Профиль трубопровода для теплообменника, теплообменник для конденсационных котлов, содержащий указанный профиль, и конденсационный котел, содержащий указанный теплообменник Российский патент 2019 года по МПК F24H1/43 F28F1/02 

Данное изобретение относится к профилю трубопровода для теплообменника, к теплообменнику, содержащему указанный профиль, и к конденсационному котлу, содержащему указанный теплообменник.

Более конкретно, данное изобретение относится к профилю для теплообменника, специально разработанному для значительного повышения КПД теплообменника, соответственно полученного в результате, и к конденсационному котлу, содержащему указанный теплообменник.

Как правило, конденсационные котлы содержат камеру сгорания и камеру конденсации, отделенные друг от друга огнеупорной изолирующей перегородкой. Обе камеры окружены теплообменником, содержащим змеевидный профиль, в котором проходит нагреваемая текучая среда.

Нагреваемая текучая среда принудительно направляется из зоны, соответствующей камере конденсации, в зону, соответствующую камере сгорания, с дальнейшим проведением в нагревательную систему.

В области, соответствующей камере сгорания, выполнена горелка, которая при нахождении в активном состоянии обеспечивает нагревание текучей среды, проходящей внутри теплообменника.

В зоне сгорания происходит теплообмен с теплообменником вследствие излучения и конвекции, тогда как в зоне конденсации теплообмен происходит вследствие конденсации.

Испарения, созданные горелкой внутри камеры сгорания, при вхождении в контакт с поверхностью теплообменника охлаждаются, конденсируются и преобразуются в жидкость.

За несколько лет был предложен ряд решений для профиля змеевикового трубопровода, обеспечивающего повышение КПД змеевика, и для соответствующего конденсационного котла, содержащего теплообменник с указанным змеевиком.

В патентном документе ЕР 0745813 описан профиль трубопровода для теплообменника, имеющий по существу трапецеидальное поперечное сечение, так что зазор, образованный витками трубопровода, сходится в направлении потока теплоизлучающей среды. Другими словами, поперечное сечение профиля, описанного в ЕР 0745813, образовано трапецеидальным участком, имеющим два основания и две боковые стороны, которые образуют внутренние стенки профиля. Таким образом, две противоположные стороны профиля, с одной стороны, не являются параллельными друг другу и, с другой стороны, образуют проточную траекторию, проходящую линейным образом, т.е. без изменений, что может затруднить наложение витков трубопровода друг на друга и их взаимное проникновение и привести к смешиванию газов сгорания и конденсационной жидкости.

В этом контексте предложено решение согласно изобретению, предметом которого является трубный профиль для теплообменника, усовершенствованный по сравнению с известными профилями.

Первой целью данного изобретения является создание такого профиля для трубопровода теплообменника, который обеспечивает возможность выполнения змеевика без зазора между соседними витками. В данном случае наличие «зазора» означает, что между внутренней частью и внешней стороной змеевика имеется сообщение вдоль его поперечного сечения.

Второй целью изобретения является создание профиля трубопровода для змеевика, который обеспечивает возможность оптимизации конвективного обмена.

Еще одной целью изобретения является создание профиля трубопровода для змеевика, образующего на выходе испарений из зоны сгорания такой профиль, который обеспечивает возможность оптимального отделения испарений от возможного конденсата.

Еще одной целью изобретения является создание теплообменника для конденсационного котла, содержащего указанный змеевик, предпочтительно расположенный как в зоне сгорания, так и в зоне конденсации.

Еще одной целью изобретения является создание конденсационного котла, содержащего указанный теплообменник.

Таким образом, отдельным предметом изобретения является профиль трубопровода, в частности трубопровода для изготовления теплообменника для конденсационного котла, отличающийся тем, что его поперечное сечение имеет трапецеидальный участок, имеющий два основания и две боковые стороны, и треугольный участок, имеющий основание и две боковые стороны, причем первая боковая сторона трапецеидального участка совпадает с основанием треугольного участка, а вторая боковая сторона и основания трапецеидального участка и боковые стороны треугольного участка образуют внутренние стенки профиля, при этом первый угол, образованный между первым основанием трапецеидального участка и прилегающей к нему первой боковой стороной треугольного участка, составляет от 45° до 135°, предпочтительно 90°, а второй угол, образованный между вторым основанием трапецеидального участка и прилегающей к нему второй боковой стороной треугольного участка, составляет от 180° до 270°, предпочтительно 225°.

В частности, согласно изобретению третий угол, образованный между первым основанием и второй боковой стороной трапецеидального участка, может составлять от 120° до 170°.

Более конкретно, согласно изобретению указанный профиль может иметь скругленные углы.

Таким образом, наличие трапецеидального и треугольного участков профиля, характеризующихся вышеуказанными углами, обеспечивает изменение проточной траектории на поверхности профиля, что облегчает наложение витков трубопровода друг на друга и предотвращает смешивание газов сгорания и конденсационной жидкости.

Другим предметом изобретения является змеевиковый теплообменник, содержащий вышеописанный профиль, который расположен по спирали так, что он содержит витки, навитые один над другим относительно центральной оси, при этом первое основание трапецеидального участка профиля каждого витка наклонено относительно указанной центральной оси под четвертым углом, составляющим от 10° до 60°, предпочтительно 45°.

Кроме того, согласно изобретению указанные витки могут быть расположены таким образом, что второе основание трапецеидального участка поперечного сечения профиля первого витка параллельно первому основанию трапецеидального участка поперечного сечения профиля смежного витка и отнесено от него на расстояние, составляющее от 0,5 мм до 2 мм.

Еще одним предметом изобретения является конденсационный котел, содержащий теплообменник, описанный выше.

Согласно изобретению указанный котел может содержать зону сгорания, зону конденсации и разделительную стенку, расположенную между указанными двумя зонами, при этом в области зоны конденсации указанные витки могут быть отнесены от разделительной стенки на расстояние, составляющее от 0,1 мм до 20 мм.

Более конкретно, указанный котел может содержать наружный кожух, при этом каждый из указанных витков может быть отнесен от наружного кожуха на расстояние, составляющее от 0,1 мм до 20 мм.

Кроме того, согласно изобретению указанный котел может содержать корпус с пазами, расположенный между наружным кожухом и теплообменником в области зоны сгорания и/или зоны конденсации.

Предпочтительно согласно изобретению высота зоны сгорания может составлять от 30% до 65% от высоты котла.

Наконец, согласно изобретению котел может быть ориентирован таким образом, что центральная ось теплообменника расположена вертикально или наклонена под углом, составляющим от 4° до 90°.

Ниже приведено описание изобретения, являющееся иллюстративным, а не ограничивающим, с конкретной ссылкой на фигуры прилагаемых чертежей, на которых:

фиг. 1 изображает сечение трубного профиля согласно изобретению,

фиг. 2 изображает сечение части теплообменника с профилем согласно изобретению,

фиг. 3 изображает вид спереди в разрезе первого варианта выполнения конденсационного котла, содержащего теплообменник согласно изобретению,

фиг. 4 изображает первый фрагмент IV фиг. 3,

фиг. 5 изображает второй фрагмент V фиг. 3 во время фазы конденсации испарений, созданных горелкой конденсационного котла,

фиг. 6а схематически иллюстрирует этап конденсации испарений при контакте с поверхностью теплообменника согласно изобретению в области камеры сгорания,

фиг. 6b схематически иллюстрирует спуск конденсационной жидкости в камере конденсации через теплообменник согласно изобретению,

фиг. 7 изображает третий фрагмент VII фиг. 3 во время фазы конденсации,

фиг. 8 изображает вид спереди в разрезе второго варианта выполнения конденсационного котла, содержащего теплообменник согласно изобретению.

На фиг. 1 изображен профиль трубопровода, выполненный согласно изобретению и обозначенный номером 1 позиции.

Профиль 1 согласно изобретению является особенно подходящим для изготовления теплообменника для конденсационного котла, однако может также использоваться в других областях.

Как можно видеть из фиг. 1, поперечное сечение профиля 1 имеет четырехугольный участок 2, в частности трапецеидальный участок, имеющий две параллельные стороны или основания 4, 5 и две дополнительные боковые стороны 6, 7, и треугольный участок 3, имеющий основание 6 и две боковые стороны 8, 9, причем первая боковая сторона 6 трапецеидального участка 2 совпадает с основанием 6 треугольного участка 3. В частности, вторая боковая сторона 7 и основания 4, 5 трапецеидального участка и две боковые стороны 8, 9 треугольного участка 3 образуют внутренние стенки профиля 1. В предпочтительном варианте выполнения профиль 1 согласно изобретению имеет по существу Р-образное поперечное сечение, в котором первый угол α, образованный между первым основанием 4 трапецеидального участка 2 и прилегающей к нему первой боковой стороной 8 треугольного участка 3, равен примерно 90°, а второй угол β образованный между вторым основанием 5 трапецеидального участка 2 и прилегающей к нему второй боковой стороной 9 треугольного участка 3, равен примерно 225°.

Профиль 1 согласно изобретению имеет преимущество, заключающееся в том, что в любом случае две его противоположные стороны 4, 5 всегда параллельны друг другу, что облегчает наложение нескольких профилей 1 друг на друга и их взаимное проникновение. Кроме того, если профиль 1, как показано на фиг. 1, расположен таким образом, что стороны 4 и 8 обращены вверх, то различный угол их наклона обеспечивает изменение проточной траектории на поверхности профиля 1.

Могут быть предложены другие варианты выполнения профиля 1 согласно изобретению, в которых первый угол α может составлять от 45° до 135°, а второй угол β может составлять от 180° до 270°.

Очевидно, что в случае, если первый угол α составляет 135°, а второй угол β составляет 225°, или, другими словами, если две боковые стороны 8 и 9 треугольного участка 3 являются параллельными, возникнет воображаемый треугольный участок 3, который обязательно будет присоединен с помощью соединительного элемента. Например, в варианте выполнения, изображенном на фиг. 1, углы треугольного участка 3 и трапецеидального участка 2 скошены и соединены искривленными соединительными участками. В других вариантах выполнения, не показанных на чертежах, возможно наличие прямолинейных участков.

Кроме того, профиль 1 согласно изобретению может иметь третий угол γ, образованный между первым основанием 4 и второй боковой стороной 7 трапецеидального участка, и составляющий от 120° до 170°, предпочтительно примерно 135°.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение теплообменника, полученного с помощью профиля 1 согласно изобретению и обозначенного номером 10 позиции.

В частности, теплообменник 10 согласно изобретению содержит профиль 1, расположенный вокруг центральной оси у, в частности вертикальной оси, по спирали с обеспечением витков 11, навитых один над другим относительно указанной центральной оси у. Эти витки 11 расположены таким образом, что первое основание 4 трапецеидального участка 2 профиля 1 каждого витка 11 наклонено относительно центральной оси у на четвертый угол δ, составляющий от 10° до 60°, предпочтительно примерно 45°, как показано на фиг. 2.

Полученная таким образом конфигурация теплообменника 11 обеспечивает возможность направления газов сгорания конденсационного котла, в котором может быть установлен теплообменник 10, с облегчением их подъема, увеличением поверхности теплового контакта и облегчением спуска возможных конденсационных жидкостей, образующихся вследствие изменения углов в созданной проточной траектории.

В частности, каждый из указанных витков 11 может быть пространственно отделен от другого витка 11', таким образом, что основания 4', 5 трапецеидального участка 2 и 2' поперечного сечения соответствующего профиля 1, 1' параллельны друг другу и пространственно разнесены на расстояние dx, составляющее от 0,5 мм до 2 мм.

Данное расстояние является достаточным для образования канала или проточной траектории 19 для прохождения газов сгорания. Другие преимущества станут более очевидны из описания варианта выполнения котла, содержащего теплообменник согласно изобретению.

На фиг. 3-6 изображен первый вариант выполнения конденсационного котла согласно изобретению, который обозначен номером 20 позиции.

Котел 20 содержит теплообменник 10, описанный выше. В частности, конденсационный котел 20 имеет зону 12 сгорания, зону 13 конденсации и разделительную стенку 14, расположенную между указанными двумя зонами 12 и 13 и предпочтительно выполненную из огнеупорного изолирующего материала. Теплообменник 10 согласно изобретению содержит профиль 1, обеспечивающий преимущества при использовании теплообменника как в зоне 12 сгорания, так и в зоне 13 конденсации. Котел 20 также содержит горелку 15, расположенную в зоне 12 сгорания и обеспечивающую нагревание, с помощью излучения, текучей среды, проходящей в теплообменнике 10, и внешний корпус 16, выполненный с возможностью удерживания испарений внутри теплообменника 10.

Очевидно, что предложенный профиль 1 разработан таким образом, что испарения переносятся в канале 19 между двумя последовательными витками 11 через сужающуюся зону, в которой уменьшение сечения обеспечивает увеличение скорости испарений при пересечении внутреннего пространства или канала 19 и, следовательно, повышение конвективного теплообмена. В противоположность этому, на выходе имеет место обратное явление, поскольку расширяющаяся зона канала 19 обеспечивает отделение испарений от образовавшегося конденсата (при некоторых условиях эксплуатации конденсация может происходить в зоне изменения угла наклона) таким образом, что испарения не преграждают проход и, следовательно, отсутствует увеличение потерь нагрузки. Профиль «Р» трубы и расстояние между витками 11 таковы, что они обеспечивают максимизацию теплообмена с поддержанием потерь давления.

Как показано, в частности, на фиг. 5 и 6а, наклон профиля 1 относительно центральной оси у теплообменника 10, определяемый четвертым углом δ, обеспечивает разницу по высоте между самой нижней точкой 17 витка 11 и самой верхней точкой 18' следующего витка 11', расположенного непосредственно снизу, таким образом, что свет излучения от горелки 15 не достигает внешнего корпуса 16. Другими словами, перекрывание витков 11 теплообменника 10 согласно изобретению гарантирует экранирование корпуса 16 от излучения, создаваемого горелкой 15.

Кроме того, разница в уклоне, образованная в канальном проходе 19 между одним витком 11 и другим витком 11', облегчает на восходящем участке подъем испарений, образовавшихся при сгорании, и теплообмен с поверхностью теплообменника 10, а на нисходящем участке - спуск вниз конденсата, образованного во время теплообмена газов сгорания с поверхностью теплообменника 10, с последующим его направлением к зоне конденсации и предотвращением попадания в зону 12 сгорания.

Предпочтительно расстояние dy между внешним корпусом и теплообменником составляет от 0,1 мм до 20 мм. Это преимущественно обеспечивает проход газов сгорания, которые при контакте с корпусом 16 охлаждаются, а затем конденсируются и выпадают. Кроме того, указанное расстояние dy также обеспечивает возможность участия внешней части профиля 1 в теплообмене с газами сгорания.

Кроме того, как показано на фиг. 6а и 6b, между корпусом 16 и теплообменником 10 может быть выполнена рубашка 21 с пазами, расположенная в области как зоны 12 сгорания, так и зоны 13 конденсации или только в одной из них для достижения улучшенного распределения потока и улучшенного теплообмена. Отверстия могут иметь постоянный или переменный размер для лучшего сбалансирования потока.

Форма витков 11 профиля 1 теплообменника 10 также обеспечивает преимущества в области зоны 13 конденсации, поскольку конденсационная жидкость спускается через канал 19, образованный между двумя витками 11 и 11', и, следовательно, является противоточной относительно капель конденсата.

Конденсационная жидкость, имеющая более высокую температуру по сравнению с текучей средой, проходящей в теплообменнике 10, обеспечивает предварительное нагревание указанной текучей среды путем теплообмена, который происходит во время спуска жидкости к зоне 13 конденсации.

Предпочтительно, как показано на фиг. 4, расстояние dz между теплообменником 10 и изолирующей перегородкой 14 составляет от 0,1 мм до 20 мм. Такое расстояние обеспечивает возможность дренажа конденсата в области зоны 13 конденсации, а также улучшенный и эффективный теплообмен.

В одном конкретном варианте выполнения конденсационного котла 20 согласно изобретению высота камеры 12 сгорания составляет от 30% до 65% от высоты котла 20.

Как показано, в частности, на фиг. 7, в зоне конденсации последний виток может быть закрыт с предотвращением тем самым прохождения газов (показаны стрелками), в результате чего они покрывают всю поверхность теплообменника 10.

Как следует из фиг. 8, теплообменник также может использоваться в конденсационном котле 20 горизонтального типа. В любом случае котел должен быть ориентирован таким образом, чтобы центральная ось у теплообменника 10 была наклонена под углом от 4° до 90°.

Выше рассмотрены предпочтительные варианты выполнения и модификации данного изобретения, однако следует понимать, что специалистом могут быть внесены модификации и изменения без отклонения от соответствующего объема правовой охраны, определенного в прилагаемой формуле изобретения.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении профиля трубопровода для изготовления теплообменника (10) для конденсационного котла (20), отличающегося тем, что поперечное сечение профиля (1) имеет трапецеидальный участок (2), имеющий два основания (4, 5) и две боковые стороны (6, 7), и треугольный участок (3), имеющий основание (6) и две боковые стороны (8, 9), причем первая боковая сторона (6) трапецеидального участка (2) совпадает с основанием (6) треугольного участка (3), а вторая боковая сторона (7) и основания (4, 5) трапецеидального участка и боковые стороны (8, 9) треугольного участка (3) образуют внутренние стенки профиля (1), при этом первый угол (α), образованный между первым основанием (4) трапецеидального участка (2) и прилегающей к нему первой боковой стороной (8) треугольного участка (3), составляет от 45° до 135°, предпочтительно 90°, а второй угол (β), образованный между вторым основанием (5) трапецеидального участка (2) и прилегающей к нему второй боковой стороной (9) треугольного участка (3), составляет от 180° до 270°, предпочтительно 225°. Кроме того, данное изобретение относится к змеевиковому теплообменнику (10) для конденсационных котлов, содержащему указанный профиль (1), и к конденсационному котлу (20), содержащему указанный теплообменник (10). Технический результат – расширение арсенала технических средств. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Профиль (1) трубопровода, в частности трубопровода для изготовления теплообменника (10) для конденсационного котла (20), отличающийся тем, что поперечное сечение профиля (1) имеет трапецеидальный участок (2), имеющий два основания (4, 5) и две боковые стороны (6, 7), и треугольный участок (3), имеющий основание (6) и две боковые стороны (8, 9), причем первая боковая сторона (6) трапецеидального участка (2) совпадает с основанием (6) треугольного участка (3), а вторая боковая сторона (7) и основания (4, 5) трапецеидального участка и боковые стороны (8, 9) треугольного участка (3) образуют внутренние стенки профиля (1), при этом первый угол (α), образованный между первым основанием (4) трапецеидального участка (2) и прилегающей к нему первой боковой стороной (8) треугольного участка (3), составляет от 45° до 135°, предпочтительно 90°, а второй угол (β), образованный между вторым основанием (5) трапецеидального участка (2) и прилегающей к нему второй боковой стороной (9) треугольного участка (3), составляет от 180° до 270°, предпочтительно 225°.

2. Профиль (1) по п. 1, отличающийся тем, что третий угол (γ) между первым основанием (4) и второй боковой стороной (7) трапецеидального участка составляет от 120° до 170°.

3. Профиль (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанные углы (α, β, γ) скруглены.

4. Змеевиковый теплообменник (10), содержащий трубопровод с профилем (1) по любому из пп. 1-3, расположенный по спирали так, что он содержит витки (11), навитые один над другим относительно центральной оси (у), при этом первое основание (4) трапецеидального участка (2) профиля (1) каждого витка (11) наклонено относительно указанной центральной оси (у) под четвертым углом (δ), составляющим от 10° до 60°, предпочтительно 45°.

5. Теплообменник (10) по п. 4, отличающийся тем, что витки (11) расположены таким образом, что второе основание (5) трапецеидального участка (2) поперечного сечения профиля (1) первого витка (11) параллельно первому основанию (4') трапецеидального участка (2') поперечного сечения профиля (1') смежного витка (11') и отнесено от него на расстояние (d_x), составляющее от 0,5 мм до 2 мм.

6. Конденсационный котел (20), содержащий теплообменник (10) по п. 4 или 5.

7. Конденсационный котел (20) по п. 6, отличающийся тем, что он содержит зону (12) сгорания, зону (13) конденсации и разделительную стенку (14), расположенную между указанными двумя зонами (12, 13), при этом в области зоны (13) конденсации указанные витки (11) отнесены от разделительной стенки (14) на расстояние (dz), составляющее от 0,1 мм до 20 мм.

8. Конденсационный котел (20) по п. 6 или 7, отличающийся тем, что он содержит внешний корпус (16), при этом каждый из указанных витков (11) отнесен от внешнего корпуса (16) на расстояние (dy), составляющее от 0,1 мм до 20 мм.

9. Конденсационный котел (20) по п. 8, отличающийся тем, что он содержит рубашку (21) с пазами, расположенную между внешним корпусом (16) и теплообменником (10) в области зоны (12) сгорания и/или зоны (13) конденсации.

10. Конденсационный котел (20) по любому из пп. 7-9, отличающийся тем, что высота зоны (12) сгорания составляет от 30% до 65% от высоты котла (20).

11. Конденсационный котел (20) по любому из пп. 6-10, отличающийся тем, что он ориентирован таким образом, что центральная ось (у) теплообменника (10) расположена вертикально или наклонена под углом, составляющим от 4° до 90°.