ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ, ТРУБА ВЫПУСКА ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ДЛЯ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ И СПОСОБ НАГРЕВАНИЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
WATER HEATER, GAS COMBUSTION GASES DISCHARGE PIPE FOR WATER HEATER AND METHOD OF FLUID MEDIUM HEATING

Изобретение относится к водонагревателю, трубе выпуска газообразных продуктов сгорания для водонагревателя и способу нагревания текучей среды.
Для передачи теплоты от текучей среды с относительно высокой температурой текучей среде с относительно низкой температурой используют теплообменники. Теплообменники, предназначенные для нагревания относительно холодной среды, используются, например, в водонагревателях, применяемых, в частности, в системе центрального отопления (ЦО) или системе подачи водопроводной воды. Вода нагревается в таком водонагревателе за счет производимого с помощью горелки нагревания теплопроводного материала. Вода, которая транспортируется через трубчатый контур, заключенный в этом теплопроводном материале, нагревается, таким образом, с помощью горелки путем косвенного нагрева.
Известно, что в трубе выпуска газообразных продуктов сгорания водонагревателя может быть размещен дополнительный теплообменник. С помощью этого дополнительного теплообменника теплота от газообразных продуктов сгорания, выходящих из горелки, может быть использована для предварительного нагревания воды, подлежащей нагреванию в этом водонагревателе. Температура воды, может быть, таким образом, уже в некоторой степени повышена перед её транспортированием через трубчатый контур, заключенный в теплопроводном материале и образующий первичный теплообменник. На практике водопроводная вода с температурой, например, 10°C может быть подогрета до 40 до 50°С с помощью газообразных продуктов сгорания, которые могут иметь температуру от 60 до 70°С. В Нидерландах требуемая установленная потребителем температура обычно составляет 60°С, и в этом случае горелка необходима только для осуществления дополнительного повышения температуры на 10-20°С. В целом повсеместно желаемая температура, установленная потребителем, обычно находится в интервале от 55°C до 80°C.
Такие дополнительные теплообменники значительно повышают эффективность водонагревателя, хотя их недостаток заключается в необходимости использования дополнительной подсистемы. В стандартном корпусе водонагревателя отсутствует свободное пространство для размещения известных из уровня техники дополнительных теплообменников. Поскольку увеличение габаритов корпуса является нежелательным, упомянутые дополнительные теплообменники размещают снаружи корпуса водонагревателя, обычно в качестве дополнительной подсистемы.
В патентном документе EP2660530A1 описан водонагреватель, содержащий скрытый теплообменник, по отношению к которому, по меньшей мере, признаки отличительной части пункта 1 формулы изобретения являются новыми. Кроме того, в качестве других аналогов изобретения приняты во внимание патентные документы EP2565552A1, WO2009015435A1 и WO2015088343A1, NL8403385A, US2012090560A1 и US2010229804.
Задачей изобретения является создание водонагревателя описанного выше типа, в котором отмеченные выше недостатки отсутствуют или, по меньшей мере, проявляются в меньшей степени.
Поставленная задача решается в соответствии с изобретением с помощью водонагревателя согласно пункту 1 формулы изобретения.
Поскольку теплообменник, связанный с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, размещен во внутреннем пространстве корпуса, он использует преимущество тепловой изоляции, обеспечиваемой корпусом водонагревателя, в результате чего уменьшаются тепловые потери в зону, находящуюся снаружи корпуса водонагревателя, и, таким образом, эффективность теплообмена между теплообменными текучими средами в теплообменнике, связанном с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, увеличивается. Теплообменник, связанный с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания закрыт от обзора корпусом водонагревателя.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления теплообменник, связанный с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, размещен в указанной трубе выпуска газообразных продуктов сгорания, что обеспечивает некоторые определенные преимущества. Во-первых, теплообменник, связанный с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, в соответствии с этой конструкцией размещен во внутреннем пространстве компонента, уже образующего часть водонагревателя. Теплообменник при этом может быть расположен во внутреннем пространстве корпуса известного водонагревателя. То есть, для водонагревателя, оборудованного теплообменником в соответствии с изобретением, связанным с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, отсутствует необходимость выполнения корпуса больших размеров. Свободное внутреннее пространство корпуса известного водонагревателя может даже оставаться, по существу, без изменений. Во-вторых, горячие газообразные продукты сгорания могут протекать непосредственно вокруг внешней оболочки трубки контура теплообменника, связанного с трубой для выпуска газообразных продуктов сгорания, и в результате достигается эффективный теплообмен.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения теплообменник, связанный с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, содержит трубчатый контур, предназначенный для транспортирования через него нагреваемой текучей среды, которая образует вторую теплообменную текучую среду теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания. Второй теплообменной текучей средой теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, предпочтительно является вода. Количество необходимых сварных швов и/или разделительных соединений может быть ограничено за счет применения трубчатого контура. Такое решение является предпочтительным, поскольку газообразные продукты сгорания являются весьма коррозионными продуктами. Подходящим трубчатым контуром, который к тому же допускает некоторую свободу формы, является контур, образованный из гофрированной трубки. Предпочтительно используется гофрированная трубка из нержавеющей стали.
В соответствии с ещё одним предпочтительным воплощением трубка трубчатого контура теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, занимает, по существу, все внутреннее пространство трубы, при этом газообразные продукты сгорания могут проходить, по существу, полностью вокруг трубки. За счет этого может быть достигнут эффективный теплообмен.
Если в соответствии с другим предпочтительным вариантом осуществления изобретения трубка трубчатого контура теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, представляет собой, по существу, гибкую трубку, эта трубка может быть простым путем размещена внутри трубы выпуска газообразных продуктов сгорания с образованием необходимой траектории движения.
В соответствии с ещё одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения трубка теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, имеет гофрированную поверхность оболочки, что увеличивает контактную поверхность, через которую происходит передача теплоты.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления изобретения трубка теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, изготовлена из металла, предпочтительно из нержавеющей стали. Металлическая трубка является, с одной стороны, подходящей для высоких температур газообразных продуктов сгорания и, с другой стороны, обеспечивает эффективную передачу теплоты. Нержавеющая сталь является также подходящим материалом в случае использования водонагревателя для питьевой воды.
В соответствии с ещё одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения труба выпуска газообразных продуктов сгорания имеет, по существу, прямоугольную форму сечения, проходящего перпендикулярно направлению движения газообразных продуктов сгорания. Благодаря такому, по существу, прямоугольному сечению труба выпуска газообразных продуктов сгорания обеспечивает относительно высокую скорость в сочетании с ограниченной установочной толщиной. Установочная толщина трубы соответствует короткой стороне прямоугольной формы.
Согласно ещё одному предпочтительному варианту осуществления изобретения трубчатый контур теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, образует, по существу, плоскую панель. Такая конструкция теплообменника обусловлена, главным образом, простым желанием минимизировать тепловые потери в окружающую зону, чтобы сохранить как можно большее количество располагаемой теплоты для теплообмена между теплообменными текучими средами теплообменника. Если говорить о геометрической форме, то предпочтительным является выбор округлой или сферической формы, поскольку при такой геометрической форме поверхность, обращенная к окружающей зоне, относительно мала. Однако опыты неожиданно показали, что, по существу, плоская форма трубчатого контура теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, позволяет получить в особенности хорошие результаты в водонагревателе, соответствующем изобретению. Это можно частично объяснить тем, что теплообменник, который связан с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, размещен во внутреннем пространстве, образованном в корпусе, при этом теплообменник использует также преимущества изоляционных свойств корпуса водонагревателя, который предпочтительно снабжен теплоизоляционной оболочкой. Кроме того, необходимо вновь отметить достаточную скорость газообразных продуктов сгорания, обтекающих трубку трубчатого контура теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания.
В соответствии с ещё одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения трубчатый контур теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, содержит трубку, размещенную в трубе выпуска газообразных продуктов сгорания с образованием извилистой конструкции и содержащую, по меньшей мере, два участка трубки, проходящих через трубу выпуска газообразных продуктов сгорания в направлении движения продуктов сгорания. Количество необходимых изгибов трубки в трубчатом контуре может быть минимизировано путем размещения участков трубки в направлении движения газообразных продуктов сгорания через трубу для их выпуска, т.е. в продольном направлении упомянутой трубы выпуска газообразных продуктов сгорания. Это позволяет уменьшить сопротивление потоку в трубчатом контуре и, кроме того, упрощает его конструктивное выполнение по сравнению с воплощением, в котором используется много большее количество более коротких участков трубки, расположенных поперек направления движения продуктов сгорания. Поскольку газообразные продукты сгорания имеют, по существу, однородное распределение температуры, достигаются хорошие характеристики теплопередачи при использовании трубчатого контура с участками трубки, ориентированными в продольном направлении трубы выпуска газообразных продуктов сгорания.
В соответствии с ещё одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения труба выпуска газообразных продуктов сгорания снабжена перегородкой, проходящей в направлении движения продуктов сгорания, и трубчатый контур имеет, по существу, симметричную форму с каждой стороны этой перегородки. Указанная перегородка выполняет функцию ребра жесткости в трубе выпуска газообразных продуктов сгорания, и, исходя из соображений конструктивного характера, размещена, по существу, в центре трубы выпуска газообразных продуктов сгорания.
В соответствии с ещё одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения трубчатый контур теплообменника, связанного с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, ниже по ходу движения нагреваемой текучей среды, которая может быть транспортирована через этот контур, соединен с дополнительным трубчатым контура теплообменника, связанного с горелкой. Водопроводная вода, температура которой составляет, например, 10°С, может быть, таким образом, нагрета в теплообменнике, связанном с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания до температуры от 40 до 50°С за счет теплоты газообразных продуктов сгорания, которые сами могут иметь температуру от 60 до 70°С. Если потребитель установил желаемую температуру воды 60°С, которая является обычно устанавливаемой величиной температуры, обусловленной отчасти желанием предотвратить легионеллы, достаточно дополнительно нагреть воду в теплообменнике, связанном с горелкой, только на 10-20°С. Эффективность водонагревателя может быть значительно увеличена за счет использования газообразных продуктов сгорания горелки.
Трубчатый контур теплообменника, связанного с горелкой, заключен в теплопроводящий материал, который может быть нагрет, по меньшей мере, с помощью одной горелки. В соответствии с таким конструктивным выполнением указанная, по меньшей мере, одна горелка может быть использована для нагревания теплопроводящего материала теплообменника, связанного с горелкой, в то время как генерируемые газообразные продукты сгорания могут быть эффективно использованы в другом теплообменнике, связанном с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания.
Изобретение, кроме того, относится к трубе выпуска газообразных продуктов сгорания для водонагревателя, содержащей размещенный в ней раскрытый теплообменник.
Изобретение относится также к способу нагревания текучей среды, включающему в себя этапы, на которых:
предварительно нагревают текучую среду во внутреннем пространстве корпуса;
дополнительного нагревают предварительно нагретую текучую среду во внутреннем пространстве корпуса посредством, по меньшей мере, одной горелки;
при этом газообразные продукты сгорания от, по меньшей мере, одной горелки, отводятся посредством трубы выпуска газообразных продуктов сгорания; и
на этапе подогрева текучей среды во внутреннем пространстве корпуса используют теплообменник, связанный с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения в способе теплообменник, связанный с трубой выпуска газообразных продуктов сгорания, размещен в указанной трубе выпуска газообразных продуктов сгорания.
Согласно ещё одному предпочтительному осуществления изобретения в способе используют водонагреватель в соответствии с изобретением.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения более подробно пояснены в последующем описании со ссылками на чертежи.
На фиг. 1 показан водонагреватель в соответствии с изобретением, вид в перспективе;
на фиг. 2 - 5 - водонагреватель, представленный на фиг. 1, вид в перспективе со вскрытием внутренней части водонагревателя;
на фиг. 6 - труба выпуска газообразных продуктов сгорания и теплообменник в соответствии с изобретением, связанный с этой трубой, вид в перспективе со вскрытием внутренней части.
Водонагреватель 1, представленный на фиг. 1, содержит корпус 2 с передней стенкой (не показана), которая удалена для того, чтобы были видны компоненты водонагревателя 1, размещенные во внутреннем пространстве 4 корпуса 2. На фиг. 1 представлен как водонагреватель 1 известного уровня техники, так и водонагреватель 1 в соответствии с изобретением, и показан газовый блок 6, в котором осуществляется смешивание горючего газа и воздуха в предварительно заданном соотношении компонентов в смеси. Газообразная смесь всасывается вентилятором 10 и транспортируется из газового блока 6 посредством трубопровода 8 для смеси газов и вентилятора в горелку 12. Горелка 12 образует источник теплоты, размещенный в корпусе 2, при этом теплопроводящий материал, находящийся за передней панелью (экраном) 50 теплообменника 40, связанного с горелкой 12, нагревается. Водонагреватель 1 на верхней стороне снабжен выпускной трубой 28 для газообразных продуктов сгорания, которая соединена с выходным патрубком 26 трубы 22 выпуска газообразных продуктов сгорания, описанной далее.
На фиг. 2, где представлен вид внутренней части водонагревателя, теплопроводящий материал теплообменника 40, связанного с горелкой 12, не показан, так что виден только контур 42, заключенный в этом теплопроводящем материале. Трубчатый контур 42 теплообменника 40, связанного с горелкой 12, содержит трубопровод 44 с участками 46 и коленами 48 трубопровода. В показанном варианте большая часть участков 46 трубопровода трубчатого контура 42 теплообменника 40, связанного с горелкой 12, расположена перпендикулярно направлению движения газообразных продуктов сгорания горелки, отводимых через трубу 22 выпуска газообразных продуктов сгорания.
После того, как горелка 12, место размещения которой показано на фиг. 1, по истечении некоторого времени нагреет теплопроводящий материал, стенка трубопровода 44 также будет нагрета и, таким образом, будет нагревать транспортируемую через неё текучую среду, которая в водонагревателе 1 представляет собой воду. Газообразные продукты сгорания горелки 12 перемещаются здесь в сторону входного патрубка 24 трубы 22 для выпуска газообразных продуктов сгорания, т.е. ниже по ходу движения потока в направлении ориентации водонагревателя 1, показанного на фигурах.
Труба 22 выпуска газообразных продуктов сгорания транспортирует газообразные продукты сгорания от входного патрубка 24 до выходного патрубка 26 для газообразных продуктов сгорания, т.е. вверх в направлении ориентации водонагревателя 1, показанного на фигурах. В процессе охлаждения продуктов сгорания может происходить конденсация, и образовавшийся конденсат может отводиться через сливной патрубок 32 для сконденсированной воды.
Газообразные продукты сгорания перемещаются вниз по потоку от горелки 12 к входному патрубку 24 и затем вверх, вновь в направлении выходного патрубка 26 для газообразных продуктов сгорания.
В соответствии с изобретением теплообменник 54, связанный с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания, размещен в самой выпускной трубе 22. Поскольку теплообменник 40, связанный с горелкой 12, на фиг. 3 не показан, хорошо видна труба 22 выпуска газообразных продуктов сгорания. Теплообменник 54, связанный с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания, содержит трубчатый контур 56, расположенный во внутреннем пространстве трубы 22 выпуска газообразных продуктов сгорания так, как это будет более подробно описано со ссылками на фиг. 4 - 6.
Трубка 58 трубчатого контура 56 теплообменника 54, связанного с выпускной трубой 22 для газообразных продуктов сгорания, предпочтительно образована по существу гибкой трубкой 58. Трубка может быть изготовлена, например, из нержавеющей стали и предпочтительно имеет гофрированную поверхность оболочки. Гофры, с одной стороны, увеличивают контактную поверхность для теплообмена и, с другой стороны, способствуют гибкости трубки 58.
Трубка 58 трубчатого контура 56 соединена первым выходным концом с подающим трубопроводом 14 для холодной воды водонагревателя 1, и соединена противоположным выходным концом с трубчатым контуром 42 теплообменника 40, связанного с горелкой 12.
Поскольку трубка 58 трубчатого контура 56 нагревается внутри трубы 22 продуктами сгорания, температура которых может достигать 60 - 70°С, теплообмен происходит между газообразными продуктами сгорания горелки 12, образующими первую теплообменную текучую среду теплообменника 54, связанную с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания, и водой, транспортируемой через трубку 58, образующей вторую теплообменную текучую среду теплообменника 54, связанного с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания.
В результате проведения опытов было установлено, что водопроводная вода, обычно имеющая исходную температуру приблизительно 10°С, может быть нагрета до температуры в пределах от 40 до 50°С в теплообменнике 54, связанном с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания. Если потребитель установил желаемую температуру воды, например, 60°С, то при достигнутой температуре (40-50°С) достаточно, чтобы теплообменник 40, связанный с горелкой 12, нагревал уже подогретую воду дополнительно на 10-20°С. После достижения желаемой температуры вода может быть направлена через выходной трубопровод 16 для горячей воды потребителю (не показано).
Как показано на фиг. 5 и фиг. 6, трубчатый контур 56 размещен во внутреннем пространстве трубы 22 выпуска газообразных продуктов сгорания с образованием извилистой конфигурации так, что между трубкой 58 и газообразными продуктами сгорания, генерируемыми горелкой 12, образуется большая контактная поверхность для передачи теплоты. Трубчатый контур 56 содержит ряд трубчатых участков 60, проходящих через трубу 22 выпуска газообразных продуктов сгорания в направлении движения указанных продуктов сгорания, т.е. в направлении высоты водонагревателя 1, показанного на фигурах. При размещении трубчатых участков 60 в продольном направлении трубы 22 выпуска газообразных продуктов сгорания достаточным является ограниченное количество колен 62 трубы. Это позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление трубки 58, и, кроме того, использование более ограниченного количества колен 62 трубки предпочтительно с точки зрения упрощения конструкции и изготовления теплообменника 54, связанного с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания.
Труба 22 выпуска газообразных продуктов сгорания имеет, по существу, прямоугольное сечение поперек направления движения продуктов сгорания, генерируемых горелкой 12, и трубчатый контур 56 теплообменника 54, связанного с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания, образует, по существу, плоскую панель внутри трубы 22 прямоугольного сечения. В показанном варианте различные участки 60 трубки трубчатого контура 56 расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, т.е., по существу, при отсутствии контакта, и поэтому газообразные продукты сгорания, выходящие из горелки 12, могут полностью обтекать снаружи трубку 58.
На фиг. 6 показано, что труба 22 выпуска газообразных продуктов сгорания снабжена перегородкой 30, проходящей в направлении движения продуктов сгорания, выходящих из горелки 12, и выполняющей функцию ребра жесткости. В показанном варианте трубчатый контур 56 имеет, по существу, симметричную форму с каждой стороны перегородки 30, при этом перегородку 30 можно считать плоскостью симметрии.
На нижней стороне трубы 22 выпуска газообразных продуктов сгорания имеются отверстие 34 для входа трубки и отверстие 36 для выхода трубки, через которые трубка 58 может быть введена во внутреннее пространство трубы 22 выпуска газообразных продуктов сгорания и выведена из внутреннего пространства соответственно.
Водонагреватель 1 в соответствии с изобретением содержит теплообменник 54, который связан с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания и может быть размещен в корпусе 2 стандартного размера водонагревателя 1, при этом теплообменник 54 почти не занимает никакого дополнительного пространства в этом внутреннем пространстве 4 корпуса 2, поскольку размещен в трубе 22 выпуска газообразных продуктов сгорания. Поскольку теплообменник 54, который связан с трубой 22 выпуска газообразных продуктов сгорания, размещен во внутреннем пространстве 4 корпуса 2 водонагревателя 1, этот теплообменник 54 может использовать преимущество тепловой изоляции, создаваемой корпусом 2 водонагревателя. Если комбинированный водонагреватель задействован в системе центрального отопления (ЦО) во время её функционирования, в нем генерируются газообразные продукты сгорания с температурой от 40 до 50°С. Труба 22 выпуска газообразных продуктов сгорания, которая используется в любом случае, связана с теплообменником, и упомянутые продукты сгорания могут быть использованы для подогрева неподвижного объема водопроводной воды. Вместо выпуска газообразных продуктов сгорания, из них извлекается теплота для осуществления другой функции комбинированного водонагревателя: снабжение потребителей нагретой водопроводной водой.
Эффективность работы водонагревателя 1 повышается за счет использования дополнительного теплообменника 54, помимо теплообменника 40. Если производительность и условия применения дополнительного теплообменника 54 остаются прежними, достаточным является основной теплообменник 40 с немного меньшей производительностью. В результате теплообменник 40 может быть выполнен более компактным. Большая компактность позволяет сэкономить используемый материал, и теплообменник, таким образом, имеет меньший вес и меньшую стоимость изготовления.
Хотя в описании раскрыто предпочтительный вариант осуществления изобретения, вышеприведенный вариант осуществления является лишь наглядным пояснением изобретения и никаким образом не ограничивает описание изобретения.
Ссылочные номера позиций, проставленные в пунктах формулы изобретения после указания определенных компонентов устройства, служат лишь для лучшего понимания, и никаким образом не для ограничения объема правовой защиты. Указанные права определяются формулой изобретения, в пределах объема которой может быть осуществлено множество модификаций.