ТЕПЛООБМЕННИК, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЙ, В ОСОБЕННОСТИ, ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Российский патент 2013 года по МПК F28D1/04 F28F1/08 

Предпосылки создания изобретения

Изобретение относится к теплообменнику, предназначенному, в особенности, для тепловых генераторов.

В настоящее время уже известны теплообменники с трубной решеткой, в которых один теплоноситель проходит по трубам, имеющим обычно круглое сечение, в то время как другой теплоноситель проходит снаружи указанных труб, в специально сконструированной камере, так называемой "оболочке".

Краткое изложение сущности изобретения

Целью данного изобретения является создание теплообменника, обладающего высокой эффективностью теплообмена.

В объеме указанной цели, основным предметом данного изобретения является создание такого теплообменника, который бы позволял изготавливать очень компактные бойлеры.

Еще одним предметом данного изобретения является создание такого теплообменника, который бы позволял использовать скрытую теплоту испаряющегося пара (конденсации), в большинстве условий установки и работы.

Еще одним предметом данного изобретения является создание такого теплообменника, который построен таким образом, чтобы позволить встроить непосредственно в указанный теплообменник горелку и охлаждать при этом камеру сгорания вторым теплоносителем, что значительно уменьшает выделение NO_X.

Еще одним предметом данного изобретения является создание такого теплообменника, у которого была бы небольшая масса, что позволяет еще больше уменьшить общую тепловую инерцию, обеспечить высокую скорость реакции на изменение тепловой нагрузки и значительное уменьшение нежелательных тепловых потерь.

Еще одним предметом данного изобретения является создание такого теплообменника, который бы позволил в значительной степени автоматизировать процесс его изготовления за счет специально разработанной механической конструкции.

Еще одним предметом данного изобретения является создание такого теплообменника, который имел бы незначительные нагрузочные потери на стороне второго теплоносителя и, следовательно, значительное уменьшение энергопотребления элементами, приводящими в движение теплоноситель (такими как насосы и им подобные).

Еще одним предметом данного изобретения является создание такого теплообменника, который благодаря своим специально разработанным конструкционным характеристикам является очень надежным и безопасным в работе.

Согласно одному аспекту данного изобретения, упомянутые выше цель и предметы изобретения, а также другие предметы изобретения, которые станут более понятными в дальнейшем, достигаются благодаря теплообменнику, предназначенному, в особенности, для тепловых генераторов и отличающемуся тем, что указанный теплообменник содержит множество осуществляющих теплообмен труб, и каждая из этих осуществляющих обмен труб имеет поперечное сечение, имеющее несколько лепестков.

Краткое описание чертежей

Дополнительные отличительные черты и преимущества данного изобретения станут более понятными в дальнейшем из следующего описания предпочтительного, но не единственного варианта выполнения данного изобретения, который представлен в качестве иллюстрированного, но не ограничительного примера на сопровождающих чертежах, на которых:

Фиг.1 - схематическая вертикальная проекция теплообменника согласно данному изобретению;

Фиг.2 - горизонтальная проекция теплообменника;

Фиг.3 - вид в поперечном разрезе четырехлепестковой трубы теплообменника, согласно данному изобретению;

Фиг.4 - вид сбоку, иллюстрирующий наружную конфигурацию, или геометрию, четырехлепестковых труб теплообменника, предложенного в данном изобретении;

Фиг.5 - вертикальная проекция с частичным разрезом верхней области теплообменника, на которой показана деаэрация вторичного теплоносителя;

Фиг.6 - проекция, аналогичная Фиг.5, на которой показана горелка, размещенная в верхней части теплообменника, предложенного в изобретении;

Фиг.7 - вертикальная проекция, на которой схематически показана работа теплового генератора, включающего теплообменник, согласно данному изобретению.

Описание предпочтительных вариантов выполнения

Со ссылками на ссылочные номера упомянутых выше фигур, теплообменник, согласно данному изобретению, который в общем виде обозначен ссылочным номером 1, содержит множество труб для осуществления теплообмена, имеющих многолепестковое поперечное сечение и обозначенных ссылочным номером 2, через которые пропускается первичный теплоноситель и которые соединены с двумя перфорированными элементами, т.е. верхним перфорированным элементом 3 и нижним перфорированным элементом 4.

Указанные трубы соединены с этими перфорированными элементами, которые образованы дном и/или тарелкой, путем сварки или аналогичного процесса соединения и/или путем механического соединения.

Предпочтительно, чтобы каждая из осуществляющих теплообмен труб 2 имела четырехлепестковую или четырехлистную форму поперечного сечения.

Конструкция с трубной решеткой, в частности, выполнена таким образом, чтобы расположение осуществляющих теплообмен труб имело конфигурацию наподобие спиц таким образом, чтобы указанные трубы предпочтительно, хотя и не обязательно, расходились друг от друга, как ясно показано на Фиг.1 и 2.

Изготовленная таким образом с трубная решетка установлена в оболочке или корпусе 5, предпочтительно, хотя и не обязательно, изготовленном из металла и имеющим предпочтительно, но не обязательно, круглое, овальное или эллиптическое дно, при этом она выполнена в виде единого тела, в котором имеется два или более отверстий, обозначенных ссылочными номерами 6 и 7, соответственно, и предназначенных для впуска и выпуска вторичного теплоносителя.

Точнее, указанный вторичный теплоноситель протекает внутри корпуса 5 и циркулирует через впускные и выпускные отверстия 6 и 7, предпочтительно, но не обязательно, за счет внешних механических устройств, при этом вторичный теплоноситель контактирует снизу доверху при должным образом рассчитанной скорости потока с наружной стороной труб, внутри которых циркулирует первичный теплоноситель.

Сравнительно большое поперечное сечение канала, созданного для вторичного теплоносителя, позволяет достичь низкой скорости подъема или скорости вторичного теплоносителя, при оптимальном теплообмене на всех трубах 2, образующих предложенный в изобретении теплообменник.

Как уже указывалось, обеспечивающие теплообмен трубы 2 имеют поперечное сечение в форме четырехлистника, или с четырьмя лепестками, содержащее четыре лепестка 21, имеющих симметричную или асимметричную конфигурацию и расположенных в виде розетки вокруг центрального полого тела 22, имеющего предпочтительно, но не обязательно, круглое поперечное сечение.

На Фиг.3 показан в качестве иллюстрации, но не для ограничения, возможный вариант выполнения вышеуказанного поперечного сечения, хотя оно может иметь любую требуемую концептуально подобную форму или конфигурацию, но с различной формой и размером лепестков и с различным центральным теплом, в зависимости от использования теплообменника и от требований к теплообмену в теплоносителе.

В частности, обеспечивающие теплообмен трубы 2, составляющие предлагаемый в изобретении теплообменник, выполнены путем одновременного параллельного переноса и вращения упомянутого выше четырехлепесткового поперечного сечения вокруг своей главной оси.

Полученную таким образом конфигурацию труб, или их геометрию, показанную на Фиг.4, можно рассматривать как лежащий в основании четырехлепестковый виток, перемещаемый в пространстве прямолинейным образом.

Таким образом, специально разработанная четырехлепестковая конфигурация и форма ее витка, описанная выше, позволяют достичь значительной турбулентности первичного газообразного теплоносителя, циркулирующего в трубах теплообменника, а также значительной площади контакта со вторичным теплоносителем на единицу длины.

Результатом этой новой конфигурации труб явилось обеспечение более высокой и эффективной теплопередачи от одного теплоносителя к другому.

Конструкция с трубной решеткой, кроме того, выполнена таким образом, что трубы 2 теплообменника предпочтительно, но не обязательно, расходятся друг от друга, что позволяет обеспечивать очень простым с точки зрения конструкции способом незначительную направленную вверх выпуклость тарелки или верхнего дна 3 теплообменника, как показано на Фиг.5.

Это способствует эффективной и полной деаэрации вторичного жидкого теплоносителя, находящегося в теплообменнике, и препятствует образованию воздушных пузырьков или полостей в теплообменнике, которые могут оказать негативное влияние на теплообмен.

На Фиг.5 схематически показаны пузырьки 8 воздуха, которые выталкиваются по краям благодаря выпуклости дна 3.

Кроме того, необходимо отметить, что специально разработанная конфигурация предложенного в изобретении теплообменника позволяет встраивать непосредственно в верхнюю часть корпуса теплообменника одну или более одной горелки с предварительным смешиванием топлива или с дутьем или каталитические камеры сгорания, использующие газообразное, твердое или жидкое топливо.

Таким образом, верхняя часть теплообменника работает как камера сгорания и стенки этой камеры сгорания охлаждаются непосредственно вторым теплоносителем.

На Фиг.6 схематически показано размещение горелки, которая в общем случае обозначена ссылочным номером 9.

Таким образом, непосредственное охлаждение стенок камеры сгорания может эффективно препятствовать образованию термического NO_X во время процесса сгорания, что позволяет добиться преимущества с точки зрения уменьшения эмиссии загрязняющих веществ из теплообменника.

На Фиг.7 схематически показан генератор, обозначенный в общем виде ссылочным номером 100, содержащий теплообменник, согласно данному изобретению.

Общая конструкция теплообменника 1, соединенного с горелкой 9, которая может быть горелкой с предварительным смешиванием топлива, горелкой с дутьем или каталитической камерой сгорания, позволяет осуществить генератор 100, использующий теплоту конденсации, который может работать при очень значительной разности температур во вторичном теплоносителе и/или различных температурах при впуске вторичного теплоносителя.

Подобный режим работы, помимо того что он обеспечивает очень большое преимущество в отношении гибкости использования системы, позволяет легко извлекать скрытое тепло парообразования паров (конденсации паров, образующихся в результате сгорания), и следовательно, очень высокую эффективность по теплопроизводительности в большей части условий установки и работы.

Описанный выше теплообменник может быть изготовлен из различных конструкционных материалов, в зависимости от его применения, но предпочтительно, хотя и не обязательно, изготавливать его из нержавеющей стали, других видов стали, меди, алюминия, пластических материалов и т.п.

В частности, предложенный в изобретении теплообменник использовался главным образом, но не только, в тепловых генераторах, предназначенных для нагревания и/или производства горячей воды для санитарных целей.

Кроме того, возможность достичь эффективного теплообмена между газообразным теплоносителем и жидким теплоносителем при обеспечении высокой турбулентности первого теплоносителя, большая поверхность контакта со вторым теплоносителем и эффективный теплообмен, очень хорошая деаэрация второго теплоносителя и возможность устанавливать горелку непосредственно наверху корпуса теплообменника делают предлагаемый в изобретении теплообменник особенно удобным для использования в бойлерах, предназначенных предпочтительно, но не исключительно, для производства горячей воды для целей отопления, а также санитарно-гигиенических целей.

Кроме того, характеристики этого теплообменника позволяют использовать его в тепловых генераторах, содержащих горелки с предварительным смешиванием топлива, горелки с дутьем или каталитические камеры сгорания, работающие на газообразном, твердом или жидком топливе.

Более того, возможность использовать различные материалы для изготовления предложенного в изобретении теплообменника делает его удобным для использования в различных типах тепловых генераторов, таких как традиционные генераторы, генераторы, использующие конденсацию, и т.п.

Было установлено, что данное изобретение обеспечивает полное достижение обозначенных целей.

Фактически, в данном изобретении предлагается теплообменник, конструктивные характеристики которого обеспечивают множество преимуществ.

В частности, предложенный в изобретении теплообменник имеет очень высокую эффективность теплообмена, благодаря высокой турбулентности газообразного теплоносителя вследствие четырехлепесткового поперечного сечения труб и очень большой поверхности контакта теплоносителей.

Более того, теплообменник, согласно данному изобретению, позволяет использовать бойлеры очень компактных размеров также благодаря большой площади на единицу длины трубной решетки.

Более того, теплообменник, согласно данному изобретению, позволяет использовать очень большой объем вторичного теплоносителя, откуда следует низкая скорость протекания этого теплоносителя через теплообменник и очень хороший теплообмен со всеми трубами, образующими теплообменник.

Более того, предложенный в изобретении теплообменник способен работать при очень высокой разности температур во вторичном теплоносителе и/или различных температурах при впуске вторичного теплоносителя.

Еще одним преимуществом является возможность извлекать скрытую теплоту испарения из паров, образовавшихся при сгорании (конденсации) в большей части условий установки и работы.

Еще одним преимуществом предложенного в изобретении теплообменника является возможность соединить горелку непосредственно с теплообменником, при этом происходит охлаждение камеры сгорания вторичным теплоносителем и значительное уменьшение выброса NO_X.

Более того, предложенный в изобретении теплообменник имеет меньшую массу, что позволяет уменьшить общую тепловую инерцию и при этом обеспечить высокую скорость реакции на изменение тепловой нагрузки и значительное уменьшение нежелательных тепловых потерь.

Еще одним преимуществом предложенного в изобретении теплообменника является возможность в значительной степени автоматизировать процесс его изготовления за счет особой механической конструкции теплообменника.

Более того, предложенный в изобретении теплообменник имеет очень низкие нагрузочные потери на стороне вторичного теплоносителя, что приводит к значительному уменьшению потребления электроэнергии элементами, осуществляющими перемещение теплоносителя (такими как насосы и т.п.).

При практической реализации данного изобретения материалы, а также возможные размеры и формы могут быть любыми в зависимости от требований.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплообменнику, предназначенному для передачи тепла от первичного теплоносителя к вторичному жидкому теплоносителю внутри корпуса, в верхней части которого можно расположить одну или несколько горелок с предварительным смешиванием топлива, при этом верхняя часть корпуса, выполненная в виде верхнего перфорированного элемента, является стенкой камеры сгорания, которая непосредственно охлаждается вторичным теплоносителем. Тубы, осуществляющие теплообмен, выполнены с четырехлепестковым поперечным сечением, которое одновременно параллельно переносится и вращается вокруг главной оси теплообменника, и установлены в нижнем и верхнем перфорированных элементах наподобие спиц, расходящихся друг от друга. Технический результат - создание теплообменника, позволяющего изготавливать компактные бойлеры, повышение надежности и безопасности работы. 8 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Теплообменник, предназначенный, в особенности, для тепловых генераторов, содержащий корпус теплообменника, внутри которого циркулирует вторичный теплоноситель, и в котором нижняя часть корпуса выполнена в виде нижнего перфорированного элемента, верхняя часть корпуса выполнена в виде верхнего перфорированного элемента и является стенкой камеры сгорания, множество осуществляющих теплообмен труб, через которые проходит первичный теплоноситель, соединено с верхним перфорированным элементом и с нижним перфорированным элементом, отличающийся тем, что верхняя часть корпуса имеет выпуклость, каждая из осуществляющих теплообмен труб имеет четырехлепестковое поперечное сечение и изготовлена с сечением, которое одновременно параллельно переносится и вращается вокруг главной оси теплообменника, а стенка камеры сгорания непосредственно охлаждается вторичным теплоносителем.

2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что осуществляющие теплообмен трубы, через которые проходит первичный теплоноситель, соединены с верхним перфорированным элементом и с нижним перфорированным элементом посредством сварки или аналогичного способа соединения и/или механического способа соединения.

3. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что осуществляющие теплообмен трубы образуют трубную решетку, которая выполнена таким образом, что все трубы в ней установлены наподобие спиц, и они расходятся друг от друга.

4. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что корпус теплообменника имеет конфигурацию в виде цилиндра с круглым, овальным или эллиптическим основанием и содержит два или более двух отверстий для впуска и выпуска вторичного теплоносителя, при этом теплообменник образует единую конструкцию.

5. Теплообменник по п.4, отличающийся тем, что вторичный теплоноситель циркулирует через корпус и впускные/выпускные отверстия за счет внешних механических устройств, приводящих его в движение.

6. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что указанный теплообменник имеет значительное поперечное сечение канала для протекания вторичного теплоносителя.

7. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждая из труб теплообменника содержит четыре лепестка, расположенных либо симметрично, либо ассиметрично в виде розетки вокруг центрального полого тела, имеющего, предпочтительно, круглое поперечное сечение.

8. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что сконструирован таким образом, чтобы позволить встраивать непосредственно в верхнюю часть корпуса теплообменника одну или несколько горелок с предварительным смешиванием топлива, горелок с дутьем, каталитических камер сгорания, использующих газообразное, твердое или жидкое топливо.

9. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что изготовлен из различных материалов в зависимости от использования теплообменника, предпочтительно из нержавеющей стали, стали, меди, алюминия, пластических материалов.