CN1439850A - 液体加热系统 - Google Patents

Abstract

一种加热器包括同轴设置在热烟道气体高压室中的增强表面积传热容器，该高压室具有双壁加热套，预加热液体在流向容器顶部之前流过该套而由平行流动的流烟道气体加热，以在由容器底部排出之前在容器中进行逆流热交换，流过高压室的热烟道气体通过一个或一个以上隔开的穿孔环形板沿圆周方向流动，该环形板穿过套和容器之间的高压室环状空间，具有保护涂层的容器和套的铝结构构成装设在地板或墙壁中的轻型加热器，该加热器通常连接在循环加热系统、饮用热水系统或二者的组合系统中。

Description

液体加热系统

技术领域

本发明涉及液体加热器，该加热器具有燃烧器，该燃烧器释放可加热装有液体的带翼形片热交换容器的热燃烧物或烟道气体，烟道气体围绕并穿过导流片分流以便提高效率。特别是在外套中的第一阶段首先预加热液体，外套还接触烟道气体。这样的加热器适用于循环加热系统和家庭用水加热。

背景技术

循环加热系统使热水在封闭系统中循环，该封闭系统包括水加热器和多个翼形片。有时，还采用封闭的循环加热系统通过热交换获得可消耗的热水。

现今，大多数常用的家庭用水加热器包括具有圆筒形壁、半球形顶部和内凹半球形底部的压力容器，它直接接触于气体或油燃烧器。有效热交换表面基本限于半球形底部。该容器还具有排出烟道气体和热烟道气体中的一些热回收物的中心烟道。冷水入口位于容器底座附近。加热容器中的水，得到的热水流向容器的顶部而根据需要进行提取。对容器的圆筒形部绝热以减少在使用等待时的散热。这样的热水容器的效率不太高。

在具有需要大热量的系统中，如那些加热居住空间的系统，通常使用锅炉和热交换器炉，它们通过设置多根管而利用大的表面热传递面积，燃烧气体穿过或围绕这些管流动以将其热量传递给在管相对侧上的传热液体。这些管常常在相对端部之间沿直线延伸或呈盘旋延伸以便使所占空间最小而表面积最大。存在许多连接的接头、较脆的结构材料，因而容易出故障而且维修的花费很大。

过去和现今已不流行的水加热器效率很低，它利用带肋的倒锥体形水箱，该水箱封装在外圆筒形套内。这样的加热器公开在Wenger的1942年的CA405431和1952年的CA473394中。在锥体形箱和套之间形成具有沿向上方向缩小的横截面积的环形高压室，烟道气体通过该高压室而对箱加热。在典型的热水加热器中，由箱的底部流入冷水，由箱的顶部流出热水。箱带有肋并基本通过由热烟道气体向箱导热而进行热传递，热烟道气体以与箱侧壁平行的流动方式向上穿过高压室。热烟道气体由高压室排出。尽管其结构简单而且可靠，但是由于其效率过低，最终妨碍了其应用。

使用盘管锅炉(coiled tubing boiler)的成本很高并且维修的费用高，但是效率较高。Wenger的锥体加热器的维修费用低，但是效率也很低。相信通过本发明的水加热器可以克服现有技术中的系统的这些缺点。

发明概述

根据本发明的一方面，提供一种使用在加热系统中的、用于供应热水的加热器。该加热器包括需要较少维修的增强表面积传热容器，所述传热容器位于环形热烟道气体高压室内。在优选的结构中，采用辅助的第一阶段双壁加热套，使效率得到提高，从而与现有技术的昂贵而需要较频繁维修的系统比较起来更完善。流过高压室的热烟道气体通过一个或一个以上的穿孔环形板沿圆周方向流动以获得围绕容器的增强对流性热传递。

根据本发明的主要方面，加热器包括：一壳体，所述壳体具有底座和上排气端以形成高压室，所述高压室供来自壳体底座附近的燃烧器的热烟道气体流动；一传热容器，所述传热容器具有基本圆锥形主体部，所述主体部包括封闭末端和封闭上端，所述主体部基本同轴位于高压室内以便形成环形空间，穿过其间的热烟道气体沿向上的方向流向排气端，对所述主体部的所述末端定向，使其最靠近燃烧器，所述主体部具有沿向上的方向向着高压室排气端分开的侧壁；靠近容器上端的入口和靠近容器末端的容器出口，使得液体沿向下的方向流动并与热烟道气体逆流而在由所述容器排出之前得以加热；一个或多个环形板，横向穿过所述环形空间，在所述热烟道气体沿向上的方向流过所述的一个或一个以上的环形板时，绕所述容器至少部分释放所述热烟道气体。在该实施例中最好对壳体绝缘，壳体迅速升到烟道气体的温度。

优选地，所述环形板包括多个贯穿的开口，至少一些所述开口具有导流片，所述导流片用于促使所述烟道气体围绕所述容器循环。使用两个或两个以上的板，可以沿相同圆周方向或交替相反方向对导流片定向。

优选地，所述加热器可以配备装有液体的预加热套，以便在液体流向容器之前对其进行预加热。所述套吸收来自热烟道气体的更多热量并使外部套的温度很低，使得甚至在供送的液体以环境温度流入加热器时也不需要进行绝热。所述环形套包括在上端和下端封闭的内壁和外壁，并且所述内外壁之间形成横截面为环形的空间，所述内壁形成所述壳体并与高压室内的热烟道气体进行热交换；位于所述套下端的入口和位于所述套上端的出口，使液体由所述入口流向所述出口，并在预加热液体流入所述容器入口之前对其进行预加热。

根据本发明的另一主要方面，预加热套可以结合任何一种热交换器，并且更有效利用热烟道气体。可以通过增加一个或多个环形板进一步提高效率。

附图简要说明

图1是装有本发明加热器的组合空间加热和饮用水加热的系统示意图；

图2是根据本发明一个实施例设置在高压室中的锥形容器的等距视图；

图3a和3b是两种形式的其中具有多个导流片的环形板，在图3a中上导流片中有大约36个导流片，在图3b中具有大约55个导流片和附加的9个非阻挡开口；

图4是容器的一部分侧壁和环形板径向部分的侧横截面图，显示了热烟道气体流过多个导流片；

图5a和5b是在其高压室中并具有一对环形板和导流片的容器的示意图，显示该导流片引导热烟道气体围绕容器的环流。图5a显示了每个环形板引起相同方向的流动，图5b显示引起交替方向的流动；

图6是加热容器和水套的侧横截面图，示意地显示了通过包括预热套的加热器的优选液体流动。

图7a和7b是容器上部和入口与排入容器的液体的横截面图和平面图；

图8a至8c是显示通过采用本发明各种实施例提高加热效率的图表；以及

图9是采用适于装在图1回路中的本发明加热器的循环加热系统俯视立体图。

优选实施例详述

参照图1，加热器10设置在加热液体的系统中。这里描述几个实施例，其中一个实施例包括封闭系统，如循环加热系统，该系统用加热器加热第一液体，该液体通常在家用水加热系统中作为热的液体进行再循环。在另一个实施例中，加热器加热封闭系统中的第一液体以对第二液体进行间接加热。这样的系统一个示例包括加热器中的加热液体、乙二醇或水和使已加热的液体流过热交换器以加热作为第二液体的饮用水。

加热器可以是加热系统的组成部分或可以用于独立加热指定液体。

如图1所示，在典型的循环加热家庭加热场所，本发明加热器10的实施例是封闭加热回路11的组成部分，该回路11供液体如水和传热介质循环。该加热器包括热交换器部分30(下面予以详述)和燃烧器12，该燃烧器12燃烧燃料13和空气14的混合物并释放出热烟道气体35。加热器接收冷水并产生热水以将其再引入封闭加热回路11。该回路具有一补充(make-up)水源19。该回路还包括膨胀罐15和循环泵16。回路11将热水输送到多个加热装置或散热器如对流加热器、风机盘管(fan coils)和地板加热管道17或房间暖气片18，如图1所示。

还显示了饮用水加热闭回路。通过普通液体使饮用水20流到液体热交换器21，以便由回路11将热量传递给饮用水20。热交换器21具有两个传热的腔，第一个与回路11中的热水进行液体交换，第二个与饮用水20相通。

更详细参照图2，在第一个可独立应用的实施例中，加热器10包括圆筒形壳体31，壳体31具有底座32和上排气端33。一个或多个燃烧器12设置在壳体31的底座32中。壳体31形成用于将燃烧产物或热烟道气体35传递到排气端33的高压室34。

合适的燃烧器是个自然吸气的低压气体燃烧室。如图1所示，该燃烧器包括一个或多个环形燃烧器头，该燃烧器头具有大量用于释放可燃烧气体/空气混合物的气口。本领域的的技术人员了解并能设计要求获得高效率燃烧的有关该类型气体混合物、气压、孔的尺寸和燃烧器头启口的数量和尺寸。上排气还产生足够的通风以抽吸热烟道气体并防止回燃。燃烧器头与主体上端隔开而设置在下面。通过将燃烧器12隔开设置在容器40下面，使空气和燃料在到达容器热交换器之前混合，不会阻止烟道气体直接接触容器。

传热容器40悬挂在壳体31内用于吸收来自燃烧器12和热烟道气体35的热量。

有多种可以采用的传热容器。增大表面整体容器的优点是结构简单。盘管热交换器的优点是有较大的表面积。下面详细说明盘管热交换器与预加热器套的组合使用。

在一个实施例中，容器40具有大体呈圆锥形的主体部41，主体部41包括封闭末端42和封闭上端43。容器40基本同轴设置在高压室34内以便与穿过容器40表面的热烟道气体35接触。对主体部末端42定向使其最靠近底座32。因此，主体部具有沿向上的方向向着高压室排气端33分开的侧壁46。主体部的侧壁46装有多个传热翼形片47。所示的翼形片47沿着主体部的侧壁轴向延伸。尽管制造起来较困难，但是翼形片47还可以沿其它方向构成，如围绕容器的主体部41沿圆周方向或螺旋方向定向。

在容器主体部41和壳体31之间形成环形空间48，以供热烟道气体35由燃烧器12流动、穿过容器40而到达壳体的排气端33。壳体可以为圆筒形，环形空间的横截面沿向上的方向缩小，在主体部上端43附近达到最小。已经发现在环形空间48上端处的容器上端43和壳体31之间的收缩有助于引起烟道气体的通风，有助于燃烧。

容器40具有靠近圆锥形主体部41上端43的入口50，以供较冷液体流入容器。出口51靠近圆锥形主体部41末端42，以供已加热的液体由容器排出。因此，与普通水加热器不同，液体流入入口50，向下穿过容器40而由出口51流出，同时产生烟道气体35并向上流过容器40；液体和气体形成逆流热交换。

参照图2和图3a和3b，一个或多个环形板60横向穿过环形空间48。每个板60上具有多个开口61供热烟道气体35流过。

参照图3a至5b，在另一实施例中，至少一些开口61设有通气缝或导流片62以使烟道气体35横向转向。如图3和4所示，导流片62横向于开口延伸。通过使所有导流片沿圆周方向定向，并沿相同方向，可以将烟道气体导入以沿圆周方向流动，因此当其向着高压室34上面流动到上排气端33时，绕容器40进行涡旋流动。板60具有内圆周部60i和外圆周部60o，每部分的尺寸分别适于主体部41和壳体31，使得强制烟道气体35流过板的开口61和导流片62，以便强制其沿环形空间48向上螺旋流动。

板的开口61通常围绕板60的圆周方向均匀设置，以便热烟道气体35绕高压室基本均匀分散。

参照图5a和5b，使用一个以上具有导流片62的板60控制热烟道气体的流动。这些板垂直隔开，具有以相同方向定向的导流片的连续板可以再引导烟道气体沿相同方向(图5a)流动。具有以交替或相反方向定向的导流片的连续板将引导烟道气体沿相反方向(图5b)流动。

一个或多个环形板60沿容器垂直隔开。最下面的板60位于燃烧器之上，以便最小程度冲击燃烧器的燃烧过程。

冷水在上入口50流入容器，通过主体部侧壁导热而被加热，并且作为热水流出下出口51。可以利用壳体本身进行辅助加热，以便利用来自燃烧器和热烟道气体的热量。

当作为单阶段加热使用时，为了安全和保持热量，壳体最好是绝热的。

在另一个实施例中，在环形水套70内形成壳体31本身。该套是液体的预加热阶段。可以想见，当输入水时，甚至可以不要求该套绝缘，尽管其中的液体经历加热过程，也可以不要求其外围绝热。申请人不知道具有这样的预加热器套的加热器，而不管主热水器或热交换器部分构成为何。

该套具有圆筒形内壁71，它构成容器40的壳体31并与高压室34中的热烟道气体35进行热传导。圆筒形外壁72围绕内壁同心设置，以便在其间形成环形横截面空间73。环形空间73在下端74和上端75封闭以形成水腔76。

在该套下端74的外壁72处形成供送液体的液体入口77，在套上端75的内壁71处形成用于将预加热液体导入容器入口50的出口78。为更好地分配由入口77流入的供送水和使其围绕套70，可以利用位于内外壁71、72之间的环形空间内的环形导流片79。

参照图7，容器入口50装有伸入容器主体部41内部81的排出管80，排出管80微微向下设置(图7a)并与侧壁成一角度(图7b)，以便在水向下流过容器40时，引导水螺旋流动并最好以紊流流动。入口50靠近侧壁46。

如图1所示，加热器10是空间加热系统的一部分。该系统具有安全特性，如热电耦自动断电和泄压阀。

参照图9，加热器合并包括膨胀罐15和泵16的装置。饮用热水加热器21还接入回路11中并直接靠近泵16。因此，加热器装置可以用于加热产品液体如用于直接加热饮用热水。在更通用的系统中，热量加热原有液体如水或乙二醇，这些液体输送给一个或多个散热器和输送给第二液体的热交换器以加热饮用水。

实施例

如图6所示，设计出本发明实施例的轻型加热器并且对其进行了各种性能测试。主体部侧壁为具有3/16”标定厚度的铸铝合金，侧壁内具有垂直定向的翼形片；翼形片的高度范围为3/4”至1/2”。容器40的高度为14”，其上端43由直径为8”的铸铝板构成。套70由轧制铝构成，其内壁71和壳体31的直径大约为81/2”，围绕容器上端43和内壁71之间形成的环形间隙约为1/4”。

容器入口50具有3/4”的管排出口，它以大约15°的角度向下倾斜并以45°由侧壁46倾斜。如图7a所示，容器上端43采用垫圈83密封并通过多个紧固件固定在主体部41上。容器的标定工作压力额定值约为18 psig。

容器的铸造部件经内外加工。具有高温单件(single-part)环氧树脂的光滑且不起反应的涂料涂敷在容器的内侧以与传热液体接触；在本实施例的情况下该液体是水。可以有各种环氧树脂配方，本领域的技术人员知道成分和颜色可以增强热传递。在涂敷抗高温和防腐蚀的云母-锌涂料(可以以制成粒提供)之前，首先在真空下用硅酸钠对外侧进行处理(清除和减少铸造砂眼)。套内外壁的液体侧还覆盖有环氧树脂涂料。可以用轧制铝制造圆筒形套组件。

当正常气体燃烧器加热3-5”的水柱时，该燃烧器产生35000-55000Btu/hr的额定热量输出，气体源和燃烧空气被自然吸入。铝燃烧器加热有助于获得极轻的加热器总重量。

环形板是不锈钢的。测试安装板和不安装板以及安装一个或两个板的情况。

进行测试，这里仅说明其中的一些测试。

特殊加热器10的加热对象的效率高于80％，使一氧化碳低于200ppm，烟道气体排出温度低于大约200-250℃。不同的加热器可改变对象特别是燃烧器的温度，在获得高效率的同时还使烟道气体温度较高。

这里给出的测试表明大大提高了现有技术并流圆锥形容器的效率，并且一旦获得加热对象，进一步的变化仅带来各种实施例之间性能的小改变。水流速的范围为1.8-2.2。采用Bacharach Model 300分析仪测试燃烧。在海拔高度1200m进行该测试。施加热应力穿过热出口和冷入口而到达加热器以形成不同的温度。

            如图表1和图8a-8c所示，结果包括：

	水流Gpm	载荷ΔT℃	BTU/hr	效率％	COppm	烟道T℃	状态
								A	1.8	40	46150	60	25	398	没有板
B	2.2	30	42000	80	6	198	单个板
								E	2.2	40	48000	82.6	201	178	单个板
F	2.2	35	55000	83.1	104	149	两个板
								G	2.2	33	45000	83.2	72	159	两个板
H	2.2	30	42000	81	17	184	两个板

如果是单个板，环形板位于距离14”容器40上部43大约5”的位置。如果是两个板，第二个环形板与容器的上部隔开大约9”，或距离第一导流片4英寸以上，大约在燃烧器12英寸之上，以使火焰冲击达到最小并保证获得基本完全的燃烧。测试中，套入口77处的典型温度约为140℃，容器入口50的套出口78处的典型温度为160℃，在容器出口51处的以大约180℃流出，使形成大约40℃热负荷。

加热器可以作为新的装置或改型使用。尽管在家用装置中特别重视重量轻、体积小和便于维护，但是热量一样也对经济操作适用。容器和套对硬水操作的敏感性低于盘管型加热器。

尽管本文示出和说明了本发明的优选实施例，但是显然可以对本发明所限定的范围作出许多改进、变化和改变。例如，尽管壳体为圆筒形和容器为圆锥形是最佳选择，但是可以采用其它形状或横截面。

Claims (20)

1、一种加热液体的加热器，所述加热器包括：

一壳体，所述壳体具有底座和上排气端以形成高压室，所述高压室供来自壳体底座附近的燃烧器的热烟道气体流动；

一传热容器，所述传热容器具有基本圆锥形主体部，所述主体部包括封闭末端和封闭上端，所述主体部基本同轴位于高压室内以便形成环形空间，穿过其间的热烟道气体向上流到排气端，对所述主体部的所述末端定向，使其最靠近燃烧器，所述主体部具有沿向上的方向向着高压室排气端分开的侧壁；

一容器入口，所述容器入口靠近所述圆锥形主体部的所述上端，供液体进入所述容器；

一容器出口，所述容器出口靠近所述圆锥形主体部的所述末端，以使液体向下流并与热烟道气体逆流而在由所述容器排出之前得以加热；和

一个或多个环形板，横向穿过环形空间，在所述热烟道气体由所述容器中排出之前，绕所述容器至少部分释放所述热烟道气体。

2、如权利要求1所述的加热器，其中所述主体部包括圆锥形侧壁，所述侧壁具有传热增强翼形片并沿径向延伸，处于主体部末端和上端之间。

3、如权利要求1所述的加热器，其中所述环形板包括开口，至少一个所述开口具有导流片，所述导流片用于在所述烟道气体流过所述导流片时引导烟道气体绕所述容器进行涡旋流动。

4、如权利要求1所述的加热器，其中所述一个或多个环形板基本填充所述主体部和所述壳体之间的环形空间横截面，每个板具有一个或多个贯穿的开口，并且至少一些所述开口具有导流片，对所述导流片定向，使得沿向上的方向流向所述环形空间的热烟道气体基本沿圆周方向流动。

5、如权利要求4所述的加热器，其中所述一个或多个板在所述燃烧器之上充分分隔开以通过燃烧器进行基本完全的燃烧。

6、如权利要求4所述的加热器，其中所述环形板的内外圆周适于分别装配于主体部和壳体，以便基本上使所有烟道气体流过所述开口。

7、如权利要求6所述的加热器，其中所述开口通常绕所述环形周围均匀设置，由此使所述燃烧气体绕高压室基本均匀分散。

8、如权利要求7所述的加热器，进一步包括两个或两个以上环形板，每个板的所述导流片开口朝着相同方向，每个开口使烟道气体沿相同圆周方向流动穿过高压室并围绕容器。

9、如权利要求7所述的加热器，进一步包括两个或多个环形板，连续环形板的导流片开口朝着相反方向，使穿过高压室的热烟道气体的圆周方向交替反向。

10、如权利要求2所述的加热器，其中对所述燃烧器自然吸气。

11、如权利要求2所述的加热器，其中所述燃烧器包括一个或多个环形燃烧器，所述环形燃烧器与所述容器末端隔开并由其径向向外设置。

12、如权利要求1所述的加热器，其中所述壳体为圆筒形，由此使所述环形空间的横截面沿着向上的方向向着所述容器所述上端逐渐缩小。

13、如权利要求1所述的加热器，进一步包括：

一环形套，所述环形套具有在上端和下端封闭的内外壁，并且所述内外壁之间形成横截面为环形的空间，所述内壁形成所述壳体并与高压室内的热烟道气体进行热交换；

一位于所述套下端的入口，所述入口用于使供送的液体流向所述套；

一位于所述套上端的出口，所述出口使液体由所述入口流向所述出口，并在预加热液体由所述套流向所述容器入口之前通过流过所述内壁而得以预加热。

14、如权利要求13所述的加热器，其中部件位于所述内外壁之间的环形空间内，用于在所述供送的液体流向所述套出口时，使其绕所述套沿圆周方向散开流动。

15、如权利要求14所述的加热器，其中所述壳体和所述套的所述内壁为圆筒形。

16、如权利要求15所述的加热器，其中所述分配器部件包括一环形导流片，所述环形导流片位于所述套的环形空间内的靠近并在所述套入口之上。

17、如权利要求13所述的加热器，其中第一液体流过封闭回路中的所述加热器，以向所述回路上的一个或多个加热装置供热水。

18、如权利要求16所述的加热器，还包括液体热交换器的液体，所述热交换器具有与所述回路热交换的第一腔和与饮用水源相通的第二腔。

19、一种加热液体的加热器，所述加热器包括：

一壳体，所述壳体具有底座和上排气端以形成高压室，所述高压室供来自壳体底座附近的燃烧器的热烟道气体流动；

一热交换器，所述热交换器位于所述高压室内并形成环形空间，热烟道气体沿向上的方向穿过所述环形空间流向排气端；

一靠近所述热交换器上端的入口；

一靠近所述热交换器下端的出口，以使液体沿向下的方向流动并与所述热烟道气体逆流而在由所述热交换器排出之前得以加热；

一环形套，所述环形套具有在上下端封闭的内外壁并在所述内外壁之间形成横截面为环形的空间，所述内壁形成所述壳体并且与所述高压室中的所述热烟道气体进行热交换；

一位于所述套下端的入口，使供送液体流向所述套；和

一位于所述套上端的出口，使液体由所述入口流向所述出口，并在预加热液体由所述套流向所述加热器入口之前通过流过所述内壁而得以预加热。

20、如权利要求19的加热器，包括一个或一个以上环形板，所述环形板横向穿过环形空间，以使热烟道气体在沿向上的方向流过所述一个或一个以上环形板时绕所述热交换器部分地散开。

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