ТЕПЛООБМЕННИК БОЙЛЕРА
BOILER HEAT EXCHANGER

Настоящее изобретение относится к теплообменнику для бойлера и т.п. устройствам.
Соответственно, изобретение относится к высокопродуктивным тепловым генераторам (с кпд в пределах 95-100% в пересчете на низшую теплотворную способность), более точно, к конденсирующим бойлерам для обогрева помещений и/или производства горячей воды для хозяйственных нужд.
Обычно бойлером является устройство, в котором нагреваемая вода (как для коммунально-бытовых нужд, так и для обогрева помещений) проходит через теплообменник, взаимодействующий с газовой горелкой.
Газовая горелка может представлять собой пучок труб, предпочтительно в виде спирального змеевика, витки которого перекрещиваются с газообразными продуктами сгорания или дымовыми газами, генерируемыми газовой горелкой, с тем, чтобы отдавать теплоту протекающей через них воде.
Газообразные продукты сгорания, отдавшие свою теплоту воде, включая скрытую теплоту конденсации, выпускаются наружу теплообменника и бойлера, работающего на газе.
Бойлеры совершенствовались и улучшались с течением времени с тем, чтобы обеспечивать пользователей все более безопасными и эффективными приборами.
В настоящее время, одной из основных проблем, связанных с бойлерами, является регулирование температуры как подаваемой воды, так и самого теплообменника.
Что касается подаваемой воды, ее температуру важно знать, чтобы проверять, работает ли бойлер согласно параметрам, требуемым и установленным пользователем.
Например, если бойлер подает воду, температура которой является более низкой, чем установленная температура, он должен работать дольше, чтобы обеспечить желаемый тепловой комфорт, или при его использовании в сантехнике он будет создавать дискомфорт для пользователя.
Кроме того, пунктуальное и точное регулирование температуры теплообменника позволяет предотвращать поломки или повреждения системы.
По существу, если горелка приведена в действие без воды в теплообменнике, теплообменник перегреется, в результате чего произойдет повреждение конструкции, которое может сказаться на его работе и/или целости.
Например, под действие пламени и высокой температуры может произойти деформация или прокол пучка труб, что необратимо скажется на его функциональных возможностях.
Другой вызывающей особую озабоченность проблемой конденсирующих бойлеров является невозможность или сложность регулирования и/или изменения размеров камеры сгорания.
Предложенные до настоящего времени решения являются недостаточными.
Например, созданы теплообменники, оснащенные температурными зондами или датчиками с тем, чтобы контролировать их температуру.
В заявке US 2007099134 описан водонагреватель, в частности, нагреватель для производства горячей воды, способный восстанавливать теплоту, отдаваемую газообразными продуктами сгорания, генерируемыми горелкой.
Нагреватель содержит горелку, вентилятор для подачи воздуха для горения, теплообменник, при этом топливный газ подается вместе с воздухом, водопроводную труба, которая восстанавливает ощутимую теплоту и скрытую теплоту газообразных продуктов сгорания, блок управления, оснащенный таблицей данных и приспособленный регулировать насос на основании данных из таблицы.
Нагреватель дополнительно оснащен датчиками температуры (не описанными) на впуске и выпуске теплообменника; при этом степень сгорания определяется на основании показателей температуры воды на впуске и выпуске.
Нагреватель содержит неподвижную перегородку, делящую камеру сгорания на две различных и не изменяемых зоны.
Однако упомянутые датчики температуры или зонды расположены на соединительных муфтах или патрубках, соединяющих конец теплообменника с трубами отопительной или сантехнической гидравлической системы, что ограничивает чувствительность датчиков.
Обычно соединительные муфты или патрубки облегчают соединение конца теплообменника, который не всегда легкодоступен или досягаем, и труб.
Соединительные муфты или патрубки обычно изготавливаются из пластмассы и т.п. и имеют относительно низкие коэффициенты теплопередачи.
Это приводит к тому, что температурный зон работает с задержкой или неточно, что влечет измерительные погрешности и низкую готовность бойлера или в целом его устройства управления реагировать с целью приведения измеренных параметров в соответствие с установленными параметрами.
В других случаях из-за уменьшенного доступного пространства и в целях обеспечения легкого доступа датчики температуры или зонды не устанавливают в непосредственной близости от концов теплообменника, и на их показания может влиять расстояние от датчика до точки впуска и точки выпуска воды.
Другой пример теплообменник проиллюстрирован в заявке US 20080185131, в которой описан теплообменник работающего на газе бойлера для производства горячей воды, содержащий кожух, трубу, образующую множество витков, по которым течет вода, дефлектор для направления дымовых газов и разделитель для отделения витков друг от друга.
Теплообменник содержит подробно не описанный диск сплошной формы, который делит камеру сгорания на две части.
Диск предположительно из огнеупорного материала сложен в изготовлении с учетом предусмотренного соединения с витками пучка труб, при этом не проиллюстрированы какие-либо способы его изготовления или установки.
Как известно, для изготовления огнеупорных материалов требуются более сложные стадии, в особенности, если используются определенные геометрические формы.
В основу настоящего изобретения положена задача решения описанных выше проблем путем создания теплообменника, способного легко и правильно определять температуру пересекающей его теплопередающей среды.
Одной из дополнительных задач настоящего изобретения, по меньшей мере, в одном или нескольких вариантах осуществления является создание теплообменника, позволяющего напрямую соединять его концы и трубы для воды высокого давления.
Одной из дополнительных задач настоящего изобретения, по меньшей мере, в одном или нескольких вариантах осуществления является создание теплообменника, позволяющего варьировать размеры "детекторной камеры" и "конденсирующей камеры" камеры сгорания.
Решение этих и других задач, которые станут ясными далее, достигается за счет теплообменника согласно следующему далее описанию и прилагаемой формуле изобретения, которая является неотъемлемой частью самого описания.
Дополнительные признаки настоящего изобретения будут лучше поняты из следующего далее описания одного из предпочтительных вариантов осуществления в соответствии с формулой изобретения и лишь в качестве неограничивающего примера проиллюстрированы на сопровождающих чертежах, на которых:
на фиг. 1 показан перспективный вид одного из возможных вариантов осуществления теплообменника согласно настоящему изобретению;
на фиг. 2 показан вид спереди теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 1;
на фиг. 3 показан вид по частям теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 1;
на фиг. 4 показан вид сбоку теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 1;
на фиг. 5 показан вид сбоку теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 1;
на фиг. 6 показан вид в разрезе теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 1;
на фиг. 7 показан перспективный вид одного из компонентов бака теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 1;
на фиг. 8 показан вид спереди змеевика теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 1;
на фиг. 9 показан перспективный вид теплообменника, проиллюстрированного на фиг. 8.
За исключением случаев, когда указано иное, любые используемые термины, означающие расположение в пространстве, такие как "вверх/вниз, передний/задний, правый/левый" и т.д. относятся к положению элементов, представленных на сопровождающих чертежах.
В целях выделения некоторых признаков изображения на чертежах необязательно представлены точно в масштабе.
Теплообменник 1 содержит соответствующий бак 2, по меньшей мере, один змеевик 3 и, по меньшей мере, один датчик 4 температуры.
Подразумевается, что термин "змеевик" означает пучок предпочтительно из металлической трубы 3, спирально намотанной вокруг центральной оси, образующей соответствующее число витков и ограничивающей камеры 300 сгорания, в которую поступают дымовые газы, создаваемые горелкой (не показанной).
Змеевик 3 преимущественно выполнен как единый компонент, т.е. является единым бесшовным элементом.
Соответственно, змеевик 3 не имеет сварных швов и/или соединений, что способствует его равномерной и однородной деформации вследствие воздействующих на него температур.
Змеевик 3 имеет, по меньшей мере, первый конец 31, который служит впуском для нагреваемой теплопередающей среды, и, по меньшей мере, второй конец 32, который служит выпуском для нагреваемой теплопередающей среды.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления змеевик 3 имеет форму эллиптическое сечение, а концы 31 и 32 имеют круговое сечение, что облегчает соединение с трубами системы водоснабжения или любыми механическими компонентами (регулировочными клапанами, насосами и т.д.).
Концы 31 и 32 преимущественно формируются путем изменения эллиптического сечения известными механическими способами пластической деформации с целью получения кругового сечения без использования и монтажа дополнительных элементов, таких как муфты, патрубки и т.п., что обеспечивает непрерывность металла теплообменника и труб.
Круговое сечение змеевика 3 наоборот деформируют такими же известными способами с целью придания ему эллиптического сечения за исключением концов 31 и 32.
Теплообменник 1 согласно настоящему изобретению отличается тем что, концы 31 и 32 выступают из бака 2 настолько, чтобы гарантировать легкий доступ к ним.
Обычно бак 2 может изготавливаться согласно различным вариантам осуществления, которые во всех случаях отличаются тем, что концы 31 и 32 змеевика 3 выступают из бака 2.
Такой признак теплообменника согласно настоящему изобретению выгодно позволяет размещать и устанавливать датчики 4 на концах 31 и 32.
За счет этого датчики 4 способны измерять температуру воды в непосредственной близости от впуска и/или выпуска теплообменника 1 во избежание какого-либо изменения обнаруженных данных вследствие расстояния между концом теплообменника и положением датчика.
Кроме того, согласно этому варианту осуществления датчики 4 выгодно находятся в непосредственно контакте с металлическими стенками змеевика 3 и более эффективно определяют его температуру.
Такое расположение позволяет точнее и быстрее измерять температуру змеевика 3, что решает описанные выше проблемы известного уровня техники.
Поскольку металлические стенки змеевика 3 имеют более высокие коэффициенты теплообмена, чем пластмассы, используемые в настоящее время в муфтах и т.п., датчики 4 могут быстрее и аккуратнее определять температуру.
Кроме того, поскольку концы 31 и 32 выступают из бака 2, датчики легкодоступны и досягаемы извне, что позволяет легко и быстро обслуживать или заменять их.
Датчики 4 могут быть прикреплены к концам 31 и 32 змеевика 3 соответствующими установочными средствами 40.
Согласно первому варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 1, установочными средствами 40 являются крепежные средства, такие как, например, металлические скобки, которые обеспечивают соединение концов 31 и 32 с трубами отопительной или сантехнической гидравлической системы (не показанной).
За счет того, что концы 31 и 32 выступают из бака 2 можно обходиться без используемых в настоящее время муфт или патрубков и обеспечивать непосредственное соединение концов 31 и 32 и труб, которое является надежным и выполняется крепежными средствами.
Соответственно, крепежные средства обеспечивают крепление теплообменника к трубам, не выполняя какой-либо функции их соединения, т.е. вода поступает непосредственно из трубы в первый конец и из второго конца 32 в трубу.
Для облегчения соединения и получения устойчивого и надежного соединения концы 31 и 32 могут быть снабжены соответствующими хомутами 301.
Хомуты 301 устанавливают на впуске концов 31 и 32 во взаимодействии с крепежными средствами.
Крепежными средствами 40 могут являться, например, соединяемые полуоболочки, ремни, зажимы и т.п.
Расположение концы 31 и 32 возможно согласно различным вариантам осуществления, приведенным в качестве неограничивающего примера.
Например, концы 31 и 32 располагаться таким образом, что их соответствующие продольные оси проходили параллельно друг другу (в не проиллюстрированном варианте осуществления), или таким образом, что их соответствующие продольные оси проходили перпендикулярно друг другу (фиг. 8 и 9).
В последнем случае, проиллюстрированном на сопровождающих чертежах, конец 32 может быть расположен преимущественно горизонтально по отношению к теплообменнику 1 (фиг. 2), что позволяет легко устанавливать деаэратор 6, который является устройством, используемым для удаления воздуха или газа, содержащегося в гидравлических системах и т.п., и улучшать высвобождение и удаление воздуха.
Кроме того, за счет того, что конец 32 выступает из бака 2, установка деаэратор 6 легкодоступна для оператора, что облегчает его обслуживание или замену.
Выгодно, чтобы теплообменник 1 был снабжен перегородкой 5, особо полезной в случае конденсирующих бойлеров, имеющих соответствующий слой изоляционного материала 50.
Перегородка 5 преимущественно в форме дисковидного элемента делит камеру 300 сгорания на две части: первую обменную камеру 310, называемую "детекторным теплообменником", и вторую обменную камеру 320, называемую "холодным или конденсирующих теплообменником".
Как известно, первая обменная камера 310 подвержена воздействию пламени горелки, дымовые газы которой образуют радиальный поток (т.е. перпендикулярный центральной оси теплообменника 1); соответственно, каждая струя дыма отдельно отдает тепло отдельному из имеющихся витков змеевика.
Частично охлажденные дымовые газы направляются в сторону второй обменной камеры 320, в которой они дополнительно охлаждаются до такой температуры, чтобы конденсировалась часть содержащегося в них водяного пара, а затем поступают в дымовую трубу (не показанную) для выброса в атмосферу.
Перегородка 5 предотвращает непосредственно сообщение между первой камерой 310 и второй камерой 320, обеспечивая описанный поток дымовых газов.
Кроме того, перегородка 5 "ввинчена" вдоль витков змеевика 3.
По существу, перегородка 5 может перемещаться вдоль змеевика 3 путем вращательного движения, сходного с ввинчиванием, что позволяет изменять положение перегородки 5 и тем самым регулировать и варьировать размеры камер 310 и 320.
С этой целью перегородке 5 придана форма, обеспечивающая направляющую прорезь для облегчения ввинчивания, в частности, перегородка 5 представляет собой диск, предпочтительно из листа с наружным профилем 51 спиральной формы (фиг. 3).
Такая форма перегородки 5 упрощает изготовление, поскольку может изготавливаться диск, которому известными методами может придаваться наружный профиль 51, а затем соответствующим образом размещаться слой изоляционного материала 50.
Это позволяет изготавливать диск 5 наиболее выгодными и эффективными методами, упрощать производственный процесс и не вынуждать изготовителя создавать перегородку 5 целиком из огнеупорного материала.
Упомянутая форма перегородки 5 также облегчает ее установку на змеевике 3.
Согласно одному из возможных вариантов осуществления, приведенному в качестве неограничивающего примера, бак 2 может иметь дно 20 соответствующей формы, оболочку 21 и крышку 22.
Дно 20 и крышка 22 могут соединяться друг с другом описанными далее применимыми крепежными средствами с тем, чтобы во взаимодействии с оболочкой 21 размещать змеевик 3.
С этой целью может быть выгодным выполнение на дне 20 множества гнезд соответствующей формы, приспособленных воспроизводить наружный профиль змеевика 3 с тем, чтобы облегчать его установку на дно 20.
Например, на дне 20 имеется гнездо 30, приспособленное для того, чтобы в него входил конец 31 змеевика 3.
За счет сопряженности поверхностей дна 20 и крышки 22 со змеевиком 3 предотвращаются любые зазоры, которые могут приводить к вибрациям или перемещениям змеевика 3 внутри бака 2, возможно, при транспортировке или установке.
На дне 20 дополнительно имеются соответствующие продольные выступы 200, на которые преимущественно опирается крышка 22, прикрепленная к ним винтами и т.п. с тем, чтобы фиксировать различные элементы, которые образуют теплообменник.
Продольные выступы 200 могут быть снабжены резьбовыми отверстиями 201, в которые ввинчены винты 222.
С этой целью может быть выгодным, чтобы крышка имела множество выступов 220, проходящих в радиальном направлении наружу.
Выступы 220 могут быть снабжены сквозными отверстиями 221, в которые ввинчены винты 222, которые ввинчены в продольные выступы 200 и прижимают крышку 22 ко дну 20.
Кроме того, в дне 20 могут иметься соответствующие сквозные отверстия 230, которые позволяют крепить теплообменник 1 к корпусу бойлера.
Оболочка 21 имеет преимущественно цилиндрическую форму и может выгодно изготавливаться из металла, например, нержавеющей стали.
Кроме того, оболочка 21 может быть целиком или частично снабжена слоем изоляционного материала, способного удерживать тепло внутри камеры 300 сгорания с выгодой для кпд по энергии и предотвращать обнажение нагретых до высокой температуры поверхностей, потенциально опасных для пользователя и/или механических и/или электрических устройств, находящихся поблизости от них.
Оболочка 21 выгодно расположена между дном 20 и крышкой 22.
Согласно одному из возможных вариантов осуществления, оболочка 21 удерживается на месте за счет соединения с соответствующими гнездами (не показанными), выполненными на дне 20 и в крышке 22.
В частности, края оболочки 21 входят в соответствующие канавки и/или края, на которые может быть выгодно нанесен герметизирующий состав.
Кроме того, в оболочке 21 может иметься канал 210, приспособленный для переноса конденсата в сторону выпускного отверстия 7 для конденсата.
Концы 31 и 32 теплообменника 1 согласно настоящему изобретению выступают из бака 2, в котором он размещен.
В частности, как показано на чертежах, ясно, что концы 31 и 32 выступают из бака 2, находясь в легкой досягаемости для пользователя.
За счет такой досягаемости облегчается соединение труб, которое одном из предпочтительных вариантов осуществления выполняется с помощью крепежных средств, таких как, например, металлические скобки во взаимодействии с хомутами 301 на впуске концов 31 и 32.
Соответственно, бак 2 обычно может изготавливаться согласно различным вариантам осуществления, во всех из которых концы змеевика 3 выступают из бака 2.
Это позволяет:
устанавливать датчики 4 на концы 31 и 32 с тем, чтобы сделать их доступными и досягаемыми извне в целях обслуживании и/или замены;
повышать доступность, которая упрощает установку, обслуживание, регулирование и/или замену теплообменника и его компонентов;
быстрее и точнее определять температуру;
напрямую соединять концы 31 и 32 и трубы отопительной или сантехнической гидравлической системы;
избегать использования соединительных муфт или патрубков для соединения концов 31 и 32 с трубами.
Ясно, что при практическом осуществлении изобретения могут быть предусмотрены многочисленные модификации и дополнительные варианты, которые во всех случаях объединены общей идеей изобретения, при этом все описанные ранее различные компоненты и подробности также могут быть заменены технически эквивалентными элементами.
Например, бак может представлять собой соединяемые друг с другом полуоболочки соответствующей формы, позволяющей выступать концам змеевика.