НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОУСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК F02G5/02 F24H1/00 F23L15/04 F28D7/02 

Настоящее изобретение относится к нагревательному электроустройству. В частности, изобретение относится к бытовой объединенной тепло- и энергоустановке ((DCHP)(БОТЭ)).

Были предложены такие БОТЭ-установки, которые включают двигатель Стирлинга, соединенный с генератором переменного тока для генерирования электричества. Тепло, вырабатываемое двигателем Стирлинга, которое в других случаях должно сбрасываться, используется для нагрева воды, питающей бытовую водонагревательную и центральную нагревательную системы, и поэтому становится ценным продуктом БОТЭ-установки. Было показано, что наиболее благоприятные экономические показатели для БОТЭ-установки достигаются тогда, когда двигатель Стирлинга/генератор переменного тока задаются таких размеров, чтобы генерировать приблизительно 1 кВт электричества. На данном уровне, однако, будет обеспечиваться только приблизительно 5 кВт тепла, что значительно ниже обычной бытовой тепловой нагрузки, превышающей 20 кВт.

Для того чтобы подать остальное тепло так, чтобы БОТЭ-установка могла эффективно конкурировать с современными техническими характеристиками бытового парового котла, требуется дополнительная газовая горелка. Настоящее изобретение имеет своей целью обеспечить термически эффективную работу двигателя Стирлинга и дополнительной горелки.

Согласно настоящему изобретению предусматривается бытовая объединенная тепло- и энергоустановка, содержащая двигатель Стирлинга и водонагреватель, в которой двигатель Стирлинга расположен для нагревания первой горелкой, питаемой горючим газом, причем установка дополнительно содержит выпускной газоход, проходящий от двигателя Стирлинга в контакте с впуском горючего газа в первую горелку с предварительным нагревом горючего газа, поступающего в первую горелку, и затем горячей водой, которая дополнительно нагревается водонагревателем, где водонагреватель снабжен второй горелкой, и где установка сконструирована так, что выходящий газ и газ от второй горелки образуют объединенный поток сразу после того, как они отдают тепло воде, и объединенный поток размещен для нагрева воды выше по потоку от выходящего газа.

Таким образом, тепло от выпуска первоначально регенерируется в входящую в горелку воздушно-газовую смесь, что имеет эффект снижения сгораемого топлива и увеличения температуры горения, что увеличивает скорость теплопередачи к двигателю Стирлинга и поэтому улучшает эффективность установки. Указанный выходящий газ, который теперь охлаждается до некоторой степени, тогда используется для нагрева воды, которая также нагревается дополнительным водонагревателем, поэтому снижая подвод теплоты, требуемый от дополнительного водонагревателя.

К тому же вода будет получать тепло относительно низкого сорта от объединенного потока, т.к. компоненты объединенного потока уже отдали часть тепла воде. Вода тогда будет затем получать тепло относительно высокого сорта непосредственно от выходящего газа и от дополнительной горелки. Такая конструкция является термически эффективной.

Предпочтительно установка дополнительно содержит охладитель двигателя Стирлинга, предназначенный для нагрева воды выше по потоку от нагрева выходящего газа. Это не только служит для обеспечения нагревания воды, но также помогает поддерживать требуемый перепад температур в двигателе Стирлинга.

Газы горелки, нагревающие головную часть двигателя Стирлинга, обычно находятся при температуре около 1400°С. Поскольку газы идут вокруг головной части, тепло передается в головку нагревателя, и температура газов падает до примерно 800°С. Газы передают тепло к входящей топливно-воздушной смеси. Если отсутствует дополнительная регенерация тепла, выпускные газы, идущие в трубу двигателя Стирлинга, тогда обычно имеют температуру около 600°С.

Настоящее изобретение также относится к новой конструкции нагревательного устройства для передачи тепла воде. Требованиями к нему является то, что оно должно быть компактным и способным передавать тепло от, по меньшей мере, двух потоков к воде с максимальной эффективностью.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предусматривается нагревательное устройство для нагревания текучей среды, причем устройство содержит: корпус; трубопровод в корпусе к его наружной периферии и спиралевидно обмотанный вокруг центральной оси корпуса для транспортирования текучей среды от первого конца корпуса ко второму концу корпуса; дополнительную горелку в корпусе, смежную со вторым концом и окруженную трубопроводом для передачи тепла к текучей среде в первой части трубопровода; выпуск для горячего газа от внешнего источника тепла, причем впуск выполнен с конфигурацией для направления горячего газа радиально наружу на вторую часть трубопровода ближе к первому концу корпуса, чем первая часть трубопровода.

Такое устройство является особенно компактным, т.к. дополнительная горелка и впуск для газа от внешнего источника находятся в трубопроводе, через который транспортируется текучая среда. Кроме того, дополнительная горелка и впуск размещены, чтобы передавать тепло к различным частям спиралевидного трубопровода. Таким образом, устройство может быть установлено так, чтобы быть особенно термически эффективным.

Предпочтительно впуск расположен с возможностью, по существу, предотвращать смешение газа от дополнительной горелки и горячего газа от внешнего источника тепла, по меньшей мере, пока оба проходят через спиралевидно обмотанный трубопровод. Таким образом, потоки, по существу, предотвращаются от смешения до достижения трубопровода с обеспечением более эффективной теплопередачи.

Как только выходящий газ и горячий газ от внешнего источника проходят через спиралевидно обмотанный трубопровод, они могут быть тогда просто сброшены либо отдельно, либо в виде объединенного потока. Однако предпочтительно два потока образуют объединенный поток сразу после того, как они сначала отдадут часть тепла трубопроводу, и объединенный поток проходит вокруг третьей части трубопровода ближе к первому концу, чем вторая часть трубопровода. Таким образом, холодная текучая среда в спиралевидно обмотанном трубопроводе, которая поступает в первый конец корпуса, сначала сталкивается с указанным относительно холодным объединенным потоком и предварительно нагревается данным потоком до нагревания газом от внешнего источника тепла и газом от дополнительной горелки.

Хотя некоторое смешение газа от дополнительной горелки и горячего газа от внешнего источника тепла является допустимым, т.к. небольшое количество смеси имеет относительно небольшое влияние на общий нагрев текучей среды, предпочтительно минимизировать такое смешение как можно больше. Поэтому предпочтительно предусматривается герметизация для предотвращения смешения газа от дополнительной горелки и горячего газа от внешнего источника тепла радиально внутри трубопровода.

Для того чтобы максимизировать теплопередачу к трубопроводу, трубопровод предпочтительно устанавливают так, что каждый виток трубопровода делается плоским в направлении центральной оси, так что в поперечном сечении его радиальный размер превышает его осевой размер. Также предпочтительно смежные витки трубопровода близко расположены рядом или упираются друг в друга. Это обеспечивает то, что горячий газ проходит через относительно длинный и узкий проход между смежными витками трубопровода, что делает эффективной теплопередачу. Указанная конструкция трубопровода указана в WO 94/16272.

Пример изобретения теперь описан со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

на фиг.1 представлена схема первой установки с двигателем Стирлинга;

на фиг.2 представлена схема второй установки с двигателем Стирлинга;

на фиг.3 представлено поперечное сечение нагревательного устройства; и

на фиг.4 представлен вид с торца устройства с фиг.3.

Устройство, показанное на фиг.1, содержит двигатель Стирлинга 1, к которому тепло подается горелкой 14. Тепло передается к головной части системой ребер 3, как рассмотрено в ранней одновременно рассматриваемой заявке авторов №0020012, и выходит через газоход.

Устройство на фиг.1 имеет водонагреватель 15, который предназначен для нагревания водного потока 16 с помощью дополнительной горелки 17. Выходящие газы удаляются через газоход 18.

Общая линия подачи газа 19 предусмотрена как для первой горелки 14, так и для дополнительной горелки 17. Указанный газовый поток регулируется одним многофункциональным клапаном 20. Горелка регулирует регулируемое воспламенение, и детектирование пламени горелки может быть введено в многофункциональный контроллер. Газ в многофункциональном клапане 20 поступает в смесительную камеру в форме трубки Вентури 21 и смешивается с воздушным потоком 22, подаваемым вентилятором.

Смесь газа и воздуха теперь подается в распределительный клапан 23, в котором один впуск 24 ведет к выпуску первой горелки 25 и выпуску второй горелки 26. Относительное количество потока к каждому выпуску регулируется шарнирным клапаном 27, который вращается вокруг оси 28. Положение шарнирного клапана 27 устанавливается контроллером установки и приводится в указанное положение, например, серводвигателем. Альтернативно воздушный поток может быть разделен после единственного всасывающего вентилятора 60 таким распределительным клапаном 23, и тогда каждый воздушный поток может быть введен в многофункциональный клапан/контроллер с точным дозированием газовой смеси для каждой горелки. Такая конструкция показана на фиг.2.

Топливно-воздушная смесь, подаваемая в двигатель Стирлинга 1, течет вокруг обтекателя 29, закрывающего горелку, и поэтому нагревается горячим газовым потоком, выходящим из горелки. Выходящий газ, который отдал часть своего тепла входящей смеси, выходит из обтекателя через трубу 30 и поступает в водонагреватель 15, где он вступает в контакт с водным потоком 16 (который был уже нагрет до некоторой степени в охладителе двигателя Стирлинга 31) с тем, чтобы дополнительно предварительно нагреть водный поток 16 выше по потоку от дополнительной горелки 17. Дополнительную горелку 17 зажигают для дополнительного нагрева водного потока 16, если требуется. Выходящий газ из первой горелки 14 выходит из водонагревателя 15 с выходящим газом из дополнительной горелки 17 через газоход 18.

Нагревательное устройство показано более подробно на фиг.3 и 4 и содержит дополнительную горелку 17 и водонагреватель 15. Водонагреватель 15 имеет обычно цилиндрический корпус 39 с главной осью 40. Дополнительная горелка 17 расположена на оси 40 так, что пламя отходит радиально наружу.

Воду подают через водонагреватель 15 с правой стороны (фиг.3) к левой стороне по водопроводу 41, которым является одиночная спиралевидная труба (которая может быть выполнена из ряда соединенных сегментов), намотанная вокруг оси 40, к наружной периферии цилиндрического корпуса 39. Каждый отдельный виток водопровода 41 делается плоским в осевом направлении. Смежные витки расположены близко друг к другу, но не сварены вместе, так что горячий газ может проходить между смежными витками. К середине водонагревателя 15 отходит впуск 42 для выходящего газа из двигателя Стирлинга. Впуск ведет в круглую камеру 43, образованную между круглыми пластинами 44, 45, последняя из которых является отверстием для впуска 42. Кольцевые подвески 46 перекрывают зазор между краем пластин 44, 45 и водопроводом 41 с обеспечением того, что весь выходящий газ из камеры 43 проходит через витки водопровода 41. По отношению ко второму концу от камеры 43 находится камера дополнительной горелки 47, в которой горит дополнительная горелка 17. Дополнительная горелка нагревает смежные витки со вторым концом.

По отношению к первому концу от камеры 43 находится разгрузочная камера 48 с выпуском 49. Имеется также выпуск 50 для конденсата, полученного благодаря природе высокой эффективности данной конечной стадии регенерации тепла.

Работа водонагревателя 15 заключается в следующем. Вода течет через водопровод 41 от первого конца ко второму концу вокруг спиралевидного прохода. Дополнительная горелка 17 горит в камере 47, и выходящий газ поступает на вход 42 и проходит в камеру 43. Указанные два горячих потока проходят радиально через зазоры между смежными витками в водопроводе 41 в наружную кольцевую камеру 51 и образуют объединенный поток. Данный объединенный поток затем течет обратно через водопровод 41, смежный с первым концом, как указано стрелкой 52. Поступающая вода поэтому сначала нагревается указанным объединенным потоком. Поскольку она течет далее ко второму концу, она встречает выходящий газ двигателя Стирлинга из камеры 43 и нагревается дополнительно. Наконец, она встречает горячий газ от дополнительной горелки 17 с обеспечением третьей стадии нагрева.

При создании указанного трехстадийного нагревательного устройства обеспечивается эффективный нагрев воды. Кроме того, как можно видеть на фиг.2, устройство, в котором предусмотрен указанный трехстадийный нагрев, является особенно компактным, что дает экономию стоимости и пространства.

Изобретение относится к бытовой объединенной тепло-энергоустановке. Бытовая объединенная тепло- и энергоустановка, содержащая двигатель Стирлинга и водонагреватель, в которой двигатель Стирлинга расположен, чтобы нагреваться первой горелкой, питаемой горючим газом, причем установка дополнительно содержит выпускной газоход, проходящий от двигателя Стирлинга в контакте с впуском горючего газа в первой горелке для предварительного нагрева горючего газа, поступающего в первую горелку, и затем нагрева воды, которая затем нагревается водонагревателем, где водонагреватель обеспечен второй горелкой и где установка сконструирована так, что выходящий газ и газ от второй горелки образуют объединенный поток сразу после того, как они отдают тепло воде, и объединенный поток для нагрева воды располагается выше по потоку от выходящего газа. Установка дополнительно содержит охладитель двигателя Стирлинга, расположенный для нагревания воды выше по потоку от нагревания выходящего газа. Изобретение обеспечивает эффективный нагрев воды, экономию стоимости и компактность устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Бытовая объединенная тепло- и энергоустановка, содержащая двигатель Стирлинга и водонагреватель, в которой двигатель Стирлинга расположен, чтобы нагреваться первой горелкой, питаемой горючим газом, причем установка дополнительно содержит выпускной газоход, проходящий от двигателя Стирлинга в контакте с впуском горючего газа в первой горелке для предварительного нагрева горючего газа, поступающего в первую горелку, и затем нагрева воды, которая затем нагревается водонагревателем, где водонагреватель обеспечен второй горелкой и где установка сконструирована так, что выходящий газ и газ от второй горелки образуют объединенный поток сразу после того, как они отдают тепло воде, и объединенный поток для нагрева воды располагается выше по потоку от выходящего газа.2. Установка по п.1, дополнительно содержащая охладитель двигателя Стирлинга, расположенный для нагревания воды выше по потоку от нагревания выходящего газа.