EA045129B1 - DEVICE FOR INTENSIFICATION OF HEAT TRANSFER AND BOILER CONTAINING THIS DEVICE - Google Patents
DEVICE FOR INTENSIFICATION OF HEAT TRANSFER AND BOILER CONTAINING THIS DEVICE Download PDFInfo
- Publication number
- EA045129B1 EA045129B1 EA202292004 EA045129B1 EA 045129 B1 EA045129 B1 EA 045129B1 EA 202292004 EA202292004 EA 202292004 EA 045129 B1 EA045129 B1 EA 045129B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- mentioned
- pipes
- jumpers
- heat
- combustion products
- Prior art date
Links
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims description 24
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 48
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 32
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 239000002826 coolant Substances 0.000 claims description 10
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 claims description 10
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 241000555745 Sciuridae Species 0.000 claims description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 3
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims 1
- 239000004590 silicone sealant Substances 0.000 claims 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 claims 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- -1 however Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 1
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000005226 mechanical processes and functions Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относится к водогрейным котлам для нужд отопления и горячего водоснабжения объектов коммунального, бытового и производственного назначения.The invention relates to hot water boilers for the needs of heating and hot water supply of municipal, domestic and industrial facilities.
Уровень техникиState of the art
Известен водогрейный котел, содержащий корпус, имеющий боковую стенку и два закрывающих элемента, которые жестко соединены с разными концами боковой стенки и формируют вместе с ней внутреннее пространство котла [1]. Горелка котла [1] расположена во внутреннем пространстве корпуса и соединена с одним из закрывающих элементов. Теплообменник котла [1] расположен во внутреннем пространстве корпуса между боковой стенкой и горелкой так, что он задает окружающую горелку камеру сгорания и экранирует боковую стенку корпуса котла от лучистого излучения горелки. Между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла [1] сформирован окружной канал для прохождения дымовых газов, образовавшихся в камере сгорания. Закрывающие элементы корпуса котла [1] выполнены так, что один из них образует входной коллектор для подвода подлежащего нагреву теплоносителя в котел, а другой выходной коллектор для отвода нагретого теплоносителя. Теплообменник котла [1] образован отдельными проточными в одном направлении трубками, каждая из которых одним концом подключена к входному коллектору, а другим концом - к выходному коллектору. Каждая труба теплообменника котла [1] имеет продолговатое поперечное сечение, продолговатые стороны которого задают расположенные напротив друг друга теплообменные поверхности. Теплообменник котла [1] выполнен в виде секторов, содержащих трубки, теплообменные поверхности которых преимущественно параллельны друг другу, каждая трубка сектора с продолговатым поперечным сечением имеет концы, один из которых обращен к горелке, а другой - к боковой стенке корпуса котла [1]. Теплообменные поверхности соседних трубок в секторе образуют непрерывный проходной канал для прохода дымовых газов из камеры сгорания в указанный окружной канал для дымовых газов, образованный между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла.A water heating boiler is known, containing a housing having a side wall and two closing elements, which are rigidly connected to different ends of the side wall and together with it form the internal space of the boiler [1]. The boiler burner [1] is located in the internal space of the housing and is connected to one of the closing elements. The boiler heat exchanger [1] is located in the internal space of the body between the side wall and the burner so that it defines the combustion chamber surrounding the burner and shields the side wall of the boiler body from the radiant radiation of the burner. A circumferential channel is formed between the heat exchanger and the side wall of the boiler body [1] for the passage of flue gases formed in the combustion chamber. The closing elements of the boiler body [1] are designed so that one of them forms an input manifold for supplying the coolant to be heated into the boiler, and the other output manifold for discharging the heated coolant. The boiler heat exchanger [1] is formed by separate tubes flowing in one direction, each of which is connected at one end to the inlet manifold, and at the other end to the outlet manifold. Each boiler heat exchanger pipe [1] has an oblong cross-section, the elongated sides of which define the heat exchange surfaces located opposite each other. The boiler heat exchanger [1] is made in the form of sectors containing tubes, the heat exchange surfaces of which are predominantly parallel to each other, each sector tube with an oblong cross-section has ends, one of which faces the burner, and the other faces the side wall of the boiler body [1]. The heat exchange surfaces of adjacent tubes in the sector form a continuous passage channel for the passage of flue gases from the combustion chamber into the specified circumferential flue gas channel formed between the heat exchanger and the side wall of the boiler body.
Недостатками котла [1] являются:The disadvantages of the boiler [1] are:
1) необходимость применения большого количества теплообменных трубок, что приводит к увеличению затрат на материалы, а также увеличивает вес котла [1];1) the need to use a large number of heat exchange tubes, which leads to increased costs for materials and also increases the weight of the boiler [1];
2) расположение трубок по секторам необходимо для сближения трубок между собой, чтобы увеличить скорость уходящих газов для лучшей теплопередачи и возможности контролировать геометрию плоских теплообменных труб вследствие давления воды в них. Это приводит к необходимости в рамках каждого сектора приваривать трубки к трубной доске очень близко друг к другу, что очень трудоемко и усложняет контроль сварочных швов;2) the arrangement of tubes in sectors is necessary to bring the tubes closer together in order to increase the speed of the exhaust gases for better heat transfer and the ability to control the geometry of flat heat exchange tubes due to the water pressure in them. This leads to the need, within each sector, to weld the tubes to the tube sheet very close to each other, which is very labor-intensive and complicates the control of welding seams;
3) также очень близкое расположение теплообменных трубок негативно влияет на срок службы котла [1]. Так как вода в трубах поднимается наверх под действием подъёмных сил вследствие нагрева воды, т.е. очень медленно, то при малейшем засорении одной из трубок возникнет разница температуры нагрева соседних трубок и, как следствие, разное удлинение труб. От разного давления на трубную доску, в которую приварены трубы теплообменника, в трубной доске возникает напряжение, которое через какое-то количество циклов приводит к образованию в ней микротрещин и выходу котла из строя. Расстояние между трубами рассчитывается на основании соответствующих хорошо известных методик и имеет минимальные допустимые значения. Чем меньше расстояние между соседними трубами, тем меньше срок службы котла;3) also a very close arrangement of heat exchange tubes negatively affects the service life of the boiler [1]. Since the water in the pipes rises upward under the influence of lifting forces due to heating of the water, i.e. very slowly, then the slightest blockage of one of the tubes will result in a difference in the heating temperature of adjacent tubes and, as a consequence, different elongation of the tubes. Due to different pressures on the tube sheet into which the heat exchanger pipes are welded, tension arises in the tube sheet, which after a certain number of cycles leads to the formation of microcracks in it and failure of the boiler. The distance between pipes is calculated based on appropriate well-known methods and has minimum acceptable values. The smaller the distance between adjacent pipes, the shorter the service life of the boiler;
4) необходимость близкого расположения труб в каждом секторе для увеличения теплообмена увеличивает сопротивление прохождения сгоревших газов, что приводит к необходимости применять горелки большей мощности. Увеличение же скорости прохождение в узкой щели между плоскими трубами может приводить к падению давления на стенки этих труб и ухудшению контакта молекул газов со стеками трубок (в силу эффекта Бернулли);4) the need for close placement of pipes in each sector to increase heat transfer increases the resistance to the passage of burnt gases, which leads to the need to use burners of higher power. An increase in the speed of passage in a narrow gap between flat pipes can lead to a drop in pressure on the walls of these pipes and a deterioration in the contact of gas molecules with the stacks of tubes (due to the Bernoulli effect);
5) также из-за секторного расположения трубок теплообменника между секторами появляются неиспользуемые площади, в которых установлены неохлаждаемые уголки для удержания плоских теплообменных труб от деформации вследствие давления воды в них. Используемые уголки должны быть жаропрочными и иметь достаточную толщину. Недостатком является то, что неэффективно используется площади котла, и в топочном пространстве котла [1] присутствуют элементы, не способствующие теплообмену;5) also, due to the sectoral arrangement of the heat exchanger tubes, unused areas appear between the sectors, in which uncooled corners are installed to keep the flat heat exchange tubes from deformation due to the water pressure in them. The corners used must be heat-resistant and of sufficient thickness. The disadvantage is that the boiler area is used inefficiently, and in the combustion space of the boiler [1] there are elements that do not contribute to heat transfer;
6) недостатком также является жесткое соединение боковой стенки к закрывающим снизу и сверху элементам котла [1]. Так как стенка котла [1] и трубки теплообменника расположены по длине в одном направлении и имеют различную температуру, то из-за разницы температуры в них возникает различное удлинение и при жестком закреплении стенки и труб возникает напряжение в элементах котла, которые также негативно влияют на срок службы котла. Также несъемная стенка котла [1] не позволяет производить оперативный осмотр, чистку и замену каких-то элементов теплообменника.6) a disadvantage is also the rigid connection of the side wall to the boiler elements covering the bottom and top [1]. Since the boiler wall [1] and the heat exchanger tubes are located along the length in the same direction and have different temperatures, due to the temperature difference, different elongations arise in them, and when the wall and pipes are rigidly fastened, stress arises in the boiler elements, which also negatively affects boiler service life. Also, the non-removable boiler wall [1] does not allow for prompt inspection, cleaning and replacement of some heat exchanger elements.
Также известна конструкция одноходового водогрейного котла, содержащего корпус, имеющий боковую стенку и два закрывающих элемента, которые жестко соединены с разными концами боковой стенки и формируют вместе с ней внутреннее пространство котла [2]. Котел [2] содержит горелку, расположенную во внутреннем пространстве корпуса и соединенную с одним из закрывающих элементов,The design of a single-pass hot water boiler is also known, containing a housing having a side wall and two closing elements, which are rigidly connected to different ends of the side wall and together with it form the internal space of the boiler [2]. The boiler [2] contains a burner located in the internal space of the housing and connected to one of the closing elements,
- 1 045129 теплообменник, расположенный во внутреннем пространстве корпуса между боковой стенкой корпуса и горелкой так, что он задает окружающую горелку камеру сгорания и экранирует боковую стенку корпуса котла от лучистого излучения горелки. Между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла [2] сформирован окружной канал для прохождения дымовых газов, образовавшихся в камере сгорания. Закрывающие элементы корпуса выполнены так, что один из них образует входной коллектор для провода подлежащего нагреву теплоносителя в котел, а другой - выходной коллектор для отвода нагретого теплоносителя из котла. Теплообменник котла [2] образован отдельными проточными в одном направлении трубками, каждая из которых одним концом подключена к входному коллектору, а другим концом - к выходному коллектору. При этом каждая трубка теплообменника имеет продолговатое поперечное сечение, продолговатые стороны которого задают расположенные напротив друг друга продолговатые теплообменные поверхности, одна из которых обращена к горелке, а другая - к боковой стенке корпуса котла. При этом трубы котла [2] расположены так, что обращенная к горелке продолговатая теплообменная поверхность каждой трубы, по меньшей мере, частично перекрыта соседней трубой, причем обращенная к горелке теплообменная поверхность каждой трубы и перекрывающая ее соседняя труба своей обращенной к боковой стенке корпуса теплообменной поверхностью образуют непрерывный проходной канал для прохода дымовых газов из камеры сгорания в указанный окружной канал для дымовых газов, образованный между теплообменником и боковой стенкой корпуса котла [2].- 1 045129 heat exchanger located in the internal space of the housing between the side wall of the housing and the burner so that it defines the combustion chamber surrounding the burner and shields the side wall of the boiler body from the radiant radiation of the burner. A circumferential channel is formed between the heat exchanger and the side wall of the boiler body [2] for the passage of flue gases formed in the combustion chamber. The closing elements of the housing are designed so that one of them forms an input manifold for conducting the coolant to be heated into the boiler, and the other forms an output manifold for removing the heated coolant from the boiler. The boiler heat exchanger [2] is formed by separate tubes flowing in one direction, each of which is connected at one end to the inlet manifold, and at the other end to the outlet manifold. In this case, each heat exchanger tube has an oblong cross-section, the oblong sides of which are defined by elongated heat exchange surfaces located opposite each other, one of which faces the burner, and the other faces the side wall of the boiler body. In this case, the boiler pipes [2] are arranged so that the elongated heat transfer surface of each pipe facing the burner is at least partially blocked by the adjacent pipe, with the heat transfer surface of each pipe facing the burner and the adjacent pipe overlapping it with its heat transfer surface facing the side wall of the housing form a continuous passage channel for the passage of flue gases from the combustion chamber into the specified circumferential channel for flue gases formed between the heat exchanger and the side wall of the boiler body [2].
Выполнение теплообменника из множества отдельных труб с продолговатым сечением, а также наличие каналов между трубами для прохождения продуктов сгорания из камеры сгорания в окружной канал, позволяют значительно увеличить теплообменную поверхность. При этом наличие подобных каналов, имеющих относительно большую протяженность в продольном направлении котла [2], обеспечивает связь между камерой сгорания и окружным каналом для дымовых газов без необходимости изменения направления движения дымовых газов на противоположное.Making the heat exchanger from many individual pipes with an elongated cross-section, as well as the presence of channels between the pipes for the passage of combustion products from the combustion chamber into the circumferential channel, can significantly increase the heat exchange surface. Moreover, the presence of such channels, which have a relatively large length in the longitudinal direction of the boiler [2], provides a connection between the combustion chamber and the circumferential channel for flue gases without the need to change the direction of movement of flue gases to the opposite.
Таким образом, необходимая тепловая мощность котла [2] достигается за счет нагрева теплоносителя как излучения горелки, так и конвективного тепла дымовых газов.Thus, the required thermal power of the boiler [2] is achieved by heating the coolant from both the burner radiation and the convective heat of the flue gases.
Кроме того, использование указанной одноходовой системы котла [2] уменьшает внутреннее гидравлическое сопротивление теплообменника и тем самым позволяет использовать менее мощные насосы для циркуляции теплоносителя. Этот эффект снижения гидравлического сопротивления усиливается за счет выполнения теплообменника из множества однопроточных трубок, которые создают существенное общее проточное сечение теплообменника, что позволяет уменьшить скорость движения теплоносителя внутри теплообменника, вследствие чего более тяжелые частицы шлама оседают под действием силы тяжести во входном коллекторе, значительно снижая засорение труб теплообменника, облегчая чистку теплообменника и увеличивая периоды между техническим обслуживанием.In addition, the use of the specified one-pass boiler system [2] reduces the internal hydraulic resistance of the heat exchanger and thereby allows the use of less powerful pumps for circulating coolant. This effect of reducing hydraulic resistance is enhanced by constructing the heat exchanger from a plurality of single-flow tubes, which create a significant overall flow area of the heat exchanger, which allows the speed of movement of the coolant inside the heat exchanger to be reduced, as a result of which heavier particles of sludge settle under the influence of gravity in the inlet manifold, significantly reducing clogging heat exchanger tubes, making it easier to clean the heat exchanger and extending the periods between maintenance.
Однако, частичное перекрытие теплообменных труб с образованием проходных каналов между теплообменными поверхностями соседних труб приводит к тому, что на входе в такие проходные каналы со стороны горелки продукты сгорания имеют значительную концентрацию и максимальную скорость движения, а на выходе из проходных каналов в окружной канал продукты сгорания двигаются только вдоль той части теплообменной трубы, которая не перекрыта соседней трубой, то есть подвергаются рассеиванию с уменьшением скорости их движения. Это приводит к тому, что максимально нагреваются только те части соседних теплообменных труб, которые образуют проходные каналы для концентрированного и скоростного движения продуктов сгорания, то есть перекрывают друг друга. Части каждой теплообменной трубы, не перекрытые соседней трубой, прогреваются в меньшей степени. В таком случае для равномерного нагрева всей поступающей в теплообменные трубы воды требуется либо более длительный промежуток времени, либо увеличение мощности котла.However, partial overlap of heat exchange pipes with the formation of passage channels between the heat exchange surfaces of adjacent pipes leads to the fact that at the entrance to such passage channels from the burner side, combustion products have a significant concentration and maximum speed of movement, and at the exit from the passage channels into the circumferential channel, combustion products move only along that part of the heat exchange pipe that is not blocked by the adjacent pipe, that is, they are subject to dissipation with a decrease in the speed of their movement. This leads to the fact that only those parts of adjacent heat exchange pipes that form passage channels for the concentrated and high-speed movement of combustion products are heated to the maximum, that is, they overlap each other. The parts of each heat exchange pipe that are not blocked by the adjacent pipe are heated to a lesser extent. In this case, to uniformly heat all the water entering the heat exchange pipes, either a longer period of time or an increase in boiler power is required.
Также для достижения достаточной теплопередачи необходимо максимально близко располагать трубы относительно друг друга, что приводит к сложности изготовления котла и его недолговечности изза малого расстояния между трубами, уменьшающего выносливость к цикловым нагрузкам металла трубной решетки, к которой приварены теплообменные трубы.Also, to achieve sufficient heat transfer, it is necessary to place the pipes as close as possible to each other, which leads to the complexity of manufacturing the boiler and its fragility due to the small distance between the pipes, which reduces the endurance to cyclic loads of the metal of the tube sheet to which the heat exchange pipes are welded.
Жесткое закрепление стенки котла [2] к закрывающим нижнему и верхнему элементам также не способствует долговечности котла в связи с возникающими напряжениями в теплообменнике из-за разницы температуры труб теплообменника и боковой стенкой. Также жесткое закрепление стенки к теплообменнику препятствует быстрому осмотру, очистке котла [2] от сажи и при необходимости ремонту.Rigid fastening of the boiler wall [2] to the closing lower and upper elements also does not contribute to the durability of the boiler due to stresses arising in the heat exchanger due to the difference in temperature between the heat exchanger pipes and the side wall. Also, rigid fastening of the wall to the heat exchanger prevents quick inspection, cleaning of the boiler [2] from soot and, if necessary, repair.
Указанные недостатки свидетельствуют о недостаточной эффективности такой конструкции водогрейного котла [2].These disadvantages indicate the insufficient efficiency of this design of a hot water boiler [2].
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Терминам и выражениям, использованным в настоящем тексте, придается следующий смысл.The following meanings are given to the terms and expressions used in this text.
Лабиринтные ходы - ходы для продуктов сгорания, в которых, траектория продуктов сгорания, по меньшей мере, на одном отрезке пути от проксимальной к дистальной части канала, отклоняется от прямой. Предпочтительно, когда на пути от проксимальной к дистальной части канала продукты сгорания, по меньшей мере, дважды меняют свое направление и движутся сначала в одном латеральном направлении, а потом в другом латеральном направлении.Labyrinth passages are passages for combustion products in which the trajectory of combustion products, at least on one segment of the path from the proximal to the distal part of the channel, deviates from a straight line. Preferably, on the way from the proximal to the distal part of the channel, the combustion products change their direction at least twice and move first in one lateral direction and then in the other lateral direction.
Под сборкой в виде беличьего колеса понимается сборка, чьи боковые границы в основном обра- 2 045129 зованы продольно-вытянутыми трубами, - расположенными на периферии продольной центральной полости, а торцы - коллекторами, расположенными в основном в поперечном направлении.An assembly in the form of a squirrel wheel is understood as an assembly whose lateral boundaries are mainly formed by longitudinally elongated pipes located on the periphery of the longitudinal central cavity, and the ends are by collectors located mainly in the transverse direction.
Под перемычками понимаются конструктивные элементы, соединяющие перегородки между собой в единую конструкцию.Jumpers are understood as structural elements that connect partitions to each other into a single structure.
Под проксимальным концом понимается конец, расположенный ближе к горелке.By proximal end is meant the end closest to the torch.
Под дистальным концом понимается конец, расположенный дальше от горелки.By distal end is meant the end located further from the burner.
Технической проблемой изобретения является интенсификация теплопередачи в котлах с теплообменными трубами, расположенными вокруг горелки наподобие беличьего колеса.The technical problem of the invention is the intensification of heat transfer in boilers with heat exchange pipes located around the burner like a squirrel wheel.
Технический результат состоит в том, что интенсивность теплопередачи повышена за счет того, что продукты сгорания направляют по лабиринтному каналу, имеющему большую площадь теплообмена (по сравнению с трубами), без внесения изменений в конструкцию и форму самих труб (отсутствует необходимость в профилировании их поверхности), при этом элементы, обеспечивающие интенсификацию теплообмена легко монтируются и демонтируются (например, для очистки), не ослабляют конструкцию (наоборот, общая прочность сборки увеличивается).The technical result is that the intensity of heat transfer is increased due to the fact that combustion products are directed through a labyrinthine channel, which has a larger heat transfer area (compared to pipes), without making changes to the design and shape of the pipes themselves (there is no need to profile their surface) , while the elements that ensure intensification of heat transfer are easily mounted and dismantled (for example, for cleaning) and do not weaken the structure (on the contrary, the overall strength of the assembly increases).
Вышеуказанная задача обеспечивается за счет того, что предлагаемое устройство для интенсификации теплопередачи, выполнено с возможностью установки между плоскими гранями соседних труб теплообменника, при этом вместе с упомянутыми плоскими гранями соседних труб оно образует, по меньшей мере один лабиринтный канал для продуктов сгорания, имеющий проксимальный конец с входным отверстием для продуктов сгорания, дистальный конец с выходным отверстием для продуктов сгорания, боковые стенки, образуемые упомянутыми плоскими гранями соседних труб, и, по меньшей мере одну перегородку, расположенную таким образом, чтобы обеспечить, по меньшей мере один изгиб упомянутого лабиринтного канала.The above task is achieved due to the fact that the proposed device for intensifying heat transfer is designed to be installed between the flat edges of adjacent heat exchanger pipes, and together with the said flat edges of adjacent pipes it forms at least one labyrinthine channel for combustion products having a proximal end with an inlet for combustion products, a distal end with an outlet for combustion products, side walls formed by said flat faces of adjacent pipes, and at least one partition located so as to provide at least one bend of said labyrinth channel.
Для обеспечения механической прочности устройства, вышеупомянутые перегородки могут быть соединены между собой перемычками. Помимо механической, перемычки отчасти могут выполнять и теплообменную функцию, особенно, если их сечение, площадь контакта с продуктами сгорания и с трубами достаточно велики. Форма перемычек может быть различной.To ensure the mechanical strength of the device, the above-mentioned partitions can be connected to each other by jumpers. In addition to the mechanical function, jumpers can partly perform a heat exchange function, especially if their cross-section and area of contact with combustion products and pipes are large enough. The shape of the jumpers can be different.
В одном из наиболее простых вариантов воплощения, вышеупомянутые перемычки могут представлять собой стержни, продетые через отверстия в вышеупомянутых перегородках.In one of the simplest embodiments, the above-mentioned bridges may be rods threaded through holes in the above-mentioned partitions.
В еще более простом варианте воплощения вышеупомянутые перемычки представляют собой продольно-вытянутые стержнеобразные элементы, отлитые за одно целое с вышеупомянутыми перегородками.In an even simpler embodiment, the above-mentioned webs are longitudinally elongated rod-shaped elements molded integrally with the above-mentioned partitions.
В более сложном варианте воплощения, вышеупомянутые, перемычки представляют собой группы пластинчатых элементов, имеющих первый боковой торец, предназначенный для контакта с одной упомянутой трубой, второй боковой торец, расположенный напротив упомянутого первого бокового торца и предназначенный для контакта с другой упомянутой трубой, проксимальный торец, и дистальный торец, расположенный напротив упомянутого проксимального торца. Чем больше соотношение перемычек и перегородок, тем выше будет прочность устройства и, тем важнее будет вклад перемычек в теплообмен.In a more complex embodiment, the above-mentioned bridges are groups of plate-like elements having a first side end for contact with one of said pipes, a second side end opposite said first side end and for contact with another said pipe, a proximal end, and a distal end located opposite said proximal end. The higher the ratio of jumpers to partitions, the higher the strength of the device will be and the more important the contribution of jumpers to heat transfer will be.
В предпочтительном варианте воплощения, вышеупомянутые перемычки имеют трапециевидную форму в плане. Такая форма позволяет устанавливать устройство в натяг, задвигая его между двух труб наподобие клина.In a preferred embodiment, the above-mentioned lintels have a trapezoidal shape in plan. This shape allows you to install the device in tension, sliding it between two pipes like a wedge.
Расположение перемычек, в том числе плоских, может быть различным.The location of jumpers, including flat ones, may be different.
В одном из наиболее простых вариантов воплощения, вышеупомянутые перемычки расположены параллельно друг другу. Этот вариант является наиболее подходящим для изготовления устройств методом литья.In one of the simplest embodiments, the above-mentioned jumpers are arranged parallel to each other. This option is most suitable for the manufacture of devices by casting.
Взаимная ориентация перемычек, в том числе плоских, и труб, может быть различной.The mutual orientation of jumpers, including flat ones, and pipes can be different.
В наиболее простом варианте воплощения, двугранный угол между вышеупомянутыми перемычками и вышеупомянутыми плоскими гранями соседних труб представляет собой прямой угол.In the simplest embodiment, the dihedral angle between the above-mentioned bridges and the above-mentioned flat faces of adjacent pipes is a right angle.
В более сложном варианте воплощения, двугранный угол между вышеупомянутыми перемычками и вышеупомянутыми плоскими гранями соседних труб отличается от прямого угла.In a more complex embodiment, the dihedral angle between the above-mentioned bridges and the above-mentioned flat edges of the adjacent pipes is different from the right angle.
Взаимная ориентация перемычек, в том числе плоских, и кратчайшим направлением движения продуктов сгорания также может быть различной.The mutual orientation of the jumpers, including flat ones, and the shortest direction of movement of combustion products can also be different.
В наиболее простом варианте воплощения, угол между вышеупомянутыми перемычками и воображаемым кратчайшим направлением движения продуктов сгорания составляет 180°.In the simplest embodiment, the angle between the above-mentioned jumpers and the imaginary shortest direction of movement of the combustion products is 180°.
В более сложном варианте воплощения угол между вышеупомянутыми перемычками и воображаемым кратчайшим направлением движения продуктов сгорания отличается от 180°. В пределе этот угол может достигать 90°.In a more complex embodiment, the angle between the above-mentioned bridges and the imaginary shortest direction of movement of the combustion products is different from 180°. In the limit, this angle can reach 90°.
Лабиринтную форму канала можно обеспечить за счет различных приемов, например, варьируя длину и расположение перегородок.The labyrinthine shape of the canal can be achieved through various techniques, for example, by varying the length and location of the partitions.
В одном случае, плоскость лабиринтных каналов будет ориентирована поперек оси труб. Например, в одной из наиболее простых форм выполнения, один конец вышеупомянутой перегородки расположен заподлицо с боковыми торцами вышеупомянутых перемычек, между которыми он расположен, а другой конец - с зазором относительно боковых торцов вышеупомянутых перемычек, между которыми он рас- 3 045129 положен.In one case, the plane of the labyrinth channels will be oriented transverse to the axis of the pipes. For example, in one of the simplest forms of implementation, one end of the above-mentioned partition is located flush with the side ends of the above-mentioned jumpers between which it is located, and the other end is with a gap relative to the side ends of the above-mentioned jumpers between which it is located.
В другом случае, плоскость лабиринтных каналов может быть ориентирована преимущественно вдоль направления труб. Например, в одной из предпочтительных форм выполнения, вышеупомянутые перегородки выполнены таким образом, что они практически полностью перекрывают просвет канала между упомянутыми плоскими гранями труб на всю его площадь, за исключением участков, выполненных с зазором относительно вышеупомянутых перемычек, обеспечивающих проход продуктов сгорания в проксимально-дистальном направлении.In another case, the plane of the labyrinth channels can be oriented predominantly along the direction of the pipes. For example, in one of the preferred forms of execution, the above-mentioned partitions are made in such a way that they almost completely block the lumen of the channel between the mentioned flat edges of the pipes over its entire area, with the exception of areas made with a gap relative to the above-mentioned bridges, ensuring the passage of combustion products proximally distal direction.
С увеличением количества перегородок увеличивается полнота извлечения тепла из продуктов сгорания. В связи с этим предпочтительно, когда между соседними вышеупомянутыми перемычками располагается, по меньшей мере, две вышеупомянутые перегородки, при этом вышеупомянутые зазоры соседних перегородок располагаются вблизи противолежащих боковых торцов вышеупомянутых перемычек. Таким образом, продукты сгоранию движутся по лабиринту, каналы в котором образованы соседними перегородками и стенками труб, а переток между каналами с изменением направления движения продуктов сгорания осуществляются через упомянутые зазоры.With an increase in the number of partitions, the completeness of heat extraction from combustion products increases. In this regard, it is preferable when at least two of the above-mentioned partitions are located between the adjacent aforementioned jumpers, and the above-mentioned gaps of the adjacent partitions are located near the opposite side ends of the above-mentioned jumpers. Thus, the combustion products move through a labyrinth, the channels in which are formed by adjacent partitions and pipe walls, and the flow between the channels with a change in the direction of movement of the combustion products is carried out through the mentioned gaps.
Вышеупомянутые перегородки, в одном из возможных вариантов воплощения, могут иметь ширину меньше расстояния между вышеупомянутыми плоскими гранями соседних труб таким образом, чтобы обеспечить проход для продуктов сгорания.The above-mentioned partitions, in one possible embodiment, may have a width less than the distance between the above-mentioned flat edges of adjacent pipes so as to provide a passage for combustion products.
Ориентация перегородок относительно воображаемого кратчайшего направления движения продуктов сгорания может быть различной.The orientation of the partitions relative to the imaginary shortest direction of movement of combustion products can be different.
В наиболее простом варианте воплощения, плоскости вышеупомянутых перегородок ориентированы, по существу, перпендикулярно к воображаемому кратчайшему направлению движения продуктов сгорания между вышеупомянутыми трубами.In the simplest embodiment, the planes of the above-mentioned partitions are oriented essentially perpendicular to the imaginary shortest direction of movement of the combustion products between the above-mentioned pipes.
В более сложном варианте воплощения угол между плоскостями вышеупомянутых перегородок и воображаемым кратчайшим направлением движения продуктов сгорания между вышеупомянутыми трубами может отличаться от прямого. В предельном случае этот угол составляет 180°, и в промежутках между перегородками продукты сгорания будут двигаться по лабиринту, находящемуся в плоскости труб, главным образом вдоль оси труб.In a more complex embodiment, the angle between the planes of the above-mentioned partitions and the imaginary shortest direction of movement of the combustion products between the above-mentioned pipes may differ from a straight line. In the limiting case, this angle is 180°, and in the spaces between the partitions, the combustion products will move along a labyrinth located in the plane of the pipes, mainly along the axis of the pipes.
В одном из особенно предпочтительных вариантов воплощения устройство предназначено для установки между трубами в натяг. Такое соединение упрощает конструкцию, позволяет избежать применения каких-либо дополнительных крепежных средств.In one particularly preferred embodiment, the device is designed to be installed between pipes in an interference fit. This connection simplifies the design and avoids the use of any additional fasteners.
Форма труб, в сочетании с которыми может быть использовано устройство может варьировать. Важным моментом является лишь наличие двух более или менее плоских граней, которые делают возможным установку устройств между соседними трубами в натяг аналогично клину. Для чего важно, чтобы полость межтрубного промежутка расширялась в проксимально-дистальном направлении и не имела выступов и поднутрений, препятствующих вставке устройства.The shape of the pipes in combination with which the device can be used may vary. The only important point is the presence of two more or less flat edges, which make it possible to install devices between adjacent pipes in an interference fit similar to a wedge. Why is it important that the cavity of the intertubular space expands in the proximal-distal direction and does not have protrusions and undercuts that prevent the insertion of the device.
Строго говоря, форма граней может слегка отклоняться от плоскостности, однако, чем сильнее будет такое отклонение, тем сложнее обеспечить большую площадь контакта устройства с ними.Strictly speaking, the shape of the edges may deviate slightly from flatness, however, the greater the deviation, the more difficult it is to ensure a large contact area between the device and them.
В этой связи под плоской формой граней в настоящем описании понимается такая форма, которая обеспечивает значительную площадь соприкосновения между устройством и трубой и возможность установки по методу клина. С учетом этого критерия, например, цилиндрическую боковую поверхность труб нельзя назвать плоской, так как площадь соприкосновения детали, устанавливаемой по методу клина между цилиндрическими трубами даже в предельном случае будет меньше половины площади боковой поверхности цилиндра, тогда как в случае, если поверхности выполнены плоскими (или конгруэнтными), площадь соприкосновения деталей при увеличении длины поперечного сечения в проксимально-дистальном направлении стремится к полной площади боковой поверхности.In this regard, the flat shape of the edges in the present description is understood to be such a shape that provides a significant contact area between the device and the pipe and the possibility of installation using the wedge method. Taking into account this criterion, for example, the cylindrical side surface of the pipes cannot be called flat, since the contact area of the part installed using the wedge method between the cylindrical pipes, even in the extreme case, will be less than half the area of the side surface of the cylinder, whereas in the case if the surfaces are made flat ( or congruent), the contact area of the parts, with increasing cross-sectional length in the proximal-distal direction, tends to the full area of the lateral surface.
С учетом сказанного, чем более вытянутыми являются трубы в поперечном сечении, тем большую площадь теплообмена можно обеспечить с помощью предлагаемого устройства как за счет увеличения площади контакта между трубами и устройством, так и за счет длины лабиринтного канала. В этой связи предпочтительно, когда вышеупомянутые трубы имеют продолговатое поперечное сечение. Еще более предпочтительно, когда длина поперечного сечения упомянутых труб, по меньшей мере, в два раза больше ширины их поперечного сечения.Taking into account the above, the more elongated the pipes are in cross section, the larger the heat exchange area can be achieved using the proposed device, both by increasing the contact area between the pipes and the device, and by increasing the length of the labyrinth channel. In this regard, it is preferable for the above-mentioned pipes to have an oblong cross-section. Even more preferably, the cross-sectional length of said pipes is at least twice the width of their cross-section.
При этом желательно, чтобы трубы были сравнительно тонкостенными, чтобы обеспечить их небольшую деформацию при установке устройств и более плотное примыкание. Кроме того, механические напряжения в тонкостенных трубах при тепловом расширении, не достигают критических значений и не способны разрушить предлагаемые устройства для интенсификации теплообмена.In this case, it is desirable that the pipes be relatively thin-walled in order to ensure their slight deformation during installation of devices and a tighter connection. In addition, mechanical stresses in thin-walled pipes during thermal expansion do not reach critical values and are not capable of destroying the proposed devices for intensifying heat transfer.
В предпочтительной форме выполнения продольные оси вышеупомянутых труб, являются по существу, параллельными.In a preferred embodiment, the longitudinal axes of the above-mentioned pipes are essentially parallel.
Еще более предпочтительно, когда трубы и коллекторы теплообменника распложены в виде беличьего колеса.Even more preferably, the heat exchanger pipes and manifolds are arranged in the form of a squirrel wheel.
Устройство может быть изготовлено из различных металлов и сплавов, однако предпочтительным является алюминий и его сплавы, которые обладают более высоким коэффициентом теплопроводности, по сравнению с аустенитными или углеродистыми сталями, из которых изготавливают трубы теплооб- 4 045129 менников и не поддаются коррозии в среде продуктов сгорания.The device can be made of various metals and alloys, however, aluminum and its alloys are preferred, which have a higher thermal conductivity coefficient compared to austenitic or carbon steels from which heat exchanger pipes are made and are not susceptible to corrosion in the environment of combustion products .
В наиболее предпочтительной форме выполнения устройство является цельнолитым. В этом случае процесс его изготовления легко масштабируется и требует минимального количества операций и ручного труда.In the most preferred form, the device is one-piece. In this case, the manufacturing process is easily scalable and requires a minimum number of operations and manual labor.
Использование устройства позволяет создавать котлы с меньшим количеством теплообменных трубок и/или с меньшей их толщиной, при этом трубки могут быть равномерно расположены по всей площади, а между ними может быть обеспечено достаточное расстояние для увеличения срока службы котла (слишком частое расположение трубок, которое необходимо для достижения сопоставимой тепловой эффективности приводит к сокращению промежутков между трубами, ослаблению трубной решетки, увеличению длины стыков между трубами и коллекторами).The use of the device allows you to create boilers with fewer heat exchange tubes and/or with less thickness, while the tubes can be evenly spaced over the entire area, and sufficient distance can be provided between them to increase the service life of the boiler (too frequent arrangement of tubes, which is necessary to achieve comparable thermal efficiency leads to a reduction in the gaps between pipes, a weakening of the tube sheet, and an increase in the length of the joints between pipes and collectors).
В еще одном своем аспекте изобретение относится к водогрейному котлу, содержащему: корпус (10); и теплообменник из нержавеющей стали.In yet another aspect, the invention relates to a hot water boiler comprising: a housing (10); and a heat exchanger made of stainless steel.
Упомянутый теплообменник содержит:Said heat exchanger contains:
трубы (7), имеющие, по меньшей мере, две несмежные, по существу, плоские грани;pipes (7) having at least two non-adjacent, substantially flat faces;
первый коллектор (3);first collector (3);
второй коллектор (5);second collector (5);
упомянутые трубы (7) одним своим концом соединены с упомянутыми первым коллектором (3), а другим своим концом - с упомянутым вторым коллектором (5), образуя сборку в виде беличьего колеса, в зазоре между соседними трубами установлены вышеописанные устройства для интенсификации теплопередачи.the mentioned pipes (7) are connected at one end to the mentioned first collector (3), and at the other end to the mentioned second collector (5), forming an assembly in the form of a squirrel wheel; the above-described devices for intensifying heat transfer are installed in the gap between adjacent pipes.
В вышеописанном котле, по меньшей мере, частично устраняются недостатки известных котлов [1] и [2].The above-described boiler at least partially eliminates the disadvantages of the known boilers [1] and [2].
В одной из особенно предпочтительных форм выполнения, вышеупомянутые трубы ориентированы вертикально.In one particularly preferred embodiment, the above-mentioned pipes are oriented vertically.
В одной из предпочтительных форм выполнения коллекторы вышеупомянутого котла имеют форму замкнутого или незамкнутого кольца или обечайки, или являются составными из кольцевых секторов, соединенных между собою дополнительными коллекторами.In one of the preferred forms of execution, the collectors of the above-mentioned boiler have the form of a closed or open ring or shell, or are composed of ring sectors connected to each other by additional collectors.
В еще одной предпочтительной форме выполнения продолжения плоскостей граней вышеупомянутых смежных труб, сходятся в линию, по существу совпадающую с продольной осью котла (аналогично котлу [1]).In another preferred form of execution, the continuation of the planes of the edges of the above-mentioned adjacent pipes converge into a line essentially coinciding with the longitudinal axis of the boiler (similar to the boiler [1]).
В альтернативной форме выполнения, продолжения плоскостей граней вышеупомянутых смежных труб, непараллельны друг другу и сходятся в линию, расположенную на удалении от продольной оси котла (аналогично котлу [2]).In an alternative embodiment, the extensions of the planes of the edges of the above-mentioned adjacent pipes are non-parallel to each other and converge into a line located at a distance from the longitudinal axis of the boiler (similar to the boiler [2]).
Вышеупомянутый корпус (10) может включать обечайку, выполненную съемной. Предпочтительно, когда один конец вышеупомянутой обечайки жестко зафиксирован относительно одного из вышеупомянутых коллекторов, а другой конец выполнен с возможностью скольжения относительно другого коллектора в продольном направлении. Это позволяет снизить напряжение в конструкции при тепловом расширении труб, упростить осмотр, очистку котла от сажи и при необходимости ремонт.The above-mentioned housing (10) may include a removable shell. Preferably, one end of the above-mentioned shell is rigidly fixed relative to one of the above-mentioned manifolds, and the other end is made to slide relative to the other manifold in the longitudinal direction. This allows you to reduce the stress in the structure during thermal expansion of the pipes, simplify inspection, cleaning the boiler from soot and, if necessary, repair.
Конструкция и принцип работы будут проиллюстрированы ниже на примере схематичных изображений некоторых конкретных вариантов воплощения и их более подробного описания.The design and operating principle will be illustrated below by way of schematic illustrations of some specific embodiments and a more detailed description thereof.
Краткое описание фигур чертежейBrief description of drawing figures
На фиг. 1 показан котел в аксонометрии котла, вид спереди.In fig. Figure 1 shows the boiler in a perspective view of the boiler, front view.
На фиг. 2 показан вид котла спереди.In fig. Figure 2 shows a front view of the boiler.
На фиг. 3 в аксонометрии схематично показан разрез котел со снятым кожухом теплообменника.In fig. Figure 3 shows a schematic axonometric cross-section of a boiler with the heat exchanger casing removed.
На фиг. 4 показан разрез А-А.In fig. Figure 4 shows section A-A.
На фиг. 5 показан разрез Б-Б.In fig. 5 shows section B-B.
На фиг. 6 показан вид В.In fig. 6 shows view B.
На фиг. 7 - аксонометрия элемента устройства интенсификации с ребрами и перегородками.In fig. 7 - axonometry of an element of an intensification device with ribs and partitions.
На фиг. 8 - аксонометрия трубы теплообменника.In fig. 8 - axonometry of the heat exchanger pipe.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Как показано на фиг. 1-6 предлагаемый теплообменник состоит из верхнего (5) и нижнего (3) коллекторов, имеющих в целом форму кольца. Коллекторы образованы трубной решеткой (17), внутренней обечайкой (15), наружной обечайкой (16) и плоской крышкой (14). Продолговатые в поперечном сечении теплообменные трубы (7) в котле приварены к трубным решеткам коллекторов (17) таким образом, что они трубки располагаются по окружности вокруг топки на расстоянии друг от друга. Длинная ось поперечного сечения труб лежит на воображаемых радиальных лучах, исходящих из центра окружности. Трубы имеют одинаковое продолговатое поперечное сечение и расположены на одинаковом расстоянии от центра окружности. Их боковые поверхности являются по существу плоскими, с небольшим уклоном, обеспечивающим расширение межтрубного промежутка в проксимально-дистальном направлении. В образованные промежутки между трубками установлены устройства интенсификации теплопередачи (13). Эти устройства выполнены из алюминия или его сплавов и имеют перемычки и/или перегородки,As shown in FIG. 1-6, the proposed heat exchanger consists of upper (5) and lower (3) collectors, generally shaped like a ring. The collectors are formed by a tube sheet (17), an inner shell (15), an outer shell (16) and a flat cover (14). The heat exchange pipes (7) in the boiler, elongated in cross section, are welded to the tube sheets of the manifolds (17) in such a way that the tubes are located in a circle around the firebox at a distance from each other. The long axis of the cross-section of the pipes lies on imaginary radial rays emanating from the center of the circle. The pipes have the same elongated cross-section and are located at the same distance from the center of the circle. Their side surfaces are essentially flat, with a slight slope, providing expansion of the intertube space in the proximal-distal direction. Heat transfer intensification devices (13) are installed in the gaps between the tubes. These devices are made of aluminum or its alloys and have jumpers and/or partitions,
--
Claims (25)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA045129B1 true EA045129B1 (en) | 2023-10-30 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1872062B1 (en) | Heat exchanger for condensing wall-mounted boilers | |
| US3916990A (en) | Gas turbine regenerator | |
| JPH0313482B2 (en) | ||
| US5050542A (en) | Boiler | |
| RU2511803C2 (en) | Sectional heating boiler from cast iron or aluminium | |
| US5870976A (en) | Boiler with serpentine tubes | |
| RU2495336C2 (en) | Sectional heating boiler from cast iron or aluminium | |
| RU2778804C1 (en) | Heat transfer increaser device and boiler containing this device | |
| EA045129B1 (en) | DEVICE FOR INTENSIFICATION OF HEAT TRANSFER AND BOILER CONTAINING THIS DEVICE | |
| RU2386905C1 (en) | Heat generator | |
| RU171327U1 (en) | Hydronic boiler with advanced heat exchanger | |
| RU2287117C1 (en) | Steel sectional hot-water boiler | |
| RU2760544C1 (en) | Spiral boiler | |
| RU2346211C1 (en) | Hot water boiler and method of its manufacture | |
| RU2315918C2 (en) | Steel sectional water-heating boiler disassembled from the front | |
| RU2803365C2 (en) | Boiler | |
| RU2805943C2 (en) | Boiler | |
| RU2495328C1 (en) | Heat exchange device of thermal units with tubular elements | |
| RU2146790C1 (en) | Water-tube water boiler | |
| RU2327083C1 (en) | Hot water boiler | |
| RU2146789C1 (en) | Vertical water-tube water boiler | |
| RU224410U1 (en) | Hot water heating boiler cast iron gas | |
| RU2771558C1 (en) | Boiler | |
| RU223092U1 (en) | Aluminum Alloy Heat Exchanger for Gas Condensing Boiler | |
| RU217794U1 (en) | WATER BOILER |