Изобретение относится к нагревательным системам, которые используются для нагрева пространства внутри здания или его замкнутой части. Точнее это изобретение относится к нагревательным системам с принудительной подачей воздуха и/или жидкости либо бойлерного типа.
Известна газовая печь, включающая корпус с камерой сгорания, горелочный узел, выполненный в виде горелки с механизмом зажигания газовой смеси, теплообменник с выходным трубопроводом продуктов сгорания, сообщенный с камерой сгорания со средством обеспечения принудительного течения воздуха через теплообменник и вокруг камеры сгорания, механизм управления процессом горения.
Низкий термический КПД известных печей, в которых используются пригодные для этого газообразное топливо, нефть, либо другой горючий материал, хорошо подтвержден документально. Большая часть известных печей имеет КПД, составляющий менее 75% и требует наличия больших выпускных систем, таких как дымоход, для удаления нежелательных продуктов сгорания наружу в атмосферу. Дымоходы часто выпускают продукты сгорания при температурах, составляющих более 148,9oC. В последних конструкциях высокоэффективных печей эта проблема в определенной степени практически решается посредством использования существующих технологий. В этих агрегатах с высоким КПД используется двигатель с отточным вентилятором, который отводит продукты сгорания от теплообменника с большой площадью поверхности, поэтому они не требуют наличия дымохода. Вместо дымохода в печах с высоким КПД имеется выпускная труба диаметром от 50,8 до 152,4 мм, предназначенная для удаления токсических продуктов сгорания наружу в атмосферу. Эти высокоэффективные печи более новой конструкции имеют термический КПД до 90% однако они не решают всех проблем, касающихся термического КПД. Если рассматривать вопрос об общем термическом КПД, то одна из проблем, на которую следует обратить внимание, связана с источником воздуха для сгорания. Известные печи вытягивают воздух для сгорания изнутри нагреваемого здания или жилища. При этом требуется нагрев большего объема воздуха, а следовательно, снижается общий термический КПД. В более современных конструкциях печей с высоким КПД эта проблема решается посредством вытягивания наружного воздуха, требуемого для процесса сгорания, через трубу/трубопровод.
Один из важных вопросов, который касается КПД и должен быть решен, заключается в количестве циклов включения-выключения. В северных областях Соединенных Штатов и Канады количество циклов включения выключения в течение года достигает 20000. Каждый цикл включения-выключения создает неэффективное и неустойчивое состояние в начале цикла, которое продолжается до достижения устойчивого состояния. Нагревательный узел, который может обеспечивать сгорание в более широком диапазоне горения, значительно снижает количество таких циклов включения-выключения и, следовательно, повышает общий термический КПД. Количество циклов включения-выключения также может быть непосредственно связано с надежностью узла. Посредством уменьшения количества циклов включения -выключения за год ожидания долговечность нагревательного узла может быть значительно повышена.
Предлагаемое изобретение решает вышеупомянутые проблемы, связанные с КПД, посредством использования уникальной конструкции для смешения в сочетании с выполняемым под давлением с высокой скоростью процессом сгорания для обеспечения переменной тепловой нагрузки, причем для процесса сгорания используется наружный воздух и не требуется двигатель с вытяжным вентилятором. Эти печи демонстрируют термической КПД порядка 90% и более и требуют наличия выпускного трубопровода диаметром менее 25,4 мм. Многообразие тепловых нагрузок и уникальная система управления процессом в пределах настоящего изобретения позволяют довести до максимума полный термический КПД агрегата.
Вторая задача, которая решается настоящим изобретением, касается качества выбросов, обеспечиваемого процессом сгорания. Уровни выбросов известных печей не рассматриваются, а в новых "высокоэффективных конструкциях" внимание сосредоточено на повышении КПД, при этом уровни выбросов рассматриваются в незначительной степени, либо вообще не рассматриваются. В некоторых из самых последних разработок известных печей делаются попытки уменьшить выбросы посредством использования небольшого количества избыточного воздуха, с тем чтобы снизить температуру пламени и тем самым уменьшить уровни выброса NOx. В настоящем изобретении задача качества выбросов решается посредством уникально разработанной системы предварительного перемешивания, которая позволяет получить более эффективное перемешивание реагентов, а следовательно, приводит к процессу сгорания, который доходит до завершения. Высокая скорость сверхатмосферное давление также приводит к повышенной интенсивности сгорания, а следовательно, к существенному снижению образования NOx. В предлагаемом изобретении также используется избыточное количество воздуха при ведении процесса сгорания для дополнительного снижения уровней выбросов.
Третья задача, которая касается настоящее изобретение, заключается в физических размерах и весе нагревательного агрегата. Конструкция известных печей, имеющих как общепринятый, так и высокий КПД, занимают относительное большое пространство, а также чрезвычайно громоздки и массивны. Проблема размера/веса, возникающая в отношении известных печей, делает определенные случаи их применения непрактичными в сочетании с требованиями к дымовому каналу дымохода или с необходимостью наличия трубы увеличенного диаметра. Эти требования к дымовому каналу делают непрактичным использование печей с высоким КПД во многих квартирах и коммерческих зданиях. В результате в таких квартирах и коммерческих зданиях вынуждены применять более дорогостоящие и обладающие меньшим термическим КПД электрические нагреватели. В настоящем изобретении используется весьма высококонвективный процесс теплопередачи, который позволяет получить значительно меньший, более компактный агрегат. Печь согласно настоящему изобретению не только компактна, но и нечувствительна к ее размещению, что обеспечивает возможность расположения одного и того же агрегата в горизонтальном или вертикальном положении. Настоящее изобретение требует наличия выпускной трубы/трубопровода диаметром менее 25,4 мм, который может иметь гибкую конструкцию для приспосабливания к различным конфигурациям. Обладающая высоким КПД газовая печь согласно настоящему изобретению имеет малый вес, компактна и требует небольшого выпускного трубопровода/трубы, что позволяет устанавливать ее внутри туалетов, чуланов и тому подобных помещений.
На фиг. 1 представлено изометрическое изображение печи с частичным вырезом; на фиг. 2 -схематический вид элементов печи;на фиг. 3 изометрическое изображение теплообменника печи; на фиг. 4 боковой вид поперечного сечения теплообменника, показанного на фиг. 3; на фиг. 5 вид горелки для поверхностного сгорания; на фиг. 6 -вид работающей под высоким давлением струйной горелки; на фиг. 7 изометрическое изображение печи с частичным вырезом теплообменника согласно другому варианту осуществления изобретения; на фиг.8 боковой вид поперечного сечения теплообменника, показанного на фиг. 6; на фиг. 9 изометрическое изображение теплообменника согласно еще одному варианту осуществления изобретения; на фиг. 10 боковой вид поперечного сечения теплообменника, показанного на фиг. 7; на фиг. 11 схема узла управления, предназначенного для использования совместно с печью; фиг. 12 подобна фиг. 8, но на ней показана схема, предназначенная для использования с другим вариантом осуществления изобретения; на фиг. 13 поперечное сечение рекуперативной выпускной системы; на фиг. 14 изометрическое изображение горелочного узла согласно другому варианту осуществления изобретения; на фиг. 15 изометрическое изображение печи с частичным вырезом горелочного узла, показанного на фиг. 10, в сочетании с теплообменником согласно другому варианту осуществления изобретения; на фиг. 16 -- боковой вид поперечного сечения теплообменника, показанного на фиг. 10; на фиг. 17 изометрическое изображение горелочного узла согласно другому варианту осуществления изобретения.
Если теперь обратиться к фигурам, где на нескольких видах одними и теми же позиционными номерами обозначены подобные или соответствующие детали, то на фиг. 1 представлена газовая печь, обладающая высоким КПД и предназначенная для использования в нагревательном пространстве внутри здания и/или жилища, либо их замкнутой части, при этом она в целом обозначена позицией 10.
Обладающая высоким КПД печь 10 состоит из трубопровода 12 подачи топлива, трубопровода 14 подачи воздуха, смесительного блока 16, компрессорной системы 18, горелочного узла 20, камеры сгорания 22, теплообменника 24, выпускного трубопровода 26, центрального блока управления 28, воздуховодной системы 30 и системы 32 управления/безопасности.
Воздух подается к печи 10 посредством трубопровода 14 подачи воздуха. Трубопровод 14 обеспечивает подвод воздуха к смесительному блоку 16 через впускной патрубок 34, который обычно сообщается с внешней атмосферой здания или жилища через трубу/трубопровод 36 с целью втягивания наружного воздуха для ведения процесса сгорания. Впускной патрубок 34 также может сообщаться с атмосферой здания и жилого помещения и втягивать из них воздух, необходимый для сгорания. Поступающий свежий воздух /и/или предварительно нагретый свежий воздух проходит через воздушный фильтр 38. Размер и тип воздушного фильтра будет зависеть от различных параметров, включая требования к компрессору и качеству поступающего воздуха. Воздушный фильтр 38 будет удалять нежелательную пыль и другие загрязняющие частицы, находящиеся в воздушном потоке, тем самым обеспечивается защита смесительного блока 16, компрессорной системы 18 и горелочного узла 20. Дозирующий клапан 40 подсоединен к впускному патрубку 34 после фильтра 38 и перед смесительным блоком 16. Этот управляющий клапан 40 обеспечивает поступление надлежащего объема воздуха к смесительному блоку 16, компрессорной системе 18 и горелочному узлу 20 для поддержания чистого и эффективного сгорания при заданной тепловой нагрузке.
Трубопровод 12 подачи топлива обычно будет запитываться от прямого/напорного источника питания /не показан/, например, компании по раздаче натурального газа, либо от накопительных резервуаров. Предпочтительно, чтобы газообразное топливо представляло собой природный газ, однако оно может представлять собой и любое другое приемлемое газообразное топливо, например пропан. Газообразное топливо нагнетается к впускной стороне регулятора 42, который осуществляет контроль и гарантирует, что к клапану 44 для дозирования расхода газа поток газообразного топлива подается без пульсации. Клапан для дозирования расхода газа или жиклер 44 контролирует объемный расход газообразного топлива, которое поступает к смесительному блоку 16, поддерживающему процесс горения для обеспечения тепловой нагрузки, которая определяется блоком управления 28, сообщающимся с клапаном 44 дозирования расхода газа. Впускной конец клапана 44 сообщается с выходным концом регулятора 42, а выходной конец этого клапана 44 сообщается с входным концом смесительного блока 16.
Жиклер для впуска воздуха, предназначенного для сгорания, или клапан 40 дозирования расхода, а также клапан 44 для дозирования расхода газообразного топлива сообщается с механизмом управления 28, чем обеспечивается подача к смесительному блоку 16 заданного количества/соотношения воздуха и газообразного топлива. Смесительный блок 16 перемещает оба газа для формирования готовой горючей газовой смеси, а затем подает приготовленную газовую смесь к требуемой или выходной стороне 46 компрессорной системы 18. Сочетание всасывания из компрессорной системы 18 и конструкции смесительного блока 16 приводит к повсеместному перемешиванию воздуха и газообразного топлива.
Клапаны 44 и 40 дозирования расхода обеспечивают различную тепловую нагрузку горелочного узла 20. Когда желательно иметь фиксированную интенсивность сгорания для горелочного узла 20, оба клапана 44 и 40 дозирования расхода могут быть заменены на жиклеры.
Компрессорная система 18 имеет впускную сторону 46, которая ведет к компрессору 48, повышающему давление приготовленной горючей смеси для обеспечения подачи горючих газов к горелочному узлу 20 под давлением выше атмосферного. Предпочтительно, что согласуется с настоящим изобретением, чтобы такое давление составляло от одного до пятнадцати /0,07-1,055 кгс/см2/. Как будет обсуждено ниже, компрессор 48 может представлять собой многоступенчатый воздуходувный узел или компрессорный блок. Описанный здесь компрессор 48 позволяет достичь требуемое выходное давление и имеет желаемый выходной поток, которые позволяют поддерживать рабочие условия. Размер и тип компрессора хорошо известны квалифицированным специалистам в этой отрасли и будут определяться потребностями и емкостью конкретной газовой печи 10 и высоким КПД. Выпускная или нагнетательная сторона компрессора 48 сообщается с горелочным узлом 20 посредством соединительной магистрали 50. Внутри соединительной магистрали 50 находится реагирующее на давление устройство 52, которое сообщается с центральным блоком управления 28 и с системой 32 управления/безопасности для прекращения подачи газообразного топлива, а следовательно, и прекращения процесса сгорания, если имеют место потери давления или давление превышает заданное значение. Датчик давления 52 представляет собой одно из нескольких устройств безопасности этой газовой печи 10 с высоким КПД.
Воздушный фильтр 38, регулятор 42 газообразного топлива, клапан 44 дозирования газообразного топлива, клапан 40 дозирования воздуха, компрессор 48 и датчик давления 52 все они представляют собой коммерчески доступные элементы, хорошо известные в этой отрасли.
Заранее приготовленная смесь, находящаяся под давлением выше атмосферного, подается к горелочному узлу 20 посредством соединительной магистрали 50 и сообщается с горелкой 35. Горелочный узел 35 включает в себя горелочный элемент 56, источник воспламенения 58 для сгорания приготовленной смеси газообразного топлива/воздуха и датчик 60 контроля пламени для гарантии того, чтобы имело место и сохранялось надлежащее сгорание. Горелка 35 приводится в действие посредством подачи и воспламенения поступающей с высокой скоростью и под давлением приготовленной газовой смеси, с минимальной потерей давления проходящей через горелочный элемент 56. Как будет обсуждено ниже, горелка 35 может состоять из рассекателя пламени 65, выполненного из пористого металлического волокна или форсунки 66. Каждая горелка 35, которая здесь описана, достигает требуемой устойчивости пламени, имеет желаемое падение давления и действует при различных рабочих условиях согласно настоящему изобретению.
Высокоскоростное пламя, испускаемое горелкой 35, будет сдерживаться, при этом будет обеспечено прохождение реакции горения до ее завершения внутри изолированной, сконструированной в виде цилиндра камеры сгорания 22. Диаметр камеры сгорания 22 предпочтительно составляет от 50,4-127 мм в зависимости от проектируемого диапазона нагрева и конфигурации печи. Камера сгорания 22 проходит от верхней плиты 84 верхней секции 98 теплообменника к нижней плите 68 нижней секции 82 теплообменника. Камера сгорания 22 имеет слой изоляционного материала 74, толщина которого предпочтительно составляет от 3,175-12,7 мм в зависимости от проектируемого диапазона нагрева и конфигурации печи. Изоляционный материал 74 начинается в верхней части камеры 22 и крепится к внутренней стенке 76 камеры сгорания 22 и горелки 35, и продолжается по всей длине камеры сгорания 22. От своей верхней части 78 до нижней части 80 камера сгорания 22 сужается. Сужение выполнено таким, что диаметр нижней части камеры сгорания 22 приблизительно составляет 50% диаметра верхней части этой камеры 22. Сужающаяся конструкция и изоляция камеры сгорания 22 необходимы для обеспечения того, чтобы процесс сгорания эффективно доходил до завершения с получением минимального уровня загрязнений, с тем чтобы получаемое тепло могло эффективно использоваться для нагрева требуемого пространства и чтобы выполняемый под избыточным давлением процесс сгорания происходил при наименьшем уровне шума.
Обладающие высокой скоростью продукты сгорания, покидающие камеру сгорания 22, поступают в первую секцию 82 теплообменной системы 24. Секция 82 теплообменника содержит изоляционный материал, прикрепленный к ее нижней стенке 68, с тем чтобы избежать мест перегрева. Высокая интенсивность конвективной теплопередачи, находящейся под давлением выше атмосферного продукта сгорания, обеспечивает передачу тепловой энергии верхней стенке 88 и наружным стенкам 90, 92 и 94, на которые воздействует принудительный воздушный поток от воздуходувного узла 30. Затем обладающие высокой скоростью продукты сгорания перемещаются вверх через ряд ребристых или гладких труб/трубопроводов 96. Для ясности на виде в перспективе согласно фиг. 3 ребра не показаны, однако они показаны на виде в сечении согласно фиг. 4. Это также относится к фиг. 7 и 8, и 9 и 10. Ребристые или гладкие трубы/трубопроводы 96 у своего входного конца сообщаются с секцией 82 теплообменника у стенки 88, а у выходного конца с -секцией 98 теплообменника у стенки 72. Механизм интенсивной конвективной теплопередачи обеспечивает передачу тепловой энергии от обладающих высокой скоростью продуктов сгорания к стенкам и/или вытянутым поверхностям ребристых или гладких труб/трубопроводов 86, которые эффективно передают тепло воздушному потоку, выпускаемому воздуходувным узлом 30 и перемещающемуся по теплообменной системе 24. Затем обладающие высокой скоростью продукты сгорания проходят вниз от секции 98 теплообменника ко второй группе ребристых трубопроводов/труб 104 по направлению к секции 102 теплообменника. После этого обладающие высокой скоростью продукты сгорания проходят от секции 102 теплообменника вверх через еще одну группу ребристых или гладких труб/трубопроводов 108 к секции 112 теплообменника, и наконец упомянутые продукты сгорания перемещаются вниз от секции 112 теплообменника к секции 114 через конечную группу ребристых труб/трубопроводов 116. Секция 114 теплообменника сообщается с выпускным трубопроводом 26, который обеспечивает выход продуктов сгорания наружу в атмосферу. Высокая скорость/высокая интенсивность конвективного теплообмена продуктов сгорания, вытекающих из камеры сгорания 22 через теплообменную систему 24 поперечным потоком, обеспечивает возможность создания весьма компактной и эффективной теплообменной системы 24. Секции 102 и 104 теплообменника сужаются к одной стороне и имеют дренажный механизм 120 и 122, где конденсат будет увеличиваться и удаляться из агрегата. Дренажные механизмы 120 и 122 могут представлять собой механизм такого типа, который аккумулирует заданное количество жидкости до ее дренирования. Другой дренажный механизм 120 и 122 может представлять собой прямой дренаж, подсоединенный к выпускной трубе, позволяющий дренируемому конденсату выходить через выпускную трубу. Эти дренажные механизмы жидкостного типа хорошо известны в этой отрасли.
Секция 114 теплообменника подсоединена к выпускной трубе 26 в месте, обозначенном позицией 124. Продукты сгорания, имеющие высокую скорость,находящиеся под давлением выше атмосферного, выпускаются через трубу или трубопровод 126 небольшого диаметра снаружи здания или жилища. Один конец трубы или трубопровода 126 сообщается с секцией 114 теплообменника, а другой -с наружной атмосферой. Внутри выпускного трубопровода или трубы у места подсоединения 124 секции 114 теплообменника находится предназначенный для обеспечения безопасности датчик давления 128, который сообщается с центральным блоком управления 28 и блоком 32 управления/безопасности для прекращения подачи газообразного топлива, если происходит изменение давления в системе. Продукты сгорания, имеющие высокую скорость,находящиеся под давлением выше атмосферного и имеющие низкую температуру, могут перемещаться через трубу небольшого диаметра или гибкий трубопровод 126, тем самым обеспечивается существенное облегчение и гибкость монтажа газовой печи согласно настоящему изобретению, имеющей высокий КПД. Труба или гибкий выпускной трубопровод может иметь диаметр 6,35-25,4 мм, а его длина может достигать 2440 см. Сгорание продуктов, имеющих высокую скорость,находящихся под давлением выше атмосферного, и уникально сконструированная теплообменная система приводят к получению компактной конструкции, размер которой может составлять 1/3 обычной конструкции, а ее КПД может достигать более 95%
Блок 32 управления/безопасности содержит те устройства для обеспечения управления и безопасности, которые обычно имеются в коммерчески доступных печах. Они включают в себя устройство для искрового воспламенения, газовый клапан, датчик контроля пламени, который сообщается с газовым клапаном 44 и управляет им, устройство задержки по времени для системы предварительной или окончательной продувки, устройство задержки по времени для системы 30 с воздуходувкой, которое позволяет перевести остаточную тепловую энергию в полезную работу, предназначенную для обеспечения безопасности выключатель системы 30 с воздуходувкой и входной модуль управления температурой термостата для включения и выключения устройства с целью регулирования тепловой нагрузки.
Система 30 с воздуходувкой состоит из приводимой в действие двигателем воздуходувки, которая вытягивает воздух из здания или жилища в месте, обозначенном позицией 130, к всасывающей стороне этой воздуходувки 30 и гонит воздух через специально сконструированный впускной патрубок 132 и заключенной в кожух камере сгорания 22 и к теплообменной системе 24 для отвода тепловой энергии и последующего выхода этого нагретого воздуха в месте, обозначенном позицией 134, к системе воздуховодов /не показана/, которая сообщается с разными помещениями внутри здания или жилища, что обеспечивает распределение нагретого воздуха к пространству, где требуется тепло. Агрегат также может быть расположен таким образом, чтобы выход 134 мог направлять нагретый воздушный поток непосредственно в то пространство, где требуется тепло. Воздуходувка 30 сообщается с блоком 32 управления/безопасности и контролируется им.
Центральный блок управления 28 представляет собой запрограммированное устройство, которое производит оценку окружающих и сообщается с клапаном 44 дозирования газа и клапаном 40 дозирования воздуха, компрессором 18 и воздуходувкой 30, чтобы обеспечить модуляцию тепловой нагрузки и эффективно оптимизировать нагревательный цикл, при этом количество циклов включения-выключения должно быть сведено к минимуму.
На фиг. 5 представлен один из вариантов осуществления горелочного узла 35, используемого в настоящем изобретении, и представлено в виде горелки, которая образована из газопроницаемого металлического волокнистого материала 64. Металлический волокнистый рассекатель пламени 64 удерживается в горелке 35 посредством держателя 142, который подсоединен к передней плите 144 камеры сгорания 22. Устройство 58 для воспламенения и датчик пламени 60 крепятся к камере сгорания 22 и располагаются перед поверхностью горелки из металлического волокна для воспламенения имеющей высокую скорость,находящейся под давлением выше атмосферного приготовленной смеси, идущей от поверхности горелки. Сгорание под давлением выше атмосферного приводит к убыстрению горения и к более экономичной реакции горения, так что при этом процессе образуется меньшее количество нежелательных загрязняющих веществ, таких как NOx.
Изображение на фиг. 6 относится к другому варианту осуществления горелки 35, который здесь представлен в виде струйной горелки 66. Цилиндрическая струйная горелка 66 подсоединена к передней плите 150 камеры сгорания 22. Обладающая высокой скоростью, находящаяся под давлением выше атмосферного приготовленная смесь подается к горелке 66 на вход 152. Приготовленная газовая смесь проходит через жиклеры уникальной конструкции, расположенные по определенной конфигурации с внутренней стороны горелки, и поступает к воспламенителю 154 для воспламенения приготовленной горючей смеси. Струйные языки пламени, используемые из переднего отверстия 156 горелки 66, проходят в камеру сгорания 22. Датчик пламени 158 устройство, обеспечивающее безопасность находится перед передним отверстием 156 струйной горелки для обеспечения воспламенения и устойчивого пламени.
На фиг. 7 представлен теплообменный узел согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, обозначенный позицией 200. В случае такой конструкции секции 98 и 112 теплообменника заменены секцией 204. Секция 204 теплообменника сообщается с секцией 202, где находятся продукты сгорания, имеющие высокую скорость/давление вше атмосферного, после того как они покинут камеру сгорания 22. Эти продукты сгорания входят в секцию 202 теплообменника через входное отверстие 206 и перемещаются вверх к секции 204 теплообменника, которая сообщается с секцией 202. В секции 202 теплообменника продукты сгорания, имеющие высокую скорость,находящиеся под давлением выше атмосферного, перемещаются через ряд ребристых или гладких труб/трубопроводов 210. Продукты сгорания посредством интенсивной конвекции осуществляют перенос тепла к трубам/трубопроводам 210, где воздух, принудительно подаваемый воздуходувкой 30, проходит поверх этих труб/трубопроводов и забирает тепловую энергию. Секция 204 теплообменника также сообщается с секцией 208 посредством ряда ребристых или гладких труб/трубопроводов 212. Ребристые или гладкие трубы/трубопроводы 212 сообщаются с секцией 204 теплообменника со стороны входа и с секцией 208 со стороны выхода, при этом высокоскоростные, находящиеся под давлением выше атмосферного продукты сгорания поступают в трубопроводы/трубы 212 со стороны входа 214, текут вниз к секции 208 теплообменника и выходят через выпускной трубопровод 26. Сочетание имеющих высокую скорость,находящихся под давлением выше атмосферного продуктов сгорания и уникально сконструированной теплообменной системы позволяет получить компактную конструкцию, которая по размерам может составлять 1/3 общеизвестных агрегатов, а ее эффективность превышает 95%
На фиг. 9 представлен теплообменный узел согласно другому варианту осуществления изобретения, который обозначен позицией 300. В этой конструкции секция 302 теплообменника подсоединена к камере сгорания 22, а также подсоединена к секции 304 теплообменника, которая содержит ряд ребристых или гладких трубопроводов/труб 306. Ребристые или гладкие трубопроводы или трубы 306 проходят вверх от секции 302 теплообменника, а затем изгибаются вниз по синусоидальной форме от упомянутой секции 302 к секции 314 теплообменника. Ребристые или гладкие трубы/трубопроводы 306 секции 304 теплообменника подсоединены со стороны своего выходного конца к секции 314 теплообменника. Обладающие высокой скоростью, находящиеся под давлением выше атмосферного продукты сгорания текут в секцию 302 теплообменника со стороны входа 316 и выходят в месте, обозначенном позицией 318, в секцию 314 теплообменника. Посредством интенсивной конвективной теплопередачи от продуктов сгорания, обладающих высокой скоростью, находящиеся под давлением выше атмосферного, тепловая энергия передается ребристым или гладким трубам/трубопроводам 306, от которых весьма эффективным способом тепловая энергия отбирается воздухом, принудительно подаваемым воздуходувкой 30. Сочетание продуктов сгорания, имеющих высокую скорость,находящихся под давлением выше атмосферного, и уникально сконструированной теплообменной системы приводит к получению компактной конструкции, которая по размеру может составлять 1/3 или менее от общеизвестных агрегатов, а ее КПД. может превышать 95%
На фиг. 11 представлена схема узла управления согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения, который в целом обозначен позицией 400. Центральный блок управления 28 сообщается с клапаном 44 управления подачей газообразного топлива, клапаном 40 управления подачей воздуха и воздуходувным узлом 30. Центральный блок управления 28 получает температурные данные от датчика 170, который находится в здании или жилом помещении, и от датчика 172, который находится снаружи здания или жилого помещения, и оценивает эти данные на основе заданных программ, с тем чтобы определить надлежащую тепловую нагрузку, скорость двигателя воздуходувки и время цикла работы печи для ее работы таким образом, чтобы требования по нагреву пространства выполнялись весьма эффективным способом с минимальным количеством циклов включения-выключения печи. Этим обеспечивается температура, более соответствующая предъявляемым требованиям, а также повышенный уровень комфортности внутри нагреваемого пространства, при этом увеличивается долговечность печи.
На Фиг. 12 схематически показан узел управления 28, который сообщается с компрессорной системой 18, воздуходувным узлом 30 и узлом управления 55. Узел управления 55 представляет собой сочетание клапана 40 управления подачей воздуха и клапана 44 управления подачей газообразного топлива, обеспечивающих подачу воздуха и газообразного топлива к смесительному блоку 16, который в свою очередь подает приготовленную смесь газообразного топлива и воздуха к компрессорной системе 18. В этом варианте осуществления конструкции центральный узел управления 428 получает значения температуры от датчика 170, который находится внутри жидкого помещения, и от датчика 172, который находится снаружи здания, и проводит оценку этих данных на основе заданных программ для определения надлежащей тепловой нагрузки, скорости двигателя воздуходувки и времени цикла печи для ее работы таким образом, чтобы требование по нагреву пространства выполнялось весьма эффективным способом с минимальным числом циклов включения-выключения печи. Подобно узлу управления, описанному выше применительно к фиг. 8, эта система управления также обеспечивает температуру, в большей степени соответствующую предъявляемым требованиям, и более высокий уровень комфорта внутри нагреваемого пространства, при этом долговечность печи увеличивается.
На фиг. 13 представлена рекуперативная выпускная система согласно другому варианту осуществления изобретения, которая в целом обозначена позицией 500. Обладающие высокой скоростью,находящиеся под давлением выше атмосферного продукты сгорания выходят через трубу или трубопровод 502 небольшого диаметра наружу здания или жилого помещения. Эта выпускная труба или трубопровод 502 небольшого диаметра находится внутри трубы или трубопровода 504 большего диаметра, который используется для втягивания внутреннего воздуха для поддерживания процесса сгорания. Более холодный воздух, предназначенный для процесса сгорания, подогревается обладающими высокой скоростью,находящимися под давлением выше атмосферного продуктами сгорания, проходящими весьма эффективным способом через выпускной трубопровод или трубу небольшого диаметра, поскольку обладающие высокой скоростью упомянутые продукты сгорания имеют более высокую интенсивность конвективного теплообмена, чем в обычной впускной трубе. Эта конструкция позволяет печи достичь уровней КПД, превышающих 97%
Печи с номинальной тепловой нагрузкой, порядка 50000 британских тепловых единиц в час занимают прямоугольное пространство, размеры которого составляют 6096 х 35,56 х 45,75 см. Центральный блок управления может изменять тепловую нагрузку для этой печи с номиналом 50000 брит. тепл.ед./ч от 30000 до 70000 брит. тепл. ед./ч, при этом сводя к минимуму количество циклов включения-выключения.
На фиг. 14 представлена система сгорания 600 согласно дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения. Во всем описанные выше варианты осуществления изобретения включены горелка 35 и камера сгорания 22, обычно расположенные в вертикальном положении. Хотя эта ориентация горелки 35 и камеры сгорания 22 обеспечивает прекрасные результаты работы, установлено, что горизонтальное расположение горелки 35 и камеры сгорания 22 даже обеспечивает дополнительные преимущества при работе высокоэффективной газовой печи 10.
Система сгорания 600 содержит горелку 35, камеру сгорания 22 и подводящую трубу 602. Камера сгорания 22 подобна камере сгорания 22 в описанных выше вариантах осуществления конструкции, однако камера сгорания 22 не включает в себя слой изоляции 74. Установлено, что в некоторых случаях изоляционный слой 74 не требуется для гарантии того, чтобы процесс сгорания эффективным образом доходил до завершения, при этом требуется минимальное количество документации. Камера сгорания 22 может быть заменена на камеру сгорания 22 в тех случаях, когда не требуется изоляционный слой 74. Подобно описанным выше вариантам осуществления конструкции приготовленная смесь, находящаяся под давлением выше атмосферного, подается к горелочной системе 20 по соединительной магистрали 50 и сообщается с горелкой 35. Горелка 35 включает в себя горелочный элемент 56, источник воспламенения 58 для горения приготовленной смеси из газообразного топлива/воздуха и датчик 60 безопасного пламени для гарантии того, чтобы происходило и поддерживалось надлежащее горение. Горелка 35 действует путем получения и воспламенения имеющей высокую скорость,находящейся под давлением выше атмосферного приготовленной смеси, при этом потери давления при прохождении смеси через горелочный элемент 56 минимальны. Горелка 35 содержит металлический рассекатель пламени 64 из пористого металлического волокна или струйную горелку 66.
Обладающее высокой скоростью пламя, выходящее из горелки 35, будет сдерживаться, при этом будет обеспечена возможность доведения до завершения реакции горения внутри сконструированной в виде цилиндра камеры сгорания 22. Диаметр камеры сгорания 22 предпочтительно составляет 40,4-127 см, в зависимости от заложенного диапазона тепловой нагрузки и конструкции печи. В случае этого варианта осуществления конструкции камера сгорания 22 проектируется таким образом, чтобы она располагалась горизонтально внутри зазора 604, находящегося в средней части верхних секций 98 и 112 теплообменника, показанных на фиг. 3. Камера сгорания 22 также может располагаться по горизонтали внутри зазора 604, находящегося в средней части секции 204 теплообменника, показанной на фиг.7, или внутри зазора 604, находящегося в средней части верхнего конца ребристых или гладких трубопроводов/труб 306 теплообменника 304, показанного на фиг.9. Камера сгорания 22 системы сгорания 600 идет по горизонтали от выхода нагретого воздуха 1134 по направлению к входу 132 системы 30 с воздуходувным узлом. При этом воздух, вытягиваемый из здания или жилого помещения в месте, обозначенном позицией 130, принудительно подается через вход 132 к концу камеры сгорания 22, противоположному горелке 35, либо к концу, прикрепленному к подводящей трубе 602, как показано стрелкой 606 на фиг. 10. При этом та часть камеры сгорания 22, которая имеет наивысшую температуру, встречается с поступающим потоком воздуха.
Конец камеры сгорания 22, противоположный горелке 35, сопрягается с подводящей трубой 602. Подводящая труба 602 представляет собой трубу в виде змеевика, которая соединяет наружный конец камеры сгорания 22 с выходом соответствующего теплообменника. Для теплообменника, показанного на фиг.3 и 4, это может быть нижняя секция 82. Для теплообменника, показанного на фиг.7 и 8, это будет секция 204, а для теплообменника, показанного на фиг.9 и 10, это будет секция 302. Подводящая труба 602 проходит от передней части зазора 604 к его задней части на своем пути от камеры сгорания 22 вниз к соответствующему теплообменнику.
Горизонтальная ориентация системы сгорания 600 обеспечивает повышенную теплопередачу, поскольку часть камеры сгорания 22, имеющая наивысшую температуру, обращена к более холодному входящему воздушному потоку. Кроме того, горизонтальная ориентация камеры сгорания 22 в сочетании с подводящей трубой 602 обеспечивает улучшенное использование пространства внутри печи 10, обладающей повышенной энергией, ограничивает воздушный поток между противоположными сторонами соответствующего теплообменника, тем самым форсируя воздушный поток через теплообменник, и способствует сведению к минимуму температуры продуктов сгорания, которые поступают в соответствующей теплообменник. Такое сведение к минимуму температуры продуктов сгорания обеспечивает возможность использования более обычных и менее дорогостоящих теплообменников, поскольку температура продуктов сгорания на входе существенно ниже.
На фиг. 15 и 16 представлена система сгорания 600, объединенная с теплообменником 610 согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
Имеющие высокую скорость продукты сгорания, покидающие камеру сгорания 22, перемещаются по подводящей трубе 602 и поступают в секцию 612 теплообменника 610. Высокая интенсивность конвективной теплопередачи от продуктов сгорания, находящихся под давлением выше атмосферного, обеспечивает передачу тепловой энергии к стенкам секции 612, которая сообщается с принудительным воздушным потоком от воздуходувного узла 30. Затем обладающие высокой скоростью продукты сгорания перемещаются вверх через ряд трубопровод 614. У своего входного конца трубопроводы 614 сообщаются с секцией 612 теплообменника, а у выходного конца -с секцией 616. Упомянутые продукты сгорания после этого текут вниз из секции 616 теплообменника во вторую группу трубопроводов 618 по направлению к секции 620. Затем имеющие высокую скорость продукты сгорания перемещаются от секции 620 теплообменника вверх через другую группу трубопроводов 622 к секции 624. После этого упомянутые продукты сгорания текут от секции 624 теплообменника через другой ряд трубопроводов 626 к секции 628. Затем обладающие высокой скоростью продукты сгорания текут от секции 628 теплообменника вверх через еще одну группу трубопроводов 630 к секции 632. Наконец, упомянутые продукты сгорания перемещаются вниз от секции 632 теплообменника к секции 636 через конечную группу трубопроводов 634. Секция 636 теплообменника сообщается с выпускным трубопроводом 26 для вывода продуктов сгорания во внешнюю атмосферу. Механизм интенсивной конвективной теплопередачи позволяет эффективно обеспечить передачу тепловой энергии от продуктов сгорания, обладающих высокой скоростью, к стенкам трубопроводов 614, 618, 622, 626, 630 и 634, которые в свою очередь передают тепловую энергию протяженным поверхностям большего количества плит 640, соединяющих друг с другом трубопроводы 614, 618, 622, 626, 630 и 634. Затем тепловая энергия эффективно передается воздушному потоку, выходящему из воздуходувки 30, и движущемся через теплообменник 610.
На фиг. 17 представлена система сгорания 700, выполненная согласно дополнительному варианту осуществления изобретения и особо пригодная для печей с повышенной тепловой нагрузкой. Система сгорания 700 содержит горелочный узел 35, камеру сгорания 22 и пару подводящих трубопроводов 702 и 704. Камера сгорания 22 подобна камере сгорания 22, но к ней добавлено большое количество отстоящих друг от друга в окружном направлении ребер 706, проходящих радиально наружу по длине камеры сгорания 22. Большое количество ребер 706 способствует переносу тепловой энергии от камеры сгорания 22 к воздушному потоку, поступающему от воздуходувного узла 30, а следовательно, понижает температуру продуктов сгорания, поступающих в соответствующий теплообменник. В тех случаях, когда при использовании камеры 22 эксплуатационные издержки повышаются, эта камера 22 может быть заменена на камеру сгорания 22 либо 22. Подобно описанным выше вариантам осуществления конструкции приготовленная смесь, находящаяся под давлением выше атмосферного, подается к горелочной системе 20 по соединительной магистрали 60 и сообщается с горелкой 35. Горелка 35 включает в себя горелочный элемент 56, источник воспламенения 58 для горения приготовленной смеси газообразного топлива и воздуха, а также датчик 60 безопасности пламени, предназначенный для обеспечения того, чтобы происходило и сохранялось надлежащее сгорание. Горелка 35 действует посредством подачи к нему и воспламенения приготовленной газовой смеси, обладающей высокой скоростью,находящейся под давлением выше атмосферного, причем при прохождении смеси через горелочный элемент 56 обеспечиваются минимальные потери давления. Горелка 35 может содержать горелку 64 из пористого металлического волокна или струйную горелку 66.
Высокоскоростное пламя, испускаемое из горелки 35, будет сдерживаться, при этом будет обеспечено доведение до завершения реакции горения, происходящей в цилиндрической камере сгорания 22. Диаметр камеры сгорания 22 предпочтительно составляет 50,8 127 мм в зависимости от проектируемого диапазона тепловой нагрузки и от конфигурации печи. Для системы сгорания 700 камера сгорания 22 проектируется таким образом, чтобы она располагалась по горизонтали внутри зазора 604 подобно конструкции, показанной на фиг.14. В конструкции, показанной на фиг. 14, камера сгорания 22 располагается в средней части верхних секций 98 и 112 теплообменника. Система сгорания 700, представленная на фиг. 12, спроектирована таким образом, чтобы камера сгорания 22 располагалась внутри зазора 604 приблизительно на половине пути между верхними секциями 98 и 112 и нижними секциями 82, 102 и 114 теплообменника, показанными на фиг. 3 и 4. В случае использования с теплообменным узлом 200, представленным на фиг. 7 и 8, камера сгорания 22 системы сгорания 700 располагается внутри зазора 604 приблизительно на половине пути между верхней секцией 204 и нижней секцией 202 теплообменника. При использовании с теплообменной системой 300, представленной на фиг. 2 и 10, камера сгорания 22 системы сгорания 700 располагается внутри зазора 604 приблизительно на половине пути между верхним концом труб/ трубопроводов 306 и нижней секцией 302 теплообменника. При использовании с теплообменником 610, как показано на фиг. 15 и 16, камера сгорания 22 системы сгорания 700 располагается внутри зазора 604 приблизительно на половине пути между верхними секциями 616, 624 и 632 и нижними секциями 612, 620, 628 и 636 теплообменника. Камера сгорания 22 проходит по горизонтали от выхода до нагретого воздуха 134 по направлению к входу 132 воздуходувного узла 30. Таким образом воздух, втягиваемый из здания или жилого помещения в месте, обозначенном позицией 130, принудительно подается через вход 132 по направлению к концу камеры сгорания 22, противоположному горелочному узлу 35, у конца, прикрепленному к подводящим трубам 701 и 704, как показано стрелкой 708 на фиг. 17. При этом та часть камеры сгорания 22, которая имеет наивысшую температуру, встречается с входящим потоком воздуха.
Конец камеры сгорания 22, противоположный горелочному узлу 35, сопрягается с подводящими трубами 702 и 704. Подводящая труба 702 имеет форму змеевика, который соединяет выходной конец камеры сгорания 22 с входом соответствующего теплообменника. Подводящая труба 704 также имеет форму змеевика, идущего в направлении, противоположном подводящей трубе 702, который также соединяет выходной конец камеры сгорания 22 с входом соответствующего теплообменника. Для теплообменника, представленного на фиг. 3 и 4, выход подводящих трубопроводов 702 и 704 должен быть присоединен к нижней секции 82 теплообменника; для теплообменника, показанного на фиг. 7 и 8, выход подводящих труб 702 и 704 должен быть подсоединен к секции 204 для теплообменника, показанного на фиг. 9 и 10, выход подводящих труб 702 и 704 должен быть подсоединен к секции 302, а для теплообменника, показанного на фиг. 15 и 16, выход подводящих труб 702 и 704 должен быть подсоединен к секции 612. Секции 82, 204, 302, 612 теплообменника, так же как и различные другие секции теплообменника, раскрытые в различных вариантах осуществления конструкции, могут быть разделены на две отдельные секции посредством делительной плиты, так что если желательно, каждая из подводящих труб 702 и 704 обеспечивает подачу к половине соответствующего теплообменника. Обе подводящие трубы 702 и 704 проходят от первого конца зазора 604 к заднему в противоположных направлениях, когда они идут от камеры сгорания 22 к соответствующему теплообменнику. Подводящая труба 704 имеет дополнительное вертикальное продолжение 710,чтобы встретиться с соответствующим теплообменником.
Подобно системе сгорания 600 система сгорания 700 обеспечивает лучшую теплоотдачу у части камеры сгорания 22 с наибольшей температурой, обращенной к входящему воздушному потоку. Система сгорания 700 особенно пригодна для печей с повышенной тепловой нагрузкой. Использование большого количества ребер 706 и двух подводящих труб 702 и 704 обеспечивает возможность переноса большого количества продуктов сгорания и связанной с этим теплопередачи при сохранении компактности конструкции системы сгорания 700. Кроме того, горизонтальная ориентация камеры сгорания 22 в сочетании с подводящими трубопроводами 702 и 704 обеспечивает улучшенное использование пространства внутри печи 10 с высоким КПД, ограничивает воздушный поток между противоположными сторонами соответствующего теплообменника, тем самым форсируя воздушный поток через теплообменник, и способствует сведению к минимум температуры продуктов сгорания, которые поступают в соответствующий теплообменник. Указанное сведение к минимум температуры продуктов сгорания обеспечивает возможность использования более обычного и менее дорогостоящего теплообменника, поскольку температура продуктов сгорания на входе существенно ниже.
В газовой печи с высоким КПД используется уникальная конструкция для предварительного смешения в сочетании с процессом сгорания, осуществляемым при избыточном давлении с высокой скоростью. Процесс сгорания происходит в камере сгорания, при этом обладающие высокой температурой и высокой скоростью продукты сгорания текут по круговому пути из камеры сгорания через ребристые трубчатые каналы к выпуску. Тепло от продуктов сгорания, обладающих высокой температуры и высокой скоростью, передается ребристым трубчатым каналам. Воздуходувный узел заставляет течь воздух через ребристые трубчатые каналы и камеру сгорания для отвода тепла из ребристых трубчатых каналов и передачи этого тепла зданию или его замкнутой части. 18 з.п. ф-лы, 17 ил.
| GB, патент, 1335214, кл | |||
| Пишущая машина для тюркско-арабского шрифта | 1922 |
|
SU24A1 |
