CZ12088U1 - Kondenzační kotel - Google Patents

Description

Kondenzační kotel

Oblast techniky

Technické řešení se týká kotle s uzavřeným spalovacím prostorem a s malým vodním obsahem, který využívá kondenzace vody ve spalinách při minimálním přebytku spalovacího vzduchu, čímž je umožněno maximální využití latentního tepla spalin.

Popis dosavadního stavu techniky

Kondenzační kotle jsou vzhledem k principu své činnosti využívány zejména pro nízkoteplotní otopné soustavy. Různé konstrukce kondenzačních kotlů pracují tak,' aby přizpůsobily výkon kotle proměnlivým požadavkům odebíraného tepelného výkonu. Regulace výkonu se provádí regulací přívodu paliva, přívodu spalovacího vzduchu a případně průtoku otopné vody kotlem. Protože v časovém a výkonovém režimu se teplota vratné vody od jednotlivých okruhů mění (příprava teplé užitkové vody TUV, vytápění, vzduchotechnika, ohřev bazénové vody), je zajištění kondenzačního režimu kotle i při odděleném přívodu vratné vody a přes pokročilou technickou úroveň regulace velmi obtížné. Kotle tak vykazují v celoročním průměru poměrně nízkou účinnost. Přitom ty části kotle, které pracují střídavě v režimu s kondenzací a bez kondenzace jsou po stránce koroze konstrukčních materiálů i po stránce mechanické pevnosti zvláště silně namáhány. To v důsledcích vede k vysokým nákladům na konstrukční materiály a regulační techniku, takže zařízení se stává cenově méně dostupné.

Kondenzační kotel, který pro kondenzaci vodní páry ve spalinách využívá vodu z rozvodu studené vody, je uveden v patentovém spisu CZ 288 662. Řešení spočívá v tom, že do výstupu již částečně ochlazených spalin je vestavěn kondenzační výměník, jehož vstupní potrubí je připojeno přes jednosměrný ventil na domovní rozvod studené vody a výstupní potrubí na vstup tepelného výměníku kotle, jehož výstup je připojen k domovnímu rozvodu teplé užitkové vody TUV. Z tohoto konstrukčního uspořádání je zřejmé, že kondenzační režim kotle bude zajištěn v podstatě pouze tehdy, proudí-li kondenzačním výměníkem studená voda, tzn. tehdy, je-li ze systému odebírána TUV. Je-li kondenzační výměník podle druhé varianty provedení výše uvedeného patentu součástí cirkulačního okruhu zásobníku teplé užitkové vody, je míra využití latentního tepla spalin vzhledem k relativně vysoké teplotě vody v zásobníku TUV opět velmi nízká. Patentová přihláška EP 1 136 764 uvádí výměník tepla pro plynové kotle, který je konstruován tak, aby zajistil maximální výměnu tepla při zachování kompaktního tvaru. Sestává z vodního pláště, ohraničujícího spalovací komoru kotle a ze soustavy svazků teplosměnných trubek, které jsou uspořádány v podstatě kolmo ke směru proudění spalin, přičemž výstup ochlazených spalin je na spodní straně výměníku. Patentová přihláška EP 905 457 uvádí kondenzační kotel pro ohřev užitkové vody a vytápění, který je vybaven hořákem pro bezplamenové spalování s kalibrovanou tryskou plynu a ventilátorem pro přívod vzduchu. Vytvořená směs plynů je dále promíchávána a přiváděna do keramického hořáku distribučními perforovanými deskami. Horké spaliny prochází výměníkem tepla o třech stupních, prvním vysokoteplotním stupněm, druhým částečně kondenzačním a třetím kondenzačním stupněm. Patentová přihláška WO 96/09499 uvádí kondenzační plynový kotel s válcovitým, vertikálně orientovaným výměníkem tepla, opatřeným na spodním konci oddělovací deskou a na horním končí dolů směřujícím hořákem. Válcovitý výměník teplaje vytvořen z trubky, která je svinuta do tvaru těsné šroubovice. Mezi oddělovací deskou a dolním koncem výměníku tepla je ponechána mezera, kterou spaliny proudí do druhého, s výhodou keramického výměníku tepla, kde se ochlazují pod teplotu kondenzace vody ve spalinách. V protiproudu k přiváděnému spalovacímu vzduchu, který předehřívají, jsou potom ochlazené spaliny odváděny a vypouštěny.

Kondenzační kotle podle uvedených dokumentů stavu techniky, jsou-li provozovány v kombinovaných systémech, např. v systémech pro ohřev TUV a vytápění, trpí výše uvedenými

- 1 CZ 12088 Ul obtížemi. U kondenzačního kotle podle technického řešení jsou však tyto obtíže do značné míry odstraněny.

Podstata technického řešení

Kondenzační kotel podle tohoto technického řešení obsahuje vnější plášť, dále vnitřní plášť, popřípadě opatřený tepelnou izolací, a hořák, který je vestavěn shora do spalovací komory, bočně vymezené výměníkem tepla a zdola v podstatě uzavřené přepážkou, přičemž vnější a vnitřní plášť vymezují mezi sebou vzduchový prostor a vnitřní plášť a vnější povrch výměníku tepla vymezují mezi sebou spalinový prostor. Spalinový prostor přechází pod spalovací komorou do trubkového výměníku tepla, zdola ukončeného dnem, opatřeným odvodem kondenzátu, přičemž ,dno přechází do spalinového hrdla odtahu spalin. Toto spalinové hrdlo je výhodně umístěno koaxiálně uvnitř vzduchového hrdla přívodu vzduchu, které navazuje na vzduchový prostor mezi vnějším a vnitřním pláštěm.

S výhodou je výměník tepla vytvořen jako protiproudý s oboustranným ohřevem otopného média, přičemž jeho vnitřní povrch je upraven pro optimální využití sálavého tepla hořáku a vnější povrch pro optimální přestup tepla z okoloproudících horkých spalin. Například je vnitřní povrch výměníku tepla opatřen povlakem z absorpční hmoty a vnější povrch žebry výměníku, jejichž podélná osa může být orientován souhlasně se směrem proudu spalin, nebo může být od směru proudu spalin odkloněna.

Výměník tepla je s výhodou cylindrický, nebo je vytvořen z teplosměnné trubky, svinuté do těsné šroubovice.

Výhodně je výstup ohřátého otopného média umístěn v horní části výměníku tepla a přívod otopného média v jeho dolní části.

Hořák je s výhodou konstruován jako radiační bezplamenný. Pro provozování v režimu vypnuto zapnuto je jeho součástí zařízení, umožňující takový provoz, např. zařízení pro předehřev plynu a/nebo vzduchu.

Trubkový výměník je s výhodou vytvořen horizontálně nebo šroubovicově uspořádaným svazkem trubek, s v podstatě protiproudým průtokem vody vůči spalinám, přičemž uspořádání jednotlivých trubek je takové, aby bylo jednak dosaženo velké turbulence spalin a současně takového stékání kondenzátu, při kterém nejsou nadměrně omývány spodní trubky.

Přehled obrázků na výkrese

Na obrázku 1 je znázorněn kondenzační kotel podle technického řešení ve výhodném provedení ve svislém řezu, na obrázku 2 je stejný kotel zobrazen ve vodorovném řezu.

Příklady provedení technického řešení

Kondenzační kotel je tvořen hořákem JO, který je v tomto výhodném provedení vytvořen jako bezplamenný s radiační válcovou plochou. Je opatřen přívodem 3 plynu a ventilátorem I vzduchu. Hořák 10 je shora vestavěn do spalovací komory, vymezené bočně cylindrickým výměníkem 12 tepla, který je na vnitřní straně JI zdrsněn a potažen tenkou vrstvou oxidu ceru a na vnější konvekční straně je opatřen žebry J3 výměníku 12. Výměník J2 teplaje ve spodní části opatřen propojovacím potrubím J6 pro přívod předehřáté vody a v horní části otopným potrubím 4, kterým odchází ohřátá voda do otopné soustavy. Na spodní straně je spalovací komora vymezena přepážkou 2. Výměník J2 teplaje umístěn ve vnitřním plášti J9, který je v horní části opatřen tepelnou izolací 15, a který vymezuje spalinový prostor 14. Spalinový prostor 14 přechází ve spodní části kotle do trubkového výměníku J7 tepla, do kterého je přivedena chladná voda potrubím 6 ochlazené vody. Toto potrubí 6 ochlazené vody je opatřeno rozdělovačem J_8.

-2 CZ 12088 Ul

Spalinový prostor 14 je zespodu ukončen dnem 7 s odvodem 9 kondenzátu a pokračuje jako spalinové hrdlo 22, které je umístěno koaxiálně uvnitř vzduchového hrdla 23.

Plyn pro spalování se přivádí přívodem 3 plynu do směšovače hořáku ]_0, kde dochází k nucenému směšování se vzduchem z ventilátoru I vzduchu a pod přetlakem je potom odváděn do hořáku 10 s válcovou radiační plochou, kde probíhá bezplamenové spalování. Ze sálavé plochy hořáku 10 je teplo předáváno převážně sáláním na vnitřní povrch 11 výměníku 12 tepla. Spaliny proudí směrem nahoru nad výměník J2 tepla a okolo jeho vnější stěny, opatřené žebry 13 výměníku 12 odshora dolů. Pod výměníkem 12 tepla vstupují spaliny do trubkového výměníku 17 tepla, kde v pásmu kondenzace předají své kondenzační teplo, kterým se předehřeje chladná voda. Z oblasti dna 7 jsou potom ochlazené spaliny odváděny spalinovým hrdlem 22. Dno 7 je opatřeno odvodem 9 kondenzátu.

Ochlazená voda ze systému (zásobníku tepla) přitéká potrubím 6 do rozdělovače J_8 pod trubkovým výměníkem 17 tepla, odkud postupně stoupá v podstatě proti proudu spalin hladkými, popřípadě žebrovanými trubkami a dále propojovacím potrubím 16 do výměníku 12 tepla, na jehož vnější stěně přijímá teplo konvekcí horkých spalin a na vnitřní stěně 11 výměníku 12 převážně sálavé teplo hořáku JO. Z horní části výměníku 12 tepla je otopná voda odváděna otopným potrubím 4 do systému (zásobníku tepla).

Vzduch pro spalování plynu je nasáván protiproudně ke spalinám koncentrickým vzduchovým hrdlem 23 do nejnižší části kotle tak, že omývá povrch vnitřního pláště J9 a je dále nasáván ventilátorem i vzduchu, přičemž je povrchem vnitřního pláště 19 předehříván. K omezení tepelné ztráty, zejména sáláním na vnější plášť 21 z povrchu vnitřního pláště J9 v oblasti, kde je jeho teplota vysoká, je vnitřní plášť 19 opatřen tepelnou izolací 15. Vnější plášť 21 a vnitřní plášť 19 tedy vymezující mezi sebou vzduchový prostor 5, který je v podstatě protiproudým výměníkem pro předehřev spalovacího vzduchu zbytkovým teplem spalin. Výše uvedeným uspořádáním se dosáhne toho, že vnější plášť 21 má v podstatě teplotu násávaného vzduchu, takže celková tepelná ztráta zařízení je minimální.

Průmyslová využitelnost

Kondenzační kotel podle technického řešení je vzhledem k jednoduchosti konstrukce, malému vodnímu obsahu, snadnému odvodu spalin a přívodu vzduchu vhodný pro nástěnné provedení s válcovým nebo hranolovým pláštěm s připojením armatur na své spodní části. Kondenzační kotel je provozně zvláště výhodný při zařazení zásobníku tepla kondenzačních kotlů, který může být umístěn např. pod kotlem. Zapojení se zásobníkem tepla umožňuje při potřebě většího topného výkonu kaskádové zapojení dvou nebo více kondenzačních kotlů o nižším jmenovitém výkonu, kdy další kotel je zapnut při poklesu teploty otopného media pod nastavenou hodnotu.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Kondenzační kotel tvořený spalovací komorou opatřenou hořákem (10), pláštěm (19, 21) a výměníky (12, 17) tepla, vyznačující se tím, že plášť (19, 21) zahrnuje vnější plášť (21) a vnitřní plášť (19), popřípadě opatřený tepelnou izolací (15), přičemž hořák (10) je vestavěn shora do spalovací komory, bočně vymezené výměníkem (12) tepla a zdola v podstatě uzavřené přepážkou (2), vnější plášť (21) a vnitřní plášť (19) vymezují mezi sebou vzduchový prostor (5) a vnitřní plášť (19) a vnější povrch výměníku (12) tepla vymezují spalinový prostor (14), který přechází do trubkového výměníku (17) tepla, zdola zakončeného dnem (7) s odvodem (9) kondenzátu.

   -3 CZ 12088 Ul
2. 2. Kondenzační kotel podle nároku 1, vyznačující se tím, že hořák (10) je opatřen ventilátorem (1) spalovacího vzduchu.
3. 3. Kondenzační kotel podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že výměník (12) tepla má tvar prstence neboje vytvořen z téplosměnné trubky, svinuté do tvaru těsné šroubovice.
4. 4. Kondenzační kotel podle nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vnější povrch výměníku (12) tepla je opatřen žebry (13) výměníku (12).
5. 5. Kondenzační kotel podle nároků laž4, vyznačující se tím, že vnitřní povrch (11) výměníku (12) teplaje opatřen povlakem z absorpční hmoty pro maximální využití sálavého tepla hořáku (10).
6. 6. Kondenzační kotel podle nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že hořák (10) je vytvořen jako radiační bezplamenný.
7. 7. Kondenzační kotel podle nároku 6, vyznačující se tím, že hořák (10) je opatřen předehřívacím zařízením.
8. 8. Kondenzační kotel podle nároků laž7, vyznačující se tím, že dno (7) přechází do spalinového hrdla (22), které je umístěno koaxiálně ve vzduchovém hrdle (23).
9. 9. Kondenzační kotel podle nároků laž8, vyznačující se tím, že vzduchové hrdlo (23) navazuje na vzduchový prostor (5).
10. 10. Kondenzační kotel podle nároků laž9, vyznačující se tím, že trubkový výměník (17) tepla má přívod ochlazené vody opatřený rozdělovačem (18).