Устройство для нагрева жидкости

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАГРЕВА ЖИДКОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Лапцевич Павел Степанович Курочкина Мария Федоровна Жданок Виталий Александрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для нагрева жидкости, содержащее корпус, заполненный жидкостью, в котором расположены теплообменные каналы для прохода теплоотдающей среды, с присоединенными к корпусу патрубками для ввода и вывода жидкости, инфракрасный излучатель с системой поджига и газовоздушный смеситель, отличающееся тем, что инфракрасный излучатель расположен в полости, омываемой со всех сторон жидкостью, с горизонтально установленными в ней друг над другом металлическими сетками, разделяющими полость на верхнюю часть, где помещена система поджига, и нижнюю часть,связанную с газовоздушным смесителем, причем полость с инфракрасным излучателем разделяет также корпус устройства на две части, выполненные разъемными, нижняя из которых соединена дополнительно введенными каналами с газовоздушным смесителем, а верхняя - с теплообменными каналами. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что верхняя часть корпуса снабжена окном для системы поджига газовой смеси и наблюдения за инфракрасным излучателем. 45162008.08.30 3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что газовоздушный смеситель выполнен в виде инжектора, связанного с камерой смешения и диффузором. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что верхняя сетка инфракрасного излучателя выполнена с более крупными ячейками, чем нижняя.(56) 1. Аппарат отопительный газовый бытовой с водяным контуром АОГВ-11,6-3. Руководство по эксплуатации. - Ростов-на Дону, 1996. 2. Котел отопительный водогрейный типа КОВ - С Сигнал. Паспорт и руководство по эксплуатации, 2000. 3. Патент 2084762, МПК 23 14/12, 1997. 4. Патент 10211489, МПК 24 8/00, 2002 (прототип). Предлагаемое устройство относится к области создания теплообменных аппаратов для нагрева жидкости путем прямого сжигания газообразного топлива и может найти применение в системах отопления, промышленных и бытовых приборах преимущественно для нагрева воды. Известен отопительный бытовой газовый аппарат с водяным контуром, выпускаемый в России 1, а также котел отопительный водогрейный 2. Они имеют заполненную водой емкость, через которую проходят газоходы для транспортирования продуктов сгорания газа и передачи тепла от продуктов сгорания к воде. Под емкостью установлена атмосферная газопламенная горелка. Недостатком таких котлов является высокое содержание в продуктах сгорания окислов азота вследствие их образования при высокой температуре в зоне сгорания газа. Кроме того, котлы имеют низкий коэффициент полезного действия, поскольку лишь небольшая доля тепла от продуктов сгорания газа к воде передается наиболее совершенным лучистым способом. Снизить образование окислов азота и увеличить долю передаваемого потребителю тепла в виде лучистой энергии позволяет использование в подогревателях газовых горелок инфракрасного излучения. Известна газовая горелка инфракрасного излучения для нагрева жидкости 3, используемая в системах отопления и характеризующаяся низким содержанием окиси углерода в продуктах сгорания. Горелка инфракрасного излучения состоит из корпуса, в котором расположен инжектор с соплом и смесительной трубкой, а отражатель, выполненный в виде пластины с полкой, установлен на определенном расстоянии от смесительной трубки. Рефлектор инфракрасного излучения (инфракрасный излучатель) имеет трапецеидальную форму сечения и содержит излучающую керамическую насадку с плоскими входной и излучающей поверхностями и сетку. Излучающая керамическая насадка выполнена с равномерно распределенными по ее поверхности отверстиями квадратного профиля. Размещение отражателя на определенном расстоянии от выхода инжектора позволяет организовать равномерное горение по всей рабочей поверхности горелки и снизить содержание окиси углерода и окислов азота в продуктах сгорания. Существенными недостатками устройства с керамическим инфракрасным излучателем являются разрушение излучателя при попадании на раскаленную керамику водяного конденсата, который может образовываться при запуске,низкая стойкость керамики к механическим и тепловым ударам,небольшой диапазон регулирования по мощности,большое гидравлическое сопротивление. Ближайшим техническим решением (прототип) является компактный отопительный котел по патенту Германии 4. Рассматриваемое устройство для нагрева жидкости содержит корпус, через который проходит теплоотдающая среда, в котором змеевики для перемещения этой среды (жидкости) соединены с патрубками для ввода и вывода жидкости. На боковой стенке котла установлена газовая горелка, которая включает в себя вентилятор принудительной подачи воздуха, газовоздушный смеситель и инфракрасный излуча 2 45162008.08.30 тель, состоящий их перфорированного металлического листа и металлической сетки. Продукты сгорания газа отдают тепло жидкости при омывании ими поверхности теплообмена, выполненной из легированной стали, внутри которой жидкость движется при помощи насоса. Далее продукты сгорания газа собираются в газоходе и выводятся из котла. Недостатками такой конструкции являются необходимость изготовления корпуса горелки из дорогостоящей легированной стали,так как достаточно большая доля лучистой энергии от металлического излучателя направлена в сторону корпуса и это тепло от корпуса не отводится высокое гидравлическое сопротивление инфракрасного излучателя ввиду малого живого сечения перфорированной сетки, вследствие чего для подачи воздуха на горение необходима установка вентилятора сложная конструкция теплообменных поверхностей из легированной стали для передачи тепла от продуктов сгорания газа к жидкости, вследствие чего необходима обязательная установка циркуляционного насоса для перемещения подогреваемой воды сложность конструкции и применение специальных материалов и устройств существенно увеличивают стоимость котла. Задачей предлагаемого технического решения является упрощение конструкции, повышение коэффициента полезного действия, удешевление и простота изготовления. Задача решается следующим образом. Известное устройство для нагрева жидкости содержит корпус, заполненный жидкостью, в котором расположены теплообменные каналы для прохода теплоотдающей среды,с присоединенными к корпусу патрубками для ввода и вывода жидкости, инфракрасный излучатель с системой поджига и газовоздушный смеситель. Согласно предлагаемому техническому решению, инфракрасный излучатель установлен в полости, омываемой со всех сторон жидкостью, с горизонтально установленными в ней друг над другом металлическими сетками, разделяющими полость на верхнюю часть, где помещена система поджига, и нижнюю часть, связанную с газовоздушным смесителем, причем полость с инфракрасным излучателем разделяет сам корпус устройства также на две части, выполненные разъемными, нижняя из которых соединена дополнительно введенными каналами с газовоздушным смесителем, а верхняя - с теплообменными каналами для выхода продуктов сгорания газа и передачи тепла жидкости. Кроме того, верхняя часть корпуса снабжена окном для системы поджига газовой смеси и наблюдения за инфракрасным излучателем, газовоздушный смеситель выполнен в виде инжектора, связанного с камерой смешения и диффузором. Верхняя сетка инфракрасного излучателя выполнена с более крупными ячейками, чем нижняя. Таким образом, предлагаемая конструкция значительно упрощена и позволяет уменьшить образование оксидов азота при сжигании газа, повышает коэффициент полезного действия и позволяет значительно снизить ее стоимость. На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устройства. На фиг. 2 показано сечение с расположением каналов выхода продуктов сгорания. Устройство включает корпус 1, представляющий собой металлическую емкость, заполненную жидкостью, и снабженный патрубком 2 для входа и патрубком 3 для выхода жидкости. Внутри корпуса 1 помещен инфракрасный излучатель 7, расположенный в полости 4 с металлическими стенками, омываемыми со всех сторон жидкостью. На боковых стенках полости 4 имеются полки, на которых расположены плетеная нижняя сетка 5 с мелкими ячейками и верхняя сетка 6 с более крупными ячейками, изготовленные из жаростойкой металлической проволоки. Инфракрасный излучатель 7 разделяет полость 4 на нижнюю 8 и верхнюю 9 части. Для монтажа сеток 5 и 6 стенки нижней 8 и верхней 9 частей полости 4 герметично закреплены на соответственно нижнем 10 и верхнем 11 фланцах, которые образуют разъемное соединение. Этими же фланцами 10 и 11 корпус 1 разделяется на нижнюю 12 и верхнюю 13 части. При этом обе части 12, 13 корпуса 1 сообщаются между собой через отверстия 25 и 26 во фланцах 10, 11. Нижняя часть 8 полости 4 каналами 14 соединена с инжекционным газовоздушным смесителем 15, состоящим из газового сопла 16, инжектора 17, камеры смешения 18 и диффузора 19. Верхняя часть 9 полости 4 соединена с теплообменными каналами 20 для выхода продуктов сгорания газа,3 45162008.08.30 которые собираются в газосборнике 21 и удаляются из подогревателя через патрубок 22. Для установки системы 23 поджига газовоздушной смеси, а также датчиков автоматики безопасности горения (на чертеже не показаны) и наблюдения за инфракрасным излучателем 7 над верхней сеткой 6 излучателя в верхней части 13 корпуса 1 выполнено окно 24. Предлагаемое устройство работает следующим образом. Корпус 1 через патрубок 2 заполняется подогреваемой жидкостью, например водой. Газ по одной или нескольким параллельным линиям из сопла 16 поступает в газовоздушный смеситель 15 и подается в инжектор 17, где инжектирует весь необходимый для сжигания воздух. Газ и воздух перемешиваются в камере смешения 18, в диффузоре 19 динамический напор газовой струи преобразуется в статическое давление газовоздушной смеси, которая через каналы 14 подается в нижнюю часть 8 полости 4. Разделяясь на множество мелких струй при фильтрации через сетку 5 после поджига от системы 23, газовоздушная смесь сгорает в виде микрофакелов в промежутке между нижней 5 и верхней 6 сетками. За счет теплообмена между сетками и микрофакелами сетки 5 и 6 раскаляются и становятся излучателем 7 инфракрасного излучения, которое распространяется большей частью вверх и меньшей частью вниз от излучателя 7, за работой которого можно наблюдать с помощью окна 24. Это излучение воспринимается жидкостью, находящейся в верхней 13 и нижней 12 частях корпуса 1, сообщающихся с помощью отверстий 25 и 26, расположенных во фланцах 10 и 11, благодаря чему осуществляется ее частичный нагрев. При этом омываемые жидкостью ограничивающие стенки полости 4 не нагреваются до высокой температуры и поэтому могут быть изготовлены из обычной углеродистой стали. Тепло, отбираемое сетками 5 и 6 из зоны горения газа, позволяет снизить температуру в этой зоне и за счет этого существенно снизить образование оксидов азота. Основная доля тепла подогреваемой жидкости передается через стенки теплообменных каналов 20, по которым транспортируются продукты сгорания газа, а затем удаляются из устройства через газосборник 21 и патрубок 22. Благодаря тому что плетеные сетки излучателя горелки и весь тракт перемещения продуктов сгорания имеют небольшое гидравлическое сопротивление, для его преодоления достаточно энергии струи газообразного топлива, вытекающего из газового сопла 16, и не требуется дополнительного вентилятора для подачи воздуха на горение. Гидравлическое сопротивление водяного тракта в устройстве также невелико, и нагретая жидкость за счет разности плотностей поднимается вверх и вытекает через патрубок 3, а на ее место поступает холодная жидкость через патрубок 2. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение коэффициента полезного действия за счет более эффективного распределения лучистой энергии и уменьшения образования окислов азота при сжигании газа, устройство значительно упрощено,так как не требует установки специального циркуляционного насоса для перемещения жидкости, не требует применения дорогих легированных сталей, что позволяет значительно снизить его стоимость. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4