Котел

Реферат: Котел має топку з пальником, камеру горіння топки, яка поєднана з газоходом, а частина стінки газоходу має зону передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини, де з внутрішньою поверхнею стінки контактують ці газоподібні продукти згоряння, а із зовнішньою поверхнею стінки контактує рідина. Тобто, вказана частина стінки газоходу, що утворює зону передачі тепла, розділяє канал для проходу потоку газоподібних продуктів згоряння та оперізуючий канал для проходу рідини, що нагрівають. У вищевказаній зоні передачі тепла газоходу встановлені щонайменше два екрани розподілу, що розташовані співвісно газоходу і мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газоходу та утворюють щілиноподібні отвори уздовж внутрішньої поверхні газоходу. При цьому площа отворів, утворених екранами розподілу, не менше площі вихідного отвору газоходу, розташованого після останнього у напрямку потоку продуктів згоряння екрана розподілу. UA 111609 U (54) КОТЕЛ UA 111609 U UA 111609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Технічне рішення заявленої конструкції котла належить до галузі теплоенергетики, зокрема до засобів теплообміну між газоподібними продуктами згоряння та рідинами, що нагрівають, через стінку, що відділяє ці теплоносії. Заявлене технічне рішення може бути використаним в нагрівальних пристроях, що застосовується в системах опалення побутових, господарських, промислових та інших приміщень, а також для нагрівання води у системі гарячого водопостачання. З рівня техніки відомий принцип побудови теплообмінних апаратів за так званим принципом "труба в трубі", який, зокрема, розкритий в ДСТУ EN 247:2003. Вказаний принцип передбачає таку конструкцію теплообмінних апаратів, в яких теплообмін здійснюється між двома теплоносіями, фізично відділеними один від одного стінкою. При цьому обидва теплоносії течуть у паралельних напрямках, один теплоносій тече по внутрішньому каналу, утвореному однією трубою, а другий - в оперізуючому каналі, утвореному другою трубою, розташованою співвісно навколо першої труби. Зазначений принцип теплообміну застосовується, зокрема, у головних теплообмінних частинах твердопаливних котлів та додаткових пристроях цих котлів, таких як рекуператори чи економайзери. Такі пристрої здійснюють передачу тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини, де потік газоподібних продуктів згоряння переміщується через центральний канал та через стінку передає тепло рідині, що переміщується у зовнішньому, розташованому навколо, оперізуючому каналі. Так, відоме застосування вищеописаного принципу, наприклад, в конструкції твердопаливного котла "Теплотрон "Міні" (http://teplotron.su/production/5/19/), схема якого передбачає утворення "сорочки" з рідинним теплоносієм навколо зони горіння палива та газоходу. Це рішення є малоефективним, враховуючи малу поверхню контакту теплоносіїв, яка розташована в основному навколо зони горіння та розташування твердого палива. Також відоме технічне рішення конструкції котла, яке розкрите в описі водогрійного котла до винаходу за авторським свідоцтвом СРСР № 365533 (МПК: F24H01/24, опубл. 08.01.1973). Відповідно до вказаного опису, котел має стінку, яка відділяє зону горіння твердого палива та газохід від водяного каналу, що охоплює зазначені зони і виконаний як "водяна сорочка". Значною частиною загальної поверхні стінки, через яку здійснюється передача тепла, є саме газохід. Саме теплообмінна частина вказаного котла, яка включає газохід, цілком відтворює вищенаведену схему та реалізує принцип теплообмінника "труба в трубі". У даному випадку газохід, в який спрямовують газоподібні продукти згорянні, та розташований навколо оперізуючий канал, в який спрямовують рідину, що нагрівають, є співвісними та мають круглий поперечний переріз. Описане рішення є дуже простим і достатньо ефективним. Однак, воно має суттєвий недолік. Зрозуміло, що процес отримання нагрітої рідини або пари повинен мати відповідну продуктивність. Для забезпечення необхідної продуктивності, вищевказана стінка, через яку здійснюється передача тепла, а точніше - зона контакту теплоносіїв, повинна мати певну площу. Збільшення продуктивності отримання підігрітої рідини або пари, зокрема може бути здійснене за рахунок зміни конструкції теплообмінної частини, яка передбачає збільшення поверхні контакту газоподібних продуктів згоряння та рідини. Таке збільшення поверхні контакту може бути здійснено за рахунок збільшення довжини відповідних каналів або збільшення площі поперечних перерізів цих каналів, що в багатьох випадках є неприйнятним. Відомо, що передача тепла конвекцією полягає в переносі тепла шляхом переміщення самих частинок газоподібних продуктів згоряння, причому вона супроводжується теплопровідністю, тобто переданням тепла від одної частинки до іншої. При збільшенні площі вищевказаних поперечних перерізів каналів, збільшується поперечний переріз потоку газоподібних продуктів згоряння та, відповідно, збільшується відстань між частинками, що переносять тепло та розташовані у центральній частині потоку, та стінкою, через яку здійснюється передача тепла до рідини. Таким чином ефективність теплопередачі знижується, частина тепла просто втрачається разом з частинками газоподібних продуктів згоряння, що викидаються через димохід. Враховуючи зазначене, існує нагальна потреба у підвищенні ефективності передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння через стінку до рідини без зміни поперечного перерізу теплообмінної стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. Задачею корисної моделі, що заявляється, є створення конструкції котла для одержання пари або нагрівання рідини, в якому здійснюється передача тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з більш високою ефективністю передачі тепла без зміни поперечного перерізу теплообмінної стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, 1 UA 111609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. При цьому під котлом розуміється пристрій, в якому для одержання пари або нагрівання рідини під тиском понад атмосферний, що споживаються поза межами цього пристрою, використовується теплота, що виділяється при спалюванні органічного палива. А як рідина, що нагрівається, або з якої отримується пара, розглядається не тільки вода, а й інші рідинні теплоносії. Як найбільш близький аналог рішення, що заявляється, вибране рішення конструкції котла, що розкрите у вищенаведеному описі до винаходу за авторським свідоцтвом СРСР № 365533. Спільними ознаками заявленого рішення конструкції котла та найближчого аналога є наступні ознаки: - наявність топки з пальником, камери горіння топки, яка поєднана з газоходом; - наявність у частині стінки газоходу зони передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини, де з внутрішньою поверхнею стінки контактують ці газоподібні продукти згоряння, а із зовнішньою поверхнею стінки контактує рідина; - вказана частина стінки газоходу, що утворює зону передачі тепла, розділяє канал для проходу потоку газоподібних продуктів згоряння та оперізуючий канал для проходу рідини, що нагрівають. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що в котлі, який має топку з пальником, камеру горіння топки, яка поєднана з газоходом, а частина стінки газоходу має зону передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини, де з внутрішньою поверхнею стінки контактують ці газоподібні продукти згоряння, а із зовнішньою поверхнею стінки контактує рідина, тобто, вказана частина стінки газоходу, що утворює зону передачі тепла, розділяє канал для проходу потоку газоподібних продуктів згоряння та оперізуючий канал для проходу рідини, що нагрівають, відповідно до заявленого рішення, у вищевказаній зоні передачі тепла газоходу встановлені щонайменше два екрани розподілу. Ці екрани розподілу розташовані співвісно газоходу і мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газоходу та утворюють щілиноподібні отвори уздовж внутрішньої поверхні газоходу. При цьому, площа отворів, утворених екранами розподілу, не менше площі вихідного отвору газоходу, розташованого після останнього у напрямку потоку продуктів згоряння екрана розподілу. В окремих випадках виконання заявленого рішення конструкції котла, вищевказані екрани розподілу можуть бути виконані у вигляді пластин, що поєднані із внутрішньою поверхнею газоходу перемичками, а у вищезазначеній зоні передачі тепла газохід може мати круглий або прямокутний поперечний переріз. Крім того, в окремих випадках виконання, вищевказаний пальник може бути виконаний з пристроєм автоматичної подачі палива та повітря. Далі буде наведено причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак заявленого рішення конструкції котла та технічним результатом. Враховуючи те, що заявлене технічне рішення може бути модифіковане та мати альтернативні варіанти виконання, наведений далі опис приведено як приклад для характеристики його суті та можливості здійснення. Має бути очевидним, що наданий детальний опис не призначений для обмеження заявленого рішення наведеними окремими варіантами втілення, а навпаки, включає всі модифікації, еквіваленти та альтернативи, які підпадають під суть та обсяг патентної охорони, визначеної формулою заявленого рішення конструкції котла. Суть заявленого технічного рішення пояснюється кресленням, яке жодним чином не обмежує можливість реалізації заявленого рішення конструкції котла та ймовірні інші варіанти його втілення в межах розкритого у формулі технічного рішення. Наведене креслення пояснює суть реалізації рішення за допомогою умовного матеріального об'єкта, якому властиві включені до формули ознаки. Під котлом, у цьому описі та формулі заявленого технічного рішення, розуміється пристрій, в якому для одержання пари або нагрівання рідини під тиском понад атмосферний, що споживаються поза межами цього пристрою, використовується теплота, що виділяється при спалюванні органічного палива. В такому нагрівальному пристрої, як джерело теплової енергії, використовуються газоподібні продукти згоряння, а як рідина, що нагрівається або з якої отримується пара, розглядається не тільки вода, а й інші рідинні теплоносії. Заявлене рішення може бути застосоване у вищевказаних котлах, які в своїй конструкції містять топку з пальником, камеру горіння топки, яка поєднана з газоходом, зокрема, у твердопаливних котлах. Зазначеною топкою є пристрій котла, що призначений для спалювання, зокрема, органічного палива, часткового охолодження продуктів згоряння і видалення золи 2 UA 111609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 (ДСТУ 2369-94). Пальником є пристрій для вводу в топку котла палива та необхідного для його спалювання повітря (ГОСТ 23172-78), який за одним з варіантів втілення може бути виконаний з пристроєм автоматичної подачі палива та повітря. А камерою горіння топки є частина топки котла, в якій відбувається займання та горіння основної маси палива (ГОСТ 23172-78). На кресленні схематично зображені основні елементи конструкції котла в межах, достатніх для пояснення суті заявленого рішення та можливості його реалізації. При цьому такі елементи, як топка з пальником, камера горіння топки, які разом утворюють зону джерела потоку газоподібних продуктів згоряння, на кресленні не показані. На кресленні зображені наступні елементи: 1 - корпус; 2 - газохід; 3 - оперізуючий канал для проходу рідини; 4 - вхід газоходу; 5 - вихідний отвір газоходу; 6 - зовнішня стінка корпусу; 7 - стінка, яка розділяє газохід та оперізуючий канал для проходу рідини, що нагрівають; 8 - екран розподілу; 9 - щілиноподібний отвір, утворений між екраном розподілу та внутрішньою поверхнею газоходу; 10 - перемичка для утримання екрана розподілу; 11 - потік газоподібних продуктів згоряння; 12 - вихідний патрубок оперізуючого каналу; 13 - вхідний патрубок оперізуючого каналу; 14 - рідина. Як можна побачити з креслення, у конкретному варіанті втілення заявленого рішення, котел має корпус 1, який зазвичай повинен мати відповідний теплозахисний шар (на кресленні не зображений), що розташовується уздовж зовнішньої стінки 6 корпусу 1. Розташована у корпусі 1 стінка 7 газоходу 2 розділяє канал для проходу потоку 11 газоподібних продуктів згоряння та оперізуючий канал 3 для проходу рідини 14, завдяки чому реалізується вищеописаний принцип побудови теплообмінної частини "труба в трубі". У конкретному варіанті виконання зазначені газохід 2 та оперізуючий канал 3 для проходу рідини розташовані співвісно та мають подібні обриси поперечного перерізу, який може мати круглу або квадратну форму. Як вже було зазначено вище, камера горіння топки (на кресленні не зображено) поєднана з газоходом 2, який являє собою канал, що призначений для спрямування продуктів згоряння палива та розміщення поверхонь нагріву котла (ДСТУ 2369-94). Тобто, вхід 4 газоходу 2 є входом потоку 11 газоподібних продуктів згоряння від зони джерела цього потоку, утвореної вищезазначеними, але не показаними на кресленні, топкою з пальником та камерою горіння топки. А на протилежному кінці газоходу 2 розташований вихідний отвір 5 газоходу. У конкретному випадку виконання заявленого рішення, оперізуючий канал 3 для проходу рідини 14 має, розташований з боку входу 4 газоходу 2, вхідний патрубок 13 оперізуючого каналу 3. А з боку вихідного отвору 5 газоходу 2 розташований вихідний патрубок 12 оперізуючого каналу 3. При цьому згідно із запропонованим рішенням, всередині газоходу 2, розміщені щонайменше два екрани 8 розподілу, що розташовані співвісно газоходу 2. Екрани 8 розподілу розташовані у зоні передачі тепла від потоку 11 газоподібних продуктів згоряння до рідини 14, тобто, в межах розташування стінки 7. У більшості випадків виконання способу, коли довжина зони передачі тепла не дуже суттєво перевищує розмір поперечного перерізу газоходу 2, достатньо застосування лише двох екранів 8 розподілу. Екрани 8 розподілу мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газоходу 2. В результаті розташування екранів 8 розподілу, утворюються щілиноподібні отвори 9 уздовж внутрішньої поверхні газоходу 2. Екрани 8 розподілу можуть бути встановлені за рахунок кількох перемичок 10, які перетинають щілиноподібні отвори 9 та поєднують ці екрани із стінкою 7. Враховуючи те, що теплообмінна частина котла, яка розташована між джерелом потоку газоподібних продуктів згоряння та каналом димовидалення, не повинна утворювати перешкод потоку газоподібних продуктів згоряння, площа поперечного перерізу зони передачі тепла повинна бути не менше площі вихідного отвору з цієї зони передачі тепла. Тому площа щілиноподібних отворів 9, утворених екранами 8 розподілу повинна бути не менше площі вихідного отвору 5 газоходу 2, який розташований після останнього у напрямку потоку 11 газоподібних продуктів згоряння екрану 8 розподілу. 3 UA 111609 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Крім того, згідно із запропонованим рішенням конструкції котла, за одним з варіантів втілення, вищевказаний пальник може бути виконаний з пристроєм автоматичної подачі палива та повітря (на кресленні не показаний). Вищеописаний котел, в якому втілене заявлене технічне рішення, працює наступним чином. При згорянні вищевказаного палива, утворюється потік 11 газоподібних продуктів згоряння, який внаслідок тяги, що виникає в результаті різниці температур і тиску, потрапляє на вхід 4 газоходу 2. При цьому вказаний потік 11 зіштовхується з першим екраном 8 розподілу. Внаслідок зазначеної тяги, потік 11 газоподібних продуктів згоряння вимушено огинає перший екран 8 розподілу, проходить через щілиноподібний отвір 9 та змінює форму свого поперечного перерізу. В результаті такого перерозподілу потік 11 газоподібних продуктів згоряння притискається до стінки 7 та набуває трубоподібної форми у просторі до другого щілиноподібного отвору 9, утвореного між другим екраном 8 розподілу та стінкою 7. Така форма потоку 11 зберігається між першим та останнім у напрямку потоку газоподібних продуктів згоряння екранами 8 розподілу за рахунок зазначеної тяги. Таким чином утворюється тонкий шар газоподібних продуктів згоряння, що притиснутий до стінки 7, через яку відбувається теплообмін між теплоносіями. Далі потік 11 газоподібних продуктів згоряння, під дією тяги, потрапляє у вихідний отвір 5 газоходу 2 і може бути видалений через канал димовидалення. При цьому рідину 14 спрямовують у оперізуючий канал 3 через вхідний патрубок 13, а виходить ця рідина через вихідний патрубок 12. Спрямування потоку 11 газоподібних продуктів згоряння може здійснюватися природним шляхом, внаслідок горіння палива та природного руху вгору гарячих газоподібних продуктів згоряння цього палива, внаслідок вищевказаної тяги. Інтенсивність подачі потоку 11 газоподібних продуктів згоряння може збільшуватись внаслідок газового (повітряного) піддуву з боку зони горіння палива. Спрямування рідини 14 також може здійснюватися природним шляхом, тобто перетіканням внаслідок утвореного тиску в системі назовні, або ж за допомогою насосу. Товщина, теплопровідність і площа стінки 7 впливають на швидкість підігрівання рідини або пароутворення. В результаті описаного перерозподілу потоку 11 газоподібних продуктів згоряння, товщина шару цього потоку зменшується та, відповідно, зменшується відстань між частинками, що переносять тепло та розташовані на максимальному віддаленні від стінки 7, через яку здійснюється передача тепла до рідини. Таким чином ефективність теплопередачі збільшується, що зменшує втрати тепла разом з частками газоподібних продуктів згоряння, що викидаються через систему димовидалення. Як можна побачити, незалежно від розмірів екранів 8 розподілу та, відповідно, площі утворених щілиноподібних отворів 9, ефективність передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння через стінку до рідини збільшується. При цьому не вимагається зміна поперечного перерізу теплообмінної стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. Для фахівців в даній галузі техніки очевидні можливі подальші модифікації заявленого об'єкту, що охоплюється сутністю та межами заявленого об'єкту, як це розкрито у формулі. Заявлене рішення дозволяє створити конструкцію котла для одержання пари або нагрівання рідини, в якому здійснюється передача тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з більш високою ефективністю передачі тепла без зміни поперечного перерізу теплообмінної стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Котел, який має топку з пальником, камеру горіння топки, яка поєднана з газоходом, а частина стінки газоходу має зону передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини, де з внутрішньою поверхнею стінки контактують ці газоподібні продукти згоряння, а із зовнішньою поверхнею стінки контактує рідина, тобто, вказана частина стінки газоходу, що утворює зону передачі тепла, розділяє канал для проходу потоку газоподібних продуктів згоряння та оперізуючий канал для проходу рідини, що нагрівають, який відрізняється тим, що у вищевказаній зоні передачі тепла газоходу встановлені щонайменше два екрани розподілу, що розташовані співвісно газоходу і мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газоходу та утворюють щілиноподібні отвори уздовж внутрішньої поверхні газоходу, при цьому площа отворів, 4 UA 111609 U 5 утворених екранами розподілу, не менше площі вихідного отвору газоходу, розташованого після останнього у напрямку потоку продуктів згоряння екрана розподілу. 2. Котел за п. 1, який відрізняється тим, що вищевказані екрани розподілу виконані у вигляді пластин, що поєднані із внутрішньою поверхнею газоходу перемичками, а у вищезазначеній зоні передачі тепла газохід має круглий або прямокутний поперечний переріз. 3. Котел за п. 1, який відрізняється тим, що вищевказаний пальник виконаний з пристроєм автоматичної подачі палива та повітря. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5