ДВЕРЦА С ВСТРОЕННОЙ ГОРЕЛКОЙ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНОГО ПРИБОРА
DOOR WITH BUILT-IN BURNER FOR HEATING UNIT

Изобретение относится к термически изолированной дверце со встроенной горелкой для нагревательного прибора.
В частности, оно находит свое применение в нагревательных приборах, содержащих трубку или совокупность трубок, через которые проходит нагреваемая текучая среда, например вода, и в которых на стенку действуют газообразные продукты горения, производимые горелкой.
Эта «дверца» является стенкой, выполненной съемной для обеспечения обслуживания прибора, в частности для периодической очистки горелки. Ее крепят, например, при помощи ряда периферических винтов на неподвижном контуре (раме) фронтальной части прибора.
Горелку крепят в центральной части дверцы на ее внутренней стороне таким образом, чтобы она располагалась во внутреннем пространстве прибора вблизи трубки или трубок при закрытой дверце. Наружная сторона дверцы соединена с патрубком подачи горючей газовой смеси (например, горючий газ/воздух или жидкое топливо/воздух), и питание горелки этой смесью происходит через соответствующее отверстие, выполненное в дверце. Как правило, подачу газовой смеси в патрубок осуществляют при помощи вентилятора.
Обычно зону внутренней стороны дверцы, окружающую горелку, покрывают жаростойким и теплоизоляционным материалом, например пластиной из материала на основе керамики, при этом саму дверцу выполняют из металла, как правило, из литого алюминия.
Во время работы прибора температура газов, выходящих из горелки, имеет значение, например, составляющее от 950 до 1000°С. Несмотря на наличие этой изоляционной накладки, температура наружной стороны дверцы может достигать значения примерно от 120 до 180°С.
Это тепловое излучение существенно понижает общую производительность прибора; так, при дверце круглой формы диаметром 220 мм потеря энергии может составлять примерно 150 Вт/ч, то есть 540 Дж (в зависимости от режима мощности горелки).
Кроме того, поскольку наружная сторона дверцы нагревается до относительно высокой температуры, она может стать причиной ожогов лиц, контактирующих с этой дверцей, в частности для оператора, производящего обслуживание и регулировки прибора.
Задача изобретения состоит в создании дверцы, позволяющей значительно уменьшить эту потерю энергии и, следовательно, повысить производительность прибора.
Также задача изобретения состоит в создании простой в изготовлении, легкой и недорогой конструкции дверцы, которую можно производить серийно в ходе автоматизированного процесса.
Также задача изобретения состоит в создании дверцы, конструкция которой позволяет повысить качество работы горелки.
Еще одной задачей изобретения является повышение безопасности и предупреждение ожогов.
Поставленные задачи решены в дверце с встроенной горелкой для нагревательного прибора, при этом дверца оборудована на своей внутренней стороне газовой горелкой и на своей наружной стороне системой подачи горючей газовой смеси в горелку; она выполнена с возможностью установки в раме стенки прибора и с возможностью разъемного крепления на этой раме.
Согласно изобретению, дверца содержит пару металлических листов, неподвижно соединенных друг с другом по своей периферии, при этом наружный лист содержит в своей центральной зоне входное отверстие для впуска указанной газовой смеси, тогда как внутренний лист содержит в центральной зоне выходное отверстие, которое выполнено коаксиально с указанным входным отверстием и на котором закреплена горелка, причем эти два листа отстоят друг от друга, оставляя между собой пространство, внутри которого неподвижно закреплена отражающая пластина, имеющая форму диска, диаметр которой по существу превышает диаметр указанных входного и выходного отверстий и которая установлена с центром на оси этих отверстий и перпендикулярно к этой оси, при этом отражающая пластина состоит из двух параллельных листов, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга и скрепленных друг с другом по своей периферии, при этом форму и ее размеры отражающей пластины предусматривают таким образом, чтобы поток газовой смеси, поступающий в прибор через указанное впускное отверстие, отклонялся наружу отражающей пластины, огибал ее периферический край снаружи внутрь, проходил затем по ее внутренней стороне, выходил через указанное выходное отверстие и поступал в горелку.
За счет такой конструкции потоки газовой смеси попадают в прибор по зигзагообразной траектории; эти холодные потоки сначала обдувают внутреннюю сторону наружного листа и наружную сторону отражающей пластины, служащую тепловым экраном, затем внутреннюю сторону этой пластины, после чего попадают на поверхность горения горелки.
Наружный лист, который обдувается окружающим воздухом, остается холодным или теплым в зависимости от искомого результата. Кроме того, предварительный нагрев смеси до ее поступления в горелку повышает качество горения и производительность прибора.
Согласно другим возможным отличительным, но неограничивающим признакам изобретения:
- указанные входное и выходное отверстия являются круглыми;
- на участке периферического бортика внутренней стороны указанной отражающей пластины образованы выступы или приливы, при помощи которых эту сторону прижимают и крепят на наружной стороне указанного внутреннего листа, причем через почти точечные контактные зоны, которые не мешают прохождению газовой смеси, ограничивая при этом передачу тепла от внутреннего листа на отражающую пластину;
- указанная отражающая пластина оснащена теплоизолятором, находящимся между указанными листами, причем этим изолятором является нейтральный газ, например, такой как азот, или твердый материал, например, на основе керамики;
- внутренний лист, входящий в конструкцию указанной отражающей пластины, содержит выпуклый центральный участок, который обеспечивает ее упругую деформацию и позволяет ей поглощать напряжения, создаваемые при расширениях и сжатиях, связанных с перепадами температуры, причем эта выпуклость способствует радиальному распределению потока газовой смеси, поступающего через указанное входное отверстие;
- указанная горелка является плоской, при этом ее поверхность горения является перпендикулярной к оси указанных отверстий;
- указанная горелка является слегка выпуклой, при этом ее поверхность горения является выпуклой и центрованной по оси указанных отверстий;
- указанная горелка является кольцевой, при этом ее цилиндрическая поверхность горения центрована по оси указанных отверстий;
- зона внутреннего листа, окружающая выходное отверстие, покрыта на своей внутренней стороне жаростойким и теплоизоляционным материалом, таким как материал из керамики или на основе керамики;
- на своей внутренней стороне дверца оборудована периферической уплотнительной прокладкой, выполненной с возможностью прилегания к наружной стороне фланца, неподвижно соединенного с указанной рамой дверцы;
- система подачи горючей газовой смеси содержит патрубок, установленный на уровне входного отверстия указанного наружного листа и закрепленный на этом листе;
- дверца оборудована электрическим вентилятором, неподвижно соединенным с указанным наружным листом и выполненным с возможностью всасывания газовой смеси через указанное входное отверстие и с возможностью ее нагнетания в направлении горелки;
- указанный электрический вентилятор является вентилятором центробежного типа и содержит ряд вращающихся лопастей, расположенных в углублении стенки указанного наружного листа, которое выполняет роль картера, и проходящих вблизи наружной стороны отражающей пластины;
- с одной стороны, статор указанного электрического вентилятора расположен внутри входного отверстия указанного наружного листа, и, с другой стороны, система подачи горючей газовой смеси содержит кольцевой коллектор, установленный на уровне этого входного отверстия и закрепленный на наружном листе, охватывая, таким образом, статор указанного электрического вентилятора, причем в этот коллектор поступает газообразное топливо через трубопровод, и его стенка содержит множество радиальных отверстий, через которые газообразное топливо попадает в кольцевой промежуток, отделяющий статор от края входного отверстий, и затем всасывается указанными вращающимися лопастями одновременно с окружающим воздухом (окислителем), который всасывается через этот же кольцевой промежуток.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания различных возможных вариантов осуществления изобретения. Это описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 показан нагревательный прибор, оборудованный дверцей в соответствии с настоящим изобретением согласно первому варианту осуществления, в котором встроенная в дверцу горелка является плоской, вид сбоку в осевом разрезе;
на фиг.2 показана дверца, изображенная на фиг.1, вид в перспективе и в разрезе;
на фиг.3 - то же, что на фиг.1, второй вариант осуществления изобретения, в котором встроенная в дверцу горелка является цилиндрической;
на фиг.4 то же, что на фиг.1, третий вариант осуществления изобретения, в котором дверца оборудована электрическим вентилятором;
на фиг.5 показана дверца, изображенная на фиг.4, вид в перспективе и в разрезе;
на фиг.6 показан вариант осуществления изобретения, в котором отражающая пластина оборудована дверцей, содержащей выступающий участок, вид в перспективе и в разрезе;
на фиг.7 показаны внутренний лист и отражающая пластина дверцы, изображенной на фиг.6, вид в перспективе.
На фиг.1, 3, 4 и 6 циркуляция газовых потоков показана стрелками, при этом прибор рассматривается во время работы.
Для большей ясности идентичные или аналогичные элементы в различных представленных вариантах осуществления обозначены одинаковыми цифровыми позициями.
На фиг.1 и 2 позицией 1 обозначена дверца со встроенной горелкой 2, являющаяся объектом настоящего изобретения.
Ее можно адаптировать для разных типов нагревательных приборов.
В представленных вариантах осуществления в качестве простого примера речь идет о конденсационном теплообменнике, выпускаемом компанией GIANNONI FRANCE под названием "ISOTHERMIC" (зарегистрированный товарный знак).
Теплообменник этого типа содержит два пучка спиралевидных трубок, установленные коаксиально внутри газонепроницаемого кожуха и разделенные перегородкой из теплоизоляционного материала. В трубках циркулирует нагреваемая текучая среда, например вода. Они имеют уплощенное овальное сечение, и промежуток между витками точно определен и имеет небольшую ширину. Горелка находится внутри одного из пучков, называемого первичным, и выходящие из горелки горячие газы проходят через эти промежутки изнутри наружу с высоким коэффициентом теплообмена. Затем они огибают изолирующую перегородку и проходят через промежутки другого пучка, называемого вторичным, в противоположном направлении (снаружи внутрь), после чего удаляются за пределы кожуха через трубопровод или соответствующий патрубок.
Такой прибор хорошо известен, и его подробное описание опускается.
Вместе с тем, в случае необходимости информацию можно получить из следующих патентных документов, относящихся к теплообменнику этого типа: ЕР-В-0678186 (см., в частности, фиг.18), WO 2004/03621 A1 (фиг.1 и 5) и WO 2004/097311 А1 (см. фиг.1-2).
Дверца 1 закреплена в раме 61 фронтальной стенки нагревательного прибора АС, корпус 6 которого содержит боковую стенку 60 и стенку 62 дна, содержащую выпускной патрубок 620, предназначенный для соединения с трубопроводом (не показан) для удаления отработавших газов. Этот корпус 6 содержит трубчатую спираль 7 из нержавеющей стали с уплощенным и овальным сечением и с осью Х-Х'. Она состоит из первичного пучка 70 и вторичного пучка 71, разделенных изолирующим диском 600. Речь идет о конденсационном теплообменнике такого же типа, что и описанные в вышеуказанных документах, выполненном с возможностью нагрева воды или любой другой текучей среды, которая циркулирует по спирали 7.
Дверца 1 имеет общую круглую форму с центром на оси Х-Х' и содержит периферические крепежные элементы (не показаны), позволяющие установить ее разъемно на фронтальной части прибора, например, при помощи четырех проушин, расположенных под углом 90° и привинченных к фронтальной части.
Дверца 1 содержит пару тонких стенок, одну наружную 10 и другую внутреннюю 11. Эти стенки выполнены из листа нержавеющей стали посредством вырезания и штамповки.
Они скреплены друг с другом по периферии посредством фальцовки или сварки; этот периферический бортик 100 содержит кольцевую полость, обращенную внутрь, в которой устанавливают уплотнительную прокладку 101, выполненную с возможностью прилегания, когда дверца закрыта, к опорному фланцу 72, закрепленному в раме и входящему в контакт своей внутренней стороной с первым витком спирали 7.
Штампованный профиль наружного листа 10 выполнен так, что имеет выпуклость, обращенную наружу, центральная зона которой содержит круглое отверстие 102 с центром на Х-Х'. Стенка, окаймляющая это отверстие, имеет профиль, адаптированный для установки и герметичного крепления, - например, при помощи винта или сварки, - патрубка 5 (показан пунктирной линией) подачи горючей газовой смеси в прибор через соответствующий трубопровод 50.
Штампованный профиль внутреннего листа 11 выполнен таким образом, что имеет выпуклость, обращенную внутрь, центральная зона которой содержит круглое отверстие 103 с центром на Х-Х'. Это отверстие окаймлено кольцевым бортиком, на котором закреплена горелка 2. Горелка имеет вид цилиндрической чашеобразной детали небольшой высоты, кольцевая часть 20 которой посажена и удерживается за счет обжатия (посадки в натяг) и/или при помощи нескольких сварных точек на указанном бортике, тогда как ее плоское дно 21 выполнено перфорированным и образует поверхность горения. В представленном варианте осуществления горелка имеет составную конструкцию, содержащую перфорированный штампованный внутренний лист и волокнистую и пористую наружную стенку, обеспечивающую хорошую стабилизацию пламени.
Можно предусмотреть самые разные конструкции (в частности, с одной стенкой или с двойной стенкой) и формы горелки.
Так, дно 21, выполняющее функцию поверхности горения, можно выполнить слегка изогнутым с выпуклостью, направленной внутрь прибора, и с центром кривизны на Х-Х'. Эта выпуклая форма позволяет поглощать расширения, поскольку поверхность горения может естественным образом деформироваться, принимая более или менее выраженную кривизну в зависимости от этого расширения.
С учетом этих штампованных «полых» форм между двумя листами 10 и 11 остается свободное пространство.
В этом пространстве помещают дисковидную пластину 3 небольшой толщины с центром на Х-Х'. Ее диаметр по существу превышает диаметр отверстий 102 и 103; вместе с тем, он слегка меньше диаметра указанного свободного пространства.
Пластина 3 состоит из двух тонких стенок 30, 31, выполненных, например, из листа нержавеющей стали и герметично скрепленных друг с другом по своей периферии 300, например, посредством фальцовки и/или сварки. Наружный лист 30 является плоским; внутренний лист 31 содержит тоже плоскую основную кольцевую зону, параллельную листу 30, и центральную слегка выпуклую зону 310 с выпуклостью, направленной внутрь (со стороны горелки).
Между стенками 30 и 31 герметично помещен изолирующий материал 32, например, нейтральный газ, такой как азот, или твердый материал на основе керамики. Он предназначен для снижения теплопередачи между двумя стенками.
На своей периферии внутренняя стенка 31 содержит несколько приливов, таких как штампованные выступы 311, равномерно распределенные (например, шесть приливов под углом 60°) и предназначенные для крепления стенки на листе 11.
Это крепление выполняют, например, посредством точечной сварки в почти точечных зонах ограниченной площади, чтобы ограничивать теплопередачу между двумя стенками 11 и 31, а также чтобы не мешать прохождению между ними газа. Эти приливы могут выполнять также роль распорок.
С внутренней стороны дверца 1 содержит кольцевую накладку 4 из теплоизоляционного и жаростойкого материала, например из керамики или из материала на основе керамики. Центральное отверстие этой накладки насаживают на цилиндрическую часть 20 горелки 2, при этом она удерживается на внутренней стороне стенки 11 внутренним бортиком 720 ответной формы опорного фланца 72. Таким образом, кольцевая накладка 4 закрывает стенку 11 по периферии горелки до уровня спирали 7 и образует тепловой экран по отношению к горячим газам, выходящим из горелки и присутствующим внутри первичного пучка теплообменника.
Горелку зажигают при помощи соответствующей системы зажигания (не показана), и горючая газовая смесь воздух/топливо поступает в патрубок 5 через трубопровод 50, при этом прибор работает следующим образом.
Поток газа, поступающий в прибор, проходит через отверстие 102 (стрелки F), наталкивается на находящуюся напротив плоскую стенку 30 пластины 3 и разбивается на множество струй газа, которые отклоняются под прямым углом и проходят в радиальном направлении от оси Х-Х' наружу диска до периферического бортика 300 (стрелки G), обдувая при этом стенку 30; дойдя до границы бортика 300, они огибают его (стрелки Н) и проходят в противоположном направлении в сторону оси Х-Х' к выходному отверстию 103, обдувая на этот раз стенку 31 (стрелки I), и, наконец, попадают в горелку 2.
Горение, показанное в виде конусов пламени d, производит очень горячие газообразные продукты горения (стрелки J), температура которых составляет примерно от 950 до 1000°С.
Эти газы проходят через промежутки между витками первичного пучка 70 радиально изнутри наружу, выходят из них (стрелки К), проходят внутри корпуса 6, проникают в промежутки между витками вторичного пучка 71 (стрелки L), проходя через них в радиальном направлении снаружи внутрь, выходят из них (стрелки М) и удаляются через патрубок 620 (стрелки N).
Текучая среда, циркулирующая внутри спирали, предварительно нагревается во вторичном пучке 71, затем нагревается в первичном пучке 70, что само по себе хорошо известно.
Во время работы прибора внутренний лист 31 отражающей пластины 3 нагревается до температуры намного большей, чем наружный лист 30. Кроме того, эта температура существенно и часто меняется во время фаз запуска и остановки прибора.
В результате происходят последовательные расширения и сжатия этой стенки в гораздо большей степени, чем у наружной стенки, создающие механические напряжения, которые со временем могут привести к нарушению периферического соединения между двумя стенками. Однако этот риск предотвращают за счет центральной выпуклости 310, которая может обратимо упруго деформироваться, поглощая эти напряжения, поэтому они не проявляются на уровне периферического соединительного бортика 300.
Благодаря присутствию отражающей пластины 3, тепловые потери прибора в сторону наружного пространства намного снижаются.
Действительно, с одной стороны, только незначительная часть тепла передается от листа 11 к пластине 3, и, с другой стороны, почти все тепло, излучаемое фронтальной частью, отбирается входящей газовой смесью, которая обдувает горячие стенки во время своего зигзагообразного пути. Кроме того, этот предварительный нагрев повышает качество горения.
Например, если газовая смесь, поступающая через патрубок 5, имеет температуру порядка 20-25°С, температура наружной стенки 10 дверцы равна примерно 25-30°С, то есть значительно ниже температуры, до которой может доходить обычная стенка и которая могла бы соответствовать наружной температуре стенки 11, если бы она не охлаждалась входящей газовой смесью, то есть примерно 120-180°С.
Таким образом, исключается любой риск ожога для оператора.
На фиг.3 представлен вариант осуществления дверцы 1, который отличается от предыдущего только типом горелки, встроенной в дверцу.
В данном случае речь идет о цилиндрической горелке 2' с осью Х-Х', которая закрыта плоским дном 20' и вход которой содержит бортик в виде фланца 21', охватывающего центральное отверстие 103 внутреннего листа 11 и закрепленного на этом листе, например, несколькими сварными точками.
Работа прибора аналогична описанной выше работе.
На фиг.4 и 5 представлен вариант осуществления дверцы 1, который отличается от варианта, показанного на фиг.1 и 2, тем, что в дверцу встроен электрический вентилятор 8 центробежного типа, центрованный по оси Х-Х'.
Вентилятор содержит кольцевой статор 80, закрепленный на наружном листе 10 при помощи не показанных соответствующих крепежных лапок.
Вентилятор содержит ряд лопастей 82, установленных на вращающемся диске 83, который закреплен на роторе 81 при помощи винтов 810. Эти лопасти находятся в круглом углублении соответствующей формы, которое выполнено в стенке наружного листа 10 и которое выполняет также функцию картера для этих лопастей.
Диск 83 с лопастями расположен в общей плоскости, перпендикулярной к оси X-X', вблизи наружной стороны отражающей пластины 3. Лопасти 82 закреплены на наружной стороне диска 83.
Статор 80 электрического вентилятора устанавливают с некоторым зазором (кольцевое пространство) внутри входного отверстия 102 наружного листа 10. Это отверстие имеет вид горловины, охваченной кольцевым коллектором (приблизительно в виде тора), центрованным по оси Х-Х'. Этот коллектор может быть присоединяемым или может быть выполнен в листе 10.
Коллектор 9 соединен с трубопроводом 91 подачи газового топлива, такого, например, как бутан или пропан. Его внутренняя кольцевая стенка и/или стенка горловины, которую он охватывает, содержит множество отверстий 90, равномерно распределенных по периферии, позволяющих рассеивать газовый поток в виде струй в кольцевом промежутке, окружающем статор.
Во время работы ротор вращается, газовый топливный поток заходит в трубопровод 91 (стрелка С), попадает в кольцевой коллектор 9 (стрелки D), выходит через отверстия 90 и всасывается внутрь прибора движущимися лопастями 92 (стрелки F). Эти лопасти всасывают также воздух из окружающей среды (окислитель), забираемый снаружи (стрелки Е) и заходящий в этот же кольцевой промежуток, смешиваясь с газом, выходящим из отверстий 90.
Таким образом, электрический вентилятор 8 нагнетает внутрь дверцы уже готовую газовую горючую смесь.
Она следует по пути, аналогичному описанному выше и показанному на фиг.1 (стрелки G, Н и I), и в конечном итоге попадает в плоскую горелку, обогнув отражающую пластину 3.
Согласно варианту осуществления, газовые потоки, выходящие из входной горловины 102, не обдувают наружную сторону пластины 3. Однако эффект остается аналогичным. Пластина 3 выполняет роль теплового экрана; поскольку она не входит в контакт с вращающимся диском 83, между этими двумя элементами нет теплопередачи, что предохраняет электрический вентилятор от повышения температуры.
Разумеется, электрическим вентилятором этого типа можно также оборудовать дверцу, оснащенную цилиндрической горелкой, показанной на фиг.3.
На фиг.6 и 7 показан вариант осуществления дверцы 1, который отличается от предыдущих вариантов формой наружного листа отражающей пластины. Эта пластина обозначена позицией 3'.
Указанный наружный лист, обозначенный 30', содержит главную плоскую кольцевую зону, параллельную внутреннему листу 31, и центральную зону 301', выступающую в виде выпуклости, вершина которой направлена к входному отверстию 102 дверцы 1.
Эту форму получают в результате штамповки.
Выпуклость 301' улучшает радиальное распределение входящего воздушного потока, что показано стрелками Р.
Кроме того, это снижает потери напора по сравнению с плоской поверхностью.
Благодаря этой специальной форме центральной зоны 301', вентилятор, нагнетающий горючую смесь воздух/газовое топливо в патрубок 5, подвергается меньшему воздействию и может вращаться медленнее, обеспечивая такой же напор.
На фиг.7 показано, что отражающая пластина 3' не обязательно имеет строго круглый контур и содержит на своей периферии вырезы 33 разной формы, предназначенные для прохождения различных элементов, например, таких как электроды зажигания или ионизации.
Это же может относиться и к описанной выше отражающей пластине 3, хотя это и не показано на чертежах.