RU2379594C1

RU2379594C1 - Hot water boiler

Info

Publication number: RU2379594C1
Application number: RU2008151752/06A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Голубев (RU); Дмитрий Владимирович Голубев; Наталья Всеволодовна Майкова (RU); Наталья Всеволодовна Майкова; Вячеслав Николаевич Макаров (RU); Вячеслав Николаевич Макаров; Андрей Борисович Митрофанов (RU); Андрей Борисович Митрофанов; Антон Юрьевич Орлов (RU); Антон Юрьевич Орлов; Александр Самуилович Тукацинский (RU); Александр Самуилович Тукацинский; Михаил Иванович Якушин (RU); Михаил Иванович Якушин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Инженерное проектирование"
Priority date: 2008-12-26
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2010-01-20

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: hot water boiler contains heat exchanger with water storage tank, furnace chamber connected to gas duct in order to discharge combustion products, radiation gas burner equipped with gas-permeable insert and injector mixer, and lighting-up device and flame control device. Heat exchanger is made of five rectangular hollow panels arranged in the form of rectangular parallelepiped, the sixth edge of which is covered with gas-permeable burner insert which is rectangular in plan view. Water storage tank of heat exchanger is comprised by cavities of its panels, which are connected to each other. Furnace chamber is restricted with inner surfaces of heat exchanger panels and with rectangular burner insert. Ratio A of total area of inner surfaces of heat exchanger panels restricting the furnace chamber to surface area of rectangular insert of burner corresponds to inequation: 1.5<A<5. At such boiler design there provided is heat absorption of larger amount of heat in the form of radiation and convention immediately in its furnace chamber.

EFFECT: increasing thermal factor of furnace chamber and improving boiler efficiency.

5 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для подогрева воды с применением газового топлива и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения бытовых и промышленных помещений.The invention relates to a device for heating water using gas fuel and can be used for heating and hot water supply of domestic and industrial premises.

Известны водогрейные котлы с радиационными газовыми горелками, в которых теплота, образующаяся при сгорании топлива, передается воде посредством теплового излучения, поглощаемого стенками водяной емкости, и за счет конвективного теплообмена от продуктов сгорания (US 4510890, RU 2189538, US 5511516, US 6945196, US 7040258, US 7299768).Water-heating boilers with radiation gas burners are known in which the heat generated by the combustion of fuel is transferred to water through heat radiation absorbed by the walls of the water tank and due to convective heat transfer from the combustion products (US 4510890, RU 2189538, US 5511516, US 6945196, US 7040258, US 7299768).

Известен водогрейный котел (US 5494003), содержащий корпус и водяную емкость, днище которой образует вместе с теплоизолированными стенками топочную камеру, в которой установлена радиационная горелка с инжекционным смесителем. Горелка установлена таким образом, чтобы максимально использовать поперечное сечение камеры сгорания для излучающей поверхности радиационной горелки. Стенки топочной камеры являются не только радиационными, но и конвективными поверхностями нагрева и служат для передачи теплоты продуктов сгорания конвекцией. Продукты сгорания движутся по газоходам, омывая наружную поверхность части водяной емкости, отдавая воде дополнительную теплоту.Known hot water boiler (US 5494003), comprising a housing and a water tank, the bottom of which forms, together with heat-insulated walls, a combustion chamber in which a radiation burner with an injection mixer is installed. The burner is installed in such a way as to maximize the use of the cross section of the combustion chamber for the radiating surface of the radiation burner. The walls of the combustion chamber are not only radiation, but also convective heating surfaces and serve to transfer the heat of the combustion products by convection. Combustion products move along the flues, washing the outer surface of a part of the water tank, giving the water additional heat.

Недостатком конструкции является то, что часть площади топочной камеры покрыта слоем теплоизоляционного материала, что приводит к потерям тепловой энергии. Недостатками котла являются низкая тепловая напряженность топочного пространства, низкая эффективность, связанная с потерями части тепловой энергии.The design drawback is that part of the combustion chamber area is covered with a layer of heat-insulating material, which leads to loss of thermal energy. The disadvantages of the boiler are low thermal tension of the furnace space, low efficiency associated with the loss of part of the thermal energy.

Известен водогрейный котел (US 6725811), содержащий теплозащитный корпус, теплообменник с водяной емкостью, топочную камеру, соединенную с газоходом для отвода продуктов сгорания, газовую радиационную горелку, снабженную газопроницаемой вставкой и инжекционным смесителем, и устройства розжига и контроля пламени. Днище водяной емкости своей вогнутой частью образует часть топочной камеры, в которой установлена горелка. Газоход для отвода продуктов сгорания и передачи теплоты от них стенкам газохода конвекцией проходит по оси теплообменника.A known hot water boiler (US 6725811), comprising a heat shield, a heat exchanger with a water tank, a combustion chamber connected to a flue for exhausting combustion products, a gas radiation burner equipped with a gas-permeable insert and an injection mixer, and an ignition and flame control device. The bottom of the water tank with its concave part forms the part of the combustion chamber in which the burner is installed. The duct for conveying combustion products and transferring heat from them to the walls of the duct through convection passes along the axis of the heat exchanger.

Недостатки конструкции связаны с неполным использованием объема топочной камеры для размещения радиационной горелки. Кроме того, большая доля излучения в топочной камере поглощается теплоизоляцией. Это приводит к снижению объемной и поверхностной тепловой напряженности топочной камеры.Design flaws are associated with the incomplete use of the volume of the combustion chamber to accommodate a radiation burner. In addition, a large fraction of the radiation in the combustion chamber is absorbed by the thermal insulation. This leads to a decrease in volumetric and surface thermal tension of the combustion chamber.

Недостатками прототипа являются также нерациональное соотношение между площадями радиационного и конвективного теплообмена, нерациональное соотношение между объемом водяной емкости и площадью тепловосприятия.The disadvantages of the prototype are also the irrational ratio between the areas of radiation and convective heat transfer, the irrational ratio between the volume of the water tank and the area of heat perception.

Следствием этих причин является увеличение удельных массы и габаритов котла на единицу мощности и снижение его эффективности.The consequence of these reasons is an increase in the specific gravity and dimensions of the boiler per unit of power and a decrease in its efficiency.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности водогрейного котла с радиационными горелками, то есть увеличение КПД, уменьшение удельных массы и габаритов котла на единицу мощности.The objective of the present invention is to increase the efficiency of a boiler with radiation burners, that is, an increase in efficiency, a decrease in the specific gravity and dimensions of the boiler per unit power.

Поставленная задача решается тем, что в водогрейном котле, содержащем теплообменник с водяной емкостью, топочную камеру, соединенную с газоходом для отвода продуктов сгорания, газовую радиационную горелку, снабженную газопроницаемой вставкой и инжекционным смесителем, и устройства розжига и контроля пламени, согласно изобретению теплообменник выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей, скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, шестая грань которого закрыта выполненной прямоугольной в плане газопроницаемой вставкой горелки, водяная емкость теплообменника образована соединенными одна с другой полостями его панелей, топочная камера ограничена внутренними поверхностями панелей теплообменника и прямоугольной вставкой горелки, а отношение А суммарной площади внутренних поверхностей панелей теплообменника, ограничивающих топочную камеру, к площади поверхности прямоугольной вставки горелки соответствует неравенству 1,5<А<5.The problem is solved in that in a boiler containing a heat exchanger with a water tank, a combustion chamber connected to a flue for exhausting combustion products, a gas radiation burner equipped with a gas-permeable insert and an injection mixer, and an ignition and flame control device, according to the invention, the heat exchanger is made of five rectangular hollow panels arranged in the form of a rectangular parallelepiped, the sixth face of which is closed by a rectangular permeable gas-tight insert burner, the water capacity of the heat exchanger is formed by the cavities of its panels connected to one another, the combustion chamber is limited by the internal surfaces of the heat exchanger panels and the rectangular insert of the burner, and the ratio A of the total area of the internal surfaces of the heat exchanger panels restricting the combustion chamber to the surface area of the rectangular burner insert corresponds to inequality 1 , 5 <A <5.

Поставленная задача решается также тем, что полости панелей теплообменника могут быть разделены перегородками, образующими лабиринтные каналы для циркуляции воды.The problem is also solved by the fact that the cavity of the heat exchanger panels can be divided by partitions forming labyrinth channels for water circulation.

Поставленная задача решается также тем, что газоход для отвода продуктов сгорания может быть образован сквозными каналами, проходящими через одну из панелей теплообменника.The problem is also solved by the fact that the flue for the removal of combustion products can be formed through channels passing through one of the panels of the heat exchanger.

Поставленная задача решается также тем, что газоход для отвода продуктов сгорания может быть образован щелевыми зазорами между панелями теплообменника.The problem is also solved by the fact that the flue for the removal of combustion products can be formed by slotted gaps between the panels of the heat exchanger.

Поставленная задача решается также тем, что котел может быть снабжен коллектором газов, выполненным в виде короба с патрубком для соединения с системой отвода продуктов сгорания и сообщенным с газоходом.The problem is also solved by the fact that the boiler can be equipped with a gas collector made in the form of a duct with a pipe for connecting to the exhaust system and connected to the flue.

Естественной формой излучающей поверхности промышленных радиационных горелок является прямоугольник. Встраивание горелок с прямоугольными газопроницаемыми вставками в цилиндрические топочные камеры приводит к возрастанию потерь энергии и к уменьшению тепловой напряженности топочного пространства, которая у водогрейных котлов с радиационными горелками меньше, чем у котлов с факельными горелками. Поэтому наиболее рациональной формой топочной камеры является параллелепипед. Такая форма позволяет минимизировать объем и массу котла по отношению к мощности. Использование прямоугольных пустотелых панелей позволяет обеспечивать рациональное соотношение между объемом водяной емкости и площадью поверхностей нагрева котла. Это обеспечивает возможность оптимизации удельных массы и габаритов котла.The natural shape of the radiating surface of industrial radiation burners is a rectangle. The incorporation of burners with rectangular gas-permeable inserts into cylindrical combustion chambers leads to an increase in energy losses and to a decrease in the thermal tension of the furnace space, which is less for boilers with radiation burners than for boilers with torch burners. Therefore, the most rational form of the combustion chamber is the box. This form allows you to minimize the volume and weight of the boiler in relation to power. The use of rectangular hollow panels makes it possible to ensure a rational ratio between the volume of the water tank and the area of the heating surfaces of the boiler. This makes it possible to optimize the specific gravity and dimensions of the boiler.

В предложенной конструкции отсутствуют потери теплоты, связанные с неполным использованием объема топочной камеры для размещения радиационной горелки и поверхностей нагрева, так как прямоугольная газопроницаемая вставка горелки занимает максимально возможную площадь свободной грани параллелепипеда.In the proposed design, there are no heat losses associated with the incomplete use of the volume of the combustion chamber to accommodate the radiation burner and heating surfaces, since a rectangular gas-permeable burner insert occupies the maximum possible area of the free face of the box.

Конфигурация топочной камеры позволяет обеспечить оптимальное соотношение между тепловой напряженностью топочного пространства и тепловой напряженностью поверхностей нагрева. Площадь радиационной и конвективных поверхностей может быть развита достаточно для полного поглощения излучения.The configuration of the combustion chamber allows you to provide the optimal ratio between the thermal intensity of the furnace space and the thermal intensity of the heating surfaces. The area of radiation and convective surfaces can be developed enough to completely absorb radiation.

При этом объем водяной емкости, а также скорость циркуляции воды по водяной емкости в предложенной конструкции могут быть оптимальными. Оптимизация достигается выбором размеров пустотелых панелей, количеством и конфигурацией лабиринтных каналов, образованных перегородками в полостях панелей.The volume of the water tank, as well as the speed of circulation of water through the water tank in the proposed design can be optimal. Optimization is achieved by choosing the sizes of hollow panels, the number and configuration of labyrinth channels formed by partitions in the cavity of the panels.

Развитие технологии радиационных горелок допускает их использование в водогрейных котлах при температуре в диапазоне 1100-1500 К. Для рационального использования объема и массы котла целесообразно поднимать температуру горелки, что приводит к значительному перераспределению между радиационной и конвективной составляющими тепловой энергии горелки и, соответственно, изменению площадей радиационных и конвективных поверхностей нагрева топочной камеры.The development of the technology of radiation burners allows their use in hot water boilers at a temperature in the range of 1100-1500 K. For the rational use of the volume and mass of the boiler, it is advisable to raise the temperature of the burner, which leads to a significant redistribution between the radiation and convective components of the thermal energy of the burner and, consequently, a change in areas radiation and convective heating surfaces of the combustion chamber.

Отношение А суммарной площади внутренних поверхностей панелей теплообменника, ограничивающих топочную камеру, к площади поверхности прямоугольной вставки горелки определяется испытаниями и поверочными расчетами котла. Ограничение этого соотношения снизу определено на основе оптимизации тепловой напряженности топочного пространства и тепловой напряженности поверхностей нагрева для условий работы радиационной горелки. Из конструктивных соображений и с учетом роста массово-габаритных характеристик котла целесообразно, чтобы отношение А соответствовало неравенству 1,5<А<5.The ratio A of the total area of the inner surfaces of the heat exchanger panels, which limit the combustion chamber, to the surface area of the rectangular insert of the burner is determined by tests and verification calculations of the boiler. The restriction of this ratio from below is determined on the basis of optimization of the thermal tension of the furnace space and the thermal tension of the heating surfaces for the operating conditions of a radiation burner. From design considerations and taking into account the growth of the mass-dimensional characteristics of the boiler, it is advisable that the ratio A corresponds to the inequality 1.5 <A <5.

На фиг.1 представлен продольный разрез предлагаемого водогрейного котла, теплообменник которого выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей (верхней, нижней и трех боковых), скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, а радиационная горелка установлена на его четвертой боковой грани.Figure 1 shows a longitudinal section of the proposed hot water boiler, the heat exchanger of which is made of five rectangular hollow panels (upper, lower and three side) arranged in the form of a rectangular parallelepiped, and a radiation burner is installed on its fourth side face.

На фиг.2 - компоновка предлагаемого водогрейного котла, теплообменник которого выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей (верхней, нижней и трех боковых), скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда.Figure 2 - layout of the proposed hot water boiler, the heat exchanger of which is made of five rectangular hollow panels (upper, lower and three side), arranged in the form of a rectangular parallelepiped.

На фиг.3 - продольный разрез предлагаемого водогрейного котла, теплообменник которого выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей (верхней и четырех боковых), скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, а радиационная горелка установлена на его нижней грани.Figure 3 is a longitudinal section of the proposed hot water boiler, the heat exchanger of which is made of five rectangular hollow panels (upper and four side), arranged in the form of a rectangular parallelepiped, and a radiation burner is installed on its lower edge.

На фиг.4 - продольный разрез панели теплообменника, полость которой разделена перегородками, образующими лабиринтные каналы для циркуляции воды.Figure 4 is a longitudinal section of a heat exchanger panel, the cavity of which is divided by partitions forming labyrinth channels for water circulation.

На фиг.5 - разрез двух панелей, полости которых соединены при помощи фланцевого соединения.Figure 5 is a section of two panels, the cavities of which are connected using a flange connection.

Предлагаемый водогрейный котел (фиг.1, 2) содержит теплообменник 1 с водяной емкостью 2, топочную камеру 3, соединенную с газоходом 4 для отвода продуктов сгорания, газовую радиационную горелку 5, снабженную керамической газопроницаемой вставкой 6 и инжекционным смесителем 7, и устройства розжига и контроля пламени 8. Теплообменник 1 выполнен из пяти прямоугольных пустотелых панелей 9, скомпонованных в форме прямоугольного параллелепипеда, шестая грань которого закрыта выполненной прямоугольной в плане газопроницаемой вставкой 6 горелки 5. Вставкой 6 горелки 5 может быть закрыта верхняя, одна из боковых граней или нижняя грань параллелепипеда. Соответственно, возможно три компоновки водогрейного котла с расположением вставки 6 горелки 5 на верхней грани, на боковой грани (фиг.1) или на нижней грани параллелепипеда (фиг.3). Водяная емкость 2 теплообменника 1 образована соединенными одна с другой полостями 10 его панелей 9. Топочная камера 3 ограничена внутренними поверхностями 11 панелей 9 теплообменника 1 и прямоугольной вставкой 6 горелки 5.The proposed water boiler (figure 1, 2) contains a heat exchanger 1 with a water tank 2, a combustion chamber 3 connected to a flue 4 for exhausting combustion products, a gas radiation burner 5, equipped with a ceramic gas-permeable insert 6 and an injection mixer 7, and an ignition device and flame control 8. The heat exchanger 1 is made of five rectangular hollow panels 9 arranged in the shape of a rectangular parallelepiped, the sixth face of which is closed by a rectangular permeable gas-tight insert 6 of the burner 5. Sun 6 avkoy burner 5 can be closed top, one of the side faces or the bottom face of the parallelepiped. Accordingly, there are three possible layouts of the boiler with the location of the insert 6 of the burner 5 on the upper edge, on the lateral edge (Fig. 1) or on the lower face of the parallelepiped (Fig. 3). The water tank 2 of the heat exchanger 1 is formed by the cavities 10 of its panels 9 connected to one another. The combustion chamber 3 is bounded by the inner surfaces 11 of the panels 9 of the heat exchanger 1 and the rectangular insert 6 of the burner 5.

Целесообразно, чтобы отношение А суммарной площади внутренних поверхностей 11 панелей 9 теплообменника 1, ограничивающих топочную камеру 3, к площади поверхности прямоугольной вставки 6 горелки 5 соответствовало неравенству 1,5<А<5.It is advisable that the ratio A of the total area of the inner surfaces 11 of the panels 9 of the heat exchanger 1 bounding the combustion chamber 3 to the surface area of the rectangular insert 6 of the burner 5 corresponds to the inequality 1.5 <A <5.

Полости 10 панелей 9 теплообменника 1 (фиг.4) могут быть разделены перегородками 12, образующими лабиринтные каналы 13 для циркуляции воды.The cavity 10 of the panels 9 of the heat exchanger 1 (figure 4) can be separated by partitions 12, forming labyrinth channels 13 for water circulation.

Газоход 4 для отвода продуктов сгорания (фиг.1) может быть образован сквозными каналами 14, проходящими через одну из панелей 9 теплообменника 1. В варианте газоход 4 для отвода продуктов сгорания (фиг.3) может быть образован щелевыми зазорами 15 между панелями 9 теплообменника 1.The flue 4 for exhausting combustion products (FIG. 1) can be formed by through channels 14 passing through one of the panels 9 of the heat exchanger 1. In an embodiment, the flue 4 for exhausting combustion products (FIG. 3) can be formed by slotted gaps 15 between the panels 9 of the heat exchanger one.

Котел (фиг.1, 3) может быть снабжен коллектором 16 газов, выполненным в виде короба 17 с патрубком 18 для соединения с системой отвода продуктов сгорания и сообщенным с газоходом 4.The boiler (Figs. 1, 3) can be equipped with a gas collector 16, made in the form of a duct 17 with a pipe 18 for connecting to the exhaust system and communicated with the flue 4.

Для соединения одной с другой полостей 10 панелей 9 может быть использован один из способов, обеспечивающих герметичность стыков, например фланцевое соединение или сварное соединение. Фланцевое соединение панелей 9 (фиг.5) состоит из фланцев 19, уплотняющей прокладки 20, болтов 21 и резьбовых втулок 22.To connect the cavities 10 of the panels 9 to one another, one of the methods can be used to ensure the joints are tight, for example, a flange joint or a welded joint. The flange connection of the panels 9 (FIG. 5) consists of flanges 19, a gasket 20, bolts 21 and threaded bushings 22.

Описываемый водогрейный котел работает следующим образом.The described hot water boiler operates as follows.

При розжиге котла происходит подача газообразного топлива и воздуха в инжекционный смеситель 7, где образуется газовоздушная смесь, близкая к стехиометрическому составу. Образовавшаяся газовоздушная смесь через керамическую газопроницаемую вставку 6 поступает в топочную камеру 3, где осуществляется ее воспламенение устройствами розжига и контроля пламени 8 и горение с выделением тепла. Горелка 5 выходит на беспламенный режим работы, превращая химическую энергию топлива в тепловую энергию инфракрасного излучения керамической газопроницаемой вставки 6 и теплоту, заключенную в нагретых продуктах сгорания. Выделившееся тепло поглощается через внутренние поверхности 11 панелей 9 теплообменника 1 водой, протекающей в его водяной емкости 2. Охлажденные продукты сгорания отводятся из топочной камеры 3 через газоход 4, коллектор газов 16 и патрубок 18. Холодная вода поступает в полости 10 панелей 9 теплообменника 1, а нагретая вода направляется потребителю из водяной емкости 2 через патрубки 23 для входа и выхода воды.When the boiler is ignited, gaseous fuel and air are supplied to the injection mixer 7, where an air-gas mixture is formed, which is close to the stoichiometric composition. The resulting air-gas mixture through a ceramic gas-permeable insert 6 enters the combustion chamber 3, where it is ignited by the ignition and flame control devices 8 and combustion with heat. The burner 5 enters a flameless mode of operation, converting the chemical energy of the fuel into the thermal energy of infrared radiation from the ceramic gas-permeable insert 6 and the heat contained in the heated combustion products. The released heat is absorbed through the inner surfaces 11 of the panels 9 of the heat exchanger 1 with water flowing in its water tank 2. Cooled combustion products are removed from the combustion chamber 3 through the gas duct 4, the gas collector 16 and the pipe 18. Cold water enters the cavity 10 of the panels 9 of the heat exchanger 1, and heated water is directed to the consumer from the water tank 2 through the nozzles 23 for the entrance and exit of water.

Заявляемые форма и взаимное расположение элементов обеспечивают тепловосприятие большей части тепла в виде излучения и конвекции непосредственно в топочной камере водогрейного котла.The inventive shape and relative position of the elements provide heat perception of most of the heat in the form of radiation and convection directly in the combustion chamber of the boiler.

Предложенная конструкция водогрейного котла позволяет повысить объемную и поверхностную тепловую напряженность топочной камеры за счет выбора оптимальных размеров радиационной горелки, длины, ширины и толщины панелей и размеров лабиринтных каналов.The proposed design of the hot water boiler allows to increase the volumetric and surface thermal tension of the combustion chamber by choosing the optimal dimensions of the radiation burner, the length, width and thickness of the panels and the dimensions of the labyrinth channels.

Claims

1. A water boiler containing a heat exchanger with a water tank, a combustion chamber connected to a flue for exhausting combustion products, a gas radiation burner equipped with a gas-permeable insert and an injection mixer, and an ignition and flame control device, characterized in that the heat exchanger is made of five rectangular hollow panels arranged in the shape of a rectangular parallelepiped, the sixth face of which is closed by a gas-tight burner insert made rectangular in plan, the water tank is heat The ennika is formed by the cavities of its panels connected to one another, the combustion chamber is limited by the internal surfaces of the heat exchanger panels and the rectangular insert of the burner, and the ratio A of the total area of the internal surfaces of the heat exchanger panels restricting the combustion chamber to the surface area of the rectangular burner insert corresponds to the inequality 1.5 <A < 5.

2. The boiler according to claim 1, characterized in that the cavity of the panels of the heat exchanger are separated by partitions forming labyrinth channels for water circulation.

3. The hot water boiler according to claim 1 or 2, characterized in that the flue for the removal of combustion products is formed by through channels passing through one of the panels of the heat exchanger.

4. The boiler according to claim 1 or 2, characterized in that the flue for the removal of combustion products is formed by gap gaps between the panels of the heat exchanger.

5. The hot water boiler according to claim 1, characterized in that it is equipped with a gas collector made in the form of a duct with a pipe for connecting to the exhaust system and communicated with the gas duct.