Установка подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения

 

Предназначено для использования в теплоэнергетике для отопления и водоснабжения зданий и сооружений. Установка содержит охлаждаемый газовый генератор тепла и газоход, в котором размещены два теплообменника и конденсатор-сборник со сливными желобами. Схема гидравлического контура, при которой второй теплообменник работает в режиме "противотока" при температуре, близкой к температуре циркулирующей жидкости на входе в установку, а также конструктивные отличия выполнения конденсатосборников и стабилизаторов пламени позволяют получить высокий термический КПД, экологическую чистоту, технологичность изготовления и надежность работы установки. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в установках подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения зданий и сооружений децентрализованным образом.

Известна установка подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения (см. патент РФ N 2018771, кл. F 24 D 3/08, 1994), взятая в качестве прототипа и содержащая газовый генератор тепла, включающий камеру сгорания с огневым днищем, снабженным отверстиями, стабилизаторы пламени и перегородки в камере сгорания, а с противоположной стороны днища - форсунки для подачи и смешения газообразного горючего с воздухом, и сообщенный с газовым генератором тепла газоход. В газоходе размещена система теплообменников, включающая, например, начальный, средний и конечный теплообменники, и установлен конденсатосборник. При этом выход начального и вход конечного теплообменников по ходу нагретого газа в их верхних частях предназначены для подключения тепловой нагрузки. Выход конечного теплообменника в его нижней части соединен со входом среднего теплообменника в его верхней части, а выход среднего теплообменника в нижней части соединен со входом начального теплообменника в его нижней части. В контур циркулирующей жидкости, например между средним и нижним теплообменниками, может быть включен контур охлаждения элементов газового генератора тепла. Теплообменники выполнены в виде пакета пластин, установленных вдоль потока нагретого газа с зазором между соседними пластинами и снабженных каналами для протока жидкости, циркулирующей в контуре теплоснабжения, входы и выходы каналов объединены соответствующими коллекторами пакета. Конденсатосборник выполнен в виде расположенных под пластинами конечного теплообменника гофрированной проставки с вершинами и впадинами, направленными вдоль пластин, причем каждая гофра снабжена отверстиями для прохода нагретого потока газа и сообщена впадинами со сливными желобами, или в виде V - образных профилей, сообщенных со сливными желобами. Сливные желоба размещены поперек пластин.

Недостаток указанной установки заключается в том, что в случае последовательного размещения в ней по ходу нагретого газа начального теплообменника, движение циркулирующей жидкости в котором в целом совпадает с движением нагретого газа (прямоток), среднего теплообменника, движение циркулирующей жидкости в котором в целом противоположно движению нагретого газа (противоток), конденсатосборника и конечного теплообменника, движение циркулирующей жидкости в котором в целом противоположно движению нагретого газа (противоток), возможны режимы работы установки, когда температура пластин среднего теплообменника оказывается ниже температуры "точки росы". При этом будет происходить конденсация паров воды на пластинах среднего теплообменника.

Использование конденсатосборника в виде гофрированной проставки с отверстиями в гофрах или в виде V-образных профилей не позволяет перекрыть все поперечное сечение газохода и как следствие не обеспечивает полного улавливания конденсата, образующегося выше конденсатосборника. Конденсат, который не уловлен конденсатосборником, и конденсат, который образовался на пластинах среднего теплообменника, может попадать в генератор тепла с работающими горелками, ухудшая процесс горения, а испарившаяся при этом часть конденсата приведет к увеличению расхода нагретого газа и как следствие к увеличению сопротивления газохода. Использование конденсатосборника в виде гофрированной проставки или V-образных профилей, размещенных между теплообменниками, загромождает газоход и приводит к увеличению сопротивления газохода, что нежелательно из-за ограниченности собственной тяги установки.

В указанной установке в каждой пластине пакета каналы для протока циркулирующей жидкости, входы и выходы которых объединены соответствующими коллекторами, выполнены параллельными друг другу как в пластине в целом, так и в отдельных зонах, образующих конфигурацию проточной части внутри пластины. При этом в любом случае крайние зоны входной и выходной частей пластин выполнены параллельными горизонтальными каналами, что не позволяет в полной мере реализовать преимущества схемы теплообмена "прямоток-противоток".

Объединение входов и выходов пластин соответствующими коллекторами пакета требует выполнения трудоемких технологических операций, связанных с пайкой или сваркой каждой пластины пакета с коллекторами пакета.

Стабилизаторы пламени, например в форме конусов, и перегородки в камере сгорания выполнены неохлаждаемыми. Так как они расположены в зоне высокой температуры, то возможно их разрушение. Из-за неравномерности тепловых потоков к перегородкам возможна их термическая деформация, что в свою очередь может приводить к частичному перекрытию сечений индивидуальных камер сгорания, образованных перегородками, оказывая при этом отрицательное влияние на процесс горения в них.

В основу изобретения поставлена задача разработать установку подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения с такими элементами (конденсатосборниками, теплообменниками, стабилизаторами пламени, перегородками), конструктивные выполнения которых и определенный выбор гидравлического контура обеспечат высокий термический КПД (более 0,92), экологическую чистоту, например, класса "голубой ангел", технологичность изготовления и надежность работы установки.

Поставленная цель достигается тем, что в установке подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения, содержащей охлаждаемый газовый генератор тепла, стенки которого образованы стенками камеры сгорания и огневым днищем с отверстиями и который включает стабилизаторы пламени и перегородки в камере сгорания, а с противоположной стороны днища - форсунки для подачи и смешения газообразного горючего с воздухом, сообщенный с газовым генератором тепла газоход содержит два теплообменника и конденсатосборник со сливными желобами. Первый и второй по ходу нагретого газа теплообменники выполнены в виде пакета пластин, установленных вдоль потока нагретого газа с определенным шагом и снабженных каналами для протока циркулирующей жидкости. Выход первого теплообменника и вход второго теплообменника в их верхних частях предназначены для подключения тепловой нагрузки. Выход второго теплообменника в его нижней части сообщен со входом контура охлаждения элементов газового генератора тепла, а выход контура охлаждения элементов газового генератора тепла сообщен со входом первого теплообменника в его нижней части. Конденсатосборники выполнены в нижней части пластин второго теплообменника в форме заглубленных в пластину канавок, обращенных вверх, при этом плоскость канавки в ее верхней части выполнена с углом наклона к плоскости пластины менее 45^o. По бокам пластин выполнены приливы, согласованные с величиной расстояния между пластинами в пакете. В нижней части пластин у приливов выполнены выемки или каналы для слива конденсата из канавок в желоба.

Каналы внутри пластин образованы трубками, соединенными с коллекторами пластин, пластины в пакете герметично соединены через коллекторы, при этом трубки расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₁ = 0,05(kh₁)^0,5, а от краев пластин - на расстоянии не более 0,5L₁, где k - коэффициент теплопроводности материала пластин в Вт/м/К, h₁ - толщина пластины в метрах, L₁ - расстояние в метрах.

Каналы охлаждения в стенках камеры сгорания образованы трубками, сообщенными со входом/выходом контура охлаждения элементов газового генератора тепла, при этом трубки расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₂ = 0,1(k h₂)^0,5, а от краев стенок камеры сгорания - на расстоянии не более 0,5L₂, где h₂ - толщина стенки в метрах, L₂ - расстояние в метрах.

Каналы охлаждения огневого днища образованы трубками, сообщенными со входом/выходом контура охлаждения элементов газового генератора тепла, при этом трубки расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₃= 0,15(kh₃)^0,5, а от краев огневого днища - на расстоянии не более 0,5 L₃, где h₃ - толщина днища в метрах, L₃ - расстояние в метрах.

Стабилизаторы пламени выполнены охлаждаемыми, например в виде трубок, сообщенных со входом/выходом контура охлаждения элементов газового генератора тепла и размещенных параллельно днищу над форсунками, при этом соответствующие оси трубок и форсунок находятся в одной плоскости.

Перегородки в камере сгорания составляют одно целое с огневым днищем.

Предлагаемая схема выполнения гидравлического контура установки обеспечивает работу второго теплообменника в режиме "противоток" при температуре, близкой к температуре циркулирующей жидкости на входе в установку. При температуре поверхностей пластин ниже температуры "точки росы" на них будут конденсироваться пары воды, передавая циркулирующей жидкости скрытую теплоту конденсации. Предложенное выполнение конденсатосборника обеспечивает полное улавливание конденсата, не перекрывает сечение газохода, то есть не вносит дополнительного сопротивления потоку нагретого газа и устраняет негативные процессы испарения капель конденсата как в потоке горячего газа, так и на элементах конденсатосборника. Выполнение угла наклона канавки в ее верхней части выбирается из условия безотрывного стекания в канавку капель, образующихся на поверхности пластины.

Численные значения коэффициентов в соотношениях для расстояний между трубками в пластинах, в стенках камеры сгорания и огневом днище выбираются из условий, чтобы: - температура пластины между трубками второго теплообменника не превышала температуру стенок охлаждающих трубок более чем на 5^o в его нижней части и более чем на 1^o - в верхней части, что практически не скажется на конденсации паров воды и теплообмене во втором теплообменнике; - температура пластины между трубками первого теплообменника не превышала температуру стенок охлаждающих трубок более чем на 25^o в его нижней части и более чем на 4^o - в верхней части, что также практически не скажется на теплообмене в первом теплообменнике, так как перепад температур "газ - стенка" составляет величину порядка 1000^o; - температура стенок камеры сгорания и огневого днища между трубками не превышала температуру стенок охлаждающих трубок более чем на 50^o,что не приведет к существенным тепловым потерям от камеры сгорания.

Суммарно наличие указанных разниц температур приведет, как показывают расчеты, к уменьшению КПД на величину менее 0,5%. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет в полном объеме реализовать преимущества схемы теплообмена "прямоток-противоток" и получить высокий КПД установки.

Использование трубок для формирования каналов позволяет в соответствии с уровнем тепловых потоков от горячего газа реализовать различную плотность каналов в разных зонах пластины. Материал пластин, стенок камеры сгорания и огневого днища с целью обеспечения оптимальных параметров теплообмена и габаритов необходимо выбирать с высоким коэффициентом теплопроводности (k > 100 Вт/м/К).

Предлагаемое техническое решение упрощает технологический процесс изготовления теплообменников и повышает надежность их эксплуатации, например, за счет выбора стойкого к коррозии материала трубок.

Использование охлаждаемой камеры сгорания, охлаждаемых стабилизаторов пламени и пассивно охлаждаемых перегородок, составляющих одно целое с охлаждаемым днищем камеры сгорания, обусловлены обеспечением надежности эксплуатации установки в целом.

Дадим пример расчета максимальных расстояний между трубками L₁, L₂, L₃ для пластин, стенок камеры сгорания и огневого днища соответственно.

Так, например, при использовании сплава АЛ1 (k = 130 Вт/м/К), при толщине пластины h₁ = 0,006 м получим L₁ = 0,044 м, при толщине стенок камеры сгорания h₂ = 0,01 м получим L₂ = 0,114 м, при толщине огневого днища h₃ = 0,01 м получим L₃ = 0,171 м.

На фиг. 1 представлена схема установки, на фиг. 2-3 - схемы выполнения конденсатосборника, пластин второго (фиг. 2) и первого (фиг. 3) теплообменников, элементов охлаждения пластин теплообменников и схема формирования пакета пластин (фиг. 3), на фиг. 4 - схемы охлаждения стенок камеры сгорания, огневого днища и стабилизаторов пламени, на фиг. 5 - схемы выполнения стабилизаторов пламени.

Установка подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения (фиг. 1) содержит охлаждаемый газовый генератор тепла 1, стенки которого образованы стенками камеры сгорания 2 и огневым днищем 3 с отверстиями 4 и который включает стабилизаторы пламени 5 и перегородки 6 в камере сгорания, а с противоположной стороны днища - форсунки 7 для подачи и смешения газообразного горючего с воздухом, сообщенный с газовым генератором тепла газоход, который содержит два теплообменника 8,9 и конденсатосборник 10 со сливными желобами 11. Первый 8 и второй 9 теплообменники, установленные последовательно по ходу нагретого газа, выполнены в виде пакета пластин 12, установленных вдоль потока нагретого газа с определенным шагом и снабженных каналами 13 для протока циркулирующей жидкости. По бокам пластин 12 выполнены приливы 14, согласованные с величиной расстояния между пластинами в пакете. Выход первого теплообменника и вход второго теплообменника в их верхних частях предназначены для подключения тепловой нагрузки. Выход второго теплообменника в его нижней части сообщен со входом контура охлаждения элементов газового генератора тепла, а выход контура охлаждения элементов газового генератора тепла сообщен со входом первого теплообменника в его нижней части. Конденсатосборники (фиг. 2) выполнены в нижней части пластин 12 второго теплообменника в форме заглубленных в пластину канавок 15, обращенных вверх, при этом плоскость канавки в ее верхней части выполнена с углом наклона к плоскости пластины менее 45^o. Для слива конденсата из канавок 15 в желоба 11 в нижней части пластин у приливов выполнены выемки 16 или каналы 17.

Каналы охлаждения 13 внутри пластин (фиг. 2-3) образованы трубками 18, соединенными с коллекторами 19 пластин, пластины в пакете герметично соединены через коллекторы, при этом трубки расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₁, а от краев пластин - на расстоянии не более 0,5L₁.

Каналы охлаждения в стенках камеры сгорания и огневом днище (фиг. 4) образованы трубками 18, сообщенными со входом 20/выходом 21 контура охлаждения элементов газового генератора тепла, при этом трубки в стенках камеры сгорания расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₂, и от краев стенок камеры сгорания - на расстоянии не более 0,5 L₂, а в огневом днище - на расстояниях не более L₃ и не более 0,5 L₃ соответственно.

Стабилизаторы пламени 5 (фиг. 1, 4, 5) выполнены охлаждаемыми, например, в виде трубок 22 (фиг. 4), сообщенных со входом 20/выходом 21 контура охлаждения элементов газового генератора тепла и размещенных параллельно днищу над форсунками, при этом соответствующие оси трубок и форсунок находятся в одной плоскости. Возможно выполнение стабилизаторов пламени в виде комбинации трубки 22 с конусным элементом 23.

Перегородки 6 (фиг. 1, 4) составляют одно целое с огневым днищем 3.

Формула изобретения

1. Установка подогрева воды для отопления и/или горячего водоснабжения, содержащая охлаждаемый газовый генератор тепла, стенки которого образованы стенками камеры сгорания и огневым днищем с отверстиями и который включает стабилизаторы пламени и перегородки в камере сгорания, а с противоположной стороны днища форсунки для подачи и смешения газообразного горючего с воздухом, сообщенный с газовым генератором тепла газоход, который содержит два теплообменника и конденсатосборник со сливными желобами, при этом первый и второй (по ходу нагретого газа) теплообменники выполнены в виде пакета пластин, установленных вдоль потока нагретого газа с определенным шагом и снабженных каналами для протока циркулирующей жидкости, выход первого теплообменника и вход второго теплообменника в их верхних частях предназначены для подключения тепловой нагрузки, отличающаяся тем, что выход второго теплообменника в его нижней части сообщен со входом контура охлаждения элементов газового генератора тепла, а выход контура охлаждения элементов газового генератора тепла сообщен со входом первого теплообменника в его нижней части, конденсатосборники выполнены в нижней части пластин второго теплообменника в форме заглубленных в пластину канавок, обращенных вверх, при этом плоскость канавки в ее верхней части выполнена с углом наклона к плоскости пластины менее 45^o, по бокам пластин выполнены приливы, согласованные с величиной расстояния между пластинами в пакете, в нижней части пластин у приливов выполнены выемки или каналы для слива конденсата из канавок в желоба.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каналы внутри пластин образованы трубками, соединенными с коллекторами пластин, пластины в пакете герметично соединены через коллекторы, при этом трубки расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₁ = 0,05 (k h₁)^0,5, а от краев пластин - на расстоянии не более 0,5 L₁, где k - коэффициент теплопроводности, h₁ - толщина пластины.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каналы охлаждения в стенках камеры сгорания образованы трубками, сообщенными со входом/выходом контура охлаждения элементов газового генератора тепла, при этом трубки расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₂ = 0,1 (k h₂)^0,5, а от краев стенок камеры сгорания - на расстоянии не более 0,5 L₂, где h₂ - толщина стенки камеры сгорания.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каналы охлаждения огневого днища образованы трубками, сообщенными со входом/выходом контура охлаждения элементов газового генератора тепла, при этом трубки расположены друг относительно друга на расстоянии не более L₃ = 0,15 (k h₃)^0,5, а от краев огневого днища на расстоянии не более 0,5 L₃, где h₃ - толщина стенки огневого днища.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что стабилизаторы пламени выполнены охлаждаемыми, например, в виде трубок, сообщенных со входом/выходом контура охлаждения элементов газового генератора тепла и размещенных параллельно днищу над форсунками, при этом соответствующие оси трубок и форсунок находятся в одной плоскости.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что перегородки составляют одно целое с огневым днищем.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5