37. Конструкции водогрейных устройств, применяемых в топливниках отопительных и отопительно-варочных печей [1985 Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н.

Водяное отопление с помощью металлических радиаторов имеет по сравнению с печным то преимущество, что позволяет обогревать удаленные от теплогенератора помещения. На практике при печном отоплении нередко возникает необходимость дополнительно обогревать соседние помещения. Это можно обеспечить, если в топливники действующих печей вмонтировать водогрейные устройства и подключить к ним местную систему водяного отопления.

Наиболее часто такой метод применяется при наличии отопительно-варочных печей, в которые встраивают отдельный водогрейный котел. Нередко водогрейные устройства оказывается целесообразным встраивать и в отопительные печи.

Условия работы водогрейных устройств, встраиваемых в печи, работающие на твердом и газообразном топливе, существенно отличаются. Сжигание твердого топлива, имеющего большой выход летучих веществ (дров, бурого угля, торфа), всегда происходит с развитым по высоте факелом, содержащим частички горящего углерода. Процесс горения углеродных частиц в топливнике обычно полностью не завершается и при размещении в топливнике холодных металлических водогрейных поверхностей пламя, резко охладясь, оставляет на них несгоревшие сажистые частицы. По этой причине водогрейные устройства в топливниках печей, работающих на твердом топливе, могут размещаться только в виде змеевиков при настенном их размещении в возможно большем отдалении от факела.

При переводе печей на газ условия работы водогрейных устройств существенно улучшаются.

При правильной установке в топливниках инжекционных газовых горелок продукты сгорания не содержат сажи и змеевики не загрязняются. При этом не требуется проводить чистку топливника, совершенно необходимую при сжигании твердых топлив.

Другим существенным преимуществом газообразного топлива является возможность перехода печи на режим длительной топки, что приближает температурный режим отапливаемых помещений к режиму центрального отопления. Для этого достаточно сжигать газ со сниженной подачей (0,8 - 1 м³/ч), прикрыв кран у горелки. Однако несмотря на очевидные преимущества газообразного топлива по сравнению с твердым, водогрейные устройства в печах и очагах на газообразном топливе в ряде случаев работают неудовлетворительно. Это происходит тогда, когда при переводе печей на газ не учитываются специфические свойства этого вида топлива. При сжигании газа вследствие слабой излучающей способности факела количество выделяющейся лучистой теплоты оказывается недостаточным для эффективного нагрева змеевиком. Для повышения интенсивности нагрева воды необходимо увеличить выход лучистой теплоты в топливнике. Этого можно достичь установкой дополнительных излучателей в топливнике в виде шамотных кирпичей. На рис. 121 показана газифицированная голландская отопительная печь с водогрейным устройством, в топливнике которой размещен косвенный излучатель из кирпича. Факел горелки расположен непосредственно под змеевиком, в процессе работы температура излучателей повышается до 800 - 900°С, благодаря чему суммарная теплоотдача змеевика возрастает до 45%; Такое водогрейное устройство, смонтированное в печи, позволяет отапливать квартиру жилой площадью до 30 м².

Рис. 121. Установка излучателей в топливнике кухонного очага, имеющего водогрейное устройство: 1 - движение воды из местной системы отопления; 2 - движение воды, нагретой в змеевике; 3 - огнеупорный излучатель; 4 - духовой шкаф; 5 - газовая горелка; 6 - регулятор вторичного воздухе

Указанное водогрейное устройство может оказаться недостаточным для отопления более крупных помещений. Для увеличения производительности водонагревателя Ю. П. Соснин разработал высокоэффективное водогрейное устройство (рис. 122). Оно представляет собой два коробчатых коллектора, соединенных пакетом из 27 труб диаметром 1¹/₄″, длиной 350 мм. Площадь тепловоспринимающей поверхности труб - 1,2 м², площадь свободного живого сечения - 210 см², В топочной камере против горелки наклонно размещен огнеупорный кирпич. При работе горелки он раскаляется и интенсивно излучает теплоту на трубный пучок водогрейного устройства.

Рис. 122. Эффективное водогрейное устройство, работающее на газообразном топливе

Эффективность данного устройства подтверждается следующим расчетом.

Пример. Исходные данные: расход газа - 1,6 м³/ч, теплота сгорания газа - 35 500 кДж/м³, коэффициент избытка воздуха в топливнике - 2, температура в помещений - 20°С.

Требуется определить, какое количество теплоты воспринимается водой при сжигании газа горелкой ГДП-1,5 в течение 1 ч.

Предварительно найдем некоторые вспомогательные величины:

радиационная площадь поверхности 1 ряда труб равна:

Количество теплоты, выделенной в топливнике, составит

Стенки топки изолированы слоем асбеста, поэтому можно принять, не производя сложных расчетов по лучистому теплообмену между трубами в футеровкой, что радиационная поверхность водогрейного устройства воспринимает примерно 85% всей теплоты, выделенной в топке:

Определим количество теплоты, которое воспринимается пучком труб от потока газов за счет конвекции.

Площадь живого сечения для прохода газов в пучке 1,2×5×35=210 см².

Общая площадь поверхности труб в пучке будет равна:

Для определения действительной средней скорости продуктов сгорания в пучке необходимо принять температуру газов за пучком.

Примем ее равной 200°С. Тогда средняя температура газов -в пучке равна

Скорость движения продуктов сгорания в узком сечении пучка

Действительный коэффициент конвективной теплоотдачи от газов к стенке определяется по формуле

Площадь радиационной поверхности задней и передней коробок

Общая площадь радиационной поверхности водогрейного устройства

Теоретическая температура горения газа при α_т=2

где С_а=5,7 Вт/(м²·K) - коэффициент излучения абсолютно черного тела; Н^oб_p - общая площадь радиационной поверхности нагрева, м²; Т_теор - теоретическая температура сгорания. K; В - расход газа, м³/ч; V_г - объем продуктов сгорания газа, м³/м³; c_г - средняя теплоемкость продуктов сгорания газа, кДж/(м³·град)

Температура на выходе из топочной камеры определяется из соотношения

где C_z, C₈, С_ф - поправки на число рядов, на отношение шага труб к диаметру и на температуру газов в лучке; α_н - коэффициент теплоотдачи, зависящий от скорости газов и диаметра труб, Вт/(м²·град).

С учетом поправок коэффициент конвективной теплоотдачи от газов к трубам пучка равен

Температурный напор в конвективном пучке можно определить по формуле

где Δt_б - наибольшая разность температур между газами и стенкой трубы пучка, °С; Δt_м - наименьшая разность температур между газами и стенкой трубы пучка, °С.

Приняв температуру стенки пучка 100°С, определим

Количество теплоты, переданное от газов к пучку труб, равно

Общее количество теплоты, переданное от газов топливнику и пучку труб в течение 1 ч

Количество теплоты, заключенной в продуктах сгорания, выходящих из последнего ряда водогрейного устройства, равно:

Определим температуру продуктов сгорания при выходе из водогрейного устройства по формуле

Ранее была задана температура 200°С, расхождение небольшое, поэтому нет необходимости в перерасчете.

Общее количество теплоты, которое воспринимается водогрейным устройством, равно

Экспериментальные исследования подтверждают указанный выше расчет. Если сжигать в топливнике 1,5 - 1,7 м³/ч природного газа при α_т=1,8-2, то средняя температура продуктов сгорания на выходе из пучка оказывается равной 220 - 240°С.

В связи с большой тепловоспринимающей способностью данного водогрейного устройства его рекомендуется устанавливать только в специальные топливники, которые непосредственно соединяются с дымовой трубой. Если такой пучок труб вмонтировать в топливник отопительной печи и сохранить все дымообороты, то в дымовой трубе неизбежно будет происходить образование конденсата. Чтобы избежать этого нежелательного явления, следует первый восходящий канал сразу соединить с дымовой трубой.

Водонагревательные устройства можно встраивать в топливники кухонных варочных очагов. В очаге" показанном на рис. 123, для улучшения условий горения в топливнике размещен косвенный излучатель - огнеупорный кирпич. При размещении водогрейного змеевика в топливнике отопительно-варочной печи продукты сгорания охлаждаются настолько сильно, что это может вызвать конденсацию водяных паров в отводящих дымоходах. Учитывая это обстоятельство, устанавливать змеевики в отопительно-варочных печах, имеющих плиту, духовой шкаф и отопительный щиток, разрешается только при условии удаления духового шкафа или отопительного щитка.

Рис. 123. Кухонный очаг с водогрейным змеевиком: 1 - плита; 2 - водогрейный змеевик; 3 - отопительные приборы; 4 - расширительный бачок; 5 - слив в канализацию

Схема установки змеевика в кухонном очаге, переведенном на газ, и подключения к нему системы отопления показана на рис. 124.

Рис. 124. Кухонный очаг с водогрейным устройством, переведенным на газообразное топливо: 1 - духовой шкаф; 2 - горелка ГДП-1,5; 3 - стальные змеевики; 4 - изоляционный слой асбеста толщиной 10 мм; 5 - газовая конфорочная горелка; 6 - заслонка для горелки ГДП-1,5; 7 - движение продуктов сгорания; 8 - заслонка варочной камеры; 9 - выход в дымовой канал; 10 - труба для подачи холодной воды в систему; 11 - бак; 12 - труба для разбора горячей воды из бака; 13 - контрольная труба; 14 - переливная труба; 15 - канализационные трубы; 16 - трап; 17 - раковина; 18 - душ; 19 - запорный кран

Ориентировочный расчет змеевика для системы отопления можно произвести исходя из того, что удельный теплосъем с 1 м² площади поверхности змеевика составляет обычно 11,6 - 14 кВт, Длина змеевика (м) составляет:

Варочные очаги могут использоваться и для горячего водоснабжения, особенно в тех случаях, когда невозможна установка водогрейных колонок в ванной из-за отсутствия обособленного дымоотводящего канала. В этом случае кухонные очаги с водогрейными устройствами переводят на газ следующим образом:

разбирают полностью кладку кухонного очага. Духовой шкаф устанавливают сбоку горелки, но на 2 ряда ниже прежнего уровня. Верхняя часть топливника со змеевиками, а также горизонтальный газоход над духовым шкафом перекрывают 2 рядами кирпичей, уложенных плашмя. На второй ряд кирпичей ставятся 2 конфорочные горелки, а также чугунная плита с конфорочными кольцами. В верхней части очага устраивают зонт для отвода в дымоход продуктов сгорания (от горелок) водяных паров и чада, образующихся при приготовлении пищи.