RU225263U1 - Плоский распределитель тепловых потоков газовой камеры конвекционного настенного газового котла - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области производственной и коммунальной теплоэнергетики и может быть использована в конструкциях котлов, предназначенных для отопления и/или горячего водоснабжения индивидуальных домов, многоэтажных многоквартирных домов для поквартирного теплоснабжения. При сгорании газообразного топлива в настенных газовых котлах часть тепловой энергии уходит в атмосферу с нагретыми дымовыми газами. Снижение температуры дымовых газов и максимальная величина передачи тепловой энергии при сгорании топлива теплоносителю и тепловым приборам определяет энергетическую эффективность теплового генератора. Задача эффективного нагрева теплообменника камеры сгорания настенного конвекционного газового котла связана с организацией равномерного, по всей поверхности теплообменника, потока нагретых при сгорании топлива газов, а также со снижением доли ламинарного обтекания поверхности теплообменника и увеличения доли турбулентного обтекания. Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для настенного газового конвекционного котла, обеспечивающего равномерность нагрева всей поверхности теплообменника, увеличение турбулентности обтекания теплообменника горячими газами, дожигание несгоревших газов, снижение выбросов парниковых газов продуктов сгорания, повышение коэффициента энергетической эффективности работы котла, снижение экономических затрат при теплоснабжении. Технический результат задачи повышения энергетической эффективности передачи тепловой энергии нагретых газов в процессе горения теплоносителю достигается установкой между теплообменником, по которому движется теплоноситель, и каналом всасывания вентилятора специального плоского распределителя теплового потока. Распределитель теплового потока представляет собой плоскую листовую конструкцию с рядом неравномерно распределенных отверстий. Распределитель теплового потока организует сопротивление движению теплового потока газов, организованного вентилятором. Он замедляет скорость движения газов, обеспечивает равномерность нагрева по всей поверхности теплообменника, увеличивает турбулентность обтекания теплообменника горячими газами, отражает часть лучевой энергии горения по направлению к теплообменнику, способствует дожиганию несгоревших газов. Указанные действия повышают коэффициент энергетической эффективности конвекционного настенного газового котла, уменьшают температуру дымовых газов на выходе в атмосферу, снижают экологическое воздействие на атмосферу и экономические затраты на теплоснабжение помещений.

Description

Полезная модель относится к области производственной и коммунальной теплоэнергетики и может быть использована в конструкциях котлов, предназначенных для отопления и/или горячего водоснабжения индивидуальных домов, многоэтажных многоквартирных домов для поквартирного теплоснабжения.

Уровень техники

Известны настенные газовые котлы - теплогенерирующие устройства, монтируемые на стене и предназначенные для отопления и горячего водоснабжения помещений (Торопов А.Л., «Автономные системы теплоснабжения малой мощности. Настенные газовые котлы и тепловые аккумуляторы». - Издательство МИСИ - МГСУ, 2022. - 176 с. ISBN 978-5-7264-3110-9 и Торопов А.Л., «Настенные газовые котлы автономных систем теплоснабжения. История создания. Основные элементы. Классификация. Часть 1. Конвекционные настенные газовые котлы. - - М.: Издательский дом Академии Естествознания, 2020. - 60 с. ISBN 978-5-91327-630-8 DOI 10.17513/пр.411). В них генерация тепловой энергии происходит из-за выделения тепловой энергии при сгорании смеси природного газа и атмосферного воздуха. Полученная тепловая энергия, путем конвективного теплообмена, нагревает теплообменник и теплоноситель, находящийся внутри теплообменника. Нагретый теплоноситель под действием циркуляционного насоса перемещается по трубам контура циркуляции к приборам отопления, которые, остывая, передают энергию помещению. При сгорании газообразного топлива часть тепловой энергии уходит в атмосферу с нагретыми дымовыми газами. Снижение температуры дымовых газов и максимальная величина передачи тепловой энергии при сгорании топлива теплоносителю и тепловым приборам определяет энергетическую эффективность теплового генератора. Задача эффективного нагрева теплообменника камеры сгорания настенного конвекционного газового котла связана с организацией равномерного, по всей поверхности теплообменника, потока нагретых при сгорании топлива газов, а также со снижением доли ламинарного обтекания поверхности теплообменника и увеличения доли турбулентного обтекания. Для реализации данной задачи применяются различные турбуляторы потоков газов, эффективность которых в конвекционных котлах может достигать нескольких процентов (см. работу Каспийского университета технологий и инжиниринга имени Ш. Есенова., Авторы: Д.У. Сугиров, С.М. Оспанова, М.К. Суйменова, А.И. Избасар, Г.И. Есболай, С 89 «Повышение тепловой эффективности конвективных поверхностей нагрева». Коллективная Монография - М.: Мир науки, 2021. - Сетевое издание. Режим доступа: https://izd-mn.com/PDF/23MNNPM21.pdf?ysclid=llcanjvuhu44524584).

Известен отопительный водогрейный котел (см. патент на полезную модель RU 13415 U1, МПК F24H 1/12, опубл. 10.04.2000), содержащий корпус с патрубками подвода холодной и отвода горячей воды и отработанных газов, камеру сгорания, снабженную водяной рубашкой, с горелкой в нижней ее части, теплообменником и установленными в газоходах турбулизаторами в верхней ее части. Камера сгорания дополнительно снабжена рассекателем, выполненным на ее задней стенке напротив горелки и нестационарно установленной огнеупорной перегородкой, расположенной с зазором над рассекателем и формирующей верхнюю часть ее задней стенки. Теплообменник выполнен в виде соединенных между собой секций, расположенных с зазорами и формирующих газоходы. Турбулизаторы установлены по одному с каждой стороны каждого газохода. Они представляют собой плоские листы, снабженные выштамповками в виде множества отогнутых чешуек, расположенных в шахматном порядке, и при этом каждая из последующих чешуек отогнута по отношению к предыдущей на противоположную сторону листа.

Недостатками этого котла являются его повышенная металлоемкость и большие аэродинамические сопротивления конвективной части. Данный котел является напольным.

Известно дымогарное устройство (см. патент на изобретение RU 2105249 С1, МПК F24H 1/26, опубл. 20.02.1998), размещенное в барабане с водяной рубашкой водонагревателя, использующего преимущественно газообразное или жидкое топливо. Дымогарное устройство состоит из дымогарной трубы, интенсификатора теплообмена и шнекового удлинителя газового потока. Интенсификатор теплообмена расположен в зоне низкого теплообмена трубы, а шнековый удлинитель газового потока выполнен в виде спиральной полосы и размещен на интенсификаторе теплообмена в зазоре между последним и дымогарной трубой. При этом барабан имеет входной патрубок для поступления воды в водяную рубашку, которая сообщена патрубком с интенсификатором теплообмена, и выходной патрубок для горячей воды. Нижняя часть водонагревателя снабжена топкой и горелкой, а верхняя - содержит вытяжную трубу.

Недостатками водонагревателя с дымогарным устройством являются высокие капиталовложения, сложность ремонта и обслуживания, обусловленные использованием в дымогарном устройстве шнекового удлинителя газового потока. Данный водонагреватель с дымогарным устройством не является настенным газовым котлом.

Наиболее близким по технической сути к предполагаемой полезной модели является водогрейный жаротрубный котел с турбулизаторами улиточного типа (см. патент RU 2 610 985 С1, МПК F24H 1/12, опубл. 17.02.2017).

Водогрейный жаротрубный котел с турбулизаторами улиточного типа, содержащий корпус с крышкой, в центральной части которой выполнено отверстие для установки горелки, при этом в корпусе размещены водяной объем, топочная камера, турбулизаторы, дымогарные трубы, коллектор дымовых газов, отводящий и подводящий трубопроводы, корпус расположен горизонтально, огражден с одной стороны крышкой из огнеупорного материала, с другой - задней стенкой коллектора дымовых газов, и покрыт теплоизоляцией, на внутренней поверхности крышки, вокруг отверстия для установки горелки, равномерно выполнены выемки, образующие каналы турбулизаторов улиточного типа, внутри центральной части корпуса расположена топочная камера, вокруг которой размещены дымогарные трубы, соединенные одними концами с соответствующими им турбулизаторами, а другими - с отверстиями в передней стенке коллектора дымовых газов, который расположен в тыльной части корпуса своей плоскостью перпендикулярно дымогарным трубам, в верхней части корпуса выполнены отводящий и подводящий трубопроводы, связанные между собой водяным объемом, а также канал отвода отработанных газов, расположенный на выходе из коллектора дымовых газов.

Недостатком данной конструкции являются большие габариты и напольное исполнение, которое исключают размещение в небольших помещениях.

Раскрытие сущности полезной модели

Технической задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для настенного газового конвекционного котла, обеспечивающего:

равномерность нагрева всей поверхности теплообменника,

увеличение турбулентности обтекания теплообменника горячими газами,

дожигание несгоревших газов,

снижение выбросов парниковых газов продуктов сгорания,

повышение коэффициента энергетической эффективности работы котла,

снижение экономических затрат при теплоснабжении.

Настенный газовый конвекционный котел с атмосферной многофакельной горелкой состоит из закрытой камеры сгорания, в которой размещены теплообменник, газовая многофакельная горелка, газовый клапан, трубные соединения, вентилятор для удаления продуктов сгорания, циркуляционный насос, расширительный бак, гидравлическая распределительная арматура.

При сгорании газообразного топлива в закрытой камере сгорания газового котла образуются дымовые газы. С помощью вентилятора, расположенного в верхней части закрытой камеры сгорания, обеспечивается вывод дымовых газов в дымоход и поступление атмосферного воздуха для поддержания процесса горения. Применяемые в настоящее время настенные газовые котлы с верхним расположением вентилятора над камерой сгорания имеют канал всасывания воздуха из камеры сгорания. Канал всасывания по размеру составляет только часть от размера теплообменника. При работе вентилятора обдувание горячими газами теплообменника в процессе горения газово-воздушной смеси происходит неравномерно. В закрытой камере сгорания в удаленных от канала всасывания вентилятора частях камеры сгорания возникают застойные зоны с низким значением температур. Результатом такого расположения каналов всасывания является неравномерный и неэффективный нагрев теплоносителя в теплообменнике.

Технический результат задачи повышения энергетической эффективности передачи тепловой энергии нагретых газов в процессе горения теплоносителю достигается установкой между теплообменником, по которому движется теплоноситель, и каналом всасывания вентилятора специального плоского распределителя теплового потока. Распределитель теплового потока представляет собой плоскую листовую конструкцию с рядом неравномерно распределенных отверстий. Распределитель теплового потока организует сопротивление движению теплового потока газов, организованного вентилятором. Он замедляет скорость движения газов, обеспечивает равномерность нагрева по всей поверхности теплообменника, увеличивает турбулентность обтекания теплообменника горячими газами, отражает часть лучевой энергии горения по направлению к теплообменнику, способствует дожиганию несгоревших газов. Указанные действия повышают коэффициент энергетической эффективности конвекционного настенного газового котла, уменьшают температуру дымовых газов на выходе в атмосферу, снижают экологическое воздействие на атмосферу и экономические затраты на теплоснабжение помещений.

Конструкция плоского распределителя тепловых потоков состоит из двух зон распределения. Зоны под всасывающим каналом вентилятора. Она содержит один ряд прорезей вдоль края плоского распределителя тепловых потоков. Основное назначение данной зоны плоского распределителя затормозить поток газов горения, повернуть его на 90 градусов от первоначального направления движения, увеличить турбулентность потока. Вторая зона плоского распределителя тепловых потоков выполнена в виде трех рядов прорезей с разными размерами по ширине и одинаковой длинной. Ширина прорезей в трех радах, а значит и площадь прорезей, увеличивается по мере удаления ряда от всасывающего канала вентилятора. Суммарная площадь прорезей плоского распределителя тепловых потоков составляет 65-80% от площади всасывающего канала вентилятора.

Краткое описание чертежей.

Фиг. 1 показывает конструкцию закрытой камеры сгорания настенного конвекционного котла с закрытой передней стенкой камеры сгорания.

Фиг. 2 показывает конструкцию закрытой камеры сгорания настенного конвекционного котла с открытой передней стенкой камеры сгорания и плоским распределителем тепловых потоков.

На Фиг. 3 показано направление движения потоков тепловых газов настенного конвекционного котла с конструкцией закрытой камере сгорания без плоского распределителя тепловых потоков.

На Фиг. 4 показано направление движения потоков тепловых газов настенного конвекционного котла с конструкцией закрытой камере сгорания с плоским распределителя тепловых потоков.

На Фиг. 5 показан плоский распределитель тепловых потоков. Обозначения на фигурах:

1. Первичный теплообменник.

2. Газовая многофакельная горелка.

3. Корпус камеры сгорания.

4. Вентилятор.

5. Передняя стенка камеры сгорания.

6. Плоскостной распределитель тепловых потоков.

7. Патрубок подачи газа.

8. Первый рад прорезей.

9. Три ряда прорезей.

Осуществление полезной модели

Закрытая газовая камера сгорания настенного газового котла (см. фиг. 1). Состоит из первичного теплообменника 1, газовой многофакельной горелки 2, корпуса камеры сгорания 3, вентилятора тяги продуктов сгорания 4, передней стенки камеры сгорания 5, плоскостного распределителя тепловых потоков 6.

При работе настенного конвекционного газового котла (см. фиг. 2) атмосферный воздух поступает в закрытую камеру сгорания из нижней части по направлениям А, смешивается с горючими углеводородными газами, поступающими через патрубок подачи газа 7 и сгорает с выделением тепловой энергии и дымовых газов в газовой многофакельной горелке 2. Горячие газы под воздействием тяги вентилятора 4, расположенного над первичным теплообменником 1, отводятся в дымоходы с последующим выводом в атмосферу по направлению Б. Между первичным теплообменником 1 и вентилятором 4 расположен плоскостной распределитель тепловых потоков 6. Поток тепловых газов под действием тяги вентилятора 4 проходит через первичный теплообменник 1, передавая теплоносителю (на фиг. 3 и 4 не показан), который протекает по первичному теплообменнику, тепловую энергию конвективным и лучистым теплообменом, скорость движения теплового потока замедляется и выравнивается при прохождении через плоскостной распределитель тепловых потоков 6, являющийся дополнительным сопротивлением. Движение потоков газов без плоского распределителя тепловых потоков 6 показано на фиг. 3 и с плоским распределителем тепловых потоков 6 на фиг. 4, где показано, что в конструкции без плоского распределителя тепловых потоков 6, имеет застойную зону (на фиг. 3 не показана) в наиболее отдаленной от входного канала вентилятора части первичного теплообменника 1. В указанной застойной зоне снижается доля тепловой энергии, передаваемой теплоносителю. Плоский распределитель тепловых потоков 6 представлен на фиг. 4 и фиг. 5 и состоит из листовой пластины, выполненной из жаростойкого материала с зоной первого ряда прорезей 8, расположенной под входным каналом вентилятора, предназначенных для исключения застоя по краю плоского распределителя теплового потока и для поворота вектора движения теплового потока горячих газов на 90 градусов с целью торможения скорости теплового потока и увеличения турбулентности теплового потока с целью передачи большей части тепловой

энергии горячих газов теплоносителю, протекающему в теплообменнике. Вторая зона с тремя рядами прорезей 9, разной площади по рядам, предназначена для равномерного нагрева зон теплообменника, наиболее удаленных от входного канала вентилятора. Площадь прорезей в трех рядах прорезей 9 в плоском распределителе тепловых потоков 6 возрастает в каждом ряде по мере удаления ряда от входного канала вентилятора 4.

Поскольку заявленная полезная модель отличается от наиболее близкого аналога рядом существенных признаков, оно соответствует условию патентоспособности «новизна».

В основу заявленной полезной модели положены известные законы материального мира, что позволяет утверждать о соответствии изобретения условию «промышленная применимость».

Поскольку из уровня техники не известен плоский распределитель теплового потока, состоящий из двух зон распределения потока, организующий сопротивление движению теплового потока газов, замедляющих скорость движения газов, обеспечивающих равномерность нагрева по всей поверхности теплообменника, увеличивающий турбулентность обтекания теплообменника горячими газами, отражающий часть лучевой энергии горения по направлению к теплообменнику, способствующий дожиганию несгоревших, можно сделать вывод о соответствии заявленной системы условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Claims (2)

1. Настенный газовый конвекционный котел, состоящий из закрытой камеры сгорания, первичного теплообменника, вентилятора, расположенного над первичным теплообменником, газовой многофакельной горелки, отличающийся тем, что между вентилятором и первичным теплообменником установлен плоский распределитель тепловых потоков, расположенный параллельно теплообменнику и выполненный из листового жаропрочного материала с первым рядом прорезей в зоне всасывающего канала вентилятора и тремя рядами прорезей вне зоны всасывающего канала вентилятора, при этом площадь прорезей в трех рядах возрастает в каждом ряду по мере удаления ряда от входного канала вентилятора, поверхность плоского распределителя тепловых потоков между первым рядом прорезей и тремя рядами прорезей выполнена сплошной.

2. Настенный газовый конвекционный котел по п. 1, отличающийся тем, что суммарная площадь прорезей плоского распределителя тепловых потоков составляет 65-80% от площади всасывающего канала вентилятора.