ГАЗОВЫЙ ОБОГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК F24H3/00 

Изобретение относится к бытовой газовой аппаратуре для обогрева жилых, бытовых, производственных и вспомогательных помещений.

Известен газовый камин АОГ-5 с конвективной теплоотдачей [1] Камин состоит из изолированной от атмосферы помещения камеры сгорания коробчатой конструкции с оребренной передней стенкой. Теплота, получаемая от сжигания газа, передается в отапливаемое помещение преимущественно через переднюю стенку. В нижней части камеры сгорания помещены основная и запальная горелки. С задней стороны камина в верхней его части расположен стенной канал. Внутренняя труба стенного канала соединена с камерой сгорания и служит для отвода продуктов сгорания за пределы помещения, а по наружной трубе с улицы поступает воздух в зону горения газа. Камин снабжен защитно-декоративной облицовкой. Аппаратура управления процессом горения включает в себя кран управления, электромагнитный клапан с термопарой, пьезоэлектрическое запальное устройство.

Недостатком камина является относительно низкая эффективность и высокая удельная материалоемкость. Это связано с неиспользованными резервами теплопередачи через переднюю стенку камеры сгорания и, как следствие, недостаточно глубоким охлаждением продуктов сгорания в пределах газохода, примыкающего к передней стенке. Указанный недостаток есть следствие конструкции камеры сгорания, типичной не только для камина АОГ-5, но и других известных газовых обогревателей. Очертания контуров газохода в таких конструкциях обычно повторяют контуры топок котлов: за зоной горения с постоянным сечением следует сужающаяся часть газохода, далее снова переходящая в канал почти постоянного сечения. Профиль газохода в обогревателях формируется передней или задней стенками камеры сгорания: например, у камина АОГ-5 передней. Часто при плоской задней стенке контур газохода сформирован установленной на ней отражательной пластиной. Отражательная пластина экранирует заднюю сторону обогревателей, примыкающую к стене, и улучшает радиационные характеристики газохода.

Недостаток описанной конструкции газохода проявляется в стимулировании неблагоприятной гидродинамической и тепловой структуры потока продуктов сгорания. Остывание по тракту продуктов сгорания приводит к снижению их объемного расхода. Уменьшение площади проходного сечения в сужающейся части газохода компенсирует это снижение, поддерживая скорость, в среднем, около постоянного значения. В газовых обогревателях, в отличие от топок котлов, зона постоянного сечения газохода, следующая за сужающейся частью, также является теплопередающей, температура продуктов сгорания продолжает в ней снижаться, поэтому объемный расход и, соответственно, скорость потока уменьшаются. Глубокий ламинарный характер потока в сочетании с его структурой типа "начального участка" обуславливает уменьшение локальной теплоотдачи по всей длине газохода. Таким образом, теплоотдача в конечной наиболее "холодной" части газохода имеет минимальное значение. Однако разность температур между передней стенкой и продуктами сгорания уменьшается в этой "холодной" части настолько, что радиационная и конвективная составляющие результирующего теплового потока становятся одного порядка. Повлиять сколько-нибудь заметно на радиационную составляющую здесь практически невозможно даже при наличии отражательной пластины. В связи с этим становится актуальной интенсификация конвективной составляющей. Ни одна из конструкций камеры сгорания обогревателей не позволяет этого сделать.

Известный газовый нагреватель [2] имеющий конструкцию, сходную с [1] выбран в качестве прототипа. Передняя стенка камеры сгорания выполнена в [2] плоской и дополнительно снабжена ребристым теплообменным блоком.

В соответствии с изложенным выше соображениями, недостаток прототипа состоит в плоской форме передней стенки камеры сгорания и контурах газохода, сформированного передней и задней ее стенками. Уменьшение скорости потока продуктов сгорания по длине газохода вдоль плоской передней стенки не позволяет интенсифицировать конвективную теплоотдачу и тем самым дополнительно снизить температуру уходящих газов.

Целью изобретения является повышение эффективности обогревателя и снижение удельной материалоемкости за счет интенсификации конвективной теплоотдачи продуктов сгорания к передней стенке камеры сгорания в относительно "холодной" части газохода, где радиационная и конвективная составляющие теплового потока одного порядка.

Это достигается тем, что передняя стенка камеры сгорания в зоне отражательной пластины выполнена в виде плавносопряженной, выпуклой наружу, поверхности с переходом в нижней части зоны в вогнутую поверхность, а отражательная пластина на задней стенке выполнена криволинейной и установлена по отношению к передней стенке таким образом, что площадь поперечного сечения газохода между выпуклой поверхностью передней стенки и отражательной пластиной плавно уменьшается к верхней части камеры сгорания, Это позволяет создать необходимые гидродинамические условия для возникновения на внутренней стороне выпуклой части передней стенки (вогнутой по отношению к потоку продуктов сгорания) системы продольных вихрей Гертлера, интенсифицирующих конвективную теплоотдачу в "холодной" части газохода, где реализационные тепловые потоки одного порядка с конвективными.

На фиг. 1 изображен общий вид обогревателя; на фиг. 2 продольное сечение обогревателя с выпуклой поверхностью передней стенки камеры сгорания.

Газовый обогреватель состоит из основания 1, на котором закреплена воздушная камера 2 в сборе с камерой сгорания газа 3. Камера 3 изолирована от атмосферы помещения. В нижней части камеры сгорания расположены основная горелка 4 и запальная горелка 5. Камера сгорания 3 содержит переднюю стенку 6, внутреннюю отражательную пластину 7 и заднюю стенку 8. Передняя стенка 6, в зоне расположения внутренней отражательной пластины 7, выполнена в виде выпуклой поверхности АБ с переходом в плавную вогнутую поверхность БВ. Внутренняя отражательная пластина 7 имеет, например, цилиндрическую поверхность ГД. Радиус R и центр кривизны поверхности обеспечивают плавное уменьшение к верхней части камеры сгорания площади проходного сечения между выпуклостью АБ передней стенки 6 и поверхностью ГД отражательной пластины 7. Воздушная камера 2 и камера сгорания 3 соединены между собой внизу окном 9, а в верхней части соединены со стенным каналом 10. По внутренней трубе 11 стенного канала 10, через окна 13 происходит вывод на улицу продуктов сгорания газа, а по наружной трубе 12, через окно 14 подача наружного воздуха в воздушную камеру 2 и затем к горелкам 4 и 5. Аппаратура управления обогревателем включает в себя запальное устройство 16, кран управления 17 и электромагнитный клапан с термопарой 18. Обогреватель снабжен защитно-декоративной облицовкой 19 с перфорированной лицевой и верхней частями. Для подключения газа из сети предусмотрен штуцер 20. Обогреватель крепится основанием 1 на стене помещения 21.

Обогреватель работает следующим образом. Через штуцер 20 газ подается в обогреватель. При включении электромагнитного клапана 18, крана управления 17 и запального устройства 16 загорается газ в запальной горелке 5, а затем и в основной инжекционной горелке 4. Продукты сгорания поднимаются под действием самотяги по газоходу между передней стенкой 6 и внутренней отражательной пластиной 7. Дойдя до верхней части газохода, продукты сгорания поворачивают и через окно в отражательной пластине 7 удаляются по внутренней трубе 11 через окно 13 на улицу. Наружный воздух через окно 14, наружную трубу 12, воздушную камеру 2 и окно 9 подается к основной 4 и запальной 5 горелкам. Поток продуктов сгорания поступает в криволинейную часть газохода вдоль выпуклой поверхности АБ передней стенки 6. Отсюда начинается развитие структуры потока типа "начального участка". Режим течения характеризуется числом Рейнольдса R_e- U_ср•d_э/ν, где U_ср 0,5 м/с средняя скорость в газоходе; d_э = 2h эквивалентный диаметр канала, равный (в плоском приближении) удвоенной ширин канала между передней стенкой и отражательной плитой, если, например, h 0,04 м, то d_э 0,08 м; ν (50-100) • 10^-6м²/c - кинематическая вязкость продуктов сгорания при температурах от 300^oС до 800^oС. При этом число Рейнольдса в среднем равно Re 0,5 • 0,08/75 • 10^-6 533, т.е. имеет место глубокий ламинарный режим. В ламинарном потоке на "значительном участке" происходит нарастание пограничных слоев на стенках канала и вытягивание профиля скорости по длине канала. При обтекании ламинарным потоком вогнутой поверхности (т. е. внутренней стороны выпуклой передней стенки вдоль АБ) в пограничном слое развивается система продольных вихрей на режимах, характеризуемых числом Гертлера в диапазоне N 16 240. Эти вихри повышают теплоотдачу в 1,5-2 раза в сравнении с обтеканием прямолинейной поверхности при тех же числах Рейнольдса. Число Гертлера равно

где скорость вне пограничного слоя, которую можно принять на "начальном участке" равной средней скорости по сечению; δ толщина пограничного слоя в нашем случае может быть приближенно принята равной половине ширины канала 0,5h; R радиус кривизны поверхности АБ.

Согласно принятым выше значениям параметров и для радиуса кривизны, равного, например, 300-500 мм, имеем

Таким образом, для обычных значений параметров потока и размеров газовых обогревателей на внутренней стороне выпуклости передней стенки возникает устойчивая система продольных вихрей Гертлера, интенсифицирующая конвективную теплоотдачу. Используя известные методы расчета можно показать, что в "холодной" части газохода при характерных температурах продуктов сгорания ≈ 400^oC и стенки ≈ 300^oС плотность радиационного теплового потока на передней стенке будет ≈ 600 вт/м² и конвективного теплового потока: в случае прямолинейного газохода ≈ 500 вт/м², а при интенсификации теплоотдачи продольными вихрями 700-1000 вт/м². Поток тепла с передней стенки передается излучением и конвекцией в отапливаемое помещение. Частично излучение проходит сквозь отверстие защитно-декоративной облицовки 19, остальная его часть попадает на неперфорированные участки, которые охлаждаются свободноконвективными потоками воздуха. Вдоль нагретой передней стенки камеры сгорания развивается свободная конвекция воздуха, передающая в помещение свою часть теплового потока.

Использование: в бытовой газовой аппаратуре для обогрева жилых, бытовых, производственных и вспомогательных помещений. Сущность изобретения: газовый обогреватель содержит герметичную камеру сгорания с основной и запальной горелками, для отвода продуктов сгорания трубы, а также трубы для подвода наружного воздуха через воздушную камеру к горелкам, защитно-декоративную облицовку, аппаратуру управления процессом горения газа, при этом передняя стенка камеры сгорания в зоне отражательной пластины выполнена в виде плавно-сопряженной выпуклой наружу поверхности с переходом в нижней части в вогнутую поверхность, а отражательная пластина на задней стенке выполнена криволинейной и установлена по отношению к передней стенке таким образом, что площадь переходного сечения газохода плавно уменьшается к верхней части камеры сгорания. 2 ил.

Газовый обогреватель, содержащий установленную в защитно-декоративном кожухе камеру сгорания с газоходом, образованным передней стенкой камеры сгорания и отражательной пластиной, укрепленной на задней стенке камеры сгорания, и подключенным к трубе отвода продуктов сгорания, основную и запальную горелки и примыкающий к задней стенке камеры сгорания в зоне горелок короб с воздухоподающей трубой, размещенной снаружи трубы отвода продуктов сгорания, отличающийся тем, что передняя стенка камеры сгорания образована из плавно сопряженного вогнутого участка и обращенного в сторону кожуха выпуклого участка, а отражательная пластина выполнена изогнутой, обращенной выпуклостью в сторону передней стенки, причем газоход между передней стенкой и отражательной пластиной имеет площадь поперечного сечения, уменьшающуюся к выходу камеры сгорания.