Система подачи смеси для водонагревателя, водонагреватель, содержащий такую систему подачи смеси, и способ смешивания топлива и окислителя

Изобретение относится к области энергетики. Система подачи смеси выполнена с возможностью установки в водонагревателе и подачи горючей смеси в горелку водонагревателя, содержит линию подачи топлива для текучего топлива, линию подачи окислителя для текучего окислителя, смесительную камеру для смешивания топлива и окислителя для образования горючей смеси, выпуск для выпуска горючей смеси из смесительной камеры, первый вентилятор для подачи топлива из соответствующей линии подачи в смесительную камеру и подачи смеси из нее к выпуску, при этом первый вентилятор выполнен с возможностью воздействия непосредственно на топливо, вентилятор содержит камеру для вентилятора, снабженную лопастным колесом, каждая из линии подачи топлива и линии подачи окислителя выходит в открытое пространство в камере для вентилятора, смесительная камера встроена в камеру для вентилятора, выпуск для смеси соединен с камерой для вентилятора. Линия подачи топлива и линия подачи окислителя содержат отдельные выходы в камеру для вентилятора. Также имеется второй вентилятор для подачи окислителя из соответствующей линии подачи в смесительную камеру, причем второй вентилятор выполнен с возможностью воздействия непосредственно на окислитель. Изобретение позволяет повысить эффективность работы водонагревателя. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к системе подачи смеси, выполненной с возможностью установки в водонагревателе и подачи горючей смеси в горелку водонагревателя.

Настоящее изобретение дополнительно относится к водонагревателю, снабженному такой системой подачи смеси.

Наконец, настоящее изобретение также относится к способу смешивания текучего топлива и текучего окислителя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В современных установках горячего водоснабжения используется горение с предварительным смешением. Газ и воздух смешивают и подают вентилятором в горелку, где воздушно-газовая смесь сгорает. Часто применяемая техника для смешивания газа и воздуха (фиг.2) использует вентилятор 100, который вызывает поток 14 воздуха в линии 12 подачи воздуха. Трубка Вентури (в данном описании показанная схематично в виде прямой части трубы) расположена в линии 12 подачи воздуха. В трубке Вентури расположена линия 22 подачи газа, которая соединена с клапаном/регулятором, известным как «блок регулирования расхода газа». Поток 14 в трубке Вентури вызывает пониженное давление в трубке Вентури, гарантирующее образование потока 26 газа. Когда вентилятор 100 вращается быстрее, образуется больший воздушный поток 14 и поэтому более низкое давление и вследствие этого больший приток 26 газа. В показанном примере вентилятор представляет собой радиальный или центробежный вентилятор и содержит кожух 32 вентилятора, в котором лопастное колесо 34 расположено с возможностью вращения. Лопастное колесо 34 приводится в действие с возможностью вращения электродвигателем 40. Лопастное колесо расположено на валу 36, который образует часть ротора электродвигателя 40. Вокруг ротора расположены одна или несколько электрических обмоток 42. В некоторых вариантах осуществления электродвигатель также расположен полностью снаружи кожуха вентилятора, и тогда вал электродвигателя проходит внутрь через стенку кожуха. В вентиляторе 100 поступающий в осевом направлении воздух 14 и поступающий в осевом направлении газ 26 отклоняются на 90° и одновременно смешиваются вращающимся лопастным колесом 34. Образующаяся при этом воздушно-газовая смесь выбрасывается наружу в радиальном направлении и собирается на выпуске 38, который, как обычно, имеет увеличивающийся диаметр в направлении вращения лопастного колеса 34 (фиг.1). Выпуск 38 вентилятора переносит воздушно-газовую смесь в горелку. Также имеются варианты осуществления, в которых трубка Вентури расположена между вентилятором и горелкой, и подачу газа осуществляют в этом местоположении. Тогда блок регулирования расхода газа управляется давлением воздуха ниже по потоку от вентилятора. Это по существу не влияет на перепад давлений между газовым и воздушным потоком и, таким образом, является решением, имеющим свойства, подобные свойствам, связанным с трубкой Вентури, расположенной выше по потоку от вентилятора.

Смешивание воздуха и газа осуществляют непосредственно ниже по потоку от сужения трубки Вентури. Соотношение компонентов в воздушно-газовой смеси определяется по существу конфигурацией трубки Вентури и линии 12 подачи воздуха и линии 22 линии подачи газа. С хорошим конструктивным исполнением линий подачи газа и воздуха это реализуется таким образом, что ответвление - управляющее значение давления на выпуске блока регулирования расхода газа - является отрицательным (порядка -5 Па). В этом случае блок регулирования расхода газа (не показан) открывается только при давлении приблизительно -5 Па. Отводящее значение блока регулирования расхода газа может изменяться со временем из-за старения, потери на гистерезис и температура блока регулирования расхода газа в данном случае также являются факторами. Когда водонагреватель работает на низкой мощности, в зависимости от трубки Вентури и динамического диапазона регулирования, трубка Вентури производит пониженное давление, составляющее значение между около -30 Па и -60 Па. Изменение в несколько Паскалей в ответвлении блока регулирования расхода газа может тогда вскоре вызвать значительную разницу в соотношении газа и воздуха, что приведет к отрицательному воздействию на эффективность и выбросы (CO и NO_X) водонагревателя. При работе при более низком давлении у нижней границы диапазона имеется относительное снижение влияния изменения ответвления блока регулирования расхода газа. Это может быть реализовано посредством применения большего сужения (то есть более узкой трубки Вентури). Недостаток работы при более низком давлении состоит в том, что оно связано с большим сужением. Большее сужение вызывает большее сопротивление воздуху, которое должно быть компенсировано посредством вентилятора большей мощности. Однако вентилятор с большей мощностью в общем также имеет большие размеры, является более дорогостоящим и расходует больше энергии.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить систему подачи смеси для водонагревателя, которая при относительно низкой тепловой нагрузке водонагревателя все еще приводит к относительно низкой зависимости от изменения ответвления блока регулирования расхода газа без вышеизложенных недостатков.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение решает эту задачу посредством системы подачи смеси, выполненной с возможностью установки в водонагревателе и подачи горючей смеси в горелку водонагревателя, содержащей:

линию подачи топлива для текучего топлива;

линию подачи окислителя для текучего окислителя;

смесительную камеру для смешивания топлива и окислителя для образования горючей смеси;

выпуск для выпуска горючей смеси из смесительной камеры; и

вентилятор для побуждения топлива и окислителя протекать из соответствующей линии подачи в смесительную камеру и побуждения смеси протекать оттуда к выпуску;

при этом вентилятор выполнен с возможностью воздействия непосредственно и на топливо, и на окислитель.

Разделяя линию подачи топлива и линию подачи окислителя, можно применять различные конфигурации для обеих и оптимизировать их для требований этих линий подачи. Линия подачи окислителя выполнена таким образом, что реализуется низкое сопротивление потоку, например, посредством выбора большого диаметра для этой линии подачи. Таким образом, можно использовать вентилятор с низкой мощностью. Больший диаметр с меньшим сопротивлением линии подачи воздуха дополнительно имеет благоприятное воздействие на термоакустическое поведение котла.

В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения вентилятор содержит камеру для вентилятора, снабженную лопастным колесом;

каждая из линии подачи топлива и линии подачи окислителя выходит в открытое пространство в камере для вентилятора;

смесительная камера встроена в камеру для вентилятора;

выпуск для смеси соединен с камерой для вентилятора; и

линия подачи топлива и линия подачи окислителя содержат отдельные выходы в камеру для вентилятора.

В дополнительном варианте осуществления система подачи смеси дополнительно содержит топливный насос для нагнетания потока топлива из линии подачи топлива в смесительную камеру. Теперь, когда линия подачи топлива больше не встроена в линию подачи окислителя, топливо больше не извлекается из линии подачи топлива под воздействием трубки Вентури. Конечно, можно использовать избыточное давление, с которым газ, например, подается посредством газопроводной магистрали. Однако из соображений безопасности рекомендуется использовать блок регулирования расхода газа, ниже по потоку от которого газ активно извлекается из линии подачи газа, например, посредством топливного насоса.

В дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает систему подачи смеси, в которой поток топлива нагнетается механически.

В конкретном варианте осуществления топливный насос содержит другой вентилятор. Поскольку в общем требуется объемная часть топлива, которая намного меньше, чем объемная часть окислителя (при сгорании природного газа с воздухом приблизительно одна часть газа к девяти частям воздуха), может быть достаточно иметь вентилятор малой мощности.

В дополнительном варианте осуществления изобретение обеспечивает систему подачи смеси, в которой топливный насос встроен в линию подачи топлива, и при этом топливный насос соединен посредством трубопровода со смесительной камерой.

В еще одном варианте осуществления системы подачи смеси топливный насос встроен в камеру для вентилятора.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения вентилятор содержит кожух вентилятора, который образует камеру для вентилятора, причем кожух вентилятора имеет две стенки, расположенные друг напротив друга и образующие камеру для вентилятора в осевом направлении; и при этом каждая из линии подачи топлива и линии подачи окислителя выходит в открытое пространство в противоположной стенке.

В особенно выгодном варианте осуществления системы подачи смеси лопастное колесо выполнено в виде двухлопастного колеса, выполненного таким образом, что одна сторона лопастного колеса по существу нагнетает окислитель, а другая сторона лопастного колеса по существу нагнетает топливо. Этот вариант осуществления особенно выгоден, потому что вентилятор не должен принимать такую же тяжелую форму, как в системах подачи смеси предшествующего уровня техники, потому что линия подачи окислителя может быть выполнена с низким сопротивлением потоку. Кроме того, нет необходимости располагать отдельный топливный насос. Двухлопастное колесо имеет сторону, предназначенную по существу для того, чтобы производить поток окислителя, и сторону, предназначенную по существу для того, чтобы производить поток топлива. Обе стороны, таким образом, также могут быть оптимизированы для намеченной цели. Таким образом, в большинстве случаев (горение природного газа с воздухом) окислитель должен нагнетаться в количестве, значительно превышающем количество топлива. Поэтому в конкретном варианте осуществления лопасти на стороне окислителя имеют большую площадь поверхности, чем лопасти на стороне топлива.

Настоящее изобретение также предлагает водонагреватель, содержащий горелку для нагрева воды и систему подачи смеси, как описано выше. Примеры водонагревателей представляют собой котлы центрального отопления, водогрейные котлы, колонки для нагрева воды и совмещенные котлы.

В дополнительном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает водонагреватель, в котором по существу все топливо, воспламеняемое в горелке, поставляется посредством вентилятора. В конкретном варианте осуществления только топливо, требуемое для малой горелки, не поставляется посредством вентилятора.

В аспекте в соответствии с изобретением предложен способ смешивания текучего топлива и текучего окислителя, включающий в себя этапы, на которых: обеспечивают смесительную камеру; подают окислитель в смесительную камеру; и подают топливо в смесительную камеру; при этом окислитель и топливо по отдельности подают в смесительную камеру принудительным образом.

В соответствии с первым аспектом способа по изобретению принудительную подачу окислителя и топлива осуществляют посредством вентилятора с камерой для вентилятора, которая работает как смесительная камера, при этом окислитель и топливо переносят в камеру для вентилятора через отдельные выходы.

В соответствии с дополнительным аспектом изобретения предложен способ, дополнительно включающий в себя этап, на котором подают топливо в смесительную камеру посредством второго вентилятора.

В соответствии с другим аспектом изобретения предложен способ, в котором: камера для вентилятора образована кожухом вентилятора, содержащим две стенки, расположенные друг напротив друга и образующие камеру для вентилятора в осевом направлении; и каждая из линии подачи топлива и линии подачи окислителя выходит в открытое пространство в противоположной стенке.

В соответствии с еще одним аспектом способа по изобретению камера для вентилятора содержит лопастное колесо, выполненное в виде двухлопастного колеса, выполненного таким образом, что одна сторона лопастного колеса по существу нагнетает окислитель, а другая сторона лопастного колеса по существу нагнетает топливо.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Дополнительные варианты осуществления и преимущества изобретения описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 показывает водонагреватель, в котором может быть применена система подачи смеси в соответствии с изобретением;

фиг.2 показывает систему подачи смеси предшествующего уровня техники;

фиг.3 показывает схематичное изображение примерного варианта осуществления системы подачи смеси в соответствии с изобретением;

фиг.4 показывает вид в разрезе первого примерного варианта осуществления системы подачи смеси в соответствии с изобретением; и

фиг.5 показывает вид в разрезе второго примерного варианта осуществления системы подачи смеси в соответствии с изобретением.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Основная идея, обусловливающая настоящее изобретение, продиктована тем, что конструктивные требования к линии подачи газа и линии подачи воздуха являются до некоторой степени противоречащими друг другу. С точки зрения стоимости и энергии желательно использовать вентилятор небольшого, маломощного типа в качестве вентилятора для подачи воздуха. Это может быть реализовано посредством выбора канала подачи воздуха с низким сопротивлением воздушному потоку, например посредством выбора линии подачи воздуха с большим диаметром. В случае когда предварительное смешивание осуществляют посредством трубки Вентури, низкое сопротивление потоку имеет неблагоприятное влияние на стабильность блока регулирования расхода газа, поскольку в трубке Вентури реализуется только небольшое пониженное давление. Это приводит к тому, что возможное изменение в ответвлении блока регулирования расхода газа получает относительно большое влияние на соотношение газа и воздуха. Это предотвращают тем, что газу не позволяют пассивно втягиваться в трубку Вентури выше по потоку от вентилятора, а подают его активно или принудительно.

Этого достигают посредством использования отдельного вентилятора 220 (фиг.3) для газа. Газ входит в водонагреватель через питающий трубопровод 202. Здесь он сначала направляется через блок 210 регулирования расхода газа так, чтобы приток газа не происходил, когда пониженное давление в котле уменьшается. Вентилятор 220 извлекает газ из блока 210 регулирования расхода газа через трубопровод 22 и направляет газ далее через трубопровод 204 в смесительную камеру 230. Воздух втягивается из питающего трубопровода 12 вентилятором 30. Втянутый внутрь воздух через трубопровод 206 достигает смесительной камеры 230, в которой воздух смешивается с газом, втекающим через трубопровод 204. Наконец воздушно-газовая смесь через трубопровод 208 достигает горелки 240, где газ сгорает. Конечно, также можно не применять какое-либо предварительное смешивание. В этом случае смесительная камера 230 опускается, и воздух из трубопровода 204 и газ из трубопровода 206 протекают непосредственно в камеру 240 сгорания.

Фиг. 4 показывает вариант осуществления, в котором отдельный вентилятор 220 втягивает газ из линии 22 подачи газа, проходящей от блока регулирования расхода газа. Поток 24 газа создается лопастным колесом 334, которое приводится в действие электродвигателем 340, содержащим, помимо всего прочего, вал 336, на котором расположено лопастное колесо, и электрическую обмотку 342 вокруг нее. Газ покидает вентилятор 220 из выпуска 338 и достигает выпуска вентилятора 30 через трубопровод 204. Вентилятор 30 втягивает воздух из линии 12 подачи воздуха. Воздушный поток 14 создается лопастным колесом 34, которое расположено в кожухе 32 вентилятора и приводится в действие электродвигателем 40, который содержит электрическую обмотку 42, и вал 36 которого соединен с лопастным колесом 34 так, чтобы приводить в действие лопастное колесо 34. Воздух, втягиваемый вентилятором 30, смешивается на выпуске 38 с газом из трубопровода 204, и воздушно-газовая смесь направляется далее в горелку. Вентиляторы 220 и 30, как показано на фиг. 4, являются вентиляторами центробежного типа. Конечно, также можно использовать другие типы насоса. В настоящем изобретении выполняется активное нагнетание газа вместо пассивного всасывания газа посредством воздушного потока в трубке Вентури.

Альтернативный, но особенно выгодный вариант осуществления показан на фиг. 5. В этом варианте осуществления используется отдельный кожух 32 вентилятора, в котором имеется двухлопастное колесо 34а, 34b, приводимое в действие единственным электродвигателем 40. Электродвигатель 40 содержит электрическую обмотку 42, в которой вращается вал 36. Ротор соединен с двухлопастным колесом 34а, 34b. На первой осевой стороне кожух 32 вентилятора содержит стенку с выходом линии 12 подачи воздуха в нем. Сторона 34а двухлопастного колеса, обращенная к этой первой стороне, создает воздушный поток 14. На второй осевой стороне кожух 32 вентилятора дополнительно содержит стенку с выходом линии 22 подачи газа в нем. Сторона 34b двухлопастного колеса, обращенная к этой второй стороне, создает поток 24 газа. Воздух и газ смешиваются на периферии лопастного колеса 34а, 34b, где воздушно-газовая смесь снова покидает кожух 32 вентилятора через выпуск 38, чтобы протекать в горелку.

Наконец, фиг. 1 показывает совмещенный котел, предназначенный для нагрева водопроводной воды и подачи горячей воды центрального отопления, на которой показан вентилятор 100 в соответствии с изобретением. Линия 22 подачи газа направляет газ из блока регулирования расхода газа к вентилятору 100. Лопастное колесо 34а, 34b приводится в действие электродвигателем 40. Воздушно-газовая смесь направляется через выпуск 38 в горелку.

Варианты осуществления, показанные и описанные в данном описании, приведены исключительно как примерные варианты осуществления и ни в коем случае не должны интерпретироваться как ограничительные для изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что возможно множество корректировок и модификаций примерных вариантов осуществления в пределах данного изобретения. Таким образом, конечно, возможно объединять признаки различных вариантов осуществления, чтобы таким образом получать дополнительные варианты осуществления в соответствии с изобретением. Дополнительно, возможно смешивать газ и воздух в кожухе воздушного вентилятора или на выпуске воздушного вентилятора. Кроме того, также можно выполнять смешивание только в горелке. Поэтому запрашиваемая охрана определяется исключительно последующей формулой изобретения.

1. Система подачи смеси, выполненная с возможностью установки в водонагревателе и подачи горючей смеси в горелку водонагревателя, содержащая:
линию подачи топлива для текучего топлива,
линию подачи окислителя для текучего окислителя,
смесительную камеру для смешивания топлива и окислителя для образования горючей смеси,
выпуск для выпуска горючей смеси из смесительной камеры, и
первый вентилятор для подачи топлива из соответствующей линии подачи в смесительную камеру и подачи смеси из нее к выпуску, при этом первый вентилятор выполнен с возможностью воздействия непосредственно на топливо,
вентилятор содержит камеру для вентилятора, снабженную лопастным колесом,
каждая из линии подачи топлива и линии подачи окислителя выходит в открытое пространство в камере для вентилятора,
смесительная камера встроена в камеру для вентилятора,
выпуск для смеси соединен с камерой для вентилятора, и
отличающаяся тем, что линия подачи топлива и линия подачи окислителя содержат отдельные выходы в камеру для вентилятора, и
содержащая второй вентилятор для подачи окислителя из соответствующей линии подачи в смесительную камеру, причем второй вентилятор выполнен с возможностью воздействия непосредственно на окислитель.

2. Система подачи смеси по п. 1, дополнительно содержащая топливный насос для нагнетания потока топлива из линии подачи топлива в смесительную камеру, причем предпочтительно поток топлива нагнетается механически.

3. Система подачи смеси по п. 2, в которой топливный насос представляет собой отдельный вентилятор.

4. Система подачи смеси по п. 2, в которой топливный насос встроен в линию подачи топлива, при этом топливный насос соединен посредством трубопровода со смесительной камерой.

5. Система подачи смеси по п. 3, в которой топливный насос встроен в камеру для вентилятора.

6. Система подачи смеси по п. 2, в которой вентилятор содержит кожух вентилятора, который образует камеру для вентилятора, причем кожух вентилятора содержит две стенки, расположенные напротив друг друга и образующие камеру для вентилятора в осевом направлении, и
при этом каждая из линии подачи топлива и линии подачи окислителя выходит в открытое пространство в противоположной стенке.

7. Система подачи смеси по п. 5 или 6, в которой лопастное колесо выполнено в виде двухлопастного колеса, выполненного таким образом, что одна сторона лопастного колеса по существу нагнетает окислитель, а другая сторона лопастного колеса по существу нагнетает топливо, причем предпочтительно сторона лопастного колеса, которая нагнетает окислитель, имеет большие лопасти, чем сторона, которая нагнетает топливо.

8. Водонагреватель, содержащий горелку для нагрева воды и систему подачи смеси по любому из пп. 1-7.

9. Водонагреватель по п. 8, в котором по существу все топливо, сжигаемое в горелке, подается вентилятором.

10. Способ смешивания текучего топлива и текучего окислителя, включающий в себя этапы, на которых:
обеспечивают смесительную камеру,
подают окислитель в смесительную камеру, и
подают топливо в смесительную камеру,
при этом окислитель и топливо подают по отдельности в смесительную камеру принудительным образом,
причем принудительную подачу окислителя осуществляют посредством второго вентилятора с камерой для вентилятора, которая функционирует как смесительная камера,
при этом окислитель и топливо переносят в камеру для вентилятора через отдельные выходы,
подают топливо в смесительную камеру посредством первого вентилятора.

11. Способ по п. 10, в котором камера для вентилятора образована кожухом вентилятора, содержащим две стенки, расположенные друг напротив друга и образующие камеру для вентилятора в осевом направлении, и
каждая из линии подачи топлива и линии подачи окислителя выходит в открытое пространство в противоположной стенке.

12. Способ по п. 11, в котором камера для вентилятора содержит лопастное колесо, выполненное в виде двухлопастного колеса, выполненного таким образом, что одна сторона лопастного колеса по существу нагнетает окислитель, а другая сторона лопастного колеса по существу нагнетает топливо.