Водогрейный комбинированный котел
Водогрейный комбинированный котел содержит герметичный корпус, в котором размещена топка с газовой горелкой, теплообменник с дымовой коробкой, патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке и патрубок удаления продуктов сгорания с прерывателем тяги и датчиком тяги, витой змеевик контура горячего водоснабжения и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, расположенной под теплообменником. Котел имеет два теплоизолирующих экрана, закрепленных в верхней части на дымовой коробке, и имеющих в нижней части зазоры между ними и стенками топки и две водяные камеры, примыкающие к боковым поверхностям теплообменника и соединенные с теплообменником каналами. В одной из водяных камер находится витой змеевик контура горячего водоснабжения и камера соединена с теплообменником каналом, расположенным в верхней его части. В другой камере находится электронагреватель, соединенной с теплообменником каналом, расположенным в нижней его части. На стенке водяной камеры со змеевиком контура горячего водоснабжения установлены патрубки подающего и обратного трубопроводов системы отопления, соединенные между собой дополнительным трубопроводом. В месте соединения дополнительного трубопровода с патрубком подающего трубопровода системы отопления установлен трехходовой кран, а на обратном трубопроводе системы отопления установлен циркуляционный насос.
Предлагаемый водогрейный комбинированный котел предназначен для раздельного отопления и горячего водоснабжения квартир в жилых многоэтажных домах и индивидуальных жилых зданиях, с системами естественной и принудительной циркуляции воды.
Известен водогрейный котел (патент на полезную модель 
30946 от 04.02.2003 г.(1)) который содержит герметический корпус. В корпусе размещена топка, над которой выполнен конвективный газоход. В топке расположены теплообменные элементы в виде собранных в вертикальные ряды поперечно расположенных водяных труб. Конвективный газоход в его верхней части выполнен за одно целое с дымовой коробкой, в которую вставляется телескопический патрубок, выходящий за пределы зданий и имеющий каналы для подачи воздуха в топку к газовой горелке и для выброса продуктов сгорания. В нижней части топки установлены боковые экранные горизонтальные трубы. В средней и верхней частях топки установлены горизонтальные (поперек котла) водяные трубы разного диаметра, которые соединены с экранными трубами при помощи выполненных передней и задней водяных камер котла. Интенсивность смывания труб теплоносителем определяется расстоянием между трубами в одном ряду и расстоянием между трубами двух соседних рядов по диагонали. Конвективный газоход выполнен трапецеидальной формы и в нем водяные трубы расположены горизонтально (поперек котла) в шахматном порядке и также соединены с передней и задней водяными камерами котла. Трапециевидное расположение труб в средней и верхней частях топки обеспечивает площадь сечения между трубами первого ряда больше площади сечения между трубами последнего ряда в 1,5-2,5 раза. В задней части котла выполнен соединенный с задней водяной камерой дополнительный канал (байпас), в котором размещен теплообменник для горячего водоснабжения. Теплообменник выполнен в виде витого змеевика. Газовая горелка соединена с системой автоматики работы котла. Для удобства регулирования система автоматики установлена в передней части котла.
В известном устройстве в качестве теплообменника используются горизонтально расположенные трубы, число которых составляет не менее 30 штук. Поэтому у котлов подобной конструкции высока металлоемкость. При изготовлении теплообменника такой конструкции приходится выполнить 60 и более сварных швов, что существенно повышает трудоемкость изготовления котла и снижает его надежность при эксплуатации. Кроме того, горизонтальное расположение труб не обеспечивает равномерного и эффективного теплообмена между горячими газами поднимающимися от газовой горелки по конвективному газоходу и теплоносителем, находящемся в полости теплообменника.
Известна также конструкция водогрейного котла (патент на полезную модель 61013 от 11.04.2006 г.(2)). Данный водогрейный котел имеет четное количество вертикальных конвективных каналов трапецеидальной формы разделенной вертикальными стенками на несколько газоходов. Каналы расположены внутри теплообменника, заполненного жидким теплоносителем, например водой. Высота конвективных каналов равна высоте теплообменника, а площадь сечения нижнего основания в 1,5-4,5 раза больше площади сечения верхнего основания конвективного канала. Газовая горелка выполнена двухсекционной, причем одна из секций работает постоянно, а другая имеет возможность включения в случае необходимости через отдельный запорный элемент. Конвективные газовые каналы установлены непосредственно над двухсекционной газовой горелкой. Телескопический газоход для выброса продуктов сгорания находится внутри телескопического патрубка для подачи воздуха и имеет на своей поверхности слой теплоизоляции. Витой змеевик контура горячего водоснабжения установлен непосредственно в полости теплообменника между наружными стенками конвективных каналов и внутренними стенками корпуса котла.
Котлы известной конструкции имеют определенные недостатки. А именно, при эксплуатации водогрейных котлов аналогичной конструкции в условиях средней полосы России, когда в начале отопительного сезона (при температуре окружающего воздуха +8°С) мощность котла для отопления жилого помещения объемом 250 м3 (площадью 100 м2 при высоте потолка 2,5 м) должна быть 1,8-2 кВт. В самую холодную пятидневку года среднесуточная температура опускается до (-30÷-35°С). В этом случае мощность котла для указанного выше жилого помещения должна быть 10-11 кВт. Таким образом, диапазон регулирования мощности водогрейного котла (отношение мощности котла при минимальной температуре окружающего воздуха к мощности котла при максимальной температуре окружающего воздуха) должен быть 5÷6. Опыт эксплуатации водогрейных котлов с использованием в качестве источника тепловой энергии газа показа, что в них диапазон регулирования мощности составляет 2÷2,5. Деление газовой горелки на две секции позволяет увеличить диапазон регулирования мощности до 4÷5. Но в этом случае в начале и конце отопительного сезона, водогрейные котлы известных конструкций работают как правило в режиме «включено-выключено», то есть автоматика включает горелку, горелка нагревает теплоноситель в теплообменнике до определенной температуре, после чего происходит выключение газовой горелки. Такой режим работы приводит к тому, что элементы газоотводящего тракта нагреваются и остывают и соответственно на этих элементах образуется конденсат. Кроме того, установка витого змеевика контура горячего водоснабжения непосредственно в полости теплообменника может привести к изменению температуры в контуре отопления при отборе горячей воды в контуре горячего водоснабжения.
Целью предлагаемой полезной модели является улучшение эксплуатационных характеристик котла, упрощение его обслуживания.
Поставленная цель достигается тем, что в водогрейном комбинированном котле, содержащем герметичный корпус, в котором размещена топка с газовой горелкой, теплообменник с дымовой коробкой, патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке и патрубок удаления продуктов сгорания с прерывателем тяги и датчиком тяги, витой змеевик контура горячего водоснабжения и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, расположенной под теплообменником, котел имеет два теплоизолирующих экрана, закрепленных в верхней части на дымовой коробке, и имеющих в нижней части зазоры между ними и стенками топки и две водяные камеры, примыкающие к боковым поверхностям теплообменника и соединенные с теплообменником каналами, причем в одной из водяных камер находится витой змеевик контура горячего водоснабжения и камера соединена с теплообменником каналом, расположенным в верхней его части, а в другой камере находится электронагреватель, соединенной с теплообменником каналом, расположенным в нижней его части, и на стенке водяной камеры со змеевиком контура горячего водоснабжения установлены патрубки подающего и обратного трубопроводов системы отопления, соединенные между собой дополнительным трубопроводом, причем в месте соединения дополнительного трубопровода с патрубком подающего трубопровода системы отопления установлен трехходовой кран, а на обратном трубопроводе системы отопления установлен циркуляционный насос.
На фиг.1 изображен вид спереди, предлагаемого водогрейного комбинированного котла (в разрезе). В предлагаемом водогрейном котле имеется герметичный корпус 1. Внутри герметичного корпуса 1 расположена топка 2 с газовой горелкой 3. Над топкой находится теплообменник 4 с дымовой коробкой 5. В верхней части герметичного корпуса 1 имеется патрубок 6 подачи воздуха в топку к газовой горелке и патрубок 7 удаления продуктов сгорания с прерывателем тяги 8 и датчиком тяги 9. Патрубок 7 удаления продуктов сгорания соединен с дымовой коробкой 5. В месте выхода патрубка 7 из герметичного корпуса имеется уплотнение 10. В котле имеется витой змеевик 11 контура горячего водоснабжения и система автоматики 12, связанная с газовой горелкой 3 и датчиком тяги 9. В котле также имеются две водяные камеры 13 и 14, примыкающие к боковым поверхностям теплообменника и соединенные с теплообменником каналами 15 и 16. Между собой камеры соединены в нижней части каналом 23. В одной из камер (14) находится витой змеевик 11 контура горячего водоснабжения, а в другой камере (13) находится электронагреватель 17. В нижней части водяной камеры 14 установлены патрубки подающего 18 и обратного 19 трубопроводов системы отопления, которые соединены между собой дополнительным трубопроводом 20. В камере 14 имеется разделительная пластина 24, которая направляет теплоноситель, поступающий по обратному трубопроводу 19 в канал 23. В месте соединения дополнительного трубопровода 20 с патрубком подающего трубопровода 18 системы отопления установлен трехходовой кран 21 и на обратном трубопроводе 19 системы отопления установлен циркуляционный насос 22.
На фиг.2 изображен вид сбоку предлагаемого водогрейного комбинированного котла. В котле имеются два теплоизолирующих экрана 25, закрепленных в верхней части дымовой коробки 5 и имеющих в нижней части котла зазоры между ними и стенками топки.
Водогрейный комбинированный котел работает следующим образом.
Работа котла в режиме отопления (весна, осень)
В начале и конце отопительного сезона, когда температура окружающего воздуха выше 0°С, в режиме отопления работает только электронагреватель 17. Электронагреватель 17, нагревает теплоноситель, находящийся в водяной камере 13. Нагретый теплоноситель через отверстие 16 в водяной камере 13 поступает в теплообменник 4 и через отверстие 15 в водяную камеру 14. Из камеры 14 через патрубок подающего трубопровода 18 в систему отопления. Трехходовой кран 21 находится в положении отопление (фиг.3). Пройдя через отопительные приборы (не показаны) теплоноситель через обратный трубопровод 19 при помощи циркуляционного насоса 22 подается в нижнюю часть водяной камеры 14. Разделительная пластина 24 направляет теплоноситель через канал 23 в водяную камеру 13. Таким образом осуществляется циркуляция теплоносителя в режиме отопления при малых нагрузках. Наличие отверстий 15 и 16, выполненных на разной высоте относительно дна теплообменника 4 в сочетании с циркуляционным насосом 22 позволяют организовать постоянную циркуляцию теплоносителя.
Работа котла в режиме совместного отопления и горячего водоснабжения и в режиме отопления при низких температурах окружающего воздуха (зима).
При низких температурах окружающего воздуха (ниже 0°С) и в режиме совместного отопления горячего водоснабжения включается газовая горелка (электронагреватель отключается). В этом случае при работе газовой горелки 3 происходит сгорании газа в топке 2 и поднимающиеся горячие продукты сгорания попадают в конвективные каналы теплообменника 4, имеющие развитую внутреннюю поверхность (фиг.2). Продукты сгорания газа передают часть своей энергии вертикальным стенкам конвективных каналов теплообменника 4, а те в свою очередь через свои стенки теплоносителю, находящемуся в полости теплообменника 4. Продукты сгорания газового топлива (путь продуктов сгорания показан на фиг.2 пунктирными стрелками), отдав часть своей энергии теплоносителю, попадают в дымовую коробку 5 и через патрубок 7 удаляются за пределы жилого помещения через существующий дымоход. На патрубке 7 имеется прерыватель тяги 8 с датчиком 9, которые обеспечивают контроль за наличием тяги. Одновременно через патрубок 6 в топку 2 поступает воздух (путь по которому воздух подводится к горелке, показан на фиг.2 сплошными стрелками). В предлагаемой конструкции котла возможна подача воздуха, как непосредственно из отапливаемого помещения, так и с улицы. Кроме того, в котле имеется возможность установки патрубка 6 слева или справа (фиг.1). Все элементы котла находятся внутри герметичного корпуса 1.
Трехходовой кран 21 находится в положении отопление (фиг.3). Находящийся в полости теплообменника 4 теплоноситель через отверстие 15 поступает полость водяной камеры 14, где расположен витой змеевик 11 контура ГВС. При отборе тепла змеевиком 11 теплоноситель по каналу 23 поступает в водяную камеру 13 из которой через отверстие 16 в полость теплообменника 4. Кроме того теплоноситель из камеры 14 через патрубок 18 подающего трубопровода поступает в систему отопления. Пройдя через нагревательные приборы системы отопления теплоноситель через патрубок 19 обратного трубопровода поступает в нижнюю часть водяной камеры 14. Разделительная пластина 24 направляет теплоноситель через канал 23 в водяную камеру 13. В результате этого обеспечивается постоянная циркуляция теплоносителя. При отборе части тепла змеевиком 11 контура ГВС автоматика 12 подает сигнал на газовую горелку 3 и температура теплоносителя в теплообменнике поднимается.
Работа котла в режиме горячего водоснабжения при отключенном отоплении (в летний период).
В летний период котел для получения горячей воды включается периодически (отопительная система отключена). В этом случае трехходовой кран 21 переводится в положение ГВС и теплоноситель в контур отопления не подается (фиг.4). При работе в летний период в режиме ГВС работает газовая горелка 3, которая нагревает теплоноситель в теплообменнике 4. Теплоноситель циркулирует в контуре: теплообменник 4 - отверстие 15 - водяная камера 14 - патрубок 18 подающего трубопровода - трехходовой кран 21 - дополнительный трубопровод 20 - патрубок 19 обратного трубопровода циркуляционный насос 22 - канал 23 - водяная камера 13 - отверстие 16 - теплообменник 4. Разделительная пластина 24 направляет теплоноситель через канал 23 в водяную камеру 13. Автоматика 12 отслеживает изменение температуры теплоносителя и соответствующим образом регулирует подачу газа на горелку 3.
Анализ работы газовых водогрейных котлов показал, что диапазон регулирования мощности как правило составляет 40-100% от номинального значения мощности котла. Например, для котла мощностью 10 кВт диапазон регулирования составляет 4-10 кВт, в то время как требуемая мощность для отопления жилого дома площадью 80 м2 при температуре окружающего воздуха 0°С составляет 3,2 кВт, а при температуре окружающего воздуха -5°С, соответственно - 4,0 кВт. Отсюда следует, что котлы работают в режиме «включено-выключено» в течение большего времени отопительного сезона (средняя температура окружающего воздуха в течение отопительного сезона для широты Москвы составляет 3°С). Это приводит к повышенному расходу газа и невозможности поддержания постоянной температуры в контуре отопления, так как системы отопления с использованием водных теплоносителей обладают большой тепловой инерцией.
Предложенная конструкция котла лишена перечисленных недостатков, поскольку применение электронагревателя позволяет осуществить регулировку мощности от 0 кВт, а наличие водяных камер имеющих отверстия соединяющие их с теплообменником на разной высоте при использовании циркуляционного насоса обеспечивают создание постоянной циркуляции теплоносителя котла внутри, что снижает инерционность всей системы отопления.
Источники информации
1. Патент на полезную модель 30946 от 04.02.2003 г.
2. Патент на полезную модель 61013 от 11.04.2006 г.
Водогрейный комбинированный котел, содержащий герметичный корпус, в котором размещена топка с газовой горелкой, теплообменник с дымовой коробкой, патрубок для подачи воздуха в топку к газовой горелке и патрубок удаления продуктов сгорания с прерывателем тяги и датчиком тяги, витой змеевик контура горячего водоснабжения и систему автоматики, соединенную с газовой горелкой, расположенной под теплообменником, отличающийся тем, что котел имеет два теплоизолирующих экрана, закрепленных в верхней части на дымовой коробке, и имеющих в нижней части зазоры между ними и стенками топки и две водяные камеры, примыкающие к боковым поверхностям теплообменника и соединенные с теплообменником каналами, причем в одной из водяных камер находится витой змеевик контура горячего водоснабжения и камера соединена с теплообменником каналом, расположенным в верхней его части, а в другой камере находится электронагреватель, соединенной с теплообменником каналом, расположенным в нижней его части, и на стенке водяной камеры со змеевиком контура горячего водоснабжения установлены патрубки подающего и обратного трубопроводов системы отопления, соединенные между собой дополнительным трубопроводом, причем в месте соединения дополнительного трубопровода с патрубком подающего трубопровода системы отопления установлен трехходовой кран, а на обратном трубопроводе системы отопления установлен циркуляционный насос.
