Конденсационный теплообменник с двойным пучком труб
Изобретение предназначено для нагрева жидкости и может быть использовано для отопления и/или санитарного использования. Теплообменник соединен с цилиндрической топкой, включающей два параллельных теплообменных элемента. Каждый из этих двух теплообменных элементов состоит из трубы, или группы труб, образующих спиралевидную катушку, в которой стенка трубы (труб) изготовлена из материала с хорошей теплопроводностью и имеет сплющенное и овальное поперечное сечение с главной осью, перпендикулярной или приблизительно перпендикулярной оси спирали. Ширина промежутка, разделяющего два смежных витка, постоянна и меньше, чем толщина поперечного сечения. Теплообменные элементы прочно установлены внутри оболочки, которая является газонепроницаемой. Оболочка окружает два теплообменных элемента труб, размещена на расстоянии от каждого из них. Теплообменник выполнен так, что горячие газы, вырабатываемые топкой, проходят радиально, или приблизительно радиально, сначала через первичный теплообменный элемент и затем через вторичный теплообменный элемент. Диаметр топки меньше, чем диаметр первичного теплообменного элемента. Топка установлена коаксиально внутри первичного теплообменного элемента. Длина вторичного теплообменного элемента меньше, чем длина первичного теплообменного элемента, для образования свободного пространства напротив конечного участка первичного теплообменного элемента, в продолжении более короткого вторичного теплообменного элемента. В пространстве размещена камера, которая сообщается с внутренним пространством вторичного теплообменного элемента. Изобретение обеспечивает повышение компактности теплообменника и снижение его веса. 14 з.п. ф-лы, 10 ил.
Настоящий теплообменник, в частности, предназначен для оснащения газовых бойлеров для домашнего применения, с целью подачи потока воды для центрального отопления и/или для санитарного использования.
Предмет настоящего изобретения, теплообменник, более точно является двойным теплообменником, состоящим из первичного теплообменника, который напрямую подвержен воздействию горячих газов, вырабатываемых газовой топкой, и вторичного теплообменника, который подвержен влиянию газов значительно меньшей температуры, которые выпускаются из первичного теплообменника.
Вода, или любая другая нагреваемая жидкость, циркулирует в этом двойном теплообменнике, противоточно испарению, то есть, проходя сначала через вторичный теплообменник, где она подвергается предварительному нагреву, затем в первичный теплообменник, где она подвергается окончательному нагреву.
Отработанные газы, выходящие непосредственно из топки, имеют температуру порядка 1000°С.
После прохождения через первичный теплообменник их температура в основном составляет от 100 до 180°С.
Горячие газы содержат определенное количество воды в виде пара, который может конденсироваться, когда входит в соприкосновение со стенкой вторичного теплообменника, несмотря на то, что она ниже точки росы, примерно 60°С.
Такая конденсация обеспечивает дополнительные калории воде, циркулирующей во вторичном теплообменнике, указаные калории соответствуют латентной теплоте испарения.
Двойной теплообменник такого типа, который описан например в документе ЕР 0078207, позволяет значительно улучшить коэффициент полезного действия аппарата.
В документе WO 94/16272 описан элемент теплообменника, который состоит из трубы, выполненной из материала с хорошей теплопроводностью, в которой должна циркулировать охлажденная жидкость, например вода для нагревания.
Труба смотана в спираль и имеет сплющенное и овальное поперечное сечение с главной осью, по существу перпендикулярной оси спирали, и каждый виток трубы имеет плоские поверхности, которые отделены от поверхностей смежного витка промежутком постоянной высоты, эта высота по существу меньше, чем толщина поперечного сечения, расстояние между двумя смежными витками более того устанавливается при помощи поперечных элементов, которые состоят из бобышек, образованных в стенке трубы.
В этом документе также описаны теплообменники, имеющие несколько элементов, такие как описаны выше, которые образованы различными путями в различных описанных вариантах.
Элемент теплообменника, сконструированный таким образом, обеспечивает очень большой теплообмен между горячими газами, проходящими вблизи трубчатого элемента, и нагреваемой жидкостью, которая циркулирует внутри него.
Фактически, в течение прохождения через промежуток между витками, поток горячих газов контактирует с относительно обширной поверхностью стенки элемента теплообменника.
Задачей настоящего изобретения является создание конденсационного теплообменника традиционного типа, описанного выше, содержащего теплообменные элементы из плоских труб, например таких как в WO 94/16272, к которому можно обратиться при необходимости.
Предшествующий уровень техники, который является ближайшим аналогом настоящего изобретения, соответствует варианту, показанному на Фиг.22 вышеуказанного документа.
Данный аппарат состоит из двух параллельных теплообменных элементов, первичного, обозначенного ссылочным номером 1, и вторичного, обозначенного ссылочным номером 1'.
Эти элемента расположены вблизи друг от друга, их оси параллельны, и они прочно установлены внутри оболочки 8 (названной в документе как "корпус"),
Горячие газы производятся внешним аппаратом 9 и проникают через канал 90 и манжету 80 в центральный участок главного теплообменника 1 (стрелка J0). Горячие газы проходят через него радиально, из внутренней части в наружную (стрелка J1), затем проходят через вторичный теплообменник, всегда радиально, но на этот раз из наружной части во внутреннюю (стрелка J2).
В заключении, охлажденные газы покидают этот двойной теплообменник через манжету 81 (стрелка J3).
Задачей данного изобретения является усовершенствование теплообменника, схематично показанного на Фиг.22 WO 94/16272 для повышения его компактности.
Фактически, проблема места, часто встречающаяся установщиками в теплообменниках такого типа, относится к пространству, в котором они размещаются, которое часто бывает небольшим.
Задачей изобретения также является создание относительно легкого теплообменника, для того чтобы обеспечить операции, выполняемые установщиком по транспортировке, расположению и креплению на место более удобными.
Изобретение основано на наблюдениях, заключающихся в том, что энергия, восстанавливаемая во вторичном теплообменнике, всегда меньше, чем энергия, потребляемая в первичном теплообменнике.
Основываясь на этих наблюдениях, можно вычислить, что поверхность теплообмена во вторичном теплообменнике, которая пропорциональна длине теплообменного элемента, может быть уменьшена по отношению к первичному теплообменнику.
Таким образом, если осевой размер вторичного элемента уменьшен, на одном из его концов образуется свободное пространство, и оно может быть использовано для установки в него отводной манжеты для отработанных, охлажденных газов.
Объем этой манжеты в осевом направлении таким образом не прибавляется к собственному объему теплообменника, в отличие от известного варианта на Фиг.22 WO 94/16272, он умещается внутри объема теплообменника.
Более того, длина вторичного теплообменного элемента уменьшается, теплообменник естественно становится легче, чем теплообменник, у которого первичные и вторичные элементы имеют одинаковые длины, как в вышеупомянутых теплообменниках.
Задачей настоящего изобретения следовательно является создание конденсационного теплообменника, соединенного с газовой или жидкогорючей топкой, включающего два параллельных элемента труб, одного, именуемого "первичным", и другого, именуемого "вторичным", каждый из этих двух теплообменных элементов состоит из трубы, или группы труб, расположенных одна за другой, образующих спиралевидную катушку, в которой стенка трубы (труб) изготовлена из материала с хорошей теплопроводностью и имеет сплющенное и овальное поперечное сечение с главной осью перпендикулярной или приблизительно перпендикулярной оси спирали, в то время как ширина промежутка, разделяющего два смежных витка, постоянна и значительно меньше, чем толщина поперечного сечения, при этом эти два теплообменных элемента прочно установлены внутри оболочки, которая является газонепроницаемой, и сообщаются друг с другом через коллектор, названный "переходным", средства для обеспечения циркуляции жидкости, подлежащей нагреву, в частности воды, во-первых внутри трубы (труб), составляющих вторичный теплообменный элемент, затем - через переходной коллектор - к внутренней части трубы (труб), составляющих первичный теплообменный элемент, причем оболочка окружает два теплообменных элемента труб, размещена на расстоянии от каждого из них и имеет отводную манжету для отработанных газов, расположенную вблизи вторичного теплообменного элемента. Теплообменник выполнен так, что горячие газы, вырабатываемые топкой, проходят радиально, или приблизительно радиально, проходя через промежутки, разделяющие витки, сначала через первичный теплообменный элемент и затем через вторичный теплообменный элемент, и затем отводятся из теплообменника через манжету. При этом топка является цилиндрической топкой, диаметр которой меньше, чем диаметр первичного теплообменного элемента, и установлена коаксиально внутри последнего, проходя по оси по всей его длине, длина вторичного теплообменного элемента меньше, чем длина первичного теплообменного элемента, для образования свободного пространства напротив конечного участка первичного теплообменного элемента, в продолжении более короткого вторичного теплообменного элемента. Причем в пространстве размещена камера, которая сообщается с внутренним пространством вторичного теплообменного элемента, манжета соединена со стенкой камеры для того, чтобы сообщаться с ней, и сориентирована поперечно по отношению к оси вторичного теплообменного элемента для того, чтобы ее объем совпадал с объемом камеры.
Каждая из труб, составляющих каждый из теплообменных элементов, имеет прямолинейные концевые участки, оси этих двух концевых участков расположены в одной плоскости, касательной к спирали, образованной теплообменным элементом, их отверстия повернуты по направлению к наружной стороне теплообменника с каждой стороны последнего, концевые участки первичного теплообменного элемента расположены вблизи вторичного теплообменного элемента, и наоборот, концевые участки, имеющие цилиндрические отверстия, проходящие уплотненно через стенку оболочки и выходящие сбоку последней в огражденный коллектор, именуемый "впускной-выпускной", присоединены к подающему каналу для жидкости, подлежащей нагреву, и к отводному каналу для жидкости, подлежащей нагреву, и к отводному каналу для нагретой жидкости, и с другой стороны выходящие в переходной коллектор.
Оболочка содержит, с одной стороны, отрезок трубы постоянного поперечного сечения, овальный контур этого поперечного сечения состоит из двух концевых участков полуцилиндрической формы, соединенных прямолинейными боковыми сегментами, и с другой стороны, пару закрывающих пластин или "фасадов", контуры которых соответствуют контурам поперечного сечения и расположены перпендикулярно оси отрезка трубы, каждая из которых блокирует одно из двух отверстий, при этом каждый полуцилиндрический участок отрезка трубы коаксиален и частично окружает один из теплообменных элементов.
При этом один из фасадов, названный "передний фасад", имеет отверстие, предназначенное для размещения двери, поддерживающей топку, в то же время обеспечивая ее демонтаж.
Дверь также поддерживает, с ее внешней стороны, вентилятор, или манжету, обеспечивающую снабжение топки горючей газовой смесью.
Каждый из двух фасадов снабжен термоизоляционным диском напротив внутреннего пространства первичного теплообменного элемента.
Предпочтительно, два теплообменных элемента имеют одинаковые диаметры. Оси двух теплообменных элементов горизонтальны и параллельны.
Причем два теплообменных элемента расположены один над другим, их оси расположены в одной вертикальной плоскости.
Предпочтительно, вторичный теплообменный элемент расположен над первичным теплообменным элементом, средства, такие как наклоненный желоб, размещенный между двумя теплообменными элементами, выполнены для предотвращения падения конденсатов, которые образуются на вторичном теплообменном элементе, на первичный теплообменный элемент или топку.
Два теплообменных элемента могут быть расположены сбоку друг от друга, их оси могут быть расположены в одной горизонтальной плоскости.
Ось отводной манжеты расположена в плоскости, содержащей оси двух теплообменных элементов.
Ось отводной манжеты перпендикулярна плоскости, содержащей оси двух теплообменных элементов.
Предпочтительно, стенка камеры является цилиндрическим отрезком трубы, коаксиальным с вторичным теплообменным элементом, один из концевых краев которого прикреплен к фасаду теплообменника, в то время как его другой концевой край снабжен кольцевым фланцем, который поддерживает вторичный теплообменный элемент, а отводная манжета, также цилиндрической формы, присоединена к отрезку трубы (9) перпендикулярно его оси.
Оболочка теплообменника имеет наклонное дно, снабженное отводным соединением, подходящим для сбора и отвода конденсатов, которые образуются на вторичном теплообменном элементе.
Другие особенности и преимущества изобретения станут более ясными из описания и сопровождающих чертежей, на которых представлены возможные варианты осуществления изобретения, только в виде не ограничивающих примеров.
- Фиг.1 - схематичный вид спереди первого варианта осуществления изобретения, разрезанный по вертикальной плоскости, обозначенной 1-1 на Фиг.2.
- Фиг.2 - схематичный вид слева аппарата на Фиг.1.
- Фиг.3 и 4 - упрощенные виды, в меньшем масштабе, Фиг.1 и 2 соответственно, эти виды предназначены для того, чтобы показать работу, и в частности путь прохождения газов.
Фиг.5-8 - виды, аналогичные Фиг.1-4 соответственно, показывающие второй возможный вариант осуществления изобретения.
Фиг.9 и 10 - диаграммы, представляющие альтернативу аппарата, соответственно видимые сбоку и спереди в сечении.
Теплообменник, показанный, на Фиг.1-4 содержит тонкостенный полый корпус или оболочку, обозначенную 1, например, из листа нержавеющей стали.
Как можно видеть на Фиг.2, которая является видом сбоку, корпус 1 имеет овальную форму, контур которой образован верхним и нижним полукруглыми участками, которые соединены двумя боковыми прямолинейными сегментами.
Оболочка состоит из отрезка трубы 14, имеющего овальную форму, нижнего и верхнего полукруглых участков, обозначенных ссылками 142, 143 на Фиг.2, в то время как плоские боковые участки обозначены 140 и 141, этот отрезок трубы закрыт с обоих концов крышками или "фасадами" одинакового профиля, обозначенными 15а и 15b на Фиг.1.
Далее в настоящем описании, "передний фасад" обозначает фасад 15а слева на Фиг.1, и "задний фасад" - противоположный фасад 15b.
Два фасада 15а и 15b закреплены, газонепроницаемо уплотнены относительно центрального трубчатого участка 14 любыми подходящими средствами, например сваркой.
Как можно видеть на Фиг.1, дно 16 оболочки наклонено в направлении выходного отверстия 17, назначение которого будет объяснено позже.
Внутри оболочки 1 установлены два теплообменных элемента из сплюснутых труб типа, описанного в вышеуказанной международной заявке, каждый из этих элементов составляет теплообменный элемент первичного теплообменника 20 и вторичного теплообменника 30.
Первичный теплообменный элемент обозначен ссылочным номером 21, в то время как вторичный теплообменный элемент обозначен ссылочным номером 31.
Каждый из этих двух теплообменных элементов состоит из ряда смежных, коаксиальных трубчатых элементов с горизонтальной осью X1X'1 для первичного теплообменника 20 и Х2Х'2 для вторичного теплообменника 30.
Эти две горизонтальные оси находятся в одной вертикальной плоскости, обозначенной V на Фиг.2, вторичный теплообменный элемент 31 вертикально расположен над первичным теплообменным элементом 21.
Внутренние пространства теплообменных элементов 21 и 31 обозначены соответственно 2 и 3.
Газовая или жидкогорючая топка 40 соединена с первичным теплообменником 20. Это трубчатая цилиндрическая топка, которая имеет по всей своей длине множество маленьких отверстий, направленных радиально, обеспечивающих прохождение горючей газовой смеси, например воздух+бутан или воздух+горючее, внешняя поверхность трубчатой стенки составляет поверхность горения.
В показанном примере горючая газовая смесь вводится в аппарат вентилятором известного типа, который также образует часть теплообменника.
Тем не менее, замена рукава подачи смеси отдельными средствами (известного типа) для этого вентилятора не будут выходить за рамки изобретения. Вентилятор, таким образом, отстоит от оси X1X'1 главного теплообменника.
Топка 40 имеет значительно меньший диаметр, чем первичный теплообменный элемент 21, внутри которого она коаксиально установлена, то есть, вдоль оси X1X'1.
Передний фасад 15а имеет круглое отверстие 150 с центром на этой оси X1X'1, обеспечивающее ввод и установку топки на место внутри оболочки.
Установочная пластина 41 размещена на выходе из вентилятора 4 и обеспечивает крепление сборки к переднему фасаду, например, при помощи болтов (не показано).
Такая конструкция обеспечивает легкий демонтаж топки, в частности, для того, чтобы ее очистить, для обслуживания и ремонта теплообменника.
Напротив пространства 2 каждый из фасадов 15а и 15b изнутри покрыт изоляционным диском 5, соответственно 6, например, из материала на керамической основе.
Эти элементы предназначены для защиты на этом уровне стен оболочки 1 от сильного тепла, вырабатываемого в процессе горения.
Диски 5, 6 крепятся на фасады 15а и 15b подходящими известными средствами.
Диск 5 имеет в своей центральной части отверстие, идентичное отверстию 150, для обеспечения прохождения топки.
Следует отметить (см. Фиг.1), что диск 6 не прилегает непосредственно к заднему фасаду 15b. Наоборот, он удерживается на расстоянии от последнего при помощи распорок 61.
Вторичный теплообменный элемент 31 состоит из определенного количества геликоидальных трубчатых элементов, идентичных тем, которые составляют первичный теплообменный элемент 21.
Что касается показателей, каждый элемент состоит из трубы сплющенного, овального поперечного сечения, скрученной в четыре витка. Образованная катушка имеет внутренний диаметр 185 мм, при этом внешний диаметр составляет 235 мм; толщина сплющенного сечения трубы равна 7,2 мм, и промежуток, разделяющий два витка, составляет 0,8 мм.
Каждый элемент таким образом имеет осевой размер 32 мм.
В показанном примере первичный теплообменный элемент 21 состоит из соединения десяти элементов.
В соответствии с основной особенностью изобретения количество элементов, составляющих вторичный теплообменный элемент 31, меньше. В показанном примере их шесть (вместо десяти).
Длина l1 первичного теплообменного элемента 21 таким образом составляет 320 мм (32х10), в то время как длина l2 вторичного теплообменного элемента 31 равна всего лишь 192 мм (32х6), разница составляет 128 мм.
В варианте осуществления изобретения на Фиг.1-4 вторичный теплообменный элемент 31 одним из своих концов прилегает к переднему фасаду 15а.
Из-за разницы между длинами l1-l2, свободное пространство таким образом формируется между другим концом вторичного теплообменного элемента 31 и задним фасадом 15b.
В этом пространстве установлена камера, состоящая из цилиндрического рукава 9, имеющего центр на оси X2X'2, который крепится одним из своих концевых краев к заднему фасаду 15b, например, при помощи сварки. Другой его конец имеет кольцевой плоский фланец 90, который расположен перпендикулярно оси Х2Х'2.
Этот фланец выполняет функцию поддержки на другом конце вторичного теплообменного элемента 31. Теплообменник содержит манжету 7 для отвода отработанных, охлажденных газов.
Цилиндрический трубчатый рукав также предусмотрен, он имеет вертикальную ось ZZ' и присоединен к рукаву 9, к которому он крепится и с внутренней поверхностью которого он сообщается.
Манжета 7 предназначена для присоединения к отводному каналу для отработанных газов и испарений, например к каминной трубе (не показано).
В показанных вариантах осуществления изобретения, элементы, состоящие каждый из первичного теплообменного элемента 21 и вторичного теплообменного элемента 31, соединены параллельно.
Однако обеспечение последовательной установки некоторых или всех элементов для каждой трубы не будет выходить за рамки настоящего изобретения.
Концевые участки каждого элемента имеют такую форму и ориентировку, как показано на Фиг.1 и 24 вышеуказанной международной заявки.
Каждый конец катушки является участком трубы с цилиндрическим участком отверстия, переход этого отверстия к остальной трубе сплющенного поперечного сечения обеспечивается постепенно (в форме "свистка").
Оси этих двух концов (направленные наружу) лежат в одной плоскости, касательной к геликоидальной катушке.
Такая плоскость в этом случае является горизонтальной.
Концевые участки 210 и 211 элементов, составляющих первичный (нижний) теплообменный элемент, расположены по направлению кверху, в то время, наоборот, концевые участки 310, 311 вторичного теплообменного элемента (верхнего) 31 расположены по направлению книзу.
Такое реверсивное расположение выполнено таким образом, что выходные отверстия одного из элементов расположены вблизи выходных отверстий другого элемента, и наоборот.
Каждый закрученный трубчатый элемент размещен внутри оболочки путем зацепления одного из его цилиндрических участков отверстий с подходящими круглыми отверстиями, образованными на вертикальных плоских боковых стенках 140, 141 оболочки.
Подходящие уплотнительные средства образованы в этой области.
Дополнительные элементы (не показаны) могут предпочтительно быть оборудованы для обеспечения надлежащей установки и центровки каждого элемента внутри оболочки.
Более того необходимо отметить, что каждая из плоских труб, составляющих катушку, имеет на одной из своих наиболее широких поверхностей ряд бобышек (заштампованных в ее плоскую стенку), выполняющих роль разделителей, предназначенных для точной установки размера промежутка, разделяющего два витка, в соответствии с устройством, описанным в заявке WO 94/16272.
Бобышки, относящиеся к теплообменным элементам 21 и 31, соответственно обозначены ссылочными номерами 212 и 312.
Концевые участки каждой из катушек, составляющих теплообменник, выходят в коллекторы, закрепленные снаружи на стенке оболочки 1, и более точно на плоских участках 140, 141, для того, чтобы полностью окружить отверстие, принимающее концевые участки катушек.
На поверхности 140 закреплен коллектор, называемый "впускной и выпускной", обозначенный ссылочным номером 100, в то время как на противоположной поверхности 141 закреплен коллектор 11, названный "переходным".
В обоих случаях они представляют собой вытянутые корпусы, имеющие форму прямоугольного параллелепипеда, имеющие необходимые отверстия. Они крепятся к оболочке 1, например, болтами, обозначенными ссылочным номером 101 на Фиг.2, или непосредственно сваркой. В этом месте естественно выполнено уплотнение.
Коллектор 100 внутри разделен горизонтальной стенкой 13.
Участок коллектора 100, расположенный над стенкой 13, имеет соединительную трубку 12, предназначенную для присоединения к подающему каналу для холодной воды, которую следует нагреть; более того, этот участок присоединен к сбору входных концов вторичного теплообменного элемента 31.
Наоборот, нижний участок коллектора 100, который соответствует пространству, расположенному под стенкой 13, имеет трубку 10 для присоединения к выходному каналу для горячей воды; этот участок присоединен к сбору выходных концов элементов, составляющих первичный теплообменный элемент 21.
Противоположный коллектор 11 не имеет стенки. Это обеспечивает связь между выходными концами вторичного теплообменного элемента 31 и входными концами первичного теплообменного элемента 21.
Внутри оболочки между двумя теплообменниками установлен желоб 8, который крепится к переднему фасаду 15а. Это пластина слегка изогнутая, при этом вогнутая поверхность направлена вверх и наклонена вниз и по направлению к задней части (см. Фиг.1).
Как можно видеть на Фиг.8, желоб занимает только центральную зону оболочки, но не мешает прохождению отработанных газов по сторонам, как будет видно далее.
Свободный задний конец пластины 8 изогнут вниз, при этом наиболее наклоненная бровка 80, которая свешивается над пространством, упомянутым выше, отделяет изоляционный диск 6 от заднего фасада 15b (см. Фиг.1).
Для обеспечения установки аппарата участок 14 оболочки 1 состоит из двух половин корпуса, которые могут быть собраны вместе, например, при помощи сварки, вдоль соединительной плоскости, соответствующей вертикальной плоскости V.
Это обеспечивает подгонку двух половин корпуса на два пучка, предварительно подходящим образом расположенных друг относительно друга.
Перед последней сборкой изоляционный кольцевой диск 5 и желоб 8 крепятся к внутренней поверхности переднего фасада 15а. Изоляционный диск 6 так же, как и рукав 9 с его манжетой 7 (к которой он предварительно крепится), крепятся к внутренней поверхности другого фасада 15b.
В верхней части обе половины корпуса, составляющие участок 14 оболочки, имеют полукруглые отверстия, которые окружает эту манжету 7, когда они соединены друг с другом, фасад 15b должен быть удобно расположен. Затем, после того как фасад 15а был установлен на место, осуществляется сварка или сборка по окружности манжеты 7 на уровне оболочки 14 включительно, для осуществления уплотнения в этой области.
В итоге, топка соответственно снабжается подходящим зажигающим устройством, например электродом, расположенным вблизи поверхности сгорания. Имеется в виду известное устройство, которое не было показано на чертежах для избежания их ненужного усложнения.
Теперь будет описана работа этого теплообменника со ссылками на Фиг.3 и 4.
Вентилятор 4, приведенный в движение, направляет горючую газовую смесь внутрь трубчатой топки 40. Эта смесь выходит из стенки топки через маленькие отверстия, проходящие сквозь стенку. Когда топка зажигается, происходит горение и вырабатывается пламя F по всей поверхности топки.
В это же время, вода, подлежащая нагреванию, циркулирует.
Холодная вода, EF на Фиг.4, поступает в теплообменник по трубе 12, распределяется в верхней части коллектора 100 и проникает во входные концы верхнего теплообменного элемента 31. Она покидает последний через выходные концы, проходит в коллектор 11, где она переходит, что обозначено стрелкой Т, для дальнейшего поступления во входные концы нижнего теплообменного элемента 21, и циркулирует в нем. В заключение, нагретая вода выходит через выходные концы этого элемента, проходит в нижнюю часть коллектора 100 и выходит из него через трубку 10, как показано стрелкой ЕС.
Отработанные газы, образованные в пространстве 2 пламенем F, перемещаются по направлению к наружной части первичного теплообменного элемента 21. Они проходят радиально через промежутки, разделяющие плоские трубы, составляющие его, обеспечивая высокотемпературный теплообмен, и, таким образом, сильно нагревают воду, проходящую по внутренней поверхности и нагретую предварительно (как будет видно дальше) в течение ее прохождения через вторичный теплообменник 31.
Покидая первичный теплообменный элемент, отработанные газы значительно охлаждаются благодаря этому теплообмену. Тем не менее их температура несомненно выше температуры воды (при температуре окружающей среды), которая входит в теплообменник.
В виде показателей их температура находится в пределах от 100 до 150°С.
Эти горячие газы проходят вверх по внутренней стенке оболочки. Они проходят по сторонам желоба 8 и проходят через вторичный теплообменный элемент 31, на этот раз от наружной стороны к внутренней, проходя через витки сплющенных труб. В течение этого прохождения возникает по меньшей мере частичная конденсация водяного пара, присутствующего в отработанных газах, так как стенки вторичного теплообменного элемента, через которые проходит холодная или просто теплая вода, имеют температуру ниже, чем точка росы продуктов сгорания. Помимо нормального перехода калорий вследствие температурной разницы между отработанными газами и водой, циркулирующей во вторичном теплообменном элементе, обеспечивается дополнительный переход калорий в результате передачи латентной теплоты испарения, связанной с явлением конденсации, смены экзотермических фаз.
Таким образом, обеспечивается предварительный нагрев воды, циркулирующей во вторичном пучке, до того, как она достигнет первичного пучка.
Отработанные газы, заметно охлажденные, проходят в пространство 3 внутри вторичного теплообменника, затем выходят через камеру 9 в отводной канал 7.
Жидкие конденсаты, которые выходят из труб вторичного теплообменного элемента 31, под действием гравитации падают в желоб 8, так что они не мешают работе топки. По уклону желоба они направляются к его заднему концу, попадают на изогнутую вниз бровку 80 и падают позади изоляционной пластины 6 на наклонное дно 16 оболочки. Проходя по этому наклонному дну, они достигают отверстия для отвода конденсата 17, которое соединено с подходящим отводным каналом (не показано).
Второй вариант осуществления изобретения, который показан на Фиг.5-7, абсолютно аналогичен только что описанному. По этой причине одинаковые ссылочные номера были использованы для обозначения одинаковых или идентичных элементов.
В основе лежит такая же организация, как и в первом варианте, со следующими двумя исключениями.
Во-первых, теплообменник имеет в основном горизонтальное, а не вертикальное, расположение. Фактически, два теплообменных элемента расположены бок о бок, а не один над другим, и их оси X1X'1 и X2X'2 лежат в одной горизонтальной плоскости Н.
В показанном примере переходной коллектор 11 расположен сверху, в то время как впускной-выпускной коллектор 100 расположен внизу (см. Фиг.6).
Конечно, возможно и обратное расположение.
Отводная манжета для отработанных газов остается направленной вверх.
Во-вторых, (вертикальная) ось YY' этой манжеты 7 перпендикулярна плоскости, содержащей оси двух теплообменных элементов (и больше не содержится в этой плоскости).
В этом варианте нет необходимости применять желоб для сбора конденсатов, так как вторичный теплообменный элемент, на котором они образуются, находится сбоку и больше не располагается непосредственно под первичным теплообменным элементом и топкой. Дно оболочки 16 наклонено, и конденсат падает непосредственно на дно для отвода через выпускное соединение 17.
На Фиг.7 и 8 показана циркуляция газов в теплообменнике. Она идентична первому варианту осуществления изобретения, кроме того, что поток отработанных газов, покидающий первичный теплообменный элемент, для достижения вторичного теплообменного элемента расположен горизонтально, а не вертикально, внутри оболочки.
В каждом из двух вариантов, которые были описаны, трубчатые элементы, составляющие оба первичный и вторичный теплообменные элементы, идентичны. Это не обязательно, что катушки могут различаться, в частности, по диаметру.
Более того, свободное пространство, в котором размещена камера 9 и манжета 7, расположено между вторичным теплообменным элементом и задним фасадом.
Такое расположение не обязательно, как показано в альтернативе на Фиг.9 и 10.
На этих чертежах использованы такие же ссылочные номера, что и в предшествующих вариантах для похожих, но не идентичных элементов, хотя к индикации добавляется штрих.
Таким образом, на этих чертежах будет видно, что диаметр первичного теплообменного элемента 21' больше, чем диаметр вторичного теплообменного элемента 31'.
Здесь модифицирована форма оболочки, окружающей два элемента. Боковые поверхности 140' и 141' больше не параллельны, а наклонены так, чтобы слегка сходиться наверху.
Оболочка 9' и манжета 7' расположены между передним фасадом 15'А и вторичным теплообменным элементом 31'.
Конечно, за рамки изобретения не будет выходить обеспечение смешанного устройства из одного или другого из первых двух вариантов, представляющего альтернативу Фиг.9 и 10, состоящего из:
- установки в теплообменнике из первого или второго первичного и вторичного теплообменных элементов разных диаметров (без перемещения заграждения и манжеты),
- или перемещения манжеты в положение, как на Фиг.10, (в то же время диаметры остаются одинаковыми для обоих элементов).
Теплообменник в соответствии с изобретением очень компактный и легкий, в то же время очень эффективный в отношении коэффициента полезного действия.
Несмотря на заметную хорошую пригодность для домашнего применения для нагрева воды, он может найти применение в других областях, в частности в промышленности для нагрева различных жидкостей.
1. Конденсационный теплообменник, соединенный с газовой или жидкогорючей топкой (40), включающий два параллельных теплообменных элемента, одного (21), именуемого "первичный", и другого (31), именуемого "вторичный", каждый из этих двух теплообменных элементов состоит из трубы, или группы труб, расположенных одна за другой, образующих спиралевидную катушку, в которой стенка трубы (труб) изготовлена из материала с хорошей теплопроводностью и имеет сплющенное и овальное поперечное сечение с главной осью, перпендикулярной или приблизительно перпендикулярной оси спирали, в то время как ширина промежутка, разделяющего два смежных витка, постоянна и значительно меньше, чем толщина поперечного сечения, при этом эти два теплообменных элемента прочно установлены внутри оболочки (1), которая является газонепроницаемой, и сообщаются друг с другом через коллектор (11), названный "переходным", средства для обеспечения циркуляции жидкости, подлежащей нагреву, в частности воды, во-первых внутри трубы (труб), составляющих вторичный теплообменный элемент (31), затем - через переходной коллектор (11) - к внутренней части трубы (труб), составляющих первичный теплообменный элемент (21), причем оболочка (1) окружает два теплообменных элемента труб, размещена на расстоянии от каждого из них и имеет отводную манжету (7) для отработанных газов, расположенную вблизи вторичного теплообменного элемента (31), а теплообменник выполнен так, что горячие газы, вырабатываемые топкой (40), проходят радиально или приблизительно радиально, проходя через промежутки, разделяющие витки, сначала через первичный теплообменный элемент (21) и затем через вторичный теплообменный элемент (31), и затем отводятся из теплообменника через манжету (7), отличающийся тем, что топка (40) является цилиндрической топкой, диаметр которой меньше, чем диаметр первичного теплообменного элемента (21), и установлена коаксиально внутри последнего, проходя по оси по всей его длине, длина (l2) вторичного теплообменного элемента (31) меньше, чем длина (l1) первичного теплообменного элемента (21), для образования свободного пространства напротив конечного участка первичного теплообменного элемента, в продолжении более короткого вторичного теплообменного элемента, причем в пространстве размещена камера (9), которая сообщается с внутренним пространством (3) вторичного теплообменного элемента, манжета (7) соединена со стенкой камеры (9) для того, чтобы сообщаться с ней, и сориентирована поперечно по отношению к оси (Х2 X'2) вторичного теплообменного элемента (31), для того, чтобы ее объем совпадал с объемом камеры (9).
2. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что каждая из труб, составляющих каждый из теплообменных элементов (21, 31), имеет прямолинейные концевые участки (210-211, 310-311), оси этих двух концевых участков расположены в одной плоскости, касательной к спирали, образованной теплообменным элементом, их отверстия повернуты по направлению к наружной стороне теплообменника с каждой стороны последнего, концевые участки первичного теплообменного элемента расположены вблизи вторичного теплообменного элемента, и наоборот, концевые участки имеющие цилиндрические отверстия, проходящие уплотненно через стенку оболочки (1), и выходящие сбоку последней в огражденный коллектор (100), именуемый "впускной-выпускной", присоединены к подающему каналу для жидкости, подлежащей нагреву, и к отводному каналу для нагретой жидкости, и с другой стороны выходящие в переходной коллектор (11).
3. Теплообменник по п.1 или 2, отличающийся тем, что оболочка (1) содержит, с одной стороны, отрезок трубы (14) постоянного поперечного сечения, овальный контур этого поперечного сечения состоит из двух концевых участков полуцилиндрической формы, соединенных прямолинейными боковыми сегментами, и с другой стороны, пару закрывающих пластин или "фасадов" (15а, 15b), контуры которых соответствуют контурам поперечного сечения и расположены перпендикулярно оси отрезка трубы, каждая из которых блокирует одно из двух отверстий, при этом каждый полуцилиндрический участок (142, 143) отрезка трубы (14) коаксиален и частично окружает один из теплообменных элементов (21, 31).
4. Теплообменник по п.3, отличающийся тем, что один из фасадов (15а), названный "передний фасад", имеет отверстие (150), предназначенное для размещения двери (41), поддерживающей топку (40), в то же время обеспечивая ее демонтаж.
5. Теплообменник по п.4, отличающийся тем, что дверь (41) также поддерживает с ее внешней стороны вентилятор (4), или манжету, обеспечивающую снабжение топки горючей газовой смесью.
6. Теплообменник по п.3, отличающийся тем, что каждый из двух фасадов (15а, 15b) снабжен термоизоляционным диском (5, 6), напротив внутреннего пространства (2) первичного теплообменного элемента (21).
7. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что два теплообменных элемента имеют одинаковые диаметры.
8. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что оси (X1 X'1, Х2 X'2) двух теплообменных элементов (21, 31) горизонтальны и параллельны.
9. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что два теплообменных элемента (21, 31) расположены один над другим, их оси (X1 X'1, Х2 Х'2) расположены в одной вертикальной плоскости (V).
10. Теплообменник по п.9, отличающийся тем, что вторичный теплообменный элемент (31) расположен над первичным теплообменным элементом (21), средства, такие как наклоненный желоб (8), размещенный между двумя теплообменными элементами, выполнены для предотвращения падения конденсатов, которые образуются на вторичном теплообменном элементе (31), на первичный теплообменный элемент (21) или топку (40).
11. Теплообменник по п.8, отличающийся тем, что два теплообменных элемента (21, 31) расположены сбоку друг от друга, их оси (X1 X'1, Х2 Х'2) расположены в одной горизонтальной плоскости (H).
12. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ось (ZZ') отводной манжеты (7) расположена в плоскости, содержащей оси (X1 X'1, Х2 Х'2) двух теплообменных элементов.
13. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что ось (YY') отводной манжеты (7) перпендикулярна плоскости, содержащей оси (X1 X'1, Х2 Х'2) двух теплообменных элементов.
14. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что стенка камеры (9) является цилиндрическим отрезком трубы, коаксиальным с вторичным теплообменным элементом (31), один из концевых краев которого прикреплен к фасаду (15b) теплообменника, в то время как его другой концевой край снабжен кольцевым фланцем (90), который поддерживает вторичный теплообменный элемент (31), а отводная манжета (7), также цилиндрической формы, присоединена к отрезку трубы (9), перпендикулярно его оси (Х2 Х'2).
15. Теплообменник по п.1, отличающийся тем, что его оболочка (1) имеет наклонное дно (16), снабженное отводным соединением (17), подходящим для сбора и отвода конденсатов, которые образуются на вторичном теплообменном элементе (31).
