Трубчатый теплообменник
Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано при изготовлении теплообменников, работающих при повышенных давлениях теплоносителя. Теплообменник по изобретению содержит внешний кожух, через который вводится и выпускается теплоноситель, камеру сгорания, которая связана с внутренней частью внешнего кожуха таким образом, что между камерой сгорания и внешним кожухом образуется канал теплоносителя, и конфигурация которой обеспечивает осуществление горения горелки, плоские трубы с размещенными внутри них турбулизаторами. Технический результат - повышение эффективности теплообмена и предотвращение деформации и повреждения теплообменника даже в среде с высоким давлением воды. 17 з.п. ф-лы, 17 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к трубчатому теплообменнику, а конкретнее к трубчатому теплообменнику, конфигурация которого обеспечивает повышение эффективности теплообмена и предотвращение его деформации и повреждения даже в среде с высоким давлением воды.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В общем случае, нагреватель включает в себя теплообменник, в котором теплообмен между газом сгорания и теплоносителем осуществляется за счет сгорания топлива для проведения нагрева или подачи горячей воды с помощью нагретого теплоносителя.
Среди теплообменников, трубчатый теплообменник включает в себя множество труб, в которых протекает газ сгорания, образующийся за счет горения горелки, и имеет конструкцию, в которой теплообмен между газом сгорания и теплоносителем осуществляется снаружи труб за счет протекания теплоносителя.
В качестве известного технического решения, относящегося к вышеописанному трубчатому теплообменнику, на фиг.1 и 2 иллюстрируется теплообменник, раскрытый в выложенном европейском патенте № EP 2508834, а на фиг.3 и 4 иллюстрируется теплообменник, раскрытый в выложенном европейском патенте № EP 2437022.
В случае теплообменника, показанного на фиг.1 и 2, внешний кожух имеет коническую форму в направлении вниз на основе верхней крышки 10 и включает в себя камеру 4 сгорания, верхнюю пластину 2, множество дымогарных труб под верхней пластиной и нижнюю пластину 3 под находящимися в нем дымогарными трубами. Между верхней пластиной 2 и нижней пластиной 3 установлены перегородки 5, 6, и 7 трех видов, а верхней перегородке 5 придана коническая форма под углом, который больше 90° и меньше 180°, и эта перегородка имеет в своем центре проем. Средней перегородке 6 придана плоская форма, имеющая диаметр, меньший, чем диаметр внешней трубы или аналогичный ему, а нижняя перегородка 7 имеет конструкцию, имеющую диаметр, аналогичный диаметру трубы, и эта перегородка имеет в своем центре проем. Эта перегородка дополнительно включает в себя равномерно распределенные отверстия, которые имеют структуру расположения, соответствующую количеству одиночных окружностей или концентрических окружностей.
Газ сгорания, образующийся за счет горения горелки, контактирующей с верхней крышкой 10, подвергаются первичному теплообмену в камере 4 сгорания, а явное тепло и скрытое тепло газа сгорания передаются текучей среде в теплообменнике посредством множества дымогарных труб. Текучая среда вводится в теплообменник через отверстие 11 для ввода текучей среды и вытекает за диаметр средней перегородки 6 через центральный проем нижней перегородки 7, а потом течет к центральному проему верхней перегородки 5, выходя в отверстие 12 для выпуска текучей среды.
Теплообменник, показанный на фиг.3 и 4, имеет конструкцию, аналогичную конструкции, показанной на фиг.1 и 2, но при этом имеет конструкцию, в которой каждой из верхней пластины 2 и нижней пластины 3 придана коническая форма.
Каждая из дымогарных труб, которым придана плоская форма, имеющая участок нанесенного на нее выступающего рельефа, которая применена для обычного теплообменника, показанного на фиг.1-4, применима к котлу низкого давления, но неприменима к устройствам, используемым в среде высокого давления, таким, как водонагреватель, промышленные изделия и котел высокой паропроизводительности, из-за высокой вероятности деформации и повреждения дымогарных труб. Поэтому приходится увеличивать толщину наносимого материала, в соответствии с чем затраты на материал резко возрастают.
Далее, поскольку верхняя часть каждой из дымогарных труб, представляющая собой канал, по которому протекает высокотемпературный газ сгорания, имеющий большой объем на единицу массы, и нижняя часть каждой из дымогарных труб, через которую протекает газ сгорания, имеющий низкую температуру после теплообмена, имеет такую же конструкцию дымогарных труб, когда применяемое количество участков выступающего рельефа увеличивают, чтобы повысить эффективность теплообмена, сопротивление потоку в верхней части каждой из дымогарных труб значительно увеличивается, а когда применяемое количество участков выступающего рельефа уменьшают, чтобы справиться со значительно увеличивающимся сопротивлением потоку, описанным выше, эффективность теплообмена посредством части, обеспечивающей скрытое тепло, из-за которой возникает эффект конденсации, резко уменьшается.
При осуществлении способа увеличения количества участков выступающего рельефа в части, обеспечивающей скрытое тепло, невозможно изготовить их в количестве, которое больше заранее определенного количества или равно ему, из-за формы и размеров каждого участка выступающего рельефа, а процесс изготовления усложняется и издержки изготовления увеличиваются даже тогда, когда применяют упомянутый способ.
В случае внутренней перегородки, упомянутые формы трех видов являются разными из-за конической внешней трубы, и поэтому количество компонентов увеличивается, а в частности, из-за придания конической формы верхней перегородке, увеличиваются затраты на обработку и усложняется процесс сборки теплообменника.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая задача
Данное изобретение направлено на разработку трубчатого теплообменника, выполненного с возможностью повышения эффективности теплообмена и предотвращения деформации и повреждения теплообменника даже в среде с высоким давлением воды.
Техническое решение
В данном изобретении предложен трубчатый теплообменник (100), включающий в себя внешний кожух (110), через который вводится и выпускается теплоноситель; камеру (120) сгорания, которая связана с внутренней частью внешнего кожуха (110) таким образом, что между камерой (120) сгорания и внешним кожухом (110) образуется канал теплоносителя, и конфигурация которой обеспечивает осуществление горения горелки; множество труб (140), которым придана плоская форма, чтобы позволить газу сгорания, образующемуся в камере (120) сгорания, протекать по внутренней части камеры (120) сгорания и обмениваться теплом с теплоносителем; и турбулизатор (150), связанный с внутренней частью труб (140), чтобы инициировать образование турбулентности в потоке газа сгорания.
Множество труб (140) можно установить в вертикальном направлении таким образом, что газ сгорания, образующийся в камере (120) сгорания, смогут течь в направлении вниз, и можно разнести в окружном направлении и расположить радиально.
Кроме того, множество труб (140) можно дополнительно в центре среди множества труб (140), которые расположены радиально.
Во внешнем кожухе (110) можно предусмотреть многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180), конфигурация которых обеспечивает направление потока теплоносителя и которые отстоят друг от друга по вертикали таким образом, что направление протекания теплоносителя можно чередовать между протеканием внутри и снаружи периферии.
Множество труб (140) могут быть вставлены в многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180) для придания опоры.
Многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180) могут включать в себя верхнюю перегородку (160), среднюю перегородку (170) и нижнюю перегородку (180), каждая из которых имеет форму пластины, причем каждая из верхней перегородки (160) и нижней перегородки (180) может иметь проем для протекания теплоносителя в ее центре и краевой участок, предусмотренный находящимся в контакте с внутренней боковой поверхностью внешнего кожуха (110), а средней перегородке (170) можно придать форму, центр которой блокирован, и она может иметь краевой участок, предусмотренный отстоящим от внутренней боковой поверхности внешнего кожуха (110) таким образом, что теплоноситель сможет течь между ними.
Верхняя трубная решетка (130), в которую могут быть вставлены верхние концевые участки множества труб (140), сочленена с нижним концом камеры (120) сгорания, а нижняя трубная решетка (190), в которую могут быть вставлены нижние концевые участки множества труб (140), сочленена с нижним концом внешнего кожуха (110).
Турбулизатор (150) может включать в себя плоскую часть (151), конфигурация которой обеспечивает разделение внутреннего пространства трубы (140) на два участка и которая располагается в продольном направлении трубы (140), и множество первых направляющих участков (152) и вторых направляющих участков (153), отстоящих от обеих боковых поверхностей плоской части (151) вдоль продольного направления и сформированных выступающими под наклоном в чередующемся порядке.
Турбулизатор (150) может включать в себя верхний турбулизатор (150a), предусмотренный на стороне, в которую вводят газ сгорания, и нижний турбулизатор (150b), предусмотренный на стороне, с которой выпускают газ сгорания, а интервал (L2), в котором множество первых направляющих участков (152) и множество вторых направляющих участков (153), сформированных в нижнем турбулизаторе (150b), отстоят друг от друга по вертикали, может находиться в относительно более плотном интервале, чем интервал (L1), в котором множество первых направляющих участков (152) и множество вторых направляющих участков (153), сформированных в верхнем турбулизаторе (150a), отстоят друг от друга по вертикали.
Первый направляющий участок (152) может быть расположен на одной боковой поверхности плоской части (151) под наклоном к одной стороне, второй направляющий участок (153) может быть расположен на другой боковой поверхности плоской части (151) под наклоном к другой стороне, а каждый из теплоносителей, вводимых на первый направляющий участок (152) и второй направляющий участок (153), можно последовательно передавать на второй направляющий участок (153) и первый направляющий участок (152), расположенные рядом с противоположной стороной плоской части (151), для протекания в чередующемся порядке через оба пространства плоской части (151).
Предназначенный для введения теплоносителя конец первого направляющего участка (152) может быть соединен с одной концевой стороной плоской части (151) посредством первого соединительного участка (152a), и первый порт (152b) сообщения, в котором сообщение по текучей среде осуществляется через оба пространства плоской части (151), может быть предусмотрен между одной концевой стороной плоской части (151), первым соединительным участком (152a), и первым направляющим участком (152), а предназначенный для введения теплоносителя конец второго направляющего участка (153) может быть соединен с другой концевой стороной плоской части (151) посредством второго соединительного участка (153a), и второй порт (153b) сообщения, в котором сообщение по текучей среде осуществляется через оба пространства плоской части (151), может быть предусмотрен между другой концевой стороной плоской части (151), вторым соединительным участком (153a) и вторым направляющим участком (153).
Первый направляющий участок (152) и второй направляющий участок (153) могут включать в себя части, принадлежащие плоской части (151), подрезанные для изгиба в обе стороны плоской части (151), а сообщение по текучей среде можно осуществлять через оба пространства плоской части (151) - через подрезанную часть каждого из первого направляющего участка (152) и второго направляющего участка (153).
Турбулизатор (150) может включать в себя верхний турбулизатор (150a), предусмотренный на стороне, в которую вводят газ сгорания, и нижний турбулизатор (150b), предусмотренный на стороне, с которой выпускают газ сгорания, а площадь канала между нижним турбулизатором (150b) и внутренней боковой поверхностью трубы (140) можно сформировать меньшей, чем площадь канала между верхним турбулизатором (150a) и внутренней боковой поверхностью трубы (140).
Нижний турбулизатор (150b) можно сформировать имеющим занимаемую площадь в трубе (140), большую, чем площадь, занимаемая верхним турбулизатором (150a).
На внутренней боковой поверхности трубы (140), находящейся на стороне, с которой выпускают газ сгорания, можно сформировать множество выступов (141).
В трубе (140) можно дополнительно предусмотреть поддерживающий элемент (142), конфигурация которого обеспечивает поддержание давления воды.
Поддерживающий элемент (142) может включать в себя несущую часть, оба конца которой крепятся к внутренней боковой поверхности трубы (140).
Поддерживающий элемент (142) может включать в себя участок выступающего рельефа, формированный на каждой из обеих соответствующих боковых поверхностей трубы (140), чтобы выступать вовнутрь трубы (140).
Внешнему кожуху (110) можно придать цилиндрическую форму.
Полезные эффекты
Поскольку в трубчатом теплообменнике, соответствующем данному изобретению, турбулизатор и поддерживающий элемент предусмотрены в трубе, и поэтому эффективность теплообмена можно повысить, а деформацию и повреждение трубы можно предотвратить даже в среде с высоким давлением воды, вышеупомянутый трубчатый теплообменник применим к аппаратам для сгорания, предназначенным для разных приложений, помимо котла или водонагревателя.
Кроме того, поскольку площадь канала газа сгорания между турбулизатором, предусмотренным в части, обеспечивающей скрытое тепло, и трубой, предусмотрена имеющей площадь, меньшую, чем площадь канала газа сгорания между турбулизатором, предусмотренным в части, обеспечивающей обмен явным теплом, и трубой, и поэтому сопротивление потоку газа сгорания снижается в части, обеспечивающей скрытое тепло, в которую вводят газ сгорания, а эффективность рекуперации скрытого тепла в части, обеспечивающей скрытое тепло, повышается, эффективность теплообмена можно повысить.
Кроме того, поскольку часть, обеспечивающая обмен явным теплом, и часть, обеспечивающая обмен скрытым теплом, выполнены в виде сборной конструкции, конструкцию теплообменника можно упростить и сварку деталей между компонентами можно сократить, а поскольку трубе придана плоская форма, можно воплотить предельно уменьшенный высокоэффективный теплообменник.
Кроме того, поскольку направление протекания теплоносителя изменяется за счет размещения многоступенчатых перегородок в канале теплоносителя, можно удлинить проточный канал теплоносителя и можно повысить эффективность теплообмена, а поскольку скорость течения теплоносителя увеличивается, частичный перегрев, вызываемый, когда теплоноситель скапливается, можно предотвратить генерирование шума кипения и понижение теплового кпд, вызываемые, когда инородные вещества, заключенные в теплоносителе, затвердевают и осаждаются из-за частичного перегрева.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлено перспективное изображение в сечении, иллюстрирующее вариант осуществления обычного трубчатого теплообменника.
На фиг.2 представлен вид в сечении согласно фиг.1.
На фиг.3 представлено перспективное изображение в сечении, иллюстрирующее еще один вариант осуществления обычного трубчатого теплообменника.
На фиг.4 представлен вид в сечении согласно фиг.3.
На фиг.5 представлено перспективное изображение снаружи трубчатого теплообменника, соответствующего данному изобретению.
На фиг.6 и 7 представлены перспективные изображения в разобранном виде трубчатого теплообменника, соответствующего данному изобретению.
На фиг.8 представлен вид в плане согласно фиг.5.
На фиг.9 представлено перспективное изображение в сечении, проведенном по линии A-A согласно фиг.8.
На фиг.10 представлен вид в сечении, проведенном по линии A-A согласно фиг.8.
На фиг.11А представлен вид спереди турбулизатора.
На фиг.11B представлено перспективное изображение, иллюстрирующее поток газа сгорания.
На фиг.12 представлен вид в сечении, иллюстрирующий форму трубы в порте выпуска газа сгорания.
На фиг.13A, фиг.13B, фиг.13C и фиг.13D представлены виды в сечениях, иллюстрирующие различные варианты осуществления несущей конструкции труб.
Позиции чертежей
100: теплообменник
100a: часть, обеспечивающая обмен явным теплом,
100b: часть, обеспечивающая обмен скрытым теплом,
110: внешний кожух
111: порт для впуска теплоносителя
112: порт для выпуска теплоносителя
120: камера сгорания
121: корпус камеры сгорания
122: фланцевая часть
130: верхняя трубная решетка
131, 132: порты для вставления труб
140: труба
141: выступ
142: поддерживающий элемент
150: турбулизатор
150a: верхний турбулизатор
150b: нижний турбулизатор
151: плоская часть
152: первый направляющий участок
152a: первый соединительный участок
152b: первый порт сообщения
153: второй направляющий участок
153a: второй соединительный участок
153b: второй порт сообщения
154, 155: сварные детали
160: верхняя перегородка
161: порт для вставления трубы
162: проем
170: средняя перегородка
171, 172: порты для вставления труб
180: нижняя перегородка
181: порт для вставления трубы
182: проем
190: нижняя трубная решетка
191, 192: порты для вставления труб
СПОСОБЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Ниже, со ссылками на прилагаемые чертежи, будут подробно описаны конфигурация и действие предпочтительного варианта осуществления данного изобретения.
Обращаясь к фиг.5-10, отмечаем, что трубчатый теплообменник 100, соответствующий данному изобретению, включает в себя внешний кожух 110, через который вводят и выпускают теплоноситель, камеру 120 сгорания, которая соединена с внутренней частью внешнего кожуха 110 таким образом, что между камерой 120 сгорания и внешним кожухом 110 образуется канал теплоносителя, и конфигурация которой обеспечивает осуществление горения горелки; множество труб 140, которым придана плоская форма, чтобы позволить газу сгорания, образующемуся в камере 120 сгорания, протекать по внутренней части камеры 120 сгорания и обмениваться теплом с теплоносителем, и турбулизатор 150, связанный с внутренней частью труб 140 для инициирования образования турбулентности в потоке газа сгорания.
Кроме того, с нижним концом камеры 120 сгорания сочленена верхняя трубная решетка 130, в которую вставлены верхние концевые участки множества труб 140, на внешней боковой поверхности трубы 140 предусмотрены многоступенчатые перегородки 160, 170 и 180, конфигурация которых обеспечивает направление потока теплоносителя, простирающиеся вертикально и разнесенные друг от друга таким образом, что направление протекания теплоносителя можно чередовать между протеканием внутри и снаружи периферии, а с нижним концом внешнего кожуха 110 сочленена нижняя трубная решетка 190, в которую вставлены нижние концевые участки множества труб 140.
Множество труб 140 можно установить в вертикальном направлении таким образом, что газ сгорания, образующийся в камере (120) сгорания, смог течь в направлении вниз, и можно разнести эти трубы в окружном направлении и расположить радиально, а кроме того, множество труб 140 можно расположить в центре среди множества труб 140, которые расположены радиально.
Внешнему кожуху 110 можно придать цилиндрическую форму, верхняя часть и нижняя часть которой открыты, при этом порт 111 для впуска теплоносителя соединен с одной стороной нижней части внешнего кожуха 110, а порт 112 для выпуска теплоносителя соединен с одной стороной верхней части внешнего кожуха 110. Поскольку внешнему кожуху 110 придана цилиндрическая форма, можно повысить рабочую характеристику стойкости к давлению.
Камера 120 сгорания включает в себя цилиндрический корпус 121 камеры сгорания, верхняя часть и нижняя часть которой открыты, а на верхнем конце корпуса 121 камеры сгорания сформирована фланцевая часть 122, посаженная на верхнем конце внешнего кожуха 110. Поскольку корпус 121 камеры сгорания расположен так, что отстоит от внутренней боковой поверхности внешнего кожуха 110 вовнутрь, a между корпусом 121 камеры сгорания и внешним кожухом 110 обеспечивается пространство S4, имеющее структуру трубы, через которую обеспечивается течение теплоносителя.
Обращаясь к фиг.7, отмечаем, что верхняя трубная решетка 130 уплотняет нижнюю часть камеры 120 сгорания и имеет множество портов 131 и 132 для вставления труб, с которыми посредством вставления сочленены верхние концевые участки множества труб 140.
Во внешнем кожухе (110) можно предусмотреть многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180), конфигурация которых обеспечивает направление потока теплоносителя и которые отстоят друг от друга по вертикали таким образом, что направление протекания теплоносителя можно чередовать между протеканием внутри и снаружи периферии.
Множество труб (140) могут быть вставлены в многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180) для придания опоры.
Многоступенчатые перегородки 160, 170 и 180 отстоят друг от друга по вертикали, будучи сочлененными с внешней поверхностью трубы 140 для изменения канала теплоносителя и придания опоры трубам 140.
Многоступенчатые перегородки 160, 170 и 180 могут включать в себя верхнюю перегородку 160, среднюю перегородку 170 и нижнюю перегородку 180, каждая из которых имеет форму пластины.
В верхней перегородке 160 радиально выполнен порт 161 для вставления трубы, в центре верхней перегородки 160 сформирован проем 162, через который проходит труба 140 для протекания теплоносителя, а краевой участок верхней перегородки 160 предусмотрен вводимым в контакт с внутренней боковой поверхностью внешнего кожуха 110.
В средней перегородке 170 сформировано множество портов 171 и 172 для вставления труб и подлежащая блокировке площадь, на которой порты 171 и 172 для вставления труб не сформированы, а краевой участок средней перегородки 170 отстоит от внутренней боковой поверхности внешнего кожуха 110, чтобы иметь проточный канал теплоносителя в пространстве G между ними.
Поскольку нижняя перегородка 180 имеет такую же конструкцию, как верхняя перегородка 160, в нижней перегородке 180 радиально выполнен порт 181 для вставления трубы, в центре нижней перегородки 180 сформирован проем 182, через который проходит труба 140 для протекания теплоносителя, а краевой участок нижней перегородки 180 предусмотрен вводимым в контакт с внутренней боковой поверхностью внешнего кожуха 110.
Нижняя трубная решетка 190 уплотняет нижнюю часть внешнего кожуха 110 и имеет множество портов 191 и 192 для вставления труб, в которые вставлены нижние концевые участки множества труб 140.
Обращаясь к фиг.9 и 10, отмечаем, что трубчатый теплообменник 100 согласно данному изобретению включает в себя объединенные часть 100а, обеспечивающую обмен явным теплом, в которой теплообмен осуществляется между явным теплом сгорания, образующимся в камере 120 сгорания, и теплоносителем, и часть 100b, обеспечивающую скрытое тепло, в которой теплообмен осуществляется между скрытым теплом газа сгорания, который проходит через часть 100a, обеспечивающую обмен явным теплом, и теплоносителем.
Газ сгорания, образующийся в камере 120 сгорания протекают в направлении вниз вдоль внутреннего пространства трубы 140.
Как показано стрелкой на фиг.10, теплоноситель, вводимый в первое пространство S1 во внешнем кожухе 110 через порт 111 для впуска теплоносителя, проходит через проем 182, сформированный в нижней перегородке 180, протекая к центру второго пространства S2, которое предусмотрено по проему 182, через пространство среди множества труб 140. Теплоноситель, который вытекает наружу во второе пространство S2, проходит через пространство G между средней перегородкой 170 и внешним кожухом 110, протекая в третье пространство S3, которое предусмотрено в упомянутом кожухе. Теплоноситель, который втекает в третье пространство S3, выпускается через порт 112 для выпуска теплоносителя посредством четвертого пространства S4, предусмотренного между корпусом 121 камеры сгорания и внешним кожухом 110, после прохождения через проем 162, сформированный в центре верхней перегородки 160.
Как описано выше, поскольку направление протекания теплоносителя внутрь и наружу изменяется в чередующемся порядке в радиальном направлении, проточный канал теплоносителя можно удлинить и эффективность теплообмена можно повысить, а поскольку скорость протекания теплоносителя увеличивается, можно предотвратить ситуацию кипения, возникающую из-за частичного перегрева, которая может быть вызвана, когда теплоноситель скапливается.
Ниже будет приведено описание конфигурации и действия турбулизатора 150 со ссылками на фиг.11.
Турбулизатор 150 может включать в себя плоскую часть 151, конфигурация которой обеспечивает разделение внутреннего пространства трубы 140 на два участка, и расположен в продольном направлении трубы 140, а также первый направляющий участок (152) и второй направляющий участок 153, отстоящие от обеих боковых поверхностей плоской части 151 вдоль продольного направления и сформированных выступающими под наклоном в чередующемся порядке.
На одной боковой поверхности плоской части 151 под наклоном к одной стороне расположен первый направляющий участок 152, а на другой боковой поверхности плоской части 151 под наклоном к другой стороне расположен второй направляющий участок 153. Соответственно, каждый из теплоносителей, вводимых на первый направляющий участок 152 и второй направляющий участок 153, последовательно передаются на второй направляющий участок 153 и первый направляющих участок 152, расположенные рядом с противоположной стороной плоской части 151, для протекания в чередующемся порядке через оба пространства плоской части 151.
Предназначенный для введения теплоносителя конец первого направляющего участка 152 соединен с одной концевой стороной плоской части 151 через первый соединительный участок 152a, а первый порт 152b сообщения, в котором сообщение по текучей среде осуществляется через оба пространства плоской части 151, предусмотрен между упомянутой одной концевой стороной плоской части 151, первым соединительным участком 152a и первым направляющим участком 152.
Предназначенный для введения теплоносителя конец второго направляющего участка 153 соединен с другой концевой стороной плоской части 151 через второй соединительный участок 153a, и второй порт сообщения 153b, в котором сообщение по текучей среде осуществляется через оба пространства плоской части 151, предусмотренных между другой концевой стороной плоской части 151, вторым соединительным участком 153a и вторым направляющий участок 153.
Первый направляющий участок 152 и второй направляющий участок 153 могут включать в себя части, принадлежащие плоской части 151, подрезанные для изгиба в обе стороны плоской части 151, а сообщение по текучей среде можно осуществлять через оба пространства плоской части 151 через подрезанную часть плоской части.
Кроме того, можно сформировать сварные детали 154 и 155 выступающими из плоской части 151 для введения в контакт с внутренней боковой поверхностью трубы 140, и поэтому возможна конфигурация сварных деталей 154 и 155 и внутренней боковой поверхностью трубы 140, обеспечивающая сочленение их друг с другом посредством сварки. Соответственно, количество и площади сварных деталей между турбулизатором 150 и трубой 140 можно сократить.
В соответствии с конфигурацией вышеописанного турбулизатора 150, как показано стрелкой на фиг.11B, поскольку направление протекания газа сгорания непрерывно изменяется от одной стороны к другой стороне во внутреннем пространстве трубы 140 посредством первого направляющего участка 152 и второго направляющего участка 153, и поэтому турбулентное течение ускоряется, можно повысить эффективность теплообмена между газом сгорания и теплоносителем.
Кстати, температура сгорания постепенно уменьшается из-за теплообмена между газом сгорания и теплоносителем в процессе, в котором газ сгорания последовательно проходят через часть 100a, обеспечивающую обмен явным теплом, и часть 100b, обеспечивающая обмен скрытым теплом. Соответственно, температура газа сгорания увеличивается, и поэтому объем газа сгорания увеличивается в части 100a, обеспечивающей обмен явным теплом, в которую вводятся газ сгорания, и температура газа сгорания уменьшается, и поэтому объем газа сгорания уменьшается в части 100b, обеспечивающей обмен скрытым теплом, из которой выпускаются газообразные продукты.
Соответственно, чтобы повысить эффективность теплообмена, предпочтительно снижать сопротивление потоку газа сгорания за счет формирования большой площади канала газа сгорания, которые проходит через часть 100a, обеспечивающую обмен явным теплом, и формирования относительно малой площади канала газа сгорания в части 100b, обеспечивающей обмен скрытым теплом.
С этой целью, турбулизатор 150 как единое целое включает в себя верхний турбулизатор 150a, предусмотренный на стороне, в которую вводят газ сгорания, и нижний турбулизатор 150b, предусмотренный на стороне, с которой выпускают газ сгорания, и этот нижний турбулизатор 150b можно сформировать имеющим занимаемую площадь в трубе 140, которая больше площади, занимаемой верхним турбулизатором 150a, так что площадь канала между нижним турбулизатором 150b и внутренней боковой поверхностью трубы 140 можно сформировать меньшей, чем площадь канала между верхним турбулизатором 150a и внутренней боковой поверхностью трубы 140.
В качестве варианта осуществления, как показано на фиг.11, интервал L2, в котором множество первых направляющих участков 152 и множество вторых направляющих участков 153, сформированных в нижнем турбулизаторе 150b, отстоят друг от друга по вертикали, может находиться в относительно более плотном интервале, чем интервал L1, в котором множество первых направляющих участков 152 и множество вторых направляющих участков 153, сформированных в верхнем турбулизаторе 150a, отстоят друг от друга по вертикали.
В этом случае, в интервале, в котором множество первых направляющих участков 152 и множество вторых направляющих участков 153, сформированных в турбулизаторе 150, отстоят друг от друга по вертикали, интервал, который оказывается отстоящим дальше от стороны, куда вводят газ сгорания, к стороне, с которой выпускают газ сгорания, можно сформировать постепенно сужающимся.
В еще одном варианте осуществления, как показано на фиг.12, на внутренней боковой поверхностью трубы 140, находящейся на стороне, с которой выпускают газ сгорания, может быть сформировано множество выступов 141, чтобы уменьшить площадь канала на стороне, с которой выпускают газ сгорания.
Обращаясь к фиг.13, отмечаем, что в трубе 140 можно дополнительно предусмотреть поддерживающий элемент 142 (142a, 142b и 142c), конфигурация которого позволяет поддержать давление воды теплоносителя.
Поддерживающий элемент 142 может включать в себя прямую несущую часть 142a, имеющую оба конца, прикрепленные к внутренней боковой поверхности трубы 140, как показано на фиг.13A, и несущую часть 142b, имеющую оба конца, загнутые для крепления к внутренней боковой поверхности трубы 140, показано на фиг.13B и 13C.
В случае конструкции, показанной на фиг.13A и 13B, одни концевые стороны несущих частей 142a и 142b приварены к основному материалу, на котором труба 140 сформирована при изготовлении трубы 140, причем оба концевых участка основного материала приварены к другим концевым сторонам несущих частей 142a и 142b после прокатки и обработки основного материала с приданием ему формы трубы 140, а турбулизатор 150 сочленен с каждой из обеих сторон несущих частей 142a и 142b посредством вставления.
В случае конструкции, показанной на фиг.13C, несущую часть 142b и турбулизатор 150 можно сочленить при изготовлении трубы 140, в затем сочлененную массу несущей части 142b и турбулизатора 150 можно запрессовать в трубе 140 с целью сочленения с ней.
В еще одном варианте осуществления, как показано на фиг.13D, поддерживающий элемент 142 может включать в себя участок 142c выступающего рельефа, сформированный выступающим вовнутрь трубы 140 на каждой из обеих соответствующих боковых поверхностей трубы 140. В соответствии с вышеупомянутой конфигурацией, когда к наружной поверхности трубы 140 прикладывают давление воды, участок 145 выступающего рельефа, сформированный в соответствующем месте, может находиться в контакте с трубой 140, чтобы предотвратить деформацию трубы 140.
Как описано выше, поскольку поддерживающий элемент 142 соединен с внутренней поверхностью трубы 140, деформацию трубы 140 можно предотвратить даже тогда, когда давление воды теплоносителя трубы 140, жестко прикладывается к внешней поверхности трубы 140. Соответственно, труба 140, соединеная с поддерживающий элемент 142, применима к аппаратам для сгорания, предназначенным для разных приложений, помимо котла или водонагревателя.
Как описано выше, данное изобретение не ограничивается вышеописанными конкретными вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники поймут, что в рамках существа притязаний данного изобретения, заявляемых в формуле изобретения и ее эквивалентах, в него можно вносить изменения, и эти изменения охватываются объемом притязаний данного изобретения.
1. Трубчатый теплообменник, содержащий:
внешний кожух (110), через который вводится и выпускается теплоноситель;
камеру (120) сгорания, которая соединена с внутренней частью внешнего кожуха (110) таким образом, что между камерой (120) сгорания и внешним кожухом (110) образуется канал теплоносителя, и которая выполнена с возможностью осуществление горения горелки;
множество труб (140), которые имеют плоскую форму, чтобы позволить газу сгорания, образующемуся в камере (120) сгорания, протекать по внутренней части камеры (120) сгорания и обмениваться теплом с теплоносителем; и
турбулизатор (150), соединенный с внутренней частью труб (140), чтобы инициировать образование турбулентности в потоке газа сгорания,
при этом трубчатый теплообменник отличается тем, что дополнительно содержит:
турбулизатор (150), включающий в себя верхний турбулизатор (150a), предусмотренный на стороне, в которую вводят газ сгорания, и нижний турбулизатор (150b), предусмотренный на стороне, с которой выпускают газ сгорания, а
площадь канала между нижним турбулизатором (150b) и внутренней боковой поверхностью трубы (140) сформирована меньшей, чем площадь канала между верхним турбулизатором (150a) и внутренней боковой поверхностью трубы (140) для соответствия изменениям температуры и объема газа сгорания, проходящего через трубы (140).
2. Трубчатый теплообменник по п.1, в котором множество труб (140) установлены в вертикальном направлении таким образом, что газ сгорания, образующийся в камере (120) сгорания, протекает в направлении вниз, и разнесены в окружном направлении и расположены радиально.
3. Трубчатый теплообменник по п.2, в котором множество труб (140) дополнительно расположены в центре между множеством труб (140), которые расположены радиально.
4. Трубчатый теплообменник по п.1, в котором во внешнем кожухе (110) предусмотрены многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180), конфигурация которых обеспечивает направление потока теплоносителя, разнесенные друг от друга по вертикали таким образом, что направление протекания теплоносителя поочередно изменяется между протеканием внутри и снаружи периферийного направления.
5. Трубчатый теплообменник по п.4, в котором множество труб (140) вставлены в многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180), чтобы быть поддерживаемыми.
6. Трубчатый теплообменник по п.4, в котором многоступенчатые перегородки (160, 170 и 180) включают в себя верхнюю перегородку (160), среднюю перегородку (170) и нижнюю перегородку (180), каждая из которых имеет форму пластины,
причем
каждая из верхней перегородки (160) и нижней перегородки (180) имеет отверстие для протекания теплоносителя в ее центре и имеет краевой участок, предусмотренный находящимся в контакте с внутренней боковой поверхностью внешнего кожуха (110), а
средняя перегородка (170) имеет форму, центр которой блокирован, и имеет краевой участок, предусмотренный отстоящим от внутренней боковой поверхности внешнего кожуха (110) таким образом, что между ними течет теплоноситель.
7. Трубчатый теплообменник по п.4, в котором
верхняя трубная решетка (130), в которую вставлены верхние концевые участки множества труб (140), соединена с нижним концом камеры (120) сгорания, а
нижняя трубная решетка (190), в которую вставлены нижние концевые участки множества труб (140), соединена с нижним концом внешнего кожуха (110).
8. Трубчатый теплообменник по п.1, в котором турбулизатор (150) включает в себя плоскую часть (151), выполненную с возможностью разделения внутреннего пространства трубы (140) на два участка и которая расположена в продольном направлении трубы (140), и множество первых направляющих участков (152) и вторых направляющих участков (153), отстоящих от обеих боковых поверхностей плоской части (151) вдоль продольного направления и сформированных поочередно выступающими, чтобы быть наклонными.
9. Трубчатый теплообменник по п.8, в котором
интервал (L2), в котором множество первых направляющих участков (152) и множество вторых направляющих участков (153), сформированных в нижнем турбулизаторе (150b) и отстоящих друг от друга по вертикали, находятся в относительно более плотном интервале, чем интервал (L1), в котором множество первых направляющих участков (152) и множество вторых направляющих участков (153), сформированных в верхнем турбулизаторе (150a), отстоят друг от друга по вертикали.
10. Трубчатый теплообменник по п.8, в котором
первый направляющий участок (152) расположен на одной боковой поверхности плоской части (151) под наклоном к одной стороне;
второй направляющий участок (153) расположен на другой боковой поверхности плоской части (151) под наклоном к другой стороне, а
каждый из теплоносителей, вводимых в первый направляющий участок (152) и второй направляющий участок (153), последовательно передается на второй направляющий участок (153) и первый направляющий участок (152), расположенные рядом с противоположной стороной плоской части (151), для протекания в чередующемся порядке через оба пространства плоской части (151).
11. Трубчатый теплообменник по п.10, в котором
предназначенный для введения теплоносителя конец первого направляющего участка (152) соединен с одной концевой стороной плоской части (151) посредством первого соединительного участка (152a), а первый порт (152b) сообщения, в котором сообщение по текучей среде осуществляется через оба пространства плоской части (151), предусмотрен между одной концевой стороной плоской части (151), первым направляющим участком (152a) и первым направляющим участком (152), а
предназначенный для введения теплоносителя конец второго направляющего участка (153) соединен с другой концевой стороной плоской части (151) посредством второго соединительного участка (153a), второй порт (153b) сообщения, в котором сообщение по текучей среде осуществляется через оба пространства плоской части (151), предусмотрен между другой концевой стороной плоской части (151), вторым соединительным участком (153a) и вторым направляющим участком (153).
12. Трубчатый теплообменник по п.8, в котором
первый направляющий участок (152) и второй направляющий участок (153) включают в себя части плоской части (151), подрезанные для изгиба в обе стороны плоской части (151), а сообщение по текучей среде осуществляется через оба пространства плоской части (151) через подрезанную часть каждого из первого направляющего участка (152) и второго направляющего участка (153).
13. Трубчатый теплообменник по п.1, в котором нижний турбулизатор (150b) сформирован имеющим занимаемую площадь в трубе (140), большую, чем площадь, занимаемая верхним турбулизатором (150a).
14. Трубчатый теплообменник по п.1, в котором на внутренней боковой поверхности трубы (140), находящейся на стороне, с которой выпускают газ сгорания, сформировано множество выступов (141).
15. Трубчатый теплообменник по п.1, в котором в трубе (140) дополнительно предусмотрен поддерживающий элемент (142), выполненный с возможностью поддержания давления воды.
16. Трубчатый теплообменник по п.15, в котором поддерживающий элемент (142) включает в себя несущую часть, оба конца которой крепятся к внутренней боковой поверхности трубы (140).
17. Трубчатый теплообменник по п.15, в котором поддерживающий элемент (142) включает в себя участок выступающего рельефа, cформированный на каждой из обеих соответствующих боковых поверхностей трубы (140), чтобы выступать вовнутрь трубы (140).
18. Трубчатый теплообменник по п.1, в котором внешний кожух (110) имеет цилиндрическую форму.
