PL229328B1 - Opalany wymiennik ciepła - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest opalany wymiennik ciepła do bojlera kondensacyjnego. Rozwiązanie należy do grupy wymienników rurowych przeznaczonych do wymiany ciepła między gazem i cieczą. Wymiennik znajduje zastosowanie w ogrzewnictwie, 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. W przypadku wymienników ciepła do domowych instalacji centralnego ogrzewania, w których ciepło uzyskiwane jest ze spalania gazu, przykładowy wymiennik zaopatrzony jest w komorę spalania nad górną ścianą sitową, króćce doprowadzenia gazu i odprowadzenia spalin oraz wlotu i wylotu wody. 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 albo stożkowy o średnicy równej lub mniejszej od średnicy płaszcza zewnętrznego. W różnych rodzajach opalanych 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 WO 2009/078 577 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 jest 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. Przegrody separujące poprawiają wymianę ciepła wywołując zaburzenia w krążeniu wody. Przegrody umieszczone są poprzecznie do elementów rurowych, a ich średnica jest niniejsza 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.

Z publikacji międzynarodowego zgłoszenia patentowego nr WO 2012 158 050 znany jest opalany wymiennik ciepła mający komorę cieczy otoczoną płaszczem zewnętrznym z wlotem i wylotem cieczy, wewnątrz której znajduje się zespół pionowych elementów rurowych do przepływu spalin, których końce zamocowane są z jednej strony w dnie sitowym komory spalania, a z drugiej strony w ścianie sitowej zbiornika kondensatu z króćcami wylotowymi gazu i skroplin. W sąsiedztwie dna sitowego komory spalania, w komorze cieczy zamocowana jest pozioma górna przegroda z jednym centralnym otworem do przepływu cieczy, a dno sitowe komory spalania ma w centralnej części wypukłość skierowaną ku dolnej ścianie sitowej.

Ujawniony w publikacji nr EP 0 926 439 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

PL 229 328 Β1 wymiennika mają w przekroju kształt zbliżony do spłaszczonej elipsy i różnego rodzaju zagłębienia, wcięcia, wnęki na swoich bocznych ścianach.

Znany jest także z polskiego opisu patentowego nr PL 219 104 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. Płaszcz zewnętrzny tego wymiennika ma kształt stożkowy ze średnicą zwiększającą się ku górze, a usytuowana pod górną ścianą sitową przegroda ma kształt stożka o wierzchołku skierowanym w dół.

Opalany wymiennik ciepła według wynalazku ma komorę cieczy otoczoną płaszczem zewnętrznym z wlotem i wylotem cieczy, wewnątrz której znajduje się zespół pionowych elementów rurowych do przepływu spalin i co najmniej jedna poprzeczna przegroda, przy czym końce elementów rurowych zamocowane są z jednej strony w dnie sitowym komory spalania, z drugiej strony w ścianie sitowej zbiornika kondensatu z króćcami wylotowymi gazu i skroplin, a w sąsiedztwie dna sitowego komory spalania, w komorze cieczy zamocowana jest pozioma górna przegroda z jednym centralnym otworem do przepływu cieczy i charakteryzuje się tym, że pozioma górna przegroda zaopatrzona jest w co najmniej jedną pionową spiralną przegrodę przylegającą szczelnie do dna sitowego i do poziomej górnej przegrody i formującą spiralne kanały dla przepływu cieczy pod dnem sitowym.

W pierwszym wariancie opalany wymiennik ma jedną spiralną przegrodę zaczynającą się przy kołowym centralnym otworze.

W innym wariancie wymiennik ma więcej niż jedną spiralną przegrodę, przy czym każda z nich zaczyna się przy centralnym otworze, którego kształt dostosowany jest do liczby spiral tak, aby zaczynały się przy jego obwodzie.

Spiralne przegrody mogą formować kanały o różnej szerokości z różną liczbą elementów rurowych znajdujących się na ich szerokości.

Korzystnie, spiralne kanały mają zasadniczo jednakową szerokość.

Najkorzystniej w obszarze pomiędzy poziomą górną przegrodą i dnem sitowym pionowe elementy rurowe mają kształt cylindryczny i ułożone są spiralnie w spiralnych kanałach.

W jednym z wariantów na szerokości każdego spiralnego kanału znajduje się jedna spirala pionowych elementów rurowych.

W innych wariantach na szerokości spiralnych kanałów może znajdować się różna liczba spiralnie rozmieszczonych pionowych elementów rurowych.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest możliwość optymalizacji przepływu cieczy pod dnem sitowym komory spalania mająca na celu redukcję procesu wytrącania się kamienia kotłowego. Osiągnięto to poprzez zastosowanie spiralnej przegrody umożliwiającej kontrolę temperatury i szybkości przepływu cieczy pod dnem sitowym.

Przykładowa realizacja opalanego wymiennika ciepła do bojlera kondensacyjnego według wynalazku zilustrowana jest rysunkiem, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie przekrój podłużny wymiennika, fig. 2 przedstawia widok wnętrza wymiennika, a fig. 3 przedstawia poziomą górną przegrodę z czterema wariantami przegród spiralnych.

W przykładowej realizacji pokazanej na fig. 1, fig. 2, fig. 3 opalany wymiennik ciepła przeznaczony do bojlera kondensacyjnego ma komorę wodną otoczoną cylindrycznym płaszczem zewnętrznym 1 z umieszczonym w niej zespołem pionowych elementów rurowych 2 o przekroju okrągłym, których końce połączone są za pomocą technik spawalniczych od góry z górną ścianą sitową, stanowiącą równocześnie dno sitowe 3 cylindrycznej komory spalania 4, a od dołu z dolną ścianą sitową 5, pod którą znajduje się zbiornik kondensatu 6 zaopatrzony w wyloty gazu i skroplin. W przykładowym wariancie wykonania dno sitowe 3 komory spalania 4 oraz dolna ściana sitowa 5 mają kształt płaskich krążków. Komora spalania 4 ma średnicę mniejszą od średnicy płaszcza zewnętrznego 1 tak, że komora cieczy otacza boczną ścianę komory spalania 4. W dolnej części komory cieczy znajduje się wlot 7, a w jej górnej części - wylot 8 ogrzewanej wody. W poprzek zespołu elementów rurowych 2, w ich górnej części, bezpośrednio pod dnem sitowym 3 komory spalania 4, zamontowana jest pozioma górna przegroda 9, a w dolnej części nad dolną ścianą sitową 5 - pozioma dolna przegroda 10. Pozioma górna i dolna przegroda 9, 10 mają szereg otworów o przekroju odpowiadającym przekrojowi elementów rurowych 2, które przeprowadzone są przez te otwory. Dolna przegroda 10 posiada szczeliny dla przepływu wody, o dowolnym kształcie i rozmieszczeniu, natomiast górna przegroda 9 szczelnie przylega do ścian płaszcza zewnętrznego 1 i ma jeden centralny otwór 12 dla przepływu wody. Pomiędzy poziomą górną przegrodą 9 i dnem sitowym 3 cylindrycznej komory spalania 4 znajduje się pionowa spiralna przegroda 11,

PL 229 328 Β1 która szczelnie przylega zarówno do poziomej górnej przegrody 9, jak i do dna sitowego 3. Ściany spiralnej przegrody 11 tworzą spiralne kanały 13, które ukierunkowują przepływ cieczy w obszarze pomiędzy poziomą górną przegrodą 9 i dnem sitowym 3 komory spalania 4. W jednym z wariantów przykładowej realizacji centralny otwór 12 ma kształt kołowy i jest częściowo otoczony początkiem pionowej spiralnej przegrody 11.

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 2 pionowo w dół oddając ciepło ogrzewanej wodzie krążącej wewnątrz płaszcza zewnętrznego 1 między wlotem 7 i wylotem 8 ogrzewanej wody. Spływające spaliny ochładzają się w komorze wodnej do temperatury poniżej punktu rosy i gromadzą w zbiorniku kondensatu 6, skąd odprowadzane są na zewnątrz poprzez wylot skroplin i wylot gazów spalinowych. Na zewnątrz elementów rurowych 2 realizowany jest przepływ ogrzewanej wody odbywający się w przeciwprądzie w stosunku do przepływu spalin, tzn. woda wprowadzana jest przez króciec wlotu 7 znajdujący się u dołu wymiennika, przepływa przez szczeliny w dolnej poziomej przegrodzie 10 i przepływa ku górze omywając elementy rurowe 2 i komorę spalania 4, po czym odprowadzana jest z wymiennika za pomocą króćca wylotu 8 usytuowanego w górnej części wymiennika. W górnej części komory wodnej przepływ kierowany jest przez centralny otwór 12 w poziomej górnej przegrodzie 9, nad którym strumień wody zostaje wprawiony w ruch spiralny w spiralnych kanałach 13 utworzonych przez ścianki pionowej spiralnej przegrody 11. W ten sposób woda nad poziomą górną przegrodą 9 rozpływa się od jej środka do krawędzi dna sitowego 3 komory spalania 4 omywając i chłodząc dno sitowe 3 i elementy rurowe 2 ustawione na drodze przepływu wody. Następnie, woda zachowując ruch wirowy i omywając boczne ścianki komory spalania 4 dopływa do króćca wylotu 8. Dzięki spiralnemu omywaniu dna sitowego 3 komory spalania 4, wymuszonemu przez pionową spiralną przegrodę 11, uzyskuje się optymalne warunki chłodzenia dna sitowego 3 komory spalania 4 i górnej części elementów rurowych 2, w wyniku czego redukowane jest wytrącanie się i osadzanie kamienia kotłowego. Za pomocą odpowiedniej liczby zastosowanych spiralnych przegród, strumień wody wypływający przez centralny otwór w górnej przegrodzie może być dzielony na wymaganą liczbę strumieni płynących spiralnymi kanałami między ściankami spiralnych przegród. Liczba spiralnych przegród, szerokość i wysokość kanałów oraz rozmieszczenie rur w świetle kanałów dla konkretnej realizacji wymiennika dobierane są z wykorzystaniem narzędzi matematycznych z zakresu mechaniki płynów tak, aby uzyskać optymalną prędkość liniową spiralnego przepływu wody, która zapewni schłodzenie sita i rur do wymaganej temperatury z jednoczesnym utrzymaniem oporów przepływu na dopuszczalnym poziomie.

W przykładowym wariancie realizacji opalany wymiennik wykonany jest ze stali nierdzewnej, ma cylindryczny płaszcz zewnętrzny o grubości 3 mm, wysokości 1500 mm, średnicy 690 mm, cylindryczną komorę spalania o wysokości 350 mm, średnicy 640 mm, 109 cylindrycznych elementów rurowych o średnicy 44 mm i długości 1160 mm i dwie poprzeczne przegrody, górną i dolną, o grubości 2 mm. Pomiędzy górną przegrodą i dnem sitowym komory spalania o grubości 6 mm, znajduje się pojedyncza pionowa spiralna przegroda o grubości ścianek 1,5 mm i wysokości 50 mm, równej odległości górnej przegrody od dna sitowego.

Pomiędzy górną przegrodą i dnem sitowym może być umieszczona dowolna liczba pionowych spiralnych przegród 11 zaczynających się przy centralnym otworze 12 i dzielących strumień wody wypływający z tego otworu na kilka strumieni. Jak pokazano w przykładowych realizacjach na fig. 3, przy jednej spiralnej przegrodzie 11 centralny otwór 12 w poziomej górnej przegrodzie 9 ma kształt okręgu obejmowanego przez początek spiralnej przegrody, przy dwóch i czterech spiralnych przegrodach 11 centralny otwór 12 ma kształt zbliżony do czworokąta, a dla trzech spiralnych przegród 11, kształt centralnego otworu jest zbliżony do trójkąta, a każda ze spiralnych przegród zaczyna się przy jednym z jego wierzchołków.

W innych wariantach pionowa spiralna przegroda może być zrealizowana pomiędzy poziomą górną przegrodą i dnem sitowym komory spalania w dowolnych konstrukcjach opalanych wymienników ciepła, z różnymi kształtami płaszczy zewnętrznych, komór spalania. W szczególności płaszcze i komory mogą być walcowe albo stożkowe, zwijane albo tłoczone, z przetłoczeniami, wzmocnieniami itp. Dno sitowe komory może być także stożkowe lub z wypustem. Różne mogą też być przekroje i rozmieszczenie elementów rurowych wymiennika - płaskie, okrągłe, faliste, tłoczone, z żebrami itp., a także różna liczba i rozmieszczenie innych przegród.

Claims (8)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Opalany wymiennik ciepła mający komorę cieczy otoczoną płaszczem zewnętrznym z wlotem i wylotem cieczy, wewnątrz której znajduje się zespół pionowych elementów rurowych do przepływu spalin i co najmniej jedna poprzeczna przegroda, przy czym końce elementów rurowych zamocowane są z jednej strony w dnie sitowym komory spalania, z drugiej strony w ścianie sitowej zbiornika kondensatu z króćcami wylotowymi gazu i skroplin, a w sąsiedztwie dna sitowego komory spalania w komorze cieczy zamocowana jest pozioma górna przegroda z jednym centralnym otworem do przepływu cieczy, znamienny tym, że pozioma górna przegroda (9) zaopatrzona jest w co najmniej jedną pionową spiralną przegrodę (11) przylegającą szczelnie do dna sitowego (3) i do poziomej górnej przegrody (9) i formującą spiralne kanały (13) dla przepływu cieczy pod dnem sitowym (3).
2. 2. Opalany wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że ma jedną spiralną przegrodę (11) zaczynającą się przy kołowym centralnym otworze (12).
3. 3. Opalany wymiennik według zastrz. 1, znamienny tym, że ma więcej niż jedną spiralną przegrodę (11), przy czym każda z nich zaczyna się przy centralnym otworze (12), którego kształt dostosowany jest do liczby spiral tak, aby zaczynały się przy jego obwodzie.
4. 4. Opalany wymiennik według zastrz. 3, znamienny tym, że spiralne przegrody (11) formują kanały (13) o różnej szerokości z różną liczbą elementów rurowych (2) znajdujących się na ich szerokości.
5. 5. Opalany wymiennik według zastrz. 3, znamienny tym, że spiralne kanały (13) mają zasadniczo jednakową szerokość.
6. 6. Opalany wymiennik ciepła według zastrz. 5, znamienny tym, że w obszarze pomiędzy poziomą górną przegrodą (9) i dnem sitowym (3) pionowe elementy rurowe (2) mają kształt cylindryczny i ułożone są spiralnie w spiralnych kanałach (13).
7. 7. Opalany wymiennik według zastrz. 6, znamienny tym, że na szerokości każdego spiralnego kanału (13) znajduje się jedna spirala pionowych elementów rurowych (2).
8. 8. Opalany wymiennik według zastrz. 6, znamienny tym, że na szerokości spiralnych kanałów (13) znajduje się różna liczba spiralnie rozmieszczonych pionowych elementów rurowych (2).