УНИВЕРСАЛЬНОЕ НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2008 года по МПК F28D15/02 

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к конструкции теплообменников, работающих на электроэнергии или на продуктах сгорания газа при отсутствии электроэнергии.

Известен теплообменник. (Свидетельство на полезную модель RU № 31165. Теплообменник с электроподогревом / В.В.Стулов, Ю.Г.Кабалдин. Опубл. 20.07.2003. Бюл. №20),[1], содержащий корпус с поперечной перегородкой, установленной в нем, с образованием каналов для теплообменивающихся сред, в перегородке установлен пучок оребренных термосифонов, испарительные участки которых расположены в щелевидном канале корпуса, расширяющемся по направлению подвода горячей среды, к которому примыкает выпускное отверстие корпуса, подводящий патрубок, пучек оребренных термосифонов установлен в перегородке в шахматном порядке, в щелевидном канале размещены, последовательно направлению движения горячей среды плоские электронагреватели с регулируемой мощностью, термопара в щелевидном канале с горячей средой, в конденсационной части термосифонов расположен вентилятор с электродвигателем с регулируемым числом оборотов, термопара на наружной поверхности корпуса, датчик уровня воды в щелевидном канале.

Недостатком теплообменника [1] является необходимость наличия проточной горячей среды, сравнительно большие габаритные размеры при увеличении эффективной тепловой мощности, а также высокая трудоемкость изготовления.

Известен теплообменник. (Патент на ПМ RU № 38221. Теплообменник с электронагревом / В.В.Стулов, Ю.Г.Кабалдин, М.В.Коркин. Опубл. 27.05.2004. Бюл. №15),[2], содержащий отдельные трубы, закрепленные в коллекторе с образованием одной полости испарительно-конденсационного цикла, коллектор выполнен из двух расположенных одна в другой труб большего Д₁ и меньшего Д₂ диаметров, в трубе большего диаметра закреплены оребренные трубы диаметром Д₃, в полости между трубами большего и меньшего диаметров расположены электронагреватели, датчики уровня теплоносителя и термопара, в нижней части трубы большего диаметра расположен заправочный штуцер, в зоне охлаждения оребренных труб расположен кожух, вентилятор с электродвигателем с регулируемым числом оборотов и термопара, диаметры труб Д₁ и Д₂ связаны соотношением Д₂/Д₁=0,65-0,85, а электронагреватели, датчики уровня теплоносителя, термопары и электродвигатель вентилятора подсоединены в систему автоматического управления работой теплообменника.

Недостатки теплообменника [2] заключаются в следующем:

1. Зависимость работы теплообменника от наличия электрической энергии.

2. Возможность нарушения герметичности полости испарительно-конденсационного цикла с утечкой теплоносителя и выход теплообменника из строя.

3. Сравнительно высокая трудоемкость изготовления.

Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемого теплообменника, заключается в:

1. Повышении надежности и срока службы теплообменника.

2. Возможность работы теплообменника на одном из двух источников энергии: на электрической энергии или тепловой энергии, получаемой при сгорании газа.

3. Расширении области применения теплообменника.

Заявляемый теплообменник характеризуется следующими существенными признаками.

Ограничительные признаки: трубы, закрепленные в коллекторе с образованием одной полости испарительно-конденсационного цикла; коллектор выполнен из двух расположенных одна в другой труб большего Д₁ и меньшего Д₂ диаметров; в полости между трубами большего и меньшего диаметров расположены электронагреватели, датчик уровня теплоносителя и термопара; в нижней части трубы большего диаметра расположен штуцер; диаметры труб Д₁ и Д₂ связаны соотношением Д₂/Д₁=0,65-0,85; электронагреватели, датчик уровня теплоносителя и термопара подсоединены в систему автоматического управления работой нагревательного устройства.

Отличительные признаки: внутри трубы меньшего диаметра Д₂ расположена дополнительная труба диаметром Д₃ с образованием коллектора горячих газов; по периметру коллектора горячих газов расположены сопла газовых горелок с электрическими регуляторами расхода газа; по длине трубы большего диаметра Д₁ с двух сторон в ее верхней части закреплены паропроводы, присоединенные к паровым коллекторам; по длине трубы большего диаметра Д₁ с двух сторон в ее нижней части закреплены конденсатопроводы, присоединенные снизу паровых коллекторов; теплообменники с коллектором, термопарой и электромагнитным клапаном, присоединенные сверху парового коллектора; автоматическое устройство поддержания заданного уровня теплоносителя в полости между трубами большего и меньшего диаметров, соединенное трубопроводом с электромагнитным клапаном и баком с теплоносителем; дымовая труба, примыкающая к коллектору горячих газов; электрический насос для подачи теплоносителя из бака; давление подачи теплоносителя насосом «P₁» связано с давлением в полости между трубами большего и меньшего диаметров «Р₂» соотношением P₁/P₂=1,1÷1,3; количество паропроводов n₁=2÷8; количество конденсатопроводов n₂=2-4; количество сопел газовых горелок n₃=3-8; угол наклона расположения оси трубы конденсатопровода с вертикальной плоскостью α=15-83°; диаметры труб Д₃ и Д₂ связаны соотношением Д₃/Д₂=0,5÷0,75; длина коллектора горячих газов «L» и диаметр трубы Д₁ связаны соотношением L/Д=2,5-5,0.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого универсального нагревательного устройства и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

Расположение внутри трубы меньшего диаметра Д₂ дополнительной трубы диаметром Д₃ позволяет образовать коллектор для подачи горячих газов, что обеспечивает работу нагревательного устройства.

Расположение по периметру коллектора горячих газов сопел газовых горелок с электрическими регуляторами расхода газа обеспечивает эффективное сгорание газа и позволяет регулировать тепловую мощность нагревательного устройства.

Закрепление по длине трубы большего диаметра Д₁ с двух сторон в ее верхней части паропроводов, присоединенных к паровым коллекторам, обеспечивает передачу на определенное расстояние тепловой энергии к теплообменникам.

Наличие паровых коллекторов позволяет равномерно распределять пар между теплообменниками.

Закрепление по длине трубы большего диаметра Д₁ с двух сторон в ее нижней части конденсатопроводов, присоединенных снизу паровых коллекторов, позволяет возвращать в полость между трубами большего Д₁ и меньшего Д₂ диаметров коллектора образующийся в теплообменниках конденсат. В результате обеспечивается надежная работа нагревательного устройства.

Наличие теплообменников с коллектором, термопарой и электромагнитным клапаном, присоединенных сверху парового коллектора, позволяет передавать в окружающую среду тепло, образующееся при конденсации в них пара. Термопара позволяет контролировать температуру нагрева теплообменников.

Наличие коллектора и электромагнитного клапана позволяет удалять перед началом работы нагревательного устройства воздух из всей полости испарительно-конденсационного цикла, что обеспечивает работу устройства.

Наличие автоматического устройства поддержания заданного уровня теплоносителя в полости между трубами большего и меньшего диаметров, соединенное трубопроводом с электромагнитным клапаном и баком с теплоносителем обеспечивает длительную работу нагревательного устройства даже в случае утечки теплоносителя.

Наличие электрического насоса обеспечивает подачу теплоносителя из бака по трубопроводу при закрытом электромагнитном клапане в полость между трубами большего и меньшего диаметров работающего нагревательного устройства.

Уменьшение соотношения Р₁/Р₂<1,1 (где P₁ - давление подачи теплоносителя насосом, Р₂ - давление в полости между трубами большего и меньшего диаметров) исключает подачу теплоносителя насосом из бака в полость между трубами большего и меньшего диаметров при работающем нагревательном устройстве.

Увеличение соотношения P₁/P₂>1,3 приводит к нерациональному увеличению габаритов электрического насоса и расхода электроэнергии.

Уменьшение количества паропроводов n₁<2 уменьшает расход пара, подводимого к теплообменникам, а соответственно уменьшает тепловую эффективность работы нагревательного устройства.

Увеличение количества паропроводов n₁>8 приводит к нерациональному увеличению габаритов нагревательного устройства и снижению эффективности передачи тепла в окружающую среду.

Уменьшение количества конденсатопроводов n₂<2 не обеспечивает возврат заданного количества теплоносителя в полость между трубами большего и меньшего диаметров. В результате этого - недостаточная эффективная тепловая мощность нагревательного устройства.

Увеличение количества конденсатопроводов n₂>4 приводит к ограничению скорости поступления конденсата теплоносителя в полость между трубами большего и меньшего диаметров. Кроме этого, увеличивается трудоемкость изготовления нагревательного устройства и увеличивается его вес.

Уменьшение количества сопел газовых горелок с электрическими регуляторами расхода газа n₃<3, расположенных по периметру коллектора горячих газов, не обеспечивает высокоэффективный равномерный нагрев теплоносителя в полости между трубами большего и меньшего диаметров. В результате уменьшается тепловая мощность нагревательного устройства.

Увеличение количества сопел газовых горелок с электрическими регуляторами расхода газа n₃>8 приводит к нерациональному увеличению габаритов нагревательного устройства и затрудняет эффективное сгорания газа в коллекторе горячих газов.

Уменьшение угла наклона расположения оси трубы конденсатопровода с вертикальной плоскостью α<15° затрудняет расположение теплообменников сверху парового коллектора и не обеспечивает эффективную передачу тепла в окружающую среду.

Увеличение угла наклона расположения оси трубы конденсатопровода с вертикальной плоскостью α>83° затрудняет возврат конденсата теплоносителя в полость между трубами большего и меньшего диаметра нагревательного устройства. В результате нарушается эффективная работа нагревательного устройства и уменьшается его тепловая мощность.

Уменьшение соотношения Д₃/Д₂<0,5 (где Д₃ - диаметр дополнительной трубы в коллекторе горячих газов, Д₂ - диаметр трубы коллектора) не обеспечивает высокоэффективный нагрев трубы диаметром Д₂, а соответственно и передачу тепла через стенку трубы диаметром Д₂ теплоносителю. Кроме этого, горячие газы с высокой температурой выбрасываются через дымовую трубу в окружающую среду, что приводит к снижению тепловой эффективности работы нагревательного устройства.

Увеличение соотношения Д₃/Д₂>0,75 затрудняет расположение сопел газовых горелок с электрическими регуляторами расхода газа по периметру коллектора горячих газов. Кроме этого, затрудняется полное сгорание газа в коллекторе.

Уменьшение соотношения L/Д₁<2,5 (где L - длина коллектора горячих газов, Д₁ - труба коллектора большего диаметра) не обеспечивает эффективную передачу тепла от горячих газов в коллекторе к теплоносителю в полости между трубами большего и меньшего диаметров. В результате снижается тепловая мощность нагревательного устройства.

Увеличение соотношения L/Д₁>5,0 приводит к нерациональному увеличению габаритов нагревательного устройства и количеству устанавливаемых теплообменников с коллектором, снижению надежности и эффективности работы нагревательного устройства.

На фиг.1 приведен внешний вид нагревательного устройства, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.

Заявляемое универсальное нагревательное устройство на фиг.1 и 2 состоит из коллектора 1, изготовленного из двух расположенных одна в другой труб большего диаметра 2 и меньшего диаметра 3, полости 4 испарительно-конденсационного цикла с электронагревателями 5, датчиком уровня теплоносителя 6 и термопарой 7, штуцера 8, дополнительной трубы 9, коллектора горячих газов 10, сопел газовых горелок 11 с электрическими регуляторами расхода газа 12, паропроводов 13 с паровыми коллекторами 14, конденсатопроводов 15, теплообменников 16 с коллектором 17, термопарой 26 и электромагнитным клапаном 18, автоматического устройства 19 поддержания заданного уровня теплоносителя 20, бака 21 с трубопроводом 22 и электромагнитным клапаном 23, электрического насоса 24 для подачи теплоносителя, дымовой трубы 25.

Предварительно в бак 21 заливается теплоноситель 20, который через трубопровод 22 и открытый электромагнитный клапан 23, а также через автоматическое устройство 19 поддержания заданного уровня теплоносителя поступает в полость 4 испарительно-конденсационного цикла коллектора 1, состоящего из труб большего диаметра 2 и меньшего диаметра 3.

Универсальное нагревательное устройство работает следующим образом. Газ через сопла газовых горелок 11 с электрическими регуляторами расхода газа 12 поступает в коллектор горячих газов 10, состоящий из трубы меньшего диаметра 3 и дополнительной трубы 9, в котором сгорает. Тепло, образующееся при сгорании газов передается через стенку трубы меньшего диаметра 3 в полость 4 испарительно-конденсационного цикла с разогревом теплоносителя 20 до заданной температуры, контролируемой по показаниям термопары 7, подключенной в систему автоматического управления работой нагревательного устройства. Дымовые газы удаляются через дымовую трубу 25 в окружающую среду. После разогрева теплоносителя 20 до заданной температуры, контролируемой по показаниям термопары 7 системой автоматического управления работой нагревательного устройства открываются электромагнитные клапаны 18 для удаления из полости 4 испарительно-конденсационного цикла через паропроводы 13 с паровыми коллекторами 14, теплообменники 16 с коллекторами 17 неконденсирующихся газов в окружающую среду. Удаление из нагревательного устройства неконденсирующихся газов заканчивается, когда показания температуры термопарой 26 будет незначительно на несколько градусов отличаться от показаний термопарой 7. Пар, образующийся при испарении и кипении теплоносителя 20 в полости 4 испарительно-конденсационного цикла поступает по паропроводам 13 и паровым коллекторам 14 в теплообменники 16, где конденсируется. Образующееся при конденсации пара в теплообменниках 16 тепло передается в окружающую среду, а конденсат по конденсатопроводам 15 поступает с двух сторон в нижнюю часть трубы большего диаметра 2. При длительной работе нагревательного устройства и утечках теплоносителя 20, контролируемого по показаниям датчика уровня теплоносителя 6, автоматическое устройство 19 поддержания заданного уровня теплоносителя в полости 4 обеспечивает его подачу по трубопроводу 22 через открытый электромагнитный клапан 23 из бака 21. В случае необходимости дополнительной подачи значительных количеств теплоносителя в полость 4 системой автоматического управления работой нагревательного устройства закрывается электромагнитный клапан 23 и включается электрический насос 24 подачи теплоносителя из бака 21. После достижения заданного уровня теплоносителя в полости 4, контролируемого по показаниям датчика уровня теплоносителя 6, системой автоматического управления работой нагревательного устройства включается электрический насос 24.

При отсутствии газа системой автоматического управления работой нагревательного устройства включаются электронагреватели 5 с разогревом теплоносителя 20 до заданной температуры. В случае необходимости очистки полости 4 нагревательного устройства от загрязнений выворачивается штуцер 8 и сливается теплоноситель при закрытом электромагнитном клапане 23. Далее работа теплообменника осуществляется согласно выше описанному.

Нагревательное устройство относится к теплотехнике. Технический результат - повышение надежности и срока его службы, а также возможность работы нагревательного устройства на электрической энергии или тепловой, получаемой при сгорании газа. Устройство содержит трубы, закрепленные в коллекторе с образованием одной полости испарительно-конденсационного цикла. Коллектор выполнен из двух расположенных одна в другой труб большего и меньшего диаметров. В полости между трубами расположены электронагреватели, датчик уровня теплоносителя и термопара. В нижней части трубы большего диаметра расположен штуцер. Диаметры труб связаны соотношением Д₂/Д₁=0,65-0,85. Электронагреватели, датчик уровня теплоносителя и термопара подсоединены в систему автоматического управления работой нагревательного устройства. Внутри трубы меньшего диаметра расположена дополнительная труба с образованием коллектора горячих газов, по периметру которого расположены сопла газовых горелок с электрическими регуляторами расхода газа. По длине трубы большего диаметра с двух сторон в ее верхней части закреплены паропроводы, присоединенные к паровым коллекторам, а в ее нижней части закреплены конденсатопроводы, присоединенные снизу паровых коллекторов. Сверху парового коллектора присоединены теплообменники с термопарой и электромагнитным клапаном. В полости между трубами большего и меньшего диаметров расположено автоматическое устройство поддержания заданного уровня теплоносителя, соединенное трубопроводом с электромагнитным клапаном с баком, заполненным теплоносителем. К коллектору горячих газов примыкает дымовая труба. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Универсальное нагревательное устройство, содержащее трубы, закрепленные в коллекторе с образованием одной полости испарительно-конденсационного цикла, коллектор выполнен из двух расположенных одна в другой труб большего Д₁ и меньшего Д₂ диаметров, в полости между трубами большего и меньшего диаметров расположены электронагреватели, датчик уровня теплоносителя и термопара, в нижней части трубы большего диаметра расположен штуцер, диаметры труб Д₁ и Д₂ связаны соотношением Д₂/Д₁=0,65÷0,85, а электронагреватели, датчик уровня теплоносителя и термопара подсоединены в систему автоматического управления работой нагревательного устройства, отличающееся тем, что внутри трубы меньшего диаметра Д₂ расположена дополнительная труба диаметром Д₃ с образованием коллектора горячих газов, по периметру коллектора расположены сопла газовых горелок с электрическими регуляторами расхода газа, по длине трубы большего диаметра Д₁ с двух сторон в ее верхней части закреплены паропроводы, присоединенные к паровым коллекторам, а по длине трубы большего диаметра Д₁ с двух сторон в ее нижней части закреплены конденсатопроводы, присоединенные снизу паровых коллекторов, теплообменники с коллектором, термопарой и электромагнитным клапаном присоединены сверху парового коллектора, автоматическое устройство поддержания заданного уровня теплоносителя в полости между трубами большего и меньшего диаметров соединено трубопроводом с электромагнитным клапаном с баком, заполненным теплоносителем, дымовая труба примыкает к коллектору горячих газов, электрический насос для подачи теплоносителя из бака под давлением P₁, которое связано с давлением в полости между трубами большего и меньшего диаметров Р₂ соотношением P₁/P₂=1,1÷1,3.2. Универсальное нагревательное устройство по п.1, отличающееся тем, что количество паропроводов n₁=2÷8, количество конденсатопроводов n₂=2÷4, количество сопел газовых горелок n₃=3÷8, угол наклона расположения оси трубы конденсатопровода с вертикальной плоскостью α=15-83°, диаметры труб Д₃ и Д₂ связаны соотношением Д₃/Д₂=0,5-0,75, длина коллектора горячих газов L и диаметр трубы Д₁ связаны соотношением L/Д₁=2,5-5,0.