Водяной отопительный котел

Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано в теплоэнергетике. Водяной отопительный котел содержит топочную камеру с боковыми экранами из труб, нижний и верхний горизонтальные коллекторы, при этом каждый боковой экран состоит из первичного и вторичного экрана. Нижний коллектор составляют две нижние коллекторные трубы, задние концы которых соединены первой соединительной трубой, а верхний коллектор составляют две верхние коллекторные трубы, передние концы которых соединены второй соединительной трубой, первичный боковой экран выполнен в виде множества прямых труб, соединяющих каждую пару, состоящую из нижней и верхней коллекторных труб, расположенную по боковой стороне котла, а вторичный боковой экран выполнен в виде множества изогнутых труб, установленных с внешней стороны первичного экрана и соединяющих каждую пару, состоящую из нижней и верхней коллекторных труб, расположенную по боковой стороне котла при соотношении диаметров труб вторичного экрана: труб первичного экрана: труб нижнего коллектора: труб верхнего коллектора = 1:(2,1-2,5):(4,7-5,2):(6,6-7,0). Изобретение обеспечивает уменьшение металлоемкости котла и повышение экономичности и надежности. 13 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики, в частности, области конструкции устройств, применяемых для целей автономного отопления горячей водой помещений жилого, производственного и коммунального назначения, в частности, водогрейных котлов, и может быть использовано в теплоснабжении жилых, коммунальных и промышленных помещений, как в городской, так и в сельской местности.

Известен отопительный котел (RU, патент 2059940, F 24 Н 1/00, 1996), содержащий разделенные перегородкой опускной газоход с расположенными в нем конвективным пучком и топочную камеру с задним и боковым экранами, выполненными из вертикальных труб, передним экраном, образованным топочными трубами, объединенными коллекторами, параллельными трубами нижнего яруса, причем трубы нижнего яруса являются продолжением труб заднего экрана, при этом передний экран образован вертикальными трубами, подсоединенными к коллектору нижнего яруса потолочного экрана, к нему же подключены ближайшие к переднему экрану трубы боковых экранов, верхний ярус потолочного экрана выполнен из двух секций, трубы каждой из которых являются продолжением труб ближайших к ним боковых экранов и объединены одним общим или двумя независимыми коллекторами, расположенными в центральной части экрана между трубами нижнего яруса.

Недостатком известного котла следует признать сложность его конструкции, а также высокую металлоемкость.

Известен также водогрейный водотрубный котел (RU, патент 2118762, F 24 Н 1/00, 1998), содержащий топку и конвективные поверхности нагрева, образованные рамочной конструкцией камер и экранами с заглушкой концов труб, переходящих в конвективные поверхности нагрева, причем рамочная конструкция установлена в основании топки.

Недостатком известной конструкции следует признать необходимость использования насоса для циркуляции воды, а также вентилятора для подачи воздуха в топку, что усложняет конструкцию котла.

Известен водогрейный котел (RU, патент 2105246, F 24 Н 1/08, 1998), содержащий топочную камеру с передним, задним, потолочным, подовым и боковыми экранами, сообщенными с вертикальными и горизонтальными коллекторами, причем задний экран состоит из внутреннего и внешнего рядов, передний экран состоит из внутренних и внешних рядов с двумя вертикальными и двумя горизонтальными передними коллекторами, причем один вертикальный и один горизонтальный коллекторы снабжены глухой перегородкой и соединены друг с другом, при этом внешние ряды переднего экрана соединены с боковыми экранами и задним внешним рядом экрана, а второй горизонтальный передний коллектор соединен с подовым, внутренним задним, потолочным и внутренним передним экранами.

Недостатком известного котла следует признать сложность его конструкции, а также высокую металлоемкость.

Наиболее близким аналогом заявленного технического решения можно признать водяной отопительный котел (RU, патент 2164642, F 24 Н 1/14, 2001), содержащий топочную камеру с боковыми экранами из труб, нижний и верхний горизонтальные коллекторы, при этом каждый боковой экран состоит из первичного и вторичного экранов.

Недостатком известного котла следует признать сложность его конструкции, а также высокую металлоемкость.

Техническая задача, решаемая с использованием водяного отопительного котла предлагаемой конструкции, состоит в уменьшении металлоемкости при одновременном, по меньшей мере, сохранении коэффициента полезного действия.

Технический результат, получаемый при реализации отопительного котла предложенного конструкции, состоит в уменьшении себестоимости получаемой тепловой энергии за счет сокращения расходов на изготовление и обслуживание, при одновременном повышении экономичности, надежности, экологичности и простоте обслуживания.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать конструкцию водяного отопительного котла, содержащую топочную камеру с боковыми экранами из труб, верхний и нижний горизонтальные коллекторы, при этом каждый боковой экран состоит из первичного и вторичного экрана. Нижний коллектор составляют две нижние коллекторные трубы, задние концы которых соединены первой соединительной трубой, а верхний коллектор составляют две верхние коллекторные трубы, передние концы которых соединены второй соединительной трубой, первичный боковой экран выполнен в виде множества прямых труб, соединяющих каждую пару, состоящую из нижней и верхней коллекторных труб, расположенную по боковой стороне котла, а вторичный боковой экран выполнен в виде множества изогнутых труб, установленных с внешней стороны первичного экрана и соединяющих каждую пару, состоящую из нижней и верхней коллекторных труб, расположенную по боковой стороне котла при соотношении диаметров труб вторичного экрана: труб первичного экрана: труб нижнего коллектора: труб верхнего коллектора = 1:(2,1-2,5):(4,7-5,2):(6,6-7,0).

Для удобства использования обычно в нижней части каждой трубы нижнего коллектора бывает выполнен патрубок для заполнения котла и слива воды из котла. Это позволяет заполнять водой всю систему труб, из которых состоит конструкция котла, путем медленного вытеснения воздуха, что практически исключает образование воздушной пробки в трубах; это также позволяет удалять воду из системы труб. Оборотную воду из отопительной системы можно подводить к любой трубе нижнего коллектора, но предпочтительно подводить ее к первой соединительной трубе, что позволяет более равномерно распределять относительно холодную оборотную воду по системе труб, образующих конструкцию котла. Угол наклона труб первичного экрана зависит от расстояний между труб в верхнем и нижнем коллекторами, но обычно этот угол составляет от 30 до 40°. Для создания пространственной конструкции бокового экрана, когда вторичный экран расположен с внешней стороны первичного экрана, обычно трубы вторичного экрана изгибают. Однако возможен вариант реализации конструкции котла, когда трубы вторичного экрана соединяют под углом из отрезков двух труб. Конструктивное выполнение труб второго экрана зависит от диаметра используемых труб, их материала, наличия трубогибочного оборудования и т.д. На второй соединительной трубе обычно размещают патрубок подачи воды в отопительную систему, снабженный задвижкой, патрубок крепления термометра, патрубок для подключения манометра и, возможно, средства крепления другой контрольно-измерительной аппаратуры. Нижний коллектор котла обычно размещают на фундаменте, преимущественно, ленточном, причем под трубы коллектора предпочтительно укладывают на фундамент швеллер. Подобное размещения нижнего коллектора позволяет разместить между лентами фундамента колосник, позволяющий, с одной стороны, обеспечивать подачу воздуха в зону горения, и, с другой стороны, удалять из зоны горения топки твердые продукты горения (золу и, возможно, уголь). Для этой же цели под колосником между лентами фундамента выполняют нишу поддува и золоудаления. Для уменьшения потерь тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, с внешней стороны котел закрывают кладкой (облицовкой), преимущественно, из обожженного кирпича, однако, возможно и использование камня, кроме известняка. Топочная камера может быть выполнена с возможностью использования твердого топлива (дров, каменного угля, торфобрикетов и т.д.), жидкого топлива (дизтоплива или мазута), а также газообразного топлива (природного газа, отходящих газов или биогаза). Для повышения удержания котлом тепловой энергии в качестве своеобразного теплового аккумулятора между первичным и вторичным экранами может быть с промежутками уложен ряд огнеупорных кирпичей. Для более полной утилизации выделяющейся тепловой энергии дымоход обычно подключают к тыльной стороне котла, а трубы первичного экрана располагают против промежутков между трубами вторичного экрана. Между облицовкой котла и ленточным фундаментом обычно размещают, по меньшей мере, одно окно для очистки дымоходного канала. Обычно котел изготавливают из стальных труб, желательно с антикоррозийным внутренним покрытием. В качестве теплоносителя могут быть использованы вода, желательно умягченная, тосол, а также любой жидкий теплоноситель, допустимый нормами отраслевых стандартов.

Вышеприведенное соотношение диаметров труб первичного экрана: труб нижнего коллектора: труб верхнего коллектора = 1:(2,1-2,5):(4,7-5,2):(6,6-7,0) позволяет добиться оптимального распределения тепловой энергии, выделяемой при сгорании топлива, между поверхностями труб, входящих в предлагаемую конструкцию отопительного котла. При выходе за вышеуказанные пределы диаметра хотя бы одной из труб наблюдается значительное уменьшение коэффициента полезного действия котла, что выражается в значительно более медленном увеличении температуры жидкого теплоносителя, находящегося в системе отопления.

На чертеже приведена базовая конструкция предлагаемого котла (вид спереди), при этом использованы следующие обозначения: топочная камера 1, труба 2 нижнего коллектора, первая соединительная труба 3, труба 4 верхнего коллектора, вторая соединительная труба 5, труба 6 первичного экрана, труба 7 вторичного экрана, патрубок 8 для заполнения котла и слива воды, патрубок 9 оборотной воды, патрубок 10 подачи воды в систему, оснащенный задвижкой, патрубок 11 размещения термометра, патрубок 12 размещения манометра, ленточный фундамент 13, колосник 14, ниша 15 поддува и золоудаления, облицовка 16 котла, окно 17 очистки дымохода.

При изготовлении водяного отопительного котла предложенной конструкции обычно используют стальные трубы различного диаметра, ленточный фундамент, выполненный, предпочтительно, из монолитного армированного бетона или железобетонных блоков, стального швеллера, используемого в качестве фундамента для коллектора, обожженного кирпича в качестве материала облицовки и любого вяжущего раствора (глиняного или шамотного). В частности, для изготовления котла средней мощности были использованы для изготовления верхнего коллектора трубы диаметром 219 мм, для изготовления нижнего коллектора трубы диаметром 159 мм, для изготовления первичного экрана трубы диаметром 76 мм, для изготовления вторичного экрана трубы диаметром 32 мм, при этом диаметр соединительных труб составил 76 мм, а угол наклона труб первичного экрана 34°. Толщина боковой облицовки котла от низа фундамента до верха нижнего коллектора составила один кирпич (250 мм), а выше - полкирпича. Лицевая и тыльная стенки облицовки выполнены в полкирпича.

При использовании водяного отопительного котла предложенной конструкции через патрубок 8 подачи воды в котел при открытом положении патрубка 9 производят заполнение всех труб, входящих в конструкцию котла, а именно труб 2 нижнего коллектора, первой соединительной трубы 3, труб 4 верхнего коллектора, второй соединительной трубы 5, труб 6 первичного экрана, труб 7 вторичного экрана, водой или другим жидким теплоносителем. При этом, для удаления воздуха из внутренних полостей указанных трубчатых элементов котла и отопительной системы, система отопления здания в своей верхней точке должна быть сообщена с атмосферой. После заполнения указанных внутренних полостей котла жидким теплоносителем в топочную камеру 1 подают сжигаемое топливо (система подачи определяется видом сжигаемого топлива) и поджигают ее. При этом с использованием термометра, размещенного в патрубке 11, и манометра, размещенного в патрубке 12, контролируют состояние жидкого теплоносителя, регулируя при необходимости режим сгорания топлива в топочной камере 1. По мере нагрева теплоносителя под действием сил гравитации теплоноситель из отопительной системы поступает в первую соединительную трубу 3, распространяясь по трубам 2 нижнего коллектора, трубам 4 верхнего коллектора, второй соединительной трубе 5, трубам 6 первичного экрана, трубам 7 вторичного экрана, вытесняя нагретый теплоноситель через патрубок 9 в систему отопления. Выделяющаяся при сжигании топлива тепловая энергия в виде нагретого воздуха и дыма касается поверхностей труб 2 нижнего коллектора, частично, первой соединительной трубы 3, труб 4 верхнего коллектора, частично, второй соединительной трубы 5, труб 6 первичного экрана, труб 7 вторичного экрана, нагревая находящийся в них жидкий теплоноситель. Для улучшения процесса сгорания из ниши 15 поддува и золоудаления, расположенной между лентами фундамента 13, через колосник 14 в топочную камеру 1 поступает воздух. При необходимости подачу воздуха через нишу 15 усиливают с использованием любой системы воздухоподачи (вентилятор, компрессор и т.д.). Твердые продукты горения (шлаки и, частично, зольные частицы) через колосник 14 попадают в нишу поддува и золоудаления, откуда их впоследствии извлекают. Газообразные продукты горения (в том числе, и остальные зольные частицы) проходят мимо поверхностей труб 4 верхнего коллектора, второй соединительной трубы 5, труб 6 первичного экрана, труб 7 вторичного экрана и вдоль облицовки 16 поступают в дымоход. При этом зольные частицы частично оседают в зоне между трубами 7 вторичного экрана и облицовкой 16. Для их периодического удаления используют окна 17.

Использование предложенной конструкции водяного отопительного котла позволяет уменьшить примерно на 17% себестоимость получаемой тепловой энергии за счет уменьшения практически вдвое металлоемкости при его изготовлении по сравнению с ближайшим аналогом. Кроме того, использование водяного отопительного котла предложенной конструкции позволяет:

- обычно не использовать средств автоматики, тягодутьевых вентиляторов, насосных установок и оборудования химводоочистки, что гарантирует котельную установку от внепланового выхода из строя;

- конструкция проста в эксплуатации, не потребляет электроэнергию, не требует квалифицированного обслуживающего персонала;

- конструкция безопасна в эксплуатации, поскольку: отсутствует парообразование; в силу естественной циркуляции в системе отопления, при этом исключено появление избыточного давления;

- используемые при изготовлении конструкции материалы дешевы и доступны (не требуется высокопрочных легированных сталей, сложного оборудования и т.д.), при изготовлении не использованы сложные технологии, все это обеспечивает невысокую себестоимость и, следовательно, гораздо меньшую цену рассматриваемой конструкции в сравнении с распространенными котельными установками;

- опыт строительства и эксплуатации котельных установок предложенной конструкции свидетельствует об отсутствии необходимости в дополнительных крупных финансовых и трудовых затратах как минимум на 10-15 лет работы, в отличие от известных котельных установок, периодически требующих значительных профилактических и ремонтных работ;

- возможные неисправности в работе легко устранимы в рабочем порядке, не разбирая общей схемы установки: замена изнутри топочной камеры отдельных неисправных труб первичного экрана или заглушка отдельных труб вторичного экрана.

1. Водяной отопительный котел, содержащий топочную камеру с боковыми экранами из труб, нижний и верхний горизонтальные коллекторы, при этом каждый боковой экран состоит из первичного и вторичного экранов, отличающийся тем, что нижний коллектор составляют две нижние коллекторные трубы, задние концы которых соединены первой соединительной трубой, а верхний коллектор составляют две верхние коллекторные трубы, передние концы которых соединены второй соединительной трубой, первичный боковой экран выполнен в виде множества прямых труб, соединяющих каждую пару, состоящую из нижней и верхней коллекторных труб, расположенную по боковой стороне котла, а вторичный боковой экран выполнен в виде множества изогнутых труб, установленных с внешней стороны первичного экрана и соединяющих каждую пару, состоящую из нижней и верхней коллекторных труб, расположенную по боковой стороне котла при соотношении диаметров труб вторичного экрана: труб первичного экрана: труб нижнего коллектора: труб верхнего коллектора = 1:(2,1÷2,5):(4,7÷5,2):(6,6÷7,0).

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что в нижней части каждой трубы нижнего коллектора выполнен патрубок для заполнения котла и слива воды из котла.

3. Котел по п.1, отличающийся тем, что первая соединительная труба содержит патрубок для подачи оборотной воды.

4. Котел по п.1, отличающийся тем, что труба вторичного экрана составлена из двух отрезков труб, соединенных под углом.

5. Котел по п.1, отличающийся тем, что труба первичного экрана расположена против промежутка между трубами вторичного экрана.

6. Котел по п.1, отличающийся тем, что вторая соединительная труба содержит патрубок подачи воды в отопительную систему, снабженный задвижкой.

7. Котел по п.1, отличающийся тем, что вторая соединительная труба содержит патрубок крепления термометра.

8. Котел по п.1, отличающийся тем, что вторая соединительная труба содержит патрубок для подключения манометра.

9. Котел по п.1, отличающийся тем, что нижний коллектор установлен на ленточном фундаменте.

10. Котел по п.9, отличающийся тем, что под нижним коллектором между лентами фундамента установлен колосник.

11. Котел по п.10, отличающийся тем, что в зоне фундамента под колосником расположена ниша поддува и золоудаления.

12. Котел по п.1, отличающийся тем, что вторичные экраны и верхний коллектор облицованы кирпичом с внешней стороны.

13. Котел по п.1, отличающийся тем, что между первичным и вторичным экранами расположены кирпичи.

14. Котел по п.1, отличающийся тем, что тыльная часть котла соединена с дымоходом.