КОНТАКТНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ
CONTACT WATER HEATER

Изобретение относится к области энергетики, в частности к автономным системам теплоснабжения, а именно к устройствам для подогрева воды, и может быть использовано при изготовлении контактных водонагревателей.
В автономных системах водяного теплоснабжения используются водогрейные котлы различной конструкции. Основным недостатком водогрейных котлов являются существенные выбросы токсичных веществ, образующихся при сгорании топлива в топке водогрейного котла.
Для теплоснабжения могут быть также использованы широко применяемые в химической промышленности аппараты погружного горения, которые вместе с системами подачи воздуха и газа образуют установки погружного горения. Установки погружного горения обеспечивают генерацию большого количества тепловой энергии, что позволяет использовать их в автономных системах теплоснабжения коттеджных поселков. Вместе с тем, установки погружного горения не поддаются масштабированию с целью уменьшения генерируемой мощности.
В автономных системах теплоснабжения, предназначенных для генерирования небольшой тепловой мощности, целесообразно использовать установки иного типа, в частности установки погружного или контактного нагрева воды (контактные водонагреватели).
Известен контактный водонагреватель, содержащий топку с установленным на выходе отбойником, рассекателем и эрлифтной камерой. Отбойник выполнен в виде цилиндрического вытеснителя, установленного, на днище эрлифтной камеры. Над эрлифтной камерой расположены насадочная камера с водоразделительным устройством (SU 663982, 1979 г.).
Конструкция контактного водонагревателя обеспечивает интенсификацию теплообмена между продуктами сгорания и нагреваемой водой. При этом известный водонагреватель имеет недостаток, заключающийся в том, что охлаждение отходящего дымового газа (продуктов сгорания) происходит только за счет интенсификации теплообмена между нагреваемой водой и газом. Очевидно, что при этом сниженная температура газа не может превысить уровень температуры нагреваемой воды, который является достаточно высоким.
Известен также контактный водонагреватель, включающий корпус, в котором размещены водораспределитель с контактной насадкой под ним, теплообменник, который установлен над водораспределителем и снабжен входным и выходным патрубками, камеру сгорания и горелочное устройство, к которому подключен дутьевой вентилятор, при этом входной патрубок теплообменника соединен с наружным воздухом, а выходной - с дутьевым вентилятором (RU 22815, 2002 г.).
В указанном техническом решении предварительное охлаждение продуктов сгорания осуществляется обратной (возвратной) водой, с использованием водораспределителя с контактной насадкой. Далее продукты сгорания охлаждаются в трубчатом теплообменнике, где в качестве охладителя используется наружный воздух, подаваемый затем в камеру сгорания.
Недостатком заявленного технического решения является низкая эффективность трубчатого теплообменника, использование которого не позволяет в полной мере использовать теплоту продуктов сгорания для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания. Низкая эффективность теплообменника снижает к.п.д. водонагревательного устройства в целом.
Повысить эффективность теплообменника возможно за счет использования известного рекуперативно-горелочного блока (SU 1765625, 1992 г.), в котором имеется внутренняя перфорированная конусообразная обечайка, образующая газовый канал для продуктов сгорания, и наружная перфорированная конусообразная обечайка, образующая канал для поступающего воздуха. Каналы разделены цилиндрической теплопередающей поверхностью. Эффективность теплообмена повышается за счет струйного натекания на теплообменную поверхность как нагреваемого воздуха, так и продуктов сгорания.
Недостатком данного решения является невысокая степень конденсации водяного пара, в связи с чем не обеспечивается в достаточной мере использование теплоты конденсации водяного пара для подогрева воздуха, поступающего в горелочное устройство. Кроме того, часть воды в виде водяного пара уносится с дымовыми газами (продуктами сгорания).
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении заявляемого изобретения, заключается в повышении эффективности устройства, увеличении его к.п.д., а также в уменьшении потерь (уноса) воды с продуктами сгорания.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и воздухом, направляемым в камеру сгорания.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в контактном водонагревателе, содержащем корпус с размещенными в нем камерой сгорания, водонагревательным устройством и установленным на корпусе коллектором продуктов сгорания, согласно изобретению водонагревательное устройство, выполненное в виде емкости с водой, имеющей свободную поверхность, снабжено установленным на выходе из камеры сгорания распределительным коллектором с жаровыми трубками, размещенным в объеме воды, при этом жаровые трубки выполнены с отверстиями для выхода продуктов сгорания, коллектор продуктов сгорания оснащен рекуператором-теплообменником, выполненным в виде охватывающего коллектор корпуса, разделенного перфорированной обечайкой, расположенной вдоль коллектора с образованием двух концентрических камер, и приемника продуктов сгорания, выполненного в виде стакана с перфорированными стенками, размещенного в коллекторе дном вверх в зоне установки корпуса рекуператора-теплообменника, с образованием камеры конденсации водяного пара, сформированной стенкой стакана, стенкой коллектора и перегородкой, размещенной между ними, в которой сформированы каналы для слива конденсата в емкость с водой, при этом корпус рекуператора-теплообменника снабжен впускным и выпускным патрубками, соединенными с полостью внешней концентрической камеры рекуператора-теплообменника и полостью внутренней концентрической камеры рекуператора-теплообменника, соответственно, а стенка коллектора в зоне размещения приемника продуктов сгорания выполнена перфорированной, причем степень перфорации стенки коллектора меньше степени перфорации стенки стакана, которая меньше степени перфорации стенки обечайки.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, т.к. только вся совокупность признаков, приведенная в формуле изобретения, обеспечивает повышение эффективности контактного водонагревателя.
В частности, выполнение водонагревательного устройства в виде емкости с водой, имеющей свободную поверхность обеспечивает максимально возможную степень влагосодержания в продуктах сгорания, поскольку развитая свободная поверхность воды способствует созданию продуктами сгорания в процессе барботажа мелкодисперсной водяной пыли над указанной свободной поверхностью. Барботаж, в свою очередь, обеспечивается размещением жаровых трубок с отверстиями для выхода продуктов сгорания в объеме воды.
Оснащение коллектора продуктов сгорания рекуператором-теплообменником, выполненным в виде двух концентрических камер с перфорированными стенками, обеспечивает интенсификацию теплообмена между продуктами сгорания и воздухом, направляемым в камеру сгорания.
На достижение этого же технического результата работает формирование камеры конденсации водяного пара перфорированными стенками стакана, коллектора продуктов сгорания и перегородки с каналами для отвода сконденсировавшейся воды.
Обеспечение заданной степени перфорации стенок коллектора меньшей степени перфорации стенок стакана, которая выбирается меньшей степени перфорации стенок обечайки формирует заданный перепад давления в его камерах и необходимый расход воздуха через рекуператор-теплообменник.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием контактного водонагревателя со ссылкой на чертежи, где на фиг. 1 изображена схема контактного водонагревателя и его разрез по А-А, на фиг. 2 - схема рекуператора-теплообменника.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1. Корпус.
2. Камера сгорания.
3. Емкость с водой.
4. Распределительный коллектор.
5. Жаровые трубки.
6. Коллектор продуктов сгорания.
7. Расширительный бак.
8. Водоотбойные решетки.
9. Коллектор-разбрызгиватель возвратной воды.
10. Патрубок отбираемой воды.
11. Водяной насос.
12. Патрубок возвратной воды.
13. Патрубок для слива воды.
14. Корпус рекуператора-теплообменника.
15. Обечайка.
16. Внешняя камера рекуператора-теплообменника.
17. Внутренняя камера рекуператора-теплообменника.
18. Стакан.
19. Камера конденсации водяного пара.
20. Перегородка.
21. Каналы для слива конденсата.
22. Впускной патрубок подвода холодного воздуха.
23. Выпускной патрубок отвода горячего воздуха.
Контактный водонагреватель содержит корпус 1 прямоугольного сечения. В корпусе 1 размещена камера сгорания 2 и водонагревательное устройство, которое выполнено в виде емкости с водой 3, имеющей свободную поверхность и снабжено установленным на выходе из камеры сгорания 2 распределительным коллектором 4 с жаровыми трубками 5, размещенным в объеме воды. В жаровых трубках 5 выполнены отверстия (не показаны) для выпуска продуктов сгорания в объем воды. Для отвода продуктов сгорания в атмосферу предусмотрен коллектор 6.
Контактный водонагреватель снабжен расширительным баком 7. В верхней части корпуса 1 установлены водоотбойные решетки 8, размещенные над коллектором-разбрызгивателем 9. В нижней части емкости с водой 3 предусмотрен патрубок 10 отбираемой воды с насосом 11. Коллектор-разбрызгиватель 9 на входе соединен с патрубком 12 возвратной воды. Для полного слива воды из водонагревателя предусмотрен патрубок 13.
Коллектор 6 продуктов сгорания оснащен рекуператором-теплообменником (на фиг. 1 не показан). Рекуператор-теплообменник, конструкция которого приведена на фиг. 2, выполнен в виде охватывающего коллектор 6 корпуса 14 рекуператора-теплообменника (РТ). Корпус 14 разделен перфорированной обечайкой 15, которая расположена вдоль коллектора 6 с образованием двух концентрических камер 16 и 17: внешней и внутренней. РТ снабжен приемником продуктов сгорания, выполненным в виде стакана 18 с перфорированными стенками. Стакан 18 размещен в коллекторе 6 дном вверх в зоне установки корпуса 14 РТ, с образованием камеры 19 конденсации водяного пара.
Камера 19 конденсации сформирована перфорированными стенками стакана 18 и коллектора 6 и снизу ограничена перегородкой 20. Перегородка 20 размещена между стенками стакана 18 и коллектора 6. В перегородке 20 предусмотрены каналы (отверстия) 21 для слива конденсата в емкость с водой 3.
Корпус 14 РТ снабжен впускным патрубком 22 подвода холодного воздуха, соединенным с полостью внешней концентрической камеры 16 РТ. Выпускной патрубок 23 отвода горячего воздуха соединен с полостью внутренней концентрической камеры 17 РТ.
Для обеспечения эффективного теплообмена стенки коллектора 6, стакана 18 и обечайки 15 перфорированы. Степень перфорации стенки стакана 18 меньше степени перфорации стенки обечайки 15 и больше степени перфорации стенки коллектора 6. Степень перфорации стенки коллектора 6 выбирается исходя условия формирования перепада давления между камерами 17 и 19, который обеспечивает перетекание в камеру 19 конденсации водяных паров 10-15% объема воздуха, поступающего во внешнюю камеру 16 РТ.
1
1
2
2
1
1
2
1
1
2
В рамках данного описания под термином «степень перфорации» понимается отношение площади отверстий, к общей площади перфорированной поверхности. Другими словами, степень перфорации поверхности представляет собой отношение суммарной площади всех отверстий, имеющихся на искомой поверхности к общей площади перфорированной поверхности. Под термином «градиентная перфорация поверхности» понимается перфорированная поверхность, помещенная в координатную плоскость Х-У которая может характеризоваться тем, что степень перфорации поверхности в окрестности точки с координатами (x, y) отличается от степени перфорации в окрестности точки с координатами (х, у). При этом под термином «градиент степени перфорации» понимается такое изменение степени перфорации, при котором степень перфорации в окрестности точки с координатами (x, y) меньше степени перфорации в окрестности точки с координатами (х, y), где x,<x. В этом случае будем говорить, что градиент степени перфорации поверхности совпадает с направлением оси X.
В лучшем варианте исполнения перфорация стенки стакана 18 и стенки обечайки 15 выполнена градиентной. Причем градиент степени перфорации стенки стакана 18 совпадает с направлением истечения продуктов сгорания в коллекторе 6, а градиент степени перфорации стенки обечайки 15 противоположен направлению истечения продуктов сгорания. В случае выполнения градиентной перфорации впускной патрубок 22 РТ размещается в зоне, соответствующей меньшей степени перфорации стенки обечайки 15, а выпускной патрубок 23 - в зоне, соответствующей большей степени перфорации стенки обечайки 15.
Такое выполнение рекуператора-теплообменника повышает интенсивность теплообмена продуктами сгорания и воздухом, направляемым в камеру сгорания.
Контактный водонагреватель работает следующим образом.
Перед включением контактного водонагревателя емкость 3 заполняется холодной водой до уровня полного покрытия распределительного коллектора 4. Уровень заполнения может контролироваться визуально или с помощью датчика уровня воды (не показан), который может быть установлен непосредственно в емкости 3 или в расширительном баке 7.
В камеру сгорания 2 подается газо-воздушная горючая смесь и производится ее воспламенение. Камера сгорания 2 вручную или с помощью системы автоматики выводится на заданный режим работы, обеспечивающий необходимую тепловую мощность нагревателя. Горячие продукты сгорания газо-воздушной смеси из камеры сгорания 2 поступают в коллектор 4 и из него - в жаровые трубки 5. В жаровых трубках 5 выполнены отверстия, через которые продукты сгорания поступают в объем воды емкости 3.
Прямой контакт горячих продуктов сгорания с водой приводит в процессе барботирования к ее интенсивному нагреву. Нагретая вода по патрубку 10 направляется к потребителю с помощью насоса 11.
В процессе барботирования происходит охлаждение отходящих в коллектор 6 дымовых газов (продуктов сгорания). Дополнительное охлаждение дымовых газов осуществляется посредством их орошения водой, разбрызгиваемой через коллектор-разбрызгиватель 9. В коллектор-разбрызгиватель 9 подается возвратная вода по патрубку 12. Температура возвратной воды значительно ниже температуры воды, находящейся в емкости 3, поэтому указанное орошение продуктов сгорания позволяет существенно снизить их температуру. Кроме того, орошение позволяет повысить влагосодержание в продуктах сгорания.
При осуществлении орошения над свободной поверхностью воды формируется водяная взвесь (пыль), которая увлекается охлаждаемыми продуктами сгорания в коллектор 6 и выбрасывается в атмосферу. Для уменьшения уноса воды в верхней части корпуса 1 водонагревателя размещены водоотбойные решетки 8.
На водоотбойных решетках 8 происходит конденсация водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. В процессе конденсации продукты сгорания дополнительно охлаждаются, а жидкость (вода) возвращается в емкость 3.
После прохождения водоотбойных решеток 8 продукты сгорания поступают в рекуператор-теплообменник, для дополнительного охлаждения, в процессе которого они отдают тепло воздуху, поступающему в камеру сгорания 2.
Холодный воздух из атмосферы через патрубок 22 поступает во внешнюю камеру 16 РТ. Холодный воздух, поступивший во внешнюю камеру 16 РТ, проходит через перфорированную обечайку 15 во внутреннюю камеру 17 РТ, разбиваясь на отдельные высокоскоростные струйки. Эти струйки после соударения с перфорированной стенкой коллектора 6 способствуют ее интенсивному охлаждению с одновременным повышением температуры воздуха в камере 17. При этом большая часть подогретого воздуха из камеры 17 поступает через патрубок 23 в камеру сгорания 2, а меньшая часть (как правило 10-15%) через перфорированную стенку поступает в камеру 19 конденсации водяного пара. В камере 19 происходит значительное снижение температуры продуктов сгорания из-за их смешения с поступившим воздухом. Образовавшаяся при этом смесь поступает в атмосферу с уменьшенной концентрацией вредных примесей в ней, а образующийся при этом конденсат водяных паров выпадает на перегородку 20 с последующим его сливом в емкость 3 через каналы 21.
Таким образом, повышение интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и воздухом, направляемым в камеру сгорания, повышает эффективность водонагревательного устройства с уменьшением содержания паров воды в отходящих дымовых газах. В итоге это повышает кпд и экологические показатели устройства. Кроме того, поступление в камеру сгорания подогретого воздуха уменьшает затраты топлива, что также способствует повышению КПД.
Дополнительное повышение интенсификации теплообмена между продуктами сгорания и воздухом, направляемым в камеру сгорания, может быть достигнуто за счет градиентного перфорирования стенок РТ. В этом случае целесообразно обеспечить градиент степени перфорации стенки стакана таким, чтобы он совпадал с направлением истечения продуктов сгорания. При этом желательно, чтобы градиент степени перфорации стенки обечайки был противоположен направлению истечения продуктов сгорания. Такое градиентное перфорирование формирует максимально эффективный процесс теплообмена между продуктами сгорания и воздухом, поступающим в камеру сгорания 2, и способствует повышению КПД нагревателя в целом.
Авторами были проведены демонстрационные испытания контактного водонагревателя при его тепловой мощности 10 кВт. По результатам испытаний с использованием пропан бутанового газа в качестве топлива достигнуты следующие показатели: при коэффициенте избытка воздуха, равном 1,07, КПД составил не менее 97% при содержании в выхлопных газах оксидов азота на уровне 25,2 ppm.
Данное техническое решение имеет высокую коммерческую привлекательность, т.к. позволяет в перспективе уменьшить потребление топлива на 15-20% по сравнению с традиционно используемыми котлами при улучшенных экологических показателях. Контактные водонагреватели с тепловой мощностью в 50 кВт могут привлечь внимание владельцев коттеджей.