RU2608606C2

RU2608606C2 - Delivery water heater

Info

Publication number: RU2608606C2
Application number: RU2015105345A
Authority: RU
Inventors: Валерий Александрович Овчинников; Сергей Анатольевич Петриков; Елена Николаевна Петрикова; Геннадий Евгеньевич Рузаев
Original assignee: Акционерное общество "Дорогобужкотломаш" (АО "Дорогобужкотломаш")
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2017-01-23
Also published as: RU2015105345A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to production of hot water. Delivery water heater comprises a combustion chamber with a burner device, screen and water jacket. Entire inner surface of the water jacket surrounding the burner and being simultaneously used as a heat exchanger is a radiant absorbing and convection extended heat surface. There is a perforated screen between the burner device and internal surface of the heat exchanger; the screen is heated by the burner device; the screen’s area is equal to the area of the heat exchanger; it is made from a material with a high coefficient of radiation and has additional openings. These are pressed on the cylindrical surface of the screen and ensure the lateral integrity of the emitting surface of the screen and, at the same time, the passage of combustion products. These openings are directed to the internal wall of the heat exchanger at a tangent. On the water-side the heat exchange with the inner surface of the heat exchanger, facing the screen, is ensured by a bubble boiling device.

EFFECT: use of the invention guarantees the increased heat exchange surface.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к установкам по производству горячей воды и пара, которые широко применяются в промышленности, энергетике, строительстве для обеспечения бытовых нужд.The invention relates to installations for the production of hot water and steam, which are widely used in industry, energy, and construction for domestic needs.

Известны газотрубные и водотрубные котлы по производству горячей воды и пара (Теплотехника. Учебник для вузов под редакцией A.M. Архипова и В.М. Афанасьева. Издательство МГТУ им. Баумана. Москва 2011 г.), которые представляют собой емкости с водой, нагреваемой с помощью продуктов сгорания, проходящих через эти емкости по трубопроводам. К недостаткам этих устройств относятся их незначительная поверхность и невысокая производительность. Промышленные водотрубные установки большой мощности (М.М. Щеголев, Ю.Л. Гусев, М.С. Иванов. Котельные установки: учебник для вузов, изд-во литературы по строительству, Москва, 1966) имеют развитые радиационные (лучевоспринимающие) поверхности нагрева в виде экранов (пучка труб), размещенных в камерной топке. Эти установки обладают высокой производительностью, однако требуют дополнительных устройств - экономайзера, устройства для предварительного подогрева воздуха и др. Кроме того, эти установки обладают значительными размерами.There are known gas-tube and water-tube boilers for the production of hot water and steam (Heat engineering. A textbook for universities edited by AM Arkhipov and V. M. Afanasyev. MSTU named after Bauman. Moscow 2011), which are containers of water heated by combustion products passing through these tanks through pipelines. The disadvantages of these devices include their insignificant surface and low productivity. Large-capacity industrial water tube installations (MM Shchegolev, Yu.L. Gusev, MS Ivanov. Boiler installations: a textbook for high schools, the publishing house of construction literature, Moscow, 1966) have developed radiation (radiation-sensing) heating surfaces in the form of screens (a bundle of pipes) placed in a chamber furnace. These units have high performance, but require additional devices - an economizer, devices for preheating air, etc. In addition, these units have significant dimensions.

Известны водотрубные малогабаритные установки для бытовых нужд, одноконтурные и двухконтурные (С.В. Беликов «Бытовые отопительные котлы», изд-во АКВА-ТЕРМ, Москва, 2012 г.). В одноконтурных котлах вода поступает в проточный теплообменник (например, в виде змеевика), омываемый продуктами сгорания газовоздушной смеси. Эти установки обладают малой производительностью и незначительной мощностью из-за невысокой поверхности теплообмена, и использования в основном конвективной его составляющей. В двухконтурных установках омываемые продуктами горения змеевики поставляют воду для бытовых нужд, а водяная рубашка, представляющая собой второй контур, поставляет горячую воду для обогрева жилища. Такие установки также обладают невысокой производительностью из-за использования только конвективных составляющих теплообмена и потери тепла при теплообмене.Known water-tube small-sized installations for domestic use, single-circuit and double-circuit (S. V. Belikov "Domestic heating boilers", publishing house AKVA-TERM, Moscow, 2012). In single-circuit boilers, water enters a flow-through heat exchanger (for example, in the form of a coil), washed by the combustion products of a gas-air mixture. These plants have low productivity and low power due to the low heat transfer surface, and the use of its mainly convective component. In double-circuit plants, coils washed by combustion products supply water for domestic use, and a water jacket, which is a second circuit, supplies hot water for heating the home. Such plants also have low productivity due to the use of only convective components of heat transfer and heat loss during heat transfer.

Известны компактные устройства - инфракрасные нагреватели (А.И. Богомолов, Д.Я. Вигдорчик, М.А. Маевский «Газовые горелки инфракрасного излучения и их применение», изд-во литературы по строительству, Москва, 1967 г.), использующие для нагрева лучистую энергию и представляющие собой перфорированные керамические плитки, разогреваемые путем беспламенного сгорания газовоздушной смеси и нагреваемые до 1000-1100°C. Такие устройства используются для тепловой обработки материалов, сушки и т.д. Используемые керамические плитки обладают небольшими размерами и большим гидравлическим сопротивлением перфорации. Для повышения лучистой составляющей энергии используются также в виде насадок металлические сетки из жаропрочного материала. Эти сетки способствуют также интенсификации сжигания газа и стабилизации горения, однако большая часть напора газовоздушной смеси падает на преодоление их гидравлического сопротивления.Compact devices are known - infrared heaters (AI Bogomolov, D.Ya. Vigdorchik, MA Mayevsky "Gas burners of infrared radiation and their application", publishing house of construction literature, Moscow, 1967), which are used for heating radiant energy and representing perforated ceramic tiles, heated by flameless combustion of a gas-air mixture and heated to 1000-1100 ° C. Such devices are used for heat treatment of materials, drying, etc. The ceramic tiles used are small in size and have large hydraulic resistance to perforation. To increase the radiant component of energy, metal grids of heat-resistant material are also used in the form of nozzles. These grids also contribute to the intensification of gas combustion and stabilization of combustion, however, most of the pressure of the gas-air mixture falls on overcoming their hydraulic resistance.

Предлагаемый подогреватель сетевой воды позволяет устранить вышеперечисленные недостатки, что является задачей изобретения.The proposed heater network water eliminates the above disadvantages, which is the object of the invention.

Технический результат изобретения - увеличение поверхности теплообмена и повышение лучистой и конвективной составляющих коэффициента теплообмена, тем самым повышение производительности (коэффициента полезного действия).The technical result of the invention is an increase in the heat transfer surface and an increase in the radiant and convective components of the heat transfer coefficient, thereby increasing productivity (efficiency).

Это достигается использованием в конструкции подогревателей, работающих на газовоздушной смеси (на основе метана), компактных газотрубных устройств по производству горячей воды проточного типа с высокой производительностью за счет сочетания лучистых и конвективных составляющих теплообмена, а также с высокими энергетическими характеристиками этих составляющих. Высокотемпературный режим работы, сочетание в едином объеме развитой лучистой и конвективных поверхностей нагрева позволяет сделать установку компактной и с высоким коэффициентом полезного действия.This is achieved by using compact gas-tube devices for the production of flowing type hot water with high productivity in the design of heaters operating on a gas-air mixture (based on methane) due to a combination of radiant and convective components of heat transfer, as well as high energy characteristics of these components. The high-temperature mode of operation, the combination in a single volume of the developed radiant and convective heating surfaces allows you to make the installation compact and with a high efficiency.

Подогреватель сетевой воды содержит камеру сгорания с горелочным устройством, экран, теплообменник, водяную рубашку. Водяная рубашка, окружающая горелочное устройство и являющаяся одновременно теплообменником, осуществляет отбор тепла на всех стадиях теплообмена одновременно с помощью лучистого и конвективных механизмов теплообмена. Вся внутренняя поверхность (стенка) водяной рубашки теплообменника является лучевоспринимающей и конвективной развитой поверхностью нагрева, что приближает коэффициент использования внутренней поверхности к 1. Между горелочным устройством и внутренней поверхностью (стенкой) водяной рубашки (теплообменника) расположен нагреваемый горелочным устройством и равный по площади с теплообменником перфорированный экран, путем своего высокого коэффициента излучения резко усиливающий лучистую составляющую теплообмена, а также формирующий зону сгорания газовоздушной смеси. Со стороны воды теплообмен с внутренней поверхности водяной рубашки, обращенной к экрану, осуществляется с помощью механизма пузырькового кипения за счет разности температур между поверхностью нагрева и водой, температура которой равна температуре кипения, соответствующей давлению, при котором происходит кипение. Окна перфорированных отверстий экрана выдавлены под прямым углом на цилиндрической поверхности экрана в несколько рядов в шахматном порядке, что сохраняет излучающую поверхность экрана 100% целостно-неразрывной по фронту, и в то же время является прозрачной для прохождения продуктов горения, направляя их к внутренней стенке водяной рубашки (теплообменника) по касательной.The network water heater comprises a combustion chamber with a burner, a screen, a heat exchanger, and a water jacket. The water jacket surrounding the burner device and which is also a heat exchanger, carries out heat removal at all stages of heat transfer simultaneously using radiant and convective heat transfer mechanisms. The entire inner surface (wall) of the water jacket of the heat exchanger is a beam-receiving and convective developed heating surface, which brings the coefficient of use of the inner surface closer to 1. Between the burner device and the inner surface (wall) of the water jacket (heat exchanger) there is a heater that is heated and equal in area to the heat exchanger a perforated screen, by its high emissivity, sharply enhances the radiant component of heat transfer, as well as forming gas combustion mixture. On the water side, heat transfer from the inner surface of the water jacket facing the screen is carried out using a bubble boiling mechanism due to the temperature difference between the heating surface and water, the temperature of which is equal to the boiling temperature corresponding to the pressure at which boiling occurs. The windows of the perforated openings of the screen are squeezed at right angles to the cylindrical surface of the screen in several rows in a checkerboard pattern, which keeps the radiating surface of the screen 100% integral and inextricable along the front, and at the same time it is transparent for the passage of combustion products, directing them to the inner wall of the water shirts (heat exchanger) tangentially.

На фигуре 1 показан подогреватель сетевой воды, разрез.The figure 1 shows a network water heater, a section.

На фигуре 2 показан подогреватель сетевой воды, дополнительные перфорированные отверстия (окна) экрана.Figure 2 shows a network water heater, additional perforated openings (windows) of the screen.

Подогреватель сетевой воды (фиг. 1) состоит из камеры сгорания 1 с горелочным устройством 2, которые окружены водяной рубашкой 3, являющейся одновременно теплообменником, равномерно распределенных и соединенных между собой параллельно теплообменных каналов 4 (в количестве пятидесяти одного - 51) для продуктов сгорания. Движение продуктов сгорания в теплообменных каналах и воды осуществляется в противотоке. Между водяной рубашкой (теплообменником) 3 и камерой сгорания 1 расположен перфорированный экран 5, служащий для увеличения лучистой составляющей теплообмена, поскольку газовый факел обладает незначительным коэффициентом излучения. Кроме того, экран 5, пропуская продукты горения, препятствует «проскоку» пламени в зазор между водяной рубашкой и экраном, т.е. формирует зону сгорания газовоздушной смеси. Водяная рубашка (теплообменника) 3 имеет развитую внутреннюю поверхность (внутреннюю стенку) 6, которая является одновременно лучевоспринимающей и конвективной поверхностью нагрева, т.е. лучистого потока, усиленного свечением экрана 5 и конвективной составляющей продуктов сгорания, проходящих из камеры сгорания 1 через перфорацию в экране 5. Продукты сгорания, отдав значительную часть тепла внутренним стенкам водяной рубашки (теплообменника) 3 попадают в теплообменные каналы 4, где с помощью только конвективной составляющей отдают воде оставшееся тепло. Эти каналы за счет их количества (51) имеют широко развитую конвективную поверхность, а за счет малого внутреннего диаметра (30 мм) обладают высоким конвективным коэффициентом теплообмена, что позволяет произвести отбор остающегося тепла в полной мере. Чтобы полнее использовать внутреннюю поверхность 6 водяной рубашки 3, со стороны циркулирующей воды путем повышения коэффициента теплообмена, выбран режим ее нагрева до температуры - выше температуры пузырькового кипения, на порядок увеличивающего отбор тепла от этой поверхности за счет интенсивного перемешивания воды пузырьками (однако, ее температура не должна превышать критическую, при которой начинается уже пленочное кипение с прослойкой пара, затрудняющее теплообмен). Разность между температурами пузырькового и пленочного кипения при нормальном атмосферном давлении составляет ~ 25°C. Таким образом, водяная рубашка 3 является одновременно теплообменником и осуществляет отбор тепла на всех стадиях теплообмена одновременно с помощью лучистого и конвективных коэффициентов теплообмена.The network water heater (Fig. 1) consists of a combustion chamber 1 with a burner 2, which are surrounded by a water jacket 3, which is both a heat exchanger, evenly distributed and interconnected in parallel by heat exchange channels 4 (in the amount of fifty-one - 51) for combustion products. The movement of combustion products in the heat exchange channels and water is carried out in countercurrent. Between the water jacket (heat exchanger) 3 and the combustion chamber 1, there is a perforated screen 5, which serves to increase the radiant component of heat transfer, since the gas plume has an insignificant emissivity. In addition, the screen 5, passing the combustion products, prevents the “leakage” of the flame into the gap between the water jacket and the screen, i.e. forms the combustion zone of the gas-air mixture. The water jacket (of the heat exchanger) 3 has a developed inner surface (inner wall) 6, which is both a radiation-receiving and convective heating surface, i.e. radiant flux, enhanced by the glow of the screen 5 and the convective component of the combustion products passing from the combustion chamber 1 through the perforation in the screen 5. The combustion products, having given a significant part of the heat to the inner walls of the water jacket (heat exchanger) 3, enter the heat exchange channels 4, where using only convective component give the remaining heat to the water. Due to their number (51), these channels have a widely developed convective surface, and due to the small internal diameter (30 mm) they have a high convective heat transfer coefficient, which allows the selection of the remaining heat in full. In order to make fuller use of the inner surface 6 of the water jacket 3, from the side of the circulating water by increasing the heat transfer coefficient, the mode of its heating to a temperature higher than the bubble boiling temperature was selected, which increases the heat removal from this surface by an order of magnitude due to the intensive mixing of water with bubbles (however, its temperature should not exceed the critical level at which film boiling with a layer of steam begins already, which impedes heat transfer). The difference between the temperatures of bubble and film boiling at normal atmospheric pressure is ~ 25 ° C. Thus, the water jacket 3 is at the same time a heat exchanger and carries out heat removal at all stages of heat transfer simultaneously using radiant and convective heat transfer coefficients.

Предлагаемый подогреватель работает следующим образом. В небольшом объеме реализуется повышение скорости теплообмена за счет лучистой составляющей, которая становится основным механизмом теплообмена и значительно превышает конвективный. Такое повышение теплообмена формируется инфракрасным экраном 5, нагреваемым горелочным устройством 2. Температура экрана ограничена лишь жаропрочностью его материала. Поскольку энергия, переданная посредством излучения по уравнению теплообмена

гдеThe proposed heater operates as follows. In a small volume, an increase in the rate of heat transfer is realized due to the radiant component, which becomes the main mechanism of heat transfer and significantly exceeds convective. This increase in heat transfer is formed by the infrared screen 5, heated by the burner device 2. The temperature of the screen is limited only by the heat resistance of its material. Since the energy transmitted through radiation according to the heat transfer equation

Where

Q_л - тепло, переданное излучением, ккал/кг;Q _l - heat transmitted by radiation, kcal / kg;

α_к - приведенная степень черноты камеры сгорания;α _to - reduced degree of blackness of the combustion chamber;

Т_з - температура наружного слоя (загрязнения) лучевоспринимающей поверхности, К;T _s - the temperature of the outer layer (contamination) of the radiopaque surface, K;

Н_л - лучевоспринимающая поверхность нагрева, м²;N _l - radiopaque heating surface, m ² ;

B_р - расчетный расход топлива;B _p - estimated fuel consumption;

Т_ф - эффективная температура топочной среды, К растет пропорционально температуре в четвертой степени (Q_луч-T⁴), то при температуре экрана более 1000°C лучистый коэффициент теплообмена превышает конвективный более чем в 3 раза.T _f is the effective temperature of the combustion medium, K increases in proportion to the temperature to the fourth degree (Q _beam -T ⁴ ), then at a screen temperature of more than 1000 ° C the radiant heat transfer coefficient exceeds convective more than 3 times.

Интенсификации теплообмена также способствуют развитые по площадям и равные между собой поверхности теплообмена - экран 5 и внутренней поверхности 6 водяной рубашки (теплообменника) 3, а также расположение этих поверхностей фронтально и непосредственной близости друг от друга (величина зазора между ними выбрана таким образом, чтобы его площадь поперечного сечения соответствовала бы суммарной площади поперечного сечения теплообменных каналов 4, при этом коэффициент черноты этих поверхностей, благодаря покрытию, близок к 1).Heat exchange intensification is also facilitated by heat-exchange surfaces developed in areas and equal to each other - screen 5 and the inner surface 6 of the water jacket (heat exchanger) 3, as well as the location of these surfaces frontally and immediately adjacent to each other (the size of the gap between them is chosen so that the cross-sectional area would correspond to the total cross-sectional area of the heat exchange channels 4, while the black factor of these surfaces, due to the coating, is close to 1).

Чтобы лучше использовать лучеиспускаемую поверхность экрана, имеющего 50% прозрачность из-за перфорации для прохождения сквозь него продуктов горения) экран перфорирован выдавленными под прямым углом со смещением отверстиями (окнами) 7 (фиг. 2), разводящими по разным направлениям излучение, направленного фронтально к внутренней поверхности 6 водяной рубашки 3, и движение продуктов сгорания по касательной к этой поверхности, благодаря чему фронтальная поверхность перфорированного экрана и излучающая поверхность целостно неразрывны. Это позволило развить до 100% излучающую поверхность экрана и в то же время не создавать сколь либо заметного гидравлического сопротивления движению продуктов горения.In order to better use the radiated surface of the screen having 50% transparency due to perforation for the passage of combustion products through it), the screen is perforated by openings (windows) 7 squeezed out at right angles with displacement (Fig. 2), which diverge in different directions radiation directed frontally to the inner surface 6 of the water jacket 3, and the movement of the combustion products tangentially to this surface, so that the front surface of the perforated screen and the radiating surface are integrally inseparable. This allowed us to develop up to 100% the radiating surface of the screen and at the same time not to create any noticeable hydraulic resistance to the movement of combustion products.

Выход продуктов горения по касательной к внутренней стенке 6 водяной рубашки 3 приводит к общему их спиралевидному движению и дополнительной турбулизации, что увеличивает конвективный коэффициент теплообмена.The output of the combustion products tangentially to the inner wall 6 of the water jacket 3 leads to their general spiral movement and additional turbulization, which increases the convective heat transfer coefficient.

Максимально развитая площадь теплообмена водяной рубашки 3 (ее внутренней поверхности 6), а также омываемое водой дно 8 подогревателя, позволяет приблизить коэффициент использования внутренней поверхности к 1, а наличие большого количества теплообменных каналов позволяет максимально передать воде дополнительную часть тепла, что позволяет получить в компактном объеме как высокую производительность, так и высокий коэффициент полезного действия подогревателя.The maximally developed heat exchange area of the water jacket 3 (its inner surface 6), as well as the bottom 8 of the heater washed by water, makes it possible to bring the coefficient of use of the inner surface closer to 1, and the presence of a large number of heat-exchange channels allows the maximum transfer of heat to the water, which allows for compact the volume of both high productivity and high efficiency of the heater.

Поскольку высокотемпературная зона опоясана водяной рубашкой, температура внешних металлических стенок рубашки уже ограничена температурой не более 100°C, а наличие тепловой изоляции 9 снижает внешние тепловые потери по корпусу до минимума.Since the high-temperature zone is surrounded by a water jacket, the temperature of the outer metal walls of the jacket is already limited to a temperature of not more than 100 ° C, and the presence of thermal insulation 9 reduces external heat loss through the housing to a minimum.

Разработан и изготовлен опытный образец установки мощностью 600-900 кВт и производительностью горячей воды (до 100°C) 2÷3 л/с с коэффициентом полезного действия 90%.A prototype of a plant with a capacity of 600-900 kW and a hot water productivity (up to 100 ° C) of 2 ÷ 3 l / s with a 90% efficiency was designed and manufactured.

Габаритные размеры установки составили 1350×1230×1800 мм.The overall dimensions of the installation were 1350 × 1230 × 1800 mm.

Claims

A network water heater comprising a combustion chamber with a burner device, a screen and a water jacket, characterized in that the entire inner surface of the water jacket surrounding the burner device and which is also a heat exchanger is made of a radioreceiving and convective developed heating surface, while between the burner device and the inner surface the heat exchanger is located heated by the burner and equal in area to the heat exchanger, made of a material with a high coefficient m of radiation, a perforated screen with additional windows of holes squeezed out on the cylindrical surface of the screen and providing a radiating surface of the screen, which is integral and continuous along the front, and at the same time transparent for the passage of combustion products and their tangential direction to the inner wall of the heat exchanger, with heat exchange from the water side the heat exchanger facing the screen is carried out using a bubble boiling mechanism.