CZ27361U1 - Zařízení pro dodatečné využití tepla spalin a akumulaci tepla, zejména pro kamna nebo krby - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předmětem technického řešení je zařízení pro dodatečné využití tepla spalin a akumulaci tepla, zejména pro kamna nebo krby.

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou pro akumulaci tepla a dodatečné využití tepla spalin obvykle využívány akumulační výměníky, sestavené z jednoho nebo více takzvaných akumulačních prstenců. Ty bývají vyrobeny z různých akumulačních materiálů, jako jsou například šamot, žárovzdomé betony nebo litina a podobně. Vnitřní teplosměnné plochy akumulačních prstenců jsou tvořeny jedním nebo více žebry, majícími tvar šroubovice, přičemž teplosměnné plochy šroubovicových žeber se v řezu rovnoběžném s osou šroubovice jeví jako přímky, popřípadě křivky svírající s osou šroubovice úhel přibližně 90°.

Akumulační prstence bývají konstruovány jako jedno nebo vícedílné. Výhodou jednodílných akumulačních prstenců je, že v homogenním materiálu dochází k lepšímu šíření tepla směrem do hloubky materiálu. Protože je potřeba, aby akumulační prstence byly poměrně objemné, je tloušťka jejich stěny poměrně velká. Používané materiály mají sice vysokou hodnotu měrné tepelné kapacity, avšak nízkou hodnotu tepelné vodivosti. Důsledkem je, že teplotní gradient ve stěně jednodílného prstence je tak velký, že dochází kjeho častému prasknutí.

Vícedílné akumulační prstence bývají složené ze dvou částí, přičemž vnější díl mívá tvar silnější obruče, vnitřní tvar tenčí obruče vyplněné jedním nebo více žebry ve tvaru šroubovice. Výhodou je, že takto lze zvolit různé materiály pro vnitřní a vnější díl prstence. Nevýhodou, že vnitřní část má oproti vnější části rozdílnou teplotní objemovou roztažnost, takže mezi vnitřní a vnější částí akumulačního musí být dilatační mezera, která však zhoršuje přenos tepla z vnitřní části do vnější.

Schopnost akumulačního prstence odebírat spalinám teplo je dána zejména velikostí jeho vnitřních teplosměnných ploch, tepelnou vodivostí použitého materiálu, stoupáním šroubovice žeber a dobou, po kterou mohou být spaliny s teplosměnnou plochou v kontaktu.

Velikost teplosměnných ploch je v zásadě závislá na průměru akumulačního prstence, stoupání vnitřních šroubovicových žeber a na počtu použitých šroubovic. Čím je stoupání šroubovicového žebra menší, tím větší lze dosáhnout teplosměnné plochy, ale tím více dochází k nechtěnému usazování nečistot na teplosměnných plochách žeber, zejména prachu obsaženém ve spalinách. Proto bývá stoupání šroubovice žeber poměrně velké a větších teplosměnných ploch lze dosáhnout větším počtem šroubovicových žeber, nejčastěji třech.

Tepelná vodivost používaných akumulačních materiálů je poměrně malá a součinitel tepelné vodivosti běžně dosahuje hodnot do 10 W.mťK'¹. Důsledkem je, že teplo předané teplosměnným plochám se šíří do hloubky akumulačního materiálu velmi pomalu, a i když teplosměnné plochy šroubovicových žeber zachycují poměrně velké množství tepla, nedokáže použitý materiál toto teplo v potřebném množství dostatečně nasát do své vlastní tloušťky. Jsou známy i akumulační prstence zhotovené kompletně z litiny, jejíž součinitel tepelné vodivosti bývá udáván okolo 50 W.nč.K.'¹. Tento materiál je však oproti ostatním akumulačním materiálům poměrně drahý.

Doba, po kterou mohou být spaliny s teplosměnnými plochami šroubovicových žeber v kontaktu je nejvíce ovlivněna stoupáním šroubovice žeber. Čím menší stoupání šroubovice mají, tím více se prodlužuje doba, po kterou jsou spaliny v kontaktu s teplosměnnou plochou, a tím více tepla teplosměnná šroubovicová plocha žeber dokáže spalinám odebrat. Ovšem, jak už bylo zmíněno výše, se zmenšováním stoupání šroubovicových žeber dochází ke zvýšení nechtěného usazování nečistot na teplosměnných plochách šroubovicových žeber.

-1 CZ 27361 Ul

Podstata technického řešení

Cílem tohoto technického řešení je návrh takového tvaru a uspořádání jednotlivých částí akumulačního výměníku tepla krbových vložek nebo krbových kamen, při kterém bude dosaženo zlepšeného využití dodatečného tepla spalin krbových vložek nebo krbových kamen. Předmětem technického řešení je zařízení pro dodatečné využití tepla spalin, zejména pro kamna nebo krby, napojené na výstup krbových kamen nebo vložky, které zahrnuje pro spaliny průchozí akumulační prstenec nebo prstence s nejméně jedním žebrem tvarovaným do šroubovice a sloužícím k zachycení tepla spalin, kde každé žebro má homí a spodní teplosměnnou plochu.

Podstata technického řešení spočívá v tom, že homí a spodní teplosměnná plocha každého žebra svírá s osou jeho šroubovice ostrý úhel menší nebo roven 60°.

Žebra, která zasahují do průchozí dutiny akumulačního prstence, mohou být s výhodou dvě až tri, jsou uspořádána symetricky po obvodu této dutiny, přičemž teplosměnné plochy těchto žeber, které jsou v řezu rovnoběžném s osou jejich šroubovice určeny přímkami, svírají s osou této šroubovice úhel v rozmezí od 40 do 60°.

V jednom z možných provedení tohoto technického řešení může být akumulační prstenec dvoudílný, zahrnuje průchozí vnitřní segment a obepínající vnější segment, kde jeho Štíhlý průchozí vnitřní segment, opatřený ve své středové dutině nejméně jedním žebrem, přechází ve své spodní části do rozšířeného tenkého prstence, na který dosedá vnější segment ve tvaru obruče. Vnější segment může být dělený, přitom sestává alespoň ze dvou k sobě přiléhajících částí.

Vnitřní segment může být s výhodou z kovového materiálu, jehož tepelná vodivost je větší než 25 W.mÁK'¹, například z litiny. Vnější segment může být z materiálu, jehož hodnota součinu měrné tepelné kapacity a měrné hmotnosti je větší než

1,5 kJ.dmÁK'¹, vybraného ze skupiny, zahrnující materiály na bázi šamotu, magnezitu, akumulačního betonu a mastku. Je výhodné, že na vnitřní segment s dobrou tepelnou vodivostí doléhá bez dilatační mezery vnější segment z akumulačního materiálu s vysokou hodnotou měrné tepelné kapacity a tedy s velkou akumulační schopností.

Větší schopnost akumulačního výměníku odebírat spalinám teplo je zde dána tím, že akumulační prstenec nebo jeho vnitřní segment je vybaven šroubovicovými žebry s mnohem menším stoupáním oproti současnému stavu techniky. Aby nedocházelo k usazování nečistot obsažených ve spalinách na teplosměnných plochách šroubovicových žeber, jsou šroubovicová žebra skloněna tak, že se v řezu rovnoběžném s osou šroubovice jeví teplosměnné plochy žeber jako přímky nebo křivky svírající s osou šroubovice úhel menší než 60°. Tímto jejich skloněním je dosaženo dalšího zvětšení teplosměnné plochy šroubovicového žebra a zároveň je zajištěno takové sklonění šroubovicového žebra, aby na jeho teplosměnných plochách nedocházelo k nežádoucímu usazování nečistot. Lze tak dosáhnout tak malého stoupání šroubovice žebra, pri kterém by u konvenčního řešení již mohlo na šroubovicových teplosměnných plochách docházet k usazování nečistot obsažených ve spalinách. Se zmenšením stoupání šroubovicových žeber se rovněž výrazně prodlužuje doba, po kterou mohou být spaliny v kontaktu s teplosměnnou plochou žeber, čímž dochází k lepšímu využití tepla obsaženého ve spalinách.

Větší schopnost akumulačního prstence, složeného z vnitřního segmentu a vnějšího akumulačního segmentu, odebírat spalinám teplo je dále dána tím, že vnitřní segment je vyroben z kovového materiálu s vysokou tepelnou vodivostí, větší než 25 W.m^.K'¹. Díky tomu je vnitřní segment schopen teplo přijaté teplosměnnými plochami šroubovicových žeber rychle dovést k plochám, na které doléhá vnější akumulační segment. Vnější akumulační segment může být výhodně vyroben z materiálu s vysokou hodnotou měrné tepelné kapacity, například na bázi šamotu, magnezitu, akumulačního betonu, mastku apod. Výhodou je, že jako konstrukční materiál vnějších akumulačních segmentů je možné použít materiály, které dobře nesnášejí styk s některou z agresivních složek spalin.

Je výhodné, aby plocha, kterou doléhá vnější akumulační segment na vnitřní segment, byla co největší, tak aby předání tepla z vnitřního segmentu do vnějšího akumulačního segmentu bylo co

-2 CZ 27361 Ul nejlepší. Tato styčná plocha může mít tvar prstence, přičemž vnější akumulační segment je na této ploše volně položen. Tím dochází k velmi dobrému přenosu tepla z vnitřního segmentu do vnějšího akumulačního segmentu a zároveň mezi oběma segmenty nedochází k přenosu napětí, způsobených jejich rozdílnou teplotou a rozdílnou teplotní objemovou roztažnosti.

Vnější akumulační segment může být zhotoven z jedné nebo více částí.

Výměník tepla může být pevnou součástí krbových kamen nebo krbů nebo může být proveden jako samostatná součást určená k dodatečné montáži.

Objasnění obrázků na výkresech

Na připojených výkresech jsou znázorněny příklady provedení tohoto technického řešení. Na obr. 1 je zobrazeno současné konvenční provedení akumulačního výměníku tepla, sestaveného z více jednodílných akumulačních prstenců. Akumulačních prstenců může být různý počet, každý akumulační prstenec je vybaven třemi šroubovicovými žebry a je dále vyobrazen v axonometrickém pohledu na obr. 1 vpravo dole. Počet šroubovicových žeber může být různý. Spaliny vystupující z výstupního hrdla krbové vložky nebo krbových kamen vstupují zespodu do akumulačního výměníku, procházejí jeho vnitřní dutinou mezi šroubovicovými žebry, kde předávají své teplo vnitřním plochám akumulačního prstence a vystupují vrchem akumulačního výměníku do komína. Dráhy spalin při průchodu akumulačním výměníkem jsou na obr. 1 zobrazeny vpravo nahoře.

Na obr. 2 je zobrazeno současné konvenční provedení akumulačního výměníku tepla, sestaveného z více dvoudílných akumulačních prstenců. Akumulačních prstenců může být různý počet, každý z nich sestává z vnitřního a vnějšího segmentu. Vnitřní segment je vybaven třemi šroubovicovými žebry, oba segmenty jsou dále vyobrazeny v axonometrickém pohledu na obr. 2 vpravo dole, přitom počet šroubovicových žeber může být různý. Spaliny vystupující z výstupního hrdla krbové vložky nebo krbových kamen vstupují zespodu do akumulačního výměníku, procházejí mezi šroubovicovými žebry, kde předávají své teplo vnitřním plochám vnitřního segmentu a vystupují vrchem akumulačního výměníku do komína. Teplo ze spalin se pak šíří z vnitřního segmentu do vnějšího segmentu. Dráhy spalin při průchodu akumulačním výměníkem jsou na obr. 2 zobrazeny vpravo nahoře.

Na obr. 3 je zobrazeno provedení akumulačního výměníku tepla podle tohoto technického řešení, sestaveného z více dvoudílných akumulačních prstenců, kterých může být různý počet. Každý akumulační prstenec zde sestává z vnitřního a vnějšího akumulačního segmentu, kde vnitřní segment je vybaven jedním šroubovicovým žebrem. Oba segmenty jsou dále zobrazeny v axonometrickém pohledu na obr. 3 vpravo dole. Počet šroubovicových žeber může být různý. Spaliny vystupující z výstupního hrdla krbové vložky nebo krbových kamen vstupují zespodu do akumulačního výměníku, procházejí mezi šroubovicovými žebry, kde předávají své teplo vnitřním plochám vnitřního segmentu a vystupují vrchem akumulačního výměníku do komína. Teplo se pak šíří z vnitřního segmentu do vnějšího segmentu. Dráhy spalin při průchodu akumulačním výměníkem jsou na obr. 3 zobrazeny vpravo nahoře.

Na obr. 4 je zobrazeno provedení akumulačního výměníku tepla podle tohoto technického řešení, sestaveného z více dvoudílných akumulačních prstenců, kterých může být různý počet. Akumulační prstenec zde sestává z vnitřního a vnějšího akumulačního segmentu. Vnitřní segment je vybaven třemi šroubovicovými žebry, vnější akumulační segment je proveden jako dvoudílný. Oba segmenty jsou vyobrazeny v axonometrickém pohledu na obr. 4 vpravo dole. Dráhy spalin při průchodu akumulačním výměníkem jsou na obr. 4 zobrazeny vpravo nahoře.

Na obr. 5 je zobrazeno provedení akumulačního výměníku tepla podle tohoto technického řešení, sestaveného z více jednodílných akumulačních prstenců, kterých může být různý počet. Akumulační prstenec je vybaven třemi šroubovicovými žebry. Akumulační prstenec je v axonometrickém pohledu zobrazen na obr. 5 vpravo dole. Počet šroubovicových žeber může být různý. Spaliny vystupující z výstupního hrdla krbové vložky nebo krbových kamen (viz vpravo nahoře na obr. 5).

-3MMMMMbN

CZ 27361 Ul

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je příklad současného známého konvenčního provedení akumulačního výměníku tepla, sestaveného z více jednodílných akumulačních prstenců I, jejich počet je volitelný a závisí na úvaze stavitele akumulačního výměníku. V pravé homí části obr. 1 jsou zobrazeny dráhy 2 proudících spalin mezi šroubovicovými žebry 8 akumulačních prstenců J_. Spaliny vycházející z výstupního hrdla 7 krbových kamen nebo vložky 6, vstupují do akumulačního výměníku, kterým po šroubovicových drahách 2 stoupají směrem vzhůru a po opuštění akumulačního výměníku odcházejí do komína. Stoupání šroubovice teplosměnné plochy má velikost přibližně 520 mm (je označeno písmenem S), v tomto příkladu provedení jsou použita tři šroubovicová žebra 8. Teplosměnné plochy šroubovicových žeber 8 se v řezu rovnoběžném s osou šroubovice jeví jako křivky svírající s osou šroubovice úhel Y1 v případě homí šroubovicové plochy 9 a Y2 v případě spodní šroubovicové plochy 10. Úhly Y1 a Y2 se blíží 90°. V pravé dolní části obr. 1 je v axonometrickém pohledu zobrazen příklad jednoho jednodílného akumulačního prstence I.

Na obr. 2 je příklad současného známého konvenčního provedení akumulačního výměníku tepla, sestaveného z více dvoudílných akumulačních prstenců 3. Mezi vnitřním a vnějším segmentem 4, 5 je nutná dilatační mezera X. Tato dilatační mezera X zhoršuje přestup tepla z vnitřního segmentu 4 do vnějšího segmentu 5. Počet akumulačních prstenců je volitelný a závisí na úvaze stavitele akumulačního výměníku. Stoupání šroubovice teplosměnné plochy je označeno písmenem S, jsou použita tři šroubovicová žebra 8. Teplosměnné plochy šroubovicových žeber 8 se v řezu rovnoběžném s osou šroubovice jeví jako křivky svírající s osou šroubovice úhel Y1 v případě homí šroubovicové plochy 9 a Y2 v případě spodní šroubovicové plochy 10. Úhly Y1 a Y2 se blíží 90°. V pravé homí části obr. 2 jsou zobrazeny dráhy 2, po kterých proudí spaliny mezi šroubovicovými žebry 8, v pravé dolní části obr. 2 je zobrazen příklad vnitřního a vnějšího segmentu 4, 5 jednoho akumulačního prstence.

Na obr. 3 je znázorněn příklad provedení akumulačního výměníku tepla podle tohoto technického řešení. Výměník je sestaven z více dvoudílných akumulačních prstenců 3, kde každý z nich zahrnuje průchozí vnitřní segment 4 a obepínající vnější segment 5. Štíhlý průchozí vnitřní segment 4, opatřený ve své středové dutině jedním žebrem 8 ve tvam šroubovice, přechází ve své spodní části do rozšířeného tenkého prstence JT, na který dosedá vnější segment 5 ve tvam obruče. V pravé homí části obr. 3 jsou zobrazeny dráhy 2, po kterých proudí spaliny mezi šroubovicovými žebry 8. Stoupání šroubovice je označeno písmenem S a má v tomto příkladu provedení velikost 160 mm. Teplosměnné plochy šroubovicových žeber 8 se v řezu rovnoběžném sosou šroubovice jeví jako přímky svírající sosou šroubovice úhel Y1 v případě homí šroubovicové plochy 9 a Y2 v případě spodní Šroubovicové plochy JO. Oba úhly jsou v tomto konkrétním případě rovny 45°. Takto dojde ke sklonění teplosměnných ploch 9 a 10 tak, aby na nich nedocházelo k usazování nečistot obsažených ve spalinách, přičemž může být využito žeber ve tvam šroubovice 8 s mnohem menším stoupáním S, což se příznivě projevuje v předávání tepla ze spalin do vnitřního segmentu 4. Vnitřní segment 4 má pak dále na svém rozšířeném vnějším obvodu tvar tenkého prstence JT, na který dosedá vnější akumulační segment 5, který je na obr. 3 zobrazen jako jednodílný, mající tvar obruče. Mezi vnitřním a vnějším segmentem 4, 5 je opět dilatační mezera X, která zhoršuje přestup tepla z vnitřního segmentu 4 do akumulačního vnějšího segmentu 5. Toto zhoršené vedení tepla je však kompenzováno tím, že jako materiál vnitřního segmentu 4 je použit kovový materiál s vysokou tepelnou vodivostí, větší než 25 W.nú.K¹, například litina, čímž je teplo snadno vedeno do celé hmoty vnitřního segmentu 4, včetně prstence JT na jeho vnějším obvodu. Homí plochou 12 tohoto prstence 11 pak přestupuje další teplo z vnitřního segmentu 4 do vnějšího akumulačního segmentu 5, čímž dojde k mnohem lepšímu prohřívání vnějšího akumulačního segmentu 5, tedy k lepší akumulaci tepla. Vnitřní a vnější segment 4, 5 je dále zobrazen na obr. 3 zvlášť vpravo dole.

Na obr. 4 je znázorněn další příklad provedení akumulačního výměníku tepla podle tohoto technického řešení. Výměník je sestaven z více dvoudílných akumulačních prstenců 3, kde každý z nich zahrnuje průchozí vnitřní segment 4 a obepínající vnější segment 5. Štíhlý průchozí vnitřní segment 4, opatřený ve své středové dutině třemi žebry 8 ve tvam šroubovice, přechází ve své

-4CZ 27361 Ul spodní části do rozšířeného tenkého prstence J_L, na který dosedá vnější segment 5 ve tvaru obruče. V pravé homí části obr. 4 jsou zobrazeny dráhy 2, po kterých proudí spaliny mezi šroubovicovými žebry 8. Stoupání S šroubovice má zde velikost 320 mm. Teplosměnné plochy šroubovicových žeber 8 se v řezu rovnoběžném s osou šroubovice jeví jako přímky svírající s osou šroubovice úhel Y1 v případě homí šroubovicové plochy 9 a Y2 v případě spodní šroubovicové plochy 10. Oba úhly jsou v tomto konkrétním případě rovny 45°. Další princip je stejný jako v případě obr. 3. Je zjevné, že počet žeber 8 a stoupání S šroubovice mohou být různé, volbu je nutno provést tak, aby byl vnitřní segment 4 vyrobitelný. Vnitřní a vnější segment 4, 5 je dále zobrazen na obr. 4 v axonometrickém pohledu zvlášť vpravo dole. Vnější akumulační segment 5 je zde proveden jako dělený (dvoudílný) ale může sestávat i z více než dvou dílů.

Na obr. 5 je vyobrazen další příklad provedení akumulačního výměníku tepla podle tohoto technického řešení. Výměník je sestaven z více jednodílných akumulačních prstenců i, kde každý prstenec je uvnitř vybaven třemi žebry 8 majícími tvar šroubovice. V pravé homí části obr. 5 jsou zobrazeny dráhy 2, po kterých proudí spaliny mezi šroubovicovými žebry 8. Stoupání šroubovice je označeno písmenem S a v tomto konkrétním příkladu provedení má velikost 320 mm. Teplosměnné plochy šroubovicových žeber 8 se v řezu rovnoběžném s osou šroubovice jeví jako přímky svírající s osou šroubovice úhel Y1 v případě homí šroubovicové plochy 9 a Y2 v případě spodní šroubovicové plochy 10. Oba úhly jsou v tomto konkrétním případě rovny 45°. Další princip je stejný jako u obr. 4. Je zjevné, že počet žeber 8 a stoupání S šroubovice mohou být různé. Akumulační prstenec I je dále v axonometrickém pohledu zobrazen na obr. 5 zvlášť vpravo dole.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro dodatečné využití a akumulaci tepla spalin, zejména pro kamna nebo krby, napojené na výstup krbových kamen nebo vložky (6), které zahrnuje pro spaliny průchozí akumulační prstenec nebo prstence (1, 3), s nejméně jedním žebrem (8) tvarovaným do šroubovice a sloužícím k zachycení tepla spalin, kde každé žebro (8) má homí a spodní teplosměnnou plochu (9,10), vyznačující se tím, že homí a spodní teplosměnná plocha (9, 10) každého žebra (8) svírá s osou jeho šroubovice ostrý úhel menší nebo roven 60°.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že žebra (8), která zasahují do průchozí dutiny akumulačního prstence (1,3), jsou dvě až tři, dvě jsou uspořádána symetricky po obvodu této dutiny, přičemž teplosměnné plochy těchto žeber (8), které jsou v řezu rovnoběžném s osou jejich šroubovice určeny přímkami, svírají s osou této šroubovice úhel v rozmezí od 40 do 60°.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že akumulační prstenec (3) je dvoudílný, zahrnuje průchozí vnitřní segment (4) a obepínající vnější segment (5), kde jeho štíhlý průchozí vnitřní segment (4), opatřený ve své středové dutině nejméně jedním žebrem (8), přechází ve své spodní části do rozšířeného tenkého prstence (11), na který dosedá vnější segment (5) ve tvaru obruče.
4. 4. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že vnější segment (5) je dělený a sestává alespoň ze dvou k sobě přiléhajících částí.
5. 5. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že vnitřní segment (4) je z kovového materiálu, jehož tepelná vodivost je větší než 25 W.mÁK'¹, například z litiny, zatímco vnější segment (5) je z materiálu, jehož hodnota součinu měrné tepelné kapacity a měmé hmotnosti je větší než 1,5 kJ.dmÝK'¹.

   -5CZ 27361 Ul
6. 6. Zařízení podle nároku 3, vyznačující se tím, že vnější segment (5) je z materiálu, vybraného ze skupiny, zahrnující materiály na bázi šamotu, magnezitu, akumulačního betonu a mastku.

   5 výkresů

   5 Seznam vztahových značek: