ЖАРОТРУБНЫЙ ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
FIRE TUBE WATER BOILER

Изобретение относится к нагревателям текучей среды, а именно, к водонагревателям, имеющим средства получения тепла, в частности, к водонагревателям, содержащим одну или несколько трубчатых камер сгорания или жаровых труб, с водяным кожухом, окружающим камеру сгорания, и может быть использовано для нагрева воды и отопления помещений в качестве котлов бытового или промышленного назначения.
Из существующего уровня техники известен жаротрубный вертикальный водогрейный котел (Патент RU 2150050 C1, 27.05.2000, F24H1/28), объем которого разделен на внешнюю и внутреннюю части, включающий топку с горелочным устройством, расположенную в нижней части котла, вертикальный пучок жаровых труб, установленных внутри котла, патрубок прямой и обратной воды, расширительный бачок и смеситель, причём, жаровые трубы снабжены плавниками, посредством которых объем котла разделен на упомянутые внутреннюю и внешнюю части, смеситель установлен в верхней части котла, а в расширительном бачке в его нижней части дополнительно установлен распределитель.
Из уровня техники также известен жаротрубный вертикальный водогрейный котел (Патент RU 2150051 C1, 27.05.2000, F24H1/28, F24B7/00), содержащий топку с горелочным устройством, вертикальный пучок жаровых труб, установленных внутри внешней трубы, патрубок прямой и обратной воды, причем верхняя часть котла выполнена в виде бака, причём, бак содержит переливную трубку, установленную между внешней трубой котла и корпусом бака и воздушную трубку с манометром, установленную на высоте, равной или большей отношению увеличения объема горячей воды в системе отопления к площади сечения в верхней части котла между вертикальным пучком жаровых труб и внешней трубой, при этом переливная и воздушная трубки снабжены запорными устройствами.
Наиболее близким техническим решением является котельная установка (Патент RU 2227256 C1, 20.04.2004, F24H1/28), содержащая котел с патрубками прямой и обратной воды, дымовую трубу, расширительный бак, отличающаяся тем, что верхняя часть дымовой трубы выполнена в виде вертикального трубчатого кольцеобразного экономайзера, снабженного переливной трубкой с запорным устройством, соединенным с котлом с помощью патрубка прямой линии, при этом верхняя часть экономайзера выполнена в виде расширительного бака, последний соединен с воздушным ресивером посредством воздушной трубки.
Основным недостатком вышеописанных технических решений является недостаточно эффективная реализация конвективных процессов теплопередачи/теплообмена в текучей среде от источника нагрева с недостаточно эффективными системами (или их отсутствием) деаэрирования в расширительных баках, следствием чего является низкий КПД упомянутых нагревателей по сравнению с заявляемым котлом.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей, заключающихся в повышении КПД устройства через снижение потерь тепла, экономию расхода топлива, обеспечение равномерного прогрева, увеличение конвективных процессов теплопередачи/теплообмена в текучей среде от источника нагрева, а также в увеличении срока службы и повышении надежности работы устройства.
Указанный технический результат достигается за счет того, что жаротрубный водогрейный котел, в нижней части которого расположена топочная камера, а в средней и верхней частях – вертикальная дымовая труба с закрепленным в её верхней части расширительным баком, содержит жидкостный контур водяной рубашки, выполненный с возможностью подключения к гидросистеме отопления посредством обратного и подающего патрубков.
Причём, внутренние стенки жидкостного контура водяной рубашки, связанной гидравлически с внутренней нижней водно-объемной частью расширительного бака посредством, по меньшей мере, одного переливного отверстия, расположенного на дне расширительного бака, образованы верхней и боковыми частями топочной камеры и вертикальной дымовой трубой, состоящей, по меньшей мере, из одной жаровой трубы, а внешние – контурной обечайкой котла и внешней частью нижней стенки расширительного бака.
При этом жаровые трубы в верхней части котла расположены по всей высоте внутреннего пространства расширительного бака, которое выполнено герметично по отношению к внутреннему пространству упомянутых труб.
В частности, контурная обечайка в нижней части котла может быть выполнена с поверхностью, которая параллельна поверхности боковых частей топочной камеры, а в средней – поверхности вертикальной дымовой трубы, таким образом, что образует сообщающиеся каналы жидкостного контура водяной рубашки котла.
При этом упомянутый обратный патрубок может быть расположен в нижней части через обечайку котла, а подающий патрубок может быть выполнен изогнутой формы и расположен в средней части через обечайку котла, таким образом, что одна часть подающего патрубка расположена в канале жидкостного контура водяной рубашки непосредственно своим торцевым концом под упомянутым переливным отверстием.
Кроме этого, расширительный бак может быть закреплён по центру в верхней части дымовой трубы и содержать гидравлический затвор, выполненный в виде открытой ёмкости с водой и соединённым с боковой верхней частью бака изогнутым затворным патрубком, таким образом, что одна часть затворного патрубка своим торцевым концом расположена у дна упомянутой ёмкости, а другая – в объёмно-воздушной внутренней части расширительного бака.
Причём, расширительный бак может содержать уровневую колонку, выполненную в виде закрытой ёмкости и объёмно соединённую с боковой  частью бака посредством двух переливных трубок: одна из которых выполнена с функцией сообщения верхних внутренних объёмно-воздушных частей бака и закрытой ёмкости, а другая – нижних внутренних водно-объемных их частей.
При этом в верхней части расширительного бака может быть выполнено сквозное отверстие с функцией сообщения верхней внутренней объёмно-воздушной части бака и внешней воздушной средой, а также может быть установлен датчик давления.
Кроме этого, в нижнюю внутреннюю водно-объемную часть расширительного бака по средней части через обечайку котла, по каналу жидкостного контура водяной рубашки, со стороны, обратной от расположения подающего патрубка, может быть установлен трубопровод подпитки, торцевой конец которого в нижней водно-объемной части расширительного бака расположен у поверхности его водяного уровня.
Причём, упомянутый трубопровод подпитки по внешней стороне котла может быть соединён с обратным патрубком посредством гидравлически сообщающей их трубы, выполненной с функцией создания дополнительного потока жидкости для трубопровода подпитки из гидросистемы отопления.
При этом трубопровод подпитки со стороны подачи питающей жидкости до места стыковки с сообщающей трубой и упомянутая сообщающая труба могут содержать запорные устройства с механическим приводом, которые выполнены с возможностью управления подачи питающей жидкости по показаниям уровневой колонки и датчика давления соответственно.
Кроме этого, упомянутая открытая ёмкость может быть выполнена из трубы с одним заглушенным отверстием, а упомянутая закрытая ёмкость – с двумя заглушенными отверстиями.
Причём, все конструктивные элементы котла могут быть выполнены из жаропрочной нержавеющей стали.
При этом расстояние от упомянутого торцевого конца затворного патрубка до верхнего уровня воды в открытой ёмкости может составлять не менее 1 метра.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен частный случай исполнения заявляемого жаротрубного водогрейного котла:
на фигуре 1 представлен принципиальный схематичный общий вид жаротрубного водогрейного котла, где:
1 – жаротрубный водогрейный котёл;
2 – нижняя часть жаротрубного водогрейного котла;
3 – топочная камера;
4 – средняя часть жаротрубного водогрейного котла;
5 – верхняя часть жаротрубного водогрейного котла;
6 – вертикальная дымовая труба;
7 – верхняя часть вертикальной дымовой трубы;
8 – расширительный бак;
9 – жидкостный контур водяной рубашки котла;
10 – обратный патрубок;
11 – подающий патрубок;
12 – внутренняя нижняя водно-объемная часть расширительного бака;
13 – переливное отверстие расширительного бака;
14 – жаровые трубы;
15 – контурная обечайка котла;
16 – гидравлический затвор;
17 – открытая ёмкость гидравлического затвора;
18 – изогнутый затворный патрубок;
19 – внутренняя верхняя объёмно-воздушная часть расширительного бака;
20 – уровневая колонка;
21 – закрытая ёмкость уровневой колонки;
22 – переливная трубка для сообщения внутренних объёмно-воздушных частей бака и закрытой ёмкости;
23 – переливная трубка для сообщения внутренних водно-объемных частей бака и закрытой ёмкости;
24 – внутренняя верхняя объёмно-воздушная часть закрытой ёмкости уровневой колонки;
25 – внутренняя нижняя водно-объемная часть закрытой ёмкости уровневой колонки;
26 – сквозное отверстие в верхней части бака;
27 – датчик давления;
28 – трубопровод подпитки;
29 – сообщающая труба;
30 – запорное устройство с механическим приводом, установленное на трубопроводе подпитки;
31 – запорное устройство с механическим приводом, установленное на сообщающей трубе.
Частный случай реализации жаротрубного водогрейного котла может быть выполнен следующим образом: жаротрубный водогрейный котёл 1, в нижней части 2 которого расположена топочная камера 3, а в средней 4 и верхней 5 частях – вертикальная дымовая труба 6 с закрепленным в её верхней 7 части расширительным баком 8, содержит жидкостный контур 9 водяной рубашки, выполненный с возможностью подключения к гидросистеме отопления посредством обратного 10 и подающего 11 патрубков.
Причём, внутренние стенки жидкостного контура 9 водяной рубашки, связанной гидравлически с внутренней нижней водно-объемной частью 12 расширительного бака  8 посредством, по меньшей мере, одного переливного отверстия 13, расположенного на дне расширительного бака 8, образованы верхней и боковыми частями топочной камеры 3 и вертикальной дымовой трубой 6, состоящей, по меньшей мере, из одной жаровой трубы 14, а внешние – контурной обечайкой 15 котла 1 и внешней частью нижней стенки расширительного бака 8.
При этом жаровые трубы 14 в верхней части 5 котла 1 расположены по всей высоте внутреннего пространства расширительного бака 8, которое выполнено герметично по отношению к внутреннему пространству упомянутых труб 14.
Контурная обечайка 15 в нижней части 2 котла 1 может быть выполнена с поверхностью, которая параллельна поверхности боковых частей топочной камеры 3, а в средней 4 – поверхности вертикальной дымовой трубы 6, таким образом, что образует сообщающиеся каналы жидкостного контура 9 водяной рубашки котла 1.
При этом упомянутый обратный патрубок 10 может быть расположен в нижней части 2 через обечайку 15 котла 1, а подающий патрубок 11 может быть выполнен изогнутой формы и расположен в средней 4 части через обечайку 15 котла 1, таким образом, что одна часть подающего патрубка 11 расположена в канале жидкостного контура 9 водяной рубашки непосредственно своим торцевым концом под упомянутым переливным отверстием 13.
Кроме этого, расширительный бак 8 может быть закреплён по центру в верхней части вертикальной дымовой трубы 6 и содержать гидравлический затвор 16, выполненный в виде открытой ёмкости 17 с водой и соединённый с боковой верхней частью бака 8 изогнутым затворным патрубком 18, таким образом, что одна часть затворного патрубка 18 своим торцевым концом расположена у дна упомянутой ёмкости 17, а другая – в объёмно-воздушной 19 внутренней части расширительного бака 8.
Причём, расширительный бак 8 может содержать уровневую колонку 20, выполненную в виде закрытой ёмкости 21 и объёмно соединённую с боковой  частью бака 8 посредством двух переливных трубок 22, 23: одна 22 из которых выполнена с функцией сообщения верхних внутренних объёмно-воздушных частей 19, 24 бака 8 и закрытой ёмкости 21, а другая 23 – нижних внутренних водно-объемных их частей 12, 25.
При этом в верхней части расширительного бака 8 может быть выполнено сквозное отверстие 26 с функцией сообщения верхней внутренней объёмно-воздушной части 19 бака 8 и внешней воздушной средой, а также может быть установлен датчик давления 27.
Кроме этого, в нижнюю внутреннюю водно-объемную часть 12 расширительного бака 8 по средней части 4 через обечайку 15 котла 1, по каналу жидкостного контура 9 водяной рубашки, со стороны, обратной от расположения подающего патрубка 11, может быть установлен трубопровод подпитки 28, торцевой конец которого в нижней водно-объемной части 12 расширительного бака 8 расположен у поверхности его водяного уровня.
Причём, упомянутый трубопровод подпитки 28 по внешней стороне котла может быть соединён с обратным патрубком 10 посредством гидравлически сообщающей их трубы 29, выполненной с функцией создания дополнительного потока жидкости для трубопровода подпитки из гидросистемы отопления.
При этом трубопровод подпитки 28 со стороны подачи питающей жидкости до места стыковки с сообщающей трубой 29 и упомянутая сообщающая труба 29 могут содержать запорные устройства 30, 31 с механическим приводом, которые выполнены с возможностью управления подачи питающей жидкости по показаниям уровневой колонки 20 и датчика давления 27 соответственно.
Кроме этого, упомянутая открытая ёмкость 17 может быть выполнена из трубы с одним заглушенным отверстием, а упомянутая закрытая ёмкость 21 – с двумя заглушенными отверстиями.
Причём, все конструктивные элементы котла могут быть выполнены из жаропрочной нержавеющей стали.
При этом расстояние от упомянутого торцевого конца затворного патрубка 18 до верхнего уровня воды в открытой ёмкости 17 может составлять не менее 1 метра.
Жаротрубный водогрейный котёл работает следующим образом: вначале наливают воду в открытую ёмкость 17 гидравлического затвора 16, таким образом, чтобы расстояние от торцевого конца, расположенного в упомянутой ёмкости 17, изогнутого затворного патрубка 18 до верхнего уровня воды в открытой ёмкости 17 составляла не менее 1 метра. Затем, котёл подключают к гидросистеме водяного отопления с принудительной циркуляцией теплоносителя через обратный 10 и подающий 11 патрубки, а также к гидросистеме подпитки котла жидкостью через трубопровод подпитки 28. Из гидросистемы отопления вода через обратный патрубок 10 заполняет сообщающиеся каналы жидкостного контура 9 водяной рубашки котла 1. А из трубопровода подпитки 28 посредством открытия запорного устройства 30 с механическим приводом, установленным на трубопроводе подпитки 28, дополнительно наполняют внутреннюю нижнюю водно-объемную часть 12 расширительного бака 8 и внутреннюю нижнюю водно-объемную часть 25 закрытой ёмкости 21 уровневой колонки 20 до необходимого уровня их внутренних верхних объёмно-воздушных частей 19, 24. После чего, запорное устройство 30 закрывают. Далее, производят розжиг топочной камеры 3, топочные газы, образующиеся при сгорании топлива, в виде дыма за счет естественной тяги поднимаются вверх по жаровым трубам 14 вертикальной дымовой трубы 6. При сжигании топлива происходит выделение тепловой энергии, в результате которого внутренние поверхности топочной камеры 3 и жаровых труб 14 нагреваются, и осуществляется ее передача воде, циркулирующей по каналам, образованным контурной обечайкой  15 и внешними частями жаровых труб 14 с топочной камерой 3 в нижней 2 и средней 4 частях котла 1, жидкостного контура 9 водяной рубашки. При этом теплоноситель, поступая от потребителя тепла в котел через обратный патрубок 10, поднимается вверх по каналам жидкостного контура 9 водяной рубашки до переливного отверстия 13 расширительного бака 8 и через изогнутый затворный патрубок 11 возвращается к потребителю тепловой энергии. Дополнительная жидкость поступает в расширительный бак 8, выполненный в верхней части 5 котла 1 и закреплённым в верхней части 7 вертикальной дымовой трубы 6, через трубопровод подпитки 28 при открытии запорного устройства 30 с механическим приводом, установленным на трубопроводе подпитки 28, по показаниям, изменяемым посредством переливных трубок 22,23, уровневой колонки 20. Тем самым поддерживается заданный уровень в расширительном баке 8. При нагревании теплоносителя в системе отопления и увеличении объема теплоносителя излишний объем теплоносителя свободно вытесняется в расширительный бак 8 через переливное отверстие 13. Поскольку теплоноситель поступает в подающий патрубок 11 не из расширительного бака 8, а из верхней части каналов жидкостного контура 9 водяной рубашки ниже расширительного бака 8, то теплоноситель, находящийся в пространстве расширительно бака 8, не циркулирует и перегревается от тепла топочных газов, проходящих по жаровым трубам 14. При достижении температуры кипения растворимость газов снижается, они отделяются от теплоносителя и удаляются в атмосферу сначала через переливное отверстие 13 на дне бака 8, а затем через сквозное отверстие 26 в его верхней части – происходит процесс деаэрации. За счет деаэрирования теплоносителя не происходит окисление металла и продлевается срок службы оборудования, в особенности, при варианте исполнения всех основных конструктивных элементов котла из жаропрочной нержавеющей стали. При этом стабильная температура кипения обеспечивается за счет поддержания избыточного давления от 0 до 0,05 атм в расширительном баке 8 следующим образом. При увеличении интенсивности парообразования повышается давление и соответственно температура кипения. При повышении избыточного давления в баке 8 выше 0,05 атм по сигналу датчика давления 27 открывается запорное устройство 31 с механическим приводом, установленное на сообщающей трубе 29, соединяющей трубопровод подпитки 28 по внешней стороне котла с обратным патрубком 10, и в бак 8 поступает теплоноситель с обратного патрубка 10 с температурой ниже температуры кипения, а из расширительного бака 8 через сквозное отверстие 26 уходит кипящий теплоноситель, тем самым понижается температура в расширительном баке 8 и снижается интенсивность парообразования. То есть при снижении интенсивности парообразования избыточное давление сбрасывается в атмосферу через отверстие 26. В том случае, если интенсивность парообразования не снижается достаточным образом и сечения отверстия 26 оказывается недостаточно для сбрасывания давления, то при превышении избыточного давления выше 0,1 атм избыточное давление становится достаточным для преодоления подпора столба воды в гидрозатворе и избыточное давление вместе с паром выбрасывается в атмосферу через открытую ёмкость 17 гидравлического затвора 16.
Указанный технический результат достигается за счет того, что, во-первых, наличие в конструкции котла каналов, образованных контурной обечайкой и внешними частями жаровых труб с топочной камерой, жидкостного контура водяной рубашки, а также расширительного бака, закреплённого в верхней части водоохлаждаемой вертикальной дымовой трубы, с одной стороны, позволяет реализовать возможность эффективного и равномерного теплообмена между топочной камерой и жидкостным контуром водяной рубашки котла, дополнительного обогрева теплоносителя, находящегося в пространстве расширительно бака от тепла топочных газов, проходящих по жаровым трубам, что обеспечивает максимальный эффект от расхода энергии при сжигании топлива на обогрев, снижает потери тепла и позволяет экономить расход топлива, тем самым, повышает КПД, с другой стороны, - обеспечивает увеличение конвективных процессов теплопередачи/теплообмена в текучей среде от источника нагрева. Во-вторых, наличие в конструкции устройства сквозного отверстия в верхней части расширительного бака позволяет реализовать возможность удаления сопутствующих газов из теплоносителя при достижении им температуры кипения, что создаёт предпосылки для интенсификации процесса деаэрации, тем самым, уменьшается окисление металла, вследствие чего повышается срок службы и надежность работы оборудования. В-третьих, надежность работы оборудования также обусловлена конструктивным наличием гидравлического затвора, выполненного в виде открытой ёмкости с водой и соединённого с боковой верхней частью бака изогнутым затворным патрубком, который в полной мере обеспечивает реализацию возможности для сбрасывания повышенного избыточного давления в гидросистеме.
Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «новизна».
Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения такому условию патентоспособности как «изобретательский уровень».