Патент на изобретение №2272968

(54) ОТОПИТЕЛЬНЫЙ КОТЕЛ

(57) Реферат:

Котел предназначен для нагрева теплоносителя и может быть использован для обогрева жилых и производственных помещений. Котел содержит корпус в виде рубашки с теплоносительной средой, обрамляющей топочное пространство и газоходное пространство. Котел выполнен в форме параллелепипеда, во внутренний объем которого вертикально установлены полые теплообменные элементы, выполненные с выдавками с одной стороны, которые образуют лабиринт для прохождения продуктов сгорания между теплообменным элементом и внутренней боковой стенкой обрамляющей рубашки и между теплообменными элементами, а их торцевые стороны сообщаются с полостью рубашки, с задней стороны котла. В обрамляющей рубашке выполнен канал, разделенный горизонтальной перегородкой, соединенной с горизонтальной полкой Г-образного профиля, установленного между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом на всю его длину, а нижний торец вертикальной полки расположен ниже уровня огневых каналов газогорелочного устройства. Горизонтальная перегородка канала и Г-образный профиль образуют в канале две полости: верхняя полость соединяется с газоходным пространством и служит для удаления газообразных продуктов сгорания топлива в атмосферу, а нижняя полость – для прохода забираемого воздуха из атмосферы и подвода его в топочное пространство. В донной части котла установлен съемный герметичный поддон с вмонтированными в нем системами розжига запальной горелки и сжигания газообразного топлива. В боковой стороне котла, где расположена запальная горелка, выполнено герметичное застекленное смотровое окно и зеркально-оптическая система, а на противоположной боковой стороне установлены патрубки для подвода и отвода теплоносительной среды, сверху герметично установлена крышка с тепловым отражателем. Изобретение обеспечивает повышение эффективности и интенсивности теплообмена в котле, улучшение экологических условий в отапливаемом помещении и снижение уровня шума. 3 ил.

Изобретение относится к тепловой технике и может быть использовано для обогрева жилых, бытовых, производственных помещений любой этажности без потребления воздуха для сжигания топлива из помещения, в котором котел установлен.

Известен водогрейный котел [1], предназначенный для отопления жилых и производственных помещений, 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 жилых помещений. Уменьшение габаритных размерив данной схемы котла путем уменьшения количества теплообменных элементов приводит к резкому снижению его КПД.

Из известных отопительных котлов наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является отопительный котел [2], содержащий корпус в виде рубашки с теплоносительной средой, обрамляющей топку и газоход, с вертикально установленным теплообменным элементом внутри котла, сообщенным с полостью рубашки и разделяющий поток газообразных продуктов сгорания топлива на две равные части. В каналах, образованных между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом, выполнена прерывистая перегородка, препятствующая сквозному выходу продуктов сгорания в атмосферу.

Использование этого котла для отапливания помещения требует наличия в нем специального газоотводящего канала, который выводится выше уровня крыши отапливаемого помещения. Это способствует увеличению тяги и шума при сжигании топлива, особенно при увеличении этажности здания. При изменении внешних атмосферных условий необходимо производить перенастройку режима сжигания топлива. Поэтому на базе существующих в настоящее время систем вытяжки продуктов сгорания топлива этот тип котлов невозможно использовать в современных многоэтажных зданиях для индивидуального их обогрева без специальных устройств, снижающих уровень тяги до величин, обеспечивающих устойчивую и надежную работу котла. При сжигании топлива газогорелочным устройством в топке котла воздух, необходимый для горения, отбирается из отапливаемого помещения. Это снижает эффективность нагрева помещения и содержание в нем кислорода. Для обеспечения наилучших экологических условий в помещении, в котором установлен котел, и сжигания топлива газогорелочным устройством котла необходимо в помещение подавать воздух из атмосферы, что снижает температуру в нем. Указанные недостатки ограничивают применение этого котла в жилых помещениях.

Изобретение направлено на: возможность использования котлов малой мощности для индивидуального отапливания помещений в многоэтажных зданиях; повышение эффективности и интенсивности теплообмена между продуктами сгорания топлива и теплообменными элементами конструкции котла за счет увеличения площади конвективного теплообмена и турбулизации потока газообразных продуктов сгорания топлива; снижение массогабаритных параметров котла на единицу мощности; улучшение экологических условий эксплуатации котла путем уменьшения шума при сжигании топлива и исключения отбора воздуха для сжигания топлива из помещения, в котором устанавливается котел.

Это достигается тем, что известный отопительный котел, содержащий корпус в виде рубашки с теплоносительной средой, обрамляющей топочное и газоходное пространство, с вертикально установленным во внутренний объем котла полым теплообменным элементом, сообщенным с полостью рубашки и разделяющим поток газообразных продуктов сгорания топлива на части, в каналах, образующихся между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом, выполнена прерывистая перегородка за счет круглых или овальных вытяжек (выдавок), выполненных на теплообменном элементе, образующими в газоходе лабиринтный газовый канал во внутренний объем котла, выполненного в форме параллелепипеда, вертикально установлен, по крайней мере, один теплообменный элемент. Причем каждый из теплообменных элементов выполнен с выдавками с одной боковой стороны. Выдавки между теплообменным элементом, внутренней боковой стенкой обрамляющей рубашки и между теплообменными элементами образуют лабиринт для прохождения газообразных продуктов сгорания топлива.

Торцевые стороны теплообменных элементов сообщаются с полостью рубашки. С задней стороны котла в обрамляющей рубашке выполнен канал, разделенный горизонтальной перегородкой, соединенной с горизонтальной полкой Г-образного профиля, установленного между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом на всю его длину, а нижний торец вертикальной полки Г-образного профиля расположен ниже уровня огневых каналов газогорелочного устройства. При этом горизонтальная перегородка канала и Г-образный профиль образуют в канале две полости: верхняя полость соединяется с газоходным пространством и служит для удаления газообразных продуктов сгорания топлива в атмосферу, а нижняя полость – для прохода забираемого воздуха из атмосферы и подвода его в топочное пространство к газогорелочному устройству. В донной части котла установлен съемный герметичный поддон с вмонтированными в нем системами розжига запальной горелки и сжигания топлива в низкофакельных горелках газогорелочного устройства. В боковой стороне котла, где расположена запальная горелка, выполнено герметичное застекленное смотровое окно и зеркально-оптическая система для визуального наблюдения за процессами розжига и горения. На противоположной боковой стороне котла установлены патрубки для подвода и отвода теплоносительной среды. Сверху котла герметично установлена крышка с тепловым отражателем. Отопительный котел может устанавливаться на любом этаже здания без потребления воздуха для сжигания топлива из помещения, в котором он установлен.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен вид спереди на котел; на фиг.2 – поперечное сечение (А-А) отопительного котла; на фиг.3 – вид Б (слева).

Позиции на чертежах обозначают:

1 – наружная стенка обрамляющей рубашки;

2 – внутренняя стенка обрамляющей рубашки;

3 – обрамляющая рубашка котла;

4 – теплоносительная среда;

5 – полый теплообменный элемент;

6 – вертикальная стенка теплообменного элемента;

7 – овальная выдавка;

8 – топочное пространство котла;

9 – газоходное пространство котла;

10 – канал;

11 – горизонтальная перегородка;

12 – перегородка Г-образного профиля;

13 – горизонтальная полка Г-образного профиля;

14 – вертикальная полка Г-образного профиля;

15 – верхняя полость для удаления газообразных продуктов сгорания топлива из котла в атмосферу;

16 – нижняя полость для забора воздуха из атмосферы и подвода его в топочное пространство;

17 – поддон;

18 – газогорелочное устройство;

19 – запальная горелка;

20 – смотровое окно;

21 – декоративный кожух;

22 – зеркально-оптическая система для наблюдения за процессом розжига котла и сжигания газообразного топлива;

23 – патрубок подвода теплоносительной среды;

24 – патрубок отвода теплоносительной среды;

25 – крышка;

26 – тепловой отражатель;

27 – газопровод;

28 – блок управления;

29 – ручка управления газовым клапаном;

30 – кнопка пьезорозжига;

31 – датчик температуры;

32 – защитный колпак;

33 – поток газообразных продуктов сгорания топлива;

34 – поток воздуха;

35 – низкофакельные горелки;

36 – факел пламени.

Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи котел выполнен в форме параллелепипеда, во внутренний объем которого вертикально установлен, по крайней мере, один (в рассматриваемом варианте – два) полый теплообменный элемент 5 (фиг.1 и фиг.2). Полые теплообменные элементы 5 образуют с обрамляющей рубашкой 3 (корпусом) замкнутый объемный контур с теплоносительной средой 4 и разделяют внутренний объем котла на топочное 8 и газоходное 9 пространства. Геометрические размеры теплообменных элементов 6 определяются из условия наиболее эффективного отбора теплоты.

На одной вертикальной стенке 6 каждого из полых теплообменых элементов 5 выполнены овальные выдавки 7. Выдавки 7 между теплообменными элементами 5 и внутренней стенкой 2 обрамляющей рубашки 3 образуют лабиринты с постоянным поперечным сечением для прохождения газообразных продуктов сгорания топлива. Поперечные сечения проходных каналов лабиринтов выбираются из условия не превышения допустимого содержания вредных примесей в потоке газообразных продуктов сгорания топлива 33 при выходе его из котла в атмосферу в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51733-01.

В обрамляющей рубашке 3 котла сзади выполнен канал 10 (фиг.2), разделенный горизонтальной перегородкой 11, соединенной с горизонтальной полкой 13 перегородки Г-образного профиля 12. Причем вертикальная полка перегородки Г-образного профиля 14 установлена вдоль полого теплообменного элемента 5 и его горизонтальная полка 13 соединена с внутренней (боковой) стенкой обрамляющей рубашки 2. Торец вертикальной полки Г-образного профиля 14 установлен ниже уровня огневых каналов газогорелочного устройства 18. Горизонтальная перегородка 11 и горизонтальная полка Г-образного профиля 13 образуют в канале 10 две полости 15 и 16. Верхняя полость 15 служит для удаления газообразных продуктов сгорания топлива 33 из газоходного пространства котла 9 в атмосферу. Нижняя полость 16 предназначена для прохода забираемого потока воздуха 34 из атмосферы и подвода его в топочное пространства котла к газогорелочному устройству 18.

В донной части отопительного котла установлен съемный герметичный поддон 17 (фиг.2 и фиг.3) с вмонтированными в нем системами: розжига запальной горелки 19; сжигания газообразного топлива в низкофакельных горелках 35 газогорелочного устройства. В боковой стороне котла, где расположена запальная горелка 19, выполнено герметичное застекленное смотровое окно 20 и зеркально-оптическая система 22, позволяющие наблюдать за розжигом котла и процессом сжигания газообразного топлива в низкофакельных горелках 35, не наклоняясь к смотровому окну 20. На противоположной боковой стороне котла установлены патрубки для подвода 23 и отвода 24 теплоносительной среды. Сверху котла герметично установлена съемная крышка 25 с тепловым отражателем 26, снижающим потери теплоты в окружающую среду. Котел спереди и с боковых сторон закрыт декоративным кожухом 21.

Предлагаемая конфигурация котла позволяет наиболее рационально использовать площадь помещения, в котором устанавливается котел, благодаря возможности навески его на стену.

Разделение газоходного пространства котла 9 полыми теплообменными элементами 5 с выдавками создает лабиринтные каналы для прохождения продуктов сгорания газообразного топлива. Такая конструкция газоходного пространства, с одной стороны, удлиняет путь прохождения газообразных продуктов сгорания топлива 33, а с другой – изменяет направления их движения и увеличивает их турбулизацию. Это способствует: более полному сгоранию горючей смеси газа с воздухом и снижению содержания оксидов углерода и азота; эффективной теплопередаче от продуктов сгорания топлива к полым теплообменным элементам 5 и внутренней стенке обрамляющей рубашки 2; повышению КПД отопительного котла.

Применение канала 10, разделенного горизонтальной перегородкой 11, соединенной с перегородкой Г-образного профиля 12, на две полости 15 и 16, связанные с атмосферой, обеспечивает выброс продуктов сгорания газообразного топлива непосредственно в атмосферу без вертикального дымоходного канала, встроенного, как правило, в стену отапливаемого помещения, и одновременно благодаря герметизации топки котла от отапливаемого помещения обеспечивает забор необходимого для процесса сжигания газообразного топлива воздуха из атмосферы. Это дает возможность устанавливать котел на любом этаже отапливаемого здания. Снижение тяги в котле дало возможность применить низкофакельные горелки. Это позволило снизить габариты топочного пространства котла и уровень шума в нем, обеспечить наилучшие условия конвективного и лучевого теплообмена между газообразными продуктами сгорания топлива и нагревательными элементами в топочном пространстве.

Герметичная крышка 25 и съемный поддон 17 обеспечивают удобство обслуживания всех элементов котла и газогорелочного устройства.

Применение предложенной схемы подвода потока воздуха 34 для сжигания газообразного топлива в котле, отвода продуктов его сгорания 33 и конструктивное решение расположения полых теплообменных элементов 5 относительно обрамляющей рубашки котла 3 обеспечивают уровень допустимой концентрации вредных веществ в газообразных продуктах сжигаемого топлива на уровне ниже допустимых требований ГОСТ Р 51733-01. Температура отходящих газов в верхней полости 15 для удаления газообразных продуктов сгорания топлива из котла в атмосферу достаточна для предотвращения обмерзания и обледенения газоотводящего патрубка и защитного колпака 32.

Отопительный котел работает следующим образом. Перед розжигом котла отопительная система заполняется теплоносителем. Открывается кран подачи газообразного топлива (на фигурах не указан) к системе газоснабжения газогорелочного устройства. Поток воздуха 34, необходимый для осуществления процесса горения, поступает извне помещения через защитный колпак 32 по полости 16 к газогорелочному устройству. Ручка управления газового клапана 29 устанавливается в положение “розжиг”. При нажатии на ручку управления газового клапана происходит подача газообразного топлива к запальной горелке 19 и при нажатии на кнопку пьезорозжига 30 (в качестве пьезорозжига используется пьезовоспламинитель, находящийся в системе автоматики безопасности котла) поджигается запальная горелка 19. Ручка управления газового клапана 29 удерживается до тех пор, пока не сработает электромагнитный клапан (электромагнитный клапан на фигурах не указан). После срабатывания электромагнитного клапана ручка управления газового клапана 29 отпускается и возвращается в положение “подача газа” на низкофакельные горелки 35 газогорелочного устройства 18. При повороте ручки управления газовым клапаном 29 на низкофакельных горелках 35 воспламеняются факелы. В результате сжигания газовоздушной смеси образуется поток газообразных продуктов сгораний топлива 33. Этот поток направляется из топочного пространства котла 8 вверх и делится на части. Одна часть потока проходит между вертикальной полкой Г-образного профиля 14 и полым теплообменным элементом 5, вторая по лабиринту, образованному между полыми теплообменными элементами 5, и третья часть потока проходит по лабиринту, образованному между полым теплообменным элементом 5 и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2. Поток продуктов сжигания топлива омывает внутренние стенки обрамляющей рубашки 2, вертикальные стенки 6 теплообменных элементов 5 и поступает в газоходное пространство котла 9. В вертикальных газоходных каналах, образованных полыми теплообменными элементами 5 и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2, благодаря созданным лабиринтам потоки газообразных продуктов сгорания топлива 33 меняют направления движения, в результате чего происходит их перемешивание, улучшается теплопередача через стенки плоских полых теплообменных элементов 5 и внутреннюю стенку обрамляющей рубашки 2 к теплоносительной среде 4 котла. При подъеме потоков газообразных продуктов сгорания топлива 33 по вертикальным лабиринтным каналам они переходят в горизонтальный газоходный канал газоходного пространства котла 9. В горизонтальном газоходном канале газообразные потоки, проходящие между полыми теплообменными элементами 5 и внутренней стенкой обрамляющей рубашки 2 котла, объединяются и, передав указанным элементам котла основную долю тепловой энергии через верхнюю полость для удаления газообразных продуктов сгорания топлива 15, уходят из котла в атмосферу.

Использование новых элементов в котле выгодно отличает предлагаемый котел, так как позволяет:

– применять его на любом этаже в многоэтажных зданиях для индивидуального отопления;

– интенсифицировать теплообмен в топочном и газоходном пространствах путем улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к нагревательным элементам;

– улучшить экологические условия в отапливаемом помещении благодаря исключению отбора воздуха для сжигания газообразного топлива из помещения, в котором установлен котел, и снизить уровень шума;

– исключить необходимость наличия в помещении вертикальных газоотводящих дымовых каналов;

– снизить габариты и расход материалов на единицу мощности отопительного котла за счет: применения вертикально установленного полого нагревательного элемента; создания сложного лабиринта перемещения газообразных продуктов сгорания топлива, увеличивающего путь их прохождения, турбулизацию и площадь смывания теплопередающих элементов;

– применять низкофакельные горелки;

– повысить КПД отопительного котла;

– повысить надежность работы котла за счет исключения частой перенастройки работы газогорелочного устройства при резких изменениях потока атмосферного воздуха и задувания запальной горелки.;

– улучшить условия обслуживания в процессе эксплуатации.

Источники информации

1. Патент РФ №2122688, F 24 H 1/00. БИ №33, 1998.

2. Патент РФ №2189539, F 24 Н 1/00. БИ №26, 2002.

Формула изобретения

Отопительный котел для обогрева жилых и производственных помещений, содержащий корпус в виде рубашки с теплоносительной средой, обрамляющей топочное пространство и газоходное пространство, с вертикально установленным во внутренний объем котла полым теплообменным элементом, сообщенным с полостью рубашки и разделяющим поток газообразных продуктов сгорания топлива на части, в каналах, образующихся между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом, выполнена прерывистая перегородка за счет круглых или овальных вытяжек, выполненных на теплообменном элементе, образующих в газоходе лабиринтный газовый канал, отличающийся тем, что котел может устанавливаться на любом этаже здания без потребления воздуха для сжигания топлива из помещения, в котором он установлен, и выполнен в форме параллелепипеда, во внутренний объем которого дополнительно вертикально установлен, по крайней мере, один полый теплообменный элемент, причем каждый из теплообменных элементов выполнен с выдавками с одной стороны, которые образуют лабиринт для прохождения газообразных продуктов сгорания топлива между теплообменным элементом и внутренней боковой стенкой обрамляющей рубашки и между теплообменными элементами, а их торцевые стороны сообщаются с полостью рубашки, с задней стороны котла в обрамляющей рубашке выполнен канал, разделенный горизонтальной перегородкой, соединенной с горизонтальной полкой Г-образного профиля, установленного между внутренней стенкой обрамляющей рубашки и теплообменным элементом на всю его длину, а нижний торец вертикальной полки расположен ниже уровня огневых каналов газогорелочного устройства, при этом горизонтальная перегородка канала и Г-образный профиль образуют в канале две полости: верхняя полость соединяется с газоходным пространством и служит для удаления газообразных продуктов сгорания топлива в атмосферу, а нижняя полость – для прохода забираемого воздуха из атмосферы и подвода его в топочное пространство к газогорелочному устройству, при этом в донной части котла установлен съемный герметичный поддон с вмонтированными в нем системами розжига запальной горелки и сжигания газообразного топлива в низкофакельных горелках горелочного устройства, в боковой стороне котла, где расположена запальная горелка, выполнено герметичное застекленное смотровое окно и зеркально-оптическая система для визуального наблюдения за процессами розжига и горения, а на противоположной боковой стороне установлены патрубки для подвода и отвода теплоносительной среды, сверху герметично установлена крышка с тепловым отражателем.

РИСУНКИ