Водяной отопительный котел
Изобретение предназначено для нагрева воды и может быть использовано в теплоэнергетике. Котел выполнен из основной секции с нагревательным элементом в виде газогорелочного устройства с автоматическим регулировочным устройством подачи газа и нескольких, расположенных вертикально вверх дополнительных секций, каждая из которых содержит корпус, теплообменник в виде трубчатого змеевика и патрубки. Площадь проходного сечения труб змеевика и расстояние между рядами труб змеевика в каждой верхней секции меньше относительно труб змеевика ниже расположенной секции. Входные патрубки для каждой из секций присоединяются к трубопроводу подачи обратной воды. Выходные патрубки от каждой секции присоединяются к подающему тепло трубопроводу. Между автоматическим регулировочным устройством и газогорелочным устройством установлен дополнительный кран. Изобретение обеспечивает уменьшение габаритов, повышение производительности, повышение КПД, простоту и безопасность управления и эксплуатации котла. 1 ил.
Изобретение относится к теплоэнергетике, к водогрейным котлам малой и средней теплопроизводительности, в частности к газовому отопительному оборудованию, применяемому для целей автономного отопления горячей водой помещений, производственного и коммунального назначения, и может быть использовано в теплоснабжении, в частности для обогрева бытовых и промышленных помещений, цехов, дачных домов, коттеджей, теплиц, гаражей.
Основной задачей отопительной системы является повышение эффективности процесса теплопередачи и увеличение КПД всего котла. Один из путей совершенствования аппаратов такого типа - это улучшение системы теплообмена.
Известен «Отопительный газовый котел» по патенту RU 2215246, от 2002.06.04, МПК 7 F24H 1/00, опубликовано 2003.10.27, предназначенный для нагрева воды, и может быть использован в теплоэнергетике. Отопительный газовый котел содержит топку с газовой горелкой, корпус-теплообменник с водяной рубашкой, газоходный и дымоходный каналы.
Теплообменные полости, расположенные внутри водяной рубашки, выполнены в виде вертикальных желобов, сужающихся в направлении хода дымовых газов наклоном их боковых стенок, причем передняя и задняя стенки каждого желоба имеют углубления внутрь желоба, через который проходят дымовые газы, в каждом желобе выполнены поперечные каналы, соединяющие между собой соседние части водяной рубашки, а газовая горелка выполнена из стали толщиной в пределах 0,3-0,5 мм и имеет огневую поверхность с поперечными пазами в виде сквозных прорезей, ширина которых меньше длины не менее чем в десять раз.
Все вышеуказанное усложняет конструкцию и технологию изготовления котла, а также снижает производительность и интенсивность теплообмена и создает проблемы в эксплуатации.
Известен также «Водяной отопительный котел» по патенту RU 2282112, от 2005.01.31, МПК F24H 1/00 (2006.01), опубликован 2006.08.20, предназначенный для нагрева воды, и может быть использован 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 экранов. 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).
Конструкция металлоемкая, ненадежна из-за наличия множества сварных соединений, экономичность котла низкая.
Наиболее близким по технической сути является водогрейный котел для получения горячей воды и нужд теплоснабжения, по патенту RU №2166153, F24Н 1/00, бюл. №12, 27.04.2001, содержащий цилиндрический корпус с крышкой, теплообменник, образующий замкнутый контур нагрева, установленный в центре корпуса нагревательный элемент, патрубки, закрепленные на стенке корпуса. Водогрейный котел выполнен двухконтурным, верхняя часть котла снабжена перфорацией, над которой закреплен кожух второго нагревательного контура, во внутренней части которого установлен накопитель второго нагревательного контура, соединенный спиральным патрубком с первым нагревательным контуром так, что спиральный патрубок установлен коаксиально нагревательному элементу, а накопитель второго нагревательного контура вместе со спиральным патрубком помещен в теплоноситель первого нагревательного контура.
Такая конструкция сложна в изготовлении, при большом количестве сварочных операций (что так же присуще всем предыдущим отопительным котлом), не технологична в обслуживании, из-за сложного доступа к накопителю второго нагревательного контура, который вместе со спиральным патрубком помещен в теплоноситель первого нагревательного контура.
Задачей предлагаемого технического решения является уменьшение габаритов, повышение производительности, повышение КПД, простота и безопасность управления и эксплуатации.
Поставленная задача решается за счет того, что водяной отопительный котел выполнен из основной секции с нагревательным элементом в виде газогорелочного устройства с автоматическим регулировочным устройством подачи газа и нескольких, расположенных вертикально вверх дополнительных секций, каждая из которых содержит корпус, теплообменник в виде трубчатого змеевика и патрубки, при этом площадь проходного сечения труб змеевика и расстояние между рядами труб змеевика в каждой верхней секции меньше относительно труб змеевика ниже расположенной секции; входные патрубки для каждой из секций присоединяются к трубопроводу подачи обратной воды, выходные патрубки от каждой секции присоединяются к подающему тепло трубопроводу; между автоматическим регулировочным устройством и газогорелочным устройством установлен дополнительный кран.
Выполнение водяного отопительного котла со змеевиком, расположенным внутри его по вертикали секционно, позволяет полностью без потерь использовать энергетическое тепло газов по назначению, увеличить площадь теплообмена, снизить габариты и металлоемкость конструкции.
Выполнение отопительного котла из секций и подключение каждой секции в отдельности к системе подачи обратной воды и к системе отопления позволило сделать котел разъемным, устанавливая в каждом конкретном случае количество секций, необходимых для обогрева определенного объема помещения, и упростить управление при эксплуатации котла, составленного из нескольких секций, отключая или подключая по одной, или несколько секций, в зависимости от потребности в тепле в данный конкретный момент.
Уменьшенная площадь проходного сечения труб змеевика, с уменьшенным расстоянием между рядами труб змеевика, в каждой верхней секции относительно ниже расположенной, в совокупности с подключением каждой секции в отдельности к системе подачи обратной воды и к системе отопления, обеспечивает нормальную циркуляцию пароводяной смеси в нагревательных трубах по всей высоте котла, за счет заполнения верхних частей каждого змеевика, при снижении объема воды в котле до 15-20% от объема воды в аналогичных котлах.
Уменьшение объема воды в котле позволяет при меньших затратах энергии быстрее создавать парогазовую смесь, с преимущественным содержанием пара в змеевике котла, тем самым повысить скорость циркуляции, в каждой секции индивидуально, увеличить скорость теплообмена и повысить КПД системы до 90-98%.
Установление дополнительного крана между газогорелочным устройством и автоматическим регулировочным устройством позволяет, кроме включений или отключений отдельных секций, дополнительно регулировать количество подаваемого газа, учитывая потребности в тепле в данный конкретный момент, поскольку в отопительный сезон самый большой расход газа в основном приходится на два месяца - декабрь и январь, когда расход составляет 0,9-1 кВт энергии на 10 м2, а в остальные месяцы потребность составляет всего 0,3-0,8 кВт на 10 м2.
Серийные газогорелочные устройства рассчитаны на мощность от 12-14 кВт и более. Если отапливаемая площадь составляет 50 м2-70 м2-90 м2, то нет необходимости в работе газогорелочного устройства на полную мощность. При полной мощности работы горелок происходит резкое снижение плотности конвенционного потока, вследствие чего увеличивается тяга и скорость конвенционного потока, при которой он не успевает отдать всю тепловую энергию теплообменникам, а выносит ее в атмосферу, что приводит к снижению КПД котлов.
В типовом серийном газогорелочном устройстве при работе через автоматическое регулировочное устройство такой точной регулировки не предусмотрено.
Совокупность признаков нова и приводит к техническому результату, заключающемуся в уменьшении габаритов, повышении производительности, повышении КПД, простоте и безопасности управления и эксплуатации водяного отопительного котла за счет того, что площадь проходного сечения труб змеевика и расстояние между рядами труб змеевика в каждой верхней секции меньше относительно труб змеевика ниже расположенной секции; между автоматическим регулировочным устройством и газогорелочным устройством установлен дополнительный кран подачи газа; входные патрубки для каждой из секций присоединяются к трубопроводу подачи обратной воды, выходные патрубки от каждой секции присоединяются к подающему тепло трубопроводу.
На чертеж показан водяной отопительный котел, разрез.
На чертеже изображены водяной отопительный котел, где корпус основной секции 1, корпус дополнительной секции 2, корпус дополнительной секции 3, выступ 4 на верхнем торце корпуса каждой секции, отверстие 5 в днище, змеевик 6 первой секции, съемный отбойник 7, змеевик 8 дополнительной секции, газогорелочное устройство 9, нижний шибер 10 забора вторичного воздуха, кран 11 подачи газа, автоматическое регулировочное устройство 12 подачи газа, дополнительный кран 13 подачи газа, верхний торец 14 корпуса, дымовая труба 15 съемная, шибер для регулировки тяги 16, входные патрубки 17, трубопровод 18 подачи обратной воды, выходные патрубки 19, трубопровод 20 подачи горячей воды в систему отопления, теплоэлектронагреватель 21.
Водяной отопительный котел выполнен следующим образом.
Котел, в зависимости от площади отапливаемого помещения, выполнен из основной секции 1 и с несколькими, расположенными вертикально вверх, дополнительными секциями 2, 3, каждая из которых содержит корпус с заключенным в нем устройством для теплообмена, который представляет собой трубчатый змеевик 6, 8.
Площадь проходного сечения труб змеевика и расстояние между рядами труб змеевика в каждой верхней секции меньше относительно труб змеевика ниже расположенной секции.
Внутри змеевика каждой секции установлены съемные отбойники 7.
В нижней части корпуса 1 первой секции установлено над нижним шибером 10 забора вторичного воздуха газогорелочное устройство 9, подключенное через дополнительный кран 13 и автоматическое регулировочное устройство 12 к крану 11 подачи газа. На верхнем торце корпуса каждой секции по центру выполнен выступ 4, на который устанавливают или с помощью отверстия 5 в днище дополнительные секции 2, или 3, или съемную дымовую трубу 15 с шибером для регулировки тяги 16.
Входные патрубки 17 каждой секции присоединяют к трубопроводу подачи воды 18, выходные патрубки 19 от каждой секции присоединяют к подающему тепло трубопроводу 20.
Водяной отопительный котел работает следующим образом.
Природный газ в течение всего отопительного сезона поступает одинаковым потоком через открытый кран 11 подачи газа через автоматическое регулировочное устройство 12 и дополнительный кран 13, которым точно регулируют подачу необходимого потока газа к газогорелочному устройству 9, исходя из потребности тепла для конкретной отапливаемой площади, в данный момент времени.
От сгорания газа образуется конвенционный поток, который циркулирует, проходя через трубные спирали змеевика 6, 8, поворачивает вдоль отбойников 7 к корпусу, потом снова к центру и, так далее, делая 2, 4 или 6 ходов, отдает при этом в основной секции 1 часть тепла и попадает в вышележащие дополнительные секции 2, 3 со все меньшей от секции к секции температурой, и уже отдав максимум тепла, попадает в дымовую трубу 15.
Для максимальной передачи тепла от конвенционного потока змеевикам вышележащих секций 8, площадь проходного сечения труб змеевика и расстояние между рядами труб змеевика в каждой верхней секции выбрано меньше относительно труб змеевика ниже расположенной секции.
Это обеспечивает увеличение скорости циркуляции пароводяной смеси в верхних секциях при сниженной температуре конвенционного потока относительно первой секции. Температура разогретого газогорелочным устройством 9 конвенционного потока, проходя по секциям котла, приравнивается к температуре воды, заключенной внутри змеевиков 6, 8.
От трубопровода 18 через входные патрубки 17 обратную воду подают в каждую из 1, 2 и 3 секции, а через выходные патрубки 19 от каждой секции пароводяную смесь подают в трубопровод 20. Это обеспечивает нормальную циркуляцию пароводяной смеси в трубах змеевика по всей высоте котла, при сниженном объеме воды в котле, до 15-20% (17-20 литров) от объема воды (70-100 литров) в аналогичных по теплотворности котлах. За счет этого происходит более быстрый нагрев и ускорение циркуляции воды в котле, снижаются затраты топлива на нагрев.
Верхний шибер 16 и нижний шибер 10 предназначены для создания оптимальной тяги в котле, которая обеспечивает полную отдачу тепла от конвенционного потока к теплообменникам. При большой скорости прохождения конвенционного потока через змеевики, поток не успевает отдать все тепло и выходит в трубу с высокой температурой, что снижает КПД котла.
Температура пароводяной смеси в каждой секции своя и подают ее в общий трубопровод 20, чем достигается максимально полное использование теплотворности сжигаемого топлива и повышение КПД котла в целом до 90-98%.
Котел прост для техобслуживания, за счет съемных секций. Легкий доступ к внутренним компонентам котла упрощает и ускоряет процесс сервисного и технического обслуживания.
При испытаниях опытной серии отопительных котлов с серийным автоматическим регулировочным устройством, когда температура воды падала до заданного значения, при включении газогорелочных устройств через такое устройство, происходила резкая вспышка газа, с резким хлопком. Это явление присуще многим серийным отопительным котлам отечественного и зарубежного производства.
Кроме возможности ручной регулировки, дополнительный кран 13, установленный между типовым автоматическим регулирующим устройством 12 и газогорелочным устройством 9, исключает такое явление, как резкая вспышка газа, с резким хлопком.
При сбое сетевого газа в конструкции котла предусмотрен перевод на электроэнергию.
При сбое сетевого газа и при отключении электроэнергии, предусмотрено переоборудование котла для сжигания твердого топлива, сортированных антрацитов, кускового каменного и бурого угля, брикетированного топлива и дров.
Водяной отопительный котел выполнен из основной секции с нагревательным элементом в виде газогорелочного устройства с автоматическим регулировочным устройством подачи газа и нескольких, расположенных вертикально вверх, дополнительных секций, каждая из которых содержит корпус, теплообменник в виде трубчатого змеевика и патрубки, отличающийся тем, что площадь проходного сечения труб змеевика и расстояние между рядами труб змеевика в каждой верхней секции меньше относительно труб змеевика ниже расположенной секции, входные патрубки для каждой из секций присоединяются к трубопроводу подачи обратной воды, выходные патрубки от каждой секции присоединяются к подающему тепло трубопроводу, между автоматическим регулировочным устройством и газогорелочным устройством установлен дополнительный кран.
