Способ изготовления набора теплообменных блоков и набор теплообменных блоков, полученный таким способом
METHOD OF MANUFACTURING SET OF HEAT EXCHANGE CELLS AND SET OF HEAT EXCHANGE CELLS THUS OBTAINED

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления набора теплообменных блоков с тепловой мощностью, находящейся в заданном диапазоне от минимального до максимального значения.
В частности, изобретение относится к способу изготовления набора теплообменных блоков, в котором каждый теплообменный блок содержит по меньшей мере один установленный в соответствующей оболочке теплообменник, а набор теплообменных блоков имеет предпочтительное, хотя и не исключительное, применение в водонагревательных устройствах, системах отопления или кондиционирования воздуха, как в быту, так и в комплексах жилых зданий, промышленных или торговых зонах.
Изобретение также относится к набору теплообменников вышеуказанного типа, которые могут быть получены вышеуказанным способом.
В нижеследующем описании и в прилагаемой формуле изобретения термин «теплообменный блок» используется для обозначения узла, предпочтительно, модульного типа, содержащего по меньшей мере один теплообменник, установленный в соответствующей оболочке и предназначенный для осуществления теплообмена между первой теплопередающей средой, циркулирующим внутри теплообменника, и второй теплопередающей средой, протекающей в оболочке снаружи самого теплообменника.
Уровень техники
В области теплообменных блоков в целом и, частности, водонагревательных устройств или нагревательных систем и систем кондиционирования воздуха, одним из самых насущных требований является обеспечение производителей таких устройств или систем наборами с как можно более широким диапазоном тепловых мощностей, которые бы, с одной стороны, могли удовлетворять различным нуждам потребителей, а, с другой стороны, имели бы чрезвычайно уменьшенные размеры.
В настоящее время за свои характеристики компактности, конкурентоспособные вес и цену особенно ценятся теплообменные блоки, оборудованные спиральными теплообменниками, помещенными в соответствующие оболочки.
В частности, такой спиральный теплообменник содержит по меньшей мере один трубопровод, свитый вокруг продольной оси спирали в множество витков, имеющих поперечное сечение, определяемое в соответствии с требуемой тепловой мощностью.
Витки такого трубопровода могут иметь либо уплощенное поперечное сечение, такое, как, например, раскрыто в Международной патентной заявке WO 94/16272 на имя Le Mer или в Европейской патентной заявке ЕР 0 745 813 на имя Viessmann Werke, либо круглое поперечное сечение, такое как, например, раскрыто в Международной патентной заявке WO 2005/080900 и WO 2012/156954 на имя Cosmogas.
В обоих случаях общепринятой практикой среди производителей таких теплообменных блоков является изготовление каждого теплообменного блока набора путем установки в соответствующую специальную оболочку одного или нескольких спиральных теплообменников, имеющих определенное количество витков, выбранное пропорционально требуемой тепловой мощности в диапазоне от минимального до максимального значения.
В рамках конфигурации теплообменных блоков, в которых витки трубопровода спирального теплообменника имеют уплощенное поперечное сечение, известно также, как раскрыто, например, в патентной заявке US 2007/020606, разделение теплообменника посредством внутреннего перегораживающего элемента на переднюю и нижнюю части относительно направления потока второй теплопередающей среды.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 9 документа US 2007/0209606, с целью повышения эффективности теплообмена радиальная протяженность витков в задней части теплообменника - охватываемой потоком газов (второй теплопередающей среды) с более низкой температурой - больше радиальной протяженности витков в передней части.
Сущность изобретения
Заявителем было выявлено, что если действовать так, как предложено в вышеуказанных документах из уровня техники, то изготовление набора теплообменных блоков, имеющего тепловую мощность в заданном минимальным и максимальным значениями диапазоне имеет ряд недостатков, решение по устранению которых еще не было найдено.
Первый недостаток относится к тому факту, что при увеличении тепловой мощности блока также увеличивается количество витков теплообменника, а с ним и протяженность в аксиальном направлении по меньшей мере одного теплообменника параллельно продольной оси спирали.
В случае блоков, раскрытых в Международной патентной заявке WO 94/16272 или в Европейской патентной заявке ЕР 0 745 813, такое увеличение протяженности теплообменника в аксиальном направлении для разной тепловой мощности блока в пределах диапазона от минимального до максимального значения тепловой мощности набора блоков влечет за собой также увеличение аксиального протяженности и оболочки блока, в которую помещен теплообменник.
Если действовать таким образом, то есть изготавливать набор теплообменных блоков с обеспечением для каждого выбранного значения тепловой мощности специального теплообменника, имеющего соответствующую аксиальную протяженность, размещаемого в такой же специальной оболочке и имеющего размеры, позволяющие разместить в их пределах необходимое количество витков теплообменника, то полученный таким образом набор теплообменных блоков обязательно будет содержать относительно большое количество блоков с различающимися, особенно в аксиальном направлении, размерными размерами, со всеми вытекающими отрицательными последствиями.
Прежде всего, такой набор теплообменных блоков требует изготовления и наличия в запасе большого количества специальных оболочек различных размеров, в каждую из которых можно будет поместить теплообменник, имеющий требуемую тепловую мощность, что, очевидно, отрицательно скажется на ценах и использовании складских площадей.
Во-вторых, увеличение аксиальных размеров теплообменного блока для более высокой тепловой мощности не соответствует требованиям рынка, которые состоят в одновременных минимизации и унификации теплообменных устройств.
В третьих, увеличение аксиальных размеров теплообменного блока для более высокой мощности во многих случаях вынуждает усложнять гидравлическую схему устройства или системы, в которых установлен теплообменник, для того, чтобы учесть различные межосевые расстояния между впускным и выпускным соединениями первой теплопередающей среды, циркулирующей в теплообменнике блока.
В случае блоков, раскрытых в Международной патентной заявке WO 2012/156954, в которых можно предусмотреть одну и ту же оболочку при изменении тепловой мощности, увеличение аксиальной протяженности теплообменника при повышении тепловой мощности последнего, с другой стороны, подразумевает, что вышеуказанная одна оболочка блока обязательно должна будет иметь аксиальную протяженность, равную аксиальной протяженности оболочки блока, имеющего максимальную тепловую мощность из диапазона значений тепловой мощности набора.
Это неизбежно ведет как к применению оболочки, занимающей больше места, чем требуется, которое не используется во всех блоках набора, мощность которых ниже максимальной, так и к большей стоимости изготовления набора блоков из-за того, что на изготовление оболочки идет больше материала.
Техническая задача, лежащая в основе настоящего изобретения, таким образом, состоит в обеспечении набора теплообменных блоков, который имеет тепловую мощность в заданном диапазоне между минимальным и максимальным значениями, и который, по меньшей мере, частично, лишен вышеуказанных недостатков, и который, в частности, при изменении тепловой мощности набора, обеспечивает возможность:
- иметь постоянный аксиальный размер единой оболочки для множества теплообменных блоков набора;
- иметь минимальный аксиальный размер единой оболочки для множества теплообменных блоков набора;
- стандартизировать компоненты блока, находящиеся вблизи зоны подачи второй теплопередающей среды, или установленные в этой зоне;
- стандартизировать внешние несущие элементы оболочки, единой для множества теплообменных блоков, принадлежащие устройству или системе, в которой установлен один блок набора; и
- иметь минимальный аксиальный размер внешних несущих элементов единой для множества блоков набора оболочки.
В соответствии со своим первым аспектом, настоящее изобретение относится к способу, определенному в пункте 1 прилагаемой формулы изобретения, предпочтительные признаки которого раскрыты в зависимых пунктах 2-11.
В частности, изобретение относится к способу изготовления набора теплообменных блоков, имеющих тепловую мощность в пределах заданного диапазона между минимальным и максимальным значениями, причем каждый теплообменный блок содержит по меньшей мере один теплообменник, установленный в соответствующую оболочку, причем способ содержит следующие шаги:
а) обеспечивают оболочку, единую для множества теплообменных блоков набора, причем указанная оболочка имеет постоянную аксиальную протяженность при изменении тепловой мощности блока в указанном диапазоне значений тепловой мощности, равную аксиальной протяженности блока, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах указанного диапазона тепловой мощности;
b) обеспечивают множество спиральных теплообменников, каждый из которых имеет тепловую мощность в пределах указанного диапазона между минимальным и максимальным значениями, и каждый из которых содержит по меньшей мере один трубопровод для протекания первой теплопередающей среды, свитый в множество витков вокруг продольной оси (X-X) спирали;
c) устанавливают в указанную единую оболочку по меньшей мере один спиральный теплообменник из указанного множества теплообменников набора;
причем указанное множество теплообменников набора имеет внутренний диаметр, по существу, постоянный при изменении тепловой мощности теплообменника в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности; и
причем указанный по меньшей мере один трубопровод указанного по меньшей мере одного теплообменника имеет радиальную протяженность витков, пропорциональную тепловой мощности теплообменника, при этом осевую протяженность теплообменника при изменении его тепловой мощности, поддерживают по существу, постоянной и равной осевой протяженности теплообменника, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности набора.
В нижеследующем описании и прилагаемой формуле изобретения термин «тепловая мощность» используют для обозначения количества энергии, передаваемой в виде тепла в единицу времени между первой теплопередающей средой, циркулирующей в теплообменнике, и второй теплопередающей средой, циркулирующей снаружи него.
Известным образом спиральный трубопровод спиральных теплообменников образует коаксиально и внутри относительно теплообменника зону подачи второй теплопередающей среды.
В рамках настоящего изобретения и прилагаемой формулы изобретения, термин «теплопередающая текучая среда» используют для обозначения любой текучей среды, способной принимать тепло от внешних источников тепла, передавать тепло внешним источникам тепла и переносить тепло в различные точки устройства или системы, в которых указанная текучая среда циркулирует.
Таким образом, например, в случае газо-жидкостных теплообменных блоков первая теплопередающая среда может состоять из подлежащей нагреву воды (например в бытовых нагревательных котлах), а вторая теплопередающая среда может состоять из горячих газов, например, газов горения, исходящих от горелки, или же первая теплопередающая среда может состоять из сжатого газа или другой текучей среды при относительно высокой температуре, а вторая теплопередающая среда может состоять из холодного воздуха, приходящего из соответствующего циркуляционного устройства (например, как в системе кондиционирования воздуха).
Альтернативно, и в случае жидкостно-жидкостных теплообменных блоков, первая теплопередающая среда может состоять из более холодной жидкости, которую требуется нагреть, а вторая теплопередающая текучая среда может состоять из более теплой нагревающей жидкости, например в бытовых водонагревательных устройствах, предназначенных для производства воды коммунально-бытового применения. В данном случае, таким образом, теплообменный блок работает, по существу, как жидкостно-жидкостное теплообменное устройство.
В рамках настоящего раскрытия и прилагаемой формулы изобретения, термин «пропорционально» при его применении к двум или более категориям, зависимым друг от друга, используют для указания на то, что между данными категориями существует такая зависимость, что при изменении одной из них другая или другие изменяются соответствующим образом.
То есть, например, если про категорию говорят, что она «изменяется пропорционально» или просто «пропорциональна» тепловой мощности, это означает, что между этой категорией (например, радиальной протяженностью или поперечным сечением витков теплообменника) и тепловой мощностью имеется такая зависимость, что при изменении тепловой мощности данная категория изменяется соответствующим образом.
Предпочтительно, в рамках настоящего изобретения зависимость между двумя или более категориями является прямо пропорциональной.
В целях настоящего изобретения, пропорциональная зависимость между тепловой мощностью указанного по меньшей мере одного теплообменника (а, значит, и теплообменного блока) и, например, радиальной протяженностью или поперечным сечением витков также может быть не прямой, а другой пропорциональной зависимостью, которую специалисты могут определять для каждого отдельного случая в соответствии со специфическими требованиями к изготовлению и/или применению блока.
В рамках настоящего раскрытия и прилагаемой формулы изобретения разнообразные «аксиальные», «продольные», «поперечные» или «радиальные» направления или ориентации блока или его компонентов, если не заявлено иного, указаны относительно продольной оси спирали теплообменника.
В рабочей конфигурации теплообменного блока такая продольная ось может быть горизонтальной или вертикальной; из этого следует, что разнообразные направления, ориентации или расположения блока или его компонентов следует считать указанными относительно ориентации продольной оси спирали теплообменника.
В нижеследующем описании в целях упрощения изложения, обычно будет иметься в виду, без каких-либо ограничительных намерений, горизонтальное рабочее расположение теплообменного блока, при котором продольная ось теплообменника будет горизонтальной.
Наконец, в рамках настоящего изобретения и прилагаемой формулы изобретения также следует понимать, что, если не указано иное, то перед всеми числами, представляющими величины, количества, процентное выражение и т.д., подразумевается слово «приблизительно». Также, все диапазоны численных категорий включают в себя все возможные комбинации максимальных и минимальных численных величин и все возможные промежуточные диапазоны между ними, дополнительно к тем, которые конкретно указаны здесь.
В целях изобретения, оболочка теплообменного блока может быть выполнена из любого подходящего для данного применения конструкционного материала, например, из алюминия, стали или пластика сверхвысокой молекулярной плотности, имеющего свойства стойкости к воздействию химикатов, огня и водяного пара, например, из полифениленсульфида (ПФС).
В целях изобретения, вышеуказанный теплообменник может быть выполнен из любого имеющего высокий коэффициент теплопроводности материала, предпочтительно, металла, обычно используемого для теплообменного применения, например, из алюминия или стали.
В соответствии с настоящим изобретением было выявлено, что вышеуказанное требуемое сочетание отличительных признаков в терминах аксиальных размеров единой для множества блоков набора оболочки, аксиального размера несущих элементов такой оболочки, и стандартизации компонентов и несущих элементов единой для множества блоков набора оболочки, при изменении тепловой мощности может быть достигнуто - с получением эффективности теплообмена, равной или большей эффективности теплообмена теплообменных блоков известного типа, имеющих разную аксиальную протяженность при одной и той же тепловой мощности -соответствующим сочетанием ряда признаков блоков, относящихся к набору.
В частности, Заявитель обнаружил, что:
a) за счет обеспечения единой оболочки с постоянной аксиальной протяженностью, которая равна аксиальной протяженности блока, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах диапазона значений тепловой мощности набора,
b) за счет обеспечения множества спиральных теплообменников, имеющих внутренний диаметр, по существу, постоянный при изменении тепловой мощности в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности,
c) за счет установки внутри вышеуказанной единой оболочки по меньшей мере одного теплообменника из указанного множества теплообменников набора, и
d) за счет придания трубопроводу теплообменника радиальной протяженности витков, пропорциональной тепловой мощности теплообменника и такой, чтобы поддерживать осевую протяженность теплообменника при изменении его тепловой мощности, по существу, постоянной и равной аксиальной протяженности теплообменника, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности набора,
можно поддерживать постоянной и минимально возможной величину аксиальной протяженности как теплообменника, так и вмещающей его единой оболочки, при изменении тепловой мощности в пределах диапазона значений тепловой мощности набора с одновременным достижением высокой степени стандартизации как отличных от теплообменника компонентов блоков, так и внешних несущих элементов единой оболочки блоков.
Требуемого увеличения тепловой мощности спирального теплообменника теплообменного блока из набора, фактически, достигают за счет поддержания в последнем постоянной и минимально возможной аксиальной протяженности как теплообменника, так и вмещающей его единой оболочки при изменении тепловой мощности, за счет выбора трубопровода, имеющего надлежащее поперечное сечение для циркуляции соответствующей первой теплопередающей текучей среды, и за счет изменения радиальной протяженности витков таким образом, чтобы получить расширение или сужение теплообменника в поперечном направлении при увеличении или уменьшении тепловой мощности.
Другими словами, Заявителем было выявлено, что, действуя таким образом можно увеличить или уменьшить тепловую мощность спирального теплообменника без изменения его аксиальной протяженности и, следовательно, без необходимости изменять аксиальную протяженность оболочки теплообменного блока, которая остается минимально возможной в пределах максимального и минимального значений тепловых мощностей в наборе.
Также Заявителем было выявлено, что, действуя таким образом можно достичь высокой степени стандартизации внешних несущих элементов единой оболочки множества теплообменных блоков набора, которые принадлежат устройству или системе, где установлен конкретный блок из набора, так как аксиальная протяженность единой оболочки при изменении тепловой мощности остается постоянной и равной минимально возможной.
Требуемой высокой степени стандартизации отличных от теплообменника компонентов блока, наконец, достигают в блоке за счет того, что и аксиальная протяженность, и внутренний диаметр теплообменников блока остаются, по существу, постоянными при изменении их тепловой мощности в пределах диапазона значений тепловой мощности блока.
При этом, внутри единой оболочки для множества блоков набора и коаксиально и внутри относительно теплообменника образована зона подачи второй теплопередающей среды, имеющая, по существу, постоянные размеры как в аксиальном, так и в радиальном направлениях при изменении тепловой мощности.
Данный признак обеспечивает предпочтительную возможность стандартизации компонентов множества блоков набора, отличных от теплообменника, таких как, например, теплоизоляционные элементы, обращенные к зоне подачи второй теплопередающей среды, обычно размещаемые внутри теплообменника в передней и задней зонах оболочки, и таких как передняя закрывающая стенка оболочки, горелка и, соответствующее вспомогательное оборудование или тракт подачи горячей текучей среды, если таковые имеются.
Заявленная комбинация признаков, таким образом позволяет достичь преимуществ, состоящих в том, что:
- обеспечивается множество теплообменников, имеющих минимальную аксиальную протяженность, которая, по существу, постоянна при изменении их тепловой мощности, чтобы помещать указанные теплообменники в оболочку - имеющую, в свою очередь, минимальный аксиальный размер - единую для всех теплообменников множества блоков набора;
- обеспечивается возможность сохранения, по существу, постоянного межосевого расстояния между соединением для впуска и соединением для выпуска текучей среды, циркулирующей в теплообменнике теплообменного блока;
- обеспечивается возможность упрощения предложения изделий и управления их складом;
- обеспечивается набор теплообменников с унифицированным размером, что, в свою очередь, унифицирует размер нагревательных систем или систем кондиционирования воздуха, в которые вставляют каждый блок набора, и что упрощает компоновку компонентов вышеуказанных нагревательных систем или систем кондиционирования воздуха;
- обеспечивается зона подачи второй теплопередающей среды внутри такой единой оболочки, имеющая, по существу, постоянные размеры, как в аксиальном направлении, так и в поперечном направлении, что позволяет стандартизировать до высокой степени компоненты набора теплообменных блоков при изменении тепловой мощности.
В соответствии со своим вторым аспектом, настоящее изобретение относится к набору теплообменных блоков, раскрытому в пункте 12 прилагаемой формулы изобретения, предпочтительные признаки которого раскрыты в зависимых пунктах 13-20.
В частности, изобретение относится к набору теплообменных блоков, имеющих тепловую мощность в пределах заданного диапазона от минимального до максимального значения, причем каждый теплообменный блок содержит по меньшей мере один спиральный теплообменник из множества теплообменников набора и имеет тепловую мощность в пределах указанного диапазона от минимального до максимального значения;
причем набор содержит оболочку, единую для множества теплообменных блоков набора, в которой установлен указанный по меньшей мере один спиральный теплообменник из указанного множества теплообменников;
причем каждый спиральный теплообменник из указанного множества теплообменников набора содержит по меньшей мере один трубопровод для протекания первой теплопередающей среды, свитый в множество витков вокруг продольной оси спирали;
причем указанное множество теплообменников набора имеет внутренний диаметр, по существу, постоянный при изменении тепловой мощности теплообменника в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности;
причем указанный по меньшей мере один трубопровод теплообменника из указанного множества теплообменников набора имеет радиальную протяженность витков, которая пропорциональна тепловой мощности теплообменника, при этом аксиальная протяженность теплообменника при изменении его тепловой мощности остается, по существу, постоянной и равной аксиальной протяженности теплообменника, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности; и
причем указанная единая оболочка набора имеет аксиальную протяженность, которая постоянна при изменении тепловой мощности блока и равна аксиальной протяженности блока, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности.
Набор теплообменных блоков в соответствии с изобретением предпочтительно обеспечивает достижение технических результатов, раскрытых выше применительно к способу его изготовления.
Настоящее изобретение в по меньшей мере одном из вышеуказанных аспектов может иметь по меньшей мере один из нижеприведенных предпочтительных признаков; последние, в частности, могут сочетаться друг с другом для удовлетворения особых требований конкретного применения.
Предпочтительно, количество витков каждого теплообменника из вышеуказанного множества теплообменников набора равно количеству витков теплообменника, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах вышеуказанного диапазона значений тепловой мощности набора, таким образом обеспечивается предпочтительная возможность достижения требуемой и постоянной аксиальной протяженности теплообменников набора с сохранением при изменении тепловой мощности, по существу, неизменной конфигурации элементов блока, которые взаимодействуют с упиранием и непроницаемым для текучей среды образом с противоположными концами теплообменника.
Например, такими элементами могут быть передняя и задние стенки оболочки блока или другие элементы с упиранием расположенные внутри оболочки.
Предпочтительно, конфигурация установки теплообменника внутри единой оболочки набора блоков такова, чтобы в этой оболочке была образована зона подачи второй теплопередающей среды, обеспечивающая предпочтительное наличие внутри теплообменного блока потока второй теплопередающей среды, идущего от зоны подачи в радиальном или аксиально-радиальном направлении наружу сквозь спиральный теплообменник.
Тем самым обеспечивается преимущество, состоящее в том, что данная предпочтительная конфигурация установки теплообменника внутри единой оболочки набора блоков подходит для, по существу, всех газо-жидкостных теплообменных блоков, оснащенных спиральными теплообменниками, в частности тех, в которых вторая теплопередающая среда является горячим газом горения, поступающим от горелки, или холодным газом, поступающим из соответствующего циркуляционного устройства, а первая теплопередающая среда является жидкостью, подлежащей нагреву или охлаждению.
Предпочтительно, набор теплообменных блоков содержит от двух до восьми, предпочтительнее - от двух до шести, а еще более предпочтительно - от двух до четырех теплообменных блоков, имеющих тепловую мощность, возрастающую в пределах указанного заданного диапазона от минимального до максимального значения.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность достижения высокой гибкости предложения конечному потребителю линейки тепловых мощностей, в сочетании с максимальным уменьшением количества требуемых оболочек, если для всех теплообменников с разными тепловыми мощностями в пределах набора будет использоваться единая оболочка.
Предпочтительно, набор теплообменных блоков имеет тепловую мощность, выбираемую из одного из следующих диапазонов от минимального до максимального значения: первый диапазон от 1 до 12 кВт, предпочтительно - от 2 до 10 кВт, второй диапазон от 15 до 35 кВт, предпочтительно - от 16 до 32 кВт, третий диапазон от 35 до 65 кВт, предпочтительно - от 40 до 62 кВт, и четвертый диапазон - свыше 65 кВт, предпочтительно - от 70 до 115 кВт.
В рамках настоящего описания и прилагаемой формулы изобретения, указанные первый и второй диапазоны от минимального до максимального значения тепловой мощности совместно будут считаться относящимися к «низкой» тепловой мощности, указанный третий диапазон значений будет считаться относящимся к «средней» тепловой мощности, а указанный четвертый диапазон значений будет считаться относящимся к «высокой» тепловой мощности.
В предпочтительном варианте осуществления, шаг а) обеспечения оболочки, единой для указанного количества теплообменных блоков набора выполняют, обеспечивая оболочку блока, имеющую заданный и постоянный размер при изменении тепловой мощности блока в пределах указанного диапазона от минимального до максимального значения тепловой мощности.
В нижеследующем описании и прилагаемой формуле изобретения, термин «размер» оболочки или теплообменника блока используют для обозначения - если не оговорено иного - пространства, занимаемого ими в аксиальном (то есть, продольном) направлении и поперечно к аксиальному направлению или продольной оси теплообменника, например, по высоте и ширине, если оболочка имеет, по существу, призматическую геометрическую форму, или в радиальном направлении, если оболочка имеет, по существу, цилиндрическую геометрическую форму.
В предпочтительном варианте осуществления, набор содержит оболочку, единую для всех теплообменных блоков набора.
Таким образом обеспечивается предпочтительная унификация аксиальной протяженности оболочки теплообменного блока для всех значений тепловой мощности набора. Это обеспечивает предпочтительную возможность достижения значительных упрощений в отношении количества элементов, которые нужно изготавливать, хранить и устанавливать в устройство или систему конечного пользователя.
В рамках данного предпочтительного варианта осуществления, поперечная протяженность указанной оболочки, единой для набора теплообменных блоков еще более предпочтительно такова, чтобы внутри оболочки было образовано гнездо, способное вместить теплообменник с максимальным радиальным размером в наборе блоков.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность использования одной и той же оболочки для всех теплообменников набора, имеющей унифицированный общий размер, что обеспечивает дополнительные преимущества, состоящие в высокой гибкости предложения конечному пользователю линейки тепловых мощностей в сочетании с возможностью унификации размера теплового устройства или систем, в которые вставляют каждый из блоков набора, и с возможностью упрощения компоновки компонентов вышеуказанных тепловых устройств или систем.
В предпочтительном варианте осуществления, аксиальную протяженность указанной единой оболочки набора выбирают из одного из следующих диапазонов от минимального до максимального значения: первый диапазон - от 80 до 190 мм, предпочтительно - от 120 до 180 мм для указанных первого и второго диапазонов тепловой мощности блока (низкомощных), второй диапазон - от 200 до 360 мм, предпочтительно - от приблизительно 320 до 350 мм для указанного третьего диапазона тепловой мощности блока (среднемощного), третий диапазон - от 360 до 660 мм, предпочтительно - от 400 мм до 660 мм, для указанного четвертого диапазона тепловой мощности блока (высокомощного).
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность - при наличии оболочки блока с минимальной аксиальной протяженностью, совместимой с требуемыми тепловыми мощностями - достичь преимуществ, состоящих в высокой гибкости предложения конечному пользователю трех групп тепловой мощности, наиболее востребованных для использования как в быту, так и в комплексах жилых зданий, промышленных или торговых зонах. Все это сочетается с использованием оболочки, имеющей унифицированную аксиальную протяженность для всех из вышеуказанных групп мощности, которая, в свою очередь позволяет стандартизировать размеры тепловых устройств или систем, в которых установлен каждый теплообменный блок из вышеуказанных наборов, и упростить компоновку компонентов вышеуказанных устройств или систем.
В предпочтительном варианте осуществления, указанная единая оболочка теплообменника имеет поперечный размер (то есть, пространство, занимаемое оболочкой поперечно продольной оси теплообменника), за вычетом размера возможной выпускной крышки второй теплопередающей среды, находящийся в одном из следующих диапазонах от минимального до максимально значения: первый диапазон - от 100 до 220 мм, предпочтительно - от 140 до 200 мм для указанного первого диапазона тепловой мощности блока, второй диапазон - от 220 до 300 мм, предпочтительно - от 240 до 290 мм для указанного второго диапазона тепловой мощности блока, третий диапазон - от 300 до 400 мм, предпочтительно - от приблизительно 310 до 350 мм для указанного третьего диапазона тепловой мощности блока, четвертый диапазон - от 400 до 660 мм, предпочтительно - от 430 до 600 мм для указанного четвертого диапазона тепловой мощности блока.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность - при наличии оболочки набора, имеющей минимальные общие размеры, совместимые с требуемыми тепловыми мощностями - расширить вышеуказанные преимущества, состоящие в высокой гибкости предложения конечному пользователю трех групп наиболее востребованной тепловой мощности за счет использования единой очень компактной оболочки, имеющей унифицированные размеры для каждой из вышеуказанных групп мощности. Такие унифицированные размеры оболочки набора, в свою очередь, позволяет стандартизировать размеры нагревательных устройств или систем, в которые вставлен каждый теплообменный блок из вышеуказанных наборов, и упростить компоновку компонентов вышеуказанных нагревательных устройств или систем.
Предпочтительно, внутренний диаметр множества спиральных теплообменников набора при изменении тепловой мощности является, по существу, постоянным и равен внутреннему диаметру теплообменника, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах вышеуказанного диапазона значений тепловой мощности блока.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность иметь зону подачи второй теплопередающей среды с минимальным размером в радиальном направлении, следствием чего являются преимущества, состоящие в компактности как множества теплообменников набора, так и вмещающей их единой для набора блоков оболочки.
Предпочтительно, внутренний диаметр множества спиральных теплообменников является постоянным для набора теплообменных блоков и изменяется в пределах от 60 до 540 мм как функция тепловой мощности теплообменника и, следовательно, вмещающего его теплообменного блока.
Предпочтительно, спиральный теплообменник имеет внутренний диаметр спирали, находящийся в пределах одного из нижеуказанных диапазонов от минимального до максимального значения: первый диапазон - от 60 до 120 мм, предпочтительно - от 70 до 110 мм для указанного первого диапазона тепловой мощности блока, второй диапазон - от 120 до 190 мм, предпочтительно - от 150 до 180 мм для указанного второго диапазона тепловой мощности блока, третий диапазон - от 190 до 260 мм, предпочтительно - от 200 до 250 мм для указанного третьего диапазона тепловой мощности блока, четвертый диапазон - от 260 до 540 мм, предпочтительно - от 290 до 480 мм для указанного четвертого диапазона тепловой мощности блока.
Предпочтительно, указанный по меньшей мере один трубопровод теплообменника имеет поперечное сечение витков, пропорциональное тепловой мощности самого теплообменника.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность получения пропорциональной зависимости между расходом протекающей внутри по меньшей мере одного трубопровода теплообменника первой теплопередающей среды и тепловой мощностью самого теплообменника.
Данная пропорциональная зависимость обеспечивает предпочтительную возможность получения следующих технических результатов.
Первый предпочтительный технический результат состоит в том, что при изменении тепловой мощности теплообменника имеются, по существу, постоянные падения давления с логически вытекающими из этого преимуществами по выбору устройства обеспечения циркуляции первой теплопередающей среды (например, насоса) и по соответствующим эксплуатационным расходам.
Второй предпочтительный технический результат состоит в том, что при изменении тепловой мощности теплообменника имеется, по существу, постоянная скорость первой теплопередающей среды с логически вытекающей из этого большей универсальностью использования и адаптации к различным типам нагревательных систем или систем кондиционирования воздуха, в которых установлены теплообменные блоки набора.
В предпочтительном варианте осуществления указанный шаг b), на котором обеспечивают вышеуказанное множество спиральных теплообменников содержит следующие шаги:
i) обеспечивают трубопровод, имеющий поперечное сечение потока текучей среды с заданным значением, пропорциональным тепловой мощности, подлежащей вырабатыванию;
ii) придают указанному трубопроводу спиральную форму с получением множества витков.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможности обеспечить для каждого блока набора соответствующий теплообменник из указанного множества теплообменников, который обеспечивал бы вышеуказанную пропорциональную зависимость между расходом протекающей в по меньшей мере одном трубопроводе первой теплопередающей среды и тепловой мощностью теплообменника, так, чтобы при изменении тепловой мощности теплообменника имелись бы, по существу, постоянные перепады давления и скорости течения первой теплопередающей среды, что обеспечивает указанные выше преимущества.
В предпочтительном варианте осуществления, витки из указанного множества витков указанного по меньшей мере одного трубопровода теплообменника из указанного количества теплообменников имеют уплощенное поперечное сечение, длинная ось которого, по существу, перпендикулярна продольной оси спирали, или образует с данной осью острый угол.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность достижения оптимального теплообмена между первой и второй теплопередающими текучими средами при ограниченной аксиальной (то есть продольной) протяженности теплообменника.
В предпочтительном варианте осуществления и независимо от геометрической формы поперечного сечения трубопровода теплообменника, блок содержит соответствующие проставочные элементы, сами по себе известные, например, ребра, отходящие от плоских поверхностей трубопровода, такие как, например, раскрыты в Международной патентной заявке WO 2005/080900 в случае круглого поперечного сечения, или WO 94/16272 в случае уплощенного поперечного сечения, или же расположенные между указанными плоскими поверхностями гребневидные проставочные элементы, такие как, например, раскрыты в патентной заявке США №2007/0209606.
Предпочтительно, указанные проставочные элементы предназначены для образования между плоскими поверхностями трубопровода промежутка, имеющего заданную и предпочтительно постоянную ширину, образующую проточный канал для протекания второй теплопередающей среды в, по существу, радиальном или аксиально-радиальном направлении.
В рамках настоящего раскрытия и прилагаемой формулы изобретения, термин «ширина» промежутка, заданного между плоскими поверхностями трубопровода теплообменника используют для обозначения расстояния между указанными поверхностями, измеренного в перпендикулярном к ним направлении.
В предпочтительном варианте осуществления, и если витки трубопровода теплообменника имеют уплощенное поперечное сечение, шаг b), на котором обеспечивают вышеуказанное множество спиральных теплообменников дополнительно содержит шаг, на котором витки пластически деформируют в радиальном или аксиально/радиальном направлении так, чтобы получить указанное множество витков, имеющих уплощенное поперечное сечение, длинная ось которого, по существу, перпендикулярна продольной оси спирали или образует с данной осью острый угол.
Предпочтительно, указанный шаг пластической деформации выполняют таким образом, чтобы оставались, по существу, постоянными как поперечное сечение потока текучей среды в трубопроводе, так и аксиальную протяженность теплообменника из указанного множества теплообменников.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность как достижения оптимального теплообмена между первой и второй теплопередающими текучими средами при ограниченной аксиальной (то есть, продольной) протяженности множества теплообменников, так и получения вышеуказанной пропорциональной зависимости между расходом первой теплопередающей среды, протекающей внутри по меньшей мере одного трубопровода теплообменника, и тепловой мощностью теплообменника.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления, и если витки трубопровода теплообменника имеют уплощенное поперечное сечение, шаг b), на котором обеспечивают вышеуказанное множество спиральных теплообменников предпочтительно содержит следующие шаги:
iii) обеспечивают трубопровод, имеющий уплощенное поперечное сечение потока текучей среды с заданным значением, пропорциональным тепловой мощности;
iv) придают указанному трубопроводу спиральную форму с получением множества витков, имеющих уплощенное поперечное сечение, длинная ось которого, по существу, перпендикулярна продольной оси спирали или образует с данной осью острый угол.
причем указанный шаг спирального свивания выполняют так, чтобы при изменении тепловой мощности аксиальная протяженность теплообменника из указанного множества теплообменников была, по существу, постоянной.
Предпочтительный путь выполнения вышеуказанного шага iii) предусматривает выполнение следующих шагов:
- обеспечивают трубопровод с круглым поперечным сечением потока текучей среды, имеющим заданное значение, пропорциональное тепловой мощности; и
- указанный трубопровод пластически деформируют с получением уплощенного поперечного сечения.
Эти шаги могут быть выполнены с использованием методики и систем, раскрытых, например, в Международной патентной заявке WO 94/16272.
Альтернативно, можно также выполнить указанный шаг iii), взяв полосу подходящего для этой цели металлического материала, а затем выполнив продольную сварку, например, лазерную, с получением трубопровода, имеющего уплощенное поперечное сечение.
Также, в данном случае обеспечивается предпочтительная возможность как достижения оптимального теплообмена между первой и второй теплопередающими текучими средами при ограниченной аксиальной (то есть, продольной) протяженности теплообменников из вышеуказанного множества теплообменников, так и получения вышеуказанной пропорциональной зависимости между расходом протекающей в по меньшей мере одном трубопроводе теплообменника первой теплопередающей среды и тепловой мощностью теплообменника из вышеуказанного множества теплообменников.
В предпочтительном варианте осуществления, и если витки трубопровода теплообменника имеют уплощенное поперечное сечение, отношение внутренней ширины к внутренней высоте каждого витка трубопровода спиральных теплообменников из вышеуказанного множества теплообменников, измеренных соответственно параллельно длинной и короткой осям поперечного сечения указанного трубопровода, имеет величину, пропорциональную тепловой мощности теплообменника.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность достижения оптимального теплообмена между первой и второй теплопередающими текучими средами пропорционально тепловой мощности теплообменников, так как при увеличении тепловой мощности также увеличивается и протяженность в радиальном направлении проточного канала второй теплопередающей среды, который образован в промежутках между плоскими поверхностями витков, сформированных трубопроводом спирального теплообменника.
Предпочтительно, вышеуказанное отношение имеет значение, которое больше, чем 2,5, а более предпочтительно - оно составляет от 2,5 до 5, являясь функцией тепловой мощности теплообменника.
В частности, Заявителем экспериментально было обнаружено - в рамках предпочтительного варианта осуществления, в котором блоки набора являются блоками теплообмена между исходящими от горелки газами горения (второй теплопередающей средой) и подлежащей нагреву водой (первой теплопередающей средой) - что, если отношение внутренней ширины к внутренней высоте каждого витка трубопровода теплообменника превышает 2,5, то обеспечивается предпочтительная возможность снижения температуры газов горения, покидающих теплообменник в радиальном направлении, до значений, которые меньше температуры нагретой воды (обычно от 40° до 80°), покидающей блок.
Такие низкие значения температуры газов горения обеспечивают предпочтительную возможность снижения тепловых нагрузок, которым подвергается материал, составляющий материал оболочки блока, что увеличивает ее срок службы и позволяет использовать неметаллические материалы, например, пластик, без необходимости подготовки защитных металлических колец вокруг теплообменников, которые раскрыты в Международной патентной заявке WO 2004/036121 на имя Giannoni France.
В предпочтительном варианте осуществления, спиральные теплообменники из вышеуказанного множества теплообменников, содержат один трубопровод, образующий одну спираль.
В альтернативном предпочтительном варианте осуществления, спиральные теплообменники из вышеуказанного множества теплообменников содержат множество трубопроводов, опционально, соседних друг другу и/или связанных друг с другом в аксиальном направлении.
Предпочтительно, данное множество трубопроводов образуют одну спираль.
Предпочтительно, шаг витков вышеуказанной одной спирали постоянный.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность упрощения изготовления и снижения стоимости изготовления теплообменников набора.
В предпочтительном варианте осуществления, шаг а), на котором обеспечивают единую для множества теплообменных блоков набора оболочку, содержит обеспечение по меньшей мере одной пары втулок, отходящих от периферийной боковой стенки единой оболочки и имеющих постоянное межосевое расстояние при изменении тепловой мощности блока в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности.
В данном предпочтительном варианте осуществления, шаг с), на котором в единую оболочку устанавливают вышеуказанный по меньшей мере один спиральный теплообменник из вышеуказанного множества теплообменников множества теплообменных блоков, содержит размещение противоположных концов вышеуказанного по меньшей мере одного трубопровода теплообменника помещают в соответствующую втулку из вышеуказанной пары втулок.
Предпочтительно, набор полученных таким образом теплообменных блоков содержит единую для множества теплообменных блоков оболочку и теплообменник, обладающий вышеуказанными предпочтительными признаками.
Таким образом обеспечивается предпочтительная возможность сохранения, по существу, постоянным межосевого расстояния между впускным соединением и выпускным соединением для циркулирующей в теплообменнике теплообменного блока текучей среды также и в том случае, когда концы трубопровода теплообменника выступают из периферийной боковой стенки единой для множества теплообменных блоков набора оболочки, в соответствии с конфигурацией, используемой в большом числе теплообменных блоков.
Краткое описание чертежей
Дополнительные отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из нижеследующего подробного описания некоторых предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи. На сопроводительных чертежах изображено следующее:
- на фиг. 1 на виде в аксонометрии изображен предпочтительный вариант осуществления теплообменного блока из набора теплообменных блоков в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения;
- на фиг. 2 показанный на фиг. 1 теплообменный блок изображен на виде спереди;
- на фиг. 3 показанный на фиг. 1 теплообменный блок изображен на виде сзади;
- на фиг. 4а-4d на схематическом виде в разрезе по оси IV-IV, показанной на фиг. 2, показаны соответствующие теплообменные блоки набора, тепловая мощность которых изменяется по нарастающей в пределах заданного диапазона от минимального до максимального значения набора;
- на фиг. 5 в увеличенном масштабе показана верхняя часть изображения на фиг. 4с;
- на фиг. 6а-6d показаны схематические виды в разрезе, аналогичные изображенным на фиг. 4а-4d, соответствующих теплообменных блоков набора, оборудованных альтернативным вариантом осуществления теплообменника.
Подробное раскрытие предпочтительных вариантов осуществления изобретения
В нижеследующем описании показанные на фигурах чертежей элементы конструкции, выполняющие одинаковые функции, обозначены одинаковыми номерами позиций. Кроме того, для того, чтобы не загромождать иллюстрации, некоторые номера позиций показаны не на всех фигурах чертежей.
На фиг. 1-3 теплообменный блок, принадлежащий предпочтительному варианту осуществления блока в соответствии с изобретением в целом обозначен номером 1а.
Блок 1а принадлежит набору теплообменных блоков 1а-1d, имеющих тепловую мощность в пределах диапазона от минимального до максимального значения, например, в пределах одного из вышеуказанных диапазонов. Вышеуказанный набор теплообменных блоков 1a-1d в качестве примера схематически показан на фиг. 4a-4d, которые будут рассмотрены ниже.
В показанном предпочтительном варианте осуществления, теплообменные блоки 1а-1d набора являются газо-жидкостными теплообменными блоками конденсационного типа, причем теплообмен обеспечивается между первой теплопередающей средой, состоящей, например, из подлежащей нагреву воды, и второй теплопередающей средой, состоящей из горячих газов горения, поток которых на сопроводительных чертежах схематически указанный буквой G, поступает от горелки, на сопроводительных чертежах схематически показанной под номером 4.
Каждый теплообменный блок 1а-1d набора содержит спиральный теплообменник 2, имеющий тепловую мощность, находящуюся в пределах диапазона от минимального до максимального значения.
Теплообменник 2 имеет заданную аксиальную протяженность, равную аксиальной протяженности теплообменника 2, имеющего минимальное значение тепловой мощности в пределах диапазона значений тепловой мощности набора теплообменных блоков 1а-1d.
Предпочтительно, теплообменник 2 содержит единственный трубопровод 3 для протекания первой теплопередающей среды, свитый спирально вокруг продольной оси Х-Х спирали в множество витков, и начинающийся и заканчивающийся, соответственно, на впускном соединении 3а первой теплопередающей среды и выпускном соединении 3b данного текучей среды, которые сами по себе являются обычными.
Предпочтительно, шаг витков одной спирали, образованной трубопроводом 3, является постоянным.
Предпочтительно, количество витков теплообменника 2 равно количество витков теплообменника, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах диапазона тепловой мощности набора.
Таким образом, и в соответствии с вышеизложенным, обеспечивается предпочтительная возможность достижения требуемой и постоянной аксиальной протяженности теплообменников 2 набора, с сохранением неизменной, при изменении тепловой мощности, конфигурации элементов блока 1а-1d, которые с упиранием взаимодействуют, непроницаемо для текучих сред, с противоположными аксиальными концами теплообменника 2.
Например, эти элементы могут быть передней стенкой и задней стенкой оболочки 5 блока 1a-1d, которая подробнее будет рассмотрена ниже, или другими упирающимися элементами (не показаны), расположенными внутри оболочки.
Предпочтительно, спиральный теплообменник 2 имеет внутренний диаметр, который, по существу, постоянен и предпочтительно равен внутреннему диаметру теплообменника, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах диапазона тепловых мощностей набора.
В частной ссылке на первый предпочтительный вариант осуществления, показанный на фиг. 1-5, набор теплообменных блоков 1а-1d содержит оболочку 5, единую для всех теплообменников блока, в которой установлен спиральный теплообменник 2, имеющий предварительно выбранную мощность.
Оболочка 5 имеет аксиальную протяженность, неизменную для всех значений тепловой мощности в пределах диапазона значений тепловой мощности, и равную аксиальной протяженности блока 1а-1d, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах вышеуказанного диапазона значений тепловой мощности.
Оболочка 5 данного предпочтительного варианта осуществления на переднем конце герметично закрывается непоказанной несущей пластиной горелки 4.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения трубопровод 3 имеет уплощенное овальное поперечное сечение (смотри фиг. 4а-4d и фиг. 5); в частности, указанное множество витков трубопровода 3 теплообменника 2 имеют уплощенное поперечное сечение, длинная ось которого, по существу, перпендикулярна продольной оси А-А спирали.
Между плоскими поверхностями двух последовательных витков трубопровода 3 имеется промежуток 6, предпочтительно, постоянной ширины.
При этом, как уже было отмечено выше, каждый из теплообменных блоков 1а-1d предпочтительно снабжен соответствующими проставочными элементами, не показанными на фигурах чертежей, например, ребрами, отходящими от плоских поверхностей трубопровода 3 или гребневидными проставочными элементами, расположенными между указанными плоскими поверхностями.
Предпочтительно, спиральный теплообменник 2 установлен в единой оболочке 5 набора таким образом, чтобы в данной оболочке была образована зона 7 подачи второй теплопередающей среды, в данном случае состоящей из горячих газов горения, вырабатываемых указанной горелкой 4.
Предпочтительно, зона 7 подачи второй теплопередающей среды, в частности, образована внутри оболочки 5 коаксиально и внутренне относительно теплообменника 2.
При этом обеспечивается предпочтительная возможность в каждом теплообменном блоке 1а-1d набора иметь такую конфигурацию, чтобы получить поток второй теплопередающей среды, идущий от зоны 7 подачи радиально наружу сквозь промежутки 6, заданные между витками спирального теплообменника 2.
Предпочтительно, зона 7 подачи второй теплопередающей среды в пределах набора теплообменных блоков 1а-1d для всех значений тепловой мощности теплообменника 2 имеет, по существу, постоянный размер, равный минимально возможному размеру.
Данная предпочтительная конфигурация зоны 7 подачи второй теплопередающей среды является следствием предпочтительной конфигурации теплообменника 2, согласно которой последний имеет, по существу, постоянную аксиальную протяженность, равную аксиальной протяженности теплообменника 2, имеющего минимальную тепловую мощность, а также постоянный внутренний диаметр, равный внутреннему диаметру теплообменника 2, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах диапазона от минимального до максимального значения тепловой мощности набора.
Предпочтительно и как раскрыто выше, данная предпочтительная конфигурация теплообменника 2 и зоны 7 подачи второй теплопередающей среды позволяет стандартизировать отличные от теплообменника 2 компоненты множества блоков 1a-1d набора и поддерживать поперечные размеры оболочки 5 как можно меньшими при изменении тепловой мощности в пределах диапазона значений тепловой мощности в наборе блоков 1а-1d.
В показанном предпочтительном варианте осуществления, оболочка 5 имеет, по существу, чашевидную форму и содержит периферийную боковую стенку 5с и заднюю стенку 5d.
Предпочтительно, оболочка 5 спереди снабжена кольцевым элементом 8, прикрепленным к периферийной боковой стенке 5с и принадлежащим к передней стенке блока, такой элемент широко известен и не показан в подробностях, и с этим элементом связана несущая пластина горелки 4 для того, чтобы, по существу, герметично закрывать оболочку 5.
В показанном предпочтительном варианте осуществления, оболочка 5, в частности, имеет, по существу, цилиндрическую форму и содержит два имеющих соответствующую форму полукорпуса 5а, 5с.
В рабочей конфигурации, оболочка 5 теплообменных блоков 1а-1d набора сообщается по текучей среде с внешними компонентами (не показаны), образующими часть устройства или системы, в которых установлены блоки, через множество проходов 9-12, предпочтительно сформированных на боковой стенке 5с самой оболочки 5.
Первый проход 9 выполнен с возможностью выпуска второй теплопередающей среды из оболочки 5, и предпочтительно сформирован в выпускной крышке 14 для данной текучей среды.
В рабочей конфигурации теплообменных блоков 1а-1d в соответствии с показанным предпочтительным вариантом осуществления набора, выпускной проход предпочтительно расположен так, чтобы он имел ориентированную вертикально ось и был обращен вверх.
Второй и третий проходы 10, 11 предпочтительно выполнены на свободном конце соответствующих втулок 18, 19, отходящих от периферийной боковой стенки 5с оболочки 5 и предпочтительно выполненных в виде единого целого с нижним полукорпусом 5b оболочки 5.
Предпочтительно, втулки 18, 19 имеют постоянное межосевое расстояние при изменении тепловой мощности блоков 1а-1d в пределах диапазона от минимального до максимального значения тепловой мощности набора блоков 1а-1d.
Предпочтительно, противоположные концы трубопровода 3 теплообменника 2 расположены в соответствующих втулках 18, 19 указанной пары втулок.
Предпочтительно, впускное и выпускное соединения 3а, 3b для подачи первой теплопередающей среды в теплообменник 2 и из него установлены с упиранием во втулках 18, 19, немного выступая из проходов 10 и 11, что лучше видно на фиг. 1-3, для соединения с внешними компонентами устройства или системы, которые не показаны, и в которых установлен конкретный блок 1а-1d набора.
Следовательно, проходы 10, 11 предпочтительно выполнены с возможностью принимать впускное и выпускное соединения 3а, 3b для первой теплопередающей среды (подлежащей нагреву воды) для подачи ее в трубопровод 3 теплообменника 2 и из него.
В рабочей конфигурации теплообменных блоков 1а-1d набора, проходы 10, 11 оболочки расположены соответственно спереди и сзади друг друга относительно аксиального развития теплообменных блоков 1а-1d по продольной оси Х-Х спирального теплообменника 2, и обращены вниз, чтобы легче было подсоединять внешние компоненты (не показаны) устройства или системы, в которых установлен конкретный теплообменный блок 1а-1d набора.
В показанном предпочтительном варианте осуществления набора теплообменных блоков 1а-1d, и так как такие блоки относятся к конденсационному типу, оболочка 5 предпочтительно также снабжена четвертым проходом 12, выполненным на свободном конце с соответствующей втулкой 20, отходящей от периферийной боковой стенки 5с оболочки 5, и предпочтительно выполненной в виде единого целого с нижним полукорпусом 5b оболочки 5.
Проход 12 выполнен с возможностью выпуска конденсата, образующегося в процессе теплообмена между двумя теплопередающими текучими средами, и скапливающегося в нижней части оболочки 5.
Как лучше видно на фиг. 4а-4d, теплообменные блоки 1а-1d набора блоков содержат приемную камеру 13 второй теплопередающей среды, образованную наружно относительно теплообменника 2 между его радиально наружной стенкой 2а и боковой стенкой 5с оболочки 5.
Для лучшей наглядности, линия, касательная к радиально наружной стенке 2а теплообменника 2 на фиг. 4a-4d показана пунктиром. В данном случае, и так как теплообменник 2, образованный трубопроводом 3, является спиральным, наружная стенка 2а является прерывистой, то есть, аксиально прерывается промежутками, образованными между соседними витками теплообменника, и сформирована радиально наружной поверхностью витков трубопровода 3.
Как показано на фиг. 4а-4d, приемная камера 13 спереди закрыта кольцевой крышкой 8, формирующей часть передней стенки блока, а сзади закрыта задней стенкой 5d оболочки 6, и сообщается по текучей среде с выпускной крышкой 14 второй теплопередающей среды (горячих газов горения).
Предпочтительно, и с целью ограничения нежелательного перепуска второй теплопередающей среды из приемной камеры 13 сразу к выпускной крышке 14, оболочка изнутри снабжена, по существу, пластинчатым перегораживающим элементом 15, размещенным со стыковкой геометрических форм во внутреннем проходе крышки 14, по меньшей мере, частично, выполненным в толще периферийной боковой стенки 5с оболочки 5.
Широко известным способом для ограничения потерь тепла в окружающую среду и чрезмерной термической нагрузки задней стенки 5d оболочки 5, теплообменные блоки 1а-1d набора предпочтительно снабжены диском 16, выполненным из теплоизоляционного материала и предназначенным закрывать зону 7 подачи второй теплопередающей среды.
Предпочтительно, теплообменные блоки 1a-1d набора также снабжены, по существу, кольцевым элементом из теплоизоляционного материала, который сам по себе известен, для которого, как широко известно, несущей является передняя стенка блока.
Предпочтительно, диск 16 установлен по центру задней стенки 5d с помощью широко известных крепежных элементов, таких как, например, винт 17.
В соответствии с изобретением и согласно иллюстрациям на фиг. 4а-4d, трубопровод 3 теплообменника 2 теплообменных блоков 1a-1d набора имеет радиальную протяженность витков, пропорциональную тепловой мощности теплообменника, при этом при изменении тепловой мощности аксиальная протяженность теплообменника является, по существу, постоянной и равной аксиальной протяженности теплообменника 2, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности набора.
За счет последнего признака и благодаря тому факту, что аксиальная протяженность единой оболочки 5 набора теплообменных блоков 1a-1d, при изменении тепловой мощности блока остается постоянной и равной аксиальной протяженности блока, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах вышеуказанного диапазона значений тепловой мощности, обеспечивается предпочтительная возможность иметь набор блоков 1a-1d, имеющий минимально возможные размеры, и одновременно обладающий возможностью достижения высокой степени стандартизации внешних несущих элементов оболочки 5, единой для теплообменных блоков 1а-1d, принадлежащих устройству или системе, в которой установлен одиночный блок набора.
В частности и в соответствии с вышеизложенным, межосевое расстояние между втулками 18, 19 является предпочтительно унифицированным и постоянным, при этом размеры внешних несущих элементов единой оболочки 5 блоков 1а-1d являются унифицированными и постоянными при изменении тепловой мощности блоков.
Согласно вышеизложенному и благодаря тому факту, что теплообменник 2 имеет, по существу, постоянный внутренний диаметр, зона 7 подачи второй теплопередающей среды соответственно имеет, по существу, постоянные размеры при изменении тепловой мощности в пределах от минимального до максимального значения тепловой мощности набора, при этом данный признак обеспечивает предпочтительную возможность получения высокой степени стандартизации также и для отличных от теплообменника компонентов множества блоков 1а-1d набора.
Например, обеспечивается предпочтительная возможность стандартизации следующего:
- размеров диска 16, выполненного из теплоизоляционного материала, и, по существу, кольцевого элемента, выполненного из теплоизоляционного материала, для которого несущей является передняя стенка блоков 1а-1d,
- размеров передней закрывающей стенки единой оболочки 5 набора,
- размеров горелки и соответствующих вспомогательных элементов (когда блоки 1а-1d набора являются теплообменными блоками водонагревательных устройств, как в предпочтительном случае, проиллюстрированном на фигурах сопроводительных чертежей) или размеров тракта подачи горячей текучей среды (когда блоки 1а-1d набора являются рекуператорами тепла).
В показанном на фигурах чертежей предпочтительном варианте осуществления, набор теплообменных блоков 1а-1d содержит, исключительно в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, четыре теплообменных блока 1а-1d, имеющих увеличивающуюся тепловую мощность в пределах указанного заданного диапазона от минимального до максимального значения, например, от 15 до 35 кВт, в случае, так называемых, низкомощных теплообменных блоков.
Предпочтительно и согласно иллюстрациям на фиг. 1-4, оболочка 5, единая для всех теплообменных блоков 1а-1d, набора предпочтительно имеет постоянные размеры при изменении тепловой мощности в пределах диапазона от минимального до максимального значения тепловой мощности, которые равны размерам оболочки 5 блока, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах диапазона тепловых мощностей набора.
Размеры оболочки 5 можно предпочтительно выбрать в зависимости от тепловой мощности блока в пределах предпочтительных значений, указанных выше.
Более того, предпочтительно, поперечная протяженность единой оболочки 5 набора теплообменных блоков 1а-1d такова, чтобы в оболочке 5 было образовано гнездо, способное вместить теплообменник 2 максимального радиального размера среди блоков набора, как это лучше показано на фиг. 4d.
В показанном предпочтительном варианте осуществления, трубопровод 3 теплообменника 2 имеет поперечное сечение витков, пропорциональное тепловой мощности теплообменника 2.
Предпочтительно, такое поперечное сечение достигается за счет использования трубопровода необходимого поперечного сечения, как показано в настоящем описании.
таким образом, в рамках набора теплообменных блоков 1а-1d в соответствии с изобретением, предпочтительно имеется пропорциональная зависимость между следующими категориями:
i) поперечное сечение витков трубопровода 3 теплообменника 2, радиальная протяженность витков и расход первой теплопередающей текучей среды, текущей в указанном трубопроводе; и
ii) тепловая мощность теплообменника 2.
Данная пропорциональная зависимость предпочтительно позволяет сохранять, по существу, постоянными перепады давления первой теплопередающей среды и скорость течения последней внутри теплообменника 2 при изменении тепловой мощности, и данный технический результат особенно ценен для изготовителей нагревательных устройств и систем и устройств и систем кондиционирования воздуха.
Предпочтительно, и как лучше показано на фиг. 5, чтобы отношение внутренней ширины W к внутренней высоте Н каждого витка теплообменника 2, измеренных параллельно соответственно длинной оси и короткой оси поперечного сечения трубопровода 3, также было пропорционально тепловой мощности теплообменника 2.
Как уже было отмечено выше, такое отношение W/H, предпочтительно, превышает 2,5 и, предпочтительнее, составляет от 2,5 до 5, будучи функцией тепловой мощности теплообменника 2.
В частности, Заявителем экспериментально было обнаружено, что когда отношение W/H внутренней ширины к внутренней высоте каждого витка трубопровода 3 теплообменника 2 превышает 2,5, обеспечивается предпочтительная возможность снижения температуры газов горения 4, производимых горелкой и радиально расходящихся от теплообменника 2, до значений, меньших чем для подлежащей нагреву воды (в целом, между 40° и 80°), покидающей блок 1а-1d набора.
Данные значения температуры газов горения могут предпочтительно снизить термическую нагрузку на материал оболочки 5, которую, при желании, можно выполнить из пластика, и при этом - без защитных металлических колец.
Ниже с конкретной ссылкой на фиг. 5 будет раскрыт предпочтительный вариант осуществления способа изготовления набора теплообменных блоков в соответствии с изобретением, в частности, изготовления вышеописанных блоков 1а-1d.
На начальном шаге способа обеспечивают единую оболочку 5 для множества теплообменных блоков 1a-1d набора, причем данная оболочка 5 имеет аксиальную протяженность, которая постоянна при изменении тепловой мощности блока в заданном диапазоне значений тепловой мощности, например от 1 до 35 кВт (низкомощный вариант), и равна аксиальной протяженности блока, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах указанного диапазона значений тепловой мощности.
В предпочтительном варианте осуществления, шаг обеспечения единой оболочки 5 включает в обеспечение втулок 18, 19 отходящих от периферийной боковой стенки 5с, причем втулки имеют постоянное межосевое расстояние при изменении тепловой мощности блоков 1а-1d набора в пределах вышеуказанного диапазона значений тепловой мощности.
На следующем шаге обеспечивают множество спиральных теплообменников 2, каждый из которых имеет тепловую мощность в пределах указанного диапазона от минимального до максимального значения и каждый из которых содержит трубопровод 3 для протекания первой теплопередающей среды, свитый спирально в множество витков вокруг продольной оси X-X спирали.
В предпочтительном варианте осуществления и согласно вышеописанному, количество витков трубопровода 3 равно количеству витков теплообменника 2, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах вышеуказанного диапазона значений тепловой мощности набора.
В предпочтительном варианте осуществления, шаг обеспечения вышеуказанного множества теплообменников 2 включает в себя следующие шаги:
i) обеспечивают трубопровод 3, имеющий поперечное сечение потока текучей среды с заданным значением, пропорциональным тепловой мощности, подлежащей вырабатыванию; и
ii) указанный трубопровод 3 свивают спирально с получением множества витков.
Предпочтительно, трубопровод 3 имеет, по существу, цилиндрическую форму и на шаге i) его обеспечивают путем обычных операций экструдирования с получением заданной длины, равной окончательной длине, которую теплообменник 2 должен иметь после того, как ему будет придана спиральная форма.
В способе изготовления предпочтительного варианта осуществления набора теплообменных блоков 1а-1d, показанных на фиг. 1-5, шаг обеспечения вышеуказанного множества спиральных теплообменников 2 предпочтительно содержит шаг, на котором витки трубопровода 3 теплообменника пластически деформируют в радиальном направлении так, чтобы получить витки, имеющие уплощенное поперечное сечение, длинная ось которого, по существу, перпендикулярна продольной оси X-X спирали.
Шаг такой пластической деформации может быть выполнен, например, применением методики и оборудования, раскрытых в вышеуказанной Международной патентной заявке WO 94/16272 на имя Le Mer.
В соответствии с изобретением, указанный шаг пластической деформации выполняют таким образом, чтобы были, по существу, постоянными следующие параметры:
- поперечное сечение потока текучей среды в трубопроводе 3.
- аксиальная протяженность теплообменников 2, равная аксиальной протяженности теплообменника 2, имеющего минимальную тепловую мощность в пределах вышеуказанного диапазона значений тепловой мощности набора, и
- внутренний диаметр теплообменника 2.
В предпочтительном альтернативном варианте осуществления, шаг обеспечения вышеуказанного множества теплообменников 2 включает в себя следующие шаги:
iii) обеспечивают трубопровод 3, имеющий уплощенное поперечное сечение потока текучей среды с заданной величиной, пропорциональной тепловой мощности;
iv) придают указанному трубопроводу 3 спиральную форму с получением множества витков, имеющих уплощенное поперечное сечение, длинная ось которого, по существу, перпендикулярная продольной оси X-X спирали.
Шаг, на котором трубопровод 3 свивают спирально, может быть выполнен с применением широко известных способов и оборудования.
Также в этом случае, вышеуказанный шаг, на котором трубопровод 3 свивают спирально, выполняют таким образом, чтобы и поперечное сечение потока текучей среды в трубопроводе 3, и аксиальная протяженность теплообменников 2 из вышеуказанного множества теплообменников были, по существу, постоянными.
На следующем шаге способа предусмотрено, что в единую оболочку 5 устанавливают теплообменник 2, имеющий требуемую тепловую мощность и выбранный из вышеуказанного множества теплообменников, причем установку выполняют так, чтобы в оболочке 5 наружно и коаксиально относительно теплообменника образовалась зона 7 подачи газов горения, вырабатываемых горелкой 4.
Так как вышеуказанное множество теплообменников 2 имеет, по существу, постоянный внутренний диаметр для разных значений тепловой мощности, зона 7 подачи также имеет, по существу, постоянные радиальные размеры при изменении тепловой мощности конкретного теплообменника 2, который установлен внутрь оболочки 5, единой для всех теплообменников, причем данные радиальные размеры предпочтительно равны минимально возможным.
В соответствии со способом изготовления набора блоков 1а-1d, трубопровод 3 теплообменника выполняют так, чтобы радиальная протяженность витков была пропорциональна тепловой мощности теплообменника 2, и чтобы аксиальная протяженность теплообменника 2 была, по существу, постоянной при изменении тепловой мощности, и равной аксиальной протяженности теплообменника 2, имеющего минимальную тепловую мощность в указанном диапазоне значений тепловой мощности набора.
Зона 7 подачи, соответственно, тоже имеет, по существу, постоянную аксиальную протяженность при изменении значений тепловой мощности конкретного теплообменника 2, который устанавливают в оболочку 5, единую для всех теплообменников, причем данная аксиальная протяженность предпочтительно равна минимально возможной.
В предпочтительном варианте осуществления, шаг установки спирального теплообменника 2 внутрь единой оболочки 5 включает в себя шаг, на котором противоположные концы трубопровода 3 помещают в соответствующие втулки 18, 19, отходящие от периферийной боковой стенки 5с единой оболочки 5.
Данные предпочтительные варианты осуществления обеспечивают предпочтительную возможность получения набора теплообменных блоков 1а-1d, имеющих разную тепловую мощность, но единую для них оболочку 5, имеющую постоянную аксиальную протяженность, равную минимально возможной, и с высокой степенью стандартизации компонентов, как показано на фиг. 4а - фиг. 4d.
Работа теплообменных блоков 1а-1d набора в соответствии с изобретением не отличается от работы теплообменных блоков известного типа и по своей сути является следующей:
Фактически, теплообмен между второй теплопередающей средой и первой теплопередающей средой осуществляют путем подачи второй теплопередающей среды в зону 7 подачи, в данном приблизительном и неограничивающем случае, вырабатывая газы G горения с помощью горелки 4, установленной коаксиально и внутри относительно теплообменника.
Вторая теплопередающая среда (газы G горения) радиально протекает сквозь теплообменник 2, проходя через промежутки 6, сформированные между двумя последовательными витками трубопровода 3, и передавая тепло первой теплопередающей текучей среде (подлежащей нагреву воде), текущей внутри трубопровода 3, по существу, в противотоке со второй теплопередающей средой.
После того, как она радиально пересечет теплообменник 2, вторая теплопередающая среда (газы G горения) собирается в приемной камере 13, образованной снаружи относительно теплообменника 2, откуда течет в выпускную крышку 14, а затем покидает теплообменный блок 1а-1d через проход 9.
Поток второй теплопередающей среды посредством перегораживающего элемента 15 предпочтительно направляют к выпускной крышке 14 таким образом, чтобы ограничить прямой перепуск, как схематически показано на фиг. 4а-4d.
Далее со ссылкой на фиг. 6а-6b раскрывается еще один предпочтительный вариант осуществления набора теплообменных блоков 1а-1d в соответствии с изобретением.
В нижеследующем описании и на относящихся к нему фигурах чертежей, элементы блоков, конструктивно или функционально эквивалентные тем элементам, которые были рассмотрены ранее со ссылкой на фиг. 1-5, будут указаны под теми же самыми номерами позиций, но подробно рассматриваться не будут.
В предпочтительном варианте осуществления, показанном на фиг. 6a-6d, особенность теплообменника такова, что трубопровод 3 имеет уплощенное поперечное сечение, длинная ось которого образует острый угол а с продольной осью X-X спирали.
Предпочтительно, угол а имеет величину в диапазоне от 60° до 87°.
Такая наклонная конфигурация витков трубопровода 3 может быть получена вышеописанным способом путем обеспечения пластической деформации трубопровода в направлении, образующем острый угол α с продольной осью X-X спирали.
Такая пластическая деформация может быть выполнена, например, путем применения способов и оборудования, раскрытых в вышеуказанной Международной патентной заявке WO 94/16272 на имя Le Mer.
Преимущество наклонной конфигурации витков трубопровода в данном предпочтительном варианте осуществления состоит в возможности увеличения поверхности трубопровода 3, подвергающейся воздействию горелки, с увеличением излучаемой энергии, передаваемой теплообменнику 2 и, следовательно, первой теплопередающей текучей среде, а также состоит в эффективной транспортировке второй теплопередающей среды к задней части 5d оболочки 5, то есть- и к выпускной крышке 14.
Очевидно, что с целью удовлетворения специфических и зависящих от обстоятельств условий применения специалисты смогут внести изменения в раскрытое выше изобретение или предложить другие варианты его осуществления, не выходя в данных изменениях и вариантах за пределы правовой охраны, определенные в прилагаемой формуле изобретения.