PL216290B1 - Wymiennik ciepła - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest wymiennik ciepła należący do grupy wymienników rurowych przeznaczonych do wymiany ciepła między gazem i cieczą. Znajduje on zastosowanie w ciepłownictwie, zwłaszcza w domowych instalacjach centralnego ogrzewania.

Znanych jest wiele rodzajów rurowych wymienników ciepła, których konstrukcje różnią się w zależności od konkretnego miejsca zastosowania, czynników obiegowych biorących udział w wymianie ciepła oraz szczegółowych wymagań i potrzeb. Cechą wspólną rurowych wymienników ciepła typu ciecz-gaz jest zespół elementów rurowych, przez które przepływa gorący gaz lub ciecz, zamocowanych pomiędzy dwoma ścianami sitowymi i umieszczonych w komorze otoczonej płaszczem zewnętrznym, w której cyrkuluje ogrzewana woda lub gaz. W przypadku wymienników ciepła do domowych instalacji centralnego ogrzewania, w których ciepło uzyskiwane jest ze spalania gazu, wymiennik zaopatrzony jest w komorę spalania nad górną ścianą sitową oraz posiada króćce wlotu i wylotu wody, doprowadzenia gazu i odprowadzenia spalin. W wymiennikach takich zespół elementów rurowych usytuowany jest pionowo. Znane są także wymienniki ciepła stosowane w energetyce cieplnej, zwane kondensatorami lub skraplaczami, składające się z wielu zespołów elementów rurowych znajdujących się w komorze ograniczonej płaszczem zewnętrznym. Rurki takiego wymiennika zamocowane są pomiędzy dnami sitowymi, za którymi znajdują się komory wodne, z których do rurek wprowadzana jest woda służąca jako czynnik chłodzący dla pary z wylotów turbin doprowadzanej do komory otaczającej rurki. W różnych rodzajach rurowych wymienników ciepła stosowane są elementy rurowe o różnych przekrojach i kształtach oraz różnego rodzaju dodatkowe elementy w celu zwiększenia sprawności wymiany ciepła, takie jak przegrody, dodatkowe rurki itp.

Znany jest z polskiego opisu patentowego nr 186723 rurowy wymiennik ciepła ciecz-gaz, w którym do komory ograniczonej płaszczem zewnętrznym doprowadzany jest gorący gaz, który zostaje schłodzony podczas opływania rurek zamocowanych między płaskimi dnami sitowymi. Przez rurki te przepływa czynnik chłodzący doprowadzany i odprowadzany przez króćce w pokrywie dna sitowego. Skropliny gazu odprowadzane są na zewnątrz wymiennika przez króciec wylotowy w płaszczu zewnętrznym otaczającym komorę wymiany ciepła. W komorze tej umieszczone są także dodatkowe perforowane rurki, których końce przechodzą przez dno sitowe i połączone są z kolektorem zbiorczym połączonym z kolektorem odprowadzającym opary. Perforowane rurki służą do wysysania powietrza znajdującego się w przestrzeni gazowej wymiennika i odprowadzania go na zewnątrz wymiennika. W komorze wymiennika znajdują się też przegrody usytuowane poprzecznie do elementów rurowych.

Znany jest także z międzynarodowego zgłoszenia patentowego opublikowanego pod nr WO2008/131616 wymiennik ciepła składający się z walcowego zewnętrznego płaszcza z króćcami wlotu i wylotu, wewnątrz którego rozmieszczony jest pakiet elementów rurowych przechodzących przez spiralną przegrodę i połączonych ze ścianami sitowymi o kształcie płaskich krążków dopasowanych do walcowego płaszcza zewnętrznego. W przestrzeni wymiennika znajdują się także pręty ściągające, z których jeden przebiega wzdłuż centralnej osi walcowego płaszcza zewnętrznego. Pręty ściągające zamocowane są z jednej strony w ścianie sitowej, a swymi drugimi końcami w spiralnej przegrodzie. Pręty ściągające są podzielone na segmenty zaopatrzone w rurki dystansowe. Wymiennik ten może także być wyposażony w dodatkowe rurki przechodzące przez spiralną przegrodę i nie zamocowane w ścianach sitowych, które poprawiają sztywność, zabezpieczają przed odkształceniami i ułatwiają dopasowanie otworów w przegrodzie spiralnej do rurek wymiennika. W opisie ujawniona jest szczegółowo budowa spiralnej przegrody.

Z międzynarodowego zgłoszenia patentowego opublikowanego pod nr WO2009/078577 znany jest bojler, który zawiera walcową obudowę, pionowy wymiennik ciecz-gaz, palnik umieszczony w komorze spalania wymiennika, wlot i wylot ogrzewanej wody, kanał wylotu spalin, wlot gazu oraz oprzyrządowanie zapewniające dostarczanie i odpowiednie mieszanie powietrza z gazem, a także wyposażony w aparaturę sterującą. Wymiennik ciepła w tym rozwiązaniu ma zespół elementów rurowych o przekroju prostokątnym rozmieszczonych regularnie wewnątrz płaszcza zewnętrznego tworzącego komorę, przez którą przepływa ogrzewana woda. Górne końce rurek zamocowane są w płaskiej górnej ścianie sitowej, nad którą znajduje się komora spalania, a ich dolne końce poprzez płaską dolną ścianę sitową i komorę powrotu spalin połączone są z kanałem wylotu spalin. W komorze wodnej umieszczone są płaskie przegrody w kształcie krążków z otworami, przez które przechodzą elementy rurowe. Te przegrody separujące poprawiają wymianę ciepła wywołując zaburzenia w krążeniu wody. Przegrody umieszczone są poprzecznie do elementów rurowych, a ich średnica jest mniejsza od

PL 216 290 B1 wewnętrznej średnicy płaszcza wymiennika, tak że pomiędzy przegrodami i płaszczem utworzone są szczeliny dla przepływu wody. W opisie omawiany jest wpływ szerokości tych szczelin na cyrkulację wody i jej ciśnienie wywierane na przegrody. W opisanym rozwiązaniu proponuje się zaopatrzenie przegród w rurki cyrkulacyjne zabezpieczające przed zwiększeniem nacisku wody na przegrody, których górne końce zamocowane są w najwyższej, a dolne końce w najniższej przegrodzie. Przedstawiony jest także wariant konstrukcji, w którym ścianki elementów rurowych znajdują się w pewnej odległości od brzegów otworów w przegrodach, przez które przechodzą, co zwiększa zaburzenia przepływu wody i poprawia sprawność wymiany ciepła. Opisany bojler wyposażony jest w dodatkowy niezależny obieg wody w spiralnych rurkach rozmieszczonych w komorze wodnej dookoła komory spalania.

Wymiennik ciepła według wynalazku, mający płaszcz zewnętrzny wewnątrz którego znajduje się zespół pionowych elementów rurowych zamocowanych na swych końcach z obu stron w ścianach sitowych i wyposażony w komorę spalania gazu usytuowaną nad górną ścianą sitową oraz zamontowane w poprzek elementów rurowych przegrody z otworami, przez które przechodzą elementy rurowe oraz zaopatrzony w króćce wlotu i wylotu cieczy, gazu i spalin, charakteryzuje się tym, że płaszcz zewnętrzny ma kształt stożkowy ze średnicą zwiększającą się ku górze, a górna ściana sitowa i usytuowana pod nią górna przegroda mają kształt stożków o wierzchołach skierowanych w dół, przy czym górna przegroda ma centralny otwór w środkowej części i średnicę zewnętrzną odpowiadającą średnicy płaszcza zewnętrznego.

Korzystnie jest, gdy kąt rozwarcia pierwszego stożka opisującego górną ścianę sitową jest większy od kąta rozwarcia drugiego stożka opisującego górną przegrodę.

Szczególnie korzystna jest konstrukcja wymiennika, w którym kąt rozwarcia drugiego stożka opisującego górną przegrodę jest nie mniejszy od 90° i nie większy od 170°.

W jednym z wariantów dolna ściana sitowa ma kształt stożka o wierzchołku skierowanym w dół.

Stożki górnej i dolnej ściany sitowej mają jednakowe kąty rozwarcia.

W korzystnym wariancie kolejne przegrody mają na przemian średnicę zewnętrzną odpowiadającą średnicy płaszcza zewnętrznego i mniejszą od średnicy płaszcza zewnętrznego, przy czym przegrody o średnicy zewnętrznej odpowiadającej średnicy płaszcza zewnętrznego mają centralny otwór w części środkowej.

W najkorzystniejszym wariancie wymiennika jego górna przegroda ma równomiernie rozmieszczone dodatkowe otwory.

Dodatkowe otwory rozmieszczone są na jednym okręgu lub wielu współcentrycznych okręgach.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest znaczne zwiększenie wydajności procesów wymiany ciepła zarówno na całej wysokości elementów rurowych wymiennika, jak też w obszarze górnej ściany sitowej i komory spalania.

Przykładowa realizacja wymiennika ciepła według wynalazku zilustrowana jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia widok wnętrza wymiennika, a fig. 2 przedstawia przekrój podłużny wymiennika.

Wymiennik ciepła składa się z pionowego zespołu elementów rurowych 1 o przekroju prostokątnym rozmieszczonych promieniście, których końce połączone są za pomocą technik spawalniczych od góry z górną ścianą sitową 2, a od dołu z dolną ścianą sitową 3. Górna i dolna ściana sitowa 2, 3 mają jednakowy kształt pierwszego stożka o wierzchołku skierowanym ku dołowi. Kąt rozwarcia tego pierwszego stożka α wynosi ~150°. Nad górną ścianą sitową 2 znajduje się połączona z nią trwale poprzez spawanie walcowa komora spalania 4 wykonana z blachy. W poprzek zespołu elementów rurowych zamontowane są trzy poziome przegrody 5, 6 ,7 wykonane z blachy. Przegrody 5, 6, 7 mają szereg otworów o przekroju odpowiadającym przekrojowi elementów rurowych 1, które przeprowadzone są przez te otwory. Górna przegroda 5 ma kształt drugiego stożka z wierzchołkiem skierowanym ku dołowi. Kąt rozwarcia drugiego stożka β jest mniejszy od kąta rozwarcia pierwszego stożka i wynosi ~130°. Środkowa przegroda 6 i dolna przegroda 7 mają kształt płaskich krążków. W środkowej części górnej przegrody 5 i dolnej przegrody 7 znajduje się duży centralny otwór 8. Pakiet utworzony przez zespół elementów rurowych 1, ściany sitowe 2,3, przegrody 5, 6, 7 oraz walec komory spalania 4 otoczony jest zewnętrznym płaszczem 9 o kształcie stożka ściętego ze średnicą zwiększającą się ku górze. Górna przegroda 5 i dolna przegroda 7 mają średnice zewnętrzne odpowiadające średnicom wewnętrznym płaszcza zewnętrznego 9, natomiast środkowa przegroda 6 ma zewnętrzną średnicę mniejszą od średnicy wewnętrznej płaszcza zewnętrznego 9 na wysokości tej przegrody. Wymiennik zamknięty jest od góry pokrywą 10, zaopatrzoną w króciec wlotowy gazu, otwór dla palnika z układem zaworowo-wentylacyjnym oraz inne elementy montażowe niezbędne do zamontowania wyposażenia i obudowy bojlera zawierającego ten wymiennik ciepła. Dolna ściana sitowa 3 połączona

PL 216 290 B1 jest trwale z płaszczem zewnętrznym 9 poprzez spawanie w miejscach styku. Pokrywa 10 połączona jest rozłącznie za pomocą śrub z płaszczem zewnętrznym 9 i komorą spalania 4. W dolnej i górnej części płaszcza zewnętrznego 9 znajdują się króćce odpowiednio wlotu wody 11 i wylotu wody 12, a pod dolną ścianą sitową ukształtowany jest dolny zbiornik 13, w którym znajdują się króćce do wylotu skroplin 14 i wylotu gazów spalinowych 15. W korzystnym wariancie realizacji wymiennika jego górna przegroda 5 posiada szereg dodatkowych otworów 16 rozmieszczonych równomiernie na okręgu pomiędzy zespołem elementów rurowych 1.

Wymiennik przeznaczony jest do spalania gazu ziemnego i propanu, w wyniku czego uzyskuje się ciepło do ogrzania wody wykorzystywanej w instalacjach centralnego ogrzewania. Spalanie gazu odbywa się w górnej części wymiennika w komorze spalania 4, następnie spaliny przepływają elementami rurowymi 1 pionowo w dół oddając ciepło ogrzewanej wodzie krążącej wewnątrz płaszcza zewnętrznego 9 między wlotem wody 11 i wylotem wody 12. Spływające spaliny ochładzają się do temperatury poniżej punktu rosy i gromadzą w dolnym zbiorniku 13, skąd wraz z powstałym kondensatem odprowadzane są na zewnątrz poprzez wylot skroplin 14 i wylot gazów spalinowych 15. Na zewnątrz elementów rurowych 1 realizowany jest przepływ ogrzewanej wody, odbywający się w przeciwprądzie w stosunku do przepływu spalin, tzn. woda wprowadzana jest przez króciec wlotu wody 11 znajdujący się u dołu wymiennika i przepływa ku jego górze omywając elementy rurowe 1 i komorę spalania 4, po czym odprowadzana jest z wymiennika za pomocą króćca wylotu wody 12 usytuowanego w górnej części wymiennika. Odpowiednie omywanie elementów rurowych 1 oraz komory spalania 4 wymuszane jest przez zestaw przegród, przy czym przepływ kierowany jest przez centralny otwór 8 w dolnej przegrodzie 7 do centralnej części wymiennika, a następnie w stronę ścian płaszcza zewnętrznego 9 wokół zewnętrznych krawędzi środkowej przegrody 6, po czym ponownie ku środkowi, skąd poprzez centralny otwór 8 w górnej przegrodzie 5 strumień kierowany jest w środkowy punkt górnej ściany sitowej 2, dzięki czemu jest ona wraz z komorą spalania 4 równomiernie omywana we wszystkich kierunkach. Woda zalegająca w martwych strefach pod górną przegrodą 5 przepływa przez dodatkowe otwory 16 w tej przegrodzie.

W przykładowym wariancie realizacji wymiennik zawiera 20 elementów rurowych, ma wysokość ~600 mm, średnicę na górze ~350 mm, średnicę na dole i średnicę komory spalania ~300 mm. Zapewnia on maksymalną temperaturę wody na wylocie ~90⁰C.

W innych wariantach wykonania wymiennik ciepła mający stożkową górną ścianę sitową i stożkową górną przegrodę może zawierać różną liczbę pozostałych przegród o naprzemiennie różnej średnicy zewnętrznej i naprzemiennie zaopatrzonych w duże centralne otwory. Korzystnie jest, gdy dolna ściana sitowa ma kształt stożka identycznego, jak stożek górnej ściany sitowej, ale mogą być też realizowane takie warianty wymiennika, w których stożki te mają różne kąty rozwarcia, a także dolna ściana sitowa może być płaska lub mieć inny kształt. Różne mogą też być przekroje i rozmieszczenie elementów rurowych wymiennika.

Kształty górnej i dolnej ściany sitowej 2, 3 oraz górnej przegrody 5, a także naprzemiennie zmieniające się średnice zewnętrzne przegród i odpowiadające im duże centralne otwory 8 w przegrodach wymuszają wyjątkowo korzystny obieg wody w wymienniku zwiększający wydajność wymiany ciepła. Szczególnie korzystny wpływ na zwiększenie wydajności wymiany ciepła w rejonie komory spalania ma zwiększenie prędkości przepływu cieczy omywającej górną ścianę sitową i komorę spalania dzięki nowemu kształtowi górnej ściany sitowej 2 i górnej przegrody 5, a zwłaszcza różnicy między kątem rozwarcia pierwszego stożka opisującego górną ścianę sitową i drugiego stożka, opisującego górną przegrodę. Dodatkowe otwory 16 w górnej przegrodzie 5 zapobiegają powstawaniu tzw. martwych stref pod przegrodą, w których woda nie porusza się, poprzez dopuszczenie do kontrolowanego przepływu, czyli przecieku cieczy pomiędzy strefami pod przegrodą i nad przegrodą w określonych miejscach.

Claims (8)

1. Wymiennik ciepła mający płaszcz zewnętrzny wewnątrz którego znajduje się zespół pionowych elementów rurowych zamocowanych na swych końcach z obu stron w ścianach sitowych i wyposażony w komorę spalania gazu usytuowaną nad górną ścianą sitową oraz zamontowane w poprzek elementów rurowych przegrody z otworami, przez które przechodzą elementy rurowe oraz zaopatrzony w króćce wlotu i wylotu cieczy, gazu i spalin, znamienny tym, że płaszcz zewnętrzny ma kształt stożkowy ze średnicą zwiększającą się ku górze, a górna ściana sitowa (2) i usytuowana pod

PL 216 290 B1 nią górna przegroda (5) mają kształt stożków o wierzchołach skierowanych w dół, przy czym górna przegroda (5) ma centralny otwór (8) w środkowej części i średnicę zewnętrzną odpowiadającą średnicy płaszcza zewnętrznego (9).

2. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że kąt rozwarcia pierwszego stożka (α) opisującego górną ścianę sitową (2) jest większy od kąta rozwarcia drugiego stożka (β) opisującego górną przegrodę (5).

3. Wymiennik według zastrz. 2, znamienny tym, że kąt rozwarcia drugiego stożka (β) opisującego górną przegrodę (5) jest nie mniejszy od 90° i nie większy od 170°.

4. Wymiennik według zastrz. 1 do 3, znamienny tym, że dolna ściana sitowa (3) ma kształt stożka o wierzchołku skierowanym w dół.

5. Wymiennik według zastrz. 4, znamienny tym, że stożki górnej i dolnej ściany sitowej (2, 3) mają jednakowe kąty rozwarcia.

6. Wymiennik według zastrz. 1 do 5, znamienny tym, że kolejne przegrody (5, 6, 7) mają na przemian średnicę zewnętrzną odpowiadającą średnicy płaszcza zewnętrznego (9) i mniejszą od średnicy płaszcza zewnętrznego (9), przy czym przegrody o średnicy zewnętrznej odpowiadającej średnicy płaszcza zewnętrznego (9) mają centralny otwór (8) w części środkowej.

7. Wymiennik według zastrz. 1 do 6, znamienny tym, że górna przegroda (5) ma równomiernie rozmieszczone dodatkowe otwory (16).

8. Wymiennik według zastrz. 7, znamienny tym, że dodatkowe otwory (16) rozmieszczone są na jednym okręgu lub wielu współcentrycznych okręgach.