CS259301B1 - Stavebnicový plynový litinový kotel - Google Patents

Abstract

Stavebnicový plynový radiační litinový kotel je vertikálně sestaven z litinových výměníkových těles, ukončených zdola vanou, shora hlavou. Povrch odlitků vytvá­ ří s plechovým kotlovým pláštěm spalinové komory vertikální a horní i spodní horizontální, jejichž pariabilnl propojení zajiš­ tuje přestavitelná příčka, umístěná ve spodní části vany. Vnitřní prostor kotle je vyplněn radiační hmotou. Vodní prostory výměníkových těles a hlavy jsou vzájemně propojeny. Přívod paliva je shora hlavou, přívod otopné vody je zdola. Obvodové části výměníkových těles jsou zvlněny a žebrovány. U plynového kotle je tak zajištěno zachováni poměru mezi množstvím přiváděného paliva a množstvím radiační náplně, a tím je dosahováno maximální účinnosti při různých velikostech výkonu.

Description

Vynález se týká stavebnicového plynového litinového kotle ve vertikálním uspořádání s horním přívodem paliva v jehož vnitřním prostoru vytvořeným vodními výměníkovými tělesy a uzavřeným ve spodním konci.vanou s roštem je radiační náplň.

Je známo mnoho konstrukcí kotlů, kde plynová hořlavá směs bezplamenným spalováním na povrchu keramické porézní hmoty předává svoji tepelnou energii převážně účinným sáláním přes teplosměnné plochy na otopnou vodu. Většina těchto kotlů je konstrukčně řešena jako složité svařence o konstantní výměníkové ploše. Znamená to, že vysokou účinnost má kotel jen při určitém výkonu na který je stavěn.

Velké tepelné jednotky jsou sestavovány z menších kotlových jednotek, přesto je však třeba vyrábět kotlové jednotky o různých odstupňovaných výkonech, aby bylo možno poměrně přesně docílit požadovaný celkový výkon. Tento požadavek v dosavadní praxi znamená, že se konstruují kotle principiálně stejné, ale odstupňované velikostně. Pro výrobce to znamená, že všechny díly kotle má v mnoha velikostech, což vyžaduje vysoké nároky na organisaci a velký sortiment výrobních i náhradních dílů.

Svařovaná kotlová tělesa jsou velmi pracná, nebot mimo mnoha svařovaných detailů vyžadují 1 několika desítek metrů kvalitních svárů. Kvalitu i životnost celého kotle určuje i malá část sváru neprovedená v největší kvalitě těsnosti a životnosti. Práce svářeče je vysoce kvalifikovaná, náročná a nákladná. Těleso kotle je nutno dvakrát celé předehřát, udržovat v teplotě 250 až 350 °C při sváření, a po svaření normalisačně žíhat. Toto vyžaduje značné energetické náklady, dlouhou dobu výroby, prostor i ztíženou manipulaci kvalifikovaného dělníka. Někdy se tyto nákladné žíhací operace vypouštějí, ale to vede k podstatnému snížení životnosti kotlového tělesa.

části kotlového tělesa jsou vysoce tepelně namáhány a protože je u svařované konstrukce nelze vždy chránit vodou, dochází k jejich občasnému propálení. Z tohoto důvodu se tyto části vyrábějí z dražších legovaných ocelí. Značné části kotlového tělesa však stačí levné konstrukční ocele. Použije-li se v jednom svařenci, sestávajícím z mnoha desítek dílů, obou nestejnorodých materiálů musí se při jejich sváření použít svářecí drát nevhodný pro jeden z materiálů, a tento díl již nemůže být kvalitně provařen. Obě skupiny materiálů mají různý koeficient tepelné roztaživosti a tak při častých rychlých podstatných změnách teploty /z cca 60 °C na 1 700 °C a zpět/ dochází k nestejné roztaživosti a velkým silám ve svařenci.

Použije-li se na všechny díly jen legovaný materiál s příslušným svářecím drátem je kotlové těleso podstatně dražší. Vrchní část kotlového tělesa je namáhána hlavně tepelnými rázy, ale spodní část je ještě více namáhána termo-ohemicky, kde kondenzující spaliny způsobují značnou korosivnost i u legovaných ocelí. Po tří měsíčním provozu je sila rzi 1,2 mm. Obdobně je namáhána i radiační náplň, kterou vlhké, teplé a kyselinové splodiny rozežírají jeětě více. Náplň trvale ubývá, musí se týdně doplňovat a po měsících rozežraná i spečená vyměňovat. Všechny tyto nevýhody značně zkracují životnost stávajících svařovaných ocelových radiačních kotlů.

K dosažení celkové vysoké účinnosti je bezpodmínečně nutné, aby spaliny předaly většinu svého tepla otopné vodě a do komínu odcházely maximálně vychlazené nebo ještě lépe zkondenzované do vodního odtoku. U svařovaných kotlových těles se spaliny ochladí na dosud nejníže povolenou teplotu 180 °C ještě v radiační hmotě a krátkou cestou odcházejí do komínu. Tato teplota je pro maximální účinnost ještě příliš vysoká a dochází k velkým tepelným ztrátám, ale pro radiační náplň je již příliš nízká, spaliny jsou při ni značně vlhké a kyselé a radiační náplň je progresivně chemicky rozrušována. Je proto dále zapotřebí konstrukčně zajistit, aby spaliny z radiační náplně odcházely teplé asi 220 °C, kdy jsou poměrně suché a chemicky neagresivní, ale z kotle aby odcházeli spaliny již hodně zkondenzované o teplotě cca 60 °C.

Pro výrobce je stavebnicové uspořádání vždy vhodné pro každý výrobek, nebot to znamená menší sortiment dílů k postavení zařízeni o různých výkonech. Toto platí i o radiačních kotlech, musí se pochopitelně dodržet několik důležitých zásad. Pro uživatele je pak takovýto kotel jednoúčelový, postavený na konkrétní výkon, který je právě zapotřebí.

Praxe ukazuje, že k vychlazení spalin je zapotřebí poměr průměru k délce spalinového prostoru od 1:2 až k 1:6. K tomuto poměru je nutno poměrně úměrně měnit množství přiváděného paliva a odstupňovaně množství radiační náplně při čemž se docílí různé délky kotlového tělesa a různě velkých výkonů při stejné maximální účinnosti. V praxi to znamená, že z jedněch konkrétních odlitků lze postavit kotle v šesti výkonových velikostech od 19 do 42 kW a z druhých odlitků kotle jedno a dvousloupcové v devíti výkonových stupních od 46 do 184 kW.

A právě tyto důležité podmínky zajištující dlouhou životnost kotlového tělesa i radiační náplně, vysokou účinnost i jednoduchou výrobu a montáž jsou hlavními výhodami konstrukce kotle podle tohoto vynálezu. Kotlové těleso sestavené z více výměníků umožňuje, aby vrchní výměník namáhaný tepelně byl z tepelně odolné litiny, střední výměníky z obyčejné litiny a spodní výměník případně z korozivně odolné litiny a to vše odlito jedním modelovým zařízením. Spaliny z radiační náplně neodcházejí krátkou cestou do komína, ale horizontálními i vertikálními spalinovými komorami obtékají čtyřikrát odlitky kotlového tělesa z věnčí a předávají své teplo konvekčně otopné vodě. Spaliny kondezují na hmotných chráněných litinových žebrech, kterým teplá vlhkost i kyselost vadí nejméně.

Nedostatky stávajících ocelových radiačních kotlů odstraňuje provedení podle vynálezu, jehož podstatou je, že ke spodnímu výměníkovému tělesu přiléhá vana s odvodem kondenzátu, jejíž oddělený středový prostor pod roštem je opatřen příčkou s variabilním rozdělovacím otvorem spojující oddělené kvadráty vytvořené zbývajícím prostorem vany bud s oddělenými spalinovými vertikálními komorami, nebo s vývodem spalin do komína, kde hladina radiační náplně dosahuje až k vnějšímu ukončení horního výměníkového tělesa, přičemž do volného vnitřního prostoru hlavy je zaústěno pozorovací okénko, zapalovací a jističi svíčky a regulovatelný přívod paliva, přičemž spalinové vertikální komory jsou propojeny spalinovými horizontálními komorami a všechny spalinové komory jsou tvořeny vnějšími povrchy odlitků výměníkových těles, hlavy a vany a vnitřními povrchy plechových stěn.

Dále se vyznačuje tím, že výměníkové těleso prstencového tvaru má vnitřní ozařovanou žebrovanou nebo zvlněnou stěnu, vnější plochu opatřenou podélnými žebry, přičemž obě jeho styčné plochy jsou opatřeny nejméně jedním spojovacím otvorem pro otopnou vodu.

Hlava se vyznačuje tím, že má na spodní straně spojovací otvory vyústěné přes horizontální kanály do odvodu otopné vody, na vrchní straně střední podélné žebro uspořádané tak, že vytváří spolu s plechovými stěnami dva oddělené prostory pro podélné spalinové horizontální komory na převod spalin k odvodu spalin. Vana se vyznačuje tím, že má uložení pro rošt v horní části trubkového tělesa a příčku s variabilním přestavitelným otvorem v jeho spodní části.

Kotel se dále vyznačuje tím, že přívod vody je ve spodním výměníkovém tělese.

Příklad provedení stavebnicového plynového litinového kotle podle vynálezu je schematicky znázorněn na připojeném výkresu. Obr. 1 je podélný nárysný řez A-A, obr. 2 je příčný bokorysný řez B-B a obr. 3 je půdorysný řez C-C, t j. levá půlka je řez středem výměníkového tělesa a pravá půlka je pohled na styčnou plochu tohoto tělesa.

Stavebnicový plynový litinový kotel podle vynálezu znázorněný na obr. 1 až 3 sestává z vany 2 v níž je usazen rošt 16 a na ní uložena tři výměníková tělesa 2 a hlava 2· Tyto díly jsou staženy šrouby 20 a mezi sebou ještě těsněny tmelem nebo těsněním proti úniku otopné vody 10 do vnitřního spalinového prostoru 17 nebo vnějších spalinových vertikálních komor 2» II» m. IV. Vana 2 nebo spodní výměníkové těleso 1 je opatřeno přívodem otopné

25.9301 vody 21, odvod otopné vody 22 je umístěn v zadní stěně hlavy 2· ^z horní stěny hlavy 2 jsou do zapalovacího a kontrolního prostoru 25 vyvedeny pro zapalovací a jističi svíěky 12, pozorovací okénko 13 a otvor pro přívod paliva 11. Povrch odlitků je uzavřen nejméně dvěmi plechovými stěnami 4,, 5, a tvoří tak spalinové vertikální komory I, II, III, IV. Nad roštem ve středních prostorách výměníkových těles 1 je radiační náplň 23.

Spalinové vertikální komory £, II, III jsou prázdné nebo mohou být naplněny kyselinovzdornou porézní hmotou, ve spalinové vertikální komoře IV se požadují minimální teploty spalin a proto je vždy bez porézní hmoty. Spaliny ze spalinové vertikální komory 2 se do spalinové vertikální komory II převádějí spalinovou horizontální komorou I-II, která je vytvořena mezi středním podélným žebrem 2 hlavy 2 a bočními a vrchními částmi plechových stěn 4., 5. Dále se obdobně převádějí spaliny ze spalinové vertikální komory III, do spalinové vertikální komory IV spalinovou horizontální komorou III-IV, Ze spalinové vertikální komory IV odcházejí spaliny maximálně vychlazené odvodem 18 spalin do komína a ty, které zkondenzují na stěnách spalinových komor l., II, III, IV, stečou do vany 2 a odtud odvodem 15 kondenzátu, uchyceným ve spodním dílu plechové stěny ± do potrubí kondenzátu.

Otopná voda 10 ochlazená asi na 70 °C je přiváděna do stavebnicového plynového kotle podle vynálezu přívodem 21 otopné vody 10 do zadní části vany 2» ^v ní se rozděluje do obou polovin její prstencové části šikmými vodními kanály 26, přebírá ze stěn tepelnou energii a stoupá k spojovacímu otvoru 19 vany 3. Otopná voda 10 vstupuje spojovacími otvory 19. do spodního výměníkového tělesa 2, stoupá jim k vyšimu výměníkovému tělesu 2' ^a® ^z nejvyššiho výměníkového tělesa 2 proteče do hlavy 2» kde horizontálními vodními kanály 9, ochlazujícími zapalovací a kontrolní prostor 25 v hlavě 2, je vyvedena odvodem 22 vody, ohřátá asi na 90 °C, z kotle ven do otopného rozvodu. Tomuto toku otopné vody 10 napomáhá tepelná gravitace, ale přesto musí být zajištěn odpovídajícím čerpadlem a to určitou dobu i po ukončení vytápění.

Hlavní činnost kotlového tělesa spočívá v tom, že určené množství hořlavé směsi přiváděné přívodem paliva 21 ^{8e v} zapalovacím a kontrolním prostoru 25 zapálí a tento plamen se trvale kontroluje a elektronicky řídí. Plamen vstupuje do mezer, které tvoři radiační náplň 23 podstatně zpomalující průtok plamene, čímž se docílí dokonalého spálení zbytků hořlavé směsi, které probíhá za vysokých teplot na povrchu radiační náplně 23, která tuto energii předává převážně sáláním střední spodní stěně hlavy 2 a vnitřní ozařované žebrovaná nebo zvlněné stěně 2 vrchních výměníkových těles 2·

Vnitřní ozařované stěny 6 jsou žebrované nebo zvlněné, což umožňuje zvětšení teplosměnné plochy, zmenšení obsahu teplovzdorné radiační náplně 23 a periodické změny průřezu vnitřního spalinového prostoru 22· Tyto změny průřezu vnitřního spalinového prostoru 17 vedou k změnám rychlosti spalin a tím i k intenzivnějšímu předávání tepelné energie teplosměnným plochám.

Druhou podstatnou činností kotlového tělesa je to, že konstrukce důsledně využívá poměrně zchladlé, ale ještě suché spaliny procházející roštem 16. Ve střední části vany 2 pod roštem 16 se spaliny usměrňují do spalinových vertikálních i horizontálních komor 2 až IV, obíhají až 4x kanály s otopnou vodou 10 z vnější strany a kónvekcí předávají poslední tepelnou energii spalin přes poměrně velké venkovní plochy odlitků otopné vodě 10.

V základní verzi spaliny z prostoru pod roštem 16 jsou usměrněny do pravého zadního spodního rohu kotlového tělesa, odtud stoupají spalinovou vertikální komorou I, vytvořenou částí vnějšího obvodu výměníkových těles 2 a zadním rohem plechové stěny 2 do pravého zadního vrchního rohu kotlového tělesa. Dále pokračuji spalinovou horizontální komorou ί-II, vytvořenou středním podélným Žebrem 2 hlavy 2 a horizontálním rohem plechové stěny 8, do pravého předního vrchního rohu kotlového tělesa. Odtud pokračují spalinovou vertikální komorou II, vytvořenou částí vnějšího obvodu výměníkových těles 2 ^a předním rohem plechové stěny 5 dolů do pravého předního spodního rohu kotlového tělesa. Dále pokračují spalinovou horizontální komorou II-III, vytvořenou dnem šikmého vodního kanálu 26 vany 3, vnější stěnu středo5 vého prostoru pod roštem 16 a spodními příčnými rohy plechových stěn 4, 5 vlevo do levého předního spodního rohu kotlového tělesa. Odtud stoupají spalinovou vertikální komorou III, vytvořenou částí vnějšího obvodu výměníkových těles 1_ a předním rohem plechové stěny 4, do levého předního vrchního rohu kotlového tělesa. Poslední horizontální cesta vede komorou III-IV, vytvořenou středním podélným žebrem 7 hlavy 2 a horizontálním rohem plechové stěny £ do levého zadního vrchního rohu kotlového tělesa. Poslední vertikální cesta vede komorou IV, vytvořenou částí vnějšího obvodu výměníkových těles 1^ a zadním rohem plechové stěny 4_ do odvodu spalin 18. Spaliny kondenzující na stěnách spalinových komor stékají do levého zadního spodního rohu kotlového tělesa, jako kondenzát odtud odtékají odvodem 15 kondenzátu.

Při montáži kotle lze přestavit přičku s variabilním otvorem 14 a tím zkrátit např. dráhu spalin tak, že proudí současně spalinovými vertikálními komorami II a III do obou spalinových prostor v hlavě g a dále spalinovými komorami I a IV do odvodu 18 spalin. Spalinové vertikální komory ϊ, II, III lze také naplnit, anebo jen některé z nich, tepelně méně náročnou, ale kyselinuvzdornou prodyšnou hmotou. Tyto dvě poslední možnosti lze kombinovat, čímž dochází k několika stupňům odběru tepla ze spalin a zjemní se tak základní odstupňování výkonů podle počtu výměníkových těles 1^

Spalinová vertikální komora IV je vždy bez prodyšné hmoty, nebot zde spaliny odevzdávají svoje poslední možné teplo otopné vodě 10 a odcházejí do odvodu spalin 18 nebo kondenzují.

Claims (5)

1. Stavebnicový plynový litinový kotel s plechovým pláštěm ve vertikálním uspořádání s horním přívodem paliva a se spodním přívodem vody, v jehož nitřnlm prostoru, vytvořeným vodními výměníkovými tělesy a uzavřeným na spodním konci vanou s roštem, je radiační náplň, vyznačující se tím, že ke spodnímu výměníkovému tělesu /1/ přiléhá vana /3/ s odvodem /15/ kondenzátu, jejíž oddělený středový prostor pod roštem /16/ je opatřen příčkou /14/ s variabil ním rozdělovacím otvorem, propojující oddělené kvadráty, vytvořené zbývajícím prostorem vany /3/, bud s oddělenými spalinovými vertikálními komorami /1, II, III, IV/, nebo s vývodem /18/ spalin do komína, kde hladina radiační náplně /23/ dosahuje až k vnějšímu ukončení horního výměníkového tělesa /1/, kde do volného vnitřního prostoru hlavy /2/ je zaústěno pozorovací okénko /13/, zapalovací a jističi svíčky /12/ a regulovatelný přívod paliva /11/, přičemž spalinové vertikální komory /1, II, III, IV/ jsou propojeny se spalinovými horizontálními komorami /1-11, II-III, III-IV/ a všechny spalinové komory jsou tvořeny vnějšími povrchy odlitků výměníkových těles /1/, hlavy /2/ a vany /3/ a vnitřními povrchy plechových stěn /4, 5/.

2. Stavebnicový plynový litinový kotel podle bodu 1, vyznačující se tím, že výměníkové těleso /1/ prstencového tvaru má vnitřní ozařovanou nebo zvlněnou stěnu /6/, vnější, plochu opatřenou podélnými žebry /8/, přičemž obě jeho styčné plochy jsou opatřeny nejméně jedním spojovacím otvorem /19/ pro otopnou vodu /10/.

3. Stavebnicový plynový litinový kotel podle bodu 1 a 2, vyznačující se tím, že hlava /2/ má na spodní straně spojovací otvory /19/, vyústěné přes horizontální kanály /9/ do odvodu /22/ otopné vody /10/, na vrchní straně střední podélné žebro /7/ uspořádané tak, že vytváří spolu s plechovými stěnami /4, 5/ dva oddělené prostory - podélné spalinové horizontální komory /11-1, III-IV/ na převod spalin k odvodu /18/ spalin.

4. Stavebnicový plynový litinový kotel podle bodů 1 až 3, vyznačující se tím, že vana /3/ je tvořena trubkovým tělesem, v jehož horní části je uložení pro rošt /16/, v jeho spodní části je příčka /14/ s variabilním přestavitelným otvorem.

259301 6

5. Stavebnicový plynový litinový kotel podle bodů 1 až 4, vyznačující se tím, že přívod vody /21/ je ve spodním výměníkovém tělese /1/.