PL220726B1 - Wymiennik ciepła do bojlera kondensacyjnego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest wymiennik ciepła do bojlera kondensacyjnego. Rozwiązanie należy do grupy wymienników rurowych przeznaczonych do wymiany ciepła między gazem i cieczą. Wymiennik znajduje 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, przez które przepływają gazy spalinowe, usytuowany jest pionowo, a wokół nich cyrkuluje ogrzewana tymi gazami woda. Zespół elementów rurowych umieszczony jest wewnątrz płaszcza zewnętrznego, najczęściej o kształcie cylindrycznym, wewnątrz którego znajduje się także cała lub część komory spalania. W znanych tego typu wymiennikach komora spalania ma także kształt cylindryczny o średnicy równej lub mniejszej od średnicy płaszcza zewnętrznego. 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.

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 cylindryczna 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 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.

Ujawniony w publikacji EP0926439 wymiennik ciepła między gazem i wodą przeznaczony dla bojlera ma cylindryczny płaszcz zewnętrzny wewnątrz którego umieszczona jest cylindryczna komora spalania o pofalowanej bocznej ścianie, a pod nią zespół pionowych rurek zamocowanych między górną i dolną ścianą sitową, przy czym górna ściana sitowa stanowi dno komory spalania. Rurki tego wymiennika mają w przekroju kształt zbliżony do spłaszczonej elipsy i różnego rodzaju zagłębienia, wcięcia, wnęki na swoich bocznych ścianach.

PL 220 726 B1

Wymiennik ciepła do bojlera kondensacyjnego według wynalazku, zaopatrzony w króćce wlotu i wylotu cieczy, gazu i spalin i mający płaszcz zewnętrzny, wewnątrz którego w górnej części znajduje się komora spalania, pod którą znajduje się zespół pionowych elementów rurowych zamocowanych na swych końcach z obu stron w ścianach sitowych, przy czym górna ściana sitowa stanowi dno komory spalania, a w poprzek elementów rurowych mogą znajdować się przegrody charakteryzuje się tym, że komora spalania ma kształt stożka ściętego ze średnicą zmniejszającą się ku górze, a przestrzeń pomiędzy boczną ścianą komory spalania a płaszczem zewnętrznym oraz przestrzeń pod komorą spalania wokół zespołu elementów rurowych są ze sobą połączone i tworzą komorę cieczy.

Wokół górnej krawędzi bocznej ściany komory spalania ukształtowany jest kołnierz, który swą zewnętrzną krawędzią połączony jest trwale z płaszczem zewnętrznym.

W korzystnym wariancie kołnierz ma kształt poziomego pierścienia.

W jednym z wariantów dno komory spalania ma kształt poziomego krążka.

W drugim wariancie dno komory spalania jest wypukłe w stronę dolnej ściany sitowej.

Korzystnie dno komory spalania ma kształt stożka ściętego.

W szczególnie korzystnym wariancie dno komory spalania ma w centralnej części dodatkową wypukłość skierowaną w dół.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest wymuszenie równomiernego omywania ścian komory spalania, a także zmniejszenie oporów miejscowych powstałych podczas opływania komory spalania przez czynnik ogrzewany.

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

Wymiennik ciepła do bojlera kondensacyjnego składa się z pionowego zespołu elementów rurowych 1 o przekroju okrągłym rozmieszczonych równomiernie, których końce połączone są za pomocą technik spawalniczych od góry z górną ścianą sitową, stanowiącą równocześnie dno 2 komory spalania 3, a od dołu z dolną ścianą sitową 4. W przykładowym wariancie wykonania górna ściana sitowa stanowiąca dno 2 komory spalania 3 oraz dolna ściana sitowa 4 mają kształt płaskich krążków. W innym wariancie realizacji dno 2 komory spalania ma kształt stożka o wierzchołku skierowanym ku dołowi lub stożka ściętego. W szczególnie korzystnym wariancie dno 2 komory spalania 3 ma w swojej centralnej części dodatkową wypukłość skierowaną w dół, która poprawia równomierność omywania komory spalania 3. W jeszcze innych wariantach dno 2 komory spalania może mieć dowolny inny kształt. Komora spalania 3 wykonana jest z blachy. Boczna ściana 5 komory spalania 3 jest pochylona w kierunku osi pionowej wymiennika i ukształtowana tak, że komora spalania 3 ma kształt stożka ściętego, którego średnica zmniejsza się ku górze. Wokół swej górnej krawędzi, boczna ściana 5 komory spalania 3 jest odgięta, tworząc kołnierz 6 w kształcie poziomego pierścienia, którego zewnętrzna krawędź jest zespawana z walcowym płaszczem zewnętrznym 7 wymiennika. W poprzek zespołu elementów rurowych 1, w ich górnej części, bezpośrednio pod górną ścianą sitową, zamontowana jest pozioma przegroda 8, także wykonana z blachy. Przegroda 8 ma szereg otworów o przekroju odpowiadającym przekrojowi elementów rurowych 1, które przeprowadzone są przez te otwory. Przegroda 8 ma kształt stożka z wierzchołkiem skierowanym ku dołowi. Kąt rozwarcia stożka przegrody wynosi ~ 130°. W środkowej części przegrody 8 znajduje się duży centralny otwór 9. Pakiet utworzony przez zespół elementów rurowych 1, ściany sitowe 2, 4 i przegrodę 8 oraz komora spalania 3 otoczone są płaszczem zewnętrznym 7, przy czym na stałe połączona jest z nim zewnętrzna krawędź dolnej ściany sitowej 4, zewnętrzna krawędź przegrody 8 i zewnętrzna krawędź kołnierza 6 komory spalania

3. Górna ściana sitowa tworząca dno 2 komory spalania 3 ma średnicę mniejszą od średnicy płaszcza zewnętrznego 7 i w ten sposób, poprzez duży centralny otwór 9 w przegrodzie 8, przestrzeń wokół zespołu elementów rurowych 1 i przestrzeń wokół komory spalania 3 są ze sobą połączone, tworząc komorę cieczy 10. Wymiennik zamknięty jest od góry pokrywą 11, 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. Pokrywa 11 połączona jest rozłącznie z płaszczem zewnętrznym 7 i kołnierzem 6 komory spalania 3. W dolnej i górnej części płaszcza zewnętrznego 7 znajdują się króćce odpowiednio wlotu wody 12 i wylotu wody 13, a pod dolną ścianą sitową ukształtowany jest dolny zbiornik 14, w którym znajdują się króćce do wylotu skroplin 15 i wylotu gazów spalinowych 16.

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

PL 220 726 B1 odbywa się w górnej części wymiennika w komorze spalania 3, następnie spaliny przepływają elementami rurowymi 1 pionowo w dół oddając ciepło ogrzewanej wodzie krążącej wewnątrz płaszcza zewnętrznego 7 między wlotem wody 12 i wylotem wody 13. Spływające spaliny ochładzają się do temperatury poniżej punktu rosy i gromadzą w dolnym zbiorniku 14, skąd wraz z powstałym kondensatem, będącym mieszaniną wody i agresywnych produktów powstałych w procesie spalania, odprowadzane są na zewnątrz poprzez wylot skroplin 15 i wylot gazów spalinowych 16. 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 12 znajdujący się u dołu wymiennika i przepływa ku jego górze omywając elementy rurowe 1 i komorę spalania 3, po czym odprowadzana jest z wymiennika za pomocą króćca wylotu wody 13 usytuowanego w górnej części wymiennika. Odpowiednie omywanie komory spalania 3 wymuszane jest przez jej stożkowy kształt oraz przegrodę 8, przy czym przepływ kierowany jest przez centralny otwór 9 w tej przegrodzie 8.

W przykładowym wariancie realizacji wymiennik zawiera 20 elementów rurowych, ma wysokość ~ 600 mm i średnicę ~ 350 mm, a górną średnicę komory spalania ~ 300 mm. Zapewnia on maksymalną temperaturę wody na wylocie ~ 90°C.

W innych wariantach wykonania wymiennik ciepła mający stożkową komorę spalania może posiadać pomiędzy dolnym i górnym dnem sitowym różną liczbę przegród o różnych kształtach. Różne mogą też być przekroje i rozmieszczenie elementów rurowych wymiennika.

Dzięki stożkowemu kształtowi komory spalania 3, a w szczególnie korzystnym wariancie stożkowemu kształtowi jej dna 2 z dodatkową wypukłością w centralnej części zminimalizowane jest niekontrolowane powstawanie obszarów o różnych temperaturach na ścianach komory spalania. Obszary takie prowadzą do powstawania znaczących naprężeń w materiale komory i spoinach, co wpływa na ograniczenie żywotności komory spalania 3, a więc również całego wymiennika. Dodatkową zaletą rozwiązania jest zmniejszenie oporów miejscowych podczas opływania komory spalania przez czynnik ogrzewany, dzięki czemu zmniejsza się zapotrzebowanie na energię potrzebną do wymuszenia cyrkulacji czynnika w układzie grzewczym. Wynika to z kształtu przestrzeni znajdującej się pomiędzy komorą spalania 3 a płaszczem zewnętrznym 7, która zwiększa swą objętość zgodnie z kierunkiem przepływu czynnika ogrzewanego, co wpływa bezpośrednio na dynamikę przepływu czynnika ogrzewanego oraz przyczynia się do powstania turbulencji, która sprzyja dodatkowo wymianie ciepła.

Claims (7)

1. Wymiennik ciepła do bojlera kondensacyjnego zaopatrzony w króćce wlotu i wylotu cieczy, gazu i spalin i mający płaszcz zewnętrzny, wewnątrz którego w górnej części znajduje się komora spalania, pod którą znajduje się zespół pionowych elementów rurowych zamocowanych na swych końcach z obu stron w ścianach sitowych, przy czym górna ściana sitowa stanowi dno komory spalania, a w poprzek elementów rurowych mogą być zamontowane dowolne przegrody, znamienny tym, że komora spalania (3) ma kształt stożka ściętego ze średnicą zmniejszającą się ku górze, a przestrzeń pomiędzy boczną ścianą (5) komory spalania (3) a płaszczem zewnętrznym (7) oraz przestrzeń pod komorą spalania (3) wokół zespołu elementów rurowych (1) są ze sobą połączone i tworzą komorę cieczy (10).

2. Wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że wokół górnej krawędzi bocznej ściany (5) komory spalania (3) ukształtowany jest kołnierz (6), który swą zewnętrzną krawędzią połączony jest trwale z płaszczem zewnętrznym (7).

3. Wymiennik według zastrz. 2, znamienny tym, że kołnierz (6) ma kształt poziomego pierścienia.

4. Wymiennik według zastrz. 1 do 3, znamienny tym, że dno (2) komory spalania (3) ma kształt poziomego krążka.

5. Wymiennik według zastrz. 1 do 3, znamienny tym, że dno (2) komory spalania (3) jest wypukłe w stronę dolnej ściany sitowej (4).

6. Wymiennik według zastrz. 5, znamienny tym, że dno (2) komory spalania (3) ma kształt stożka ściętego.

7. Wymiennik według jednego z zastrz. 1 do 6, znamienny tym, że dno (2) komory spalania (3) ma w centralnej części dodatkową wypukłość skierowaną w dół.