Секционный отопительный котел из чугуна или алюминия - RU2511803C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к секционному отопительному котлу из чугуна или алюминия, прежде всего к котлу с утилизацией теплоты конденсации уходящих газов (конденсационному котлу), согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.

Подобные секционные отопительные котлы состоят из нескольких цельнолитых секций, которые расположены последовательно одна за другой и сообщаются между собой через отверстия в соединяющих их бобышках. При этом вода проходит на участке между присоединением для обратной линии и присоединением для подводящей линии по образованным секциями котла водяным каналам и узким водяным проходам. Секционные отопительные котлы указанного в начале описания типа обычно имеют нижнее присоединение для обратной линии и расположенное сверху присоединение для подводящей линии, каждое из которых преимущественно расположено в соответствующей бобышке. Высоконагретые дымовые газы, образующиеся в топочной камере (топочном пространстве), проходят из нее через сообщающиеся с ней газоходы к патрубку для трубопровода уходящих газов и на этом своем пути отдают тепло котловой воде.

Во всех известных в настоящее время котлах подобного типа образующие их секции расположены последовательно одна за другой. Котел состоит, в частности, из кольцевой передней секции, на которой может быть закреплена ведущая в топочную камеру дверца или пластина с горелками, из одной или нескольких в зависимости от нагрузки котла средних секций одинаковой конструкции, а также из задней секции. При этом топочная камера проходит через переднюю секцию и средние секции до задней секции, которая будучи выполнена в виде крышки образует стенку топочной камеры. Все секции котла в подобных вариантах его выполнения имеют одинаковые наружные размеры, поскольку они по всему поперечному сечению котла образуют части топочной камеры, газоходов и водяного пространства. Помимо этого известны также котлы, рассчитанные на небольшую нагрузку и состоящие поэтому только из двух секций или даже только из одной секции.

С точки зрения отвода уходящих (дымовых) газов и коэффициента полезного действия отопительных котлов различают технику использования низшей теплоты сгорания топлива и технику максимального использования теплоты сгорания топлива (технику с утилизацией теплоты конденсации уходящих газов). По причине экономии энергии все более широкое применение находят конденсационные отопительные котлы. Конструкция их теплообменника обеспечивает возможность охлаждения образующихся в процессе работы котла при сжигании топлива и воздуха влажных уходящих газов до температуры ниже их точки росы. При этом влага, содержащаяся в уходящих газах, выделяется из них в виде конденсата, и воде-теплоносителю дополнительно к физическому теплу передается теплота конденсации.

При использовании в качестве конденсационного отопительного котла особое внимание должно уделяться выбору материалов для его изготовления, поскольку из-за состава используемого топлива и особенностей режима его сгорания уходящие (дымовые) газы содержат вредные вещества, а выделяющийся конденсат содержит различные кислоты в небольшой концентрации. Поэтому соприкасающиеся с конденсатом конструктивные элементы, такие как поверхности нагрева, коллектор уходящих газов и трубопровод уходящих газов, должны обладать кислотостойкостью, в связи с чем подобные конструктивные элементы принято изготавливать из высококачественной стали, алюминия или пластмассы. Особенно в технике максимального использования теплоты сгорания жидкого топлива обычно используются сварные теплообменники из высококачественной стали, которые, например, описаны также в DE 102004023711 В3 и выполнены в виде змеевиков. Преимущество таких теплообменников состоит в наличии у них способности выдерживать воздействие кислот без возникновения коррозии. К недостаткам подобных теплообменников следует отнести их высокую стоимость, связанную с высокой стоимостью используемых для их изготовления материалов, а также прежде всего в случае сварных конструкций из листового металла неблагоприятные возможности пропорционального изменения их размеров и большие габариты, осложняющие их монтаж в условиях ограниченного пространства.

Теплообменники обычных отопительных котлов (нагревательных устройств) часто изготавливают из чугуна. Такие теплообменники обладают высокой эксплуатационной надежностью и длительным сроком службы. Их конструкция, состоящая из обычно идентичных литых секций, обеспечивает возможность их рентабельного изготовления и возможность легкого пропорционального изменения их размеров для согласования с различной нагрузкой, а также предоставляет хорошие возможности для монтажа даже в условиях ограниченного монтажного пространства. Указанный материал - чугун - очень хорошо выдерживает непродолжительные фазы конденсации влаги из уходящих газов на начальном этапе работы и при холодном теплообменнике. Лишь для работы в режиме с максимальным использованием теплоты сгорания топлива и с дольше продолжающимся выделением конденсата чугун в сегодняшних своих форме и виде не пригоден.

Из DE 29621817 U1 известен далее конденсационный котел с интегрированным и гидравлически последовательно подсоединенным компактным теплообменником из коррозионно-стойкого материала. Такой компактный теплообменник в виде отдельного конструктивного элемента окружен двумя секциями котла и имеет отдельные присоединения для водопроводов. Недостаток всех котлов с последовательно подсоединенным теплообменником состоит в повышении затрат на монтаж из-за необходимости использовать дополнительные трубные детали и в увеличении сопротивления потоку воды (гидродинамического сопротивления). Размещение теплообменника в виде отдельного, располагаемого снаружи конструктивного элемента связано также с потерями от его охлаждения, для сокращения которых приходится предусматривать приемлемую теплоизоляцию. В основу изобретения была положена задача оптимизировать секционный отопительный котел из чугуна или алюминия прежде всего касательно придания ему компактности и повышения эксплуатационной надежности.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью отличительных признаков, представленных в п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены различные предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Предлагаемый в изобретении секционный отопительный котел из чугуна или алюминия, прежде всего котел с утилизацией теплоты конденсации уходящих газов, состоящий из в основном кольцевых секций, которыми являются передняя секция, задняя секция и по меньшей мере одна средняя секция, которые образуют топочную камеру с в основном охватывающими ее газоходами для прохода высоконагретых дымовых газов и кольцевые водяные полости которых соединены между собой отверстиями в бобышках, и имеющий присоединение для обратной линии, присоединение для подающей линии, патрубок для трубопровода уходящих газов, а также по меньшей мере два стяжных стержня, скрепляющих между собой секции в единый блок, отличается тем, что в качестве газоходов для прохода высоконагретых дымовых газов между каждыми двумя соседними между собой секциями предусмотрено по кольцевой щели, при этом газоходы подразделены на первичный участок и вторичный участок. На первичном участке каждый из газоходов проходит начиная от топочной камеры примерно радиально наружу и оканчивается в коллекторе уходящих газов с наружной стороны секций. В этом месте дымовые газы перетекают на вторичный участок и попадают на нем в по меньшей мере один газоход, который проходит начиная от коллектора уходящих газов примерно радиально внутрь к патрубку для трубопровода уходящих газов.

Для образования кольцевой щели по две соседние между собой секции имеют взаимосогласованную геометрию. При этом возможны различные варианты выполнения щели, в первом из которых кольцевая щель на первичном участке проходит по прямой под прямым углом к центральной оси топочной камеры радиально наружу, а на вторичном участке - внутрь. Во втором варианте кольцевая щель имеет радиально изогнутую форму и на первичном участке проходит дугообразно аналогично геометрии лопатки турбины по изогнутой линии радиально наружу, а на вторичном участке - внутрь. В третьем варианте кольцевая щель проходит по прямой под наклоном к центральной оси топочной камеры, а именно: на первичном участке проходит по прямой под наклоном к центральной оси топочной камеры радиально наружу, а на вторичном участке - внутрь. Подобный вариант наиболее целесообразно использовать при вертикальном расположении всего блока секций котла, поскольку в этом случае конденсат может везде беспрепятственно стекать из щели вниз. Помимо этого кольцевая щель может также на первичном участке проходить по волнообразной линии в радиальном направлении наружу, а на вторичном участке - внутрь, прежде всего для усиления турбулентности потока уходящих газов в щели и тем самым для интенсификации теплопередачи на ограничивающих ее поверхностях.

В предпочтительном варианте ширина и/или свободное сечение кольцевой щели на первичном участке уменьшаются/уменьшается в направлении от топочной камеры до выхода из нее с радиально наружной стороны секций, а на вторичном участке - в направлении внутрь от коллектора уходящих газов к патрубку для трубопровода уходящих газов. Благодаря этому обеспечивается согласование размеров щели с уменьшающимся по мере охлаждения на всем пути движения потока уходящих (дымовых) газов их объемом. Контактирующие с высоконагретыми дымовыми газами поверхности секций, но по меньшей мере образующие щель поверхности могут быть снабжены антикоррозионным покрытием.

Коллектор уходящих газов с радиально наружной стороны секций, в котором оканчиваются кольцевые щели, соответственно из которого выходит по меньшей мере одна находящаяся на вторичном участке щель, в виде полого цилиндра охватывает наружные боковые поверхности секций и снаружи ограничен кожухом. Последний герметично закреплен между выступающими радиально наружу кольцевыми ребрами, предусмотренными с наружной стороны передней и задней секций котла.

Для образования контура однократной принудительной циркуляции воды на участке между присоединениями для подающей и обратной линий отверстия в бобышках могут быть попеременно заглушены, а предпочтительно заглушать в чередующемся порядке отверстия в верхних и нижних бобышках. Таким путем обеспечивается чередующееся перетекание воды из одной секции в соседнюю с ней секцию через отверстия в верхних и нижних бобышках по всей длине блока секций.

Отверстие в по меньшей мере одной бобышке между первичным участком и вторичным участком согласно изобретению закрыто заглушкой. Помимо этого присоединение для подающей линии расположено на первичном участке, а присоединение обратной линии - на вторичном участке, вследствие чего обратная вода с меньшей температурой сначала входит на вторичный участок, а затем через отверстие в по меньшей мере одной бобышке перетекает на первичный участок. Благодаря этому дымовые газы охлаждаются на вторичном участке до температуры, близкой к температуре обратной воды на входе.

Поэтому в одном из вариантов осуществления изобретения дополнительно предусмотрена образующая стенку топочной камеры средняя секция, которая совместно с передней секцией и с по меньшей мере одной средней секцией образуют топочную камеру и ограничивают ее по глубине. При этом передняя секция и по меньшей мере одна средняя секция с точки зрения обоих - водяного и газового - контуров относятся к первичному участку. Задняя же секция и образующая стенку топочной камеры средняя секция по меньшей мере с точки зрения водяного контура образует вторичный участок, для чего отверстие в по меньшей мере одной бобышке между образующей стенку топочной камеры средней секцией и соседней с ней средней секцией заглушено.

В еще одном варианте осуществления изобретения образующая вторичный участок задняя секция и образующая стенку топочной камеры средняя секция могут дополняться по меньшей мере еще одной соответствующей средней секцией. Все эти секции по меньшей мере с точки зрения водяного контура совместно образуют вторичный участок, причем в этом случае несколько омываемых обратной водой щелей обеспечивают интенсивный теплообмен.

Альтернативно этому образующая вторичный участок задняя секция и образующая стенку топочной камеры средняя секция могут дополняться по меньшей мере еще одной соответствующей средней секцией, однако вторичный участок по меньшей мере с точки зрения водяного контура образуют только эта по меньшей мере еще одна соответствующая средняя секция совместно с задней секцией. Для этого отверстие в по меньшей мере одной бобышке между образующей стенку топочной камеры средней секцией и соседней с ней еще одной средней секцией заглушают. В этом случае образующая стенку топочной камеры средняя секция с точки зрения водяного контура находится на первичном участке.

В предпочтительном варианте патрубок для трубопровода уходящих газов расположен на одной, общей центральной оси секций и топочной камеры. Задняя секция, образующая стенку топочной камеры средняя секция и по меньшей мере еще одна средняя секция имеют по меньшей мере один, расположенный на одной линии с патрубком для трубопровода уходящих газов проход. Он в пределах образующей стенку топочной камеры средней секции закрыт в газовом контуре заглушкой, которую можно, например, для чистки котла отсоединять и извлекать из него.

В каждой секции для соблюдения точного размера щели между двумя соседними секциями предусмотрены по меньшей мере две центрирующие точки или поверхности, которые наилучшим образом отражают фактические размеры необработанной отливки и погрешности ее размеров и формы. Очевидно, что на ширину щели между двумя соседними секциями непосредственное влияние оказывает прежде всего толщина секции. Поэтому подобные центрирующие точки или поверхности являются определяющими для механической обработки уплотняющих, соответственно соприкасающихся поверхностей на бобышках, поскольку на основании таких центрирующих точек можно определить фактический окончательный размер после процесса литья в наиболее ответственном месте и затем путем обработки соответственно довести этот размер до требуемого и индивидуально точно пригнанного заданного размера.

Предлагаемое в изобретении решение позволяет получить секционный отопительный котел, который в наибольшей степени пригоден для работы в условиях максимального использования теплоты сгорания топлива и в конструкции которого целенаправленно используются положительные качества чугуна или алюминия в качестве конструкционного материала для достижения высоких теплопередающих свойств, а также для придания котлу компактности и обеспечения его эксплуатационной надежности. Помимо этого обеспечивается защита от вызывающих коррозию нагрузок. Кроме того, само антикоррозийное покрытие согласно изобретению не только просто наносить и контролировать, но и оно защищено в щелях от возможных механических воздействий.

Благодаря разделению водяного и газового контуров на первичный и вторичный участки достигается интенсивный теплообмен, оптимально согласованный с температурами, преобладающими в конкретных частях котла. В результате достигается исключительно высокий коэффициент полезного действия отопительного котла без повышения сложности его деталей и без ограничения возможностей по его чистке.

Наряду с простотой изготовления преимущество секционной конструкции отопительного котла состоит также в возможности варьировать его длину путем добавления дополнительных средних секций, регулируя ее в соответствии с требуемой мощностью топки и мощностью теплообменника. Несмотря на это все расположенные с торцов конструктивные компоненты, а также все соединения в водяном контуре остаются неизменными. При этом варьируется лишь длина кожуха, охватывающего коллектор уходящих газов. Поскольку уходящие газы имеют сравнительно низкую температуру, кожух можно даже изготавливать из пластмассы.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - общий вид в аксонометрии секционного отопительного котла из чугуна или алюминия с частичным разрезом в верхней части,

на фиг.2 - вид в вертикальном продольном разрезе половины всего блока секций котла и

на фиг.3 - вид в аксонометрии средней секции.

Секционный отопительный котел состоит в основном из кольцевых секций, а именно: из передней секции 1, из имеющей форму крышки задней секции 2 и нескольких средних секций 3. Все такие секции образуют топочную камеру 4, а их кольцевые водяные полости 5 соединены между собой отверстиями в бобышках 6, 6'.

Согласно изобретению газоходы для прохода высоконагретых дымовых газов подразделены на первичный участок Р и вторичный участок S. Для этого дополнительно предусмотрена образующая стенку топочной камеры средняя секция 7. Она совместно с передней секцией 1 и с по меньшей мере одной средней секцией 3 образуют топочную камеру (топочное пространство) 4 и ограничивают ее по глубине. Тем самым эти передняя секция 1 и по меньшей мере одна средняя секция 3 с точки зрения обоих - водяного и газового - контуров относятся к первичному участку, а задняя секция 2 и образующая стенку топочной камеры средняя секция 7 по меньшей мере с точки зрения водяного контура образуют вторичный участок. С этой целью отверстие в по меньшей мере одной бобышке 6, 6' между образующей стенку топочной камеры средней секцией 7 и соседней с ней средней секцией 3 закрыто заглушкой 8.

В качестве газоходов для прохода высоконагретых дымовых газов между каждыми двумя соседними между собой секциями 1, 2, 3, 7 предусмотрено по кольцевой щели 9, 10. На первичном участке Р каждый из газоходов проходит начиная от топочной камеры 4 примерно радиально наружу и оканчивается в коллекторе 11 уходящих газов с наружной стороны секций 1, 2, 3, 7, где дымовые газы при этом перетекают на вторичный участок S. На вторичном участке S газоход проходит начиная от коллектора 11 уходящих газов между задней секцией 2 и образующей стенку топочной камеры средней секцией 7 примерно радиально внутрь к патрубку 12 для трубопровода уходящих газов, расположенному в центре вторичного участка S.

Для образования кольцевой щели 9, 10 по две соседние секции 1, 2, 3, 7 имеют взаимосогласованную геометрию. В показанном на фиг.1 и 2 примере указанные секции образуют между собой четыре радиальные кольцевые щели 9, 10, при этом на фиг.3 отдельно показана 1, 2, 3 средняя секция с выпукло-вогнутым профилем.

Коллектор 11 уходящих газов в виде полого цилиндра охватывает наружные боковые поверхности секций 1, 2, 3, 7 и снаружи ограничен кожухом 13. На нем предусмотрен патрубок 14 для слива водяного конденсата.

Поскольку отверстие в одной бобышке 6 между первичным участком Р и вторичным участком S закрыто заглушкой 8, обратная вода из не показанного на чертежах присоединения для обратной линии сначала попадает только на первичный участок S, а затем через оставшееся открытым отверстие в бобышке 6' перетекает на первичный участок Р. Он сообщается с не показанным на чертежах присоединением для подводящей линии.

Задняя секция 2 и образующая стенку топочной камеры средняя секция 7 имеют расположенный на одной линии с патрубком 12 для трубопровода уходящих газов проход 15, который в пределах образующей стенку топочной камеры средней секции 7 закрыт в газовом контуре заглушкой 16.

Помимо этого, как показано на фиг.3, в каждой секции 1, 2, 3, 7 для соблюдения точного размера щели между двумя соседними секциями 1, 2, 3, 7 на прилитых выступах расположены три центрирующие поверхности 17, назначение которых состоит в том, чтобы точно определять на их основании фактические размеры после процесса литья и использовать их для обработки секций в зоне их бобышек.

Реферат

(57) Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в секционных отопительных котлах, выполненных из чугуна или алюминия. Суть изобретения в том, что котел с утилизацией теплоты конденсации уходящих газов состоит из кольцевых секций с кольцевыми водяными полостями, соединенными между собой отверстиями в бобышках, секции образуют топочную камеру с охватывающим секции газоходом для прохода дымовых газов. В качестве газоходов для прохода высоконагретых дымовых газов между каждыми двумя соседними секциями выполнены кольцевые щели, при этом газоходы подразделены на первичный и вторичный участки, на первичном из которых каждый газоход проходит, начиная от топочной камеры, примерно радиально наружу и оканчивается в коллекторе уходящих газов с наружной стороны секций, где дымовые газы перетекают на вторичный участок, на котором проходит, по меньшей мере, один газоход начиная от коллектора уходящих газов примерно радиально внутрь к трубопроводу уходящих газов. Такое выполнение придаст котлу компактность и повысит его эксплуатационную надежность. 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула