Контактный водонагреватель

 

Изобретение относится к области теплоэнергетики и, в частности, к конструкциям водонагревателей с непосредственным контактом дымовых газов, полученных при сжигании газообразного топлива, и нагреваемой воды. Задача настоящего изобретения состоит в упрощении конструкции контактного водонагревателя. Техническим результатом является снижение габаритов аппарата и его металлоемкости, увеличение интенсивности и надежности его работы, упрощение технологии изготовления. Указанный технический результат достигают за счет того, что в контактном водонагревателе, включающем корпус с контактной камерой, сборником нагретой воды в нижней части и жаровой трубой, выполненной из двух соединённых по торцам кольцевыми вставками соосных корпусу обечаек, нижний торец жаровой трубы снабжен конфузором, непосредственно под ним размещены распылители воды, а между обечайками установлена винтовая перегородка или размещены плоские вертикальные пластины, соединенные с верхней и нижней кольцевыми вставками с образованием зигзагообразного канала для прохода воды. 1 ил.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и, в частности, к конструкциям водонагревателей с непосредственным контактом дымовых газов, полученных при сжигании газообразного топлива, и нагреваемой воды.

Известен контактный водонагреватель, содержащий корпус, в нижней части которого размещена топка с огнеупорной футеровкой, где и происходит процесс сжигания природного газа, а следовательно, образования дымовых газов. В контактной камере происходит активное взаимодействие дымовых газов и воды, в ходе которого вода нагревается вплоть до температуры мокрого термометра при выполнении соответствующих балансовых соотношений. Топка встроена в нижнюю часть корпуса таким образом, что в кольцевом пространстве между стенкой корпуса и топкой, представляющим собой сборник нагретой воды, проходит дополнительное увеличение ее температуры, которая в итоге процесса превышает температуру мокрого термометра. Контактная камера отделена от топки надтопочным диском, который предотвращает попадание воды в топку и направляет ее в кольцевое пространство (см., например, Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. М.: Стройиздат, 1974, с.6-8). Основные недостатки подобного контактного водонагревателя состоят в сложности конструкции, тяжелых условиях работы топки и повышенных габаритах аппарата.

Известен контактный водонагреватель, в котором за счет формирования нижней части корпуса из металлических обечаек улучшены условия нагрева воды (см., например, Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. М.: Стройиздат, 1974, с.9). Основные недостатки такого контактного водонагревателя состоят в ненадежности работы топки из-за высокой температуры газов, практической невозможности предотвратить нежелательное воздействие факела на стенки топки и в повышенной металлоемкости. Габариты аппарата также не удовлетворительны.

Известен контактный водонагреватель, включающий те же основные узлы: корпус с контактной камерой и сборником воды в его нижней части, надтопочный диск и топку из металлических обечаек, но дополнительно имеющий размещенный непосредственно в топке распылитель воды, что позволяет уменьшить высоту контактной камеры (см., например, патент РФ RU 2134845 С1, заявлено 17.04.98 г., опубликовано 20.08.99 г., бюл. №23). Основные недостатки водонагревателя данного типа сохраняются.

Известен контактный водонагреватель с вынесенной водоохлаждаемой топкой, в которой проходит начальное охлаждение дымовых газов (см., например, Друскин Л.И. Эффективное использование природного газа в промышленных установках. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1992, с.115-117). Недостатки подобного аппарата также состоят в сложности конструкции и технологии изготовления, недостаточной эффективности и повышенных габаритах.

Наиболее близок к настоящему техническому решению контактный водонагреватель, включающий вертикально расположенную по центру корпуса жаровую трубу (топку), причем жаровая труба окружена водяной рубашкой, образованной с помощью дополнительной кольцевой обечайки (см., авторское свидетельство СССР №787812, опубликовано - 15.12.80, бюл. №46). Установка жаровой трубы непосредственно в корпусе аппарата позволяет реализовать достаточно компактную конструкцию. Габариты аппарата (особенно его высоты) неудовлетворительны. Контактный водонагреватель подобного типа отличается недостаточной интенсивностью проходящих тепло- и массообменных процессов и связанную с этим практическую неизбежность вскипания воды в водяной рубашке.

Задача настоящего изобретения состоит в интенсификации проходящих в контактном водонагревателе тепло- и массообменных процессов.

Техническим результатом является снижение габаритов аппарата и его металлоемкости, увеличение надежности его работы, исключение возможности вскипания воды в водяной рубашке.

Указанный технический результат достигают за счет того, что в контактном водонагревателе, включающем корпус с контактной камерой, сборник нагретой воды в нижней части и жаровую трубу, выполненную из двух соединенных по торцам кольцевыми вставками соосных корпусу обечаек, нижний торец жаровой трубы снабжен конфузором, непосредственно под ним размещены распылители воды, а между обечайками установлена винтовая перегородка или размещены плоские вертикальные пластины, соединенные с верхней и нижней кольцевыми вставками с образованием зигзагообразного канала для прохода воды.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.

Высокотемпературный газ, получаемый в топке водонагревателя, способен активно испарять жидкость, и тем более, если последняя приводится в контакт с газом в виде мелких капель. Контакт воды и горячих газов в контактной камере на нижних слоях насадки обычно имеет следствием повышение температуры воды до температуры, превышающей точку росы дымовых газов. При этом, однако, температура воды остается ниже температуры мокрого термометра, являющейся предельной для нагрева воды газами данного начального влагосодержания и температуры. При испарении воды в газ происходит увеличение его влагосодержания до состояния, характеризуемого вторичной точкой росы, после достижения которой происходит только конденсация паров из газа. Состояние газа, близкое к вторичной точке росы, может быть достигнуто при подаче в горячий газ соответствующего количества воды, претерпевающей полное испарение (очевидно, что данное количество воды значительно ниже нагреваемого в аппарате). Очевидна целесообразность проведения процесса полного испарения воды до контактной камеры, а точнее в зоне под жаровой трубой. В этом случае необходимая поверхность контакта в контактной камере определяется лишь процессом конденсации, а следовательно, представляет собой величину, значительно меньшую, чем в случае, когда определенная поверхность насадки потребна и для проведения процесса испарения. Уменьшение высоты насадки (в случае применения насадочной контактной камеры) характеризует увеличение интенсивности контактного водонагревателя в целом. Именно для проведения активного контакта воды в мелкодисперсном виде и дымовых газов служат устанавливаемые под жаровой трубой распылители воды.

Испарение воды перед контактной камерой проходит более интенсивно при увеличении скорости истечения газа из жаровой трубы. Уменьшение собственно диаметра жаровой трубы неприемлемо, т.к. за допустимые пределы выходит тепловое напряжение. Увеличение скорости дымовых газов целесообразно провести за счет установки конфузора на выходе жаровой трубы.

В настоящее время широко применяются различные типы контактных камер: форсуночные, каскадные и в основном насадочные (см., например, Соснин Ю.П. Контактные водонагреватели. М.: Стройиздат, 1974, стр.55-77; Друскин Л.И. Эффективное использование природного газа в промышленных установках. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1992, с.113-114). В зоне собственно контактной камеры вода может быть нагрета при выполнении балансовых соотношений, как указывалось выше, только до температуры мокрого термометра. Поскольку целесообразно получение и использование воды с более высокой конечной температурой, последнее может быть достигнуто за счет нагревания воды в рубашке жаровой трубы. При рассмотрении теплового и материального баланса водонагревателя установлено, что в водяной рубашке температура стенки со стороны дымовых газов такова, что неизбежно возникает вскипание воды на поверхности жаровой трубы. Снизить температуру стенки возможно лишь за счет увеличения скорости воды в зоне водяной рубашки (кольцевого канала). Скорость воды в кольцевом канале может быть повышена, например, за счет размещения в нем специальной винтообразной перегородки. Перегородки также могут быть выполнены также в виде вертикально устанавливаемых плоских пластин, соединенных с верхней и нижней кольцевой перегородкой кольцевого канала таким образом, что между вертикальными перегородками образуется зигзагообразный канал для прохода воды.

Конструкция контактного водонагревателя по настоящему изобретению приведена на чертеже.

Контактный водонагреватель содержит корпус 1 с крышкой 2, контактной камерой 3 и сборником нагретой воды 4. По центру корпуса 1 в нем размещена жаровая труба 5. Жаровая труба 5 выполнена из двух соосных обечаек 6 и 7, соединенных по торцам кольцевыми перегородками 8 и 9.

Жаровая труба снабжена штуцерами 10 и 11 соответственно для подвода и отвода воды. Между обечайками 6 и 7 в данном случае установлены две вертикальные перегородки 12 и 13, причем обе перегородки имеют длину, меньшую, нежели длина обечаек, и соединены с верхней кольцевой перегородкой 8. При этом между обечайками 6 и 7 образован зигзагообразный канал для прохода воды с нисходящей 14 и восходящей 15 ветвью. В верхней части жаровая труба 5 соединена с крышкой 2 корпуса 1. Нижний торец жаровой трубы 5 соединен с корпусом 1 с помощью опорной решетки 16, на которой размещена насадка 17 (например, кольца Рашига.). На линии оборотной воды внутри корпуса 1 установлен распределитель 18. Сборник нагретой воды 4 снабжен штуцером 19, соединенным со всасывающей линией насоса 20. Нагнетающая линия насоса 20 соединена со штуцером для подвода воды 10. Верхний торец жаровой трубы 5 снабжен газогорелочным устройством 21 (с соответствующими элементами: регулятор давления, измеритель расхода природного газа и т.д.). Сборник 4 имеет соответствующие устройства для поддержания и регулирования уровня воды (не показаны). При большом потреблении горячей воды потребителем с ее выводом из оборота насадка 17 может быть выполнена из двух ярусов с орошением верхнего яруса холодной свежей водой. Жаровая труба 5 в нижней части снабжена конфузором 22. Непосредственно под конфузором 22 установлен распылитель воды 23, соединенный с нагнетательной линией насоса 20. Таким образом, в данном варианте распылитель 23 и штуцер 10 размещены параллельно по ходу воды.

Контактный водонагреватель, соответствующий чертежу и настоящему изобретению, работает следующим образом.

Природный газ подают в газогорелочное устройство 21 (в данном случае использовано газогорелочное устройство с принудительной подачей воздуха). Сжигание природного газа происходит при определенном коэффициенте избытка воздуха. Дымовые газы поступают в жаровую трубу 5 (аналогично работе широко известных жаротрубных котлов). Из жаровой трубы 5 горячие дымовые газы выходят в нижнюю часть корпуса 1 через конфузор 22, контактируют при повышенной скорости с каплями воды, образовавшимися при работе распылителя 23, вода в который поступает из напорной линии насоса 20, и с поверхностью воды в сборнике нагретой воды 4, отдавая воде теплоту и насыщаясь ее парами. По сути, первичный контакт дымовых газов и воды проходит под конфузором 22, вторичный - при контакте дымовых газов с поверхностью воды в сборнике 4. Далее дымовые газы разворачиваются и, пройдя опорную решетку 16, поступают в зону насадки 17 контактной камеры 3. Насадка 17 орошается оборотной водой с добавлением свежей воды для восполнения потерь с парами, выносимыми дымовыми газами в атмосферу. Равномерное распределение воды по насадке осуществляют с помощью распределителя 18. На насадке 17 проходит последующий активный контакт между водой и дымовыми газами, в ходе которого вода нагревается, а дымовой газ насыщается парами воды, и далее, продолжая охлаждаться, переходит вторичную точку росы. После этого проходит процесс конденсации паров воды с передачей теплоты нагреваемой воде. Стекающая в сборник 4 вода может быть предельно нагрета до температуры мокрого термометра, а газы на выходе из насадки предельно охлаждены до температуры поступающей на насадку воды. Собственно жаровая труба 5 изготовлена из двух соосных обечаек 6 и 7. Обечайки соединены в зоне верхнего и нижнего торца с помощью кольцевых перегородок 8 и 9. Внешняя обечайка 6 соединена с крышкой 2 корпуса 1 и с корпусом 1 с помощью опорной решетки 16. В зазоре между обечайками 6 и 7 установлены в данном варианте две плоские вертикальные перегородки 12 и 13, соединенные с кольцевой перегородкой 8. В верхней части жаровой трубы 5 расположены штуцера 10 и 11 соответственно для подвода и отвода воды. Нагретая вода из сборника 4, снабженного штуцером 19 для вывода воды, поступает во всасывающую линию насоса 20, напорная линия которого соединена со штуцером 10 и с распылителем 23. Вода после штуцера 10 проходит далее в зигзагообразный канал, двигаясь вниз по нисходящей ветви 14, и далее вверх по восходящей ветви 15. Тем самым в данном случае скорость воды увеличена в два раза по сравнению со случаем отсутствия вертикальных перегородок 12 и 13. Увеличение скорости воды позволяет реализовать интенсивный дополнительный нагрев воды без ее вскипания на теплообменной поверхности обечайки 7. Это в свою очередь способствует увеличению надежности работы аппарата за счет снижения угрозы зарастания зигзагообразного канала солями жесткости. Через штуцер 11 дополнительно нагретая вода с температурой, превышающей температуру мокрого термометра при необходимости, поступает потребителю. От потребителя охлажденная вода поступает обратно в распределитель 18 и далее на насадку 17.

В контактном водонагревателе по настоящему изобретению:

предусмотрена возможность увеличения скорости воды, омывающей жаровую трубу, что позволяет предотвратить режим кипения воды и образование накипи,

предусмотрено несколько ступеней контакта воды и дымовых газов, контакт дымовых газов с каплями воды из распылителя способствует снижению высоты аппарата,

повышена интенсивность контакта с каплями воды из распылителя за счет увеличения скорости газа, благодаря оснащению жаровой трубы конфузором.

Таким образом, за счет отличительных признаков в значительной мере интенсифицирована работа аппарата и повышена его надежность.

Формула изобретения

Контактный водонагреватель, включающий корпус с контактной камерой, сборником нагретой воды в нижней части и жаровой трубой, выполненной из двух соединенных по торцам кольцевыми вставками соосных корпусу обечаек, отличающийся тем, что нижний торец жаровой трубы снабжен конфузором, непосредственно под ним размещены распылители воды, а между обечайками установлена винтовая перегородка или размещены плоские вертикальные пластины, соединенные с верхней и нижней кольцевыми вставками с образованием зигзагообразного канала для прохода воды.

РИСУНКИРисунок 1