котел для отопления и горячего водоснабжения, теплообменник котла, буферная емкость котла и способ работы котла

Формула изобретения

1. Котел для отопления и/или горячего водоснабжения, содержащий расширительный бачок и герметичный корпус, в котором размещены топочная камера с газовой горелкой, теплообменник контура отопления с дымовой коробкой, буферная емкость с теплообменником контура горячего водоснабжения, патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, расположенные в верхней части котла, патрубки подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, и систему управления, отличающийся тем, что теплообменник контура отопления включает призматический корпус с открытой нижней частью, трубной доской в верхней части и змеевиком на наружной поверхности, дымовая коробка в месте ее соединения с патрубком удаления продуктов сгорания снабжена каналом, соединенным с внутренней полостью герметичного корпуса, а буферная емкость связана с патрубком отвода теплоносителя и включает призматический корпус с расположенным внутри него теплообменником контура горячего водоснабжения и собственными патрубками подвода и отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, при этом буферная емкость вынесена за пределы расположения теплообменника контура отопления, размещена в нижней части герметичного корпуса и посредством дополнительного патрубка через кран переключения в режим «отопление + горячее водоснабжение/только горячее водоснабжение» соединена с патрубком подвода теплоносителя, на котором после его соединения с дополнительным патрубком буферной емкости установлен насос.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что теплообменник контура отопления выполнен из меди или сплава на основе меди.

3. Котел по п.1, отличающийся тем, что объем буферной емкости выполнен в пределах 0,2-0,4 л на 1 кВт мощности котла.

4. Котел по п.1, отличающийся тем, что система управления включает блок автоматического управления газовой горелкой, автоматический клапан воздуховыпуска, датчик опрокидывания тяги, датчик протока среды, установленный на патрубке подвода теплоносителя после насоса, предохранительный клапан, установленный на дополнительном патрубке, соединяющем буферную емкость с патрубком подвода теплоносителя, и датчик контроля температуры теплоносителя, установленный на патрубке подвода теплоносителя в месте его соединения с теплообменником контура отопления и связанный с блоком автоматического управления газовой горелкой.

5. Теплообменник котла, включающий призматический корпус с открытой нижней частью, трубной доской в верхней части, змеевиком на наружной поверхности и патрубками подвода-отвода теплоносителя, при этом трубная доска включает два уровня оребренных трубок, причем шаг оребрения верхнего уровня относится к шагу оребрения нижнего уровня как 1:(1,75-2,25), патрубок подвода теплоносителя установлен на входе в змеевик, а патрубок отвода теплоносителя установлен на выходе с трубной доски верхнего уровня.

6. Теплообменник по п.5, отличающийся тем, что он выполнен из меди или сплава на основе меди.

7. Буферная емкость котла, включающая призматический корпус с расположенным внутри него теплообменником контура горячего водоснабжения, выполненным в виде змеевика, и патрубки подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, внутри корпуса установлен стакан, открытая часть которого расположена со стороны патрубка отвода теплоносителя, а дно - со стороны патрубка подвода теплоносителя, змеевик расположен в зазоре между внутренними стенками корпуса и наружными стенками стакана, при этом в дне стакана выполнены каналы, общая площадь которых не превышает площадь внутреннего сечения патрубка подвода теплоносителя.

8. Буферная емкость по п.7, отличающаяся тем, что объем призматического корпуса выбирают в пределах 0,2-0,4 л на 1 кВт мощности котла.

9. Способ работы котла для отопления и/или горячего водоснабжения, включающий подачу воздуха в топочную камеру, нагрев теплоносителя продуктами сгорания газа в теплообменнике контура отопления, отвод продуктов сгорания через патрубок удаления, подачу теплоносителя в буферную емкость, оснащенную теплообменником контура горячего водоснабжения, и далее в подающий трубопровод системы отопления, поступление остывшей воды в обратный трубопровод и оттуда в теплообменник контура отопления, отличающийся тем, что подачу воздуха в камеру сгорания совмещают с его подачей в герметичный корпус котла и подогревом за счет отвода части тепла с патрубка удаления продуктов сгорания и наружной поверхности теплообменника контура отопления, а отвод продуктов сгорания осуществляют одновременно с эжекцией подогретого воздуха из герметичного корпуса.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что процессы теплопередачи и теплоотвода осуществляют с использованием теплообменника контура отопления, конструктивные элементы которого выполнены из меди или сплава на основе меди.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что объем буферной емкости выбирают в пределах 0,2-0,4 л на 1 кВт мощности котла.

12. Способ по п.9, отличающийся тем, что поступление остывшей воды в обратный трубопровод осуществляют принудительно.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области производственной и коммунальной теплоэнергетике и могут быть использованы в конструкциях котлов, предназначенных для отопления и/или горячего водоснабжения, а также для организации технологических процессов локального тепло- и/или водоснабжения.

Известен котел отопительный водогрейный газовый каскадный, содержащий вертикально ориентированный корпус, два установленных один над другим топочных модуля с топочными камерами и газовыми горелками, теплообменными поверхностями с расположенными над топочными камерами верхними теплообменниками с пучками медных оребренных труб и нижними теплообменниками в виде полых элементов из листового материала, расположенными по периметру вокруг топок, и самостоятельные для каждого модуля дымоотводы и патрубки входа и выхода воды, причем каждый модуль снабжен самостоятельным микропроцессорным управлением с единой для котла приборной панелью управления [описание изобретения к патенту РФ № 2381421 от 17.09.2007, МПК F24H 1/00, опубл. 10.02.2010]. Решаемая задача - минимизация веса котла и занимаемой им площади помещения, обеспечение КПД не ниже 91%, повышение ресурса и ремонтопригодности котла, обеспечение удобства эксплуатации и технического обслуживания котла, обеспечение возможности применения в котельных без постоянного присутствия персонала путем объединения преимуществ двух различных концепций в одной конструкции - скоростного медного и объемного стального теплообменников.

Оснащение каждого модуля сложными системами микропроцессорного управления не позволяет говорить о простоте конструкции котла, что создает определенные трудности с его использованием вдали от мест сервисного и технического обслуживания, например в сельской местности.

Известен водогрейный котел для горячего водоснабжения и отопления, содержащий корпус, топочную камеру, размещенную в корпусе с образованием водяной рубашки между ними, патрубок подвода холодной (обратной) воды и горелочное устройство, которые размещены в нижней части соответственно водяной рубашки и топочной камеры, патрубок отвода горячей воды и дымовыводящий патрубок, при этом в нижней части топочной камеры над горелочным устройством установлен теплообменник в виде пучка труб, размещенных наклонно и закрепленных обоими концами в соответствующих противоположных стенках топочной камеры с образованием коллекторов соответственно входного и выходного, причем входной коллектор размещен ниже, чем выходной, и соединен с водяной рубашкой, а выходной коллектор соединен с патрубком отвода горячей воды, при этом над пучком труб размещен дополнительный теплообменник для утилизации остатков тепла дымовых газов [описание изобретения к патенту РФ № 2273802 от 12.07.2004, МПК F24H 1/44, опубл. 10.04.2006]. Котел отличается увеличенной поверхностью теплообмена, ступенчатой теплопередачей и гравитационной циркуляцией воды, повышенной эффективностью использования дымовых газов, повышенным КПД и экономичностью, а также независимостью работы от электроэнергии.

Котел данной конструкции отличается повышенной металлоемкостью и низкой ремонтопригодностью. Кроме этого, для сжигания топлива используется воздух помещения, что не позволяет устанавливать котел в комнатах малого объема.

Известен водогрейный котел для отопления и горячего водоснабжения жилых и общественных зданий, содержащий герметичный корпус, в нижней части которого размещены топочная камера с горелкой и дымогарные трубы, расположенный над ними теплообменник, при этом котел снабжен датчиком давления и электромагнитным клапаном, расположенными в верхней части котла, при этом выход электромагнитного клапана соединен трубопроводом с внутренней полостью горелки [описание изобретения к патенту РФ № 2347976 от 26.01.2007, МПК F22B 7/00, опубл. 27.02.2009]. Изобретение обеспечивает увеличение теплопередачи от паров котловой воды к воде системы теплоснабжения и снижение содержания окислов азота в отработанных газах.

Данный котел работает с высоким избыточным давлением, что требует присутствия при его работе аттестованного органами котлонадзора оператора, а это делает практически невозможным его применение для индивидуального поквартирного отопления.

Одним из «слабых» мест котлов является образование конденсата на границах контакта сред с разной температурой. Можно получить удовлетворительные результаты работы котла, но периодическое образование конденсата, например, на входе в дымовую трубу, где происходит его смешение с продуктами горения, представляющего собой агрессивную среду, создает дополнительные трудности с эксплуатацией котла и его надежностью и долговечностью. Существуют технические решения, где образование конденсата является рабочим моментом работы котла. Например, известна установка горячего водоснабжения, содержащая водогрейный котел с прямым и обратным патрубками, подключенными к системе отопления, патрубок подачи холодной водопроводной воды, дымовую трубу, нижняя часть которой выполнена в виде экономайзера с прямым и обратным патрубками, соединенными с емкостным бойлером, разделенным на две части: верхнюю и нижнюю, и снабженным патрубком горячей воды, при этом емкостный бойлер и экономайзер заполнены водопроводной водой и образуют контур естественной или принудительной циркуляции нагреваемой воды отходящими дымовыми газами водогрейного котла. Кроме этого установка оснащена в нижней части полостью для сбора конденсата и конденсатоотводящей трубкой [описание изобретения к патенту РФ № 2230262 от 07.08.2002, МПК⁷ F24H 1/48, опубл. 10.06.2004]. Установка обладает высоким КПД и удешевляет нагрев воды.

Образование конденсата требует использования в конструкции установки высококачественных сталей или более массивных деталей, что ограничивает ее тиражирование.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков и выполняемой функции является серийно выпускаемый водогрейный котел, предназначенный для раздельного отопления и горячего водоснабжения квартир в жилых многоэтажных домах и индивидуальных жилых зданиях, с системами естественной и принудительной циркуляции воды. Котел содержит расширительный бачок и герметичный корпус, в котором размещены топочная камера с газовой горелкой, теплообменник контура отопления с дымовой коробкой, буферная емкость прямоугольного сечения с теплообменником (змеевиком) контура горячего водоснабжения, патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, расположенные в верхней части котла, патрубки подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, и систему управления, включающую датчик опрокидывания тяги и блок безопасности газовой горелки [описание полезной модели к патенту РФ № 88113 от 24.06.2009, МПК F24H 1/08, опубл. 27.10.2009]. Котел отличается улучшенными эксплуатационными характеристиками, надежностью работы и простотой в обслуживании. Герметичный корпус исключает отбор воздуха из внутреннего объема помещения.

К недостаткам котла следует отнести повышенную металлоемкость и, как следствие, высокую инертность в работе, для устранения которой требуется применение дорогостоящих датчиков и сложной системы управления. Герметичный корпус котла обеспечивает возможность гарантированного забора воздуха только с улицы (но не из помещения) и гарантированный отвод продуктов горения наружу. Тем не менее, остается возможность за счет обратной тяги ухудшить показатели горения газовой горелки, вплоть до полного гашения пламени свежим воздухом или собственными продуктами горения. Такой режим работы при всех положительных результатах работы вызывает периодическое отпотевание стенок теплообменника и образование конденсата на стенках дымовых труб.

Задача, решаемая настоящим изобретением, и достигаемый технический результат заключаются в расширении номенклатуры выпускаемых водогрейных котлов с улучшенными эксплуатационными и весовыми характеристиками, надежных в работе и простых в обслуживании, обеспечивающих повышение температуры отходящих газов и увеличение КПД или сохранения его на требуемом нормами государственных стандартов уровне.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в известном котле для отопления и горячего водоснабжения, содержащем расширительный бачок и герметичный корпус, в котором размещены топочная камера с газовой горелкой, теплообменник контура отопления с дымовой коробкой, буферная емкость с теплообменником контура горячего водоснабжения, патрубки для подачи воздуха в топку к газовой горелке и удаления продуктов сгорания, расположенные в верхней части котла, патрубки подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, и систему управления, теплообменник контура отопления включает призматический корпус с открытой нижней частью, трубной доской в верхней части и змеевиком на наружной поверхности, дымовая коробка в месте ее соединения с патрубком удаления продуктов сгорания снабжена каналом, соединенным с внутренней полостью герметичного корпуса, а буферная емкость связана с патрубком отвода теплоносителя и включает призматический корпус с расположенным внутри него теплообменником контура горячего водоснабжения и собственными патрубками подвода и отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, при этом буферная емкость вынесена за пределы расположения теплообменника контура отопления, размещена в нижней части герметичного корпуса и посредством дополнительного патрубка через кран переключения в режим «отопление+горячее водоснабжение/только горячее водоснабжение» соединена с патрубком подвода теплоносителя, на котором после его соединения с дополнительным патрубком буферной емкости установлен насос.

Кроме этого:

- теплообменник контура отопления выполнен из меди или сплава на основе меди;

- объем буферной емкости выполнен в пределах 0,2-0,4 литра на 1 кВт мощности котла;

- система управления включает блок автоматического управления газовой горелкой, автоматический клапан воздуховыпуска, датчик опрокидывания тяги, датчик протока среды, установленный на патрубке подвода теплоносителя после насоса, предохранительный клапан, установленный на дополнительном патрубке, соединяющем буферную емкость с патрубком подвода теплоносителя, и датчик контроля температуры теплоносителя, установленный на патрубке подвода теплоносителя в месте его соединения с теплообменником контура отопления и связанный с блоком автоматического управления газовой горелкой.

Типовой теплообменник на примере котла для отопления и/или горячего водоснабжения содержит корпус, в нижней части которого расположена топка с горелочным устройством, подающий и обратный патрубки, патрубок удаления дымовых газов, при этом нижняя часть теплообменника выполнена в виде водяной рубашки, а верхняя - в виде специальной камеры, сообщающейся с водяной рубашкой нижней части, оснащенной вертикальными газоходами для утилизации тепла дымовых газов, причем внутренняя и внешняя поверхности газоходов выполнены в виде цилиндрических винтообразных металлических ребер [описание изобретения к патенту РФ № 2158395 от 12.05.1999, МПК⁷ F24H 1/28, опубл. 27.10.2000].

Теплообменник обеспечивает повышение коэффициента полезного действия и удешевление производства теплоэнергии.

Данный теплообменник способен утилизировать большую часть тепла отходящих дымовых газов, но отрицательным моментом этого является практически постоянное отпотевание стенок в тех или иных местах, что приводит к преждевременному выходу теплообменника из строя. Именно по этой причине стенки таких теплообменных аппаратов делают с большой толщиной и, вообще, сами теплообменники выполняют в виде самостоятельных котлов.

Известна более совершенная конструкция теплообменника, которая применяется в газовом отопительном водогрейном каскадном котле с КПД не ниже 91% и включает объединенные в единое устройство верхний и нижний теплообменники, где верхний представляет пучок медных оребренных труб, а нижний представляет собой полый элемент из листовой стали, расположенный по периметру вокруг топки, а его водяная полость соединена посредством перепускного патрубка с расположенным над ним верхним теплообменником, который выполнен медно-чугунно-стальным [описание изобретения к патенту РФ № 2381421 от 17.09.2007, МПК F24H 1/00, опубл. 10.02.2010]. Такие теплообменники можно скомпоновать в двухуровневую батарею. Их преимущество - сочетание в одной конструкции двух концепций - скоростного медного и объемного стального теплообменников.

Сочетание разнородных материалов с различными физическими и электрохимическими показателями способствует интенсивному износу соединяемых деталей, особенно во время переключения теплообменника на функцию исключительно горячего водоснабжения - на отпотевших стенках образуется агрессивный конденсат, способствующий неравномерному износу (коррозии) стенок деталей теплообменника.

Наличие разнообразных конструкций теплообменников, используемых в котлах, в том числе являющихся элементами корпусных деталей котлов, не позволяет выбрать такой, где органично сочетаются низкая металлоемкость, высокая теплоотдача и, одновременно, высокая теплоемкость, способные обеспечить теплом второй контур - горячего водоснабжения.

Задача, решаемая вторым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в расширении номенклатуры выпускаемых теплообменников котлов для отопления и/или горячего водоснабжения с улучшенными эксплуатационными и массовыми характеристиками, надежных в работе и простых в обслуживании, обеспечивающих повышение температуры отходящих газов и увеличение КПД или сохранение его на требуемом нормами государственных стандартов уровне.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата теплообменник котла включает призматический корпус с открытой нижней частью, трубной доской в верхней части, змеевиком на наружной поверхности и патрубками подвода-отвода теплоносителя, при этом трубная доска включает два уровня оребренных трубок, причем шаг оребрения верхнего уровня относится к шагу оребрения нижнего уровня как 1:(1,75-2,25), патрубок подвода теплоносителя установлен на входе в змеевик, патрубок отвода теплоносителя установлен на выходе с трубной доски верхнего уровня, а сам теплообменник выполнен из меди или сплава на основе меди.

Типовая буферная емкость котла для отопления и/или горячего водоснабжения включает преимущественно призматический корпус с расположенным внутри него теплообменником контура горячего водоснабжения, выполненным в виде змеевика, и каналы подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды. Буферная емкость может быть вынесена за пределы расположения теплообменника [см. описание изобретения к патенту РФ № 2230262 от 07.08.2002, МПК⁷ F24H 1/48, опубл. 10.06.2004] или располагаться непосредственно на теплообменнике [см. ранее упомянутое описание полезной модели к патенту РФ № 88113].

Преимущества раздельного расположения заключаются в возможности обеспечения высокой мощности горячего водоснабжения, высокой ремонтопригодности (включая обслуживание), а также возможности компоновки котла в соответствии с планировкой помещения.

Недостатки - ограниченные эксплуатационные возможности, которые выражаются в нестабильной работе котла при увеличении расхода горячей воды, что влечет за собой снижение температуры в системе отопления, при этом увеличение объема буферной емкости резко снижает полезное пространство помещения.

Преимущества непосредственного расположения буферной емкости на теплообменнике заключаются в обеспечении возможности скорейшей теплопередачи от более нагретого тела к менее нагретому.

Недостатки - усложнение конструкции котла и его непропорциональные габариты, а также низкая ремонтопригодность.

Задача, решаемая третьим изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в расширении номенклатуры выпускаемых буферных емкостей котлов для отопления и/или горячего водоснабжения с улучшенными эксплуатационными и массовыми характеристиками, надежных в работе и простых в обслуживании, обеспечивающих оптимальный объем для больших расходов горячей воды, который достаточен для срабатывания средств контроля и управления работой связанных с ними теплообменных аппаратов.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата буферная емкость котла включает призматический корпус с расположенным внутри него теплообменником контура горячего водоснабжения, выполненным в виде змеевика, и патрубки подвода-отвода теплоносителя и подвода-отвода воды, при этом внутри корпуса установлен стакан, открытая часть которого расположена со стороны патрубка отвода теплоносителя, а дно - со стороны патрубка подвода теплоносителя, змеевик расположен в зазоре между внутренними стенками корпуса и наружными стенками стакана, в дне стакана выполнены каналы, общая площадь которых не превышает площадь внутреннего сечения патрубка подвода теплоносителя, а объем призматического корпуса выбирают в пределах 0,2-0,4 литра на 1 кВт мощности котла.

Известен способ автономного теплоснабжения, включающий нагрев воды в газовом котле продуктами сгорания, подачу ее в подающий трубопровод системы отопления и горячего водоснабжения, поступление остывшей воды в обратный трубопровод и оттуда - в газовый котел, ПРИ ЭТОМ выходящие из котла дымовые газы охлаждают наружным и дутьевым воздухом до температуры ниже точки росы с последующим образованием конденсата водяных паров, который в виде пленки стекает вниз, смешиваясь при этом с конденсатом, насыщенным кислотными компонентами, кислородом и озоном, взаимодействует с окислами азота с образованием двуокиси азота и дальнейшим образованием азотной кислоты и ее нейтрализацией [описание изобретения к патенту РФ № 2280815 от 26.04.2004, МПК F24D 3/00, опубл. 27.07.2006]. В результате реализации способа увеличивается экологическая и экономическая эффективность автономного теплоснабжения за счет очистки дымовых газов от вредных примесей и их утилизации.

Недостатком способа является его сложность и необходимость использования при его реализации дорогостоящих коррозионностойких материалов и специального химического оборудования. На примере работы мини-котельной представляется спорной целесообразность утилизации дымовых газов за счет усложнения процесса отопления и горячего водоснабжения.

Способ работы котла для отопления и горячего водоснабжения также можно проследить на примере работы известного водогрейного котла, производство которого освоено в 2009 году [см. ранее упомянутое описание полезной модели к патенту РФ № 88113]. В частности, работа котла включает подачу воздуха в топочную камеру, нагрев теплоносителя продуктами сгорания газа в теплообменнике контура отопления, отвод продуктов сгорания через патрубок удаления, подачу теплоносителя в буферную емкость, оснащенную теплообменником контура горячего водоснабжения, и далее - в подающий трубопровод системы отопления, поступление остывшей воды в обратный трубопровод и оттуда - в теплообменник контура отопления. Способ отличается простотой и надежностью.

К недостаткам способа работы котла следует отнести высокую инертность процессов, которая связана с повышенной металлоемкостью. Это делает сложным повышение температуры отходящих газов и увеличение КПД оборудования. Устранение этого недостатка требует применения дорогостоящего аппаратного обеспечения и сложной системы управления.

Задача, решаемая четвертым изобретением группы, и достигаемый технический результат заключаются в дальнейшей оптимизации работы водогрейных котлов, улучшении их эксплуатационных и массовых характеристик, обеспечивающих повышения температуры отходящих газов и увеличение КПД или сохранения его на требуемом нормами государственных стандартов уровне, а также повышение надежности работы и упрощение обслуживания.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в известном способе работы котла для отопления и/или горячего водоснабжения, включающем подачу воздуха в камеру сгорания, нагрев теплоносителя продуктами сгорания газа в теплообменнике контура отопления, отвод продуктов сгорания через патрубок удаления, подачу теплоносителя в буферную емкость, оснащенную теплообменником контура горячего водоснабжения, и далее в подающий трубопровод системы отопления, поступление остывшей воды в обратный трубопровод и оттуда - в теплообменник контура отопления, подачу воздуха в камеру сгорания совмещают с его подачей в герметичный корпус котла и подогревом за счет отвода части тепла с патрубка удаления продуктов сгорания и наружной поверхности теплообменника контура отопления, а отвод продуктов сгорания осуществляют одновременно с эжекцией подогретого воздуха из герметичного корпуса.

Кроме этого:

- процессы теплопередачи и теплоотвода осуществляют с использованием теплообменника контура отопления, конструктивные элементы которого выполнены из меди или сплава на основе меди;

- объем буферной емкости выбирают в пределах 0,2-0,4 литра на 1 кВт мощности котла;

- поступление остывшей воды в обратный трубопровод осуществляют принудительно.

Изобретения иллюстрируются чертежами, где:

- на фиг.1 схематично показана конструкция котла для отопления и/или горячего водоснабжения;

- на фиг.2 схематично показан вид А фиг.1 - конструктивное исполнение двухуровневой трубной доски теплообменника в развернутом виде;

- на фиг.3 показано сечение Б-Б фиг.1 - конструкция буферной емкости котла.

Котел для отопления и/или горячего водоснабжения содержит расширительный бачок 1 и герметичный корпус 2, в котором размещены топочная камера 3 с газовой горелкой 4, теплообменник 5 контура отопления с дымовой коробкой 6, буферная емкость 7 с теплообменником 8 контура горячего водоснабжения, патрубок 9 подачи воздуха в топку к газовой горелке 4 и патрубок 10 удаления продуктов сгорания, расположенные в верхней части котла, патрубки 11 подвода и 12 отвода теплоносителя, в качестве которого, как правило, выступает специально подготовленная вода, и патрубки подвода 13 и отвода 14 воды, и систему управления, включающую блок 15 автоматического управления газовой горелкой 4, автоматический клапан 16 воздуховыпуска, датчик 17 опрокидывания тяги, датчик 18 протока среды, установленный на патрубке 11 подвода теплоносителя, предохранительный клапан 19, установленный на дополнительном патрубке 20, соединяющем буферную емкость 7 с патрубком 11 подвода теплоносителя, и датчик 21 контроля температуры теплоносителя, установленный на патрубке подвода теплоносителя в месте его соединения с теплообменником контура отопления и связанный с блоком автоматического управления газовой горелкой. Теплообменник 5 контура отопления включает призматический корпус 22 с открытой нижней частью, образующей топочную камеру 3, трубной доской 23 в верхней части и змеевиком 24 на наружной поверхности, дымовая коробка 6 в месте ее соединения с патрубком 10 удаления продуктов сгорания снабжена каналом 25, соединенным с внутренней полостью 26 герметичного корпуса 2, а буферная емкость 7 связана с патрубком 12 отвода теплоносителя и включает призматический корпус 27 с расположенным внутри него теплообменником 8 контура горячего водоснабжения и собственными патрубками подвода 28 и отвода 29 теплоносителя и подвода 13 и отвода 14 воды, при этом буферная емкость 7 вынесена за пределы расположения теплообменника 5 контура отопления, размещена в нижней части герметичного корпуса 2 и посредством дополнительного патрубка 20 через кран 30 переключения в режим «отопление + горячее водоснабжение/только горячее водоснабжение» соединена с патрубком 11 подвода теплоносителя, на котором после его соединения с дополнительным патрубком 20 буферной емкости 7 установлен насос 31.

Для улучшения показателей работы котла теплообменник 5 контура отопления выполнен из меди или сплава на основе меди, а объем буферной емкости 7 выполнен в пределах 0,2-0,4 литра на 1 кВт мощности котла.

Особенностями теплообменника 5 контура отопления котла является то, что он как самостоятельное изделие включает призматический корпус 22 с открытой нижней частью, трубной доской 23 в верхней части, змеевиком 24 на наружной поверхности и патрубками подвода 11 и отвода 12 теплоносителя, при этом трубная доска 23 включает два уровня - 32 и 33 оребренных трубок 34 и 35, причем шаг оребрения верхнего уровня 32 относится к шагу оребрения нижнего уровня 33 как 1:(1,75-2,25), патрубок 11 подвода теплоносителя установлен на входе 36 в змеевик 24, а патрубок 12 отвода теплоносителя установлен на выходе 37 с трубной доски 23 верхнего уровня 32. В таком виде теплообменник 5 может быть изготовлен из меди или сплава на основе меди.

Особенностями буферной емкости 7 котла является то, что она как самостоятельное изделие включает призматический корпус 27 с расположенным внутри него теплообменником 8 контура горячего водоснабжения, выполненным в виде змеевика (та же поз.8), и патрубки подвода 28 и отвода 29 теплоносителя и подвода 13 и отвода 14 воды, внутри корпуса 27 установлен стакан 38, открытая часть которого расположена со стороны патрубка 29 отвода теплоносителя, а дно 39 - со стороны патрубка 28 подвода теплоносителя, змеевик 8 расположен в зазоре 40 между внутренними стенками корпуса 27 и наружными стенками стакана 38, при этом в дне 39 стакана 37 выполнены каналы 41, общая площадь которых не превышает площадь внутреннего сечения патрубка 28 подвода теплоносителя. При проектировании буферной емкости следует исходить из того, что объем призматического корпуса 27 должен составлять 0,2-0,4 литра на 1 кВт мощности котла.

С учетом конструктивных особенностей котла для отопления и/или горячего водоснабжения, способ его работы будет включать подачу воздуха в топочную камеру 3, нагрев теплоносителя продуктами сгорания газа в теплообменнике 5 контура отопления, отвод продуктов сгорания через патрубок 10 удаления, подачу теплоносителя в буферную емкость 7, оснащенную теплообменником 8 контура горячего водоснабжения, и далее через патрубок 29 отвода теплоносителя в подающий трубопровод системы отопления (условно не показана), поступление остывшей воды в патрубок 11 обратного трубопровода и оттуда - в теплообменник 5 контура отопления, при этом подачу воздуха в топочную камеру 3 совмещают с его подачей в герметичный корпус 2 котла и подогревом за счет отвода части тепла с патрубка 10 удаления продуктов сгорания, элементом которого является дымовая коробка 6, и наружной поверхности теплообменника 5 контура отопления, а отвод продуктов сгорания осуществляют одновременно с эжекцией ранее подогретого воздуха из герметичного корпуса 2 через канал 25 дымовой коробки 6.

При реализации способа процессы теплопередачи и теплоотвода также осуществляют с использованием теплообменника 5 контура отопления, конструктивные элементы которого выполнены из меди или сплава на основе меди, объем буферной емкости выбирают в пределах 0,2-0,4 литра на 1 кВт мощности котла, а поступление остывшей воды в обратный трубопровод осуществляют принудительно при помощи насоса 31.

Проанализируем существенность признаков изобретений.

Серьезнейшей проблемой при создании малогабаритных котлов для отопления и горячего водоснабжения малой и средней мощности является отпотевание стенок теплообменников и образование конденсата на стенках дымовых труб, включая места их соединения с патрубками отвода дымовых газов. Учитывая сложный состав дымовых газов при их соединении с водой, образуются соединения, вызывающие активную коррозию металлоконструкций. Традиционно эта проблема решалась применением специальных дорогостоящих материалов или увеличением толщины стенок соответствующих деталей котлов, в результате чего масса котлов непропорционально увеличивалась. В этом был свой положительный результат, поскольку одновременно с массой увеличивалась теплоемкость конструкции - она дольше сохраняла тепло и за счет тепловой инерции была способна сглаживать, например, кратковременные сбои в работе топочной камеры. Однако эта инерционность при оперативном отслеживании режимов работы оборудования требовала использования сложной, преимущественно электронной системы управления. Кроме этого, в небольшом помещении, где традиционно используются или должны использоваться котлы малой и средней мощности, сложно установить габаритный металлоемкий котел, тем более разместить его на стене. Использование тонкостенных элементов в конструкции котла в сочетании с его микропроцессорным управлением позволяет решить проблему снижения массогабаритных характеристик и оперативного отслеживания различных режимов работы оборудования, но не решает проблему образования конденсата. Более того, в двухконтурных котлах она усугубляется. Государственные стандарты регламентируют температуру отходящих дымовых газов не ниже 116°С, хотя опыт показывает, что для российских зим эта температура должна быть 130-150°С. Однако указанная температура существенно снижает КПД котла от рекомендуемого - 91%. Одновременно попытка увеличения КПД ведет к падению температуры отходящих газов ниже установленных 116°С.

Настоящие изобретения решают вышеописанное техническое противоречие. Смысл решений заключается в создании теплообменника 5 контура отопления, который максимально утилизирует тепло отходящих дымовых газов за счет объединения топочной камеры 3 с трубной доской 23 в едином призматическом корпусе 22, который в своей нижней части - на уровне топочной камеры 3, но с наружной стороны - оснащен змеевиком 24. Это позволяет, используя тонкостенные детали теплообменника и трубки малого диаметра, например, выполненные из меди, потенциально утилизировать большую часть тепла отходящих дымовых газов и передать часть тепла во внутреннюю полость 26 герметичного корпуса 2 за счет теплопередачи, конвективного теплообмена и теплообмена излучением. Свежий воздух, зайдя во внутреннюю полость 26 герметичного корпуса 2, выступая в качестве теплоизолятора между теплообменником 5 и стенками корпуса 2, нагревается, отбирая избыток тепла, и поступает в топочную камеру 3 подготовленным, т.е. не охлаждающим образующиеся топочные газы. В результате горения происходят процессы образования топочных газов, которые, поднимаясь вверх, передают тепло стенкам теплообменника 5, при этом его установленные в трубной доске 23 трубки, тем более оребренные, выступают в роли механических сопротивлений, тормозящих скорость газов.

Дополнительные возможности появляются у котла в случае, если трубная доска 23 будет включать два уровня - 32 и 33 оребренных трубок 34 и 35, причем шаг оребрения верхнего уровня 32 будет относиться к шагу оребрения нижнего уровня 33 как 1:(1,75-2,25). Более частое оребрение трубок верхнего уровня 32 будет обеспечивать последовательный отбор тепла дымовых газов и последовательное (плавное) уменьшение сечения газовых каналов удаления продуктов сгорания, что характерно для прогнозируемого режима работы теплообменника 5.

В случае, если соотношение шага оребрения трубок 34 верхнего уровня 32 к трубкам 35 нижнего уровня 33 будет выражаться по нижнему пределу, это приведет к увеличению КПД значительно большему, чем 91%, за счет утилизации максимального количества тепла продуктов сгорания, но при этом снизится температура отходящих дымовых газов, что приведет к образованию коррозионно-активного конденсата.

В случае, если соотношение шага оребрения трубок 34 верхнего уровня 32 к трубкам 35 нижнего уровня 33 будет выражаться по верхнему пределу, это может привести к тому, что нижний уровень 33 будет недогружен, а верхний уровень 32 не будет справляться с отбором тепла. Это приведет к снижению КПД котла.

За счет естественной тяги регулируется скорость подачи нагретого воздуха в топочную камеру 3. Избыток нагретого воздуха с небольшим количеством свежего воздуха за счет эжекции через канал 25 уходит наружу, смешиваясь с отходящими топочными газами существенно не охлаждая при этом их. В результате всех перечисленных процессов происходит естественная оптимизация работы котла - в топочную камеру 3 подается ровно столько подогретого воздуха, сколько требуется для поддержания процесса горения природного газа, поскольку избыток подогретого воздуха уходит в дымовую трубу через канал 25, а недостаток компенсируется за счет уменьшения тяги и, соответственно, эжекции. Избыточный поток свежего воздуха, который может поступить в результате, например, наддува сильного ветра, будет самортизирован объемом внутренней полости 26 герметичного корпуса 2, и гашение газовой горелки 4 не произойдет.

Наличие буферной емкости 7 заданного объема позволяет обеспечить безаварийную работу теплообменника 5 и котла в целом при использовании простейших, но и наиболее надежных датчиков, например датчика 21 контроля температуры воды, который, например, в случае эксплуатации котла в режиме «только горячее водоснабжение» (ограниченный объем оборотного теплоносителя и резкая смена режимов теплоотвода) успевает передать команду на блок автоматического управления газовой горелкой 4 до того, как произойдет перегрев теплообменника, соответствующий, например, температуре 95°C и выше. Благодаря этому на внутренних стенках трубок 24, 34 и 35 не будет образовываться накипь, даже при использовании в системе отопления жесткого теплоносителя. Что касается объема буферной емкости 7, то ее малый объем (менее 0,2 литра на 1 кВт мощности котла) не успеет обеспечить время срабатывания датчика 21 контроля температуры теплоносителя, а большой объем (более 0,4 литра на 1 кВт мощности) приведет к необоснованному увеличению массогабаритных характеристик котла.

Отнесение буферной емкости 7 на периферию герметичного корпуса 2, в его нижнюю часть позволяет избежать ее дополнительного неконтролируемого нагрева, иного, кроме нагрева теплоносителем на выходе из теплообменника 5 контура отопления.

Проблемой горячего водоснабжения в двухконтурных котлах является ограниченная температура подогрева воды в контуре горячего водоснабжения, зависящая от ее расхода и времени года. Например, в зимнее время потребуется горячая вода для ванны. Большой расход воды, проходящей через теплообменник горячего водоснабжения, потребует большой поверхности теплопередачи, а также его размещения внутри теплообменника отопления. Это приведет к непропорциональному увеличению габаритов котла. В противном случае вода нагреется ниже требуемой температуры, а система отопления недополучит необходимое количество тепла.

В настоящем котле змеевик теплообменника 8 горячего водоснабжения размещен в буферной емкости 7 и занимает ее максимально возможное пространство - всю периферию относительно оси потока теплоносителя. Однако благодаря «сердечнику» в виде стакана 38 поток теплоносителя в случае больших расходов воды охлаждается и закупоривает внутреннюю полость стакана 38, ограничивая свое течение через каналы 41 и начинает интенсивно двигаться в зазоре 40 между внутренними стенками корпуса 27 и наружными стенками стакана 38. Происходит интенсивный отбор тепла у теплоносителя. Для системы автоматики это означает увеличение подачи газа на горелку 4.

Массогабаритные характеристики котла позволяют использовать его как в напольном варианте эксплуатации, так и в настенном.

Перечисленные совокупности существенных признаков технических решений котла для отопления и/или горячего водоснабжения, его теплообменника и буферной емкости, а также реализуемый ими способ работы котла не позволили выявить решения, в том числе тождественные, обеспечивающие тот же самый технический результат, что позволило сделать вывод о соответствии заявленных решений условиям охраноспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Рассмотрим работу котла на наиболее характерных примерах.

Пример 1. Работа котла в режиме отопления и горячего водоснабжения.

Котел устанавливается на полу в отведенном месте или крепится на стену, подключается патрубком 9 к воздуховоду, если используется закрытая схема работы котла, патрубком 10 - к каналу отвода продуктов сгорания, патрубками 11 и 12 - к системе отопления, патрубками 13 и 14 - к водопроводу, патрубком 42 - к магистрали природного газа и насосом 31 - к электросети. В отопительную систему заливают теплоноситель. Клапан 16 воздуховыпуска автоматически освобождает теплообменник 5 контура отопления от находящегося там воздуха. Проверяют подключения - их качество и герметичность. На блоке 5 автоматического управления газовой горелкой 4 устанавливают необходимую температуру теплоносителя. Кран 30 переключения устанавливают в режим «отопление + горячее водоснабжение», включают насос 31. Далее включают подачу газа и зажигают запальник, пламя с которого воспламеняет горелку 4. В топочной камере 3 образуются высокотемпературные дымовые газы, отдающие тепло через стенки и трубки теплообменника 5 теплоносителю. Далее охлажденные дымовые газы с температурой примерно 135°C поднимаются в дымовую коробку 6, поступают в патрубок 10 удаления продуктов сгорания и уходят наружу, засасывая при этом часть подогретого воздуха из внутренней полости 26 герметичного корпуса 2. Засасываемый воздух не позволяет нагреваться датчику 17 опрокидывания тяги, но одновременно и не охлаждает продукты сгорания до температуры, способствующей образованию конденсата. Нагретый теплоноситель, проходя через буферную емкость 7, поступает в систему отопления, отдает тепло и возвращается в теплообменник 5. Как только температура теплоносителя достигнет установленного уровня, датчик 21 контроля его температуры дает команду на отключение горелки 4, запальник при этом продолжает гореть, расходуя минимальное количество природного газа для поддержания собственного горения. Как только температура теплоносителя понизится ниже установленного предела, датчик 21 дает команду на подачу газа в горелку 4. Пламя запальника передается на горелку 4, воспламеняя природный газ. Таким образом, происходит автоматическое поддержание заданной температуры теплоносителя в системе отопления.

При отборе горячей воды теплообменник 8 контура горячего водоснабжения, находящийся в буферной емкости 7, начинает интенсивно отбирать тепло у теплоносителя. Датчик 21 фиксирует понижение температуры и дает команду на увеличение расхода газа. Полученного тепла будет достаточно, чтобы обеспечить заданную температуру в системе отопления и обеспечить нужную температуру горячей воды. Как только забор горячей воды прекратится, датчик 21 дает команду на отключение горелки 4 и т.д.

Как видно из описания, все управление работой котла сводится к отслеживанию заданной температуры теплоносителя достаточно простым и очень надежным датчиком 2 ее контроля.

Далее рассмотрим потенциально возможные варианты работы котла.

В случае отключения электричества насос 31 перестает работать, датчик 18 протока среды дает команду на отключение газовой горелки 4. По прошествии небольшого промежутка времени термопара горелки 4 отключает запальник. Для включения котла надо повторить предыдущие операции, начиная с включения подачи газа и т.д.

В случае возникновения непредвиденной обратной тяги, особенно актуальной при использовании открытой схемы работы котла, происходит выгорание воздуха из внутренней полости 26 герметичного корпуса 2 без отвода дымовых газов наружу. Дымовые газы нагревают датчик 17 опрокидывания тяги, и он дает команду на отключение газовой горелки 4 и т.д.

В случае перегрева теплоносителя датчик 21 контроля его температуры дает команду на выключение горелки 4. Если перегрев произошел из-за выхода датчика 21 из строя, то отсутствие обратной связи также отключает горелку 4.

В случае повышения давления теплоносителя в системе отопления срабатывает предохранительный клапан 19, «лишний» теплоноситель автоматически сливается из системы, и котел может продолжать дальнейшую работу.

Пример 2. Работа котла в режиме только горячего водоснабжения.

В данном режиме, характерном для летнего периода времени, проводят, при необходимости, все те же мероприятия, что и описанные в Примере 1, за исключением того, что кран 30 переключения устанавливают в режим «горячее водоснабжение», следствием чего будет образование «малого» контура движения теплоносителя с наименьшим сопротивлением среды, исключающем сопротивление в системе отопления.

В исходном состоянии котла горит только запальник газовой горелки 4 с ее периодическим включением, необходимым для поддержания заданной температуры в «малом» контуре, который находится в своеобразном термостате - герметичном корпусе 2.

Как только включают отбор горячей воды, происходит падение температуры теплоносителя, и сразу же от работающего запальника включается газовая горелка 4.

По истечении времени отбор горячей воды прекращается, датчик 21 не успевает мгновенно отреагировать на отключение горелки 4, которая продолжает работать в штатном режиме и греть теплоноситель. В этот момент, для исключения перегрева теплоносителя, задействуется его весь находящийся в буферной емкости объем. Циркуляции этого объема достаточно для того, чтобы обладающий инерцией срабатывания датчик 21 контроля температуры послал сигнал на блок 15 автоматического управления газовой горелкой 4 для ее отключения.

Как видно из описания данного режима работы котла, все управление его работой также сводится к отслеживанию заданной температуры теплоносителя датчиком 21 ее контроля.

Пример 3. Работа котла только в режиме отопления.

В данном режиме, характерном для не оборудованных водопроводом жилых помещений, котел работает в последовательности, аналогичной описанной в Примере 1, за исключением использования контура горячего водоснабжения, который глушится специальными пробками.

В результате использования изобретений были созданы новые теплообменник котла, его специальная буферная емкость и спроектирован котел для отопления и/или горячего водоснабжения, реализующий новый способ его работы. В итоге расширилась номенклатура теплотехнических изделий с улучшенными эксплуатационными и весовыми характеристиками, надежных в работе и простых в обслуживании, появилась возможность повышения температуры отходящих газов и увеличения КПД или сохранения его на уровне требуемого 91%, а также повысилась надежность работы котла и упростилось его обслуживание.