CN102293587A - 一种内燃式热水壶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种内燃式热水壶。它包括由外壁包围成的环形水腔和由内壁包围成的内部燃烧室及曲壁、肋片、注水口、排气口等；在结构设计上运用传热学原理、流体力学的知识，通过合理地优化传热过程，显著增大火焰与热水壶壶壁的接触面积，减小换热热阻，减少热能量损耗。所采用的扁口圆锥形内部燃烧室，在阻断火焰与空气的直接接触的同时，还具有增加高温烟气的停留时间的作用；曲壁和肋片显著增大了传热面积，增强了燃气侧的对流换热强度。既提高了热效率，又达到节能环保的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种家用节能型燃气热水壶，具体地说，涉及一种具有内部燃烧室的内燃式热水壶。
背景技术
众所周知，市场上销售的普通水壶的燃烧加热方式大都是开放式的，燃烧的火焰位于壶体下方的底部，然而部分火焰没有与水壶壁面充分接触就直接被排放到周围的空气中去了，直接导致30％-40％的热能量通过周围的空气白白的耗散；此外，在开放式的燃烧加热方式中，火焰与整个水壶的接触面局限在壶底的圆形平面上，传热面积较小，不利于热能量的交换，不利于节能。
中国专利CN 201468988 U中公开了一种内燃式烧水壶。该内燃式烧水壶主要结构为喇叭形内燃腔与壶体，所提出的内燃腔的设计结构，是一种有效地利用能源的方法。但该设计结构没有提出经优化的燃烧室构型，也没有采用其它强化传热的方法，未能将燃气的能量充分利用达到较好的热能量交换，达到较好的节能效果。
在专利ZL 200520076282.X中描述了一种家用节能热水壶，其主要结构为锥体胆，锥体胆内设置有与内腔相连的盘曲的热水循环管道。这种设计模式使用了水管强化传热，其设计意图是增大传热面积，提高热效率；但是该设计没有注意到使用水管加热对水质的要求很高，直接加热未经软化的普通水很容易结垢，以致堵塞水管，致使水管传热效能下降而浪费能源，不利于长期使用，也不利于环保。
上述所提及的现有技术以及改进的技术方案均未能科学合理地优化传热过程，致使其热效率较低或者使用性差，既浪费了能源又不利于环境的保护。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种具有内部燃烧室的内燃式热水壶。该内燃式热水壶是针对现有技术热效率较低、使用性能差的不足；在结构设计上运用传热学原理、流体力学的知识，通过合理地优化传热过程，增大火焰与热水壶壶壁的接触面积，减小换热热阻，减少热能量损耗，既提高了热效率，又达到节能环保的效果。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：该内燃式热水壶包括内部燃烧室、环形水腔、曲壁、肋片、注水口、排气口及壶把、壶嘴、壶盖。
本发明内燃式热水壶由外壁包围成的环形水腔和由内壁包围成的内部燃烧室两部分组成，环形水腔包围着内部燃烧室；内壁上设置有扁楔形状的肋片，肋片在内壁上呈螺旋上升式波纹型曲面；燃烧室的排气口位于壶体中间稍前部位，形成上下贯通的整体，注水口位于壶体上后部，环形水腔连通注水口和壶嘴，形成封闭的环形腔体；热水壶的上部，燃烧室曲壁与水腔外壁在排气口处接合；热水壶的下部，燃烧室曲壁与水腔外壁在壶底处接合；壶嘴和壶把焊接在壶体外壁上，且与注水口、排气口在同一平面上。
所述的内部燃烧室为椭圆扁口圆锥形，内呈上下贯通的整体，避免火焰上方正对排气口，主流烟气首先冲击燃烧室内侧壁面，再逐渐上升到排气口，增加高温烟气的停留时间，以利充分换热。
所述的肋片为扁楔形状，肋片在内壁上呈螺旋上升式波纹型曲壁，肋片高度范围为0.5cm～1.5cm，肋片高度与肋基厚度之比不小于5∶1。相邻两排肋片的距离为肋片高度的2～3倍，每排肋片包括多段，烟气可流过每段之间的间隔， 防止烟气在肋片根部的流通停滞，削弱对流传热强度。曲壁和肋片经冲压为一体成型，消除了接触热阻。肋片在曲壁靠近燃烧室一侧，曲壁水腔一侧的壁面相对简单，避免了除垢的困难，增加使用寿命。
肋片采用螺旋上升式布局，可以有效地引导热气流，防止气流堵塞，强化对流。
本发明将水壶的底面设置成向上凹的曲面，并在曲面的顶端安装柱形的通气孔道，形成了一个内部燃烧室，其作用可阻断了火焰与外部空气的直接接触；又增加了火焰与壶壁的接触面积，使火焰与壁面充分换热，将燃气的能量充分利用；将受热面由一个水平面设置成为具有一定坡度的斜面，已加热的水与未加热的水形成更强烈的自然对流，从而增强了换热。
热水壶换热过程热阻计算公式为：
∑R＝1/h1A+δ/λA+1/h2A
其中，热阻公式第一项是燃气侧对流换热热阻，为10-3级，第二项是壶壁导热热阻，为10-5级，第三项是水侧对流换热热阻，为10-4级。由以上分析可知：燃气侧为优化传热的重点。
本发明的传热过程主要通过两种方式强化燃气侧的对流传热：
一是曲壁结构。将内部燃烧室壁设置成波纹型，可以将对流换热面积增大约40％，减小热阻。
二是加装肋片。即在基础表面上增加肋片，是在一定的材料消耗下极大限度地增加传热面积的有效方法；采用加装肋片后，加大了传热的表面积；由于肋片的扰流作用，阻碍了热边界层的自由发展，增大对流换热系数，亦可减小热阻。
本发明采用了扁口圆锥形的内部燃烧室，在阻断火焰与空气的直接接触的 同时，还具有增加高温烟气的停留时间的作用；曲壁和肋片显著增大了传热面积，肋片的存在还限制了热边界层的自由发展，增强了燃气侧的对流换热强度。传热过程中，燃气侧对流换热热阻为控制热阻，由于重点强化了燃气侧的对流换热，使得整个传热过程的热阻大为降低，传热过程得到优化。最终使得该内燃式节能热水壶的热效率得到较大提高，节约燃料。
本发明采用了科学有效的强化传热方法。主要通过以下三种方式达到强化传热过程的目的：(1)将水壶内壁做成波浪型曲面，使其增大换热面积；(2)在波浪型曲面上增加肋片，并选择扁楔形状结构的肋片，增强燃气侧的对流换热；(3)采用螺旋上升式的肋片布局，引导燃气流动，限制热边界层的发展，从而起到强化对流换热的作用。
本发明热水壶是一种具有较高热效率的内燃式节能热水壶。该内燃式热水壶针对现有技术热效率较低、实用性差的不足；在结构设计上运用传热学原理、流体力学的知识，通过合理地优化传热过程，显著增大火焰与热水壶壶壁的接触面积，减小换热热阻，减少热能量损耗，既提高了热效率，又达到节能环保的效果。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种内燃式热水壶作进一步详细说明。
图1为本发明内燃式热水壶的结构示意图。
图2为图1中A处曲壁与肋片的结构放大图。
图3为本发明的扁楔形肋片示意图。
图4为本发明的肋片在燃烧室内壁的布局情况示意图。
图中：
1.壶把 2.环形水腔 3.内部燃烧室 4.肋片
5.壶嘴 6.曲壁 7.排气口 8.壶盖 9.注水口
具体实施方式
本实施例是一种内燃式热水壶。该内燃式热水壶主要包括内部燃烧室3、环形水腔2、曲壁6、肋片4、注水口9、排气口7及壶把1、壶嘴5、壶盖8。
如附图1所示，内燃式热水壶包括由外壁包围成的环形水腔和由内壁包围成的内部燃烧室两部分组成，环形水腔包围着内部燃烧室；内壁上设置有扁楔形状的肋片，肋片在内壁上呈螺旋上升式波纹型曲面；燃烧室的排气口位于壶体中间稍前部位，形成上下贯通的整体，注水口位于壶体上后部，环形水腔连通注水口和壶嘴，形成封闭的环形腔体。热水壶的上部，燃烧室曲壁与水腔外壁在排气口处接合；热水壶的下部，燃烧室曲壁与水腔外壁在壶底处接合；壶嘴和壶把焊接在壶体外壁上，且与注水口、排气口在同一平面上。
壶体材料为铝，外壁打磨，曲壁冲压后不作处理。围成燃烧室的曲壁与围成水腔的外壁分别加工，之后再按照前述的方式连接。所述的内部燃烧室为椭圆偏口圆锥形，内呈上下贯通的整体，避免火焰上方正对排气口，主流烟气首先冲击燃烧室内侧壁面，再逐渐上升到排气口，增加高温烟气的停留时间，以利充分换热。
本发明将水壶的底面设置成向上凹的曲面，并在曲面的顶端安装柱形的通气孔道，形成了一个内部燃烧室，其作用可阻断火焰与外部空气的直接接触；又增加了火焰与壶壁的接触面积，使火焰与壁面充分换热，将燃气的能量充分利用；将受热面由一个水平面设置成为具有一定坡度的斜面，已加热的水与未加热的水形成更强烈的自然对流，从而增强了换热。
参见图2、图3、图4，肋片为扁楔形状，肋片在内壁上呈螺旋上升式波纹 型曲壁，肋片高度为0.5cm～1.5cm，肋片高度与肋基厚度之比不小于5∶1。相邻两排肋片的距离为肋片高度的2～3倍，每排肋片包括若干段，烟气可流过每段之间的间隔，防止烟气在肋片根部的流通停滞，削弱对流传热强度。曲壁和肋片经冲压为一体成型，消除了接触热阻。肋片在曲壁靠近燃烧室一侧，曲壁水腔一侧的壁面相对简单，避免了除垢的困难，增加使用寿命。肋片采用螺旋上升式布局，可以有效地引导气流，防止气流堵塞，强化对流。
从肋片效果、加工、节省材料、结构稳固等方面考虑，选用扁楔形状肋片效果最佳。该肋片的优点是相对表面积大、易于加工；同时为了取得较高的肋效率，将尺寸定为肋基厚1.2mm，肋高10mm。壶体冲压成型，外壁打磨，内壁冲压后不作处理。
使用时，壶体置于燃气灶上，燃气在燃烧室中燃烧，空气从壶底进入燃烧室，火焰被封闭在内部燃烧室中，高温的烟气上升首先冲击燃烧室的侧壁面，经过曲壁和肋片，与曲壁及肋片表面充分接触并换热，之后到达排气口排出。火焰及高温烟气首先与曲壁及肋片表面发生对流换热，再通过内壁将热量传给待加热的水。
下面将普通水壶与该内燃式热水壶进行比较。
为了使两者性能对比直观明了，将普通水壶与内燃式热水壶设计为相同的外形尺寸：普通水壶底面直径20cm，高15cm；内燃式热水壶底面直径20cm，高15cm，内燃烧室底面直径18cm，高15cm。火焰温度为600℃，烟气温度180℃，水的平均温度为50℃。
普通水壶的当量受热面积为314cm2，而内燃式热水壶当量受热面积为540cm2，增加了72％；普通水壶的热效率约为45％，而内燃式节能热水壶的热效率可达到77％，增加了32％；节约燃料41.5％。
对于体积同为3.14L的水，用普通水壶加热，温度由20℃加热到100℃需要消耗标准天然气约0.0665立方米，而使用内燃式热水壶仅需要0.0389立方米。
通过两者性能对比可知，内燃式热水壶具有较高的热效率，有效减少燃料消耗，节能效果非常显著。
如下表。
| 容积/L | 当量受热面积/cm2 | 热效率 | |
| 普通水壶 | 4.71 | 314 | 45％ |
| 内燃式水壶 | 3.44 | 540 | 77％ |
| 改变量 | -18％ | 72％ | 32％ |
Claims (4)
1.一种内燃式热水壶，包括由外壁包围成的环形水腔和由内壁包围成的内部燃烧室及曲壁、肋片、注水口、排气口、壶把、壶嘴、壶盖构成，其特征在于：所述的环形水腔包围着内部燃烧室，燃烧室的排气口位于壶体中间稍前部位，注水口位于壶体上后部，环形水腔连通注水口和壶嘴，形成封闭的环形腔体；内壁上设置有扁楔形状的肋片，肋片在内壁上呈螺旋上升式波纹形曲面；壶嘴和壶把焊接在壶体外壁上，且与注水口、排气口在同一平面上。
2.根据权利要求1所述的内燃式热水壶，其特征在于：所述的内部燃烧室为椭圆扁口圆锥形，内成上下贯通的整体。
3.根据权利要求1所述的内燃式热水壶，其特征在于：所述的肋片为扁楔形状，每排肋片包括多段；曲壁和肋片经冲压为一体成型。
4.根据权利要求1或3所述的内燃式热水壶，其特征在于：所述的肋片高为0.5cm～1.5cm，肋片高度与肋基厚度之比不小于5∶1，相邻两排肋片的距离为肋片高度的2～3倍。
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2011
- 2011-07-28 CN CN2011102142802A patent/CN102293587A/zh active Pending
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