Более совершенны нагреватели с контактными теплообменниками, в которых организован противоток газов и нагреваемой жидкости в виде плёнок и/или капель, ибо при этом может быть достигнута конденсация паров воды в продуктах сгорания, сопровождаемая, во-первых, утилизацией скрытой теплоты парообразования и, во-вторых, таким накоплением воды в системе, которое способно хотя бы частично компенсировать её безвозвратное потребление при горячем водоснабжении.
Нагреватели такого типа обычно имеют топку с жидкостной (водяной) рубашкой для резкого понижения температуры продуктов сгорания во избежание взрывного парообразования при контакте факела с плёнками и/или каплями жидкости и, обычно двухярусный, контактный теплообменник.
Примером может служить вертикальный нагреватель жидкости по патенту RU 2004888 (МПК F24H 1/10, приоритет 17.12.90), у которого топка охвачена жидкостной (водяной) рубашкой, а размещённый над нею весьма сложный по конструкции контактный теплообменник имеет два разделённых перфорированной пластиной и последовательно установленных с зазором теплообменных яруса с насыпной насадкой. Раздаточный коллектор для питающей жидкости расположен непосредственно перед выхлопным трактом над насадкой верхнего яруса, насадка в нижнем ярусе разделена на концентричные слои перфорированными кольцевыми перегородками, а нижний ярус уложен на опорную решётку и подключён к топке подводящим газоходом.
Насыпная насадка в таком нагревателе чувствительна к чистоте питающей жидкости из-за кольцевых перегородок в нижнем ярусе плохо поддаётся очистке от шлама. Прямой контакт отходящих газов со струями жидкости приводит к уносу её части из раздаточного коллектора в выхлопной тракт. И, наконец, для регулирования производительности нагревателя в зависимости от колебаний потребления необходимо иметь внешнюю промежуточную ёмкость для горячей жидкости с соответствующей трубопроводной обвязкой.
По технической сущности к предлагаемому наиболее близок нагреватель жидкости ФНКВ-1 на основе изобретения по а.с. СССР 101921.
Он имеет круглый в поперечном сечении полый корпус с патрубком в верхней части для отбора нагретой жидкости на потребление; топку, встроенную в корпус, оборудованную наклонно установленной горелкой, покрытую в донной части слоем огнеупорного материала и образующую вместе с корпусом проточный кожухотрубчатый теплообменник; прямой вертикальный газоход с надтопочным диском и смонтированный на корпусе над топкой также круглый в поперечном сечении двухярусный контактный теплообменник с каплеотделителем. Первый по ходу газов ярус контактного теплообменника заполнен металлической стружкой, а его второй ярус и каплеотделитель имеют насыпную насадку из керамических колец Рашига. Между вторым ярусом контактного теплообменника и каплеотделителем установлен раздаточный коллектор для орошения насадки подаваемой на нагрев жидкостью .
Такой нагреватель практически исключает унос питающей жидкости и существенно менее чувствителен и к её чистоте, ибо образующийся при нагреве шлам, например в виде дисперсного осадка солей жёсткости (в воде) и/или коагулированных частиц механических примесей (в воде и других жидкостях), довольно легко смывается с насадки контактного теплообменника в полость кожухотрубчатого теплообменника и может быть удалён оттуда при периодической ревизии его придонной части.
Однако известный нагреватель недостаточно надёжен в эксплуатации. Действительно, размещение топки внутри заполненного жидкостью корпуса, в котором даже при непрерывном верхнем отборе нагретой жидкости имеются застойные зоны, создаёт опасность серьёзных аварий при прогаре стенки
топки, о чём свидетельствует использование в её конструкции взрывного клапана. Вероятность таких аварий усиливается тем, что факел наклонно установленной горелки омывает внутреннюю стенку топки неравномерно. Далее, вертикальная компоновка и круглое поперечное сечение корпуса и контактного теплообменника затрудняют использование описанного нагревателя как модульного компонента системы из по меньшей мере двух нагревателей. И, наконец, насыпная насадка (особенно - в виде металлической стружки в нижнем ярусе) нетехнологична при поточном изготовлении нагревателей и не обеспечивает стабильность гидросопротивления контактных теплообменников разных нагревателей и (из-за отложения шлама) даже одного и того же нагревателя в процессе эксплуатации.
Поэтому в основу полезной модели положена задача путем изменения формы и взаиморасположения узлов в газовом и жидкостном трактах создать более надёжный и технологичный модульный нагреватель жидкости.
Эта задача решена тем, что в нагревателе жидкости, имеющем полый корпус и связанные с ним проточный кожухотрубчатый теплообменник, полость которого служит топкой и который оснащён патрубком для вывода нагретой жидкости на потребление, по меньшей мере одну горелку и контактный теплообменник с насадкой и каплеотделителем, между которыми установлен раздаточный коллектор для орошения насадки подаваемой на нагрев жидкостью, согласно изобретательскому замыслу корпус выполнен в виде оборудованного в средней части переливным патрубком промежуточного бака для нагреваемой жидкости, на крышке которого жёстко закреплены кожухотрубчатый и контактный теплообменники, при этом горелка установлена над топкой на торцевой крышке кожухотрубчатого теплообменника, который через циркуляционный насос подключён к промежуточному баку ниже уровня переливного патрубка, а полости топки и контактного теплообменника сообщаются через соответствующие проёмы, выполненные в крышке корпуса для встречного прохода продуктов сгорания и подогретой жидкости выше уровня переливного патрубка.
протяжении и существенно охлаждённые продукты сгорания топлива попадают в контактный теплообменник через промежуточный бак. Поэтому опасность прогара деталей, контактирующих с факелом, снижается до минимума. Промежуточный бак облегчает создание систем из нескольких нагревателей и способствует эффективному теплообмену между потоком газообразного теплоносителя и стекающей из контактного теплообменника жидкостью.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что корпус, служащий промежуточным баком, имеет вид прямоугольного параллелепипеда. Это позволяет наиболее компактно размещать предложенные нагреватели в ряд.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что корпус имеет днище с уступом, который ограничивает зону накопления шлама, а в соответствующей этой зоне внешней стенке корпуса предусмотрена съёмная крышка для периодической выгрузки шлама. Тем самым облегчается очистка нагревателя от механических загрязнений.
Третье дополнительное отличие состоит в том, что контактный теплообменник имеет прямоугольное поперечное сечение и оборудован многослойной насадкой из перфорированных гофрированных металлических листов. Это существенно упрощает изготовление контактных теплообменников со стабильным гидросопротивлением.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что внутри корпуса выше уровня переливного патрубка установлены по меньшей мере две расположенные одна над другой перфорированные металлические перегородки, которые перекрывают полость корпуса по всей ширине и частично - по длине, при этом каждая последующая в направлении сверху вниз перегородка длиннее предыдущей. Такие перегородки служат рассекателями встречных потоков продуктов сгорания и нагреваемой жидкости и улучшают теплообмен.
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что кожухотрубчатый теплообменник имеет концентричные внешнюю и внутреннюю обечайки, пространство между которыми разделено радиальными перегородками на последовательно сообщающиеся между собой вертикальные секции, первая из которых подключена к циркуляционному насосу, а последняя - к патрубку для вывода нагретой жидкости на потребление. Такое решение позволяет в одном теплообменнике комбинировать противо- и прямоток нагреваемой жидкости относительно аксиального потока продуктов сгорания в топке и интенсифицировать догревание жидкости перед подачей на потребление.
Шестое, дополнительное к пятому, отличие состоит в том, что пространство между обечайками разделено радиальными перегородками на четыре вертикальные секции тремя сплошными и одной укороченной в верхней части радиальными перегородками, причём секции, которые прилегают к укороченной перегородке, сообщаются между собой вверху через её переливной торец, а секции, которые ограничены сплошными перегородками, сообщаются между собой внизу через переливные трубы. Этот частный вариант секционирования кожухотрубчатого теплообменника наиболее приемлем для предложенной компоновки нагревателя жидкости в целом.
Далее сущность полезной модели пояснена подробным описанием конструкции и работы нагревателя жидкости на конкретном примере реализации изобретательского замысла со ссылками на чертежи, где изображены на:
фиг.1 - предложенный нагреватель жидкости (продольный разрез 1-1 вертикальной плоскостью симметрии);
фиг.2 - то же, что и на фиг.1 (сечение 11-11 с фиг.1).
Нагреватель жидкости (см. фиг.1) имеет полый обычно сварной металлический корпус 1 предпочтительно в виде прямоугольного параллелепипеда. Корпус 1 теплоизолирован и служит:
а)жёсткой опорой для установленных на его крышке 2 над соответствующими проёмами предпочтительно цилиндрического в поперечном сечении кожухотрубчатого теплообменника 3, центральная полость которого служит топкой, и предпочтительно прямоугольного, в частности квадратного, в поперечном сечении проточного контактного теплообменника 4,
б)промежуточным баком (сборником-накопителем) для подогретой жидкости, стекающей из контактного теплообменника 4 и далее либо циркулирующей в системе отопления, либо подаваемой в систему горячего водоснабжения при подпитке от внешнего источника для компенсации расхода, и
в) в полости под крышкой 2 - перепускным каналом для прохода продуктов сгорания из топки внутри кожухотрубчатого теплообменника 3 в контактный теплообменник 4.
Внутри корпуса 1 выше допустимого уровня жидкости, который на фиг.1 обозначен у.ж., установлены по меньшей мере две расположенные одна над другой перфорированные металлические перегородки 5, которые перекрывают полость корпуса 1 по всей ширине и частично - по длине, при том, что каждая последующая в направлении сверху вниз перегородка 5 длиннее предыдущей, и которые служат рассекателями встречных потоков продуктов сгорания и нагреваемой жидкости. Снизу корпус 1 имеет днище 6 с уступом 7, который ограничивает зону накопления шлама.
Кроме того, корпус 1  оснащён:
для регулирования уровня жидкости - переливным патрубком 8, который обычно расположен в средней части одной из длинных боковых стенок и, при необходимости, может быть использован для подключения одного модульного нагревателя жидкости к другому;
съёмной крышкой 9 для ревизии зоны накопления шлама и его периодической выгрузки;
расположенным над днищем 6 не обозначенным особо патрубком для подключения полости корпуса 1 к циркуляционному насосу 10.
Кожухотрубчатый теплообменник 3, центральная полость которого служит упомянутой топкой (см. фиг.1), в верхней части оснащён обычно одной преимущественно газовой горелкой 11 с входным патрубком 12 для подачи топлива и дутьевым вентилятором 13, которые размещены на крышке 14, замыкающей топочное пространство сверху. При использовании одной горелки 11 геометрическую ось её выходного отверстия располагают на продолжении геометрической оси кожухотрубчатого теплообменника 3, а при использовании двух или более горелок 3 их взаиморасположение задают таким образом, чтобы результирующий факел простирался вдоль топки.
тыре вертикальные секции тремя сплошными и одной укороченной в верхней части радиальными перегородками соответственно 17а, 176, 17в и 18.
Секции теплообменника 3, которые прилегают к перегородке 18, сообщаются между собой вверху через её переливной торец, а секции, которые ограничены соответственно перегородками 17а-17б и 17б-17в, сообщаются между собой внизу через переливные трубы 19. Одна из секций, например между перегородками 17б-17в, служит входной и подключена к придонной части корпуса 1 питающим трубопроводом 20, упомянутым циркуляционным насосом 10 и предпочтительно тангенциальным расположенным в верхней части впускным патрубком 21, а другая секция, например между перегородками 17а-17б, служит выходной и оснащена также в верхней части выходным патрубком 22 для подключения нагревателя к напорной магистрали отвода нагретой жидкости на потребление.
Контактный теплообменник 4 имеет корпус 23 и последовательно размещённые в нём в направлении снизу вверх по ходу продуктов сгорания:
насадку 24 с развитой поверхностью, например, в виде пяти расположенных один на другом наборов предпочтительно регулярно перфорированных гофрированных металлических листов, причём направления гофров в разных наборах, как правило, скрещиваются под произвольными углами;
раздаточный коллектор 25 жидкости, выполненный в виде по меньшей мере одной, в частности, петлеобразной или снабжённой радиальными отводами перфорированной трубы, которая имеет входной патрубок 26 для подключения к сливной магистрали системы отопления или к иному источнику подаваемой на нагрев жидкости;
каплеотделитель 27 для осущения отработавших продуктов сгорания перед выпуском в атмосферу и
выхлопной патрубок 28.
Работает описанный нагреватель жидкости следующим образом.
Перед запуском полость корпуса 1 заполняют подлежащей нагреву жидкостью до уровня переливного патрубка 8, включают циркуляционный насос 10 и, продолжая подачу жидкости в корпус 1 как промежуточный бак, заполняют ею кожухотрубчатый теплообменник 3 и далее систему отопления (или
горячего водоснабжения) до момента появления жидкости в раздаточном коллекторе 25. Затем запускают горелку 11 и в режиме циркуляции выводят нагреватель жидкости на стационарный рабочий режим.
В этом режиме питающая жидкость постоянно поступает на орошение насадки 24, где она она, растекаясь плёнкой по перфорированным гофрированным металлическим листам и струйками перетекая с листа на лист и перетекая в том же плёночно-капельном виде на и перегородки 5 в корпусе 1, подогревается продуктами сгорания топлива, уже отдавшими значительную часть тепла в кожухотрубчатом теплообменнике 3. Шлам не оседает на листах насадки 24 и перегородках 5, ибо жидкость уносит его в корпус 1.
Подогретая в контактном теплообменнике 4 жидкость, стекая с перегородок 5 на стенки корпуса 1, исключает их перегрев уходящими из топки продуктами сгорания топлива. Поскольку объём корпуса 1 как промежуточного бака достаточно велик, подогретая жидкость успокаивается, что обеспечивает эффективное осаждение шлама для его последующего периодического удаления из неработающего нагревателя при снятой крышке 9.
Окончательный нагрев жидкости перед подачей на потребление через патрубок 22 известным для специалистов образом, то есть излучением факела и конвекцией продуктов сгорания, происходит в кожухотрубчатом теплообменнике 3.
Применительно к воде как нагреваемой жидкости при использовании предложенного нагревателя происходит её накопление, ибо водяной пар в продуктах сгорания органических топлив при контакте с оборотной или питающей водой, температура которой в системах отопления или горячего водоснабжения обычно меньше 50°С, эффективно конденсируется и входит в состав оборотной воды. Её излишек можно отбирать через переливной патрубок 8 на произвольные хозяйственные нужды.