Термодинамически сбалансированный отопительный водогрейный котел (варианты)Термодинамикалык тендестiрiлген су жылытатын казан (варианттары)

(51) 24 1/00 (2006.01) 24 3/00 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ поверхностей нагрева котла и их количество имеют строго определенные параметры, получаемые с помощью определенных коэффициентов. Все поверхности нагрева котлов выполнены в виде плоских, полых теплообменных элементов с продольными каналами и расположены перпендикулярно к восходящему потоку продуктов сгорания, образуя лабиринтный газоход. Стены топочной камеры являются полыми и соединены с единой теплообменной средой. Колосник выполнен из толстостенных труб, которые с корпусом котла образуют замкнутый контур теплоносительной среды. В колодце имеется технологическая дверь, предназначенная для его обслуживания (чистки), является полой и соединена с помощью теплостойкого армированного шланга с корпусом котла, за счет чего также участвует в теплообменном процессе. Дымогарная труба присоединена к задней стенке котла в верхней части, имеет отстойник для сбора сажистых отложений, которые легко удаляются через окно, расположенное в нижней части отстойника.(56) Предварительный патент РК 8993, кл. 24 Н 1/28, 2000(54) ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ СБАЛАНСИРОВАННЫЙ ОТОПИТЕЛЬНЫЙ ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ (ВАРИАНТЫ)(57) Термодинамически сбалансированный отопительный водогрейный котел относится к тепловой технике и предназначен для обогрева жилых,административных и производственных помещений и горячего водоснабжения. Котел содержит корпус с патрубками подвода и отвода воды, топочную камеру с дверцами колосник, состоящий из толстостенных труб, плоские полые теплообменные элементы в количестве 6-10 штук, соединенные с корпусом котла технологическая дверь в колодце котла, отстойник, где собирается сажа и имеется окно для его чистки, при этом площади всех 19940 Изобретение относиться к отопи-тельной технике и может быть использовано для обогрева жилых, административных и производст-венных помещений,что позволяет использовать отопительный аппарат в столовых, сельских больницах, теплицах, фермах, а также для горячего водоснабжения с естественной или принудительной циркуляцией теплоносителя (воды). Известен водогрейный котел, содержащий размещенную в корпусе топку с верхним, передним,задним и боковыми экранами из плавниковых труб,а также установленные между боковыми экранами и корпусом промежуточные экраны. Трубы расположены со смещением относительно труб соответствующих экранов и снабжены плавниками с компенсаторами, выполненными в поперечном сечении в виде дуги окружности и обрамляющих трубы боковых экранов (а.с. СССР 1537975, кл. 24 Н 1/14, 1990). Известен водогрейный котел, содержащий корпус с водяной рубашкой, топку с колосниковой решеткой, бункер для топлива и дымогарные трубы. Топка выполнена в виде двух камер с наклонными боковыми стенами. Дымогарные трубы подключены к каждой из камер и снабжены плосковитыми турбулизаторами (а. с. СССР 1740902, кл. 24 Н 1/22, 1992). Недостатками устройств является низкая экономичность вследствие больших тепловых потерь,недостаточное использование потока дымовых газов, низкий КПД. Известен водогрейный котел, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода воды,обрамляющий топочную камеру с дверцей и ряды дымогарных каналов, с установленными в них продольными интенсификаторами теплообмена и турбулизаторами потока (а.с. СССР 1733867, кл.24 Н 1/40, 1992). Недостатком известного технического решения является недостаточное использование тепла потока дымовых газов. Так, в известном техническом решении скорость потока незначительно увеличивается в конвективных поверхностях котла,поэтому эффективность теплообмена в верхних рядах дымогарных каналов не возрастает. Известен водогрейный котел, содержащий корпус с патрубками подвода и отвода воды, полые секции, турбулизаторы потока, съемные заслонки,люк (предпатент РК 6901, кл. 24 128, 1999). Недостатком этого устройства является громоздкость конструкции, сложность ремонтных работ, неудобство в обслуживании. Наиболее близким техническим решением к изобретению является водогрейный котел,содержащий корпус с патрубками подвода и отвода воды, топочную камеру с дверцами, полые секции,соединенные с корпусом котла, при этом полые секции выполнены до середины котла, снабжены сплошной заслонкой и расположены в шахматном порядке (предпатент РК 8993, кл. 24 128,2000). Недостатком этого устройства является громоздкость конструкции, сложность проведения 2 ремонтных работ, неудобство в обслуживании,невысокий КПД. Задачей изобретения является создание устройства, имеющего максимальный КПД за счет наиболее полного использования тепла,выделяемого продуктами сгорания, экономии топлива, уменьшение количества выбросов в атмосферу, упрощение конструкции водогрейного котла, обеспечение удобства в работе и обслуживании, а также экономия материалов,используемых при проектировании котла, когда практически все его узлы используются в качестве теплообменных элементов. Техническим результатом изобретения является достижение термодинамического баланса в котле,при котором достигается максимальный КПД за счет наиболее полного использования тепла,экономии топлива, упрощение конструкции котла,обеспечение удобства в работе и обслуживании. Как известно, термодинамический баланс, т.е. тепловое равновесие -это состояние тел или системы тел, при котором его термодинамические параметры остаются неизменными. В частности,известно, что когда тела находятся в тепловом контакте, температура выравнивается. В этом случае передачи тепла от одного тела к другому не происходит. Это относится и к отопительным системам, когда важно понять, в какой момент происходит термодинамический баланс при контакте топочных газов с теплоносителем (вода в отопительной системе). Известно, что начальная температура топочных газов может быть очень высокой (более тысячу градусов по Цельсию). При их контакте с теплообменными элементами, содержащими теплоноситель и имеющими более низкую температуру,происходит передача тепла. По мере продвижения топочных газов по газоходу в котле температура топочных газов уменьшается, а температура теплоносителя(воды в котле),наоборот,увеличивается. Значит, чем больше площадь теплообменных элементов, тем больше путь омывания их продуктами сгорания и, следовательно,выше эффективность теплопередачи. Происходит это до тех пор, пока температура в обоих телах (топочных газов и теплоносителя) не выравнивается. Дальнейшая передача тепла уже невозможна. Таким образом, происходит достижение термодинамического баланса отопительной системы,которое приводит к максимальному использованию энергии топлива и ее экономии. Технический результат достигается тем, что в описываемых термодинамически сбалансированных водогрейных котлах, содержащих корпус с патрубками подвода и отвода воды, топочную камеру с дверцами колосник, состоящий из толстостенных труб,полые теплообменные элементы в количестве 6-10 штук, соединенные с корпусом котла технологическая дверь в колодце котла, отстойник, где собирается сажа и имеется окно для его чистки, площади всех поверхностей нагрева котла и их количество имеют строго 19940 определенные параметры, получаемые с помощью ниже описываемых коэффициентов. Все поверхности нагрева котлов выполнены в виде плоских, полых теплообменных элементов с продольными каналами и расположены перпендикулярно к восходящему потоку продуктов сгорания, при этом топочные газы омывают всю поверхность теплообменных элементов, проходя через лабиринтный газоход, касаются всех стенок газохода (бьются о стенки), постепенно остывая,оседают на нем в виде сажи. Площадь топочной камеры максимально используется для теплообмена, стены которой являются полыми и содержат теплоноситель (воду) и соединены с единой теплообменной системой. Колосник также участвует в теплообмене, так как вместо арматуры или прутка используются толстостенные трубы, которые содержат теплоноситель и соединены с теплоносительной средой котла. Технологическая дверь, расположенная в колодце котла (т.е. в узле котла, содержащем газоход и теплообменные элементы) и предназначенная для его обслуживания (чистки), является полой и содержит теплоноситель, соединена с помощью теплостойкого армированного шланга с корпусом котла, образуя с корпусом котла замкнутый контур теплоносительной среды. Для удобства обслуживания технологическая дверь расположена на боковой стенке котла, в результате все поверхности теплообменных элементов легкодоступны для чистки. Дымогарная труба расположена не на верху котла, а присоединена к задней стенке котла в верхней части. Это предостерегает от того, чтобы образующиеся в результате конденсата в дымоходе сажистые отложения не попадали на теплообменные элементы. Кроме того, дымогарная труба имеет отстойник для сбора сажистых отложений, которые легко удаляются через окно, расположенное в нижней части отстойника. Сущность изобретения поясняется чертежами,где на фиг. 1 изображен термодинамически сбалансированный отопительный водогрейный котел(А - вид сбоку, Е- внешний вид) на фиг. 4 вертикальный круглый котел (А - вид сбоку, В - вид сверху,- вид спереди). Позиции на чертежах обозначают 1- корпус котла 2- топочная камера 3- колодец 4- колосник 5- загрузочная дверь 6- разгрузочная дверь 7- зольник 8- патрубок для подвода холодной воды 9- патрубок для отвода горячей воды 10- горизонтальные теплообменные элементы 11- дымогарная труба 12- отстойник 13- окно отстойника 14- технологическая дверь 15- болты крепления двери 16- крючки 17- вертикальная полая перегородка 18- шарниры. На чертежах обозначены- теплоносительная среда- расстояние между горизонтально расположенными теплообменными элементами в колодце 1 - расстояние между горизонтально расположенными теплообменными элементами и вертикальными стенками колодца Г (Г 1, Г 2, Г 3) - газоходы Д - дымоход Т.г. -топочные газы- диаметр трубы колосника. Описываемые термодинамически сбалансированные котлы представляют собой совмещенную в единую конструкцию топочную камеру 2 и колодец 3, имеющие общий газоход Г, который имеет продолжение в виде дымохода Д, дымогарную трубу 11, представляющую собой плоскую прямоугольную трубу, имеющую зигзаг образный ход, колосник 4, выполненный из толстостенных труб и сообщенный с теплоносительной средойкотла. В передней части котла расположены загрузочная дверь 5 и разгрузочная дверь 6, которые сделаны из огнеупорной стали. Загрузочная дверь 5 служит для заправки твердого топлива в топочную камеру 2. Разгрузочная дверь 6 предназначена для удаления из топочной камеры отходов продуктов сгорания в виде золы и шлаков. На боковой стенке колодца 3 котла расположена технологическая дверь 14, являющаяся полой, внутри которой содержится теплоноситель, предназначенная для очистки и иного технического обслуживания котла. В зависимости от размера топочной камеры и колодца можно открыть кроме одной еще вторую технологическую дверь с противоположной стороны. В качестве уплотнителя технологической двери 14 используется асбестовая нить, которая цепляется за крючки 16, расположенные по контурам двери. Технологическая дверь 14 устанавливается на два шарнира 18, прикрепленных к наружной стенке колодца 3. Технологическая дверь 14 закрывается и закрепляется на болтах 15,которые приварены к наружной стенке колодца 3. Под колосником 4 находится зольник 7. Дымогарная труба 11 в своей нижней части имеет отстойник 12 для сбора сажистых отложений, которые легко удаляются через окно отстойника 13,расположенное в его нижней части. Патрубок для подвода холодной воды 8 расположен в самой нижней части теплоносительной среды котла и прикрепляется к топочной камере 2 или к колодцу 3. Патрубок для отвода горячей воды 9 прикрепляется на самом верху колодца 3 справа возле задней его стенки, т.е. возле самой последней точки соприкосновения верхней теплообменной стенки колодца и топочных газов. 3 19940 В описываемых котлах учтены и применены следующие расчеты и коэффициенты. Во-первых, сумма всех вертикальных и горизонтальных теплообменных площадей котла ( вер.гор.котла). Во-вторых,результат отношения всех вертикальных теплообменных площадей котла ко всем горизонтальным теплообменным площадям котла -коэффициент С ( вер./гор.С). К примеру, еслитрс 40 кв.м.,200, то 0,2 кв.м. (трс /40/2000,2). Техническое решение представлено в четырех вариантах, описываемых в чертежах (фигуры 1,2,3,4)-образной формы (фиг. 1), где колодец котла расположен не над топочной камерой, а непосредственно сзади него, образуя единую теплоносительную среду- образных (фиг.2) котлах этот коэффициент составляет 0,84. К примеру, есливер.1,96 кв.м.,гор.2,32 кв.м., то С составит 0,84 (Свер. /гор.1,96 / 2,320,84). В вертикальных прямоугольных котлах (фиг.3) коэффициент С составляет 0,89, а в вертикальных круглых котлах (фиг.4) - 0,65. В-третьих,результат отношения всех вертикальных и горизонтальных теплообменных площадей колодца 3, составляющие общую теплообменную площадь колодца, к площади топочной камеры 2 при построении- образной формы (фиг.2), где колодец котла расположен сзади топочной камеры,но не на одном уровне, а выше нее и соединен с топочной камерой горизонтально расположенной промежуточной полостью, стены которой также являются полыми,образуя единую теплоносительную среду- котел вертикальный прямоугольный (фиг.3),где колодец котла расположен непосредственно над топочной камерой- котел вертикальный круглый (фиг.4), где колодец котла также расположен непосредственно над топочной камерой. Варианты технического решения имеют также следующие отличительные признаки. В-образном котле (фиг.1) между топкой и началом газохода Г существует вертикальная полая перегородка 17, которая одновременно представляет собой заднюю стенку топки и имеет продолжение в виде полой плоскости в направлении назад и вниз,соединяясь с нижней стенкой колодца 3, образуя тем самым единую теплоносительную среду . При этом между вертикальной полой перегородкой 17 и верхней стенкой топочной камеры 2 котла есть газоход Г 1 шириной 10 сантиметров для прохода топочных газов. Кроме того, в нижней части соединения топочной камеры 2 и колодца 3 тоже имеется газоход Г 2 шириной также 10 сантиметров,который обеспечивает попадание топочных газов в газоход Г колодца 3. В других вариантах котлов такой вертикальной полой перегородки нет.-образных котлах коэффициент С 1 составляет 2,35. К примеру, есликолод.4,28 кв.м.,топки 1,82 кв.м., то СЛ составит 2,35 ( колод. /топкиС 1, 4,28 / 1,82-2,35). В- образных котлах коэффициент С 1 составляет 4,2. В-четвертых, результат отношения общей теплообменной площади котла к площади колосника коэффициент К ( котла/кК). В-образных и вертикальных круглых котлах коэффициент К составляет 30. К примеру, есликотла 6 кв.м.,к 0,2 кв.м., то К 30 ( котла/ к 6/0,230). В- образных и вертикальных прямоугольных котлах коэффициент К составляет 27. В-пятых, результат отношения общей площади теплораспределяющих узлов отопительной системы(площади стенок труб и батарей отопительной системы) к площади колосника - коэффициент( трс / к). С помощью коэффициента , который можно вычислить с помощью формулытрс /к, гдетрс, при этом- это длина окружности трубы теплораспределяющей системы (П х , где П-пи 3,14,-диаметр трубы),- это общая длина трубы теплораспределяющей системы, и при наличии данных площади отапливаемых помещений, можно вычислить необходимый размер котла, так как, получая с помощью данной формулы площадь колосника,можно вычислить необходимую площадь всего котла, применяя вышеприведенные коэффициенты. Для всех вариантов описываемых котлов (фиг. 1,2,3,4) этот коэффициент неизменяем, одинаков и составляет 200.- образных котлах количество горизонтальных теплообменных элементов 10 колодца 3 составляет 6 штук, в вертикальных прямоугольных котлах - 8 штук, в вертикальных круглых котлах - 10 штук. Такая разница связана с особенностями конструкции указанных вариантов котлов. К примеру, в- образных котлах в теплообменном процессе принимают участие и теплопринимающие площади полых стенок топочной камеры 2. В-образных,- образных и вертикальных прямоугольных котлах расстояниемежду горизонтально расположенными теплообменными элементами 10 равна 10 сантиметрам, а в вертикальных круглых котлах -равна 8 сантиметрам. В-образных,- образных и вертикальных прямоугольных котлах расстояние 1 между горизонтально расположенными теплообменными 19940 элементами 10 и вертикальными стенками колодца 3 равна 10 сантиметрам, а в вертикальных круглых котлах - равна 8 сантиметрам. Термодинамически сбалансированные котлы работают следующим образом. Теплоноситель, охлажденный в системе отопления или горячего водоснабжения, через патрубок для подвода холодной воды 8 вливается в нижнюю часть котла. Затем теплоноситель, постепенно отбирая тепло от топочных газов Т.г. (продуктов сгорания), проходящих по газоходу Г, с помощью горизонтальных теплообменных элементов 10 и всех полых теплопринимающих плоскостей котла, в том числе полых стенок топочной камеры 2,благодаря интенсивному разогреву и быстрому тепловому расширению, в результате которого создается повышенная разность давлений на входе и выходе котла, поднимается вверх по котлу и через патрубок для отвода горячей воды 9 вливается в отопительную систему. Топочные газы, поднимаясь по лабиринтному газоходу и омывая всю внутреннюю площадь котла, отдают практически всю свою энергию теплоносителю, в результате температура топочных газов и температура теплоносителя выравнивается и создается термодинамический баланс. Поток топочных газов,охлаждаясь до температуры теплоносителя, дальше проходит в дымоход Д и через дымогарную трубу 11 выходит в атмосферу. Образующиеся из-за конденсата в дымоходе Д сажистые отложения собираются в отстойнике 12, который очищается от них с помощью окна 13. Для проведения очистки и профилактики котла открывается технологическая дверь 14, что обеспечивает свободный доступ ко всем поверхностям газохода, при этом она является полой и также участвует в теплообменном процессе. С помощью загрузочной двери 5 топочная камера заправляется твердым топливом, а через разгрузочную дверь 6 производят очистку топочной камеры и зольника от шлаков и золы. Если котел присоединяется к существующему дымоходу,расположенному внутри стен помещения,то можно убрать отстойник,расположив котел так, чтобы в нижней части дымохода оставалась полость, которой можно воспользоваться в качестве отстойника. Описываемые котлы также можно приспособить к другим видам топлива с помощью горелки или иного топливного аппарата для жидкого топлива или газа. Использование новых элементов в котле для отопления и горячего водоснабжения выгодно отличает предлагаемый котел, так как позволяет- наиболее полно использовать энергию топочных газов за счет удлинения пути их прохождения- уменьшить количество выбросов в атмосферу- повысить скорость циркуляции теплоносителя за счет повышения скорости его разогрева в теплообменных элементах- упростить конструкцию водогрейного котла- обеспечить удобство в работе и обслуживании за счет технологической двери, отстойника и имеющегося в нем окна. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Отопительный водогрейный котел,содержащий корпус с патрубками подвода и отвода воды, топочную камеру с дверцами, полые горизонтальные теплообменные элементы,расположенные в колодце котла и образующие с корпусом котла замкнутый контур теплоносительной среды, отличающийся тем, что горизонтальные полые теплообменные элементы выполнены в количестве 6-10 штук, установлены на равновысотных уровнях в газоходе котла на расстоянии 10 сантиметров друг от друга и с перекрытием друг друга, образуя лабиринтный газоход, при этом их количество составляет- в вертикальных прямоугольных котлах - 8 штук- в вертикальных круглых котлах - 10 штук. 2. Отопительный водогрейный котел по п.1,отличающийся тем, что колосник выполнен из толстостенных труб и образует с корпусом котла замкнутый контур теплоносительной среды. 3. Отопительный водогрейный котел по п.1,отличающийся тем, что в колодце имеется технологическая полая дверь, соединенная с помощью теплостойкого армированного шланга с корпусом котла. 4. Отопительный водогрейный котел по п.1,отличающийся тем, что дымогарная труба присоединена к задней стенке котла в верхней части. 5. Отопительный водогрейный котел по п.1,отличающийся тем, что в нижней части дымогарной трубы имеется отстойник для сбора сажистых отложений, который содержит окно для его чистки.