RU2464501C1

RU2464501C1 - Heat recovery unit for autonomous air heating and hot water supply during burning of natural gas

Info

Publication number: RU2464501C1
Application number: RU2011110213/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Капишников (RU); Александр Петрович Капишников
Original assignee: Александр Петрович Капишников
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-10-20
Also published as: RU2011110213A

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: heat recovery unit is proposed, which comprising a furnace chamber with screen surfaces of heating, which by means of a smoke exhaust is hydraulically connected with a water heater and a convective air heater. As a result of welding with perpendicularly arranged frontal and rear support boards with a gas partition, a screen water cavity, inside of which there is a furnace chamber and a gas burner, and with water pipes, there is a frame formed, to water tubes of which there are air heat exchange elements welded, forming between each other channels of combustion products for opposite circular heat exchange of combustion products with air and water, besides, the inlet water nozzle is serially connected by means of water tubes via the rear and screen cavities with an outlet water nozzle, besides, water motion along water tubes is also arranged oppositely to the combustion products.

EFFECT: device with reduced weight and dimension indices and to increase its efficiency factor.

6 dwg

Description

Теплоутилизатор для автономного воздушного отопления и горячего водоснабжения относится к комбинированным нагревателям текучих сред для извлечения скрытой теплоты парообразования водяных паров из отходящих газов. Компоновка теплоутилизатора объединяет функции каркаса, тепловой изоляции от тепловых потерь в окружающую среду и теплообменных поверхностей между рабочими средами.A heat recovery unit for autonomous air heating and hot water supply refers to combined fluid heaters for extracting the latent heat of vaporization of water vapor from the exhaust gases. The layout of the heat exchanger combines the functions of the frame, thermal insulation from heat loss to the environment and heat transfer surfaces between the working media.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является принципиальная схема парогенератора, приведенная на рис.1-3 [1]. Топливо сгорает в топочной камере, в которой отдает свое тепло экранным поверхностям нагрева. По ходу движения продуктов сгорания размещены водяной экономайзер, воздухоподогреватель, которыми передается теплота двум теплоносителям - воде и воздуху. Нагнетание воздуха осуществляется вентилятором, а удаление продуктов сгорания дымососом.The closest analogue to the claimed invention is a circuit diagram of a steam generator, shown in Fig.1-3 [1]. Fuel burns in the combustion chamber, in which it gives its heat to the screen heating surfaces. In the direction of the combustion products, there is a water economizer, an air heater, which transfers heat to two heat carriers - water and air. Air is pumped by a fan, and the combustion products are removed by a smoke exhaust.

Тепловая эффективность рассмотренного теплового источника на 20-30% меньше, чем для теплового источника, работающего в конденсационном режиме. Под конденсационным режимом понимается охлаждение продуктов сгорания ниже температуры точки росы. В этом случае происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания. Дополнительная теплота конденсации водяных паров и конвективная теплота охлаждения отходящих газов сводит потери с уходящими газами к нулю. Таким образом, при переводе расчета теплового баланса по высшей теплотворной способности топлива кпд теплового источника приближается к 100%.The thermal efficiency of the considered heat source is 20-30% less than for a heat source operating in the condensation mode. Under the condensation mode refers to the cooling of combustion products below the dew point temperature. In this case, condensation of water vapor from the combustion products occurs. The additional heat of condensation of water vapor and the convective heat of cooling of the exhaust gases reduces the losses with the exhaust gases to zero. Thus, when translating the calculation of the heat balance by the higher calorific value of the fuel, the efficiency of the heat source approaches 100%.

Конструктивно котельный агрегат состоит из каркаса, к которому крепятся теплообменные поверхности и тепловая обмуровка. Такое компоновочное решение связано с повышенными массогабаритными показателями относительно варианта, который совмещает каркасные, обмуровочные и теплообменные элементы.Structurally, the boiler unit consists of a frame to which heat-exchange surfaces and thermal lining are attached. This layout solution is associated with increased weight and size indicators relative to the option that combines frame, lining and heat exchange elements.

Теплоутилизатор является вариантом реализации компоновочного решения автономного отопления и горячего водоснабжения, при котором совмещаются функции несущего каркаса, тепловой изоляции и теплообменных поверхностей между рабочими средами. При этом имеет место снижение массогабаритных показателей. Теплоутилизатор работает в конденсационном режиме.A heat recovery unit is an implementation option for a stand-alone solution of autonomous heating and hot water supply, in which the functions of the supporting frame, thermal insulation and heat exchange surfaces between the working media are combined. At the same time, there is a decrease in overall dimensions. The heat exchanger operates in condensation mode.

Данное конструктивное решение достигается следующим образом.This constructive solution is achieved as follows.

В теплоутилизаторе, включающем топочную камеру с экранными поверхностями нагрева, которая посредством дымососа гидравлически связана с водонагревателем и конвективным воздухоподогревателем, в результате сварки перпендикулярно расположенными фронтальной и тыльной опорными плитами с газовой перегородкой, экранной водяной полостью, внутри которой размещены топочная камера и газовая горелка, и с водяными трубками образован каркас, к водяным трубкам которого приварены воздушные теплообменные элементы, имеющие входные и выходные отверстия, образующие между собой каналы продуктов сгорания для встречного кругового теплообмена продуктов сгорания с воздухом и водой, кроме того, входной водяной патрубок последовательно соединен посредством водяных трубок через тыльную и экранную полости с выходным водяным патрубком, причем движение воды по водяным трубкам осуществлено также навстречу продуктам сгорания.In a heat exchanger comprising a combustion chamber with screened heating surfaces, which is hydraulically connected by means of a smoke exhauster to a water heater and a convective air heater, as a result of welding the front and rear support plates with a gas partition perpendicular to the screen, a water cavity inside which a combustion chamber and a gas burner are located, and a frame is formed with water pipes, air heat-exchange elements having inlet and outlet openings are welded to the water tubes of which they form the channels of the combustion products for counter circular heat exchange of the combustion products with air and water, in addition, the inlet water pipe is connected in series through the water pipes through the back and screen cavities with the outlet water pipe, and the water moves through the water pipes towards the products combustion.

Основой каркаса являются фронтальная и тыльная опорные плиты, перпендикулярно которым устанавливают экранную и тыльную водяные полости, вертикальную газовую перегородку, а также водяные трубки. Они обвариваются, обеспечивая тем самым жесткость конструкции, которая способна противостоять температурному перепаду между топкой и патрубком охлажденных продуктов сгорания. Во внутреннем объеме экранной водяной полости размещена топочная камера с газовой горелкой. Воздушные теплообменные элементы, которые устанавливаются на определенном расстоянии между собой, имеют входные и выходные отверстия. Воздушные теплообменные элементы обвариваются в местах сопряжения с водяными трубками. В пространстве между ними находятся каналы продуктов сгорания. В воздушном теплообменном элементе и в канале продуктов сгорания осуществляется встречное круговое движение воздуха и продуктов сгорания. Для удаления конденсата водяных паров, выделяющегося из продуктов сгорания, в нижней части тыльной трубной доски устанавливается конденсатоотводная трубка.The frame is based on the front and back base plates, perpendicular to which the screen and back water cavities, the vertical gas partition, and also the water tubes are installed. They are scalded, thereby ensuring rigidity of the structure, which is able to withstand the temperature difference between the furnace and the pipe of the cooled combustion products. In the internal volume of the screen water cavity there is a combustion chamber with a gas burner. Air heat exchange elements that are installed at a certain distance between each other have inlet and outlet openings. Air heat exchange elements are scalded at the interface with the water pipes. In the space between them are the channels of the combustion products. In the air heat exchange element and in the channel of the combustion products, counter-circular motion of air and combustion products is carried out. To remove condensate of water vapor released from the combustion products, a condensate drain pipe is installed in the lower part of the rear tube board.

Поступление воды в теплоутилизатор осуществляется через входной водяной патрубок. Вода течет по водяным трубкам, которые окружают топочную камеру, и одновременно совершает круговое встречное движение относительно траектории движения продуктов сгорания. Из последней водяной трубки вода последовательно поступает в тыльную и экранную полости. Откуда она по выходному патрубку направляется потребителю. С внешней стороны герметичность теплоутилизатора достигается внешним ограждением.The flow of water into the heat exchanger is carried out through the inlet water pipe. Water flows through the water tubes that surround the combustion chamber, and at the same time makes a circular oncoming motion relative to the path of combustion products. From the last water tube, water sequentially enters the back and screen cavities. Where does it go to the consumer at the outlet. From the outside, the tightness of the heat exchanger is achieved by an external fence.

Конструкция теплоутилизатора представлена на фиг.1-6, где 1 - газовая горелка, 2 - топочная камера, 3 - монтажная плита горелки, 4, 20 - экранная и тыльная водяные полости, 5 - выходной водяной патрубок, 6 - вертикальная газовая перегородка, 7 - дымосос, 8 - вентилятор, 9, 10 - патрубки горячего и холодного воздуха, 11 - патрубок охлажденных продуктов сгорания, 12 - конденсатоотводная трубка, 13 - воздушный теплообменный элемент, 14 - канал продуктов сгорания, 15, 24 - входные водяные патрубки, 16, 17 - фронтальная и тыльная опорные плиты, 18, 19 - входное и выходное отверстия воздушного теплообменного элемента, 21 - водяная трубка, 22 - внешнее ограждение, 23 - экранная перегородка.The heat exchanger design is shown in FIGS. 1-6, where 1 is a gas burner, 2 is a combustion chamber, 3 is a burner mounting plate, 4, 20 is a screen and rear water cavities, 5 is an outlet water pipe, 6 is a vertical gas partition, 7 - smoke exhaust, 8 - fan, 9, 10 - pipes for hot and cold air, 11 - pipe for cooled products of combustion, 12 - condensate pipe, 13 - air heat exchange element, 14 - channel of products of combustion, 15, 24 - inlet water pipes, 16 , 17 - front and back base plates, 18, 19 - inlet and outlet openings air heat exchange element 21 - water pipe, 22 - outer rail 23 - screen partition.

Перпендикулярно фронтальной 16 и тыльной 17 опорным плитам размещают экранную водяную полость 4, вертикальную газовую перегородку 6 и водяные трубки 21. После сварки они образуют достаточно жесткий каркас, который допускает длительную работу при температурах продуктов сгорания от 1000°C в топочной камере 2 и до 20°C на выходе из патрубка охлажденных продуктов сгорания.A screen water cavity 4, a vertical gas partition 6, and water tubes 21 are placed perpendicularly to the front 16 and rear 17 support plates. After welding, they form a fairly rigid frame that allows continuous operation at temperatures of combustion products from 1000 ° C in the combustion chamber 2 and up to 20 ° C at the outlet of the chilled combustion products pipe.

Воздушный теплообменный элемент 13 представляет собой замкнутый кольцевой канал, который имеет входное 18 и выходное 19 отверстия. Они на определенном расстоянии нанизываются на водяные трубы 21, а места сопряжения водяных труб 21 и воздушного теплообменного элемента 13 обвариваются. Входные 18 и выходные 19 отверстия всех воздушных элементов 13 изолируют от потока продуктов сгорания и объединяют патрубками холодного 9 и горячего 10 воздуха. Таким образом, в патрубке 9 с входными отверстиями 18 происходит разделение воздушного потока, а после выходных отверстий 19 в патрубке 10 деление воздушного потока.The air heat exchange element 13 is a closed annular channel that has an inlet 18 and an outlet 19. They are strung at a certain distance on the water pipes 21, and the interface between the water pipes 21 and the air heat exchange element 13 are scalded. The inlet 18 and outlet 19 openings of all air elements 13 are isolated from the flow of combustion products and combined with cold 9 and hot 10 air nozzles. Thus, in the pipe 9 with the inlet 18 there is a separation of the air flow, and after the outlet 19 in the pipe 10 the division of the air flow.

Продукты сгорания после топочной камеры 2 равномерно распределяются по каналам продуктов сгорания 14. В патрубке 11 они сливаются и удаляются в атмосферу.The combustion products after the combustion chamber 2 are evenly distributed along the channels of the combustion products 14. In the pipe 11 they merge and are discharged into the atmosphere.

Нагрев воды осуществляется в водяных трубах 21, тыльной 20 и экранной 4 полостях. Тыльная полость размещена в торце топочной камеры 2. Она не допускает повышение температуры внешней поверхности теплоутилизатора выше 60°C.Water is heated in water pipes 21, rear 20 and screen 4 cavities. The back cavity is located at the end of the combustion chamber 2. It does not allow the temperature of the outer surface of the heat exchanger to rise above 60 ° C.

Экранная полость 4 образует топочную камеру 2. Она внутри разделена перегородками 23, которые переменно направляют водяной поток от тыльной трубной доски 17 до фронтальной 19 и обратно. При этом поток огибает по периметру топочную камеру 2 и по выходному патрубку 5 направляется потребителю.The screen cavity 4 forms a combustion chamber 2. It is internally divided by partitions 23, which alternately direct the water flow from the back tube plate 17 to the front 19 and vice versa. At the same time, the flow goes around the perimeter of the combustion chamber 2 and is directed to the consumer along the outlet pipe 5.

Конструктивные размеры теплоутилизатора, например теплообменная поверхность для воздушного и водяного теплоносителей, определяются по результатам теплового расчета. Сечения потоков воздуха, продуктов сгорания, воды находят из аэродинамического расчета конструкции. Расчеты проводятся для следующих режимов работы теплоутилизатора: нагрев только воздуха или воды и совместный нагрев теплоносителей. Обязательным условием работы теплоутилизатора на всех режимах является охлаждение продуктов сгорания ниже температуры точки росы.The structural dimensions of the heat exchanger, for example, a heat exchange surface for air and water coolants, are determined by the results of thermal calculation. The cross sections of air flows, combustion products, water are found from the aerodynamic design calculation. Calculations are carried out for the following modes of operation of the heat exchanger: heating only air or water and joint heating of coolants. A prerequisite for the operation of the heat exchanger in all modes is the cooling of the combustion products below the dew point temperature.

Работа теплоутилизатора протекает следующим образом. Продукты сгорания, которые образуются при сжигании природного газа в газовой горелке 1, из топочной камеры 2 распределяются по каналам продуктов сгорания 14. Они отдают теплоту воздуху и воде. Продукты сгорания и воздух движутся противотоком по кругу. При снижении температуры продуктов сгорания ниже температуры точки росы из них конденсируются водяные пары. Это происходит в виду того, что температура наружного воздуха в зимний и летний периоды ниже температуры точки росы. Конденсат отводится через конденсатоотводную трубку 12, а дымосос 7 удаляет по патрубку 11 продукты сгорания в атмосферу. При сильных холодах возникает опасность оледенения выходной части патрубка 11 совместно с примыкающими каналами продуктов сгорания 14 и водяными трубками 21. Чтобы этого не произошло, наружный воздух контактирует с горячей вертикальной газовой перегородкой 6. Он может также перемешиваться с теплым воздухом, который подается на рециркуляцию (не показано). Данные мероприятия не допускают оледенения выпускного патрубка 11. Воздух нагнетается вентилятором 8 через патрубок 10 в воздушные теплообменные элементы 13. Он подогревается до температуры 50-60°C и направляется через патрубок 9 потребителю. Вода нагревается при движении по водяному тракту, отмеченному на фиг.1, 5 и 6, до температуры 50-70°С. Теплоутилизатор может нагревать воду и воздух как одновременно, так и раздельно.The operation of the heat exchanger proceeds as follows. The products of combustion, which are formed during the combustion of natural gas in a gas burner 1, from the combustion chamber 2 are distributed along the channels of the products of combustion 14. They give off heat to air and water. Combustion products and air move countercurrent in a circle. When the temperature of the combustion products decreases below the dew point temperature, water vapor condenses from them. This is due to the fact that the outdoor temperature in winter and summer is lower than the dew point temperature. Condensate is discharged through the condensate drain pipe 12, and the exhaust fan 7 removes combustion products through the pipe 11 to the atmosphere. In severe cold weather, there is a danger of freezing of the outlet part of the pipe 11 together with the adjacent channels of the combustion products 14 and water pipes 21. To prevent this, the outside air is in contact with the hot vertical gas partition 6. It can also be mixed with warm air that is supplied to recirculation ( not shown). These measures do not allow freezing of the exhaust pipe 11. Air is forced by the fan 8 through the pipe 10 into the air heat exchange elements 13. It is heated to a temperature of 50-60 ° C and is sent through the pipe 9 to the consumer. Water is heated when moving along the water path, marked in figures 1, 5 and 6, to a temperature of 50-70 ° C. The heat exchanger can heat water and air both simultaneously and separately.

Теплоутилизатор для автономного воздушного отопления и горячего водоснабжения обладает следующими преимуществами:The heat exchanger for autonomous air heating and hot water supply has the following advantages:

1. Более низкие массогабаритные показатели относительно водотрубных котлов;1. Lower overall dimensions relative to water tube boilers;

2. Коэффициент полезного действия теплового источника, работающего в конденсационном режиме, близок к 100% относительно высшей теплотворной способности топлива;2. The efficiency of a heat source operating in condensation mode is close to 100% relative to the higher calorific value of the fuel;

3. Отсутствуют потери теплоты во внешнюю среду от теплоутилизатора до обогреваемого помещения, так как все коммуникации расположены внутри жилого дома;3. There is no loss of heat to the environment from the heat exchanger to the heated room, since all communications are located inside the residential building;

4. Отпадает необходимость в тепловых сетях, тепловых пунктах, системе радиаторного отопления;4. There is no need for heating networks, heating points, radiator heating system;

5. Существенно снижается себестоимость 1 Гкал/ч отпущенной теплоты.5. Significantly reduced the cost of 1 Gcal / h of released heat.

ЛитератураLiterature

1. М.А.Стырикович, К.Я.Катковская, Е.П.Серов. Парогенератоы электростанций. «Энергия», М., Л., 1966 г., с.384.1. M.A. Styrykovich, K.Ya. Katkovskaya, E.P. Serov. Steam power plants. "Energy", M., L., 1966, p. 384.

Claims

Теплоутилизатор для автономного воздушного отопления и горячего водоснабжения при сжигании природного газа, включающий топочную камеру с экранными поверхностями нагрева, которая посредством дымососа гидравлически связана с водонагревателем и конвективным воздухоподогревателем, отличающийся тем, что в результате сварки перпендикулярно расположенными фронтальной и тыльной опорными плитами с газовой перегородкой, экранной водяной полостью, внутри которой размещены топочная камера и газовая горелка, и с водяными трубками образован каркас, к водяным трубкам которого приварены воздушные теплообменные элементы, имеющие входные и выходные отверстия, образующие между собой каналы продуктов сгорания для встречного кругового теплообмена продуктов сгорания с воздухом и водой, кроме того, входной водяной патрубок последовательно соединен посредством водяных трубок через тыльную и экранную полости с выходным водяным патрубком, причем движение воды по водяным трубкам осуществлено также навстречу продуктам сгорания. Heat exchanger for autonomous air heating and hot water supply when burning natural gas, including a combustion chamber with screen heating surfaces, which is hydraulically connected via a smoke exhaust fan to a water heater and convective air heater, characterized in that, as a result of welding, the front and rear support plates with a gas partition are perpendicular a screen water cavity, inside which a combustion chamber and a gas burner are placed, and with water pipes is formed to an arc to which water heat exchanging elements are welded to the water tubes, having inlet and outlet openings forming channels of combustion products for counter circular heat exchange of the combustion products with air and water, in addition, the inlet water pipe is connected in series through water pipes through the back and screen cavities with an outlet water pipe, and the movement of water through the water pipes is also carried out towards the products of combustion.