КОНДЕНСАЦИОННЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК, ОСНАЩЕННЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫМ УСТРОЙСТВОМ
CONDENSING HEAT EXCHANGER EQUIPPED WITH HEAT EXCHANGING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к конденсационному теплообменнику, оснащенному теплообменным устройством.
Таким теплообменником можно, в частности, оборудовать газовый или жидкотопливный котел для применения в промышленности или в других областях, например, для обеспечения работы системы центрального отопления или системы водоснабжения.
Предшествующий уровень техники
Из предшествующего уровня техники известно множество теплообменников, обеспечивающих передачу энергии топлива текучей среде, подлежащей нагреву.
На рынке средств отопления и водоснабжения основное место занимают теплообменники, оснащенные трубами из нержавеющей стали и работающие по двум принципам. Речь идет о теплообменниках с дымовыми трубами и о теплообменниках с водяными трубами, называемых таким образом в зависимости от текучей среды, которая циркулирует внутри указанных труб.
Так называемые теплообменники «с дымовыми трубами», как правило, имеют большую водоемкость. Следовательно, они являются габаритными и очень тяжелыми. Кроме того, их конструкция придает им сильную инерцию, что идет в разрез с потребностями в быстрых изменениях температуры и мощности в рассматриваемых областях применения.
Так называемые теплообменники «с водяными трубами», как правило, имеют незначительную водоемкость. Они являются менее габаритными, менее тяжелыми и обеспечивают также более быстрое изменение температуры и мощности. Наконец, как правило, стоимость их изготовления при достижении такой же номинальной мощности является ниже, чем стоимость изготовления теплообменников с дымовыми трубами.
Однако существует все же потребность в усовершенствовании существующих на рынке конденсационных теплообменников с водяными трубами.
Из документа US 6644393 известен теплообменник, содержащий теплообменное устройство и газовую горелку.
Теплообменное устройство содержит коллектор и два радиально концентричных пучка труб, при этом каждый пучок труб содержит ряд дугообразных труб, расположенных в параллельных плоскостях с промежутками между ними. Два конца каждой дугообразной трубы выходят внутрь коллектора. Газовая горелка расположена в центре внутреннего пучка, и производимые горячие газы обеспечивают нагрев труб и, следовательно, циркулирующей в них воды.
Кроме того, коллектор оснащен съемной крышкой и внутри тоже съемным барьером, что позволяет после удаления крышки и барьера легко получить доступ к концам труб, которые выходят в указанный коллектор, и решить таким образом техническую проблему облегчения очистки указанных труб.
Как видно на фиг. 6 этого документа, барьер выполнен таким образом, чтобы входящий водяной поток (стрелка IN) питал одновременно половину труб внутреннего пучка и половину труб наружного пучка. На выходе из этих труб оба потока смешиваются, затем поступают в другую половину пучков, чтобы опять одновременно питать трубы внутреннего пучка и трубы наружного пучка.
Однако такое устройство имеет большой недостаток.
Вода (стрелка IN) поступает при одинаковой температуре в оба пучка, внутренний и наружный, затем вода, которая проходит в трубах внутреннего пучка, нагревается до более высокой температуры, чем вода, циркулирующая в трубах наружного пучка (первый проход). Оба потока смешиваются, их температура усредняется, затем этот поток одновременно поступает во вторую половину внутреннего пучка и наружного пучка (второй проход).
На выходе коллектора оба потока смешиваются (стрелка OUT), и температура выходящего потока соответствует средней температуре обоих водяных потоков, выходящих соответственно из внутреннего пучка и из наружного пучка.
2
Следовательно, если, например, при помощи такого устройства необходимо получить воду при 50°С из воды при 30°С, вода, выходящая после второго прохода из труб внутреннего пучка должна иметь температуру около 55°С, а вода, выходящая из труб наружного пучка, должна иметь температуру около 45°С, чтобы получить среднюю температуру 50°С после смешивания обоих потоков. Таким образом, вода, циркулирующая во внутреннем пучке, будет нагреваться сильнее, чем нужно. Кроме того, горячие газы, производимые центральной горелкой и имеющие температуру около 1000°С, будут меньше охлаждаться при контакте с трубами внутреннего пучка, в котором проходит вода при 55°С. Они будут выходить из устройства с относительно высокой температурой, которая может составлять около 80°С. Следовательно, эти охлажденные газы будут иметь температуру выше точки росы (равной 55°С) и не будут конденсироваться. Такой теплообменник будет иметь низкий энергетический КПД и будет производить больше загрязняющих выбросов (NOx, СО и СО).
Точно так же, если при помощи такого устройства требуется производить воду при 95°С из воды при 80°С, вода, выходящая из труб внутреннего пучка, должна иметь температуру около 105°С, а вода, выходящая из труб наружного пучка, должна иметь температуру около 85°С, чтобы получить среднюю температуру 95°С после смешивания обоих потоков. В этом случае будет наблюдаться явление кипения в, по меньшей мере, части труб внутреннего пучка, чего следует избегать в системах отопления, так как это приводит к термическому воздействию на внутреннюю поверхность труб за пределами нормальных рабочих условий и может вызвать как минимум шумы, растрескивание и повреждение труб вплоть до их разрыва.
Наконец, это устройство имеет также другие недостатки. Если не обеспечить идеальную герметичность после установки на место съемных крышки и барьера, появляются паразитные явления завихрения, потери напора и смешивание разных потоков воды внутри устройства, что приводит к разбросу расхода воды в трубах и, следовательно, к явлению кипения в этих трубах.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на создание конденсационного теплообменника, который:
- обеспечивает термический КПД при конденсации, достигающий максимума с точки зрения физических законов;
- позволяет значительно ограничить потери напора внутри водяного контура;
- имеет исключительно модульную конструкцию, чтобы получать диапазоны мощности от нескольких десятков до нескольких тысяч киловатт с использованием одной горелки, имеющей соответственно адаптированную мощность;
- имеет меньшее соотношение мощность/габарит/вес и, следовательно, более низкую стоимость, чем теплообменники, работающие по другим принципам;
- позволяет соединять трубы при помощи других средств, отличных от пайки, что обеспечивает больший срок службы теплообменника.
В связи с этим, объектом изобретения является конденсационный теплообменник, содержащий:
- газонепроницаемый кожух, ограничивающий камеру сгорания и имеющий газоотводный рукав;
- теплообменное устройство, в котором способна циркулировать подлежащая нагреву текучая среда-теплоноситель, такая как вода, причем это устройство неподвижно установлено внутри камеры сгорания указанного кожуха;
- средства подачи горячих газов или средства производства горячих газов в камере сгорания указанного кожуха;
при этом указанное теплообменное устройство содержит:
первый пучок труб, называемый «внутренний», и по меньшей мере один другой пучок труб, расположенный концентрично вокруг первого пучка, причем эти разные трубы выполнены из теплопроводящего материала, и указанная текучая среда-теплоноситель предназначена для циркуляции в них, при этом каждый пучок труб включает в себя ряд труб, каждая из которых имеет форму дуги окружности и содержит первый конец и второй конец, при этом трубы каждого пучка расположены в параллельных плоскостях с промежутком предпочтительно постоянной ширины между двумя соседними трубами;
- один коллектор из теплопроводящего материала, ограниченный стенками, при этом первый конец и второй конец каждой трубы разных пучков соединены с этим коллектором таким образом, что они выходят внутрь указанного коллектора;
причем коллектор оснащен входным патрубком, обеспечивающим подачу подлежащей нагреву текучей среды-теплоносителя, и выходным патрубком, обеспечивающим удаление указанной текучей среды после ее нагрева;
указанные средства подачи или указанные средства (3) производства горячих газов расположены вблизи указанного теплообменного устройства таким образом, чтобы эти горячие газы проходили радиально через различные концентричные пучки труб изнутри наружу, проходя в промежутки между указанными трубами, после чего удалялись наружу теплообменника через указанный газоотводный рукав,
Согласно изобретению, указанный коллектор содержит несколько внутренних перегородок, соединенных сваркой между собой и/или со стенками коллектора, причем эти перегородки ограничивают различные каналы, в том числе:
- по меньшей мере один канал, который обеспечивает сообщение указанного входного патрубка с первыми или вторыми концами по меньшей мере одной группы из по меньшей мере двух труб только наиболее наружного пучка; и
- по меньшей мере один канал, который обеспечивает сообщение между первыми или вторыми концами по меньшей мере одной группы по меньшей мере из двух труб только внутреннего пучка и указанным выходным патрубком;
при этом различные каналы расположены таким образом, чтобы обеспечивать циркуляцию подлежащей нагреву текучей среды от указанного входного патрубка через все трубы или различные группы по меньшей мере из двух труб каждого последовательного пучка, причем последовательно, пучок за пучком, от наиболее наружного пучка до внутреннего пучка, и затем удаление указанной текучей среды после ее нагрева через указанный выходной патрубок (62).
Благодаря этим особенностям изобретения, можно обеспечивать сильный нагрев текучей среды-теплоносителя при сильном охлаждении газов и, следовательно, максимальный энергетический КПД, причем при помощи исключительно компактного устройства. Кроме того, обеспечение циркуляции текучей среды параллельно во всех трубах одной группы труб позволяет ограничить потери напора.
Наконец, выполнение коллектора из теплопроводящего материала позволяет еще больше увеличить теплообмены.
Согласно другим предпочтительным и не ограничительным особенностям изобретения, рассматриваемым отдельно или в комбинации:
- коллектор содержит нижнюю стенку, наружную стенку, заднюю стенку, переднюю стенку и две боковые стенки, через которые первые и вторые концы труб различных пучков выходят внутрь коллектора, и эти боковые стенки расположены в радиальных плоскостях цилиндра, продольная ось которого проходит через центр окружностей различных дугообразных труб;
- трубы указанных пучков имеют уплощенное овальное прямое сечение, и они имеют две боковые плоские стороны, параллельные между собой и перпендикулярные к продольной оси, соединяющей центры окружностей дугообразных труб;
- перегородки, образующие различные каналы, расположены в коллекторе продольно, поперечно и/или по диагонали;
- перегородки, образующие различные каналы, расположены на части или на всей высоте, ширине или длине коллектора;
- перегородки, образующие различные каналы, выполнены изогнутыми;
- промежутки между двумя соседними трубами разных пучков калиброваны при помощи распорок;
- предпочтительно указанные распорки представляют собой приливы или складки, выполненные в стенке трубы напротив стенки соседней трубы этого же пучка;
- теплообменник содержит средства для создания циркуляции указанной текучей среды-теплоносителя в трубах;
- средства производства горячих газов представляют собой газовую или жидкотопливную горелку.
Объектом изобретения является также теплообменное устройство для конденсационного теплообменника, содержащее:
- по меньшей мере два пучка труб из теплопроводящего материала, внутри которых указанная среда-теплоноситель, такая как вода, предназначена для циркуляции, при этом каждый пучок труб включает в себя ряд труб, каждая из которых имеет форму дуги окружности и содержит первый конец и второй конец, при этом трубы каждого пучка расположены в параллельных плоскостях с промежутком предпочтительно постоянной ширины между двумя соседними трубами, при этом разные пучки труб расположены концентрично;
- один коллектор из теплопроводящего материала, с которым соединены первый конец и второй конец каждой трубы разных пучков таким образом, что эти различные концы выходят внутрь указанного коллектора;
причем этот коллектор оснащен входным патрубком, обеспечивающим подачу подлежащей нагреву текучей среды-теплоносителя, и выходным патрубком, обеспечивающим удаление указанной текучей среды после ее нагрева, и содержит несколько внутренних перегородок, ограничивающих различные каналы, при этом каждый канал обеспечивает сообщение первых или вторых концов по меньшей мере одной группы из по меньшей мере двух труб по меньшей мере одного пучка либо с указанным входным патрубком, либо с указанным выходным патрубком, либо с первыми или вторыми концами по меньшей мере одной группы по меньшей мере из двух труб этого пучка или другого пучка, при этом каналы выполнены с возможностью обеспечения прохождения подлежащей нагреву текучей среды во всех трубах от входного патрубка до выходного патрубка.
Объектом изобретения является также конденсационный теплообменник, связанный со средствами подачи или со средствами производства горячих газов,
причем этот теплообменник содержит по меньшей мере одно описанное выше теплообменное устройство, в котором текучая среда-теплоноситель, такая как вода, предназначена для циркуляции, при этом указанное теплообменное устройство расположено вблизи указанных средств подачи горячих газов или указанных средств производства горячих газов в положении, при котором указанные горячие газы проходят в промежутки, разделяющие трубы указанного теплообменного устройства.
Краткое описание чертежей
Другие особенности и преимущества изобретения будут более очевидны из последующего описания со ссылками на чертежи, на которых в качестве не ограничительных примеров представлены несколько возможных вариантов выполнения.
На фиг. 1 показан конденсационный теплообменник согласно первому варианту осуществления, вид в продольном разрезе по линии разреза I - I на фиг. 12;
на фиг. 2 и 3 - теплообменное устройство согласно изобретению, виды в перспективе под противоположными углами зрения, при этом на фиг. 3 задний конец коллектора показан усеченным;
на фиг. 4 - теплообменное устройство, вид в поперечном разрезе по плоскости, обозначенной на фиг. 2 линией IV - IV;
на фиг. 5 - теплообменное устройство, вид в продольном разрезе по плоскости Р5 на фиг. 2;
на фиг. 6 - теплообменное устройство, вид в поперечном разрезе по плоскости, обозначенной на фиг. 2 линией VI - VI;
на фиг. 7 - теплообменное устройство, показанное на фиг. 2, вид сверху;
на фиг. 8 - теплообменное устройство согласно другому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 9, 10 и 11 - конденсационный теплообменник согласно различным другим вариантам осуществления изобретения, виды в продольном разрезе;
на фиг. 12, 13 и 14 - три конденсационных теплообменника, показанных без горелки, которые отличаются положением входного и выходного патрубков, виды в перспективе;
на фиг. 15 - теплообменник согласно изобретению, в котором теплообменное устройство содержит два пучка труб, схематичный вид в поперечном разрезе;
на фиг. 16 - вид, аналогичный фиг. 15, но для теплообменного устройства с тремя пучками труб.
Варианты осуществления изобретения
На фиг. 1 показан конденсационный теплообменник 1. Он содержит газонепроницаемый кожух 2, ограничивающий камеру, внутри которой установлены средства 3 производства горячих газов или подачи горячих газов и теплообменное устройство 4 в соответствии с изобретением.
Кожух 2 имеет приблизительно общую цилиндрическую форму с продольной осью Х-Х’.
Этот кожух 2 закрыт на своих двух концах крышками или лицевыми стенками. «Передней лицевой стенкой» называют лицевую стенку 21, обращенную в сторону передней части AV, которая на фиг. 1 находится слева, и «задней лицевой стенкой» называют противоположную лицевую стенку 22, которая находится на задней части AR теплообменника 1.
Кожух 2 имеет нижнюю часть 23, содержащую отверстие 24 для удаления конденсата.
Кожух 2 содержит также газоотводный рукав 25 для удаления горячих газов.
В примере выполнения, представленном на фиг. 1, этот рукав 25 соединен с задней лицевой стенкой 22. Вместе с тем, такое расположение не является обязательным, и в варианте выполнения, представленном на фиг. 9, видно, что этот рукав 25 может быть соединен с верхней стенкой 27 кожуха 2.
Передняя лицевая стенка 21 имеет проем 210, выполненный с возможностью установки приема теплоизолированной дверцы 26, на которой установлена горелка 3. Горелка 3 является, например, газовой или жидкотопливной горелкой. Предпочтительно речь идет о цилиндрической горелке, которая расположена вдоль продольной оси Х - Х’. Горелка образует средство прямого производства горячих газов.
Хотя на фигурах это не показано, ее можно заменить средствами подачи горячих газов. Эти средства обеспечивают подачу горячих газов через дверцу 26 внутрь камеры, ограниченной кожухом 2, причем эти газы производятся снаружи кожуха 2.
Описанное более подробно далее теплообменное устройство 4 тоже имеет общую цилиндрическую форму с продольной осью X1 - X’1. Оно установлено внутри кожуха 2 таким образом, чтобы его ось X1 - X’1 совпадала с продольной осью X - X’ кожуха 2.
Наконец, как показано на фиг. 12-14, предпочтительно кожух 2 опирается на опору 7.
Далее со ссылками на фиг. 2-7 следует описание теплообменного устройства 4 согласно первому варианту осуществления изобретения.
В этом варианте осуществления теплообменное устройство 4 содержит два пучка 5, 5’ труб, соединенные между собой посредством одного коллектора 6, называемого «моно-коллектором».
Каждый пучок 5, 5’ труб включает в себя ряд труб 50, соответственно 50’, из теплопроводящего материала, предпочтительно из металла, например, из нержавеющей стали или из алюминия.
Внутри труб 50, 50’ циркулирует текучая среда-теплоноситель, например, вода.
Каждая труба 50, 50’ имеет форму дуги окружности, в которой центр окружности находится на продольной оси X1 - X’1. Эти трубы получают, например, посредством сгибания.
Каждая труба 50 имеет первый конец 51 и противоположный второй конец 52. Точно так же, каждая труба 50’ имеет первый конец 51’ и второй конец 52’.
Оба пучка 5 и 5’ труб расположены концентрично вокруг продольной оси X1 - X’1, при этом пучок 5, называемый «первым пучком», расположен внутри пучка 5’, называемого «вторым пучком». Иначе говоря, наружный диаметр первого пучка 5, который находится внутри, меньше внутреннего диаметра второго пучка 5’.
Оба пучка 5 и 5’ отстоят друг от друга на расстояние Е.
Это концентричное расположение позволяет сохранить центральное пространство, внутри которого установлена горелка 3.
В каждом пучке 5, 5’ трубы 50 в виде дуги окружности, соответственно 50’, расположены в параллельных плоскостях, причем эти различные плоскости сами расположены перпендикулярно к оси X1 - X’1, и две соседние трубы 50 (соответственно 50’) отделены друг от друга промежутком 53 (соответственно 53’). Эти промежутки более наглядно показаны, например, на фиг. 1.
Предпочтительно такие промежутки 53, 53’ имеют постоянную ширину.
Согласно первому варианту пучки 5, 5’ труб расположены концентрично один внутри другого таким образом, что их соответствующие промежутки 53, 53’ выровнены в одной плоскости, как показано на фиг. 1 и 9-11.
Согласно другому варианту, не показанному на фигурах, можно также расположить концентричные пучки 5, 5’ труб, смещая один пучок на полшага относительно другого таким образом, чтобы трубы 50 пучка 5 находились напротив промежутков 53’, оставленных между трубами 50’ пучка 5’.
Предпочтительно каждая труба 50, 50’ имеет овальное прямое сечение, уплощенное в центре, и поэтому имеет две боковые плоские стороны, параллельные между собой и расположенные в плоскостях, перпендикулярных к продольной оси X1 – X’1 этих дугообразных труб.
Указанные боковые плоские стороны труб 50, 50’, обращенные в направлении задней части AR, имеют соответственно обозначения 55, 55’. Они показаны на фиг. 3. Противоположные боковые плоские стороны труб 50, 50’, обращенные в направлении передней части AV, имеют соответственно обозначения 56, 56’. Они показаны на фиг. 2.
Промежутки 53, 53’ образованы посредством распорок, выполненных, например, в виде приливов 54, 54’ или складок только на одной из этих боковых плоских сторон, например, на задней стороне 55, соответственно 55’, труб 50, 50’ и даже на обеих сторонах 55, 56, 55’, 56’.
Предпочтительно эти приливы 54, 54’ проходят радиально, то есть вдоль радиуса окружности каждой из дугообразных труб 50, 50’.
Предпочтительно приливы 54, 54’ равномерно распределены по всей окружности дуги. Например, они выполнены посредством гидроформовки.
Наконец, внутри каждого пучка 5, 5’ труб «группой труб» называют группу из по меньшей мере двух соседних труб, внутри которых текучая среда-теплоноситель циркулирует параллельно и в одном направлении. В варианте выполнения, представленном на фиг. 2 и 3, первый пучок 5 труб имеет две группы 50а, 50b труб, тогда как второй пучок 5’ имеет две группы труб, обозначенные 50’a и 50’b.
Как более наглядно показано на фиг. 2, 12 и 13, единый коллектор 6 (или моноколлектор) является элементом, предпочтительно имеющим, по существу, форму параллелепипеда, который содержит нижнюю стенку 600, обращенную к оси X1 - X’1 и предпочтительно являющееся плоской, две боковые стенки 601, 602, наружную стенку 603 и две концевые стенки, соответственно заднюю стенку 604 и переднюю стенку 605, названные таким образом по причине их ориентации относительно передней стороны и задней стороны кожуха 2, когда устройство 4 находится в этом кожухе.
Наружная стенка 603 на фиг. 2 не показана, чтобы можно было видеть внутреннее пространство коллектора 6, но видна на фиг. 4, 15 и 16, и, кроме того, передняя стенка 605 показана только пунктиром.
Предпочтительно коллектор 6 тоже выполнен из теплопроводящего материала, предпочтительно из металла, например, из нержавеющей стали или из алюминия. Поскольку коллектор 6 расположен в кожухе 2, это способствует теплообмену с горячими газами.
Предпочтительно две боковые стенки 601 и 602 расширяются от дна 60 таким образом, что расположены в радиальных плоскостях Р601, Р602 цилиндра с продольной осью X1 - X’1. При этом задняя 604 и передняя 605 стенки по существу имеют форму равнобедренной трапеции, чтобы соответствовать сечению коллектора 6.
В боковых стенках 601, 602 выполнено множество отверстий 6010, соответственно 6020, с которыми соединены первые концы 51, 51’ труб 50, 50’ и соответственно вторые концы 52, 52’ труб 50, 50’. Таким образом, трубы 50, 50’ выходят в коллектор 6 и сообщаются с ним по текучей среде.
Предпочтительно крепление труб на стенках 601, 602 коллектора осуществляют посредством сварки, запрессовки или развальцовки в зависимости от толщины стенок.
Расположение боковых стенок 601, 602 в радиальных плоскостях цилиндра с осью X1 - X’1 позволяет использовать трубы 50, 50’, поперечные сечения концов 51, 52, 51’, 52’ которых являются прямыми сечениями (то есть перпендикулярными к директрисе трубы). Это упрощает этап соединения труб со стенками 601, 602.
Вместе с тем, боковые стенки 601 и 602 могут иметь другую ориентацию, например, могут располагаться перпендикулярно к нижней стенке 600. В этом случае соответствующей будет плоскость сечения концов 51, 52, 51’, 52’.
Коллектор 6 оснащен входным патрубком 61, который обеспечивает его питание подлежащей нагреву текучей средой-теплоносителем (водой), и выходным патрубком 62, который обеспечивает удаление указанной текучей среды после ее нагрева.
В примере выполнения, представленном на фиг. 2 и 12, входной 61 и выходной 62 патрубки расположены на заднем конце коллектора 6, при этом патрубок 61 сообщается с коллектором через стенку 601, а патрубок 62 - через стенку 602.
Однако возможны и другие варианты расположения. Так, входной 61 и выходной 62 патрубки расположены на заднем или переднем конце боковых стенок 601 или 602 на передней стенке 605 или на задней стенке 604 или на наружной стенке 603.
Кроме того, часть коллектора 6, в которую выходит по меньшей мере один из патрубков 61 и 62, может выступать (см. фиг. 12 и 13) или не выступать (см. фиг. 14) за пределы кожуха 2.
Кроме того, внутри коллектора 6 выполнено множество перегородок, образуя внутри него множество каналов.
Эти перегородки выполняют роль отражателей в том смысле, что они направляют потоки текучей среды-теплоносителя и одновременно уменьшают потери напора.
Предпочтительно эти перегородки выполнены из того же материала, что и остальная часть коллектора 6. Предпочтительно таким материалом являются тонкие листы, сваренные между собой и/или со стенками коллектора. Таким образом, различные каналы являются герметичными по отношению друг к другу.
Далее следует описание примера выполнения, представленного на фиг. 2-7. В этом случае коллектор 6 содержит горизонтальную продольную перегородку 63 называемую «срединной», так как она проходит между двумя пучками труб, внутренним 5 и наружным 5’. Эта перегородка 63 проходит по всей длине коллектора 6, но только на части его ширины (в данном случае на двух третях), начиная от боковой стенки 601.
В дальнейшем тексте описания и в формуле изобретения понятия «горизонтальный» и «вертикальный» следует рассматривать относительно ориентации устройства 4 на фиг. 2.
Кроме того, коллектор 6 содержит также верхнюю вертикальную продольную перегородку 64, которая проходит по всей длине коллектора 6, но только на части его высоты, то есть на верхней части от перегородки 63 в направлении наружу (в сторону верхней стенки 603).
Коллектор 6 содержит также две вертикальные нижние продольные перегородки 65, 66. Перегородка 65 проходит только на части длины коллектора 6 от его задней части AR до его половины; она расположена, по существу, на одной трети ширины коллектора. Продольная перегородка 66 проходит по всей длине коллектора, по существу, на второй трети его ширины. Перегородки 65, 66 выполнены между нижней стенкой 600 и перегородкой 63 и расположены перпендикулярно к последней.
Наконец, коллектор 6 содержит вертикальную поперечную перегородку 67, которая расположена на всей высоте коллектора 6, по существу, на середине его длины, от нижней стенки 600 до верхней стенки 604 и на части ширины коллектора (от боковой стенки 602 до перегородок 64 и 66).
Коллектор 6 содержит также вторую нижнюю вертикальную поперечную перегородку 68, которая выполнена на середине длины коллектора между нижней стенкой 600 и срединной перегородкой 63. Эта перегородка 68 соединяется с перегородкой 65.
Перегородки 65, 63 и 68 образуют вместе с нижней стенкой 600 и боковой стенкой 601 первый канал, обозначенный позицией 71. Этот канал 71 обеспечивает сообщение по текучей среде между входным патрубком 61 и первыми концами 51 второй группы 50b труб 50 первого пучка 5.
Перегородки 64, 67 и 66 и часть перегородки 63 ограничивают вместе с нижней стенкой 600, верхней стенкой 604 и боковой стенкой 602 на заднем конце коллектора второй канал 72. Этот второй канал 72 обеспечивает сообщение между вторыми концами 52 второй группы 50b труб 50 первого пучка 5 и вторыми концами 52’ второй группы 50’b труб 50’ второго пучка 5’.
Перегородки 63 и 64 ограничивают вместе с верхней стенкой 604 и боковой стенкой 601 третий канал 73, который проходит на всей длине коллектора 6. Этот третий канал 73 позволяет соединить первые концы 51’ второй группы 50’b труб 50’ второго пучка 5’ с первыми концами 51’ первой группы 50’a труб 50’ этого же пучка.
Перегородки 64, 66, 67 и часть перегородки 63 ограничивают вместе с верхней стенкой 604, нижней стенкой 600 и боковой стенкой 602 в сторону передней части AV коллектора 6 четвертый канал 74. Этот четвертый канал 74 обеспечивает сообщение между вторыми концами 52’ первой группы 50’a труб 50’ второго (наружного) пучка 5’ и вторыми концами 52 первой группы 50а труб 50 первого внутреннего пучка 5.
Наконец, перегородки 63, 66, 65 и 68 ограничивают вместе с нижней стенкой 600 и передней частью боковой стенки 601 пятый канал 75, который проходит от одного конца коллектора 6 к другому и является более широким со стороны передней части и более узким со стороны задней части AR. Этот пятый канал 75 обеспечивает сообщение между первыми концами 51 первой группы 50а труб 50 первого внутреннего пучка 5 и выходным патрубком 62.
Далее со ссылками на фиг. 1 следует описание пути газов.
В примере выполнения, представленном на фиг. 1, внутри теплообменного устройства 4 перпендикулярно к его оси X1 - X’1 установлен теплоизолирующий диск 30, перекрывающий центр первого пучка 5.
Он расположен напротив горелки 3. На своей периферии он содержит радиальный кольцевой отражатель 31, который вставлен газонепроницаемым образом в один из промежутков 53 первого пучка 5 труб и в один из промежутков 53’ второго пучка 5’, оставляя при этом свободное кольцевое пространство 28 между наружным пространством второго пучка 5’ и кожухом 2, что заставляет дымы проходить через пространство 28.
Этот теплоизолирующий диск 30 и отражатель 31 позволяют таким образом разделить кожух 2 теплообменник 1 на камеру 11 сгорания, внутри которой находятся средства 3 подачи или производства горячих газов, и конденсационную камеру 12, расположенную между этим теплоизолирующим диском 30 и газоотводным рукавом 25, при этом следует уточнить, что в зависимости от режима работы конденсация может происходить также в камере сгорания.
Однако такое расположение не является обязательным. На фиг. 9, где представлен другой вариант выполнения, видно, что теплоизолирующий диск 30 может быть расположен вблизи задней лицевой стенки 22, и в этом случае газоотводный рукав 25 выполнен в верхней стенке 27 кожуха 2. Такой теплообменник содержит только одну камеру, которая выполняет роль камеры 11 сгорания.
Горячие газы, выходящие из горелки 3, проходят в радиальном направлении изнутри наружу сначала через промежутки 53 между трубами 50 первого пучка 5 (стрелки i1), затем через промежутки 53’ между трубами 50’ второго пучка 5’ (стрелки i2). Таким образом, они направляются за счет присутствия теплоизолирующего диска 30 и отражателя 31.
Поток очень горячих газов входит таким образом в контакт с относительно протяженной поверхностью стенки труб и, «обволакивая» ее, обеспечивает очень эффективный теплообмен с нагреваемой текучей средой, которая циркулирует внутри этих труб. Чем дальше горячие газы удаляются радиально наружу, тем больше они охлаждаются, но все же способствуют теплообмену с каждым пучком труб, через который они проходят.
Когда горячие газы достигают стенки кожуха 2 в пространстве 28, они направляются в направлении задней части (стрелки i3), попадают в конденсационную камеру 12, затем в радиальном направлении, но на этот раз снаружи внутрь проходят через промежутки 53’ между трубами 50’ второго пучка 5’ (стрелки i4), затем через промежутки 53 между трубами 50 первого пучка 5 (стрелки i5), после чего выходят через газоотводный рукав 25 (стрелки i6).
В варианте выполнения, представленном на фиг. 9, горячие газы выходят только в одном направлении, а именно радиально изнутри наружу в направлении кожуха и газоотводного рукава 25.
Далее со ссылками на фиг. 2-7 следует описание циркуляции нагреваемой текучей среды, такой как вода. Воду приводят в циркуляцию при помощи не показанных средств, таких как насос.
Холодная вода поступает во входной патрубок 61, проходит через первый канал 71 (стрелки j1), циркулирует во второй группе 50b труб первого теплообменника 5 и выходит из него на его другом конце в канал 72 (стрелки j2). Отсюда вода поступает во вторую группу 50’b труб второго пучка 5’ (стрелки j3) и выходит на их первых концах 51’ в третий канал 73. Таким образом, происходит предварительный нагрев воды от охлаждаемых газов, которые циркулируют в промежутках 53, 53’.
Вода проходит в трубы первой группы 50’a, находящейся ближе к передней части наружного пучка 5’ (стрелки j4), проходит через эти трубы и выходит из них в четвертый канал 74. В этом канале вода попадает в первую группу 50а труб 50 внутреннего пучка (стрелки j5), затем выходит из него и поступает внутрь канала 75 в его переднюю часть. Наконец, через заднюю часть этого канала вода направляется к выходному патрубку 62 (стрелки j6).
Таким образом, понятно, что нагреваемая текучая среда может циркулировать между входным патрубком 61 и выходным патрубком 62, проходя через все трубы различных пучков, образующих устройство 4.
Горячие газы циркулируют противотоком относительно циркуляции нагреваемой текучей среды, что обеспечивает работу с конденсацией.
Иначе говоря, вторая группа 50b труб 50 первого (внутреннего) пучка 5 и вторая группа 50’b труб 50’ второго (наружного) пучка 5’ находятся напротив конденсационной камеры 12, тогда как первая группа 50а труб 50 первого пучка 5 и вторая группа 50’a труб 50’ второго пучка 5’ находятся напротив камеры 11 сгорания.
Таким образом, текучая среда-теплоноситель поступает во все трубы наружного пучка 5’, находящиеся напротив камеры 11 сгорания, до поступления во все трубы внутреннего пучка 5.
Можно легко понять, что используя разное число перегородок и располагая их на всей или на части длины, высоты или ширины коллектора 6, можно создавать разные группы труб и направлять предназначенную для нагрева текучую среду по необходимому пути внутри пучков труб, причем этот путь можно регулировать или приспособить в зависимости от мощности и от КПД, которые необходимо получить при помощи теплообменного устройства 4, обеспечивая при этом минимальные потери напора и избегая любого риска перегрева.
Следует отметить, что при наличии камеры 11 сгорания и конденсационной камеры 12 изолирующий диск 30 может находиться напротив зоны, расположенной между двумя соседними группами труб, или, наоборот, находиться напротив этой группы труб между двумя соседними трубами этой группы, и в этом втором случае циркуляция текучей среды сначала происходит в трубах наружного пучка, а затем в трубах внутреннего пучка.
Далее со ссылками на фиг. 8 следует описание второго варианта осуществления изобретения.
На этой фигуре показано теплообменное устройство 4’, которое отличается от устройства 4, описанного выше со ссылками на фиг. 2-7, тем, что содержит три группы труб в каждом пучке вместо двух.
Элементы, одинаковые с описанными выше, имеют такие же цифровые обозначения. Три группы труб обозначены 50а, 50b и 50с для первого внутреннего пучка 5 и, соответственно, 50’a, 50’b, 50’c для второго наружного пучка 5’.
На этой фигуре пунктирными линиями показаны только две расположенные по диагонали перегородки 69, 69’, а другие перегородки, присутствующие внутри коллектора 6, для упрощения не показаны. Вместе с тем, ниже будет описан путь нагреваемой текучей среды внутри этого коллектора 6.
Предназначенная для нагрева текучая среда поступает во входной патрубок 61, откуда она выходит, делясь на два потока (стрелки k1 и k6), которые питают соответственно первые концы 51 третьей группы 50с труб внутреннего пучка 5 и первые концы 51’ третьей группы 50’c труб второго наружного пучка 5’.
Потоки, обозначенные стрелками k1 и k6, выходят из труб 50 соответственно на уровне вторых концов 52 третьей группы 50с труб и на уровне вторых концов 52’ третьей группы 50’c труб, они смешиваются и направляются по диагонали соответственно в первые концы 51’ второй 50’b и первой 50’a групп труб второго наружного пучка 5’ (стрелки k2 и k7) и выходят из них через их вторые концы 52’.
Оба выходящих из них потока поступают во вторые концы 52 второй группы 50b труб внутреннего пучка 5 (стрелки k3 и k8). Поток жидкости циркулирует внутри труб 50 и выходит из них через их первые концы 51.
Затем поток, выходящий из этих первых концов 51, направляется по диагонали в первые концы 52 первой группы 50а труб первого пучка 5 (стрелка k4). После прохождения внутри труб 50 текучая среда выходит через их первые концы 51 и направляется затем в выходной патрубок 62 (стрелка k5).
Согласно варианту выполнения, показанному на фиг. 14, входной патрубок 61 находится на верхней части коллектора и теплообменника и ближе к задней стороне, а выходной патрубок 62 находится на верхней части и ближе к передней стороне. В этом случае потоки k1 и k6 поступают сверху коллектора, и поток k5 удаляется вверх и по направлению к передней части коллектора.
Таким образом, в этом случае некоторые перегородки могут быть выполнены по диагонали, если, например, речь идет о соединении первых концов этой группы труб, например, первой группы труб, со вторыми концами второй или третьей группы труб. Таким образом, расположенные диагонально перегородки 69, 69’ не являются ни параллельными относительно продольной оси X1 - X’1, ни перпендикулярными к этой оси. Преимуществом выполнения перегородок по диагонали является значительное снижение потерь напора в коллекторе.
Кроме того, можно также соединить первые концы группы труб одного из пучков со вторым концами группы труб другого пучка. Для этого необходимо использовать наклонные перегородки, то есть перегородки, которые не являются параллельными нижней стенке 600.
Можно также соединить одну группу труб с несколькими группами труб.
Как было описано в предыдущем варианте выполнения, горячие газы циркулируют противотоком относительно циркуляции нагреваемой текучей среды. Иначе говоря, третья группа 50с труб внутреннего пучка 5 и третья группа 50’c труб внутреннего пучка 5’ (см. фиг. 8) расположены напротив конденсационной камеры 12, тогда как вторые группы 50b, 50’b труб и первые группы 50a, 50’a труб расположены напротив камеры 11 сгорания.
Таким образом, текучая среда-теплоноситель питает все трубы (групп 50’a и 50’b) наружного пучка 5’, находящиеся напротив камеры 11 сгорания, и лишь затем все трубы (группы 50b, затем группы 50а) внутреннего пучка 5.
Далее со ссылками на фиг. 15 следует описание технического влияния расположения каналов на циркуляцию текучей среды-теплоносителя в устройствах 4, 4’ в камере 11 сгорания.
Текучая среда-теплоноситель поступает в наружный пучок 5’ при температуре Т1, выходит из него при температуре Т2, превышающей Т1, попадает во внутренний пучок 5 при Т2 и выходит из него при температуре Т3, превышающей Т2. В это же время горячие газы, выходящие из горелки 3 при температуре Tg1, охлаждаются до температуры Tg2 ниже Tg1, затем до Tg3 ниже Tg2 после прохождения через промежутки между трубами двух пучков 5, 5’.
Так, например, чтобы получить воду при Т3 порядка 50°С из воды при температуре Т1, равной 30°С, температура Т2 должна быть равной 35°С. Одновременно горячие газы, производимые горелкой 3, перейдут от температуры Tg1 около 1000°С до температуры Tg2 около 130°С, затем до температуры Tg3 около 35°С. Благодаря особенностям изобретения, наблюдается явное охлаждение горячих газов при прохождении через разные пучки труб. Поскольку холодная вода поступает сначала в наружный пучок 5’ труб, температура Tg3 становится намного ниже температуры, которая наблюдалась в известных технических решениях.
Точно так же, например, чтобы получить воду при Т3, равной 95°С, из воды при температуре Т1 80°С, температура Т2 должна быть около 84°С. В этом случае температуры Tg1, Tg2 и Tg3 будут составлять соответственно около 1000°С, 180°С и 85°С. Таким образом, устройство позволяет получать воду при 95°С, при этом ни в одной зоне теплообменного устройства 4 не происходит кипения воды.
Далее со ссылками на фиг. 9 следует описание еще одного варианта осуществления изобретения.
Этот вариант осуществления отличается от двух предыдущих тем, что теплообменное устройство 4” содержит третий пучок 5” труб 50”, концентричный с двумя другими и расположенный снаружи второго пучка 5’. Второй и третий пучки 5’, 5” отстоят друг от друга на расстояние Е1, которое может быть идентичным или может отличаться от расстояния Е между первым и вторым пучками. Промежутки между трубами 50” обозначены 53”. На фиг. 9 концы труб 50” не показаны.
Техническое влияние этой конструкции с тремя концентричными пучками труб схематично представлено на фиг. 16. Горячие газы, выходящие из горелки 3 при температуре Tg1, охлаждаются до температуры Tg2 ниже Tg1, затем до Tg3 ниже Tg2 и, наконец, до Tg4 ниже Tg3 после прохождения через промежутки между трубами трех пучков 5, 5’ и 5”.
Сначала текучая среда-теплоноситель циркулирует исключительно в трубах пучка 5”, находящегося наиболее снаружи. Она поступает в него при температуре Т1 и выходит из него при температуре Т2, превышающей Т1. Затем она попадает в промежуточный пучок 5’ при температуре Т2, выходит из него при температуре Т3, превышающей Т2, и, наконец, проходит во внутренний пучок 5 при температуре Т3 и выходит из него при температуре Т4, превышающей Т3.
Таким образом, например, чтобы получить воду, выходящую при температуре Т4 50°С, из воды, поступающей при температуре Т1 30°С, температуры Т2 и Т3 должны составлять соответственно около 34°С и 38°С. В это же время горячие газы, получаемые при Tg1 (около 1000°С), охлаждаются до температур Tg2 (около 140°С), Tg3 (около 60°С) и, наконец, Tg4 (около 32°С). Здесь выходящие газы тоже находятся при температуре ниже точки росы, поэтому они конденсируются, что позволяет отбирать максимум тепла для нагрева текучей среды-теплоносителя, причем при высоком общем термическом КПД теплообменника.
Точно так же, например, чтобы получить воду при температуре Т4 95°С из воды при температуре Т1 80°С, температуры Т2 и Т3 должны составлять соответственно около 81°С и 88°С. Горячие газы, получаемые при Tg1 (1000°С), охлаждаются соответственно до Tg2 (около 190°С), Tg3 (около 105°С) и, наконец, Tg4 (около 82°С).
Здесь тоже не наблюдается микро-кипения, в частности, во внутреннем пучке 5 труб.
Наконец, как показано на фиг. 15 и 16, перегородки, ограничивающие различные каналы, могут быть изогнутыми, то есть могут иметь поперечное сечение (в плоскости, перпендикулярной к X1 - X’1) изогнутой формы.
Наконец, два варианта выполнения, представленные на фиг. 10 и 11, отличаются от варианта выполнения, показанного на фиг. 9, тем, что не все пучки труб имеют одинаковую длину. Так, в варианте выполнения на фиг. 10, третий пучок 5” труб короче, чем два других пучка 5 и 5”, поэтому три пучка находятся напротив камеры 11 сгорания, и только два пучка находятся напротив конденсационной камеры 12.
В примере, показанном на фиг. 11, наоборот, первый пучок 5 короче, чем другие пучки 5” и 5’.
Понятно, что можно осуществить другие варианты выполнения посредством изменения числа пучков, которое должно быть не менее двух, и используя пучки одинаковой или разной длины.
Точно так же, изменяя форму, длину, высоту, ширину, расположение и наклон различных перегородок, расположенных внутри коллектора 6, можно формировать группы труб, содержащих больше или меньше труб, получать разные пути между входным патрубком и выходным патрубком и, следовательно, получать теплообменные устройства, имеющие разную мощность, компактность по длине и по диаметру, разные КПД или потери напора (потери давления).
В целом, если необходимо повысить мощность теплообменника 1, можно по выбору увеличить число труб в каждом пучке, размеры сечения труб, диаметр пучков и/или число пучков.
Для повышения КПД, то есть соотношения между количеством производимой энергии и количеством затрачиваемой энергии, можно при данной мощности влиять на вышеупомянутые параметры и/или увеличить число труб в конденсационной части.
Кроме того, моноколлектор 6 позволяет уменьшить потери напора по сравнению с циркуляцией в спиральной трубе, так как он обеспечивает циркуляцию текучей среды-теплоносителя параллельно во всех трубах одной группы. Он позволяет также направлять и делить потоки текучей среды-теплоносителя между пучками, чтобы уменьшить потери напора и избегать перегрева.