ТЕПЛООБМЕННИК
HEAT EXCHANGER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к теплообменнику, изготовленному из одной заготовки из теплопроводного материала, содержащему ребра для направления текучей среды и для осуществления теплообмена между текучей средой и теплообменником.
Настоящее изобретение, кроме того, относится к устройству для нагревания воды.
Настоящее изобретение относится также к комбинированному бойлеру, предназначенному для нагревания водопроводной воды и воды для центрального отопления.
Настоящее изобретение относится, кроме того, к способу изготовления теплообменника.
Уровень техники
Теплообменники применяют во многих устройствах для охлаждения и нагревания. Известными нагревательными устройствами являются, например, водогрейный котел для нагревания воды центрального для отопления (вода ЦО) в системах центрального отопления (система ЦО) и проточный газовый нагреватель или водогрейный котел для нагревания водопроводной воды.
По причинам экономии объема предпочтительно использовать комбинированное устройство, как для воды системы центрального отопления, так и для водопроводной воды, в виде так называемого комбинированного бойлера. Поскольку в этом устройстве необходим лишь единственный теплогенератор, например, в виде горелки, обеспечивается экономия объема. Кроме того, с точки зрения стоимости предпочтительно исключить вторую горелку.
Дополнительным новшеством является изготовление теплообменника из единственной заготовки (отливки), за счет чего его изготовление требует проведения меньшего количества стадий.
Теплообменник может быть также выполнен более компактным за счет улучшения теплообмена, и тем самым может быть достаточным выполнение теплообменника меньших размеров. Известно, что для улучшения теплообмена в теплообменниках посредством увеличения их контактной поверхности теплообменники выполняют с ребрами.
Несмотря на отмеченные выше усовершенствования, все еще существует необходимость, исходя из технических и экономических соображений, сделать нагревательные и охлаждающие устройства более компактными и, кроме того, иметь в распоряжении устройство, как можно более простое. В связи с этим задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить нагревательное или охлаждающее устройство, которое является более компактным, чем устройства, известные из уровня техники, и, к тому же, без значительного усложнения конструкции устройства.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение решает изложенную выше задачу за счет создания теплообменника, изготовленного из единственной заготовки из теплопроводного материала, содержащего продольные ребра для придания текучей среде направления и для передачи теплоты между текучей средой и теплообменником, в котором между указанными продольными ребрами имеются поперечные ребра, выступающие в направлении по существу перпендикулярном продольным ребрам на расстояние, которое меньше, чем расстояние между указанными продольными ребрами, и направлены по существу поперек направления течения текучей среды, при этом поперечные ребра выполнены близко к или на расположенных противоположно друг к другу продольных ребрах поочередно с тем, чтобы текучая среда протекала между продольными ребрами и следовала между ними по извилистому пути, при этом поперечное направление проходит по существу перпендикулярно продольным ребрам.
В предпочтительном воплощении теплообменник изготовлен из единственной заготовки из металла, например, из алюминия. За счет применения технологии литья этот теплообменник может быть, таким образом, изготовлен простым способом.
Когда применяют такой теплообменник в соответствии с изобретением, продольные ребра теплообменника являются весьма подходящими для размещения в потоке текучей среды. В этом случае эти ребра расположены так, что их продольная ось проходит в направлении потока текучей среды. Поверхность контакта между текучей средой и теплообменником, таким образом, увеличивается, как увеличивается и теплообмен между текучей средой и теплообменником.
Поперечные ребра, расположенные на указанных продольных ребрах обеспечивают удлинение пути, который проходит текучая среда между продольными ребрами. Кроме того, канал для прохода через продольные ребра становится меньше, что приводит к повышению скорости потока текучей среды между ребрами. Эффекты более длинного пути, который проходит текучая среда между продольными ребрами, и увеличенной скорости потока в значительной степени компенсируют друг друга благодаря меньшему размеру канала для прохождения текучей среды. Неожиданным оказалось, что на интенсивность теплообмена между текучей средой и теплообменником в большей степени влияет увеличенная скорость потока, чем изменение располагаемой для теплообмена контактной поверхности. Как было, таким образом, установлено, более выгодно, оставляя общие габариты теплообменника неизменными, расположить продольные ребра на большем расстоянии друг от друга, и в результате уменьшить контактную поверхность, для того, чтобы разместить поперечные ребра, что приводит к увеличению скорости потока.
Согласно другому предпочтительному воплощению установлено, что эффективность теплообмена увеличивается еще больше за счет повышения скорости потока текучей среды по сравнению со случаем отсутствия поперечных ребер. Выгодно увеличивать скорость потока, используя вентилятор. Несмотря на более короткое время пребывания текучей среды между продольными ребрами, в том случае, когда эти ребра снабжены поперечными ребрами, при более высокой скорости потока текучей среды происходит передача большего количества теплоты по сравнению с теплообменником без поперечных ребер, но с приблизительно равной поверхностью теплообмена.
В соответствии с еще одним воплощением поперечные ребра ниже по потоку выступают вперед на большую часть промежутка между двумя расположенными напротив друг друга продольными ребрами, чем они выступают выше по потоку. Ниже по ходу течения потока текучая среда еще больше охладилась и занимает меньший объем, и в результате скорость потока, и, следовательно, передача теплоты, могут уменьшаться. Однако за счет уменьшения размера проходного канала ниже по потоку благодаря тому, что поперечные ребра проходят дальше, этот эффект может быть скомпенсирован, и более высокая скорость потока и, следовательно, более интенсивный теплообмен, сохраняются.
Согласно следующему воплощению теплообменник в соответствии с изобретением, кроме того, содержит первый трубопровод, служащий для придания направления и перемещения второй текучей среды, причем указанный канал размещен внутри единственной заготовки из теплопроводного материала, образующей теплообменник. Второй трубопровод является весьма подходящим для охлаждения и нагревания второй текучей среды соответственно.
В одном конкретном предпочтительном воплощении теплота от первой текучей среды, которая протекает вдоль продольных ребер теплообменника, передается в теплообменник, в частности, через эти ребра. Поперечные ребра, расположенные близко к продольным ребрам, обеспечивают улучшение теплообмена между текучей средой и теплообменником для того, чтобы обеспечить передачу наибольшего возможного количества теплоты к теплообменнику на единицу объема текучей среды. Теплообменник, в свою очередь, будет передавать теплоту второй текучей среде, протекающей в трубопроводе. Таким образом, эффективным путем реализуется передача теплоты путем косвенного теплообмена между первой текучей средой и второй текучей средой.
В определенном альтернативном воплощении направление передачи теплоты противоположно направлению, реализуемому в описанном выше воплощении. В этом случае вторая текучая среда, которая протекает через первый трубопровод, отдает теплоту теплообменнику. Теплообменник в таком случае нагревает первую текучую среду, протекающую между ребрами.
В предпочтительном следующем воплощении поперечные ребра расположены на продольных ребрах так, что между продольными ребрами и поперечными ребрами существует достаточный тепловой контакт. Это создает дополнительный эффект в том, что поперечные ребра вносят вклад в увеличение контактной поверхности между теплообменником и первой текучей средой.
Согласно еще одному воплощению поперечные ребра проходят в направлении по существу перпендикулярно указанным продольным ребрам.
В соответствии со следующим воплощением настоящее изобретение обеспечивает теплообменник, дополнительно содержащий второй трубопровод, придающий направление и обеспечивающий перемещение третьей текучей среды, причем указанный трубопровод размещен внутри единственной отливки из теплопроводного материала, образующей теплообменник. Преимущество второго трубопровода заключается в том, что теплообмен может происходить между тремя текучими средами. Еще одно воплощение, в котором такое решение применяют выгодным образом, представляет собой упоминаемый ниже комбинированный бойлер, служащий для нагревания, как воды для центрального отопления, так и водопроводной воды.
В различных воплощениях первый и второй трубопроводы в теплообменнике имеют различные выполнения. Предпочтительно эти трубопроводы образуют наиболее длинный возможный путь прохождения текучей среды через теплообменник для того, чтобы реализовать наиболее продолжительное возможное время пребывания в теплообменнике. Тем самым достигается более эффективный теплообмен. Для того, чтобы создать компактный теплообменник, выгодно реализовать трубопровод не как единственный прямолинейный канал, проходящий через теплообменник, а в виде множество прямолинейных каналов, соединенных друг с другом посредством колен или, в качестве альтернативы, в виде одного единственного криволинейного канала. Упомянутые колена могут быть, кроме того, размещены в самом теплообменнике, хотя по соображениям технологии производства обычно проще реализовать множество прямолинейных каналов, которые соединены друг с другом снаружи теплообменника с помощью коленообразных участков трубопровода.
В предпочтительном воплощении настоящее изобретение обеспечивает теплообменник, в котором трубопровод представляет собой полую направляющую из второго теплопроводного материала, при этом указанная полая направляющая заключена внутрь теплообменника по существу с плотным прилеганием к нему. Такая конструкция может быть, например, изготовлена с использованием трубы в качестве направляющей. Теплообменник затем, например, отливают вокруг, по меньшей мере, части трубы, посредством размещения трубы в литейную форму, после чего формуют теплообменник путем заполнения этой формы, например, расправленным металлом при температуре, которая ниже температуры плавления материала трубы. Таким путем легче также обеспечить возможность нахождения указанных колен в трубопроводе в пределах теплообменника.
В одном конкретном выполнении обеспечивают теплообменник, в котором поперечные ребра выступают внутрь промежутка между продольными ребрами значительно менее далеко, чем половина расстояния между двумя расположенными напротив друг друга продольными ребрами.
Согласно альтернативному воплощению обеспечивается теплообменник, в котором поперечные ребра проходят в промежутке между продольными ребрами до половины расстояния между этими соседними продольными ребрами.
Для создания наибольшей возможной поверхности теплообмена теплообменник должен быть выполнен с наибольшим возможным количеством продольных ребер. При заданном размере теплообменника увеличение количества продольных ребер будет, однако, приводить к тому, что эти ребра будут располагаться ближе друг к другу, и тем самым канал для прохода текучей среды между ребрами становится все более узким. Если канал между продольными ребрами становится слишком узким, то это отрицательно влияет на расход текучей среды, протекающей между ребрами. В особенности, в ситуациях, когда текучая среда представляет собой газообразную смесь, содержащую пары, такую, например, как дымовые газы, происходящая между ребрами конденсация в случае слишком узкого канала между ребрами будет препятствовать прохождению потока текучей среды. Кроме того, выбранная технология изготовления теплообменника с продольными ребрами также накладывает ограничение на расстояние между этими ребрами. Дополнительно препятствие прохождению потока усиливает размещение между продольными ребрами поперечных ребер. Таким образом, для заданной конструкции требуется минимальное расстояние между ребрами для того, чтобы по-прежнему гарантировать подходящий расход текучей среды. Наличие поперечных ребер увеличивает минимальное расстояние. Чем дальше выступают поперечные ребра в направлении поперек продольных ребер, тем больше увеличивается минимальное расстояние. Длина, на которую выступают поперечные ребра, следовательно, также ограничена по практическим соображениям. Заявитель по результатам опытов установил, что минимальное расстояние между продольными ребрами, за вычетом длины, на которую выступают поперечные ребра, составляет до 3 мм. В этом случае ограничивающим фактором, как было установлено, является выбранная технология литья под давлением. Меньшая величина этого расстояния отрицательным образом сказывается на расходе текучей среды, протекающей в данный момент между ребрами.
В определенном воплощении согласно изобретению обеспечивается устройство для нагревания воды, содержащее: нагревательный элемент для выделения теплоты; теплообменник для поглощения теплоты, выделяемой нагревательным элементом; соединительные элементы для подачи текучей среды, которые присоединяют к стороне для подачи текучей среды трубопровода, отлитого в теплообменнике, и которые могут быть присоединены к трубопроводу для подачи воды; соединительные элементы для отвода текучей среды, которые присоединены к стороне отвода для текучей среды трубопровода, отлитого в теплообменнике, и которые могут быть соединены с отводящим трубопроводом для нагретой воды. В одном примере воплощения нагревательный элемент представляет собой горелку, в которой сжигают газ. Горячие газообразные продукты сгорания перемещаются вдоль теплообменника, в частности, между продольных ребер, и при этом горячие продукты сгорания передают теплоту ребрам, и, таким образом, теплообменнику. Средство подачи воды, которое соединено с соединительными элементами для подачи воды, подает воду в трубопровод, размещенный внутри теплообменника. Теплота, передаваемая от теплообменника, нагревает воду в трубопроводе. Нагретая вода выходит затем из размещенного в теплообменнике трубопровода через средство отвода, присоединенное к соединительным отводящим элементам.
Согласно еще одному воплощению устройство для нагревания воды представляет собой водонагреватель для водопроводной воды. В другом воплощении устройство для нагревания воды представляет собой бойлер системы центрального отопления, служащий для нагревания воды в системе центрального отопления.
В соответствии с еще одним воплощением изобретение обеспечивает комбинированный бойлер для нагревания водопроводной воды и воды для центрального отопления, содержащий водонагреватель, при этом указанный водонагреватель представляет собой теплообменник, в котором имеется первый трубопровод для создания направленного течения водопроводной воды и второй трубопровод для направленного течения воды для центрального отопления. Такое воплощение изобретения является весьма выгодным, поскольку известные в уровне техники комбинированные бойлеры обычно используют трехходовой клапан для того чтобы выбрать, будет ли теплота, поглощенная теплообменником, использована для нагревания воды центрального отопления или для нагревания водопроводной воды. За счет обеспечения теплообменника трубопроводом для воды центрального отопления, а также трубопроводом для водопроводной воды, трехходовой клапан может быть исключен, и, как вода центрального отопления, так и водопроводная вода могут быть нагреты одновременно.
Согласно следующему аспекту изобретения обеспечивается способ изготовления теплообменника, включающий стадии: обеспечения литейной формы для изготовления теплообменника из одной заготовки, выполненной из теплопроводного материала, при этом литейная форма содержит, по меньшей мере: отверстие для размещения в процессе литья участка подачи текучей среды трубопровода, придающего направление текучей среде, и отверстие для размещения в процессе литья участка отвода текучей среды трубопровода, придающего направление текучей среде, при этом в литейной форме имеются углубления для формования на теплообменнике заодно целое продольных ребер, причем указанные углубления для продольных ребер снабжены также углублениями для формования поперечных ребер на или вблизи указанных продольных ребер таким образом, чтобы поперечные ребра проходили в направлении, по существу перпендикулярном указанным продольным ребрам, на расстояние, которое меньше расстояния между продольными ребрами и в направлении по существу перпендикулярном ожидаемому направлению течения текучей среды, чтобы она могла протекать между продольными ребрами, полученными в результате формования, причем поперечные ребра, полученные в результате формования, расположены поочередно вблизи или на противоположных друг другу продольных ребрах так, чтобы текучая среда следовала по извилистому пути между ребрами, при этом указанное поперечное направление по существу перпендикулярно продольным ребрам; размещение в литейной форме трубопровода, служащего для придания направления текучей среде, при этом указанный участок подачи трубопровода размещают с помощью имеющегося в литейной форме отверстия для этого участка подачи, а указанный участок отвода трубопровода размещают с помощью имеющегося в форме отверстия для этого участка отвода; размещение в трубопроводе для текучей среды извлекаемого, по существу несжимаемого литьевого стержня; заполнение литейной формы, по меньшей мере, одним теплопроводным материалом или материалом, который может быть, по меньшей мере, превращен в литейной форме в теплопроводный материал; обработку загруженного в литейную форму материала для получения теплообменника из одной заготовки из теплопроводного материала; удаление литейной формы из теплообменника; и удаление литьевого стержня из трубопровода для текучей среды.
Подходящим технологическим процессом, в котором применим этот способ, является, например, процесс литья под давлением, используемый для формования теплообменника в соответствии с изобретением, при этом расплавленный металл, такой, например, как алюминий, вводят под давлением в пресс-форму с помощью размещенного в ней трубопровода, например, из меди. Жидкий металл затем в пресс-форме отвердевает, и в результате теплообменник приобретает свою форму, при этом продольные ребра вместе с поперечными ребрами формуются за счет конфигурации пресс-формы.
В другом подходящем технологическом процессе для этого способа используют не литье под давлением, а литье при атмосферном давлении. Специалистам в данной области техники понятно, что способ согласно изобретению может быть применим в любом процессе, в котором формуют теплообменник, используя для этого форму. Лишь для примера формы можно заполнять гранулятом, после чего этот гранулят доводят в форме до температуры, при которой она расплавляется. После охлаждения и отвердевания получают теплообменник с продольными ребрами и поперечными ребрами, который изготовлен из одной единственной заготовки. В качестве альтернативы в форму могут быть введены два вещества, которые, по усмотрению после дополнительной обработки, такой, например, как тепловая обработка, вступают в реакцию друг с другом, и в результате получают теплообменник в соответствии с изобретением.
Краткое описание чертежей
Другие дополнительные воплощения и преимущества настоящего изобретения приведены ниже со ссылками на сопровождающие чертежи.
Фиг.1 - аксонометрическое изображение теплообменника согласно настоящему изобретению с трубопроводами подачи и отвода воды для центрального отопления и водопроводной воды.
Фиг.2 - аксонометрическое изображение теплообменника, представленного на фиг.1, без внешних трубопроводов.
Фиг.3 - аксонометрическое изображение «вырезанного» ребра теплообменника, показанного на фиг.1.
Фиг.4A-4C - схематическое изображение трех конфигураций поперечных ребер согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
Теплообменник 10 (фиг.1) изготовлен из одной заготовки из алюминия. Теплообменник 10 изготавливают с помощью литья под давлением.
Теплообменник 10 содержит ряд продольных ребер 20 (см. также фиг.2 и фиг.3). В непосредственной близости от теплообменника 10 установлена горелка или группа горелок 12. Горелки 12 размещены относительно продольных ребер 20 так, что горячие газообразные продукты сгорания из горелок 12 протекают вдоль продольных ребер 20, теплота передается продольным. ребрам 20, и в результате теплообменник нагревается. Продольные ребра 20 снабжены поперечными ребрами 24, которые расположены перпендикулярно продольным ребрам 20. Поперечные ребра 24 расположены также перпендикулярно направлению потока газообразных продуктов сгорания. Помимо увеличения поверхности контакта между газообразными продуктами сгорания и теплообменником 10, поперечные ребра 24 служат, в частности, для уменьшения проходного канала, и в результате газообразные продукты сгорания приобретают большую скорость течения. Кроме того, они служат для удлинения пути, который проходят газообразные продукты сгорания в теплообменнике 10, и в результате время нахождения продуктов сгорания между продольными ребрами 20 также увеличивается в небольшой степени без увеличения размеров теплообменника 10. За счет поперечных ребер теплообменнику 10 от газообразных продуктов сгорания передается большее количество теплоты.
Для того, чтобы избежать, насколько это возможно, любую возможность отрицательного влияния на поток газообразных продуктов сгорания вокруг горелок 12, поперечные ребра 24 не располагают на продольных ребрах 20, проходящих вблизи горелок 12. В другом воплощении поперечные ребра 24, однако, выполнены по всей длине ребер 20.
Теплообменник в представленном воплощении имеет размеры приблизительно 500×300×100 мм. Температура газообразных продуктов сгорания, покидающих (R) теплообменник 10, имеет максимум 70°C при температуре подачи воды 60°C и температуре выпуска воды 80°C, и при осуществлении нагревания при полной нагрузке. Для сравнения: в подобном теплообменнике без поперечных ребер 24, но с аналогичной площадью поверхности теплообмена газообразные продукты сгорания на выходе (R) из теплообменника 10 имеют температуру 110°C. Теплообменник 10 с поперечными ребрами 24 поглощает значительно больше теплоты от продуктов сгорания. к.п.д. теплообменника без поперечных ребер составляет 96,5% (Hi) при полной нагрузке системы центрального отопления, температуре воды 60°C в питающем трубопроводе (теплообменника) и 80°C в выпускном трубопроводе (теплообменника). Теплообменник с поперечными ребрами имеет, однако, к.п.д. равный 98,0% (Hi). Обозначение «Hi» показывает, что при определении к.п.д. используют самую низкую величину теплотворной способности природного газа.
Теплообменник 10 отливают вокруг первой группы трубопроводов 16, и эти трубопроводы 16 изготовлены из меди. Трубопроводы 16 служат для того, чтобы направлять воду для центрального отопления через теплообменник 10 с тем, чтобы нагреть воду системы центрального отопления. Вторая группа трубопроводов 18 предназначена для водопроводной воды. Трубопроводы 18 второй группы также выполнены из меди.
Трубопроводы 16 первой группы соединены друг с другом снаружи теплообменника 10 с помощью U-образных колен так, что эти трубопроводы вместе образуют протяженный трубопровод для воды центрального отопления. Питающий трубопровод (CVk) для воды центрального отопления прикреплен к первому трубопроводу 16 и служит для направления в теплообменник обратного потока воды центрального отопления, поступающей из системы центрального отопления, например, жилого дома. Вода для центрального отопления протекает затем через первый трубопровод 16 во второй трубопровод 16 посредством U-образного колена и вновь через U-образное колено в третий трубопровод 16, и так далее, вплоть до конечного трубопровода 16, который присоединен к выпускному трубопроводу (CVw). Вода центрального отопления, нагретая в теплообменнике 10, возвращается обратно в систему центрального отопления к радиаторам отопления с помощью этого выпускного трубопровода (CVw). Циркуляция воды для центрального отопления создается известным образом с помощью насоса, включенного в этот контур циркуляции.
Трубопроводы 18 второй группы соединены друг с другом посредством U-образных колен таким же образом, что и трубопроводы 16 первой группы. Достаточно протяженный трубопровод 16, таким образом, создан также для водопроводной воды с целью нагревания водопроводной воды, используя теплоту, поглощенную теплообменником 10 из газообразных продуктов сгорания, выходящих из горелок 12. Водопроводная вода поступает в первый трубопровод 18 через питающий трубопровод (TWk), который присоединен, например, к системе подачи воды городского водопровода. Затем водопроводная вода через U-образное колено направляется во второй трубопровод 18 и так далее, до тех пор, пока из конечного трубопровода 18 нагретая вода не покинет теплообменник, после чего через выпускной трубопровод (Tww) она направляется в точки водоразбора, находящиеся, например, в жилом доме.
Влияние поперечных ребер 24 увеличивается за счет увеличения расстояния, на которое поперечные ребра 24 выступают в промежуток между ребрами 20. Сравним фигуры 4А и 4В, из которых на фиг.4A поперечные ребра выступают на ограниченную часть расстояния между находящимися напротив друг друга продольными ребрами 20. На фиг.4B поперечные ребра 24 выступают на большее расстояние, и за счет этого извилистый путь 32, по которому следуют газообразные продукты сгорания, образует путь большей длины, чем на фиг.4A, и тем самым время нахождения между продольными ребрами 20 увеличивается. Если, однако, поперечные ребра 24 выступают слишком далеко, поток газообразных продуктов сгорания испытывает слишком сильное препятствие своему движению.
Выгодно также обеспечить теплообменник 10 определенного размера с наибольшим возможным количеством продольных ребер 20 для того, чтобы сделать контактную поверхность между газообразными продуктами сгорания и теплообменником 10 (посредством ребер 20) настолько большой, насколько это возможно. Продольные ребра 20 в таком случае находятся ближе друг к другу. Однако, если ребра 20 расположены слишком близко друг к другу, поток газообразных продуктов сгорания между продольными ребрами 20 опять же испытывает значительное препятствие движению, и в результате теплообменник передает меньшее количество теплоты. Сравним теперь фиг.4C с фиг.4A и фиг.4B.
Наиболее сильный эффект, который создает теплообменник, соответствует фиг.4B. На этой фигуре канал для прохода текучей среды составляет до 50% и, кроме того, проходимый потоком путь имеет наибольшую длину. Наименьший эффект от теплообменника соответствует фиг.4A Канал на фиг.4A меньше, чем на фиг.4C (и на фиг.4B), и проходимый путь в этом случае такой же, что и путь, проходимый потоком на фиг.4C.
Заявитель с помощью экспериментов установил, что минимальный промежуток между продольным ребром 20 и поперечным ребром 24, равный 3 мм, необходим для того, чтобы не создавать слишком значительного препятствия движению потока продуктов сгорания.
Раскрытые в настоящем описании и иллюстрируемые на чертежах воплощения приведены здесь лишь в качестве примера. Специалистам в данной области техники понятно, что в объеме настоящего изобретения возможны многие модификации и видоизменения. Специалистам будет также очевидно, что раскрытые и показанные воплощения могут быть скомбинированы для получения новых воплощений, соответствующих изобретению. Испрашиваемый объем защиты определяется, таким образом, нижеследующими пунктами формулы изобретения.