НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО
HEATING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к нагревательному устройству для нагрева жидкости. Настоящая заявка претендует на приоритет над японской патентной заявкой 2008-053901, зарегистрированной в Японии 4 марта 2008, и японской патентной заявкой 2008-053903, зарегистрированной в Японии 4 марта 2008, полное раскрытие которых включено в данный текст в качестве ссылки.
В местах общественного питания или в быту может быть установлено небольшое нагревательное устройство для нагрева воды для санитарно-технических нужд или получения пара для приготовления пищи. Например, известно нагревательное устройство, которое нагревает текущую по трубе воду, используя высокотемпературный газ сгорания, полученный от сгорания топлива в присутствии воздуха для горения, чтобы, таким образом, превратить воду в пар. Кроме того, в дополнение к производству пара или горячей воды, это нагревательное устройство может также использоваться для нагрева различных жидкостей (жидкости, подлежащей нагреву) (Патентная литература 1).
[Патентная литература 1] японская патентная заявка, первая публикация №2007-139358.
Сущность изобретения
Задача, подлежащая решению в настоящем изобретении
В обычном нагревательном устройстве должна быть большая камера сгорания, чтобы обеспечивать время для полного сгорания топлива внутри этой камеры сгорания. В результате не представляется возможным в достаточной мере уменьшить размеры нагревательного устройства. Следовательно, даже в маленькой камере сгорания можно было бы поддерживать стабильное пламя при условии проведения процесса горения после предварительного нагрева еще невоспламененного газа, используя для этого газ сгорания, образованный продуктами сгорания. Однако, поскольку газ сгорания, образованный продуктами сгорания, имеет сравнительно высокую температуру, существует вероятность того, что невоспламененный газ может подвергнуться самовозгоранию в результате перегрева еще до подачи этого невоспламененного газа в камеру сгорания, и распространение пламени может, таким образом, привести к появлению пламени вне камеры сгорания. Кроме того, от большой камеры сгорания рассеивается наружу большое количество тепла, снижая, таким образом, энергоэффективность устройства.
Учитывая вышеупомянутые проблемы, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать такое нагревательное устройство для нагрева подлежащей нагреву жидкости, которое имеет камеру сгорания уменьшенного размера, может стабилизировать пламя в этой камере сгорания и, таким образом, улучшить энергетическую эффективность.
Средства для решения указанной проблемы
Для достижения вышеупомянутой цели согласно настоящему изобретению предлагается нагревательное устройство для нагрева жидкости, включающее первый канал, в котором сжигается невоспламененный газ, содержащий горючее топливо, нагнетаемый со скоростью потока из сопельного отверстия, имеющего меньший размер, чем расстояние пламягашения, чтобы таким образом обеспечить поддержание пламени, при этом обеспечивая поток газа сгорания, образованного в результате процесса сжигания, и второй канал, выполненный вокруг первого канала и обеспечивающий поток невоспламененного газа, подаваемого через упомянутое сопельное отверстие, и третий канал, окруженный первым каналом и обеспечивающий подачу подлежащей нагреву жидкости.
При этом в нагревателе третий канал может быть образован внутренним пространством третьей трубы, первый канал образован пространством между третьей трубой и первой трубой, концентрически охватывающей третью трубу, и второй канал образован пространством между первой трубой и второй трубой, концентрически охватывающей первую трубу.
От внешней периферийной поверхности третьей трубы может отходить множество ребер, проходящих в направлении первого канала.
Третья труба может быть изогнута в сторону первого канала и в сторону второго канала на заданный интервал.
Согласно второму варианту изобретения предлагается нагревательное устройство, содержащее первый канал, в котором сжигается невоспламененный газ, содержащий горючее топливо, нагнетаемый со скоростью потока из сопельного отверстия, имеющего меньший размер, чем расстояние пламягашения, чтобы таким образом обеспечить поддержание пламени, при этом обеспечивая поток газа сгорания, образованного в результате процесса сжигания, второй канал, окруженный первым и обеспечивающий поток воспламененного газа, подаваемого через упомянутое сопельное отверстие, и третий канал, выполненный вокруг первого канала и обеспечивающий подачу подлежащей нагреву жидкости.
При этом нагревательное устройство может содержать направляющую, которая направляет газ сгорания из первого канала на участок, противоположный первому каналу и расположенный на внешней стороне третьего канала.
Второй канал может быть образован внутренним пространством второй трубы, первый канал образован межтрубным пространством между второй трубой и первой трубой, которая концентрически окружает вторую трубу, а третий канал образован межтрубным пространством между первой трубой и третьей трубой, которая концентрически окружает первую трубу.
Второй канал может быть образован внутренним пространством второй трубы, третий канал образован внутренним пространством множества четвертых труб, размещенных на некотором расстоянии от находящейся в центре второй трубы, а первый канал образован пространством, окруженным второй трубой и перегородками, закрывающими промежуток между парами четвертых труб и четвертыми трубами.
Согласно указанному нагревательному устройству невоспламененный газ нагревается, проходя через второй канал, выполненный вокруг первого канала, который обеспечивает подачу газа сгорания, образованного продуктами сгорания. При образовании второго канала вокруг первого канала не вся периферийная поверхность второго канала контактирует с первым каналом. Поэтому некоторое количество тепла, отдаваемого газом сгорания, образованным продуктами сгорания, излучается через этот невоспламененный газ.
В настоящем изобретении имеется третий канал, окруженный первым каналом, который обеспечивает поток подлежащей нагреву жидкости.
Согласно указанному выше нагревательному устройству обеспечивается такая конфигурация, в которой из внутреннего пространства третьей трубы образован третий канал, и такая конфигурация, в которой в пространстве между третьей трубой и первой трубой образован первый канал, концентрически охватывающий третью трубу, и такая конфигурация, в которой в пространстве между первой трубой и второй трубой образован второй канал, концентрически охватывающий первую трубу.
.
В упомянутой выше конфигурации может быть выполнено множество ребер, проходящих в направлении первого канала от внешней периферийной поверхности третьей трубы
В упомянутой выше конфигурации третья труба может быть изогнута на заданный интервал в сторону первого канала и в сторону второго канала.
Возможна и такая конфигурация, в которой первый канал выполнен вокруг второго канала, а третий канал обеспечивает поток подлежащей нагреву жидкости, и при этом он образован вокруг первого канала.
.
Согласно упомянутому выше нагревательному устройству первый канал образован вокруг второго канала, который обеспечивает поток невоспламененного газа, а газ сгорания или рабочий газ, образованный продуктамисгорания, проходит по первому каналу. Таким образом, невоспламененный газ, проходящий по второму каналу, нагревается высокотемпературным газом сгорания, который проходит по первому каналу. Кроме того, путем нагнетания со скоростью потока из второго канала еще невоспламененного газа обеспечивается стабильное пламя, которое выполняется и поддерживается с помощью сопельного отверстия, выполненного таким, что оно является меньшим, чем зона тушения пламени. Кроме того, имеется третий канал, расположенный вокруг первого канала, который обеспечивает сжигание невоспламененного газа при стабильном пламени и потоке еще невоспламененного газа, а подлежащая нагреву жидкость проходит в третий канал
В упомянутой выше конфигурации для направления газа сгорания из первого канала на участок, противоположный этому каналу, то есть участок, находящийся на внешней стороне третьего канала, может быть предоставлено специальное устройство направления.
В упомянутой выше конфигурации второй канал образован внутренним пространством второй трубы, первый канал образован пространством между второй трубой и первой трубой, которая концентрически окружает эту вторую трубу, а третий канал образован пространством между первой трубой и третьей трубой, которая концентрически окружает первую трубу.
В упомянутой выше конфигурации второй канал образован внутренним пространством второй трубы, третий канал образован внутренним пространством множества четвертых труб, размещенных на некотором расстоянии от находящейся в центре второй трубы, а первый канал образован пространством, окруженным второй трубой и перегородками, закрывающими промежуток между парами четвертых труб и четвертыми трубами.
Результаты, достигаемые в данном изобретении
При использовании нагревательного устройства, выполненного согласно настоящему изобретению, достигнуты следующие отличные результаты.
(1) Второй канал, который обеспечивает поток невоспламененного газа, выполнен вокруг первого канала, который обеспечивает поток газа сгорания. Поэтому, хотя не вся периферийная поверхность второго канала контактирует с первым каналом, но некоторое количество тепла, передаваемого от газа сгорания, излучается через невоспламененный газ. В результате, в дополнение к сокращению размеров камеры сгорания в связи с нагревом невоспламененного газа, можно предотвратить перегрев этого невоспламененного газа, и также имеется возможность получения в этой камере сгорания стабильного пламени. Поэтому камера сгорания в нагревательном устройстве для нагрева жидкости может быть уменьшена в размере, и в этой камере сгорания можно поддерживать стабильное пламя.
(2) Первый канал выполнен вокруг второго канала, который обеспечивает подачу невоспламененного газа, а газ сгорания, образованный продуктами сгорания, проходит по первому каналу. Таким образом, невоспламененный газ, проходящий по второму каналу, может нагреваться высокотемпературным газом сгорания, проходящим по первому каналу. Кроме того, путем нагнетания со скоростью потока из второго канала еще не воспламененного газа обеспечивается стабильное пламя, которое поддерживается с помощью сопельного отверстия, выполненного так, что оно является меньшим, чем зона тушения пламени. Это стабильное пламя обеспечивает стабильное сжигание даже при прямом контакте, когда поверхность перегородки контактирует с холодной жидкостью, которая подлежит нагреву, оно также обеспечивает эффективную передачу тепла к поверхности этой перегородки. Помимо этого третий канал выполняется вокруг первого канала, в котором невоспламененный газ сжигается под воздействием стабильного пламени и позволяет, таким образом, получить поток газа сгорания, а подлежащая нагреву жидкость проходит в третий канал. В результате подлежащая нагреву жидкость, проходящая в этот третий канал, нагревается от прямого нагрева третьего канала данным стабильным пламенем. Таким образом, по сравнению с использованием канала для подлежащей нагреву жидкости, что нагревается только от образованного продуктами сгорания газа сгорания, предоставляется возможность улучшить энергетическую эффективность нагревательного устройства, которое нагревает подлежащую нагреву жидкость, поскольку тепло в данном случае эффективно передается этой жидкости.
(3) Невоспламененный газ, проходящий по второму каналу, нагревается высокотемпературным газом сгорания, проходящим по первому каналу, и этот уже нагретый и еще не воспламененный газ нагнетается со скоростью потока из второго канала, обеспечивая поддержание пламени через сопельное отверстие, которое выполнено так, что оно является меньшим, чем зона тушения этого пламени, и в результате невоспламененный газ сжигается. Поскольку такая конфигурация обеспечивает достаточный нагрев невоспламененного газа высокотемпературным газом сгорания, не существует необходимости в большой камере сгорания для обеспечения стабильного процесса сжигания, и поэтому такая конфигурация обеспечивает непрерывное сгорание в микроканалах данной камеры сгорания. Следовательно, камера сгорания может быть уменьшена в размерах, позволяя, таким образом, уменьшить размер самого нагревательного устройства.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в перспективе, показывающий схематичную конфигурацию небольшого котла, выполненного согласно первому варианту воплощения нагревательного устройства согласно настоящему изобретению.
Фиг.2 - горизонтальное сечение схематичной конфигурации устройства, показанного на Фиг.1.
Фиг.3 - вертикальное сечение схематичной конфигурации устройства, показанного на Фиг.1.
Фиг.4 - вертикальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно второму варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.5 - горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно третьему варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.6 - горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно четвертому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.7 - вид в перспективе схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно пятому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.8 - горизонтальное сечение схематичной конфигурации устройства, показанного на Фиг.7.
Фиг.9 - вертикальное сечение схематичной конфигурации устройства, показанного на Фиг.7.
Фиг.10 - горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно шестому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.11 - вид в перспективе схематичной конфигурации устройства, показанного на Фиг.10.
Фиг.12 - горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно седьмому варианту воплощения настоящего изобретения.
Фиг.13 - горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно восьмому варианту воплощения настоящего изобретения.
Предпочтительные варианты воплощения настоящего изобретения
Первый вариант воплощения нагревательного устройства согласно настоящему изобретению будет описан далее со ссылкой на чертежи и на примере небольшого котла. При этом на приводимых ниже чертежах размеры элементов были соответственно изменены так, чтобы каждый из них был понятен.
Первый вариант воплощения
На Фиг.1-3 представлены схематичные виды небольшого котла B1, выполненного согласно настоящему варианту воплощения. При этом на Фиг.1 показан вид в перспективе, на Фиг.2 - горизонтальное сечение и на Фиг.3 - вертикальное сечение. Как показано на этих чертежах, выполненный согласно данному варианту воплощения небольшой котел B1 имеет трехконтурную конструкцию, в которой первая труба 1, вторая труба 2, третья труба 3 расположены в горизонтальной плоскости концентрически.
Первая труба 1 проходит в вертикальном направлении, и ее нижний конец 11 закрыт. При этом на боковом участке у нижнего конца 11 расположено множество сопельных отверстий 12, выполненных так, что их диаметр меньше, чем зона тушения пламени невоспламененного газа. При этом первая труба 1 выполнена из материала, обладающего отличными показателями теплопроводности (например, латуни или ей подобных).
Вторая труба 2 проходит вертикально, и при этом она концентрически окружает первую трубу 1. Ее нижний конец 21 закрыт, и, подобно первой трубе 1, она выполнена из материала, имеющего отличные показатели теплопроводности.
Третья труба 3 проходит вертикально, и при этом она вставлена в первую трубу 1. Ее нижний конец 31 закрыт, и, подобно первой трубе 1 и второй трубе 2, эта третья труба 3 предпочтительно тоже выполняется из материала, имеющего отличные показатели теплопроводности.
Внутреннеепространство третьей трубы 3 образует канал R3 воды, который обеспечивает поток воды W подлежащей нагреву жидкости. А именно, в небольшом котле B1, выполненном согласно настоящему варианту воплощения, канал R3 воды образован внутренним пространством третьей трубы 3. При этом устройство обеспечения подачи воды (не показано), служащее для подачи воды W в канал R3 воды, присоединено на некотором расстоянии к нижнему концу канала R3 воды. При этом в канал R3 воды с устройства водоподачи подается регулируемое количество воды W. Кроме того, для обеспечения выхода пара, производимого при испарении воды W, в канале R3 воды имеется выпускное устройство (не показано), расположенное вблизи верхнего конца канала R3 воды. Через это выпускное устройство регулируемое количество пара выпускается из канала R3 воды на внешний участок.
При этом межтрубное пространство, находящееся между третьей трубой 3 и первой трубой 1 образует канал R1 (первый канал) газа сгорания, в котором происходит сжигание ранее невоспламененного газа G1 и по которому может проходить газ G2 сгорания, образованный при сгорании этого ранее невоспламененного газа G1. А именно, в небольшом котле B1 согласно данному варианту воплощения канал R1 газа сгорания выполнен так, что он занимает пространство между третьей трубой 3 и первой трубой 1, которая концентрически окружает третью трубу. Кроме того, канал R3 воды окружен каналом R1 газа сгорания. При этом участок, находящийся вблизи нижнего конца канала R1 газа сгорания (вблизи сопельного отверстия 12) образует камеру сгорания K, в которой ранее невоспламененный газ G1, нагнетенный из сопельных отверстий 12, подвергается сжиганию. В камере сгорания K имеется для этого устройство зажигания (не показано).
Межтрубное пространство, находящееся между первой трубой 1 и второй трубой 2, образует канал R2 (второй канал) для невоспламененного газа, который обеспечивает поток невоспламененного газа G1, включая горючее топливо. А именно, канал R2 для подачи невоспламененного газа выполнен так, что он занимает пространство между первой трубой 1 и второй трубой 2, которая концентрически окружает эту первую трубу 1. При этом верхний концевой участок второй трубы 2 присоединен к устройству (не показано) обеспечения подачи невоспламененного газа G1, которое подает невоспламененный газ в канал R2 невоспламененного газа.
Невоспламененный газ G1 может быть газотопливной смесью с окисляющим реагентом. Это топливо может быть жидким котельным топливом, природным газом или им подобным.
В небольшом котле B1, выполненном согласно данному варианту воплощения, невоспламененный газ G1 сначала подается из устройства обеспечения подачи невоспламененного газа, которое присоединено ко второй трубе 2, в канал R2 невоспламененного газа. Невоспламененный газ G1, нагнетенный из сопельных отверстий 12, которые выполнены в первой трубе 1, воспламеняется и сжигается, чтобы, таким образом, зажечь пламя в камере сгорания K. Затем газ G2 сгорания, полученный в результате сжигания ранее невоспламененного газа G1, проходит через канал R1 газа сгорания и выпускается оттуда.
Когда в камере сгорания K зажигается пламя, то, поскольку образованный продуктами сгорания высокотемпературный газ G2 сгорания проходит в канал R1 газа сгорания, то невоспламененный газ G1, проходя через канал R2 невоспламененного газа, нагревается. А именно, тепло от газа G2 сгорания, образованного продуктами сгорания, передается к невоспламененному газу G1 через первую трубу 1, которая выполняет роль теплообменной перегородки, чтобы таким образом нагреть невоспламененный газ G1.
Невоспламененный газ G1, нагретый в результате теплообмена с газом G2 сгорания, образованным продуктами сгорания, нагнетается в подогретом состоянии во внутреннюю область первой трубы 1 через сопельные отверстия 12. Этот ранее невоспламененный газ G1 нагнетается из сопельных отверстий 12 в камеру сгорания K и там сжигается.
Поскольку сопельные отверстия 12 в первой трубе 1 выполнены так, что они являются меньшими, чем зона тушения пламени невоспламененного газа G1 в условиях горения в камере сгорания K, то представляется возможным осуществить подавление пламени в случае его распространения на невоспламененный газ, находящийся в канале R2. Кроме того, поскольку канал R2 невоспламененного газа образован вокруг канала R1 газа сгорания, то весь периферийный участок канала R2 невоспламененного газа не контактирует с каналом R1 для поступления газа сгорания, и некоторое количество тепла, передаваемого от газа G2 сгорания, излучается от невоспламененного газа G1. В результате может быть предотвращен перегрев невоспламененного газа G1 и, следовательно, распространение пламени на канал R2 невоспламененного газа, а также может быть предотвращено и самопроизвольное возгорание этого невоспламененного газа G1. В результате пламя в камере сгорания K является устойчивым, и процесс сгорания в нем может продолжаться непрерывно.
Как описано выше, невоспламененный газ G1, поданный в камеру сгорания K через канал R2 невоспламененного газа, нагревается образованным продуктами сгорания газом G2 сгорания, проходящим через канал R1 этого газа сгорания в том состоянии, при котором процесс сгорания в камере сгорания K выполняется непрерывно. Таким образом, возможно достижение стабильного пламени в камере сгорания K, которая является очень маленькой по сравнению с камерой сгорания обычного нагревательного устройства.
Вода W в канале R3 воды нагревается и испаряется под воздействием образованного продуктами сгорания газа G2 сгорания, находящегося в канале R2 газа сгорания, и при этом пламя в камере сгорания K находится в таком состоянии, когда в этой камере сгорания K образуется стабильное пламя, и процесс горения поддерживается непрерывно. А именно, тепло, производимое при сжигании, передается воде W через вторую трубу 2, которая выполняет роль теплообменной перегородки, и поэтому вода W нагревается и испаряется. При этом пар, производимый при испарении воды W, выпускается на внешний участок этого небольшого котла B1 через выпускное устройство (не показано). Поскольку канал R3 воды, куда поступает вода, окружен каналом R1, куда поступает образованный продуктами сгорания газ сгорания, то тепло может передаваться воде W по всему периферическому участку канала R3 воды и, таким образом, обеспечивать эффективный нагрев этой воды W.
Согласно варианту воплощения небольшого котла B1 канал R2 невоспламененного газа, который обеспечивает подачу невоспламененного газа G1, выполнен вокруг канала R1 газа сгорания, образованного продуктами сгорания, который обеспечивает поток этого газа G2 сгорания. Следовательно, вся периферическая поверхность канала R2 невоспламененного газа не контактирует с каналом R1, где находится образованный продуктами сгорания газ сгорания, и некоторая часть тепла, передаваемого от этого газа G2 сгорания, излучается через невоспламененный газ G1. В результате вследствие нагрева невоспламененного газа G1 камера сгорания K может иметь меньший размер, также предоставляется возможность предотвратить перегрев этого невоспламененного газа G1 и стабилизировать пламя в камере сгорания K. Поэтому камера сгорания K может иметь меньший размер, и пламя в камере сгорания K может быть стабилизировано.
Второй вариант воплощения
Далее будет описан второй вариант воплощения настоящего изобретения. В изложении этого второго варианта воплощения описание тех элементов, которые совпадают с первым вариантом воплощения, будет опущено или упрощено.
На Фиг.4 показано вертикальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла B2, выполненного согласно настоящему варианту воплощения. Как показано на этом чертеже, выполненный согласно настоящему варианту воплощения небольшой котел B2 включает четвертую трубу 4, которая концентрически окружает вторую трубу 2. При этом образуется межтрубное пространство между второй трубой 2 и четвертой трубой 4, которое выполняет роль отсека хранения 5, где хранится вода W, и которое соединено с каналом R3 воды.
Поскольку этот небольшой котел B2 в данном варианте воплощения имеет вышеупомянутую конфигурацию, то хотя вода W, временно сохраняемая в отсеке 5 подачи воды, подается в канал R3 воды, эта вода W получает некоторое количество тепла, излучаемого от невоспламененного газа G1 в отсек хранения 5. Следовательно, это количество тепла, которое излучается от невоспламененного газа G1, может быть использовано для нагрева воды W, повышая, таким образом, эффективность нагрева воды W.
Третий вариант воплощения
Далее будет описан третий вариант воплощения настоящего изобретения. В изложении этого третьего варианта воплощения описание тех элементов, которые совпадают с первым вариантом воплощения, будет опущено или упрощено.
На Фиг.5 показано горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла B3, выполненного согласно настоящему варианту воплощения. Как показано на этом чертеже, выполненный согласно настоящему варианту воплощения небольшой котел В3 включает множество ребер 10, которые выступают в направлении канала R1 газа сгорания от внешней периферийной поверхности третьей трубы 3. При этом ребра 10 выполнены за одно целое с этой третьей трубой 3 из такого материала, который обладает отличной теплопроводностью, как и сама третья труба 3.
Поскольку этот небольшой котел B3 в данном варианте воплощения имеет вышеупомянутую конфигурацию, то ребра 10 позволяют увеличить площадь поверхности теплообмена с водой W, проходящей через канал R3 воды, и с газом G2 сгорания, образованным продуктами сгорания и проходящим через канал R1 этого газа сгорания, обеспечивая, таким образом, большую эффективность нагрева воды.
Четвертый вариант воплощения
Далее будет описан четвертый вариант воплощения настоящего изобретения. В изложении этого четвертого варианта воплощения описание тех элементов, которые совпадают с первым вариантом воплощения, будет опущено или упрощено.
На Фиг.6 показано горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла B4, выполненного согласно настоящему изобретению. Как показано на этом чертеже, небольшой котел B4 выполнен согласно настоящему варианту воплощения так, что вторая труба 2 имеет звездообразную форму, которая изломана с установленным интервалом в направлении канала R1 газа сгорания и канала R3 воды.
Поскольку этот небольшой котел B4 в данном варианте воплощения имеет вышеупомянутую конфигурацию, где третья труба 3 имеет форму звезды, лучи которой изломаны с установленным интервалом, это позволяетувеличить площадь поверхности теплообмена с водой W, проходящей через канал R3 воды, и с газом G2 сгорания, образованным продуктами сгорания и проходящим через канал R1 для этого газа сгорания, обеспечивая, таким образом, большую эффективность нагрева воды.
На Фиг.7-9 показаны схематичные виды небольшого котла B101, выполненного согласно пятому варианту воплощения настоящего изобретения. При этом на Фиг.7 показан вид в перспективе, на Фиг.8 - горизонтальное сечение, а на Фиг.9 - вертикальное сечение. Как показано на этих чертежах, небольшой котел B101, выполненный согласно настоящему варианту воплощения, имеет трехконтурную конструкцию, в котором первая труба 101 (первая труба), вторая труба 102 (вторая труба) и третья труба 103 (третья труба) имеют в горизонтальной плоскости концентрическое расположение.
.
Вторая труба 102 проходит вертикально, и ее нижний конец 111 закрыт. При этом множество сопельных отверстий 112, выполненных так, что их диаметр является меньшим, чем зона тушения пламени невоспламененного газа, расположено на участке боковой перегородки у этого нижнего конца 111. Эта вторая труба 102 выполнена из материала, обладающего отличными показателями теплопроводности (например, латуни или ей подобным)Внутреннее пространство второй трубы 102 образует канал R2 невоспламененного газа (второй канал), который обеспечивает подачу этого невоспламененного газа G1, включающего горючее топливо. А именно, в небольшом котле B101, выполненном согласно настоящему варианту воплощения, канал R2 невоспламененного газа образован внутренним пространством второй трубы 102. При этом верхний конечный участок второй трубы 102 присоединен к каналу (не показан) поставки невоспламененного газа, который поставляет этот невоспламененный газ G1 в канал R2 невоспламененного газа.
Невоспламененный газ G1 может представлять собой газотопливную смесь с окисляющим реагентом. Это топливо может быть жидким котельным топливом, природным газом или им подобным.
Первая труба 101 проходит вертикально и концентрически окружает вторую трубу 102. Ее нижний конец 121 закрыт таким же образом, как и у второй трубы 102, при этом она выполнена из материала, имеющего отличные показатели теплопроводности. Пространство между первой трубой 101 и второй трубой 102 образует канал R1 газа сгорания (первый канал), который обеспечивает сжигание ранее невоспламененного газа G1, а также обеспечивает поток газа G2 сгорания, полученного путем сжигания ранее невоспламененного газа G1. А именно, в небольшом котле B101, выполненном согласно настоящему варианту воплощения, канал R1 газа сгорания образован межтрубным пространством между второй трубой 102 и первой трубой 101, которая концентрически окружает эту вторую трубу 102. Кроме того, участок в нижнем конце канала R1 газа сгорания (у сопельного отверстия 112) образует камеру сгорания K, в которой ранее невоспламененный газ G1, нагнетенный из сопельных отверстий 112, подвергается сжиганию. При этом в данной камере сжигания K обеспечивается соответствующее устройство зажигания (не показано).
Третья труба 103 простирается вертикально и концентрически окружает первую трубу 101. Ее нижний конец 131 закрыт, и предпочтительно, чтобы эта третья труба 103 была выполнена из материала, имеющего низкие показатели теплопроводности. При этом межтрубное пространство между первой трубой 101 и третьей трубой 103 образует канал R3 воды (третий канал), который обеспечивает подачу воды (подлежащей нагреву жидкости) W. А именно, в небольшом котле B101, выполненном согласно настоящему варианту воплощения, канал R3 воды образован пространством между первой трубой 101 и третьей трубой 103, которая концентрически окружает эту первую трубу 101. Кроме того, устройство обеспечения подачи воды (не показано), служащее для подачи воды в канал R3, присоединено к участку близ нижнего конца этого канала R3 воды, и регулируемое количество воды W подается в канал R3 воды с помощью этого устройства. Помимо этого для обеспечения выхода пара, производимого испарением воды W в канале R3 воды, в непосредственной близости от него имеется выпускное устройство (не показано), которое присоединено к верхнему концу этого канала R3 воды, и регулируемый поток пара выпускается с помощью данного выпускного устройства из канала R3 воды на внешний участок.
В небольшом котле B101, выполненном согласно настоящему варианту воплощения и имеющем вышеупомянутую конфигурацию, ранее невоспламененный газ G1 подается из устройства подачи невоспламененного газа, которое присоединено ко второй трубе 102, в канал R2 невоспламененного газа. Этот еще невоспламененный газ G1, нагнетенный через сопельные отверстия 112, выполненные во второй трубе 102, воспламеняется и сжигается, чтобы, таким образом, образовать пламя в камере сгорания K. Затем газ G2 сгорания, полученный в результате сгорания ранее невоспламененного газа G1, проходит через канал R1 газа сгорания и выпускается оттуда.
Когда в камере сгорания K образуется пламя, то, поскольку высокотемпературный газ G2 сгорания поступает в канал R1 газа сгорания, образованный вокруг канала R2 невоспламененного газа G1, то этот невоспламененный газ G1, проходящий через канал R2 невоспламененного газа, нагревается. А именно, некоторое количество тепла, выделенное газом G2 сгорания, передается невоспламененному газу G1 через вторую трубу 102, которая выполняет роль теплообменной перегородки, чтобы таким образом нагреть невоспламененный газ G1.
Этот невоспламененный газ G1, нагретый в результате теплообмена с газом G2 сгорания, нагнетается во внешний участок второй трубы 102 через сопельные отверстия 112, будучи нагретым почти до температуры воспламенения. И этот невоспламененный газ G1, нагнетенный из сопельных отверстий 112, поджигается пламенем, образованным в камере сгорания K, и сжигается.
Так как сопельные отверстия 112 во второй трубе 102 выполнены меньшими, чем зона тушения пламени невоспламененного газа G1, находящегося в камере сгорания K, то пламя не распространяется на канал R2 невоспламененного газа. Следовательно, это пламя в камере сгорания K является стабилизированным, и, таким образом, обеспечивается процесс непрерывного сгорания.
Как описано выше, невоспламененный газ G1, подаваемый в камеру сгорания K поканалу R2 этого невоспламененного газа, нагревается газом G2 сгорания, проходящим по каналу R1 газа сгорания при том режиме работы, когда процесс сжигания в камере сгорания K выполняется непрерывно. Поэтому камера сгорания K, которая является очень маленькой по сравнению с камерой сгорания обычного нагревательного устройства, может обеспечить стабильное пламя.
Вода W в канале R3 воды нагревается и испаряется под воздействием газа G2 сгорания, находящегося в канале R1 газа сгорания, и пламени в камере сгорания K в том состоянии, когда в этой камере сгорания K формируется стабильное пламя, и процесс сжигания происходит непрерывно. А именно, некоторое количество тепла, выделяемого пламенем и газом G2 сгорания, передается воде W через первую трубу 101, которая функционирует как перегородка теплообменника, и поэтому вода W нагревается и испаряется. При этом пар, полученный при испарении воды W, выпускается во внешнее устройство данного небольшого котла B101 через выпускное устройство (не показано).
Согласно небольшому котлу B101 настоящего варианта воплощения канал R1 газа сгорания, по которому проходит газ G2 сгорания, выполнен вокруг канала R2 невоспламененного газа, который обеспечивает подачу этого невоспламененного газа G1. Следовательно, этот невоспламененный газ G1, проходящий по каналу R2 невоспламененного газа, нагревается газом G2 сгорания, который проходит по каналу R1 газа сгорания. Кроме того, при нагнетании невоспламененного газа G1 из канала R2 этого невоспламененного газа образуется стабильное пламя, при этом нагнетание газа проходит с такой скоростью потока, которая обеспечивает поддержание пламени при помощи сопельных отверстий 112, которые выполнены меньшими, чем зона тушения пламени. Такое стабильное пламя обеспечивается даже при прямом контакте с поверхностью перегородки (первая труба 101), контактирующей с холодной жидкостью. Кроме того, канал R3 воды выполнен вокруг канала R1 газа сгорания, который образует стабильное пламя, а вода W при этом подается в канал R3 воды. В результате вода W, которая течет в третий канал, нагревается от прямого нагрева канала R3 воды данным стабильным пламенем. Поэтому, в отличие от нагрева канала R3 воды только газом G2 сгорания, выделяемое тепло может эффективно передаваться воде W. Следовательно, небольшой котел B101, выполненный согласно настоящему варианту воплощения, обеспечивает большую энергетическую эффективность.
Поскольку согласно небольшому котлу B101 настоящего варианта воплощения невоспламененный газ G1, проходящий по каналу R2 этого невоспламененного газа, нагревается высокотемпературным газом G2 сгорания, проходящим по каналу R1 этого газа сгорания, то нагретый невоспламененный газ G1 воспламеняется при его нагнетании из канала R2 на такой скорости подачи, которая обеспечивает поддержание пламени посредством сопельного отверстия 112, выполненного так, что оно является меньшим, чем зона тушения этого пламени. Использование упомянутой выше конфигурации обеспечивает достаточный нагрев еще невоспламененного газа G1 высокотемпературным газом G2 сгорания и поэтому обеспечивает постоянное стабильное сжигание в небольшой камере сгорания K. Таким образом, эта камера сгорания может быть уменьшена в размере, приводя в свою очередь к уменьшению размеров самого устройства.
Таким образом, в небольшом котле B101, выполненном согласно настоящему варианту воплощения, обеспечивается дальнейшее уменьшение размеров устройства и в то же время повышается эффективность его работы.
Шестой вариант воплощения
Далее будет описан шестой вариант воплощения настоящего изобретения. В изложении этого шестого варианта воплощения описание тех элементов, которые совпадают с пятым вариантом воплощения, будет опущено или упрощено.
На Фиг.10 и Фиг.11 показаны схематичные виды небольшого котла B102, выполненного согласно шестому варианту воплощения настоящего изобретения. При этом на Фиг.10 показано горизонтальное сечение, а на Фиг.11 - вид в перспективе. Как показано на этих чертежах, канал R2 невоспламененного газа, находящийся в небольшом котле B102, выполненном согласно настоящему варианту воплощения, образован внутренним пространством второй трубы 102 тем же образом, что и в небольшом котле B101 пятого варианта воплощения. При этом канал R3 воды образован внутренним пространством множества четвертых труб 104, расположенных на некотором расстоянии от второй трубы 102 и сцентрированных относительно этой второй трубы 102; при этом канал R1 газа сгорания занимает пространство, огороженное перегородками 105, запирая внутри вторую трубу 102 и перегораживая пространство, соединяя попарно четвертые трубы 104 с четвертыми трубами 104.
Как показано на Фиг.11, высота перегородки 105 должна быть небольшой по сравнению с высотой второй трубы 102 и четвертой трубы 104. В результате на верхнем участке небольшого котла B102 между парами четвертых труб 104 имеется свободное пространство. Таким образом, это пространство служит в качестве направляющего участка 106 для направления газа G2 сгорания в область, находящуюся на внешней стороне канала R3 воды и напротив канала R1 газа сгорания.
Как и в пятом варианте воплощения, в небольшом котле B102, выполненном согласно настоящему варианту воплощения, о чем шла речь выше, еще невоспламененный газ G1, нагретый в результате теплообмена с газом G2 сгорания, нагнетается в канал R1 газа сгорания и сжигается. Когда в результате сжигания получена новая порция газа G2 сгорания, некоторая часть этого газа G2 сгорания проходит, циркулируя, к задней стороне (стороне, противоположной каналу R1 газа сгорания) четвертой трубы 104 через направляющий участок 106. Таким образом, вся периферийная поверхность четвертой трубы 104 может быть нагрета газом G2 сгорания, обеспечивая тем самым более эффективный нагрев воды W. Таким образом, можно достичь еще большей энергоэффективности устройства.
Седьмой вариант воплощения
Далее будет описан седьмой вариант воплощения настоящего изобретения. В изложении этого седьмого варианта воплощения описание тех элементов, которые совпадают с пятым вариантом воплощения, будет опущено или упрощено.
На Фиг.12 показано горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла, выполненного согласно седьмому варианту воплощения настоящего изобретения. Как показано на предлагаемых чертежах, небольшой котел B103, выполненный согласно настоящему варианту воплощения, включает множество ребер 110, которые простираются к каналу R3 воды от внешней периферийной поверхности первой трубы 101. Эти ребра 110 выполнены как единое целое с первой трубой 101 и изготовлены из материала, имеющего отличные показатели теплопроводности, как и у первой трубы 101.
Согласно небольшому котлу B103 настоящего варианта воплощения, имеющего вышеупомянутую конфигурацию, ребра 110 обеспечивают увеличение площади поверхности теплообмена с водой W, проходящей через канал R3 воды, и с газом G2 сгорания, проходящим через канал R1 газа сгорания, и, таким образом, обеспечивают более эффективный нагрев воды. Таким образом, можно достичь еще большей энергоэффективности данного устройства.
Восьмой вариант воплощения
Далее будет описан восьмой вариант воплощения настоящего изобретения. В изложении этого восьмого варианта воплощения описание тех элементов, которые совпадают с пятым вариантом воплощения, будет опущено или упрощено.
На Фиг.13 показано горизонтальное сечение схематичной конфигурации небольшого котла B104, выполненного согласно настоящему изобретению. Как показано на этом чертеже, небольшой котел B104 выполнен согласно настоящему варианту воплощения так, что его первая труба 101 имеет звездообразную форму, которая изломана с установленным интервалом в направлении канала R1 газа сгорания и канала R3 воды.
Поскольку этот небольшой котел B104 в данном варианте воплощения имеет вышеупомянутую конфигурацию, где первая труба 101 имеет форму звезды, лучи которой изломаны с установленным интервалом, это позволяетувеличить площадь поверхности теплообмена с водой W, проходящей через канал R3 воды, и газом G2 сгорания, образованным продуктами сгорания и проходящим через канал R1 этого газа сгорания, обеспечивая, таким образом, большую эффективность нагрева воды.
Хотя предпочтительные варианты воплощения нагревательного устройства, выполненные согласно настоящему изобретению, были описаны выше со ссылкой на приложенные чертежи, конечно же настоящее изобретение не ограничено этими вышеупомянутыми вариантами воплощения. Форма или комбинация каждого конструктивного элемента в приведенных выше вариантах воплощения служат всего лишь примером, и в данном изобретении допускаются различные конструкционные модификации, не выходящие за рамки данного изобретения и не выходя за рамки его концепции.
Например, в вышеупомянутых вариантах воплощения в качестве примера нагревательного устройства был описан небольшой котел. Однако настоящее изобретение этим не ограничивается, оно может быть применено к котловой установке для нагрева воды с целью получения горячей воды, или же к устройству для нагрева нефти или газа. Кроме того, настоящее изобретение может быть применено к большому котлу или к промышленной установке, такой как котел с псевдоожиженным слоем, в котором используется нагретый порошковый материал. Кроме того, когда нагревательное устройство, выполненное согласно настоящему изобретению, применяется в отношении котла с псевдоожиженным рециркулирующим слоем, частички материала могут переноситься при помощи газа сгорания, образованного продуктами сгорания.
В упомянутых выше с первого по восьмой вариантах воплощения внешняя форма и сечение первой трубы 1 и 101, второй трубы 2 и 102, третьей трубы 3 и 103 и четвертой трубы 4 и 104приведены только в качестве примера, и их форма может быть различной.
Промышленное применение
Согласно настоящему изобретению нагревательное устройство для нагрева подлежащей нагреву жидкости позволяет стабилизировать пламя в камере сгорания и уменьшить размер этой камеры сгорания в дополнение к увеличению его энергетической эффективности.