ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
HOT WATER BOILER

Изобретение относится к устройствам для подогрева воды с применением газового топлива и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения бытовых и промышленных помещений.
Известны водогрейные котлы с радиационными газовыми горелками, в которых теплота, образующаяся при сгорании топлива, передается воде посредством теплового излучения, поглощаемого стенками водяной емкости, и за счет конвективного теплообмена от продуктов сгорания (US 4510890, RU 2189538, US 5511516, US 6945196, US 7040258, US 7299768).
Известен водогрейный котел (US 5494003), содержащий корпус и водяную емкость, днище которой образует вместе с теплоизолированными стенками топочную камеру, в которой установлена радиационная горелка с инжекционным смесителем. Горелка установлена таким образом, чтобы максимально использовать поперечное сечение камеры сгорания для излучающей поверхности радиационной горелки. Стенки топочной камеры являются не только радиационными, но и конвективными поверхностями нагрева и служат для передачи теплоты продуктов сгорания конвекцией. Продукты сгорания движутся по газоходам, омывая наружную поверхность части водяной емкости, отдавая воде дополнительную теплоту.
Недостатком конструкции является то, что часть площади топочной камеры покрыта слоем теплоизоляционного материала, что приводит к потерям тепловой энергии. Недостатками котла являются низкая тепловая напряженность топочного пространства, низкая эффективность, связанная с потерями части тепловой энергии.
Известен водогрейный котел (US 6725811), содержащий теплозащитный корпус, теплообменник с водяной емкостью, топочную камеру, соединенную с газоходом для отвода продуктов сгорания, газовую радиационную горелку, снабженную газопроницаемой вставкой и инжекционным смесителем, и устройства розжига и контроля пламени. Днище водяной емкости своей вогнутой частью образует часть топочной камеры, в которой установлена горелка. Газоход для отвода продуктов сгорания и передачи теплоты от них стенкам газохода конвекцией проходит по оси теплообменника.
Недостатки конструкции связаны с неполным использованием объема топочной камеры для размещения радиационной горелки. Кроме того, большая доля излучения в топочной камере поглощается теплоизоляцией. Это приводит к снижению объемной и поверхностной тепловой напряженности топочной камеры.
Недостатками прототипа являются также нерациональное соотношение между площадями радиационного и конвективного теплообмена, нерациональное соотношение между объемом водяной емкости и площадью тепловосприятия.
Следствием этих причин является увеличение удельных массы и габаритов котла на единицу мощности и снижение его эффективности.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности водогрейного котла с радиационными горелками, то есть увеличение КПД, уменьшение удельных массы и габаритов котла на единицу мощности.
Поставленная задача решается тем, что в водогрейном котле, содержащем теплообменник с водяной емкостью, топочную камеру, соединенную с газоходом для отвода продуктов сгорания, газовую радиационную горелку, снабженную газопроницаемой вставкой и инжекционным смесителем, и устройства розжига и контроля пламени, согласно изобретению теплообменник выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей, скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, шестая грань которого закрыта выполненной прямоугольной в плане газопроницаемой вставкой горелки, водяная емкость теплообменника образована соединенными одна с другой полостями его панелей, топочная камера ограничена внутренними поверхностями панелей теплообменника и прямоугольной вставкой горелки, а отношение А суммарной площади внутренних поверхностей панелей теплообменника, ограничивающих топочную камеру, к площади поверхности прямоугольной вставки горелки соответствует неравенству 1,5<А<5.
Поставленная задача решается также тем, что полости панелей теплообменника могут быть разделены перегородками, образующими лабиринтные каналы для циркуляции воды.
Поставленная задача решается также тем, что газоход для отвода продуктов сгорания может быть образован сквозными каналами, проходящими через одну из панелей теплообменника.
Поставленная задача решается также тем, что газоход для отвода продуктов сгорания может быть образован щелевыми зазорами между панелями теплообменника.
Поставленная задача решается также тем, что котел может быть снабжен коллектором газов, выполненным в виде короба с патрубком для соединения с системой отвода продуктов сгорания и сообщенным с газоходом.
Естественной формой излучающей поверхности промышленных радиационных горелок является прямоугольник. Встраивание горелок с прямоугольными газопроницаемыми вставками в цилиндрические топочные камеры приводит к возрастанию потерь энергии и к уменьшению тепловой напряженности топочного пространства, которая у водогрейных котлов с радиационными горелками меньше, чем у котлов с факельными горелками. Поэтому наиболее рациональной формой топочной камеры является параллелепипед. Такая форма позволяет минимизировать объем и массу котла по отношению к мощности. Использование прямоугольных пустотелых панелей позволяет обеспечивать рациональное соотношение между объемом водяной емкости и площадью поверхностей нагрева котла. Это обеспечивает возможность оптимизации удельных массы и габаритов котла.
В предложенной конструкции отсутствуют потери теплоты, связанные с неполным использованием объема топочной камеры для размещения радиационной горелки и поверхностей нагрева, так как прямоугольная газопроницаемая вставка горелки занимает максимально возможную площадь свободной грани параллелепипеда.
Конфигурация топочной камеры позволяет обеспечить оптимальное соотношение между тепловой напряженностью топочного пространства и тепловой напряженностью поверхностей нагрева. Площадь радиационной и конвективных поверхностей может быть развита достаточно для полного поглощения излучения.
При этом объем водяной емкости, а также скорость циркуляции воды по водяной емкости в предложенной конструкции могут быть оптимальными. Оптимизация достигается выбором размеров пустотелых панелей, количеством и конфигурацией лабиринтных каналов, образованных перегородками в полостях панелей.
Развитие технологии радиационных горелок допускает их использование в водогрейных котлах при температуре в диапазоне 1100-1500 К. Для рационального использования объема и массы котла целесообразно поднимать температуру горелки, что приводит к значительному перераспределению между радиационной и конвективной составляющими тепловой энергии горелки и, соответственно, изменению площадей радиационных и конвективных поверхностей нагрева топочной камеры.
Отношение А суммарной площади внутренних поверхностей панелей теплообменника, ограничивающих топочную камеру, к площади поверхности прямоугольной вставки горелки определяется испытаниями и поверочными расчетами котла. Ограничение этого соотношения снизу определено на основе оптимизации тепловой напряженности топочного пространства и тепловой напряженности поверхностей нагрева для условий работы радиационной горелки. Из конструктивных соображений и с учетом роста массово-габаритных характеристик котла целесообразно, чтобы отношение А соответствовало неравенству 1,5<А<5.
На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого водогрейного котла, теплообменник которого выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей (верхней, нижней и трех боковых), скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, а радиационная горелка установлена на его четвертой боковой грани.
На фиг.2 - компоновка предлагаемого водогрейного котла, теплообменник которого выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей (верхней, нижней и трех боковых), скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда.
На фиг.3 - продольный разрез предлагаемого водогрейного котла, теплообменник которого выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей (верхней и четырех боковых), скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, а радиационная горелка установлена на его нижней грани.
На фиг.4 - продольный разрез панели теплообменника, полость которой разделена перегородками, образующими лабиринтные каналы для циркуляции воды.
На фиг.5 - разрез двух панелей, полости которых соединены при помощи фланцевого соединения.
Предлагаемый водогрейный котел (фиг.1, 2) содержит теплообменник 1 с водяной емкостью 2, топочную камеру 3, соединенную с газоходом 4 для отвода продуктов сгорания, газовую радиационную горелку 5, снабженную керамической газопроницаемой вставкой 6 и инжекционным смесителем 7, и устройства розжига и контроля пламени 8. Теплообменник 1 выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей 9, скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, шестая грань которого закрыта выполненной прямоугольной в плане газопроницаемой вставкой 6 горелки 5. Вставкой 6 горелки 5 может быть закрыта верхняя, одна из боковых граней или нижняя грань параллелепипеда. Соответственно, возможно три компоновки водогрейного котла с расположением вставки 6 горелки 5 на верхней грани, на боковой грани (фиг.1) или на нижней грани параллелепипеда (фиг.3). Водяная емкость 2 теплообменника 1 образована соединенными одна с другой полостями 10 его панелей 9. Топочная камера 3 ограничена внутренними поверхностями 11 панелей 9 теплообменника 1 и прямоугольной вставкой 6 горелки 5.
Целесообразно, чтобы отношение А суммарной площади внутренних поверхностей 11 панелей 9 теплообменника 1, ограничивающих топочную камеру 3, к площади поверхности прямоугольной вставки 6 горелки 5 соответствовало неравенству 1,5<А<5.
Полости 10 панелей 9 теплообменника 1 (фиг.4) могут быть разделены перегородками 12, образующими лабиринтные каналы 13 для циркуляции воды.
Газоход 4 для отвода продуктов сгорания (фиг.1) может быть образован сквозными каналами 14, проходящими через одну из панелей 9 теплообменника 1. В варианте газоход 4 для отвода продуктов сгорания (фиг.3) может быть образован щелевыми зазорами 15 между панелями 9 теплообменника 1.
Котел (фиг.1, 3) может быть снабжен коллектором 16 газов, выполненным в виде короба 17 с патрубком 18 для соединения с системой отвода продуктов сгорания и сообщенным с газоходом 4.
Для соединения одной с другой полостей 10 панелей 9 может быть использован один из способов, обеспечивающих герметичность стыков, например фланцевое соединение или сварное соединение. Фланцевое соединение панелей 9 (фиг.5) состоит из фланцев 19, уплотняющей прокладки 20, болтов 21 и резьбовых втулок 22.
Описываемый водогрейный котел работает следующим образом.
При розжиге котла происходит подача газообразного топлива и воздуха в инжекционный смеситель 7, где образуется газовоздушная смесь, близкая к стехиометрическому составу. Образовавшаяся газовоздушная смесь через керамическую газопроницаемую вставку 6 поступает в топочную камеру 3, где осуществляется ее воспламенение устройствами розжига и контроля пламени 8 и горение с выделением тепла. Горелка 5 выходит на беспламенный режим работы, превращая химическую энергию топлива в тепловую энергию инфракрасного излучения керамической газопроницаемой вставки 6 и теплоту, заключенную в нагретых продуктах сгорания. Выделившееся тепло поглощается через внутренние поверхности 11 панелей 9 теплообменника 1 водой, протекающей в его водяной емкости 2. Охлажденные продукты сгорания отводятся из топочной камеры 3 через газоход 4, коллектор газов 16 и патрубок 18. Холодная вода поступает в полости 10 панелей 9 теплообменника 1, а нагретая вода направляется потребителю из водяной емкости 2 через патрубки 23 для входа и выхода воды.
Заявляемые форма и взаимное расположение элементов обеспечивают тепловосприятие большей части тепла в виде излучения и конвекции непосредственно в топочной камере водогрейного котла.
Предложенная конструкция водогрейного котла позволяет повысить объемную и поверхностную тепловую напряженность топочной камеры за счет выбора оптимальных размеров радиационной горелки, длины, ширины и толщины панелей и размеров лабиринтных каналов.