RU2122688C1

RU2122688C1 - Heating boiler

Info

Publication number: RU2122688C1
Application number: RU96113930/06A
Authority: RU
Inventors: В.С. Черноиванов; А.Н. Мирошниченко; В.А. Ленивкин
Original assignee: Коммандитное (смешанное) товарищество "Таганрогский механический завод Черноиванов и Ко"
Priority date: 1996-07-05
Filing date: 1996-07-05
Publication date: 1998-11-27

Abstract

FIELD: heating living and industrial rooms; hot water supply systems. SUBSTANCE: boiler has shell in form of water jacket embracing the furnace and gas duct; shell is provided with hollow partitions with heat exchange intensifiers on upper and lower walls which are brought in communication with water jacket forming labyrinth gas passage in gas duct. Mounted at the bottom of furnace is chamber forming closed volumetric loop of heat-transfer agent together with heat transfer loop. Heating surfaces are made in form of heat exchanger elements. Number of heating surfaces ranges from 2 to 4. They are provided with longitudinal passages which are horizontal and diametrically opposite. They are made at different height overlapping each other in furnace space and are connected with heat transfer agent loop. Area of horizontal section and inner height of each passage of heat exchange element are of preset magnitudes. EFFECT: intensification of heat exchange due to uptake flue of combustion products to heat-transfer agent increasing rate of its circulation in heating system through increase of pressure differential at boiler inlet and outlet. 4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к тепловой технике и может быть использовано для обогрева жилых, производственных помещений и горячего водоснабжения, что позволяет использовать отопительный аппарат в столовых, сельских больницах, фермах, теплицах. The invention relates to heat engineering and can be used for heating residential, industrial premises and hot water, which allows the use of a heating apparatus in canteens, rural hospitals, farms, greenhouses.

Известен водогрейный котел [1], предназначенный для отопления и снабжения горячей водой, содержащий обрамленную водяной рубашкой топку, соединенную с окном для выхода продуктов сгорания. В верхней части топки расположены направляющие перегородки, одна из которых расположена поперечно на расстоянии от боковой стенки топки с образованием прохода для продуктов сгорания, а другая перегородка выполнена в виде вертикальной незамкнутой обечайки. Она установлена между поперечной перегородкой и верхней стенкой топки, а незамкнутый участок обечайки обращен в сторону, противоположную упомянутому выше проходу. Known hot water boiler [1], designed for heating and hot water supply, containing a firebox framed by a water jacket, connected to a window for the exit of combustion products. In the upper part of the furnace there are guide partitions, one of which is located transversely at a distance from the side wall of the furnace with the formation of a passage for combustion products, and the other partition is made in the form of a vertical open shell. It is installed between the transverse partition and the upper wall of the furnace, and the open section of the shell faces in the opposite direction to the passage mentioned above.

Для повышения эффективности теплообмена водогрейный котел снабжен дополнительными перегородками, одна из которых установлена поперечно между окнами для выхода продуктов сгорания, а вторая расположена продольно. To increase the efficiency of heat transfer, the boiler is equipped with additional partitions, one of which is installed transversely between the windows for the exit of combustion products, and the second is located longitudinally.

Недостатком известного водогрейного котла является то, что не в полной мере используются возможности по повышению эффективности теплообмена между перегородками и водой, заполняющей водяную рубашку, так как в нем увеличивается только путь прохождения продуктов сгорания и время их пребывания в топочном пространстве, а площадь теплообмена остается неизменной. A disadvantage of the known hot water boiler is that it does not take full advantage of opportunities to increase the efficiency of heat exchange between partitions and water filling the water jacket, since it only increases the path of the combustion products and their residence time in the furnace space, and the heat exchange area remains unchanged .

Эффективность теплообмена возрастает незначительно только за счет теплоотвода от металлических перегородок к стенкам водяной рубашки в верхней части котла. Такой характер теплопередачи не способствует обеспечению интенсивности циркуляции воды в отопительной системе. The heat transfer efficiency increases slightly only due to heat removal from the metal partitions to the walls of the water jacket in the upper part of the boiler. This nature of heat transfer does not contribute to the intensity of water circulation in the heating system.

Из известных отопительных котлов наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является котел [2], содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками с интенсификаторами теплообмена на верхней и нижней стенках, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал. Of the known heating boilers, the closest in technical essence and the achieved results is a boiler [2], which contains a casing in the form of a water jacket framing the firebox and flue, equipped with hollow partitions with heat transfer intensifiers on the upper and lower walls, connected with the cavity of the shirt and forming in the flue labyrinth gas channel.

Недостатком известного котла является: недостаточная скорость циркуляции воды в отопительной системе; нет возможности циркуляции воды внутри котла при отключении его от отопительной системы из-за отсутствия нижней полости, отсутствует направленное движение нагреваемой воды в полых перегородках. A disadvantage of the known boiler is: insufficient speed of water circulation in the heating system; there is no possibility of water circulation inside the boiler when it is disconnected from the heating system due to the absence of a lower cavity, there is no directed movement of the heated water in the hollow partitions.

Изобретение направлено на повышение эффективности и интенсификации теплообмена от восходящего потока продуктов сгорания к теплоносительной среде и увеличение скорости ее циркуляции в отопительной системе путем повышения разности давлений на входе и выходе из отопительного аппарата. The invention is aimed at increasing the efficiency and intensification of heat transfer from an upward flow of combustion products to a coolant and increasing its circulation rate in the heating system by increasing the pressure difference at the inlet and outlet of the heating apparatus.

Это достигается тем, что в известный отопительный котел, содержащий корпус в виде водяной рубашки, обрамляющей топку и газоход, снабженный полыми перегородками с интенсификаторами теплообмена, выполненными в виде выдавок на перегородках на верхней и нижней стенках, сообщенными с полостью рубашки и образующими в газоходе лабиринтный газовый канал, снизу топки установлена полость, образующая с теплоносительным корпусом замкнутый объемный контур теплоносительной среды. Перегородки - поверхности нагрева - выполнены в виде плоских полых теплообменных элементов в количестве 2 - 4 с продольными каналами, установленными горизонтально и диаметрально противоположно на разновысотных уровнях с перекрытием друг друга в топочном пространстве, соединены с контуром теплоносительной среды, причем площадь горизонтального сечения полости составляет
1/2 S_т ≤ S_г.п. ≤ S_т - S_D,
разновысотный уровень
S_D/b ≤ h ≤ 1,5 S_D/b,
внутренняя высота полости теплоносительной среды 10 мм ≤ h₁ ≤ B,
где S_т - площадь поперечного сечения топочной камеры;
S_г.п. - площадь горизонтального сечения полости;
S_D - площадь поперечного сечения дымохода;
b - ширина нагреваемой полости в самом узком месте;
B - толщина теплоносительной среды в теплопроводящем корпусе.This is achieved by the fact that in a known heating boiler containing a body in the form of a water jacket framing the furnace and the gas duct, equipped with hollow partitions with heat transfer intensifiers, made in the form of extrusions on the partitions on the upper and lower walls, communicated with the cavity of the shirt and forming a labyrinth in the duct gas channel, a cavity is installed at the bottom of the furnace, which forms a closed volumetric contour of the heat-transfer medium with the heat carrier body. Partitions - heating surfaces - are made in the form of flat hollow heat-exchange elements in an amount of 2 to 4 with longitudinal channels installed horizontally and diametrically opposite at different levels with overlapping each other in the furnace space, connected to a coolant circuit, and the horizontal cross-sectional area of the cavity is
1/2 S _t ≤ S _g.p. ≤ S _t - S _D ,
different level
S _D / b ≤ h ≤ 1,5 S _D / b,
internal cavity cavity height 10 mm ≤ h ₁ ≤ B,
where S _t is the cross-sectional area of the combustion chamber;
S _g.p. - the area of the horizontal section of the cavity;
S _D is the cross-sectional area of the chimney;
b is the width of the heated cavity in the narrowest place;
B is the thickness of the heat-transfer medium in a heat-conducting housing.

В отопительном котле топочная и наружная оболочки теплоносительного корпуса выполнены в виде цилиндров, а нагреваемые полости в виде сегментов. In a heating boiler, the furnace and outer shells of the heat-carrying body are made in the form of cylinders, and the heated cavities are in the form of segments.

В отопительном котле топочная и наружные оболочки теплоносительного корпуса выполнены в виде прямоугольных параллелепипедов, а нагреваемые полости прямоугольной формы. In the heating boiler, the furnace and outer shells of the heat-carrying body are made in the form of rectangular parallelepipeds, and the heated cavities are rectangular in shape.

В верхней части теплоносительной рубашки установлен водонагревательный элемент для горячего водоснабжения. A water heating element for hot water supply is installed in the upper part of the coolant jacket.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено продольное сечение отопительного котла; на фиг. 2 - поперечное; на фиг. 3 - участок сечения теплообменного элемента. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a longitudinal section of a heating boiler; in FIG. 2 - transverse; in FIG. 3 - sectional section of the heat exchange element.

Позиции на чертежах обозначают:
1 - топочная камера;
2 - топочное устройство;
3 - восходящий поток продуктов сгорания;
4 - теплообменные элементы с продольными каналами;
5 - топочная оболочка;
6 - теплоносительная среда;
7 - дымоход;
8 - патрубок входа в аппарат;
9 - наружная оболочка;
10 - патрубок выхода из аппарата;
11 - продольный канал теплообменного элемента;
12 - водонагреватель горячего водоснабжения;
13 - нижняя полость;
14 - перегородка теплообменного элемента.The positions in the drawings indicate:
1 - combustion chamber;
2 - furnace device;
3 - upward flow of combustion products;
4 - heat exchange elements with longitudinal channels;
5 - furnace shell;
6 - heat transfer medium;
7 - chimney;
8 - pipe entrance to the apparatus;
9 - outer shell;
10 - outlet pipe from the apparatus;
11 is a longitudinal channel of the heat exchange element;
12 - hot water heater;
13 - lower cavity;
14 - partition of the heat exchange element.

На чертежах обозначены:
S_D - площадь сечения дымохода,
S_т.э. - площадь горизонтального сечения теплообменного элемента,
h₁ - внутренняя высота продольного канала,
h - расстояние между теплообменными элементами.In the drawings are indicated:
S _D - cross-sectional area of the chimney,
S _i.e. - the horizontal sectional area of the heat exchange element,
h ₁ is the internal height of the longitudinal channel,
h is the distance between the heat exchange elements.

B - толщина рубашки теплоносительной среды. B is the thickness of the jacket of the coolant.

S_Т - поперечное сечение топки.S _T is the cross section of the furnace.

Для улучшения технических показателей и свойств процесса теплопередачи в отопительный котел введены следующие элементы: нижняя полость 13, образующая с теплоносительным корпусом замкнутый объемный контур теплоносительной среды 6, горизонтально установленные поверхности нагрева, выполненные в виде плоских полых теплообменных элементов 4 с перегородками 14, образующими продольные каналы 11, которые предназначены для направленного перемещения нагреваемой теплоносительной среды. To improve the technical parameters and properties of the heat transfer process, the following elements were introduced into the boiler: lower cavity 13, forming a closed volume contour of the heat transfer medium 6 with the heat carrier body, horizontally installed heating surfaces made in the form of flat hollow heat exchange elements 4 with partitions 14 forming longitudinal channels 11, which are intended for the directional movement of a heated coolant.

Горизонтально установленные теплообменные элементы с площадью S_т.э. удлиняют путь прохождения продуктов сгорания. Это способствует более эффективному их охлаждению за счет омывания большей поверхности теплопередачи при снижении высоты отопительного котла.Horizontally mounted heat exchange elements with an area of S _i.e. lengthen the path of combustion products. This contributes to more efficient cooling by washing a larger heat transfer surface while lowering the height of the boiler.

Такое расположение теплообменных элементов позволяет осуществить ускоренный разогрев теплоносительной среды, а наличие продольных каналов создает направленное ее перемещение. Это в свою очередь создает повышенную разность давлений на входе и выходе котла и ускоренную циркуляцию теплоносительной среды в отопительной системе. This arrangement of the heat exchange elements allows for accelerated heating of the coolant, and the presence of longitudinal channels creates its directed movement. This, in turn, creates an increased pressure difference at the inlet and outlet of the boiler and accelerated circulation of the coolant in the heating system.

Чем больше площадь теплообменных элементов, тем больше путь омывания их продуктами сгорания и следовательно выше эффективность теплопередачи, КПД котла при постоянной тяге в дымоходе. The larger the area of the heat exchange elements, the greater the way they are washed by the combustion products and therefore the higher the heat transfer efficiency, the efficiency of the boiler with constant draft in the chimney.

При внутренней высоте канала теплообменного элемента h₁ менее 10 мм происходит преждевременное закипание теплоносительной среды в нем, что нарушает направленность ее перемещения. При h₁ > B уменьшается скорость разогрева теплоносительной среды и перепад давлений на входе и выходе котла снижается, что приводит к замедлению циркуляции теплоносительной среды и снижению КПД отопительной системы.When the internal height of the channel of the heat exchange element h _{1 is} less than 10 mm, premature boiling of the heat-transfer medium occurs in it, which violates the direction of its movement. When h ₁ > B, the heating medium heating rate decreases and the pressure drop at the inlet and outlet of the boiler decreases, which slows down the circulation of the coolant and reduces the efficiency of the heating system.

При использовании теплообменных элементов в количестве менее двух - резко сокращается путь прохождения горячих продуктов сгорания, площадь теплопередающих поверхностей, что приводит к нерациональному использованию тепловой энергии и снижению КПД отопительного котла. When using heat exchange elements in an amount of less than two, the path of the passage of hot combustion products, the area of heat transferring surfaces, which leads to the irrational use of thermal energy and reduce the efficiency of the heating boiler, are sharply reduced.

При использовании теплообменных элементов в количестве более 4-х резко снижается температура продуктов сгорания на выходе из отопительного аппарата, образуется конденсат в дымоходе, что приводит к образованию сажистых отложений на теплообменных элементах? несмотря на незначительное возрастание его КПД. When using heat exchange elements in an amount of more than 4, the temperature of the combustion products at the outlet of the heating apparatus sharply decreases, condensate forms in the chimney, which leads to the formation of soot deposits on the heat exchange elements? despite a slight increase in its efficiency.

Площадь поперечного сечения дымохода S_D - ограничена нормативными документами и определяется мощностью отопительного котла. Если S_D будет меньше установленной нормативными документами величины, то повышается вероятность неполноты сгорания топлива и рост выделения угарного газа и сажистых веществ, что приводит к разному снижению КПД отопительного аппарата. Поэтому максимальная площадь горизонтального сечения полости должна быть не более S_т - S_D. Увеличение сечений дымохода более нормированной величины способствует резкому снижению эффективности теплопередачи от потока продуктов сгорания к нагреваемым полостям и КПД котла.The cross-sectional area of the chimney S _D - is limited by regulatory documents and is determined by the power of the heating boiler. If S _D is less than the value established by regulatory documents, then the probability of incomplete combustion of the fuel and an increase in the emission of carbon monoxide and soot substances increase, which leads to a different decrease in the efficiency of the heating apparatus. Therefore, the maximum area of the horizontal section of the cavity should be no more than S _t - S _D. An increase in the cross sections of the chimney of a more normalized value contributes to a sharp decrease in the efficiency of heat transfer from the flow of combustion products to the heated cavities and the efficiency of the boiler.

Если расстояние по вертикали между горизонтально установленными полостями (теплообменными элементами) меньше h < S_D/b то повышается вероятность неполного сгорания топлива, что приводит к росту выделения угарного газа и сажистых веществ.If the vertical distance between the horizontally mounted cavities (heat exchange elements) is less than h <S _D / b, then the probability of incomplete combustion of the fuel increases, which leads to an increase in the emission of carbon monoxide and soot substances.

Это снижает КПД отопительного котла и за счет роста толщины слоя сажистых веществ на горизонтальных полостях теплообменных элементов, снижается эффективность теплопередачи от потока продуктов сгорания топлива к теплоносительной среде. This reduces the efficiency of the heating boiler and due to the increase in the thickness of the soot layer on the horizontal cavities of the heat exchange elements, the efficiency of heat transfer from the flow of fuel combustion products to the coolant decreases.

При h > 1,5 S_D/b снижается эффективность теплопередачи за счет нерационального использования тепловой энергии продуктов сгорания.At h> 1.5 S _D / b, the heat transfer efficiency decreases due to the irrational use of thermal energy of combustion products.

Установленная снизу топки полость, которая образует с топочной и внешней оболочками замкнутый объем теплоносительной среды, обеспечивает улучшение условий циркуляции теплоносителя за счет равномерного его распределения между оболочками и равномерной скорости перемещения снизу вверх и одновременно является дополнительной поверхностью нагрева теплоносителя, повышает КПД котла и его пожаробезопасность. The cavity installed at the bottom of the furnace, which forms a closed volume of the coolant with the furnace and outer shells, improves the conditions of circulation of the coolant due to its uniform distribution between the shells and a uniform speed of movement from bottom to top and at the same time is an additional heating surface of the coolant, increases the boiler efficiency and fire safety.

Отопительный котел работает следующим образом: теплоноситель подается в нижнюю полость 13, в которой при помощи топочного устройства 2 происходит сжигание топлива, горячие продукты сгорания 3, омывая теплообменные элементы 4 и стенки топочной оболочки 5, разогревают их и контактирующий с ними теплоноситель 6 и, передав им основную долю тепловой энергии, уходят в дымоход. The heating boiler operates as follows: the coolant is supplied to the lower cavity 13, in which fuel is burned using the combustion device 2, hot combustion products 3, washing the heat exchange elements 4 and the walls of the furnace shell 5, heat them and the coolant 6 in contact with them and transfer them the bulk of the thermal energy goes into the chimney.

Наиболее эффективно теплопередача происходит в теплообменных элементах, плоскость которых расположена перпендикулярно восходящему потоку продуктов сгорания 3 и тепловому излучению. Заключенный в нагревательных элементах теплоноситель 6 за счет малого его объема подвергается более интенсивному разогреву и быстрому тепловому расширению, в результате чего создается направленный поток, способствующий увеличению разности давлений на входе 8 и выходе 10, закрепленных на наружной оболочке 9 отопительного котла. The most efficient heat transfer occurs in heat exchange elements, the plane of which is perpendicular to the upward flow of combustion products 3 and thermal radiation. The coolant 6 enclosed in the heating elements is subjected to more intense heating and faster thermal expansion due to its small volume, as a result of which a directed flow is created, which contributes to an increase in the pressure difference at the inlet 8 and the outlet 10, mounted on the outer shell 9 of the heating boiler.

Это приводит к увеличению скорости перемещения теплоносительной среды в замкнутой отопительной системе. This leads to an increase in the speed of movement of the coolant in a closed heating system.

Теплоноситель, заключенный между внутренней и наружной оболочками верхней части котла, отдает часть тепловой энергии воде, которая протекает через водонагреватель 12 и используется для горячего водоснабжения. The coolant enclosed between the inner and outer shells of the upper part of the boiler gives up part of the thermal energy to the water, which flows through the water heater 12 and is used for hot water supply.

При отключенной отопительной системе благодаря наличию нижней полости 13 происходит непрерывная циркуляция теплоносителя внутри котла и в этом случае вся тепловая энергия может использоваться для горячего водоснабжения при любых давлениях воды в водопроводной сети. When the heating system is turned off, due to the presence of the lower cavity 13, the coolant flows continuously inside the boiler, in which case all the heat energy can be used for hot water supply at any water pressure in the water supply network.

Использование новых элементов в котле для отопления и горячего водоснабжения выгодно отличает предлагаемый котел, так как позволяет:
- интенсифицировать теплообмен в поточной камере путем улучшения условий теплопередачи от продуктов сгорания к нагревательным элементам;
- повысить скорость циркуляции теплоносителя за счет повышения скорости его разогрева в теплообменных элементах;
- снизить габариты и расход материалов на единицу мощности отопительного котла за счет горизонтального расположения теплообменных элементов с продольными каналами, удлинения пути прохождения продуктов сгорания;
- повысить КПД отопительного котла;
- использование в качестве проточного водонагревателя при любых давлениях в водопроводной сети.The use of new elements in the boiler for heating and hot water supply distinguishes the proposed boiler, as it allows:
- intensify heat transfer in the flow chamber by improving heat transfer conditions from the combustion products to the heating elements;
- increase the rate of circulation of the coolant by increasing the speed of its heating in the heat exchange elements;
- reduce the dimensions and consumption of materials per unit of power of the boiler due to the horizontal arrangement of heat exchange elements with longitudinal channels, lengthening the path of passage of combustion products;
- increase the efficiency of the heating boiler;
- use as a instantaneous water heater at any pressure in the water supply network.

Источники информации. Sources of information.

1. Авторское свидетельство N 1820156, A1 F 24 H 1/26, F 23 M 9/06, БИ N 21, 1993. 1. Copyright certificate N 1820156, A1 F 24 H 1/26, F 23 M 9/06, BI N 21, 1993.

2. Авторское свидетельство N 1733867, A1 F 24 H 1/40, БИ N 18, 1992. 2. Copyright certificate N 1733867, A1 F 24 H 1/40, BI N 18, 1992.

Claims

1. A heating boiler for heating residential and industrial premises, comprising a casing in the form of a water jacket framing a firebox and a flue, provided with hollow partitions with heat transfer intensifiers on the upper and lower walls connected with the cavity of the shirt and forming a labyrinth gas channel in the flue, characterized in that a cavity is installed at the bottom of the furnace, forming a closed loop of the heat-transfer medium with the cavity of the shirt, and the hollow partitions are made in an amount of 2-4 and in the form of flat hollow heat-exchange elements with single channels are installed horizontally and diametrically opposite at different levels with overlapping each other in the duct, and the horizontal cross-sectional area of the heat exchange element is
1/2 S _t ≤S _tp ≤S _t -S _D ,
different level
S _D / b≤h≤1.5 S _D / b,
internal height of the channel of the heat exchange element 10 mm ≤h ₁ ≤ B,
where S _t - the cross-sectional area of the furnace;
S _tp is the horizontal sectional area of the heat exchange element;
S _D is the cross-sectional area of the chimney;
b is the width of the heated heat exchange element in the narrowest place;
B is the thickness of the water jacket in the housing.

2. The heating boiler according to claim 1, characterized in that the water jacket of the housing is made in the form of a cylinder, and the heat exchange elements in the form of segments with longitudinal channels.

3. The heating boiler according to claims 1 and 2, characterized in that the water jacket of the housing is made in the form of a rectangular parallelepiped, and the heated heat exchange elements are rectangular in shape with longitudinal channels.

4. A heating boiler according to claims 1-3, characterized in that a water heating element for hot water supply is installed in the upper part of the water jacket.