CZ29653U1 - Teplovodní topidlo s integrovaným samočinným míšením vody pro ochranu před nízkoteplotní korozí - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká teplovodního topidla s integrovaným samočinným míšením vody pro ochranu před nízkoteplotní korozí, kde teplonosná voda je samočinně míšena uvnitř topidla tak, aby teplosměnné plochy měly vyšší teplotu než je rosný bod spalin, což zajišťuje ochranu před nízkoteplotní korozí. Týká se zejména teplovodních topidel na tuhá paliva, která se zapojují se zásobníkem (akumulační nádrží).

Dosavadní stav techniky

Při provozu teplovodních topidel, zejména kotlů nebo kamen s teplovodním výměníkem, dochází během provozu k nežádoucímu jevu - k nízkoteplotní korozi teplosměnných ploch. Jedná se o chemickou reakci, při které materiál stěn topidla reaguje s kyslíkem, což způsobuje postupné zeslabování stěn topidla. Koroze teplosměnných ploch fakticky určuje životnost topidla. Schopnost odolávat nízkoteplotní korozi je proto naprosto klíčovou vlastností topidla.

Spaliny, které vznikají při spalování běžných paliv (dřevo, uhlí, olej, plyn, atd.) obsahují vodní páru. Pokud vodní pára kondenzuje na teplosměnných stěnách topidla, je intenzita koroze mnohonásobně vyšší.

Ke kondenzaci vodní páry dochází, jestliže teplota teplosměnných ploch je nižší než rosný bod spalin. Hodnota rosného bodu spalin je 40 až 60 °C podle druhu paliva. Aby nedocházelo ke kondenzaci páry na teplosměnných plochách topidla a tím k nízkoteplotní korozi, obsahují teplovodní topidla či zapojení těchto topidel různá opatření a způsoby, které zajišťují, aby teplota teplosměnných ploch byla vyšší než rosný bod spalin.

Mezi známá řešení patří zapojení topidla s nuceným zkratovým okruhem s regulací teploty vody. Toto řešení se používá u naprosté většiny dnešních topidel na tuhá paliva. Jeho podstata spočívá v tom, že vstupní a výstupní potrubí z topidla je propojeno zkratovým potrubím. Tímto potrubím se odvádí část vody vystupující z topidla a přimíchává do vody vstupující do topidla. Proudění vody v zkratovém potrubí zajišťuje čerpadlo. Množství vody v zkratovém potrubí obvykle řídí třícestná samočinná mísící armatura tak, aby teplota vody vstupující do topidla byla vyšší, než je rosný bod spalin. Nejčastěji používaná samočinná mísící armatura využívá tzv. parafínový termostat, jehož základem je nádobka s parafinem a pístem. Při dosažení žádané teploty, např. 60 °C, parafín taje, zvětšuje svůj objem a vytlačuje píst. Píst je spojen s klapkou, která reguluje množství protékající vody. Vratný pohyb zajišťuje pružina.

Nevýhodou popsaného řešení je nutnost realizace zkratového potrubí, instalace čerpadla a mísící armatury, což přináší investiční a provozní náklady, složitou instalaci a zvyšuje riziko poruch. Nevýhodou je i náročnost na prostor a únik tepla povrchem instalovaného zařízení.

Další nevýhody toto řešení přináší u topidel, která se zapojují se zásobníkem (akumulační nádrží). V případě výpadku proudu samočinná mísící armatura uzavře přívod vody do topidla a tím zabrání tomu, aby zbytkový výkon topidla byl odveden samotížnou cirkulací do nádrže. Aby se zabránilo možnosti přehřátí topidla, je nutno instalovat další zařízení. Tím je např. obchvatové potrubí směšovací armatury s elektricky ovládaným ventilem, nebo chladící smyčka v topidle napojená přes speciální termostatický ventil na nezávislý zdroj tlakové vody, případně záložní zdroj elektrického proudu pro pohon čerpadla. Nutnost dalšího zařízení ještě víc zvyšuje pořizovací náklady, zesložiťuje instalaci a zvyšuje riziko poruch.

Je také známo řešení topidla s optimalizovaným rozvodem vstupní vody. Podstata tohoto řešení spočívá v tom, že přívod vody není do topidla přiveden do nej nižší části vodního prostoru topidla, ale např. do středu případně do horní části. Vstupní voda se tak promíchává s vodou v topidle, která už je ohřátá, a tak že teplosměnné plochy se nedostanou do styku s vstupní vodou, která je nejchladnější. Mnohá topidla ještě mají ve svých vodních prostorech usměrňovači kanály či lišty tak aby korozně nejvíc exponované teplosměnné plochy byly ve styku s vodou již přede-1 CZ 29653 Ul hřátou. Nějakou variantu zmíněného řešení používá 10 až 20 % současných topidel. Nevýhodou tohoto řešení je to, že není schopno vždy zajistit dostatečnou teplotu vody v topidle a nemůže proto zajistit plnohodnotnou ochranu před nízkoteplotní korozí. Navíc opět více či méně omezuje schopnost samotížné cirkulace, zejména při propojení se zásobníkem na jedné výškové úrovni s topidlem.

Tohoto řešení se proto výhradně používá jako opatření podpůrné a kombinuje se ještě s jiným opatřením.

Dalším známým řešením je zvýšení teploty vstupní vody do topidla externími opatřeními. Podstatou tohoto způsobu je to, že topidlo se nezapojuje se zkratovým okruhem a směšovačem, ale použije se opatření, které zajistí, aby teplota vody do topidla nepoklesla pod rosný bod spalin. Např. se spíná oběhové čerpadlo spínacím termostatem, až když teplota vody na výstupu z topidla dosáhne 60 °C a/nebo se dimenzují topná tělesa a udržuje výkon tak, aby při provozu byla teplota vratné vody nad 40 až 50 °C. Společnou nevýhodou těchto řešení je, že dostatečnou teplotu teplosměnných ploch nezajišťují za všech provozních stavů a pro všechny plochy topidla. Ochrana proti nízkoteplotní korozi těmito způsoby je tudíž jen částečná.

Další známé řešení je použití topidla s vícevrstvými teplosměnnými plochami. Podstata tohoto řešení spočívá v tom, že vodou chlazené teplosměnné plochy topidla jsou chráněny další stěnou obvykle z ocelového plechu tak, že sami nejsou v přímém styku se spalinami. Další stěna se od spalin či plamene za provozu ohřeje na podstatně vyšší teplotu než je rosný bod spalin. Další stěna předává teplo do vodou chlazených stěn převážně sáláním. Prostor mezi stěnami je obvykle zahlcován vzduchem pro spalování. Vícevrstvých teplosměnných ploch využívá většina zplyňovacích kotlů pro ochranu přikládací komory (tzv. systém teplé komory). Pro jiné teplosměnné plochy se nepoužívá, protože značně snižuje schopnost ochladit spaliny. Neposkytuje proto komplexní ochranu topidla, což je zásadní nedostatek tohoto způsobu.

Každé ze známých řešení má své přednosti a nedostatky. Není však známo řešení, které by splňovalo současně všechny následující požadavky:

- aby fungovalo při každé teplotě a průtoku vratné vody.

- aby umožňovalo samotížnou cirkulaci vody se zásobníkem umístěným na jedné výškové úrovni s topidlem.

- aby nevyžadovalo přívod elektrického proudu.

- aby nevyžadovalo instalovat zkratový okruh s mísící armaturou atd.

- aby bylo jednoduché, výrobně levné a spolehlivé.

Podstata technického řešení

Nedostatky známých a výše popsaných řešení odstraňuje zcela nebo do značné míry teplovodní topidlo s integrovaným samočinným míšením vody pro ochranu před nízkoteplotní korozí podle technického řešení, které obsahuje vstup vody ústící do vodního prostoru topidla. Podstatou technického řešení je, že vstup vody je uspořádaný tak, že ústí do rozvaděče, který obsahuje jeden nebo více mísících otvorů, kteréžto mísící otvory ústí do vodního prostoru topidla.

Podle prvního výhodného provedení technického řešení vodní prostor topidla je mezi vstupem vody a výstupem vody redukován na alespoň jeden průtočný otvor s regulátorem průtoku vody na základě teploty vody.

Podle druhého výhodného provedení technického řešení vodní prostor topidla obsahuje přepážku obsahující alespoň jeden průtočný otvor s regulátorem průtoku vody na základě teploty vody.

Je výhodné, když regulátor průtoku sestává z nádobky s parafínem, ve které je uložen píst, který je spojený s klapkou, přičemž nádobka s parafínem je umístěna ve vodním prostoru topidla.

-2CZ 29653 Ul

Výhodou topidla podle technického řešení je, že teplosměnné plochy topidla, které jsou ve styku se spalinami, mají vyšší teplotu, než je rosný bod spalin, což zabraňuje nízkoteplotní korozi. Současně má následující přednosti:

- funguje při každé teplotě a průtoku vratné vody.

- umožňuje samotížnou cirkulaci vody se zásobníkem umístěným na jedné výškové úrovni s topidlem.

- nevyžaduje přívod elektrického proudu.

- nevyžaduje instalovat zkratový okruh s mísící armaturou atd.

- řešení je jednoduché, výrobně levné a spolehlivé.

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže objasněno na připojených výkresech, které znázorňují:

OBR. 1 - boční pohled na řez topidlem s přepážkou ve vodním prostoru a regulátorem průtoku v této přepážce

OBR. 2 - čelní pohled na řez topidlem s přepážkou ve vodním prostoru a regulátorem průtoku v této přepážce

OBR. 3 - detail regulátoru z OBR. 1

OBR. 4 - boční pohled na řez topidlem s regulátorem průtoku na vstupu do topidla

OBR. 5 - čelní pohled na řez topidlem s regulátorem průtoku na vstupu do topidla

OBR. 6 - detail regulátoru z OBR. 4

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad provedení teplovodního topidla - zplyňovacího kotle na kusové dřevo s přepážkou ve vodním prostoru a regulátorem průtoku vody v této přepážce, obr. 1 až 3.

Kotel obsahuje v horní části přikládací komoru 11, jejíž stěny jsou opatřeny vnitřním pláštěm 12, který je v jeho spodní části vyložen keramickou vyzdívkou 19. Mezi vnitřním pláštěm 12 a teplosměnnými plochami je vzduchová mezera 13. Ve spodní části kotle je dohořívací komora 9 obklopená keramickou vyzdívkou 19. Přikládací komora H a dohořívací komora 9 jsou propojeny otvorem - tryskou 3. Dohořívací komora 9 je propojena se spalinovým výměníkem 5, který tvoří několik svislých kanálů, které v horní části ústí do výstupu 1 spalin.

Vodní prostor 2 kotle obsahuje asi v 1/4 výšky kotle rozvaděč 18, což je prostor s obdélníkovou podstavou, ve spodní části ohraničený spodním plechem 8, v horní části dnem 4 přikládací komory Η a ve svislém směru bočními stěnami 7. Do jedné z bočních stěn 7 rozvaděče 18 je zaústěn vstup 15 vody. Boční stěny 7 a spodní plech 8 rozvaděče 18 obsahují mísící otvory 14, které ústí do vodního prostoru 2 kotle. V popisovaném příkladu provedení jsou všechny mísící otvory 14 stejné a mají kruhový tvar o průměru 7 mm a je jich celkem cca 100. Rozmístění jednotlivých mísících otvorů 14 je úměrné rozložení intenzity tepelného příkonu - nejhustěji jsou mísící otvory 14 rozmístěny ve spodním plechu 8 rozvaděče 18 v okolí otvoru - trysky 3, protože ústí do části vodního prostoru 2 s teplosměnnými plochami dohořívací komory 9, kde je nej intenzivnější tepelný příkon.

Vodní prostor 2 je zhruba v 1/4 výšky, těsně nad rozvaděčem 18, rozdělen přepážkou 6. Vodní prostor 2 pod přepážkou 6 je obklopen teplosměnnými plochami dohořívací komory 9 a první části spalinového výměníku 5, což jsou teplosměnné plochy s vysokou intenzitou příkonu. Vodní prostor 2 nad přepážkou 6 naopak obklopují teplosměnné plochy přikládací komory H a střední a horní části spalinového výměníku 5, což jsou teplosměnné plochy s nízkou intenzitou výkonu. V čelní stěně kotle je v přepážce 6 průtočný otvor 16 opatřený regulátorem 17 průtoku vody na základě teploty vody ve vodním prostoru pod přepážkou 6. Regulátorem průtoku 17 je v daném

-3CZ 29653 Ul příkladu provedení parafínový termostat s otevírací teplotou 60 °C, který sestává z nádobky s parafínem 24. ve které je píst 23. který je spojený s klapkou 22. Klapka 22 je potlačována (směrem dolů) vratnou pružinou 21. Nádobka s parafínem 24 je umístěna ve vodním prostoru 2 pod přepážkou 6 v lůžku 25.

Funkce popsaného příkladu provedení je následující:

Do kotle se přivádí spalovací vzduch, ten proudí vzduchovou mezerou 13 a vstupuje do vrstvy paliva v přikládací komoře 11, kde dochází k primárnímu spalování (zplyňování). Vznikající plyny proudí otvorem - tryskou 3, kde do nich přivádí spalovací vzduch, který způsobuje jejich hoření. Plyny proudí do dohořívací komory 9, kde dohořívají. Vzniklé spaliny proudí za keramickou vyzdívkou 19 do spalinového výměníku 5 a odtud do výstupu 1 spalin. Primárním spalováním v přikládací komoře H se uvolňuje teplo, které ohřívá vnitřní plášť 12 a ten dále, převážně sáláním, ohřívá teplosměnné plochy obklopující přikládací komoru li. Plamen a spaliny předávají teplo teplosměnným plochám obklopující dohořívací komoru 9 a spalinový výměník 5 a teplosměnné plochy předávají teplo vodě ve vodním prostoru 2 kotle.

Teplonosné médium - voda, např. o teplotě 20 °C, proudí vstupem 15 vody do rozvaděče 18 a odsud vstupuje mísícími otvory 14 do vodního prostoru 2 pod přepážkou 6, kde je voda o teplotě okolo 60 °C. Díky tomu, že mísící otvory 14 jsou malé, proud vody z nich vycházející se rychle mísí s vodou ve vodním prostoru 2 pod přepážkou 6. Díky tomu, že hustota rozmístění mísících otvorů 14 odpovídá intenzitě příkonu jednotlivých částí vodního prostoru 2 pod přepážkou 6, je teplota vody v celém objemu vodního prostoru 2, pod přepážkou 6, přibližně stejná. Voda dále proudí průtočným otvorem a omývá nádobku 24 s parafínem regulátoru 17 průtoku vody. Jestliže dojde např. k nárůstu výkonu hoření a tím i příkonu do teplosměnných ploch, roste teplota vody ve vodním prostoru 2 kotle, teplota vody omývající regulátor 17 průtoku vody se zvyšuje nad hodnotu 60 °C. V důsledku toho parafín taje, zvětšuje svůj objem a vytlačuje píst 23, který pohybem vzhůru otevírá klapku 22. Tím se zvyšuje průtok vody průtočným otvorem 16 a tím i přítok vstupní chladné vody z rozvaděče 18 do vodního prostoru 2 pod přepážkou 6, což teplotu vody v kotli snižuje. Při opačné situaci, při snížení výkonu hoření, teplota vody ve vodním prostoru 2 kotle klesá, parafín tuhne, píst 23 se tlakem vratné pružiny 21 zasouvá do nádobky 24 s parafinem a zavírá klapku 22 pohybem dolů. Tím snižuje průtok vody průtočným otvorem 16 a tím i přítok chladné vody z rozvaděče 18 do vodního prostoru 2, což teplotu vody v kotli zvyšuje. Výše popsaným způsobem regulátor 17 průtoku vody udržuje na průtočném otvoru 16 a tudíž i ve vodním prostoru 2 pod přepážkou 6 teplotu na hodnotě 60 °C.

Voda, která proudí průtočným otvorem 16, dále postupuje vodním prostorem 2 kotle nad přepážkou 6 a teplosměnné plochy přikládací komory 11 a střední a horní části spalinového výměníku 5 ji ohřívají na hodnotu např. 75 °C. Takto ohřátá voda potom proudí výstupem 10 vody z kotle.

Vodní prostor 2 pod přepážkou 6 obklopuje teplosměnné plochy, kterými se předává cca 70 % celkového tepelného příkonu do vody, proto se zde voda ohřívá z např. hodnoty 20 °C na 60 °C, to jest o 40 °C. Zatímco vodní prostor 2 nad přepážkou 6 obklopují teplosměnné plochy s nižší intenzitou příkonu, kterými se předává cca 30 % celkového příkonu do vody, proto se zde voda ohřívá, např. o cca 15 °C, to je z 60 °C na 75 °C. Pokud do kotle proudí voda, např. 40 °C, ohřívá se ve vodním prostoru 2 pod přepážkou 6 opět na 60 °C, to je o 20 °C. Ve vodním prostoru 2 nad přepážkou 6 se potom ohřívá o cca 5 °C, to je na 65 °C.

Předností tohoto provedení je to, že díky přepážce 6 umožňuje použití jednoduchého regulátoru 17 průtoku vody s čidlem teploty (nádobka 24 parafínem) v témže místě, v jakém je průtočný otvor 16. Další předností tohoto provedení je i to, že může mít konstrukčně jednoduše provedeny dva vstupy Γ5 vody, například na pravé a levé straně kotle, což zvětšuje variabilitu připojení.

Příklad provedení teplovodního topidla - zplyňovacího kotle na kusové dřevo s regulátorem průtoku vody na vstupu do kotle, obr. 4 až 6.

Toto provedení se shoduje s předchozím s tím rozdílem, že vodní prostor 2 kotle neobsahuje přepážku 6 a průtočný otvor 16 s regulátorem 17 průtoku vody je za vstupem 15 vody. V daném příkladu provedení je rovněž jako regulátor 17 průtoku vody použit parafínový termostat, avšak

-4CZ 29653 Ul s tou odlišností, že nádobka 24 s parafínem je umístěna ve vodním prostoru 2 pod rozvaděčem 18 tak, že píst 23 prochází spodním plechem 8 rozvaděče 18.

Funkce druhého příkladu provedení je prakticky identická jako v prvním příkladu provedení.

Předností tohoto provedení je to, že nemusí mít přepážku 6. Vyžaduje však regulátor průtoku 17 s čidlem teploty - nádobka 24 parafínem, umístěným v jiném místě než je průtočný otvor 16. Píst 23, tedy musí procházet pohyblivě skrz stěnu, což činí regulátor 17 průtoku vody technicky náročnějším. Dalším omezením tohoto provedení je to, že kotel má jen jeden vstup 15 vody.

Provedení topidla se mohou lišit typem použitého topidla - řešení lze použít prakticky v jakémkoli typu topidla, které ohřívá vodu - kotle, krbová kamna či krbové vložky s teplovodním výměníkem, atd.

Jiný může být i tvar a umístění rozvaděče 18. Může mít např. tvar anuloidu, oblouku, atd., podle druhu konstrukce topidla.

Rovněž mísící otvory 14 mohou být různé, mohou mít tvar obdélníku či podlouhlé štěrbiny.

Průtočných otvorů 16 může být v různých řešeních topidel více, přičemž všechny nemusí obsahovat regulátor 17 průtoku vody - otvory bez regulátoru průtoku 17 vody mohou zajišťovat minimální stálý průtok, např. pro odvedení zbytkového tepla topidla po dohoření paliva (kdy už nehrozí koroze), atd.

Jiný může být i regulátor 17 průtoku vody, kdy namísto parafínového termostatu může být použit např. olejový či bimetalový termostat, či jinak samočinně ovládaný ventil či klapka.

Přepážka 6 může být v jiné části vodního prostoru 2 topidla, podle konstrukce topidla.

Je možné i provedení bez přepážky 6, přičemž jako průtočný otvor 16 může být využit výstup 10 vody nebo vstup 15 vody.

Regulátor může mít detekční prvek (čidlo) a činný prvek (pohon klapky) odděleně, např. kapilárový termostat.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (4)

1. Teplovodní topidlo s integrovaným samočinným míšením vody pro ochranu před nízkoteplotní korozí, obsahující vstup (15) vody ústící do vodního prostoru (2) topidla, vyznačující se tím, že vstup (15) vody je uspořádaný tak, že ústí do rozvaděče (18), který obsahuje jeden nebo více mísících otvorů (14), kteréžto mísící otvory (14) ústí do vodního prostoru (2) topidla.

2. Teplovodní topidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodní prostor (2) topidla je mezi vstupem (15) vody a výstupem (10) vody redukován na alespoň jeden průtočný otvor (16) s regulátorem (17) průtoku vody.

3. Teplovodní topidlo podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodní prostor (2) topidla obsahuje přepážku (6) obsahující alespoň jeden průtočný otvor (16) s regulátorem (17) průtoku vody.

4. Teplovodní topidlo podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že regulátor (17) průtoku sestává z nádobky (24) s parafínem, ve které je píst (23), který je spojený s klapkou (22), přičemž nádobka (24) s parafínem je umístěna ve vodním prostoru (2).