Отопительный котел

 

Котел предназначен для нагрева воды и может быть использован для отопления. Котел содержит корпус в виде рубашки с теплоносительной средой, обрамляющей топку и газоход. Во внутренний объем котла вертикально установлен теплообменный элемент, сообщенный с полостью рубашки и разделяющий поток газообразных продуктов сгорания топлива на две равные части. Теплообменный элемент состоит из двух участков: участка с расширяющимся поперечным сечением снизу вверх и участка с постоянным поперечным сечением прямоугольной формы, в верхней части которого выполнен газоходный канал, сообщающийся с дымоходом. В каналах, образующихся между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом на участке с постоянным сечением, выполнена прерывистая перегородка в форме круглых или овальных вытяжек так, что горизонтальное сечение потока остается постоянным и отсутствует прямолинейный сквозной канал для выхода продуктов сгорания. Конструкция котла позволяет повысить эффективность и интенсивность теплообмена между продуктами сгорания и теплообменными элементами котла. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к тепловой технике и может быть использовано для обогрева жилых, бытовых, производственных помещений, что позволяет использовать отопительный котел для обогрева индивидуальных теплиц и др. помещений.

Известен водогрейный котел [1, 2], предназначенный для отопления, содержащий обрамленную водяной рубашкой топку, соединенную с окном для выхода продуктов сгорания. В верхней части топки расположены направляющие перегородки, одна из которых расположена поперечно на расстоянии от боковой стенки топки с образованием прохода для продуктов сгорания, а другая перегородка выполнена в виде вертикальной незамкнутой обечайки. Она установлена между поперечной перегородкой и верхней стенкой топки, а незамкнутый участок обечайки обращен в сторону, противоположную упомянутому выше проходу.

Для повышения эффективности теплообмена водогрейный котел снабжен дополнительными перегородками, одна из которых установлена поперечно между окнами для выхода продуктов сгорания, а вторая расположена продольно.

Недостатком известных водогрейных котлов является то, что не в полной мере используются возможности по повышению эффективности теплообмена между перегородками и водой, заполняющей водяную рубашку, так как в нем увеличивается только путь прохождения продуктов сгорания и время их нахождения в топочном пространстве, а площадь теплообмена остается неизменной.

Эффективность теплообмена возрастает незначительно только за счет теплоотвода от металлических перегородок к стенкам водяной рубашки в верхней части котла. Такой характер теплопередачи не способствует обеспечению интенсивной циркуляции воды в отопительной системе. Кроме того, такая конструкция котла не эффективна при отоплении помещений объемом менее 300 м³.

Из известных отопительных котлов наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является отопительный котел [3], содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал.

Использование этого котла для отапливания помещений менее 300 м³ является не эффективным, так как он является относительно громоздким для таких помещений и работает в режиме с прерывистым горением основного горелочного устройства. Это не позволяет использовать его полную мощность. Уменьшение габаритных размеров данной схемы котла путем уменьшения количества теплообменных элементов приводит к резкому снижению его КПД.

Изобретение направлено на повышение эффективности и интенсивности теплообмена между продуктами сгорания топлива и теплообменых элементов конструкции котла за счет увеличения площади конвективного теплообмена и турбулизации потока газообразных продуктов сгорания топлива и снижения массогабаритных параметров котла на единицу мощности.

Это достигается тем, что в известный отопительный котел, содержащий корпус в виде рубашки с теплоносительной средой, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал, во внутренний объем котла вертикально установлен теплообменный элемент, сообщенный с полостью рубашки и разделяющий поток газообразных продуктов сгорания топлива на две равные части. Теплообменный элемент сложной формы выполнен в виде двух участков: участка с расширяющимся поперечным сечением снизу вверх и участка с постоянным поперечным сечением прямоугольной формы. В верхней части нагревательного элемента выполнен газоходный канал, сообщающийся с дымоходом. В каналах, образующихся между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом на участке с постоянным сечением, выполнена прерывистая перегородка так, что горизонтальное сечение потока остается постоянным и отсутствует прямолинейный сквозной канал для выхода продуктов сгорания. Прерывистая перегородка выполнена на внутренней стенке обрамляющей рубашки в форме круглых или овальных вытяжек, смещенных относительно друг друга. Прерывистая перегородка может быть выполнена на теплообменном элементе на участке с постоянным поперечным сечением в форме круглых или овальных вытяжек, смещенных относительно друг друга.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено продольное сечение отопительного котла; на фиг.2 - поперечное сечение котла; на фиг.3 - вид по А-А на прерывистую перегородку, выполненную на внутренней стенке обрамляющей рубашки котла в виде круглых вытяжек; на фиг.4 - вид по А-А на прерывистую перегородку, выполненную на внутренней стенке обрамляющей рубашки котла в виде овальных вытяжек.

Позиции на чертежах обозначают: 1 - обрамляющая рубашка котла; 2 - теплоносительная среда; 3 - внутренняя стенка обрамляющей рубашки; 4 - наружная стенка обрамляющей рубашки; 5 - теплообменный элемент; 6 - участок теплообменного элемента с изменяющимся поперечным сечением; 7 - участок теплообменного элемента с постоянным поперечным сечением; 8 - топочное пространство котла; 9 - газоходное пространство котла;
10 - вертикальный газоходный канал;
11 - горизонтальный газоходный канал;
12 - перегородка прерывистая;
13 - газоход;
14 - поток газообразных продуктов сгорания топлива;
15 - патрубок выхода из котла теплоносительной среды;
16 - патрубок входа в котел теплоносительной среды;
17 - газогорелочное устройство;
18 - дымоход;
19 - круглые вытяжки;
20 - овальные вытяжки.

Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи во внутренний объем отопительного котла введен полый теплообменый элемент 5 (фиг. 1 и 2). Он выполнен в виде двух участков: участок теплообменного элемента с изменяющимся поперечным сечением 6 и участок теплообменного элемента с постоянным поперечным сечением 7. Теплообменный элемент 5 образует с теплоносительной обрамляющей рубашкой (корпусом) 1 замкнутый объемный контур теплоносительной среды 2 и разделяющий внутренний объем котла на топочное 8 и газоходное пространства 9. Причем наименьшее сечение участка 6 теплообменного элемента расположено ближе к газогорелочному устройству 17.

Теплообменный элемент 5 с внутренней стенкой обрамляющей рубашки 3 образуют газоходное пространство 9. Оно состоит из вертикальных газоходных каналов 10, горизонтальных газоходных каналов 11 и газохода 13. На внутренней стенке обрамляющей рубашки (фиг.3) выполнены круглые вытяжки 19 или овальные вытяжки 20 (фиг.4), которые образуют с участком 7 теплообменного элемента 5 с постоянным поперечным сечением прерывистую перегородку 12 (фиг.1 и 2). Вертикальные 10, горизонтальные 11 газоходные каналы, перегородка прерывистая 12 и газоход 13 образуют лабиринт для выхода в дымоход 18 потока газообразных продуктов сгорания топлива 14. Разделение газоходного пространства 9 теплообменным элементом 5 и создание вертикальных 10, горизонтальных 11 каналов удлиняет путь прохождения продуктов сгорания топлива 14, а изменение направления их движения увеличивает их турбулизацию. Это способствует более полному сгоранию горючей смеси газа с воздухом и снижению содержания СО; эффективной теплопередаче от продуктов сгорания топлива благодаря омыванию ими большей площади внутренней поверхности обрамляющей рубашки 3 и теплообменного элемента 5, повышению КПД отопительного котла.

Участок теплообменного элемента 5 с изменяющимся поперечным сечением 6 (фиг. 2) установлен наклонно к восходящему тепловому потоку продуктов сгорания топлива. Это обеспечивает наилучшие условия конвективного и лучевого теплообмена между газообразными продуктами сгорания топлива и нагревательным элементом в топочном пространстве. За счет относительно малого объема теплоносительной среды в нижней части нагревательного элемента 5 и расположения его в области высоких температур отходящих газов продуктов сгорания топлива 14 она подвергается интенсивному разогреву и быстрому тепловому расширению. В результате этого образуется разность давлений между входом в котел теплоносительной среды (патрубок 16) и выходом из отопительного котла (патрубок 15), что создает направленный поток теплоносительной среды.

Такая конструкция отопительного котла обеспечивает наиболее эффективную теплопередачу в теплообменных элементах за счет увеличения площади теплопередачи без увеличения габаритных размеров и снижает температуру выходящих газов и содержание СО.

Отопительный котел работает следующим образом. В топочном пространстве котла 8 сжигается газовоздушная смесь, которая подается газогорелочным устройством 17. Продукты сгорания образуют газообразный поток 14, который разделяется на два потока и направляется вверх по сужающемуся поперечному сечению топочного пространства 8. Поток продуктов сгорания омывает внутренние стенки обрамляющей рубашки 3, боковые стенки теплообменного элемента 5 и поступает в газоходное пространство 9. В вертикальных газоходных каналах 10 благодаря прерывистой перегородке 12 газообразные потоки 14 меняют направления движения, в результате чего происходит их перемешивание, улучшается теплопередача через стенку нагревательного элемента 5 на участке теплообменного элемента с постоянным поперечным сечением 7 и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 3 к теплоносительной среде котла. При подъеме газообразных потоков 14 по вертикальным газоходным каналам 10 они переходят в горизонтальный газоходный канал 11. В горизонтальном газоходном канале горизонтальные потоки 14 направлены на встречу друг другу. В месте встречи разделенных потоков 14 в горизонтальном газоходном канале они затормаживают друг друга, смешиваются и меняют направления движения. Это улучшает теплопередачу от газообразного потока в газоходе 13 к теплоносительной среде 2, находящейся в нагревательном элементе и обрамляющей рубашке котла. Газообразный поток 14, передав указанным элементам котла основную долю тепловой энергии, уходит в дымоход 18.

Использование новых элементов в котле выгодно отличает предлагаемый котел, так как позволяет
- интенсифицировать теплообмен в топочном и газоходном пространстве путем улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к нагревательным элементам;
- повысить скорость циркуляции теплоносительной среды за счет повышения скорости разогрева в теплообменных элементах;
- снизить габариты и расход материалов на единицу мощности отопительного котла за счет применения вертикально установленного нагревательного элемента, прерывистой перегородки в вертикальном газоходном канале и создания сложного лабиринта перемещения продуктов сгорания топлива, увеличивающего путь их прохождения и площадь омывания;
- повысить КПД отопительного котла;
- повысить надежность работы котла за счет исключения задувания запальника при резких изменениях потока атмосферного воздуха;
- улучшить условия обслуживания в процессе эксплуатации.

Источники информации
1. Авторское свидетельство 1820156 A1, F 24 Н 1/26, F 23 М 9/06, БИ 21,1993.

2. Авторское свидетельство 1733867 A1, F 24 Н 1/40, БИ 18, 1992.

3. Патент РФ 2122688, F 24 Н 1/00, БИ 33, 1998.

Формула изобретения

1. Отопительный котел для обогрева помещений, содержащий корпус в виде рубашки с теплоносительной средой, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал, отличающийся тем, что во внутренний объем котла вертикально установлен теплообменный элемент, сообщенный с полостью рубашки и разделяющий поток газообразных продуктов сгорания топлива на две равные части, причем теплообменный элемент состоит из двух участков, участка с расширяющимся поперечным сечением снизу вверх и участка с постоянным поперечным сечением прямоугольной формы, в верхней части которого выполнен газоходный канал, сообщающийся с дымоходом, а в каналах, образующихся между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом на участке с постоянным сечением, выполнена прерывистая перегородка так, что горизонтальное сечение потока остается постоянным и отсутствует прямолинейный сквозной канал для выхода продуктов сгорания.

2. Отопительный котел по п. 1, отличающийся тем, что прерывистая перегородка выполнена на внутренней стенке обрамляющей рубашки в форме круглых вытяжек, смещенных относительно друг друга.

3. Отопительный котел по п. 1, отличающийся тем, что прерывистая перегородка выполнена на внутренней стенке обрамляющей рубашки в форме овальных вытяжек, смещенных относительно друг друга.

4. Отопительный котел по п. 1, отличающийся тем, что прерывистая перегородка выполнена на теплообменном элементе на участке с постоянным поперечным сечением в форме круглых или овальных вытяжек, смещенных относительно друг друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4