ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОМБИНИРОВАННЫЙ ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Полезная модель относится к теплоэнергетике, а именно к комбинированным универсальным котлам, использующим в качестве источника энергии природный газ и электрическую энергию, и может быть использованf в технологических процессах для нагрева жидких сред, а также для горячего водоснабжения с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя.
Известно устройство индукционного нагрева жидких сред (заявка Франции № 2568083, МПК Н05В 6/02, 24.01.1986 г.), включающее как минимум один индукционный нагреватель, содержащий, по меньшей мере, одну индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающую цилиндрическую магнитопроводную емкость, соединенную с трубопроводом для подачи и отвода жидкости через входной и выходной патрубки соответственно и последовательно соединенную с регулятором переменного тока. Источник питания - переменный ток с частотой 50 Гц.
Общими признаками заявляемого устройства с аналогом являются наличие индукционного нагревательного элемента в форме соленоида и цилиндрического канала для нагрева жидкой среды.
Однако указанное устройство имеет невысокий коэффициент мощности (0,70-0,78), поскольку при его эксплуатации происходит рассеяние тепла в пространстве от наружной индукционной обмотки и неполное поглощение электромагнитной энергии оболочкой индукционного нагревателя. Невысокий коэффициент мощности приводит к снижению КПД устройства (до 0,80-0,85), показатель которого снижают и омические потери на индукционной обмотке устройства, имеющей большое количество витков медного провода, что связано с использованием тока питания частотой 50 Гц.
Известен вертикальный водогрейный котел (RU № 2383824, МПК F24H 1/28, опубликовано 10.03.2010 г.), содержащий заключенные в водяную рубашку и соединенные между собой через конфузор топку и дымовую трубу, патрубки прямой, обратной воды.
Общим признаком заявляемого устройства с аналогом является наличие вертикального коаксиального канала в форме пустотелой полости, в которой происходит нагрев жидкой среды.
Недостатком данного котла также является наличие сложной конструкции турбулизатора, что снижает экономическую эффективность котла.
За прототип принято устройство индукционного нагрева жидких сред (RU № 2423802, МПК Н05В 6/10, опубликовано 10.07.2011 г.). По указанному патенту устройство индукционного нагрева жидких сред включает цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо с прорезями, смонтированное над днищем, входной и выходной патрубки, центральный цилиндрический канал, установленный соосно с корпусом, при этом верхняя часть цилиндрического канала соединена с крышкой корпуса и на его поверхности в этой части выполнены сквозные отверстия для прохода нагреваемой жидкой среды, а нижняя часть канала соединена с выходным патрубком. Устройство также содержит индуктор, выполненный в виде цилиндра, в котором помещена обмотка, при этом индуктор смонтирован на внутреннем кольце с прорезями между корпусом и цилиндрическим каналом с образованием кольцевых каналов для прохождения нагреваемой жидкой среды, а его обмотка, герметично запрессованная связующим диэлектрическим материалом, своей верхней частью соединена с крышкой корпуса, а нижней - с внутренним кольцом с прорезями.
Недостатками прототипа являются:
наличие большого количества цилиндрических каналов, что усложняет процесс изготовления, увеличивает потерю напора и снижает экономическую эффективность;
устройство имеет очень высокий уровень шума, который распространяется по трубопроводной системе.
Отличиями заявляемого устройства от прототипа являются: отсутствие кольцевой камеры сгорания; каналы с нагреваемой жидкостью соединены последовательно при помощи переходных наружных патрубков, индуктор отделен от коаксиального канала с нагреваемой жидкостью сыпучим материалом.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель? заключается в создании устройства комбинированного нагрева жидких сред, обеспечивающего максимальный теплообмен, приводящий к быстрому и стабильному нагреву большого объема жидких сред при одновременном сохранении надежности устройства и снижении его эксплуатационных расходов.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении коэффициента мощности и соответственно полезного действия (КПД) устройства.
Указанный технический результат достигается тем, что вертикальный комбинированный водогрейный котел нагрева жидких сред, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и днищем, состоящий из пяти вертикально установленных труб, образующих четыре коаксиальных канала разного сечения, индукционный нагревательный элемент из термостойкого кабеля, который смонтирован в объеме первого канала на поверхности центральной трубы, согласно полезной модели, дополнительно содержит камеру сгорания, занимающую объем третьего коаксиального канала, соединенную с кольцевой газовой горелкой и свечой зажигания, индуктор, отделенный от коаксиального канала с нагреваемой жидкостью сыпучим материалом, цилиндрический канал и коаксиальные каналы с нагреваемой жидкостью, которые соединены последовательно при помощи переходных наружных патрубков, уплотнительные крышки для ввода питающего кабеля, смонтированные в верхней и нижней частях конструкции.
Введение камеры сгорания, занимающей объем третьего коаксиального канала, позволяет уменьшить вес конструкции на 15…20% в сравнении с обычной камерой сгорания; соединение камеры сгорания с кольцевой газовой горелкой обеспечивает равномерное распределение газовой смеси в процессе горения; переходные наружные патрубки, соединяющие цилиндрический канал и коаксиальные каналы с нагреваемой жидкостью, позволяют регулировать скорость движения жидкой среды; сыпучий материал, отделяющий коаксиальный канал с нагреваемой жидкостью от индуктора, обеспечивает передачу тепловой мощности от наружной поверхности индуктора; уплотнительные крышки для ввода и вывода питающего кабеля предназначены для защиты изоляции кабеля от механических повреждений.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведен разрез устройства, а на фиг. 2 - аксонометрия.
Позиции на чертежах обозначают:
1 - стальная труба;
2 - крышка;
3 - днище;
4 - четвертый коаксиальный канал;
5 - второй коаксиальный канал;
6 - цилиндрический канал;
7 - индуктор;
8 - сыпучей песочный наполнитель;
9 - патрубок для выхода дымовых газов;
10 - уплотнительная крышка для ввода питающего кабеля;
11 - первый коаксиальный канал;
12 - переходной патрубок №1;
13 - третий коаксиальный канал;
14 - кольцевая газовая горелка;
15 - первый кольцевой канал в горелочном устройстве;
16 - второй кольцевой канал в горелочном устройстве;
17 - третий кольцевой канал в горелочном устройстве;
18 - первый ряд питающих трубок горелочного устройства;
19 - второй ряд питающих трубок горелочного устройства;
20 - третий ряд питающих трубок горелочного устройства;
21 - свеча зажигания;
22 - патрубок для вкручивания свечи зажигания;
23 - переходной патрубок №4;
24 - переходной патрубок №3;
25 - переходной патрубок №2.
Вертикальный комбинированный водогрейный котел содержит пять вертикально установленных стальных труб 1, образующих четыре коаксиальных канала разного сечения и один цилиндрический. Каналы соединены с крышкой 2, размещенной в верхней части конструкции, и днищем 3 в основании конструкции. Для вывода дымовых газов из третьего коаксиального канала 13, который соединен с кольцевой газовой горелкой 14, используется патрубок для выхода дымовых газов 9. Свеча зажигания 21 закручивается в патрубок для вкручивания свечи зажигания 22, который соединен с третьим коаксиальным каналом 13. Кольцевая газовая горелка состоит из питающих труб, распределенных по наружной поверхности в три ряда. Первый ряд питающих трубок горелочного устройства 18 и третий ряд питающих трубок горелочного устройства 20 предназначены для подачи воздуха в первый кольцевой канал горелочного устройства 15 и третий кольцевой канал горелочного устройства 17, а второй ряд питающих трубок горелочного устройства 19 - для подачи природного газа во второй кольцевой канал в горелочном устройстве 16. Индуктор 7 выполнен в виде цилиндра, смонтирован в объеме первого коаксиального канала 11 на поверхности стальной трубы 1 цилиндрического канала 6 и отделен от стальной трубы 1 второго коаксиального канала 5 сыпучим песочным наполнителем 8. В основании верхней и нижней частях индуктора смонтирована уплотнительная крышка для ввода питающего кабеля 10. Нагреваемая жидкость поступает в котел по переходному патрубку №4 позиция 23, который соединен с четвертым коаксиальным каналом 4. Циркуляция жидкости между четвертым коаксиальным каналом 4 и вторым коаксиальным каналом 5 обеспечивается переходным патрубком № 2, позиция 25. Для соединения второго коаксиального канала 5 с цилиндрическим каналом 6 использован переходной патрубок № 1, позиция 12. Выход нагреваемой жидкости из котла обеспечен переходным патрубком № 3, позиция 24.
Вертикальный комбинированный водогрейный котел работает следующим образом.
Теплоноситель, охлажденный в технологическом процессе, подается по переходному патрубку № 4, позиция 23 в вертикальный комбинированный водогрейный котел. Затем, поднимаясь по четвертому коаксиальному каналу 4 вверх, он отбирает тепло у продуктов сгорания топлива в третьем коаксиальном канале 13. Из четвертого коаксиального канала жидкость через переходной патрубок № 2, позиция 25, поступает во второй коаксиальный канал 5. Во втором коаксиальный канале жидкость движется в направлении сверху вниз, при этом она отбирает тепло от третьего коаксиального канала 13 и первого коаксиального канала 28. В первом коаксиальном канале тепловая энергия выделяется от индуктора 7. Из второго коаксиального канала жидкость через переходной патрубок №1 позиция 12 поступает в цилиндрический канал 6, где она нагревается от стенки первого коаксиального канала 11 и от силовых линий электромагнитного поля, генерируемых индуктором 7. Поток нагретой жидкости из цилиндрического канала 6 через переходной патрубок № 3, позиция 24, поступает к потребителю.
Питающий кабель, проходящий через уплотнительную крышку для ввода питающего кабеля 10, подключает обмотку индуктора 7 к сети. Питание может осуществляться от сети как трехфазного, так и однофазного переменного тока. Количество витков и сечение провода катушки рассчитаны таким образом, что при прохождении нагреваемой жидкости обеспечивается оптимальный нагрев при заданном объеме жидкости. Нагрев жидкости от индукционного нагревательного элемента осуществляется по принципу, основанному на свойстве индукции электромагнитного поля, создаваемого индуктором.
Индуктор 7 выполнен в виде цилиндра, смонтирован в объеме первого коаксиального канала 11 на поверхности стальной трубы 1 цилиндрического канала, объем между индуктором и стальной трубой 1 второго коаксиального канала заполнен сыпучим песочным наполнителем 8. При необходимости в верхней части устройства может быть установлен кран Маевского, который обеспечит удаление воздуха из устройства на начальной стадии его работы.
Из кольцевой газовой горелки 14 газовая смесь поступает в третий коаксиальный канал 13. Кольцевая газовая горелка 14 состоит из питающих труб, распределенных по наружной поверхности в три ряда, первый ряд питающих трубок горелочного устройства 18 и третий ряд питающих трубок горелочного устройства 20 предназначены для подачи воздуха в первый кольцевой канал в горелочном устройстве 15 и третий кольцевой канал в горелочном устройстве 17, а второй ряд питающих трубок горелочного устройства 19 - для подачи природного газа во второй кольцевой канал в горелочном устройстве 16. Кольцевая газовая горелка 14 обеспечивает пропорциональное распределение газовой смеси, поступающей в камеру сгорания. Воспламенение газовой смеси осуществляется от свечи зажигания 21, которая закручивается в патрубок 22. Выход дымовых газов из третьего коаксиального канала 13 осуществляется через патрубок для выхода дымовых газов 9.
Предлагаемый вертикальный комбинированный водогрейный котел прост, надежен, высокоэкономичный, его параметры легко регулируются. Он найдет применение в технологических процессах при нагреве жидких сред. Все внешние и внутренние детали и узлы котла легкодоступны, что обеспечивает простоту обслуживания и эксплуатации, снижая трудозатраты.