Конденсационный теплообменник с двумя змеевиками для нагревания воды и/или получения горячей воды для бытовых нужд

Изобретение относится к конденсационному теплообменнику с двойным контуром для нагревания воды и/или получения горячей воды для санитарно-гигиенических целей.

Конкретнее, данное изобретение относится к теплообменнику типа дымовые газы-жидкость, позволяющему получить очень высокие эффективности с низкими удельными потерями, как со стороны текучей среды, так и со стороны дымовых газов.

Для конденсационных теплообменников, предусматривающих использование змеевика, на рынке имеется много решений.

В частности, в итальянском патенте №1396729 (который соответствует ЕР 2504632), тот же автор предложил решение, обеспечивающее конденсационный теплообменник с двумя отдельными спирально изогнутыми трубами, из которых одна (внутренняя) имеет гладкую поверхность, а другая (внешняя) - гофрированную поверхность, соответственно.

Сопряжение двух таких змеевиков позволяет получить оптимальный теплообмен, видоизменяя тип поверхности обмена в зависимости от температуры текучей среды, с которой она контактирует. Внутри камеры сгорания, которая характеризуется высокими температурами, обусловленными комбинированными эффектами теплообмена за счет излучения и конвекции, обеспечивают теплообменник, состоящий из змеевика с гладкой поверхностью, в то время как в зоне с более низкой температурой дымовых газов, где возникает явление конденсации газообразного соединения, обеспечивают второй, гофрированный змеевик, чтобы максимально увеличить теплообмен и ускорить соответствующий отток конденсата. Два змеевика располагают последовательно в отношении потока газообразных продуктов и параллельно в отношении текучей среды теплоносителя.

Однако, в ходе развития решения, описанного в IT'729, было обнаружено, что предполагаемое решение не позволяет в полной мере получить набор результатов в отношении стоимости теплообменника, его надежности, стойкости к коррозии, механической стойкости и эффективности.

В частности, было определено, что контур дымовых газов, описанный в IT'729, не позволяет получать максимальную эффективность при конденсационном теплообмене с внешним змеевиком.

Кроме того, было обнаружено, что гофрированный внешний змеевик не подходит для обеспечения надежности в отношении коррозионной и механической стойкости.

К тому же, решение, предложенное в IT'729, не позволяет провести оптимизацию по эффективности, так как витки первого и/или второго змеевика могут препятствовать оптимальному прохождению дымовых газов.

Ввиду вышеизложенного, в соответствии с данным изобретением предлагается усовершенствованный конденсационный теплообменник с двойным контуром для нагревания воды и/или получения горячей воды для санитарно-гигиенических целей, позволяющий преодолеть вышеуказанные недостатки, обеспечивающий технические решения, способные улучшить циркуляцию дымовых газов внутри теплообменника и, таким образом, повысить эффективность этого теплообменника.

Таким образом, конкретной целью данного изобретения является конденсационный теплообменник для нагревания воды и/или получения горячей воды для санитарно-гигиенических целей, содержащий, в параллельном соединении, первый, внутренний змеевик с гладкой поверхностью и второй, внешний змеевик, где указанный второй змеевик спирально обмотан снаружи вокруг указанного первого змеевика, и внутри указанных первого и второго змеевиков независимо циркулирует текучая среда - теплоноситель, при этом указанный первый змеевик осуществляет обмен тепла с дымовыми газами в основном путем излучения и конвекции, а указанный второй змеевик осуществляет обмен тепла с дымовыми газами в основном за счет конденсации, и указанный теплообменник отличается тем, что указанный второй змеевик имеет гладкую поверхность, и в теплообменнике обеспечена изолирующая перегородка, которая разделяет указанный теплообменник на первую, верхнюю зону, или зону горения, и вторую, нижнюю зону, или зону конденсации, при этом указанная изолирующая перегородка разделяет указанный теплообменник на указанные две области в отношении, задаваемом следующей формулой:

45%≤H₁/L≤60%,

где L представляет собой высоту теплообменника, а H₁ - высоту первой зоны.

Согласно данному изобретению предпочтительно, чтобы указанный первый змеевик имел псевдо-пентагональное сечение с тем, чтобы соответствовать профилю указанного второго змеевика, а указанный второй змеевик имел круглое сечение.

Также, согласно данному изобретению, указанный первый змеевик механически деформирован для формирования выступов по его внешнему профилю.

Также согласно данному изобретению, указанный второй змеевик механически деформируют таким образом, чтобы сформировать выступы по его внешнему профилю.

Кроме того, согласно данному изобретению, с наружной стороны указанного второго змеевика обеспечена первая стенка, имеющая, или не имеющая прорези или отверстия, и соответствующая первой зоне теплообменника, при этом указанные прорези или отверстия сформированы в соответствии с отдельными витками указанного второго змеевика, или слегка смещены вверх или вниз по отношению к этим виткам.

Кроме того, согласно данному изобретению, внутри указанного первого змеевика обеспечена вторая стенка, имеющая, или не имеющая прорези или отверстия, и соответствующая первой зоне теплообменника; при этом указанные прорези или отверстия сформированы в соответствии с отдельными витками указанного второго змеевика, или слегка смещены вверх или вниз по отношению к этим виткам.

Наконец, согласно данному изобретению, указанная перегородка опирается на опорный элемент, зацепленный среди витков змеевика.

Теперь данное изобретение будет описано, для иллюстративных, а не для ограничивающих целей, на основании предпочтительных примеров воплощения и с конкретной ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых:

Фиг. 1 изображает продольный разрез первого воплощения теплообменника по данному изобретению, а также схему течения дымовых газов;

Фиг. 2а, 2b и 2с изображают конкретные устройства теплообменника Фиг. 1;

Фиг. 3 изображает вид в разрезе детали теплообменника Фиг. 1;

Фиг. 4а, 4b, 4с, 4d, 4е и 4f изображают виды в разрезе шести вариантов теплообменника Фиг. 1, а также схему течения дымовых газов;

Фиг. 5 изображает вид в разрезе варианта исполнения детали теплообменника Фиг. 1;

Фиг. 6 изображает вид в разрезе детали варианта исполнения Фиг. 5;

Фиг. 7 изображает вид в разрезе варианта исполнения второй детали теплообменника Фиг. 1;

Фиг. 8 изображает вид в разрезе детали объединенного варианта Фиг. 5 и 7 и

Фиг. 9 изображает разрез детали теплообменника Фиг. 1.

На различных чертежах, даже если они ссылаются на различные примеры воплощения, одинаковые или подобные детали обозначены одинаковыми численными сносками.

Сначала рассмотрим Фиг. 1 прилагаемых чертежей; здесь показано первое воплощение теплообменника по данному изобретению, в целом обозначенного численной сноской 1.

Теплообменник 1 включает два змеевика с гладкой поверхностью, соответственно, внутренний змеевик 2 и внешний змеевик 3, которые размещены концентрически друг относительно друга. Внутренний змеевик 2 имеет псевдопентагональное сечение, в то время как змеевик 3 имеет круглое сечение.

Теплообменник 1 дополнительно снабжен изолирующей огнеупорной перегородкой 4, установленной на такой высоте, как это лучше будет описано со ссылкой на Фиг. 2а-2с, чтобы получить поток дымовых газов, схематически изображенный на Фиг. 1.

Численной сноской 5 указана зона выхода дымовых газов. По существу, изолирующая перегородка 4 разделяет теплообменник 1 на верхнюю зону 1', или зону горения, и нижнюю зону 1'', или зону конденсации.

В пределах зоны 1' поступающие сверху дымовые газы проходят через первый змеевик 2, осуществляя теплообмен в основном за счет излучения или конвекции, в то время как в пределах зоны 1'' теплообмен происходит в основном путем конденсации.

По существу, дымовые газы 1 в пределах зоны 1' следуют по стрелкам А, выходят наружу через участки змеевиков 2 и 3, обеспеченных в зоне 1', спускаются вдоль стенки корпуса 6, снова входят внутрь, в соответствии с участком 1'' теплообменника 1, через внешний змеевик 3, внутренний змеевик 2 и, таким образом, их выпускают из отверстия 5.

Три конкретных воплощения теплообменника 1 по данному изобретению показаны на Фиг. 2а-2с, в основном с целью обеспечить техническое указание положения изолирующей перегородки 4 по отношению к объему теплообменника 1.

В частности, следует отметить, что на Фиг. 2а, при высоте теплообменника 1 L=410 мм, зона 1' имеет высоту H₁=214 мм, а зона 2'' имеет высоту Н₂=196 мм, с отношением H₁/L=52%.

А теплообменник Фиг. 2b имеет высоту теплообменника 1 L=470 мм, зона 1' имеет высоту H₁=269 мм, а зона 2'' имеет высоту 201 мм, с отношением H₁/L=57%.

Наконец, теплообменник Фиг. 2 с имеет высоту теплообменника 1 L=682 мм, зона 1' имеет высоту H₁=403 мм, а зона 2'' имеет высоту Н₂=279 мм, с отношением H₁/L=59%.

Таким образом, установлено, что для получения оптимальной эффективности теплообменника 1 по данному изобретению, следует соблюдать следующее соотношение: 45%≤H₁/L≤60%.

Фиг. 3 подробно показывает функционирование изолирующей перегородки 4 с целью разделения теплообменника 1 на зону 1' горения и зону 1'' конденсации, при этом на чертеже показана циркуляция дымовых газов. В данном случае перегородка 4 опирается на опорный элемент 16, установленный между витками змеевика 2.

Как можно видеть, изолирующая перегородка 4 представляет собой решение, известное в уровне техники, и применяемое обычно для разделения камеры на две части. Однако конкретное расположение, заявленное по данному изобретению, удовлетворяющее установленному выше соотношению, позволяет оптимизировать эффективность теплообменника 1 по данному изобретению.

Шесть вариантов теплообменника по данному изобретению показаны на Фиг. 4a-4f.

В частности, Фиг. 4а изображает схему теплообменника Фиг. 1, а на Фиг. 4b показана стенка 7, снабженная отверстиями 8 и установленная с наружной стороны змеевика 3, в соответствии с зоной 1' теплообменника 1. Отверстия 8 обеспечены, в частности, по существу на высоте каждого витка змеевика 3. Таким образом, это заметно улучшает теплообмен и циркуляцию дымовых газов. Стенка 7, подобная стенке, изображенной на Фиг. 4b, обеспечена и на Фиг. 4с, в данном случае с наружной стороны змеевика 3, но в соответствии с зоной 1'' теплообменника 1 по данному изобретению, то есть в соответствии с зоной конденсации. Стенка 7 всегда будет снабжена отверстиями 8 для прохода дымовых газов.

В отличие от этого, решение по Фиг. 4d обеспечивает стенку 9, снабженную отверстиями 10 для прохода дымовых газов, с внутренней стороны от змеевика 2, в соответствии с зоной конденсации.

В отличие от этого, решение по Фиг. 4е объединяет решения, изображенные на Фиг. 4b и 4d.

Наконец, на Фиг. 4f изображено решение, обеспечивающее стенку 7 только с наружной стороны змеевика 3, но выполненную в соответствии как с зоной 1' горения, так и с зоной 1'' теплообменника 1 по данному изобретению.

Отверстия 8 и/или 10 стенки 7 и/или 9 могут находиться на высоте витков змеевика 3 и 2, соответственно, то есть отстоять друг от друга вверх и вниз, чтобы оптимизировать циркуляцию дымовых газов внутри теплообменника по данному изобретению.

Перейдем теперь к Фиг. 5 и 6, где изображено техническое решение, обеспечивающее механическую деформацию профиля внутреннего змеевика 2, имеющего псевдо-пентагональное сечение, чтобы получить на его профиле выступы 11, что позволяет, при сборке теплообменника 1 по данному изобретению (см., в частности Фиг. 6), получить пространство 12 между отдельными витками, для лучшего прохождения дымовых газов, и, таким образом, обеспечить лучшую эффективность этого теплообменника 1. Указанное пространство 12 предпочтительно будет иметь высоту в диапазоне от 0,5 до 2 мм.

Подобной обработке можно подвергнуть трубу внешнего змеевика 3, которая деформирована, как это показано на Фиг. 7, с созданием двух выступов 13.

Комбинирование обработки двух змеевиков 2 и 3, с созданием выступов 11 и 13, и формирование пространств 12 и 14 (которые впервые показаны на Фиг. 8) позволяет смонтировать змеевики 2 и 3, как это показано на Фиг. 8.

Таким образом, получают заметное улучшение циркуляции дымовых газов и, следовательно, теплообмена в различных зонах теплообменника.

Оба пространства 12 и 14 будут иметь размеры в диапазоне 0,5-2 мм, указанные выше, но они не обязательно будут иметь одинаковую высоту.

Наконец, на Фиг. 9 показано связывание псевдо-пентагональных труб змеевика 2 и круглых труб змеевика 3 на входе теплообменника, в соответствии с более низкой крышкой 15 емкости 16.

Данное изобретение описано для иллюстративных, а не ограничивающих, целей, согласно его предпочтительным примерам воплощения; но следует понимать, что специалисты могут вводить изменения и/или модификации, в пределах истинного объема изобретения, как он определен в прилагаемой формуле изобретения.