Устройство для получения горячей жидкости, в частности, горячей воды - RU2647936C2

Чертежи

Показать все 17 чертежа(ей)

Описание

Целью этого изобретения является устройство для получения горячей жидкости, в частности горячей воды, включающее по меньшей мере:

(а) сосуд, подходящий для выдерживания внутреннего давления более 3×10⁵ Па и предназначенный для содержания материала, способного накапливать тепло, в частности жидкости под давлением, преимущественно воды, для нагрева под давлением, причем указанный сосуд содержит по меньшей мере систему нагрева жидкости под давлением, преимущественно воды, с входом, подходящим для транспортировки жидкости или воды для нагрева, и выходом, подходящим для удаления горячей жидкости или горячей воды, и

(б) первичный теплообменник, проходящий в сосуде, причем указанный теплообменник подходит для циркуляции текучего теплоносителя и содержит по меньшей мере вход для транспортировки текучего теплоносителя в первичном теплообменнике и выход для удаления текучего теплоносителя.

Известны устройства этого типа, в которых первичный теплообменник имеет форму спирали, в которой протекает текучий теплоноситель, поступающий, например, от горелки. Эти устройства имеют недостаток ограниченной производительности теплового обмена, имеют проблемы с засорением спирали, значительные потери нагрузки и т.п. Более того, для этих известных устройств известковые отложения внутри или на спирали приводят к падению производительности теплового обмена и остановке устройства для выполнения химической и/или механической обработки для удаления известковых отложений. Такая химическая и/или механическая обработка может вызвать проблемы с герметизацией и/или утечкой, делая в дальнейшем теплообменник непригодным к использованию.

Также известны устройства типа «бак в баке», в которых первичный теплообменник представляет собой сосуд небольшого объема, расположенный в сосуде большего объема.

Устройство этого типа описано, например, в ЕР 1489366. В этом устройстве воду, содержащуюся в небольшом сосуде, нагревают водой, расположенной в большом сосуде. Небольшие сосуды 14, 15 на Фиг. 1 ЕР 1489366 не подходят для обеспечения нагрева воды, находящейся в большом сосуде, с производительностью, равной производительности спирали.

Настоящее изобретение направлено на создание устройства для получения горячей жидкости и горячей воды, содержащейся в сосуде, посредством теплообменника, расположенного в сосуде, в котором циркулирует текучий теплоноситель, причем указанное устройство имеет производительность теплообмена, превышающую производительность спирали. Теплообменник устройства устойчив к разрушению под действием внешнего давления, превышающего 3×10⁵ Па, преимущественно более 5×10⁵ Па.

Таким образом, предметом изобретения является устройство типа, описанного в первом абзаце данного описания, причем это устройство также отличается тем, что по меньшей мере первичный теплообменник (10) по меньшей мере частично ограничен по существу цилиндрической или конической внутренней стенкой (16) с минимальным средним внутренним диаметром 5 см, в частности с минимальным средним внутренним диаметром 10 см, преимущественно с минимальным средним внутренним диаметром 20 см и минимальной высотой 20 см, и по существу цилиндрической или конической внешней стенкой (15) со средним внешним диаметром, превышающим средний внутренний диаметр по существу цилиндрической внутренней стенки (16), и с минимальной высотой 20 см, причем указанные внутренняя и внешняя стенки (15, 16) находятся на расстоянии друг от друга, для того чтобы образовать между ними камеру с минимальной высотой 20 см, предназначенную для протекания текучего теплоносителя,

в котором внутренняя стенка (16) и/или внешняя стенка (15) имеют область, содержащую по меньшей мере два круговых ребра (18), отделенных друг от друга промежуточной линией или областью и расположенных внутри первой по существу цилиндрической области, и

в котором внешняя стенка (15) и/или внутренняя стенка (16) имеют ряд зубцов (17) по направлению к внутренней стенке (16) и по направлению к стенке (15), соответственно, причем зубцы (17) находятся на расстоянии друг от друга и образуют области опоры внешней стенки (15) на внутренней стенке (16) и внутренней стенки (16) на внешней стенке (15), соответственно, для того чтобы обеспечить минимальное расстояние между внутренней и внешней стенками (15, 16) по меньшей мере для промежуточной линии или области между круговыми ребрами (18) внутренней стенки (16) и/или внешней стенки (15).

Под средним внутренним диаметром и средним внешним диаметром понимают средний диаметр внутренней стенки, среднее значение которого вычисляют вдоль высоты внутренней стенки, и средний диаметр внешней стенки, среднее значение которого вычисляют вдоль высоты внешней стенки, соответственно. В случае по существу цилиндрических стенок средний внутренний диаметр соответствует внутреннему диаметру цилиндра, образованного внутренней стенкой, в то время как средний внешний диаметр соответствует внешнему диаметру цилиндра, образованного внешней стенкой. Цилиндр, образованный внутренней стенкой, подходит для расположения в цилиндре, образованном внешней стенкой.

В случае конических стенок средний внутренний диаметр и средний внешний диаметр определяют для части конической внутренней стенки и конической внешней стенки, следующих друг за другом, причем коническая внутренняя стенка располагается в объеме конической внешней стенки. Средний внутренний диаметр в этом случае является средним диаметров круговых концевых сечений части конической внутренней стенки, следующей за конической внешней стенкой. Средний внешний диаметр в этом случае является средним диаметров круговых концевых сечений части конической внешней стенки, следующей за конической внутренней стенкой.

Преимущественно среднее расстояние между внутренней (16) и внешней (15) стенками на уровне области или линии между круговыми ребрами (18) без учета зубцов (17) составляет от 1 мм до 40 мм, преимущественно от 1 мм до 20 мм, в частности от 1 мм до 10 мм, более преимущественно от 1 мм до 7 мм, предпочтительно от 2 до 5 мм, в то время как расстояние между внутренней (16) и внешней (15) стенками на уровне круговых ребер обладает максимумом, превышающим указанное среднее расстояние по меньшей мере на 5 мм на уровне области или линии между круговыми ребрами (18). Расстояние между данными поверхностями измеряют в направлении, перпендикулярном центральной оси внутренней стенки. Среднее расстояние является средним расстояний на единицу поверхности между стенками на уровне области или линии между круговыми ребрами без учета зубцов. Считают, что поверхности внутренней и внешней стенок являются гладкими на уровне области или линии между круговыми ребрами для вычисления указанного среднего расстояния на уровне области или линии между круговыми ребрами.

Предпочтительно среднее расстояние между внутренней (15) и внешней (16) стенками на уровне центральной области стенки, имеющей по меньшей мере два круговых ребра (18), изменяется от минимального расстояния, составляющего от 1 мм до 5 мм, преимущественно от 2 до 4 мм, до максимального расстояния, составляющего от 8 мм до 60 мм, в частности от 10 мм до 50 мм, преимущественно от 10 мм до 25 мм, предпочтительно от 10 до 20 мм.

Сосуд 1 можно использовать в устройстве для извлечения тепла, поступающего от источника экологически чистой энергии, например солнечной энергии или энергии от поверхности земли или, например, энергии, извлеченной посредством теплового насоса. В этом случае сосуд содержит материал, способный накапливать тепло и способный отдавать это тепло жидкости под давлением через систему нагрева через теплообменник типа, описанного, например, для первичного теплообменника 10. Материал, способный накапливать тепло, является материалом, способным изменять состояние, например способный переходить из твердого состояния в жидкое состояние и т.п. Примерами материалов, способных сохранять тепло, являются, например, парафины, твердые жиры, масла, водные составы, составы, содержащие соли, силикат натрия, диоксид кремния и т.п. Жидкость под давлением, нагреваемая в устройстве, содержащем такой сосуд 1, подходит для нагрева (например, низкотемпературного типа, такого как с температурой от 35°C до 90°С), например, полов, нагрева с использованием тепловых насосов и т.п.

Согласно преимущественному элементу воплощения, по меньшей мере два ребра центральной области стенки следуют друг за другом таким образом, что в поперечном сечении в плоскости, проходящей через центральную ось (АХ) рассматриваемой стенки (16), каждое определяет волнообразную неровность поверхности или волну, пик или впадина которой является закругленной, высота или глубина (h) пика или впадины, измеренная в направлении, перпендикулярном центральной оси (АХ) рассматриваемой стенки (16) относительно среднего уровня нижних концов составляет от 8 мм до 25 мм, в то время как расстояние (ЕС) между двумя последовательными пиками или двумя последовательными впадинами составляет от 0,1 до 20 высот (h) пика, преимущественно от 1 до 15 высот (h) пика, предпочтительно от 2 до 10 высот (h) пика, например от 3 до 10 высот пика, предпочтительно от 4 до 10 высот пика, преимущественно шаг (Р) каждой волны или волнообразной неровности поверхности составляет от 1 до 15 (предпочтительно от 4 до 10) высот или глубин (h) рассматриваемой волны.

Другие специальные признаки и элементы преимущественных воплощений указаны в формуле изобретения и представляют собой один или несколько или сочетание следующих особых признаков или элементов:

- устройство включает по меньшей мере три круговых ребра или молдинга (18), преимущественно последовательных, в центральной области (16В) рассматриваемой стенки (16), в частности внутренней стенки. Данная центральная область может содержать более трех ребер или молдингов, если сосуд, например, имеет значительную высоту. Количество ребер или молдингов составляет, например, 4, 5, 6, 7 или 8. Количество ребер или молдингов может быть больше 8, например, 10, 15, 20, 25, 30 и т.д. Однако, если количество молдингов или ребер значительно, они будут меньшего размера. Преимущественно эти ребра или молдинги по существу параллельны друг другу, и/или

- для обеспечения минимального расстояния между внутренней и внешней стенками по меньшей мере одна из этих стенок (15, 16), преимущественно по меньшей мере внешняя стенка, имеет зубцы (17), глубина которых составляет от 1 до 10 мм, преимущественно от 2 до 8 мм. Зубцы одной стенки направлены по направлению к другой стенке. Внутренняя стенка и внешняя стенка могут быть каждая снабжены зубцами, подходящими либо для того, чтобы зубцы одной стенки опирались на зубцы другой стенки, либо для того, чтобы зубцы одной стенки опирались на часть другой стенки, не снабженную зубцами, и/или

- чтобы обеспечить минимальное расстояние между внутренней и внешней стенками, по меньшей мере одна из указанных стенок (15, 16) имеет ряд линий (L1, L2) зубцов, каждая линия зубцов по существу проходит в плоскости, по существу перпендикулярной центральной оси (АХ) рассматриваемой стенки, плоскости двух последовательных линий зубцов находятся на расстоянии друг от друга от 10 мм до 100 мм, преимущественно от 20 мм до 80 мм, предпочтительно от 30 мм до 70 мм, и/или

- расстояние между двумя прилегающими зубцами составляет менее 100 мм, преимущественно менее 80 мм, но предпочтительно более 20 мм. Расстояние между двумя прилегающими зубцами, расположенными вдоль искривленной линии, измеряют, учитывая кривизну линии, поэтому указанное расстояние соответствует расстоянию, измеренному между зубцами, рассмотренному для развернутой (на плоскости) внешней стенки, и/или

- круговые ребра (18) стенки расположены в центральной области, расположенной между первой по существу цилиндрической областью (16А) и второй по существу цилиндрической областью (16В) рассматриваемой стенки (16). Первая по существу цилиндрическая область (16А) рассматриваемой стенки, в частности внутренней стенки (16), находится от другой стенки, в частности внешней стенки (15), на расстоянии менее 5 мм, преимущественно менее 3 мм, по меньшей мере вблизи центральной области, в частности части стенки, обеспечивающей соединение между первой областью и центральной областью, и/или

- первая область (16А) рассматриваемой стенки (например, внутренней стенки) совместно с другой стенкой (15) образует распределительную камеру (20) для текучего теплоносителя в камере (22), расположенной между центральной областью (16В) рассматриваемой стенки, в частности внутренней стенки (16), и другой стенкой, в частности внешней стенкой (15), и/или

- вторая по существу цилиндрическая область (16С) рассматриваемой стенки, в частности внутренней стенки (16), расположена от другой стенки, в частности внешней стенки, на расстоянии менее 5 мм, преимущественно менее 3 мм, по меньшей мере вблизи центральной области (16В), в частности части стенки, обеспечивающей соединение между второй областью и центральной областью, и/или

- вторая область (16С) образует коллектор (21), преимущественно обеспечивающий поток текучего теплоносителя, выходящий из камеры (22), ограниченной центральной частью (16В) рассматриваемой стенки, в частности внутренней стенки, и другой стенкой, в частности внешней стенкой (15), распределяемый по существу равномерно вдоль секции прохода, расположенной между указанной камерой (22) и указанным коллектором (21), и/или

- зубцы (17) рассматриваемой стенки, в частности внешней стенки (15), имеют по меньшей мере частично продолговатую или искривленную форму для того, чтобы направлять поток текучего теплоносителя, и/или

- первая область (16А) совместно с внешней стенкой (15) образует распределительную камеру (20) для текучего теплоносителя в камере (22), расположенной между центральной областью (16В) внутренней стенки (16) и внешней стенкой (15), и/или

- вторая по существу цилиндрическая область (16С) внутренней стенки (16) расположена от внешней стенки на расстоянии менее 5 мм, преимущественно менее 3 мм, по меньшей мере вблизи центральной области (16В), и/или

- вторая область (16С) образует коллектор (21), преимущественно обеспечивающий поток текучего теплоносителя, покидающий камеру (22), ограниченную центральной частью (16В) внутренней стенки и внешней стенкой (15), распределяемый по существу равномерно вдоль секции прохода, расположенной между указанной камерой (22) и указанным коллектором (21), и/или

- зубцы (17) рассматриваемой стенки, в частности внешней стенки (15), имеют по меньшей мере частично продолговатую или искривленную форму для того, чтобы направлять поток текучего теплоносителя, и/или

- внутренняя стенка и/или внешняя стенка имеют зубцы для того, чтобы обеспечивать минимальное расстояние между указанными внутренней и внешней стенками, образуя между ними камеру, в которой текучий теплоноситель протекает между входом и выходом, и поэтому она имеет первую плотность зубцов в первой области камеры вблизи входа и вторую плотность зубцов во второй области камеры, расположенной между первой областью и выходом, причем указанная первая плотность больше указанной второй плотности.

Согласно особенно предпочтительному воплощению внутренняя стенка (16) содержит центральную область (16В), имеющую по меньшей мере два круговых ребра (18), отделенных друг от друга промежуточной линией или областью и расположенных между первой по существу цилиндрической областью (16А) внутренней стенки и второй по существу цилиндрической областью (16С) внутренней стенки,

в то время как внешняя стенка (15) имеет ряд зубцов (17) по направлению к внутренней стенке (16), при этом зубцы (17) находятся на расстоянии друг от друга, образуя области опоры внешней стенки (15) на внутренней стенке для того, чтобы обеспечить минимальное расстояние между внутренней и внешней стенками.

Преимущественно внешняя стенка является по существу цилиндрической, не имеющей круговых ребер.

Количество зубцов внутренней стенки и/или внешней стенки может изменяться, например, в соответствии с их размером, или требуемым эффектом, или их формой, или размером первичного теплообменника. Количество зубцов на кв. м поверхности стенки или относительная количественная плотность может изменяться, например, от 10 до 1000 или даже больше на кв. м. Количество зубцов на кв. м или относительная количественная плотность составляет, например, 25, 50, 100, 200, 300, 500 или 700. Данную плотность можно изменять в соответствии с их расположениями, например, относительно камеры, расположенной между стенками.

Плотность зубцов 17 также можно выразить в % в виде отношения покрытой зубцами поверхности стенки ко всей поверхности, то есть в виде поверхностной плотности, выраженной в %. Указанная поверхностная плотность составляет, например, от 0,5% до 25% или даже больше, например 1, 2, 3, 5, 7, 10, 15 и 20%. Данную поверхностную плотность можно изменять в соответствии с их расположениями, например, относительно камеры, расположенной между стенками.

Преимущественно устройство согласно настоящему изобретению обладает сочетанием указанных особых признаков и элементов.

Согласно возможному воплощению устройство согласно настоящему изобретению содержит два или более двух первичных теплообменников (10, 101, 102), установленных параллельно и/или последовательно, например, некоторые установлены параллельно и другие установлены последовательно.

Предметом настоящего изобретения также является первичный теплообменник, такой как определен для устройства согласно настоящему изобретению.

Предметом настоящего изобретения также является применение устройства согласно настоящему изобретению для обеспечения горячей жидкости, в частности горячей воды, для центрального отопления или бытового санитарно-технического применения. При этом применении текучий теплоноситель транспортируется в промежуток, расположенный между внутренней стенкой и внешней стенкой теплообменника, тепловая энергия текучего теплоносителя затем передается воде, имеющейся в сосуде, одновременно через внешнюю стенку и через внутреннюю стенку. Поток текучего теплоносителя претерпевает значительные изменения в камере, образованной между центральной стенкой внутренней стенки и внешней стенкой, образуя таким образом турбулентный поток, преимущественно с завихрениями, образующимися в камерах, образованных на уровне круговых ребер. Помимо этого, зубцы внешней стенки и/или внутренней стенки образуют выступы, отклоняющие или направляющие поток текучего теплоносителя.

Особые признаки и элементы предпочтительных воплощений настоящего изобретения станут понятны из следующего подробного описания, в котором ссылаются на включенные чертежи.

На этих чертежах

Фиг. 1 представляет собой вид спереди устройства согласно настоящему изобретению,

Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе устройства на фиг. 1,

Фиг. 3 представляет собой аксонометрический вид первичного теплообменника,

Фиг. 4 представляет собой вид спереди первичного теплообменника,

Фиг. 5 представляет собой вид в разрезе первичного теплообменника вдоль линии А-А,

Фиг. 6 представляет собой укрупненный вид части первичного теплообменника, указанного как В на Фиг. 5,

Фиг. 7А, 7В и 7С представляют собой развернутые виды внешней стенки, снабженной другим типом зубцов, другими словами продолговатыми зубцами, для устройства согласно Фиг. 1,

Фиг. 8А и 8В представляют собой виды, аналогичные виду на Фиг. 4, но для первичного теплообменника с различными плотностями зубцов на внешней стенке,

Фиг. 9 представляет собой вид первичного теплообменника, аналогичный виду на Фиг. 5, но для теплообменника, внешняя стенка которого снабжена внешними ребрами, при этом внутренняя стенка и/или внешняя стенка снабжена зубцами,

Фиг. с 10А по 10Е представляют собой виды в разрезе примеров зубцов, в то время как Фиг. с 11А по 11Е представляют собой виды сверху данных зубцов,

Фиг. 12 представляет собой вид первичного теплообменника, аналогичного теплообменнику на Фиг. 5 и Фиг. 9,

Фиг. 13 представляет собой аксонометрический вид конкретного теплообменника, содержащего два первичных теплообменника, установленных параллельно,

Фиг. 14 представляет собой вид в разрезе теплообменника на Фиг. 13 вдоль линии XIII-XIII,

Фиг. 15 представляет собой аксонометрический вид конкретного теплообменника, содержащего два первичных теплообменника, установленных последовательно,

Фиг. 16 представляет собой вид в разрезе конкретного теплообменника, содержащего два первичных теплообменника, установленных параллельно,

Фиг. 17 представляет собой аксонометрический вид конкретного теплообменника, содержащего два первичных теплообменника, установленных частично параллельно и последовательно,

Фиг. с 18 по 20 представляют собой аксонометрический вид, вид сбоку и вид в разрезе первичного теплообменника, аналогичного теплообменнику на Фиг. 5, и

Фиг. с 21 по 23 представляют собой аксонометрический вид, вид сбоку и вид в разрезе еще одного первичного теплообменника, аналогичного теплообменнику на Фиг. 5.

Предметом настоящего изобретения является устройство для получения горячей воды, включающее (а) сосуд, подходящий для выдерживания внутреннего давления более 3×10⁵ Па, в частности давлений от 5 до 10×10⁵ Па, и предназначенный для содержания воды для нагрева под давлением, например, горячей воды для санитарных нужд, причем этот сосуд 1 содержит по меньшей мере вход 2, подходящий для транспортировки воды для нагрева в сосуд, и один или несколько выходов 3, 4, подходящих для удаления горячей воды, эти выходы 3, 4 являются окончаниями трубок 5, 6, погруженных в камеру С1 сосуда 1, и

(б) первичный теплообменник 10, проходящий в сосуде 1, причем теплообменник 10 подходит для циркуляции текучего теплоносителя и содержит по меньшей мере вход 11 для транспортировки текучего теплоносителя в первичном теплообменнике 10 и выход 12 для удаления текучего теплоносителя. Преимущественно этот теплообменник 10 устанавливают вблизи нижнего конца сосуда 1, текучий теплоноситель поступает в нижнюю часть теплообменника и выходит через верхнюю часть теплообменника. В вариантах воплощения первичный теплообменник 10 может быть расположен в других местах в сосуде, например в верхней части или в середине.

Первичный теплообменник 10, показанный на Фиг. 3, является особенно предпочтительным теплообменником. Этот теплообменник образован двумя по существу цилиндрическими металлическими стенками (преимущественно из нержавеющей стали) 15, 16, сваренными друг с другом вдоль их краев. Стенка 15 является внешней стенкой, в то время как стенка 16 является внутренней стенкой, проходящей в объеме, ограниченном стенкой 15. Внешняя сторона внутренней стенки и внутренняя сторона внешней стенки повернуты по направлению друг к другу, но находятся на некотором расстоянии друг от друга, чтобы образовывать между ними одну или более камер, в которых может циркулировать текучий теплоноситель. Внешняя стенка 15 имеет ряд зубцов 17, направленных по направлению к внутренней стенке 16. Эти зубцы 17 образуют выступы или выпуклости, предназначенные для обеспечения минимального расстояния между двумя стенками. Это минимальное расстояние получают, когда свободный конец выступа или выпуклости 17 достигает внешней стороны внутренней стенки 16 (стороны, повернутой по направлению к внутренней стороне внешней стенки 15).

Первичный теплообменник 10 включает:

- распределительную камеру 20 для текучего теплоносителя, получающую текучий теплоноситель через вход 11, причем эта распределительная камера 20 ограничена по существу круговой областью 16А внутренней стенки 16 и по существу цилиндрической областью 15А внешней стенки 15, эта область 15А имеет несколько выступов, преимущественно эта распределительная камера находится вблизи нижнего конца сосуда 1,

- коллекторную камеру 21 для текучего теплоносителя для транспортировки его на выход 12, причем эта коллекторная камера ограничена по существу цилиндрической областью 15С стенки 15 и по существу цилиндрической областью 16С внешней стенки 16, эта коллекторная камера 21 расположена на уровне выше уровня распределительной камеры 20,

- промежуточную камеру 22, расположенную между распределительной камерой 20 и коллекторной камерой 21, причем эта промежуточная камера 22 ограничена областью 15В внешней стенки 15 и областью 16В внутренней стенки 16.

Преимущественно теплообменник имеет центральную ось симметрии АХ для внутренней и внешней стенок (по меньшей мере без учета зубцов 17).

Область 15В внешней стенки является по существу цилиндрической и имеет диаметр по существу равный диаметру областей 15А и 15С.

Область 16В имеет несколько круговых ребер 18 (три в варианте воплощения, но ясно, что может быть больше трех), каждое ребро проходит между двумя прилегающими круговыми линиями внешней стенки и имеет искривленную область между этими линиями, минимальный диаметр Dmin которой меньше диаметра области 16А и области 16С внутренней стенки 16. Эти ребра позволяют областям внутренней стенки располагаться на большем расстоянии от внутренней стенки. Фактически расстояние между внешней стороной внутренней стенки 16 и внутренней стороной внешней стенки изменяется от минимального расстояния, составляющего примерно от 3 до 5 мм в области между двумя последовательными ребрами 18 и на уровне соединения области 15В с областью 15А и областью 15С внутренней стенки 15, и до максимального расстояния, составляющего от 10 до 20 мм. Минимальное расстояние по существу соответствует высоте или глубине зубца.

Ребра образуют последовательные волны или волнообразные неровности поверхности, которые в варианте воплощения по существу идентичны друг другу. Эти волны или волнообразные неровности поверхности каждый имеют пик S на расстоянии от внешней стенки 15, составляющем от 10 до 20 мм (максимальное расстояние). Пики двух последовательных волн или волнообразных неровностей поверхности находятся друг от друга на расстоянии от 4 до 6 максимальных расстояний или высот пика (или средних высот пиков двух последовательных волн или волнообразных неровностей поверхности, если волны или волнообразные неровности поверхности имеют пики, расположенные на различных расстояниях относительно внутренней стороны внешней стенки 15).

Преимущественно зубцы 17 расположены вдоль прилегающих линий L1, L2 и т.д., причем каждая линия расположена в плоскости, по существу перпендикулярной центральной оси АХ стенок 15, 16, причем плоскости двух прилегающих линий находятся друг от друга на расстоянии, составляющем от 30 до 70 мм. Хотя зубцы 17 различных линий могут располагаться вдоль линии, параллельной оси АХ, зубцы 17 прилегающих линий также легко могут и не располагаться вдоль линии, параллельной оси АХ. Преимущественно, круговые линии, вдоль которых располагаются зубцы, смонтированы так, чтобы зубцы были способны опираться на внешнюю сторону внутренней стенки 16 вдоль круговых линий, ограниченных двумя прилегающими ребрами, а также на уровне линий, соединяющих концевые ребра с областями 16А и 16С внутренней стенки.

В воплощении на Фиг. 6 зубцы имеют форму, определяющую по существу сферическое углубление или по существу сферическую выпуклость, причем диаметр углубления, измеренный вдоль внешней стороны внешней стенки, составляет, например, от 2 до 10 мм. Два ребра 18 следуют друг за другом таким образом, что в поперечном сечении в плоскости, проходящей через центральную ось (АХ) внутренней стенки (16), каждое определяет две волны V, пик которых закруглен, каждая волна проходит между нижними концами двух следующих друг за другом ребер, высота (h) пика, измеренная в направлении, перпендикулярном центральной оси (АХ) внутренней стенки (16) относительно среднего уровня этих нижних концов составляет от 8 до 25 мм, в то время как расстояние (ЕС) между этими пиками составляет от 2 до 10 высот (h) пика, преимущественно от 3 до 8 высот пика, предпочтительно от 4 до 6 высот пика, преимущественно шаг (Р) каждой волны составляет от 2 до 6 высот (h) пика рассматриваемой волны. Расстояние ЕС равно шагу Р двух волн, следующих друг за другом без промежуточной области.

На Фиг. 7А показана пластина 15 перед изгибом, предназначенная для использования для изготовления внешней оболочки первичного теплообменника 10 для устройства, аналогичного устройству на Фиг. 1, причем эта пластина 15 отличается только формой зубцов 17, при этом зубцы, имеющие продолговатую форму, не параллельны оси АХ стенок 15, 16, так что они направляют текучий теплоноситель, или по меньшей мере его часть, в направлении, не параллельном оси АХ. Это позволяет даже более улучшить турбулентность потока текучего теплоносителя в камерах, образованных между ребрами и внешней стенкой 15.

На Фиг. 7В зубцы 17 имеют форму креста с четырьмя ребрами 17А, 17 В, 17С, 17D, иногда расположенными так, что два ребра по существу параллельны оси АХ, иногда расположенными так, что все ребра образуют угол (например, от 15° до 75°) с осью АХ.

На Фиг. 7С стенка 15 имеет различные линии зубцов 17, например линию продолговатых зубцов, наклоняющихся относительно оси АХ в области 15А вблизи входа текучего теплоносителя, это делается для того, чтобы обеспечить по существу спиралевидное движение текучего теплоносителя в распределительной камере 20, линии зубцов в форме заострений в области 15В, чтобы обеспечить турбулентность в камере 22, образованной между круговыми ребрами внутренней стенки и внешней стенкой, и линии продолговатых зубцов, наклоняющихся относительно оси АХ в коллекторной камере, чтобы увеличить путь текучего теплоносителя в камере 21.

На Фиг. 8А и 8В показаны теплообменники, аналогичные теплообменнику на Фиг. 5.

В воплощении на Фиг. 8А плотность зубцов или количество зубцов на кв. м (d1) сравнима в области 15А стенки 15 и в областях стенки 15, прилегающих к областям (15D), осуществляющим соединение между двумя последовательными ребрами 18. Количество зубцов 17 на кв. м или плотность на уровне ребер (d2) ниже плотности d1. Количество зубцов 17 на кв. м или плотность d3 на уровне области 15С ниже плотности d1 и преимущественно ниже плотности d2.

В воплощении на Фиг. 8В плотность зубцов и их формы изменяются в соответствии с областями стенки 15.

Фиг. 9 представляет собой вид первичного теплообменника, аналогичного теплообменнику на Фиг. 5, кроме того, что ребра расположены вдоль внешней стенки 16 и зубцы 17 одновременно присутствуют вдоль внешней стенки 16 и внутренней стенки 15.

Преимущественно, усиливающие элементы R используют для ограничения движения стенок относительно друг друга.

Фиг. 12 представляет собой вид, аналогичный представленным на Фиг. 5 и Фиг. 9, теплообменник имеет ребра 18 и зубцы 17 одновременно вдоль внутренней стенки 16 и вдоль внешней стенки 15. В показанном воплощении круговое ребро одной стенки расположено после цилиндрической области внешней стенки с зубцами или без зубцов, но предпочтительно с зубцами 17.

Фиг. 10А-Е и Фиг. 11А-Е представляют собой изображения примеров зубцов, приведенные только в качестве примера. Зубец 17 на Фиг. 10А и Фиг. 11А является по существу полусферическим или находится в форме по существу полусферической части. Зубец 17 на Фиг. 10В и Фиг. 11 В является по существу коническим или представляет собой усеченный конус. Зубец 17 на Фиг. 10С и Фиг. 11С имеет форму тетраэдра, в частности по существу пирамиды. Зубец 17 на фиг. 10D и 11D находится в форме полиэдра, например, с 6 гранями. Зубец 17 на Фиг. 10Е и Фиг. 11Е имеет форму усеченного конуса, верхняя часть которого закруглена.

Фиг. 13 представляет собой аксонометрический вид теплообменника согласно настоящему изобретению, содержащего несколько первичных теплообменников 101, 102 (в данном случае два), установленных параллельно. Первичные теплообменники 101, 102 являются первичными теплообменниками типа, показанного, например, на Фиг. 1 - Фиг. 6. Каждый первичный теплообменник содержит по существу цилиндрическую или коническую внешнюю стенку 15 и по существу цилиндрическую или коническую внутреннюю стенку 16, причем внешняя стенка имеет ряд зубцов 17, в то время как внутренняя стенка имеет ряд круговых ребер 18. Камера для протекания текучего теплоносителя ограничена этими внутренней и внешней стенками каждого первичного теплообменника.

В случае Фиг. 13 первичный теплообменник 101 расположен в промежутке, ограниченном первичным теплообменником 102. Преимущественно, например, внутренний первичный теплообменник 101 длиннее внешнего первичного теплообменника 102.

Расстояние (измеренное между ближайшими точками первичных теплообменников 101, 102) между теплообменниками 101, 102 может изменяться, однако оно составляет, например, от 2 см до 30 см, преимущественно от 2 см до 10 см. В этом преимущественном воплощении круговые ребра 17 первичных теплообменников расположены вдоль внутренней стенки каждого теплообменника. Центральная ось А-А внутреннего первичного теплообменника 101 соответствует центральной оси внешнего первичного теплообменника 102. Первичные теплообменники 101, 102 могут не быть коаксиальными.

В воплощении на Фиг. 13 первичные теплообменники 101, 102 установлены параллельно. Вход 11, через который транспортируют текучий теплоноситель, транспортирует жидкость в нижнюю часть первичного теплообменника 102, а также в нижнюю часть теплообменника 101. После прохождения в первичные теплообменники, текучий теплоноситель проходит в выход 12, соединенный с верхней частью каждого теплообменника 101, 102. Очевидно, что возможны другие системы, обеспечивающие параллельное соединение теплообменников.

Один или более первичных теплообменников 101, 102 могут быть конического типа с наклоном α, β относительно прямой линии, параллельной оси А-А, составляющим, например, от -60° до 60° вместо того, чтобы быть по существу цилиндрическими. Преимущественно наклон теплообменников по существу равен тому, который поддерживает по существу постоянное расстояние между первичными теплообменниками.

Теплообменник на Фиг. 15 содержит два первичных теплообменника 101, 102, аналогичных теплообменникам на Фиг. 13. В данном воплощении в первичный теплообменник 102 подают текучий теплоноситель вблизи одного из его концов (в данном случае в конец 102 В, повернутый вниз) через вход 11. Текучий теплоноситель выходит из первичного теплообменника 102 на уровне его другого конца (в данном случае из отверстия или прохода 102А, диаметрально противоположного проходу 102В и повернутого вверх) через трубопровод 103, затем текучий теплоноситель транспортируют через этот трубопровод 103 в конец 101А первичного теплообменника 101 (в данном случае в конец, прилегающий к выходу для текучего теплоносителя первичного теплообменника 102). Текучий теплоноситель выходит из первичного теплообменника 101 вблизи его другого конца 101В (в данном случае из отверстия 101 В, диаметрально противоположного отверстию или проходу 101А и повернутому вниз) через выход 12.

Вход 11 и выход 12 затем сближаются друг с другом. В этом воплощении первичные теплообменники установлены последовательно.

Один или более первичных теплообменников 101, 102 могут быть конического типа с наклоном а, 3 относительно прямой линии, параллельной оси А-А, составляющим, например, от -60° до 60° вместо того, чтобы быть по существу цилиндрическими. Преимущественно наклон теплообменников по существу равен тому, который поддерживает по существу постоянное расстояние между первичными теплообменниками.

Теплообменник на Фиг. 17 представляет собой теплообменник, аналогичный теплообменнику на Фиг. 13 и Фиг. 15, однако первичные теплообменники 101, 102 действуют частично параллельно и частично последовательно. Здесь также первичные теплообменники могут по существу быть коническими, вместо того, чтобы по существу быть цилиндрическими.

В этом воплощении через вход 11 транспортируют текучий теплоноситель в конец внешнего первичного теплообменника 102 (конец 102В, повернутый вниз), в то время как текучий теплоноситель выходит из первичного теплообменника 102 в другом конце 102А (проход 102А, диаметрально противоположный проходу 102В и повернутый вверх). Во внутренний первичный теплообменник 101 подают текучий теплоноситель через отверстие 101 А, расположенное в конце первичного теплообменника 101 на расстоянии от конца 102В. Отверстие 101А соединено с выходом 102С внешнего первичного теплообменника 102 через трубопровод 105. Выход 102С расположен по существу в области теплообменника 102, параллельной оси А - А и содержащей проход 102В, искривленная область проходит в угловой секции у. составляющей менее 30°. Текучий теплоноситель выходит из внутреннего первичного теплообменника 101 через проход 101В, диаметрально противоположный проходу 101А и расположенный вблизи конца теплообменника 101, противоположного тому, в котором расположен проход 101А. Текучий теплоноситель, выходящий из внутреннего первичного теплообменника 101 через проход 101В, транспортируют во внешний первичный теплообменник 102 через проход 102D через трубопровод 106. Проход 102D расположен по существу в области теплообменника 102, параллельной оси А-А и содержащей проход 102А, искривленная область проходит в угловой секции у. составляющей менее 30°C.

Очевидно, что первичные теплообменники 101, 102 могут содержать один или более дефлекторов для регулирования количества текучего теплоносителя, проходящего через внутренний первичный теплообменник 101 относительно общего количества текучего теплоносителя, протекающего между входом 11 и выходом 12.

Также очевидно, что теплообменники могут быть по существу коническими или даже в форме гиперболоида, вместо того, чтобы быть по существу цилиндрическими. На Фиг. 18-20 показан корпус первичного теплообменника, имеющий по существу коническую общую форму, в то время как на Фиг. 21-23 показан корпус теплообменника по существу в форме гиперболоида или сочетания двух по существу конических первичных теплообменников.

Преимущественно в предпочтительных воплощениях первичный теплообменник или первичные теплообменники по существу являются цилиндрическими.

Испытания по применению устройства согласно Фиг. 1-6 для получения горячей воды для центрального отопления или бытовых санитарно-технических нужд показали, что было возможно получить лучшую производительность теплообмена по сравнению со спиралью, имеющей такую же поверхность теплообмена и изготовленной из той же нержавеющей стали, как и теплообменник согласно настоящему изобретению. В устройстве согласно настоящему изобретению текучий теплоноситель транспортируют в промежутке, расположенном между внутренней стенкой и внешней стенкой теплообменника, тепловая энергия текучего теплоносителя затем передается воде, имеющейся в сосуде, одновременно через внешнюю стенку и через внутреннюю стенку. Поток текучего теплоносителя испытывает значительные изменения в камере, образованной между центральной стенкой (с ребрами) внутренней стенки и внешней стенкой, образуя таким образом турбулентный поток, преимущественно с завихрениями, образующимися в образованных камерах на уровне круговых ребер. Помимо этого, зубцы внешней стенки образуют выступы, отклоняющие поток текучего теплоносителя. Отмечали, что такое устройство позволяло удалять известковые отложения, осаждаемые как на внутренней, так и на внешней стенках, и поэтому обеспечивало хорошую производительность теплообмена, обеспечиваемую в течение продолжительного периода. Также отмечали, что вода быстро нагревалась первичным теплообменником, и что большую часть тепловой энергии текучего теплоносителя удавалось передать воде.

Эти испытания по применению устройства согласно настоящему изобретению (показанного на Фиг. 1-6) показали следующие преимущества по сравнению с устройствами, использующими нагревательную спираль или установку с обогревательной трубой:

- меньшую потерю давления проходящего текучего теплоносителя. Такую сниженную потерю давления наблюдали даже спустя более 6 месяцев непрерывного использования устройства,

- устройство по изобретению обеспечивало лучший теплообмен при том же давлении циркуляционного насоса,

- насос потреблял меньше мощности для такого же теплообмена,

- в устройстве по изобретению было возможно обеспечить разницу температур между входом и выходом, составляющую менее 5°C, например, примерно 3°C, что невозможно в сравнительных устройствах с тем же теплообменом. Эта небольшая разница температур между входом и выходом устройства по изобретению еще более улучшает теплообмен, а также позволяет лучше его контролировать,

- возможно значительно уменьшить поверхность обмена в устройстве по изобретению, чтобы обеспечить перенос того же количества тепла. Поэтому устройство по изобретению может иметь меньшие размеры по сравнению с существующим устройством, при этом обеспечивая достижение такого же теплообмена.

- лучшее использование воды, нагретой устройством по изобретению, по сравнению с устройством не по изобретению,

- устройство может иметь очень компактную форму при той же мощности, что позволяет устанавливать его в небольших пространствах и помещениях, в которых стоимость является значительной, например в специально оборудованных убежищах, укрытиях, чистых помещениях, помещениях для компьютеров или помещениях для биологических/микробиологических устройств. Указанная компактность устройства по изобретению также означает меньшее использование материала, более низкую массу и, как следствие, легкость установки по сравнению с устройством не по изобретению с той же мощностью,

- меньшее осаждение известковых отложений, образующихся в и на первичном теплообменнике (10) устройства по изобретению. Очевидно, что эти уменьшенное осаждение известковых отложений обусловлено деформациями или относительными движениями стенок относительно друг друга. Такое уменьшенное образование известковых отложений обеспечивает лучший теплообмен даже после длительного периода времени.

Устройство на Фиг. 1 также можно использовать для извлечения тепловой энергии, поступающей от источника экологически чистой энергии, например солнечной панели. Затем жидкость, содержащуюся в сосуде 1, можно использовать для центрального отопления здания, например, через пол. В случае сосуда, содержащего материал, предназначенный для хранения тепловой энергии, преимущественно сосуд 1 затем соединяют с другим теплообменником, например, типа теплообменника 10, чтобы нагревать жидкость, в частности воду.

Реферат

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в нагревателях горячей воды. Устройство для получения горячей воды, содержащее первичный теплообменник, проходящий в сосуде, причем указанный теплообменник образован, по существу, цилиндрической внутренней стенкой и, по существу, цилиндрической внешней стенкой, по меньшей мере одна из которых имеет по меньшей мере два круговых ребра. Технический результат – расширение арсенала технических средств. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 33 ил.

Формула