CN110945296A - 高效燃气热水器 - Google Patents

Abstract

一种热水器具有水箱、燃烧器以及在具有三个管的水箱内部容积内的热交换器。燃烧器将气体排放到第一管中。第二管是非线性的，并且第三管将第一管与第二管连接。第一管的横截面积大于第三管的横截面积。第三管的横截面积大于第二管的横截面积。

Description

高效燃气热水器

背景技术

已知用于通过燃烧燃料和空气的混合物来生成用于贡献给容纳在热水器水箱内的水的热量的各种设备和方法。在这种布置的示例中，气体燃烧器布置在水箱下方，与燃料源、空气源以及点火器连通，使得在启动点火器时，气体/空气混合物在水箱下方的区域、燃烧器盒或燃烧室内的燃烧器表面处燃烧。燃烧加热水箱下方的容积，这允许热量通过水箱底板传递到水箱的内部容积和内部容纳的水。另外，烟道管从燃烧器盒向上延伸并穿过水箱容积，以接收并允许燃烧废气通过箱体。美国公开专利申请2011/0214621(此处为了所有目的以引证的方式将该申请的整个公开并入)公开了挡板的使用，该挡板布置在中心烟道管内，以促进热量从废气向烟道管壁传递并从而传递到包围烟道管的水箱内的水。如果废气通过烟道管上升，则在烟道管的顶部处从管传入布置在水箱外部和上方的歧管中。气体从歧管传入次级管中，该次级管与第一烟道管平行地向下返回延伸穿过水箱壁的顶部并返回到水箱内部容积中。在内部水箱容积的底部附近，管旋转并开始围绕初级烟道管的盘管，从而增加了内部容积内的次级管的表面积，并且对应地增加了热量从流经管的气体到管壁并从那里到管周围水箱中的水的传递。次级管从盘管向外延伸穿过水箱的侧壁到达鼓风机，该鼓风机产生负压，从而从歧管中抽出废气，通过次级管并从水箱离开到达排气系统。在另一个实施方式中，在主管延伸穿过顶壁之前，次级管连接到内部水箱容积内的主管。

美国专利7559293公开了一种燃气热水器，该燃气热水器具有包括鼓风机和顶燃式燃烧器的顶燃式燃烧系统。鼓风机接收燃料和空气的混合物，并且将混合物推到圆柱形燃烧器，该燃烧器竖直向下延伸到竖直管中，该竖直管延伸穿过热水器内部容积的中心。中心管向下延伸穿过水箱内部容积和水箱底壁，到达收集器。当启动点火器时，燃料/空气混合物在燃烧器表面处点火并燃烧。鼓风机将废气竖直向下推动穿过中心管，这允许热量从废气穿过中心管壁传递到水箱中的水。废气收集在底部收集器中，然后穿过从下收集器向上延伸的多根管，穿过底部水箱壁，穿过顶部水箱壁并上升到第二上收集器。废气从上收集器向下返回穿过延伸穿过上水箱壁的第二多根管，穿过水箱内部容积，穿过底部水箱壁并到达第三下收集器，废气从第三收集器排出系统。

发明内容

根据本发明的实施方式的一种热水器具有水箱，该水箱限定用于容纳水的内部容积。燃烧器与燃料源和空气源连通。具有第一横截面积的第一烟道管大体竖直地延伸到内部容积中，并且被布置为与燃烧器连通，使得第一烟道管的内部从来自燃料源的燃料在燃烧器处的燃烧接收排放流体。第二烟道管布置在内部容积内并且具有第二横截面积和长度。第二烟道管在内部容积内的沿着其长度至少一部分是非线性的。第三烟道管具有第三横截面积，并且与内部容积内的第一烟道管流体连通地附接。第三烟道管与内部容积内的第二烟道管流体连通地附接，并且在第一烟道管与第二烟道管之间延伸，使得来自第一烟道管的排放流体经由第三烟道管流到第二烟道管。第三烟道管的内表面在第三烟道管的从其到第二烟道管的附接延伸的至少一部分上朝向第二烟道管倾斜。出口从内部容积穿过水箱延伸到水箱外部的区域。第二烟道管连接到出口，使得排放流体从第二烟道管流过出口。第二烟道管在其在第三烟道管与出口之间的长度上朝向出口倾斜。第一横截面积大于第三横截面积。第三横截面积大于第二横截面积。

在另外的实施方式中，一种热水器具有水箱，该水箱限定用于容纳水的内部容积。燃烧器与燃料源和空气源连通。第一烟道管具有从燃烧器向下延伸到内部容积中的第一横截面积，并且布置为与燃烧器连通，使得第一烟道管的内部从来自燃料源的燃料在燃烧器处的燃烧接收排放流体。第二烟道管布置在内部容积内并且具有第二横截面积和长度。第二烟道管在内部容积内沿着其长度的至少一部分是非线性的。第三烟道管具有第三横截面积，并且与内部容积内的第一烟道管流体连通地附接。第三烟道管与内部容积内的第二烟道管流体连通地附接，并且在第一烟道管与第二烟道管之间的内部容积内延伸，使得来自第一烟道管的排放流体经由第三烟道管流到第二烟道管。第三烟道管的内表面在第三烟道管的从其到第二烟道管的附接延伸的至少一部分上朝向第二烟道管倾斜。出口穿过内部容积穿过水箱延伸到水箱外部的区域。第二烟道管连接到出口，使得排放流体从第二烟道管流过出口。第二烟道管在其在第三烟道管与出口之间的长度上朝向出口倾斜。第一横截面积大于第三横截面积。第三横截面积大于第二横截面积。

一种制造燃料燃烧存储型热水器的方法的实施方式，该热水器具有：燃料燃烧器；水箱，该水箱用于在内部容纳水；以及烟道，该烟道相对于燃烧器布置为接收来自燃烧器的燃烧气体，并且从烟道附近延伸穿过水箱的内部到达热水器的出口，该方法包括以下步骤：限定将存储在内部中的水的容积；估计烟道的表面积；确定烟道的初始几何构造，该几何构造包括在燃烧器与出口之间的烟道的内部横截面积；以及基于所限定的容积、所估计的表面积以及几何构造对热水器的操作建模。从建模步骤确定在热水器的操作期间从烟道传递到容积中的水的热量。重复改变几何构造，并且对于每个改变的几何构造重复建模步骤。基于在各个建模步骤中在维持热水器的操作期间传递的至少预定水平的热量的同时，使几何构造中的烟道的表面积最小化，从所述几何构造选择一个几何构造。将具有所选几何构造的烟道组装到具有所限定容积的水箱中。

一种制造燃料燃烧存储型热水器的方法的另外实施方式，该热水器具有：燃料燃烧器；水箱，该水箱用于在内部容纳水；以及烟道，该烟道相对于燃烧器布置为接收来自燃烧器的燃烧气体，并且从烟道附近延伸穿过水箱的内部到达热水器的出口，该方法包括以下步骤：限定将存储在内部中的水的容积；估计烟道的表面积；确定烟道的初始几何构造，该几何构造包括在燃烧器与出口之间的烟道的内部横截面积；以及基于所限定的容积、所估计的表面积以及几何构造对热水器的操作建模。从建模步骤确定在热水器的操作期间从烟道传递到容积中的水的热量。重复改变几何构造，并且对于每个改变的几何构造重复建模步骤。基于在各个建模步骤中进行的几何构造中的烟道的表面积的优化和在热水器的操作期间传递的热量的优化，从所述几何构造选择一个几何构造。将具有所选几何构造的烟道组装到具有所限定容积的水箱中。

并入在本说明书中并构成其一部分的附图例示了本发明的一个或多个实施方式。

附图说明

本发明的方面可以参照以下附图来更佳地理解。附图中的部件不是必须等比例。说明书中阐述了包括本发明的最佳模式的、本发明的能够公开的内容，该公开参照了附图，附图中：

图1是根据本发明的实施方式的燃气热水器的局部立体图；

图2是如图1中的燃气热水器的局部分解图；

图3是如图1中的燃气热水器的局部剖视图；

图4是如图1中的燃气热水器的侧视图，以分解图例示了预混燃烧器组件；

图5是如图1中的燃气热水器的顶视图；

图6是如图1中的燃气热水器的烟道管系统的侧视图；

图7是如图6中的烟道管组件的局部正视图；

图8是如图6中的烟道管组件的底视图；

图9是如图6中的烟道管组件的分解图；

图10是如图6中的烟道管组件的立体图；

图11是如图1中的燃气热水器的局部分解图，部分为剖视图；

图12是如图1中的燃气热水器的局部分解图，为剖视图；

图13是如图1中的燃气热水器的局部分解图，部分为剖视图；

图14是如图1中的燃气热水器的局部侧视图，部分为剖视图；

图15是如图1中的燃气热水器的局部侧面分解图，部分为剖视图；

图16是如图1中的燃气热水器的局部侧视图，部分为剖视图；

图17是在设计在如图1中的燃气热水器中使用的烟道管系统时使用的优化过程的一部分的图形表示；

图18是如图1中的燃气热水器的设计中的方法步骤的流程图；以及

图19是用于设计如图1中的燃气热水器的系统的示意图。

附图标记在本说明书和附图中的重复使用旨在表示本发明的实施方式的相同或类似特征或元素。

具体实施方式

现在将对本发明的特定实施方式详细地进行参照，附图中例示了本发明的一个或多个示例。每个示例用说明本发明而不是限制本发明的方式来提供。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，可以在不偏离本发明的精神或范围的情况下在这种示例中进行修改和变更。比如，被例示或描述为一个实施方式的一部分的特征可以用于另一个实施方式上，以产生又一个实施方式。由此，预期本发明覆盖如在所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变更。

如在说明书和所附权利要求中使用的术语“或”旨在意指包括的“或”而不是排他的“或”。即，除非另外指示或从上下文清楚的，否则短语“X采用A或B”旨在意指任意自然的包括排列。即，短语“X采用A或B”由以下情况中的任意一种来满足：X采用A；X采用B；或者X采用A和B这两者。另外，如在本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”和“一个”通常应被解释为意指“一个或多个”，除非另外指示或从上下文中清楚地致力于单数形式。贯穿说明书和权利要求，以下术语至少采取在此明确关联的含义，除非上下文另外指示。以下识别的含义不是必须限制这些术语，而是仅提供术语的例示性示例。“一”、“一个”以及“所述”的含义可以包括复数引用，并且“在......中”的含义可以包括“在......中”和“在......上”。虽然如此处使用的短语“在一个实施方式中”可以意指同一实施方式，但不是必须如此。

将依据可以包括若干装置、部件、模块等的系统来呈现各种方面或特征。要理解，各种系统可以包括另外的装置、部件、模块等，和/或可以不包括结合附图讨论的所有装置、部件、模块等。也可以使用这些方法的组合。

进一步地，涉及相对于热水器的方位的方向或位置的术语，诸如但不限于“竖直”、“水平”、“上”、“下”、“上方”或“下方”，如在图4中和在图1的立体图中指示的，是指在热水器的正常预期运行中相对于热水器的方位的方向和相对位置。由此，比如，术语“竖直”和“上”在图4的立体图和图1的立体图中是指竖直定向和相对上部位置，并且即使是相对于可以布置在不同方位的热水器，在该背景下也应理解这些术语。

现在参照图1，热水器10包括竖直定向的、大体圆柱形的水箱主体12。主体12由圆顶顶壁或头部14、圆柱形侧壁部16以及底壁部18限定(图2)。侧主体壁16、顶壁14以及底壁18通常限定用于在内部存储水的内部容积20(图3)。在当前描述的实施方式中，容积20容纳约100加仑的水(如下所述，在插入热交换器48之后)，但是应理解，这仅是示例，并且热水器容量可以变化。侧壁16、顶壁14以及底壁或底板18可以由热水器的构造常用的材料形成，例如具有玻璃或瓷釉内表面的碳钢外壁层或未涂覆的不锈钢。凸起的安装肩部17和19支撑用于阳极的安装夹具，这些阳极借助中心孔延伸穿过肩部进入热水器内部中。肩部21支撑用于恒温器的安装夹具，该恒温器借助中心孔延伸穿过肩部，以测量热水器的上部中的水温。安装肩部23支撑第二恒温器，该第二恒温器借助中心孔延伸穿过侧壁16，以测量热水器的下部中的水温。管件25允许将排放阀安装在水箱的底部。

冷水入口管件22延伸穿过水箱主体12的底部处的侧壁16。管件22被构造为密封地附接到冷水入口管线，该冷水入口管线流体地连接到市政冷水系统并从市政冷水系统抽水。如应理解的，这种市政冷水源将处于压力下，使得随着水从水箱12取出，市政水源管线借助管件22将冷水移动到内部容积20中。热水出口管件24在水箱的上部处延伸穿过水箱12的侧壁16。管件24被构造为密封地附接到热水管线，该热水管线延伸到热水器系统10所位于的住宅或商业建筑物中。该热水管线(未示出)通向遍及建筑物的电器和水龙头的热水管线。

将注意，热水出口管件布置在水箱的顶部，而冷水入口管件布置在底部。由于冷水比较暖的水浓，因此，除非水箱包括用于不断混合水箱内的水的机构，否则热水加热器中的较暖的水将更靠近水箱的顶部。

参照图1至图4，容纳在内部容积20中的水被由预混燃烧器系统26提供的热量加热，该预混燃烧器系统26包括鼓风机28、进气文丘里管30、气体输入阀31、输出管32以及燃烧器34。鼓风机28限定了凸缘36，该凸缘包围鼓风机的输出，并且在输出管32的上端处附接到配合凸缘37。在管32的相对端处是凸缘42，该凸缘抵靠燃烧器34的相对凸缘44齐平地装配。鼓风机凸缘36附接到输出管32上端处的相对凸缘37，并且输出管32下端处的凸缘42通过螺钉、铆钉或其他合适的手段附接到燃烧器34的上凸缘44，使得鼓风机28、输出管32以及燃烧器34形成模块化组件，该组件可以附接到热水器10并是热水器的一部分。更具体地且参照图4，预混燃烧器系统26经由燃烧器的凸缘44在输出管32的凸缘42处附接到中心燃烧管40的凸缘46，该中心燃烧管40向下延伸到水箱容积20中。凸缘42、44以及46可以通过任意合适的手段彼此附接，例如螺钉或铆钉。垫片可以布置在燃烧器系统的各种部件和燃烧管40的相对凸缘之间。点火器(未示出)安装到燃烧器34的凸缘44并从其向下延伸到燃烧管40的内部并且靠近燃烧器34的外表面。

在运行时，控制系统(未示出)响应于水箱容积20内的水温来选择性地启动阀31、鼓风机28以及点火器。控制系统可以包括温度传感器，诸如热敏电阻，该温度传感器布置在水箱12与内部容积20相对的一个壁(例如侧壁16)上，使得温度传感器检测水箱内的水温并输出与温度对应的信号。控制器(例如包括一个或多个处理器或其他计算装置)接收信号并执行计算机可执行程序指令，例如软件程序，这些指令被配置为在由控制器执行时，根据当前条件将由信号指示的水温与预定的低设定点或预定的高设定点温度进行比较。例如，在启动时或相反在燃烧器不运转时，控制器根据传感器信号确定水温，并且将该温度与低设定点进行比较。如果水箱水温高于低设定点，则控制器不立即采取行动，而是继续连续或间歇地检测温度信号。如果在启动时或从燃烧器/热水器的不运转状态起，对应于温度信号的温度低于低设定点，或者如果由温度信号表示的温度在最初高于低设定点后下降至低设定点以下，则存在应向水箱水贡献热量的条件。因此，控制器向一个或多个继电器/开关输出信号，该信号使继电器/开关将电源电连接到阀31、鼓风机28(更具体地，驱动鼓风机28中的鼠笼式转子的马达47)以及点火器，从而启动这三个部件。

阀31从附接到阀的加压天然气管线(未示出)接收气体或其他燃料流。阀的启动使得可以经由继电器响应于来自控制器的信号由螺线管驱动的阀打开，从而允许气体流经阀并进入进气文丘里管30的内部室中。进气文丘里管30在鼓风机28的上游。进气管的输出端被鼓风机28的输入端口49接收并通向该端口，使得鼓风机的启动将空气流抽取穿过管30的开放输入端51，穿过进气管的内部室以及输入端口49，并且进入鼓风机的内部。由此，文丘里管具有两个流体输入、燃料源以及空气源。经由阀31向该空气流中喷射气体使燃料与空气混合至由气体压力和流量、阀31打开的程度、管30的构造以及鼓风机的速度和容量确定的比率。鼓风机28将产生的燃料/空气混合物从其输出开口并穿过输出管32推入燃烧器34的中空圆柱形主体的内部容积中。燃烧器主体可以制成各种构造，例如网格、具有围绕主体的多个通孔的片状结构、或者是在其远端处具有开口的实心无孔片状结构。因此，在主体内部内的加压燃料/空气混合物从内部并穿过圆柱状燃烧器主体流到紧靠其外部的容积。因此，点火器的启动引起燃料/空气混合物在燃烧器处的点火，该燃烧器的主体可以被认为是火焰稳定器。鼓风机的持续运行将加热的排放流体(在该级为气体)向下推入并穿过燃烧管40的内部容积，该燃烧管大体竖直向下延伸到水箱的内部容积20中。由此，燃烧管40也可以被认为是烟道管。

在燃烧器系统26的操作期间，控制器继续监测由温度传感器信号表示的水箱水温。然而，在燃烧器系统启动后及其操作期间，控制器连续或间歇地将水箱水温与高设定点进行比较。当控制器检测到水箱水温已达到高设定点时，控制器使向鼓风机28输送电力的继电器/开关将电源与鼓风机断开电源，从而结束了电流向鼓风机马达的输送。这转而结束了燃料向燃烧器的输送，从而结束了燃烧器处的燃烧以及加热的气体向下到燃烧管40中的输送。在燃烧器组件的该停用之后，控制器继续连续或间歇地监测由温度传感器表示的温度，这再次将所感测的温度与低设定点进行比较，并且循环重复。

火焰传感器(未示出)也可以安装到燃烧器34的凸缘44，并且延伸到燃烧器表面附近的燃烧管40的内部中。火焰传感器向控制器输出信号，该信号指示燃烧器表面处的火焰的检测。在处理器启动燃烧器系统26的同时，控制器监测火焰传感器的输出并继续系统的运行，只要该信号指示存在火焰即可。然而，如果启动燃烧器系统26，则由于启动鼓风机28来向燃烧器提供燃料/空气混合物，并且来自火焰传感器的信号指示不存在火焰，因此控制器停用鼓风机28。在这种情况下或相反在检测故障时的运行的过程应得到很好的理解，在此不进一步讨论。

仍然参照图1至图5并且另外参照图6至图10，热交换器48由燃烧管40、冷凝管50以及过渡管52形成，它们全部彼此流体连通。在所例示的实施方式中，所有三根管的横截面都是圆形，但这应被理解为仅是示例，并且管可以具有其他构造。在这些图中例示的100加仑水箱的示例实施方式中，热交换器48被构造为以200000Btu/hr(每小时英国热量单位)的速率从燃烧器系统26接收热量，但应理解，速率和热交换器构造将随着水箱容量的变化而变化。如此处更详细描述的，在进行热交换器的这种变化时，在一个或多个当前描述的实施方式中考虑了以下因素：诸如热通量(特别是避免在热交换器表面上的局部表面温度峰值)、压降(特别是使穿过热交换器的气流压降最小化)、以及热交换器的表面积(特别是使达到能量效率目标所需的热交换器的表面积最小化)。燃烧管40的横截面是圆形，例如限定在约19平方英寸和约23平方英寸之间的初始横截面积，并且限定从其在凸缘46处的上端到其在底壁54处的封闭下端的恒定内径横截面积。柱56焊接到水箱主体12的底壁18，并且将管40支撑在其在水箱主体12中的位置中。燃烧管40由冷轧低碳(C1010)钢制成，壁厚约为0.160英寸，外径至少约为5英寸，以便适应燃烧器34的宽度，因此，燃烧器34的尺寸是燃烧管40直径的限制因素。应理解，可以使用不同的材料和壁厚。如下所述，在该实施方式中，管40的外径已经被优化为大约5.5英寸的直径(对于大约5.18英寸的内径)。

过渡管52由冷轧低碳钢制成，具有约0.070英寸的壁厚，并且限定了从第一端58到相对端62的恒定直径的内径横截面积，例如约3平方英寸至约10平方英寸，该第一端在内部的孔60处焊接到管40，使得管52的内部容积与管40的内部容积流体连通，在相对端处，过渡管52的直径减小，使得端62的远端部可以被冷凝管50接收。过渡管52的内表面覆盖有瓷釉涂层，以防止在燃烧气体在过渡管中的同时达到露点的情况下冷凝而损坏钢管。在燃烧管40中未设置瓷涂层，因为燃烧管中的废气的高温阻止了气体达到露点，并且在任何情况下都可能损坏这种涂层。过渡管52延伸到容积20的上半部分中。在该实施方式中，过渡管52的最小(外部)直径约为3英寸，并且如下所述，在该实施方式中，过渡管的直径被优化为约3.5英寸(或大约3.36英寸的内径)。

燃烧管40在燃烧器34与孔60之间限定约40英寸的长度。过渡管52从孔60开始弯曲成直线段66，该直线段具有中心线，该中心线与由管40限定的竖直中心线形成约12.5度的角。过渡管52在其顶部处以约8.125英寸的半径(从其曲率中心到穿过管容积的管的中心线测量)在70处弯曲到具有与段66的中心线平行的中心线的第二直段68。顶部弯曲段70在热水输出管件24附近穿过水箱12的内部容积20。顶部弯曲段70的顶点在水箱容积20底板上方的竖直高度以及因此冷凝管50和过渡管52的高度在某些实施方式中至少为水箱容积20的竖直高度的80％，并且在某些其他实施方式中，至少为水箱容积高度的90％。

冷凝管50由冷轧碳钢制成，壁厚约为0.050英寸，并且在管的内表面上具有瓷釉涂层，以保护管的钢免于由于废气的冷凝而被腐蚀。管50限定了圆形的内部横截面积，例如从大约3平方英寸到大约7平方英寸，但应理解，可以使用椭圆形或其他几何结构。在所例示的实施方式中，(外部)横截面的直径大约为2.5英寸，而在其他实施方式中，直径可以在大约2英寸至大约3英寸或从大约2.5英寸(或大约2.4英寸的内径)至大约3英寸(或大约2.9英寸的内径)的范围内。管50的盘管段以大约3英寸的节距或圈之间的距离限定4.5圈。从冷凝管50附接到中间管52的端69延伸到盘绕的冷凝管50穿过水箱侧壁16中的孔72的端71的、沿着垂直于内部横截面积的纵向中心线测量的管50的长度大约为16英寸。在所例示的实施方式中，管50完全布置在水箱容积20的下半部分中。管50与管52之间的连接在容积20的下半部分中。还参照图9和图10，凸缘74围绕管50的端70的周长固定。凸缘74围绕水箱侧壁16中的孔72(图2)密封，从而维持内部容积20的水密外壳。管40、50以及52可以通过焊接或其他合适的手段附接到彼此，如图所示。

如下所述，通过优化过程来确定管50的长度和横截面直径，该优化过程使管中金属的使用最小化(即，从而趋于使长度和横截面积最小化，同时还使在管的长度上的热通量最大化，直至可能对管造成损坏的最大热通量为止(即，从而趋于使长度和横截面积最大化，至少直至在沿管长度的某个点处达到最大热通量为止))。在所例示的示例中，管的长度以及因此盘管的数量和盘管节距也受到内部水箱容积20的高度和直径(如应理解的，该高度和直径可以受关于水箱尺寸的规定的限制)、对布置过渡管52的空间的需要、以及维持盘管之间的至少足够距离来允许水在它们之间流动(以促进热量传递到水和从管壁传出)的需要的限制。

虽然所例示的实施方式仅具有管40、50以及52中的每一个，但应理解，可以使用三个级中的一个或多个中的多根管。而且，虽然管50被例示为盘管，但应理解，可以使用其他几何结构。

鼓风机28足够强，使得鼓风机使废气(并且在管52和/或管50中冷凝之后，液体)全部穿过热交换器并移出管50的端71。在端71之后的冷凝水收集器使液体与任意剩余的废气分离，冷凝水流到集液槽，并且废气通过外部烟道管排出建筑物。

在将燃烧器布置在底板18下方的那些实施方式中，燃烧管从中心孔竖直向上延伸穿过底板18并延伸至或几乎延伸至顶壁14。顶壁14与燃烧管之间的撑杆稳定了燃烧管在容积20中的位置。冷凝管52在容积20的底部中再次形成为盘管，与本图中的布置类似。然而，过渡管52从燃烧管顶部处或附近的孔延伸并且向下延伸至与管50的连接，如本文所示。在这种布置中的燃烧器可以是与图4所示的预混燃烧器类似的预混燃烧器，该燃烧器将废气向上推动穿过燃烧管、穿过过渡管并且穿过冷凝器盘管。如在所例示的实施方式中，冷凝水收集器在冷凝器盘管的输出之后，将排放冷凝水与剩余的废气分离，并且通过烟道管将气体排出建筑物。

图11至图16例示了热水器系统10(图1)的组装。首先参照图11，水箱12被倒置，使得顶壁14处于最低位置中，而底壁18尚未组装到水箱。燃烧管40、过渡管52以及冷凝管50被组装并焊接在一起，使得三根管形成连贯的组件。

在图12至图14中，烟道组件48向下移动到水箱12的容积20中，直到燃烧管40的上端76与顶壁14中的中心通孔78相邻并且管50的端71与水箱壁16中的孔72相邻为止。在图14处，管40的顶端78和管50的端部71被同时分别推过孔78和72，从而将组件48对准在水箱12中且相对于水箱12对准在其适当位置中。排放凸缘74可以稍后插入端71上方，以将端71保持在适当位置，并且焊接至水箱主体。这允许远离管50进行焊接，从而避免其内部瓷釉熔化。为此，可以将包围的凸缘焊接到水箱壁，以接收凸缘74，以便进行焊接。可以在管50的端71的外边缘与凸缘74的内径之间布置补片，以密封这两个部件之间的界面。然后，将管40的端76和管50的端71(经由凸缘74)在孔78和72处焊接到水箱12。在水箱壳内侧上的焊缝周围贴补玻璃。

参照图15，然后将底壁18向下装配到由水箱壁16的底边缘限定的开口80中。随着壁18装配到孔80中，限定在底壁18中的中心通孔82接收柱56的远端。还参照图16，壁18的向下旋转外围裙在孔80的边缘处焊接到壁16，并且柱56在孔82处焊接到壁18。

热交换器48被构造为从排放流去除足够的热量，使得一些或全部废气在热交换器内冷凝为液体。以上述的热量输入速率(例如Btu/hr)、水箱水容积以及烟道系统的构造和几何结构，燃烧管40中的由燃烧器34(图4)产生的废气在流经过渡管52并进入冷凝管50之后，通常在管50中到达露点，从而从气体冷凝为液体。管50作为冷凝管的运行主要是由管的横截面积、在一侧上暴露到废气的表面积以及在另一侧上的水箱容积20中的水以及移动穿过管的气体的速度造成。

为了提高废气与水箱容积20中的水之间的热传递，管50在其到过渡管52的连接与其在72处从水箱的出口之间形成为非线性的形状，在该示例中为盘管，从而增加了存在于燃烧排放流体(不管是气体还是液体的形式)与水箱容积20中的水之间的热交换器的表面积。如果在设计管50的盘管时仅考虑传热性，那么存在使圈数最大化、同时使这些圈的节距(即相邻圈之间的距离)最小化的动机。如上所述，在所例示的实施方式中，管50的盘管以3英寸的节距具有大约4.5圈，盘管内的管的总长度为约16英寸。

如应理解的，可压缩流体的速度与流体的停滞温度及其定压比热成正比。因此，随着废气穿过烟道管系统(这将热量贡献给烟道管壁(并因此冷却))，排放流体的流速降低。然而，排放流体向烟道管壁贡献热量的速率也与排放流体速度成正比。即，排放流体流过管的速度越快，热传递就越大，反之亦然。在当前描述的实施方式中，期望增加由排放流体向烟道管壁贡献的热量。因为该热量转而贡献于水箱容积中的水，所以增加该热传递提高了热水器的效率，原因在于更多的能量贡献给水，而系统在向水传递增加热量时所需的能量的量不会对应地增加。由此，流体管系统被设计为使从排气流体到管的热传递最大化，这在当前例示的实施方式中主要通过以下方式来实现：相对于燃烧管40的横截面积减小冷凝管50的横截面积，从而维持排放流体的期望局部速度。在该实施方式中，排放流体贡献了足够的热量，使得废气在管50的盘管内冷凝成液体。发生冷凝的点取决于露点，如应理解的，该露点取决于环境条件。

更具体地，随着排放流体温度随着流体移动穿过管而降低，热交换器管的尺寸必须减小(根据理想气体定律)，以保持压力恒定，或者如果使用直径恒定的管，则至少要高于维持到管壁的期望热传递所需的预定阈值。随着废料(最初是气体)温度下降，气体体积减小，这转而降低穿过管的气体速度。能量守恒意味着Vmax＝(2cpTt)¹¹²，其中，Vmax是气体的最大速度，Cp是定压比热，并且Tt是气体流的停滞温度。由此，随着温度降低，速度应降低。为了保持恒定的速度(或至少高于预定的底速度)，于是压力应增加，从而增加定压比热。为此，当前描述的实施方式从燃烧管到冷凝器盘管减小管直径。

如上所述，燃烧管40的圆形横截面积的直径大约为5.5英寸(或大约5.18英寸内径)。如上面的讨论所反映的，通过减小燃烧管的直径可以在燃烧管中实现更大的热传递，并且在某些实施方式中，燃烧管的直径从燃烧器到过渡管52连续减小。然而，在当前例示的实施方式中，为了便于制造，使用恒定直径的管。因此，该管的直径大至足以容纳燃烧器34(图4)，这从而充当管40直径的限制下边界条件。而且，由于燃烧管40中的废气具有非常高的热量，减小其横截面积可能使贡献给管壁的热量增加到大于水的去除热量的能力的点，从而在管壁内引起局部热峰值(即高热通量的情况)，这些热峰值可能损坏管。由此，管壁贯穿其在燃烧器与60处的中间管开口之间的长度至少维持在约5.5英寸外径(约5.18英寸内径)，但应理解，如果期望，则管40直径可以更大。

在某些实施方式中，过渡管52的横截面积以连续恒定的变化率从等于燃烧管40的横截面积(在中间管与燃烧管连接的点处)变为近似等于冷凝管50的内部横截面积的更小横截面积(在中间管与冷凝管连接的点处)。然而，在当前例示的实施方式中，中间管52除了在点62处之外都具有恒定的横截面积，在该点62处，管的端被卷曲或减小直径，以装配在冷凝管的进气端69内。基于下面描述的优化过程，在燃烧管40的直径与冷凝管/盘管50的直径之间选择该恒定横截面积的管的直径。如图例示，中间管52被形成为倒U形状。由此可见，在其内表面上没有可收集液体的平坦段。具体地，参照图6，过渡管52的内表面从中间管将冷凝管接合到管52的弯曲段70的顶点的点朝向冷凝管50倾斜。如上所述，取决于环境条件，露点可能变化，并且可以的是冷凝可以发生在过渡管中。因此，过渡管52的长度的最后约三分之一到三分之二(在这种情况下，为约三分之二，但在其他实施方式中为至少一半)朝向冷凝管50倾斜的斜率确保：即使冷凝发生在过渡管中，产生的液体也流到冷凝管。在所例示的实施方式中，过渡管以小于九十度的角度(在管的细长部分的中心轴线与水平面之间测量的)布置，但还应理解，管可以竖直布置，特别是在燃烧管40不沿直接竖直方向延伸的实施方式中。进一步地，冷凝管从其与过渡管端62连接的端69朝向端71倾斜，这确保在冷凝管50中形成或由冷凝管50接收的液体流到端71，并从该端流到排气系统(未示出)。如此处所用的，“到”给定点的斜率指代相对于该点在倾斜表面与水平面之间的正角，不管是恒定的还是变化的。

将理解，穿过中间管52的废气的最大局部速度出现在弯曲部分70处。因此，中间管的最高热传递发生在曲线70处。因此，中间管被定位为使得曲线70布置在热水出口孔/管件24附近(即，距其大约2至3英寸)。

燃气热水器中的较小烟道管对热负荷的敏感性是已知的，因此，常规热水器已利用较大的烟道管表面积来避免高的局部热负荷和表面温度。然而，这种实践导致较高的重量和材料成本。即，期望使冷凝管50的表面积最大化，并且实际上使包括热交换器48的所有三根管的表面积最大化，但另一方面，使表面积最小化，以便使成本最小化。解决这些相反动机的控制因素是热量从金属管传递到水的最大速率。理想地，燃烧气体的温度和速度将使得热交换器48的管壁在沿着热交换器管的所有位置处以该最大速率将热量传递到容积20中的水，并且管的总长度和横截面(即，管的表面积)将使得在该最大传热速率或热通量下，燃烧废气将恰好在其在72处到达水容积内的热交换器的端时冷凝。这种布置将使热交换器将热量从废气传递到水的能力最大化，同时还将使超过冷凝气体所需的热交换器管道的使用最小化。

然而，如应理解的，沿着管道长度的传热速率将是不均匀的。换热管内的热通量通常例如在管道中的转弯处比沿着管道的延伸的线性部分高。在给定包括热交换器48的管的折叠路径的情况下，那么在热交换器内将存在废气以比其他处更高的速率向管道金属贡献热量的点。达到从废气到管道金属的该热量贡献大于金属可以向水贡献热量的最大速率(即最大热通量)的程度，金属在这种点处的温度升高。如果蓄热足够大，则可能导致对金属、搪瓷涂层或包括热交换器的不同管道段之间的接头的损坏。由此，还期望热交换器管维持几何结构，该几何结构使管的热水平以上的局部加热通常沿其长度最小化。

因此并且现在参照图18，例示了一种方法，该方法用于优化烟道管系统(诸如但不限于热交换器48)的构造，以(a)从热水器去除废气，并且(b)使穿过烟道管壁到水箱水的热量传递最大化，同时(c)减小烟道管表面积并因此降低成本，但(d)避免局部热负荷峰值。

在步骤84处，热水器制造商限定热水器的尺寸(依据水箱内部的容积以及因而水箱将容纳的水的容积)、热量输入速率以及期望效率。在86处，制造商确定热水器的剩余构造，例如热水器是将使用顶燃式燃烧器还是底燃式燃烧器。

在88处，制造商限定可用于烟道系统/热交换器的最大容积，并且限定其初始几何和维数特性。关于可用容积，制造商知道所需的储水容积(即水箱的内部容积，减去烟道系统占用的容积)。如果对热水器或热水器水箱可能占用的总容积有限制，则在给定期望水容积的情况下，这种限制可以转化成热交换器可用容积的限制。制造商还基于以下关系确定烟道/热交换器的期望表面积的初始估计：

Q＝U*A*(ilT/x)。

Q是从热交换器到水箱水的传热速率，并且可以视为热量输入速率(上面讨论)乘以热水器的效率。即，如果已知燃烧器向系统贡献热量的速率，并且已知期望的系统效率，那么烟道系统应向水贡献热量的速率为热量输入速率乘以目标效率。U是总的传热系数。应了解给定材料(在这种情况下，例如，C1010冷轧钢)的传热系数和这种材料的厚度。ilT/x是热交换器的温度梯度。如应理解的，ilT是烟道气在燃烧器处生成时与其从烟道系统离开时之间的温差以及流入水箱的水与从水箱输出的水(即从废物接收热量的水)之间的温度变化的函数。输入水温可以被视为供给热水器的市政供水系统的水的平均温度，并且输出水温可以被视为热水器的上设定点，“x”是热交换器的壁厚。“A”(即表面积)的解答提供了烟道系统/热交换器所需的表面积的初始估计，以便实现足以提供期望热水器效率的热传递。如上所述，壁厚在烟道系统的三根管之间变化，由此，面积A的确定是三个单独的管段的面积A的这些确定的组合。由于三个单独计算中的i1T是上述整个i1T的子集，因此可以基于经验或借助测试或建模来估计递增的i1T值。

因此，在步骤88处，制造商知道热交换器的最大容积，并且具有实现期望的热传递所需的表面积的初始估计。从该信息，制造商可以选择用于热交换器的期望几何构造。作为示例并且参考如图所示的具有顶燃式燃烧器的热水器的实施方式，制造商可以确定热交换器将具有被构造为大体圆柱形管的第一段，该第一段的内径大至足以容纳燃烧器。为了易于制造，管被选择为贯穿其长度具有一致的直径，并且延伸水箱内部的大部分高度。该最初选择利用部分但不是全部的可用热交换器容积和表面积。然后，制造商选择盘管，该盘管向第一管外并围绕第一管延伸，从而利用了烟道系统可用的大部分剩余容积和表面积。水箱内部的可用高度、可用水箱内部直径以及在盘管表面之间允许足够的空间以允许干预水的需要是对盘管几何结构的限制。

虽然第一管的直径在其下端上受燃烧器尺寸的限制，但盘管的直径可以较小。制造商选择小于第一管的直径的初始盘管直径，使得如上更详细地所述，在盘管中的废气的速度通常保持等于或大于大的第一管中的废气的速度。然后选择中间管来将第一管与盘管连接，其中，中间管的直径在第一管和盘管的直径之间，从而有利于其他两个直径之间的过渡。在给定三根管直径的情况下，选择三根管的长度，使得共同的热交换器布置具有如上计算或更大的用于三根管的表面积。而且如上所述，在所例示的实施方式中，中间管被成形并布置为使得该管的一部分位于水箱出口附近，使得该管将热量直接贡献给离开的水。

在步骤90处，制造商在计算机系统上执行计算流体力学(CFD)软件程序，该程序使用有限元分析来模拟热水器的运行，包括废气流过热交换器。可以如此处所述使用的这种系统的一个示例是ANSYS Fluent，它可以从宾夕法尼亚州卡农斯堡的ANSYS公司购得，但应理解，可以使用在本领域中应理解的其他这种CFD系统。CFD系统的输入包括直径、几何结构(例如，第一管的形状、盘管的形状和节距以及过渡管的形状)、每根管的材料和壁厚、每根管在水箱容积中的位置以及水的接受热量的能力。其他输入包括热水器边界条件，诸如起始水温、水流条件、起始气体温度、气体流条件、金属热特性以及热输入速率。CFD系统对热水器进行建模并在理论上进行运行，这在热水器的操作期间确定烟道管表面上的所有局部点的预期热通量。作为输出，CFD系统提供在热水器的操作期间在热交换器的所有表面积上的最大表面温度、从烟道系统一端到另一端的压降以及在热交换器附近产生的水温(从而使得能够确定传递到水箱水的总热量)。

通常，由于上述计算，将预期在90处的CFD分析结果将是：所提出的烟道系统传递足够的热量来获得如上所述的期望传热速率。然而，将不知道(a)烟道系统的表面积是否是在仍然维持至少期望的传热速率的同时需要的最小值，从而降低了成本，(b)烟道系统上的最大表面温度是否是在维持至少期望的传热速率的同时可获得的最小值，从而使对烟道系统结构的损坏最小化，并且(c)跨烟道系统的压降是否是在维持至少期望的传热速率的同时可获得的最小值。因此，在92处，制造商改变烟道系统内的一个或多个设计参数，例如，三根管中的任意一个的长度和三根管中的任意一个的直径，并且在94处，重新执行CFD分析，如95处指示的。

制造商可在94处执行多个模拟，该多个模拟对应于在92处进行的烟道设计的各个变化。在某些实施方式中，制造商可将烟道系统的变化限制为管长和直径的变化，如与烟道中的管的形状的变化相反，但应理解，在其他实施方式中，也可以改变管的形状，并且也可以改变热水器的运行参数(诸如，鼓风机速度以及因此的热输入速率)。更进一步地，在这种实施方式中，制造商可以将管直径的变化的可用选项限制为可商购钢管的那些直径。考虑到这一点，制造商可以限定三根管中的每个的可用离散管直径值的范围和对于三根管中的每个可用的管长的范围，这些范围通常将烟道系统表面积维持在如上计算的大致管表面积。由此，在给定这些范围的情况下，制造商可以在管的预定直径范围内选择可用的管直径，并且在三根管的每个的预定长度范围内选择三根管的每个的各种长度，选择包括这些所选直径和长度的离散组合的多个热水器构造，并且在94处对每个这种热水器构造执行CFD分析(如在90处)。

在96处，制造商选择由步骤90和94产生的热水器构造，步骤90和94的CFD分析的结果指示(a)处于或高于如上所述的期望传热速率的传热速率，(b)整个烟道系统的表面温度均未超过预定最大表面温度(例如，给定烟道壁的屈服应力)，在该最大表面温度下，对烟道管壁或搪瓷涂层的损坏可能或相当可能发生，并且在步骤90和94建模的其他构造中，该构造使以下内容最小化：(c)烟道系统开始处的废气压力与烟气系统末端(即，废气流出烟气系统的点处或附近)的废气压力之间的差、(d)在烟道系统表面积上出现的最高表面温度、以及(e)烟道的总表面积。在热水器构造的选择如在这些示例中包含多个最小化准则使得可能没有所有最小化准则的最小化都发生的单个结果构造的情况下，CFD系统或接收并分析CFD系统输出的定制编程的系统可以执行评分算法，以选择最终构造或制造商从中选择最终构造的一系列最终构造。在98处，制造商如上所述将热水器与烟气系统组装在一起，该烟气系统具有如关于步骤84至96描述地选择的几何构造和维数。

另选地，制造商可以提供定制编码的计算机程序，该程序可在如下参照图19描述的计算机系统上运行，该程序确定各种热水器构造以用作CFD系统的输入，该程序也以可执行程序指令的形式在计算机系统上执行，控制CFD系统对每种构造执行CFD分析，并且分析CFD分析的输出，从而选择一个或多个热水器构造。制造商向定制程序提供热水器的一般构造和运行参数、烟道管的几何结构以及如上所述的管长和管径范围的边界。定制程序选择管长和管径的递增变化，从中确定由这些递增变化引起的所有离散热水器构造，并对所有组合执行CFD分析。定制程序从CFD分析结果选择满足上述准则的热水器构造，或者从最佳结果选择预定范围内的一些构造。例如，定制程序可以选择满足上述五个准则中的前两个并且在最佳评分算法结果的预定范围内的所有热水器构造结果。从与由定制程序选择的这些结果对应的热水器构造，制造商可以基于制造商自行决定的任意准则，在96处选择用于步骤98处的组装的最终构造。更进一步地，定制程序可以被编程为执行优化过程，借此，制造商向定制程序提供热水器的一般构造和运行参数、烟道管的几何结构以及如上所述的管长和管径范围的边界，并且在这些参数和边界内限定起始构造，并且定制程序指示CFD系统/程序对起始点构造执行CFD分析，基于上述标准评估起始点构造，然后在可能提供比先前结果更好的结果的方向上选择下一个猜测热水器构造。定制程序指示CFD系统对下一个猜测执行CFD分析，将结果与先前的结果进行比较，进行另外的猜测，重复该过程，直到在可能的一组结果中识别出一个或多个局部优化结果为止。定制程序可以被编程为报告总体最佳优化结果、所有局部优化结果、或者例如整体最佳结果或局部结果的预定范围内的所有结果。应理解用于优化模型数据的过程，因此在此不再详细讨论。

如上反映的，用于选择最终热水器和烟道系统构造的过程可以变化，并且以上描述应被理解为示例，而不是穷举可以采用的方法。例如，可以根据期望以各种方式改变上述五个准则。比如，可以消除一个或多个准则，和/或可以包括其他准则。

图17处例示了优化过程的图形描述。线100、102以及104中的每条线代表过渡管内径的给定选项。还注意临界热通量水平，在106处指示。图表中的y轴是沿着排放流体穿过热交换器的路径的任意地方出现的最大热通量。如果期望将管40维持在该热通量水平以下，那么优化选择过渡管的直径，使其满足该要求，而且使热交换管的表面积最小化，如108处指示的。

图19是执行如上关于图18讨论的设计分析的系统120的示意性框图。计算机系统120可以是制造商管理员122拥有的计算机系统，或者可以是处于在位置远程数据中心的服务器，制造商通过广域网(诸如因特网)经由本地计算机系统访问该位置远程数据中心。计算机系统120可以是服务器、非服务器计算机系统(诸如个人计算机或移动装置)，或者可以包括多个这种计算机系统和/或组合，但通常是计算装置或能够实现如此处描述的通信和功能的装置。在计算机系统120是可通过局域网访问的服务器或处于可通过诸如因特网的广域网访问的位置远程数据中心处的情况下，计算机系统可被认为包括工作站、移动计算机或实现这种访问所借助的其他装置。通常，应理解，单个计算机系统不需要执行关于图18讨论的所有与计算机有关的步骤，并且可以利用多个计算机系统。数据库124可以是计算机系统120的一部分，或者可以由计算机系统通过局域网或广域网访问。如此处讨论的，数据库124可以存储热水器布置和运行参数以及热水器/烟道系统构造，并且可以包括一个或多个数据库。

设计模块126具体实施或执行此处所讨论的一种或多种方法。设计模块126可以是具有嵌入式逻辑、决策、基于状态的运行以及可以结合协作应用(诸如网络浏览器应用、软件应用以及可用于与操作员通信的其他应用)操作的其他功能的自包含软件系统，并且在所例示实施方式中包括存储在计算机可读介质上的计算机可执行指令。这种计算机程序通常包括可由计算机转化成机器可读格式的大量指令，并因此包括可执行指令。在所例示的实施方式中，计算机系统120将设计模块126存储在文件系统或存储器128上，从文件系统访问设计模块，并且在作为计算机系统120的一部分的处理器130上运行设计模块。制造商管理员122可以与自包含式系统交互作为设计如本文所述的热水器/热交换系统的过程的一部分。

设计模块126可以包括执行本文讨论的步骤的各种子模块，包括与其他计算机系统接口连接从而允许制造商管理员上载和/或下载信息的子模块132。接口模块132还允许计算机系统查询数据库124并从数据库124接收数据，并将接收到的数据适当地分配给设计模块126中的一个或多个其他子模块，以便进一步处理。对子模块132的查询可以采取命令消息的形式，该命令消息向适当的计算机系统或数据库呈现命令，使得模块132依次编译该命令并执行所请求的功能，诸如从数据库124检索信息。

交易模块126还可以包括图形用户界面(“GUI”)134。交易模块126可以呈现比如一个或多个预定的GUI 134，以允许制造商处的管理员将数据输入/选择到系统中，指导计算机系统120执行各种功能，限定与查询关联的偏好，或者输入其他信息和/或设置。可以响应于管理员执行诸如以上关于图18所讨论的那些操作的操作、执行查询、输入信息和/或设置、操作其他模块的功能或与其他计算机系统通信的尝试，而预先确定和/或呈现GUI 134。计算机系统120生成预定的GUI并在计算机系统120的显示器136上将GUI 134呈现给管理员，该显示器可以在本地计算机装置处，其中，计算机系统120包括远离管理员的服务器。GUI 136可以是定制的，并且可以与计算机系统120上的其他模块和装置(诸如I/O装置138、接口子模块或任意其他子模块)结合执行。GUI 138向用户呈现通知，并且可以在用户期望在计算机系统和/或数据库之间传输或检索数据时使用。

计算机系统120还可以包括显示器136、I/O装置138以及扬声器140。显示器136可以呈现用于电子通信和/或数据提取、上传、下载等的应用，并且可以显示如本文描述的CFD分析输出数据和热水器构造输入数据。除了或代替在显示器136上呈现这种信息，扬声器140可以向管理员122呈现任意语音或其他听觉信号或信息。计算机系统120还可以包括一个或多个输入装置、输出装置备或输入和输出装置的组合(统称为I/O装置138)。I/O装置138可以包括键盘或类似的装置，该键盘或类似装置控制如本文描述的应用和交互特征的操作、以及用于光学扫描文档以便存储在数据库124中的手持式扫描仪。I/O装置138还可以包括磁盘驱动器或用于读取计算机可读存储介质的装置，包括计算机可读或计算机可操作指令。这种装置应该被理解。

交易模块126还包括查询数据库的模块142。查询模块142允许用户经由接口模块132从数据库124查询数据。在查询消息的传输和查询结果的检索之后，查询模块142可以将所检索的数据存储在存储器中以便将来的检索。

交易模块126还包括定制模块144和CFD模块146。定制模块144是一组计算机可执行指令，这些指令实现定制程序所包含的上述步骤。如上所述，它直接经由I/O装置138、GUI134以及接口模块132和/或通过管理员经由I/O装置138、GUI 134、查询模块142以及接口模块132从数据库124选择现有数据，来从管理员122接收输入数据。定制模块经由接口模块132向CFD模块146提供数据和指令，并从CFD模块146接收CFD分析输出数据，并经由通信端口(未示出)和接口模块132在显示器136和/或另一个计算机系统处显示输出数据系统作为输出数据。定制模块还可以经由接口模块132将输出数据存储在数据库124中。在管理员122手动限定热水器构造而无需定制程序的这些实施方式中，管理员经由I/O装置138和接口模块132将热水器构造输入数据和操作指令提供给CFD模块。CFD模块146执行如本文讨论的CFD分析，并且经由通信端口和接口模块132在显示器136处和/或向另一计算机系统显示输出数据作为输出数据，并且可以经由接口模块132在数据库124上存储输出数据。

虽然上面描述了本发明的一个或多个优选实施方式，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变更。例如，一个实施方式的元素可以与另一个实施方式结合，以创建又一个实施方式。预期本发明覆盖如在本公开、所附权利要求及其等同物的范围和精神内的这种修改和变更。

Claims (35)

1.一种热水器，所述热水器包括：

水箱，所述水箱限定用于容纳水的内部容积；

燃烧器，所述燃烧器与燃料源和空气源连通；

具有第一横截面积的第一烟道管，所述第一烟道管大体竖直地延伸到所述内部容积中，并且被布置为与所述燃烧器连通，使得所述第一烟道管的内部从来自所述燃料源的燃料在所述燃烧器处的燃烧接收排放流体；

第二烟道管，所述第二烟道管布置在所述内部容积内并且具有第二横截面积和长度，其中，所述第二烟道管在所述内部容积内沿着所述长度的至少一部分是非线性的；

第三烟道管，所述第三烟道管具有第三横截面积，并且与所述内部容积内的所述第一烟道管流体连通地附接，所述第三烟道管与所述内部容积内的所述第二烟道管流体连通地附接，并且所述第三烟道管在所述第一烟道管与所述第二烟道管之间延伸，使得来自所述第一烟道管的所述排放流体经由所述第三烟道管流到所述第二烟道管，其中，所述第三烟道管的内表面在所述第三烟道管的从其到所述第二烟道管的附接延伸的至少一部分上朝向所述第二烟道管倾斜；以及

出口，所述出口从所述内部容积穿过所述水箱延伸到所述水箱外部的区域，

其中，

所述第二烟道管连接到所述出口，使得所述排放流体从所述第二烟道管流过所述出口，

所述第二烟道管在其在所述第三烟道管与所述出口之间的长度上朝向所述出口倾斜，

所述第一横截面积大于所述第三横截面积，并且

所述第三横截面积大于所述第二横截面积。

2.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第三烟道管整体布置在所述内部容积内。

3.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第二烟道管布置在所述内部容积的下半部分中，其中，所述第三烟道管在所述第二烟道管上方延伸到所述内部容积的上半部分中。

4.根据权利要求3所述的热水器，其中，所述内部容积限定竖直长度，并且所述第二烟道管和所述第三烟道管延伸所述竖直长度的至少80％。

5.根据权利要求3所述的热水器，其中，所述内部容积限定竖直长度，并且所述第二烟道管和所述第三烟道管延伸所述竖直长度的至少90％。

6.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第一横截面积在约19平方英寸和约23平方英寸之间。

7.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第二横截面积在约3平方英寸和约7平方英寸之间。

8.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第三横截面积在约3平方英寸和约10平方英寸之间。

9.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述燃烧器布置在所述第一烟道管的上端处，使得所述排放流体从所述燃烧器向下流到所述第一烟道管中。

10.根据权利要求9所述的热水器，其中，所述第三烟道管具有长度并且沿着所述第三烟道管在所述第一烟道管与所述第二烟道管之间的长度具有倒的U形状，并且其中，所述第三烟道管在所述U形状的相应的相对端处连接到所述第一烟道管和所述第二烟道管。

11.根据权利要求10所述的热水器，其中，所述第三烟道管在所述内部容积的下半部分中连接到所述第二烟道管。

12.根据权利要求10所述的热水器，其中，所述U形状的所述第三烟道管的弯曲部分在所述水箱的出水口附近。

13.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述第三烟道管的一部分在所述水箱的出水口附近。

14.根据权利要求13所述的热水器，其中，所述部分是弯曲部分。

15.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述燃烧器布置在所述水箱的内部容积的底部下方。

16.根据权利要求15所述的热水器，还包括泵，所述泵在所述内部容积的外部，并且与所述出口流体连通，以推动所述排放流体穿过所述第一烟道管、所述第三烟道管以及所述第二烟道管。

17.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述热水器具有仅仅一个所述第一烟道管、仅一个所述第二烟道管以及仅一个所述第三烟道管。

18.根据权利要求1所述的热水器，其中，所述排放流体是所述第一烟道管中的气体和所述第二烟道管中的液体。

19.一种热水器，所述热水器包括：

水箱，所述水箱限定用于容纳水的内部容积；

燃烧器，所述燃烧器与燃料源和空气源连通；

第一烟道管，所述第一烟道管具有从所述燃烧器向下延伸到所述内部容积中的第一横截面积，并且布置为与所述燃烧器连通，使得所述第一烟道管的内部从来自所述燃料源的燃料在所述燃烧器处的燃烧接收排放流体；

第二烟道管，所述第二烟道管布置在所述内部容积内并且具有第二横截面积和长度，其中，所述第二烟道管在所述内部容积内沿着所述长度的至少一部分是非线性的；

第三烟道管，所述第三烟道管具有第三横截面积，并且与所述内部容积内的所述第一烟道管流体连通地附接，所述第三烟道管与所述内部容积内的所述第二烟道管流体连通地附接，并且所述第三烟道管在所述第一烟道管与所述第二烟道管之间的所述内部容积内延伸，使得来自所述第一烟道管的所述排放流体经由所述第三烟道管流到所述第二烟道管，其中，所述第三烟道管的内表面在所述第三烟道管的从其到所述第二烟道管的附接延伸的至少一部分上朝向所述第二烟道管倾斜；以及

出口，所述出口从所述内部容积穿过所述水箱延伸到所述水箱外部的区域，

其中，

所述第二烟道管连接到所述出口，使得所述排放流体从所述第二烟道管流过所述出口，

所述第二烟道管在其在所述第三烟道管与所述出口之间的长度上朝向所述出口倾斜，

所述第一横截面积大于所述第三横截面积，并且

所述第三横截面积大于所述第二横截面积。

20.根据权利要求19所述的热水器，其中，所述第二烟道管布置在所述内部容积的下半部分中，其中，所述第三烟道管在所述第二烟道管上方延伸到所述内部容积的上半部分中。

21.根据权利要求20所述的热水器，其中，所述内部容积限定竖直长度，并且所述第二烟道管和所述第三烟道管延伸所述竖直长度的至少80％。

22.根据权利要求20所述的热水器，其中，所述内部容积限定竖直长度，并且所述第二烟道管和所述第三烟道管延伸所述竖直长度的至少90％。

23.根据权利要求19所述的热水器，其中，所述第一横截面积在约19平方英寸和约23平方英寸之间。

24.根据权利要求23所述的热水器，其中，所述第二横截面积在约3平方英寸和约7平方英寸之间。

25.根据权利要求24所述的热水器，其中，所述第三横截面积在约3平方英寸和约10平方英寸之间。

26.根据权利要求19所述的热水器，其中，所述第三烟道管具有一长度并且沿着所述第三烟道管在所述第一烟道管与所述第二烟道管之间的所述长度具有倒的U形状，并且其中，所述第三烟道管在所述U形状的相应的相对端处连接到所述第一烟道管和所述第二烟道管。

27.根据权利要求19所述的热水器，其中，所述第三烟道管的一部分在所述水箱的出水口附近。

28.根据权利要求27所述的热水器，其中，所述部分是弯曲部分。

29.根据权利要求19所述的热水器，其中，所述热水器具有仅仅一个所述第一烟道管、仅一个所述第二烟道管以及仅一个所述第三烟道管。

30.根据权利要求19所述的热水器，其中，所述排放流体是所述第一烟道管中的气体和所述第二烟道管中的液体。

31.一种制造燃料燃烧存储型热水器的方法，所述热水器具有：燃料燃烧器；水箱，所述水箱用于在内部容纳水；以及烟道，所述烟道相对于所述燃烧器布置为接收来自燃烧器的燃烧气体，并且从所述烟道附近延伸穿过所述水箱的内部到达所述热水器的出口，所述方法包括以下步骤：

a)限定将存储在所述内部中的水的容积；

b)估计所述烟道的表面积；

c)确定所述烟道的初始几何构造，所述初始几何构造包括在所述燃烧器与所述出口之间的所述烟道的内部横截面积；

d)基于在步骤(a)处限定的所述容积、在步骤(b)处估计的所述表面积以及在步骤(c)处确定的所述几何构造，对所述热水器的操作建模；

e)基于建模步骤(d)，确定在所述热水器的操作期间从所述烟道到所述容积中的水传递的热量；

f)重复改变所述几何构造；

g)对于来自步骤(f)的每个改变的几何构造重复建模步骤(d)；

h)基于在各个所述建模步骤(d)和(g)中在维持所述热水器的操作期间传递的至少预定水平的所述热量的同时使步骤(c)和(f)的所述几何构造中的所述烟道的表面积最小化，从步骤(c)和(f)的所述几何构造选择几何构造；以及

i)将具有在步骤(h)处选择的几何构造的烟道组装到具有在步骤(a)处限定的所述容积的水箱中。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，步骤(b)包括：基于所述燃烧器的预定热量输入速率、所述热水器的预定效率、所述烟道的预定传热系数以及所述烟道的预定温度梯度，来估计所述表面积。

33.根据权利要求31所述的方法，其中，所述确定步骤(e)包括：确定所述烟道在所述热水器的操作期间的最大温度，并且选择步骤(h)包括：基于在维持至少所述预定水平的所述热传递的同时且在将所述烟道的所述最大温度维持低于预定温度限制的同时使所述烟道的表面积最小化，来选择所述几何构造。

34.根据权利要求31所述的方法，其中，步骤(f)包括：将包括所述烟道的管的一个或多个直径变为相应的预定直径。

35.一种制造燃料燃烧存储型热水器的方法，所述热水器具有：燃料燃烧器；水箱，所述水箱用于在内部容纳水；以及烟道，所述烟道相对于所述燃烧器布置为接收来自燃烧器的燃烧气体，并且从所述烟道附近延伸穿过所述水箱的内部到达所述热水器的出口，所述方法包括以下步骤：

a)限定将存储在所述内部中的水的容积；

b)估计所述烟道的表面积；

c)确定所述烟道的初始几何构造，所述初始几何构造包括在所述燃烧器与所述出口之间的所述烟道的内部横截面积；

d)基于在步骤(a)处限定的所述容积、在步骤(b)处估计的所述表面积以及在步骤(c)处确定的所述几何构造对所述热水器的操作建模；

e)基于建模步骤(d)，确定在所述热水器的操作期间从所述烟道到所述容积中的水传递的热量；

f)重复改变所述几何构造；

g)对于来自步骤(f)的每个改变的几何构造重复建模步骤(d)；

h)基于在步骤(c)和(f)的所述几何构造中的所述烟道的表面积的优化以及各个所述建模步骤(d)和(g)中在所述热水器的操作期间传递的热量的优化，从步骤(c)和(f)的所述几何构造选择几何构造；以及

i)将具有在步骤(h)处选择的几何构造的烟道组装到具有在步骤(a)处限定的所述容积的水箱中。

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