Спосіб нагрівання рідини

Реферат: Спосіб нагрівання рідини, в якому здійснюють передачу тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з одною стороною якої контактує ця рідина, а з другою стороною якої контактують ці газоподібні продукти згоряння, де вказана стінка, що утворює зону передачі тепла, розділяє газовий канал, в який спрямовують ці газоподібні продукти згоряння, та оперізуючий рідинний канал, в який спрямовують рідину, що нагрівають, причому вказані газоподібні продукти згоряння спрямовують у вищезазначений газовий канал, який має щонайменше два екрани розподілу, що розташовані співвісно газовому каналу у зоні передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини і які мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газового каналу, та утворюють щілиноподібні отвори уздовж внутрішньої поверхні газового каналу для проходу потоку продуктів згоряння, при цьому площа отворів, утворених екранами розподілу, не менше площі вихідного отвору газового каналу, розташованого після останнього у напрямку потоку продуктів згоряння екрана розподілу. UA 111608 U (54) СПОСІБ НАГРІВАННЯ РІДИНИ UA 111608 U UA 111608 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб нагрівання рідини належить до галузі теплоенергетики, зокрема до способів теплообміну між газоподібними продуктами згоряння та рідинами, що нагрівають, через стінку, що відділяє ці теплоносії. Заявлене технічне рішення може бути використаним, зокрема у нагрівальних пристроях, таких, як котли, рекуператори або економайзери, що застосовуються в системах опалення побутових, господарських, промислових та інших приміщень, а також для нагрівання води у системі гарячого водопостачання. З рівня техніки відомий принцип побудови теплообмінних апаратів за так званим принципом "труба в трубі", який, зокрема, розкритий в ДСТУ EN 247:2003. Вказаний принцип передбачає здійснення теплообміну між двома теплоносіями, фізично відділеними один від одного стінкою. При цьому обидва теплоносія течуть у паралельних напрямках, один теплоносій тече по внутрішньому каналу, утвореному однією трубою, а другий - в оперізуючому каналі, утвореному другою трубою, розташованою співвісно навколо першої труби. Зазначений принцип теплообміну застосовується, зокрема, у головних теплообмінних частинах твердопаливних котлів, та додаткових пристроях цих котлів, таких, як рекуператори чи економайзери. У таких пристроях здійснюється передача тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини, де потік газоподібних продуктів згоряння переміщується через центральний канал та через стінку передає тепло рідині, що переміщується у зовнішньому, розташованому навколо, оперізуючому каналі. Так, відоме застосування вищеописаного принципу, наприклад, у твердопаливному котлі "Теплотрон "Міні" (http://teplotron.su/production/5/19/), схема якого передбачає утворення "сорочки" з рідинним теплоносієм навколо зони горіння палива та газоходу. Це рішення є малоефективним, враховуючи малу поверхню контакту теплоносіїв, яка розташована в основному навколо зони горіння та розташування твердого палива. Також відоме технічне рішення способу нагрівання рідини, яке розкрите в описі водогрійного котла до винаходу за авторським свідоцтвом СРСР № 365533 (МПК: F24H 01/24, опубл. 08.01.1973). Відповідно до вказаного опису, нагрівання рідини здійснюють через стінку, яка відділяє зону горіння твердого палива та газохід від водяного каналу, що охоплює зазначені зони і виконаний як "водяна сорочка". Значною частиною загальної поверхні стінки, через яку здійснюється передача тепла, є саме газохід. Саме теплообмінна частина вказаного котла, яка включає газохід, цілком відтворює вищенаведену схему та реалізує принцип теплообмінника "труба в трубі". У даному випадку газовий канал, в який спрямовують газоподібні продукти згоряння, та розташований навколо оперізуючий канал, в який спрямовують рідину, що нагрівають, є співвісними та мають круглий поперечний переріз. Описане рішення є дуже простим і достатньо ефективним. Однак, воно має суттєвий недолік. Зрозуміло, що процес отримання нагрітої рідини повинен мати відповідну продуктивність. Для забезпечення необхідної продуктивності цього процесу, вищевказана стінка, через яку здійснюється передача тепла, а точніше - зона контакту теплоносіїв, повинна мати певну площу. Збільшення продуктивності отримання підігрітої рідини, зокрема, може бути здійснене за рахунок зміни конструкції теплообмінної частини, яка передбачає збільшення поверхні контакту газоподібних продуктів згоряння та рідини. Таке збільшення поверхні контакту може бути здійснено за рахунок збільшення довжини відповідних каналів або збільшення площі поперечних перерізів цих каналів, що в багатьох випадках є неприйнятним. Відомо, що передача тепла конвекцією полягає в переносі тепла шляхом переміщення самих частинок газоподібних продуктів згоряння, причому вона супроводжується теплопровідністю, тобто переданням тепла від одної частинки до іншої. При збільшенні площі вищевказаних поперечних перерізів каналів, збільшується поперечний переріз потоку газоподібних продуктів згоряння та, відповідно, збільшується відстань між частинками, що переносять тепло та розташовані у центральній частині потоку, та стінкою, через яку здійснюється передача тепла до рідини. Таким чином, ефективність теплопередачі знижується, частина тепла просто втрачається разом з частками газоподібних продуктів згоряння, що викидаються через димохід. Враховуючи зазначене, існує нагальна потреба у підвищенні ефективності передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння через стінку до рідини без зміни поперечного перерізу теплообмінної стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. Задачею технічного рішення, що заявляється, є створення способу нагрівання рідини, в якому здійснюють передачу тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з більш високою ефективністю передачі тепла без зміни поперечного перерізу теплообмінної 1 UA 111608 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. Як найбільш близький аналог рішення, що заявляється, вибраний спосіб нагрівання рідини, що розкритий у вищенаведеному описі водогрійного котла до винаходу за авторським свідоцтвом СРСР № 365533. Спільними ознаками заявленого способу та найближчого аналога є наступні ознаки: - здійснення передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з одною стороною якої контактує ця рідина, а з другою стороною якої контактують ці газоподібні продукти згоряння; - вказана стінка, що утворює зону передачі тепла, розділяє газовий канал, в який спрямовують ці газоподібні продукти згоряння, та оперізуючий рідинний канал, в який спрямовують рідину, що нагрівають. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у способі нагрівання рідини, в якому здійснюють передачу тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з одною стороною якої контактує ця рідина, а з другою стороною якої контактують ці газоподібні продукти згоряння, де вказана стінка, що утворює зону передачі тепла, розділяє газовий канал, в який спрямовують ці газоподібні продукти згоряння, та оперізуючий рідинний канал, в який спрямовують рідину, що нагрівають, відповідно до заявленого рішення, вказані газоподібні продукти згоряння спрямовують у вищезазначений газовий канал, який має щонайменше два екрани розподілу, що розташовані співвісно газовому каналу у зоні передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини. При цьому такі екрани розподілу мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газового каналу, та утворюють щілиноподібні отвори уздовж внутрішньої поверхні газового каналу для проходу потоку продуктів згоряння. До того ж, площа отворів, утворених екранами розподілу, не менше площі вихідного отвору газового каналу, розташованого після останнього у напрямку потоку продуктів згоряння екрана розподілу. В окремих випадках виконання заявленого способу нагрівання рідини газоподібні продукти згоряння можуть спрямовувати у вищезазначений газовий канал, який має вищевказані екрани розподілу, що виконані у вигляді пластин, які поєднані із внутрішньою поверхнею газового каналу перемичками. Крім того, в окремих випадках виконання газоподібні продукти згоряння можуть спрямовувати у вищезазначений газовий канал, вищевказана зона передачі тепла якого має круглий або прямокутний поперечний переріз. Суть заявленого технічного рішення пояснюється схематичним кресленням, яке жодним чином не обмежує можливість реалізації заявленого способу та ймовірні інші варіанти його втілення в межах розкритого у формулі технічного рішення. Наведене креслення пояснює суть виконання заявленого способу за допомогою умовного матеріального об'єкту, який може бути застосованим для здійснення способу. Заявлений спосіб нагрівання рідини може бути застосований у нагрівальних пристроях, в яких як джерело теплової енергії використовуються газоподібні продукти згоряння, зокрема, в котлах, рекуператорах, економайзерах, які мають спільні конструктивні елементи, що показані на кресленні, а саме: 1 - корпус; 2 - газовий канал; 3 - оперізуючий рідинний канал; 4 - вхідний отвір газового каналу; 5 - вихідний отвір газового каналу; 6 - зовнішня стінка корпусу; 7 - стінка, яка розділяє газовий канал та оперізуючий рідинний канал; 8 - екран розподілу; 9 - щілиноподібний отвір, утворений між екраном розподілу та стінкою, яка розділяє газовий канал та оперізуючий рідинний канал; 10 - перемичка для утримання екрана розподілу; 11 - потік газоподібних продуктів згоряння; 12 - вихідний патрубок оперізуючого каналу; 13 - вхідний патрубок оперізуючого каналу; 14 - рідина. Далі буде наведено причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак заявленого способу та технічним результатом. Враховуючи те, що заявлений спосіб може бути модифікований та мати альтернативні варіанти виконання, наведений далі опис приведено як приклад для характеристики його суті та можливості його здійснення. Має бути очевидним, що наданий 2 UA 111608 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 детальний опис не призначений для обмеження заявленого способу наведеними окремими варіантами втілення, а навпаки, включає всі модифікації, еквіваленти та альтернативи, які підпадають під суть та обсяг патентної охорони, визначеної формулою заявленого способу. Спосіб нагрівання рідини може бути застосований у нагрівальних пристроях, в яких для одержання пари або для нагріву води під тиском понад атмосферний, що споживаються поза цього пристрою, використовується теплота газоподібних продуктів згоряння, зокрема, в котлах, у тому числі твердопаливних, та пов'язаних з ними вторинних нагрівальних пристроях, таких як рекуператори або економайзери, для попереднього додаткового підігрівання рідини або отримання пари, що спрямовуються у ці котли, або нагрівання рідини чи отримання пари, які спрямовуються в інший контур, що не пов'язаний з котлами, від яких отримують газоподібні продукти згоряння. На кресленні схематично зображено частину нагрівального пристрою для пояснення реалізації заявленого способу нагрівання рідини, при цьому джерело газоподібних продуктів згоряння не показано. Як можна побачити, у конкретному варіанті виконання способу, зазначений газовий канал 2 та оперізуючий рідинний канал 3 можуть бути співвісними. Утворені вказані канали у корпусі 1 в результаті їх розділення стінкою 7, завдяки чому реалізується вищеописаний принцип побудови теплообмінної частини "труба в трубі". Газовий канал 2 має вхідний отвір 4 та вихідний отвір 5. А оперізуючий рідинний канал 3 має вхідний патрубок 13 та вихідний патрубок 12. В окремих випадках виконання, поперечний переріз газового каналу 2 та поперечний переріз оперізуючого рідинного каналу 3 можуть бути подібними та мати круглу або квадратну форму обрису. Відповідно до заявленого способу, здійснюють передачу тепла від потоку 11 газоподібних продуктів згоряння до рідини 14 через стінку 7, з одною стороною якої контактує ця рідина, а з другою стороною якої контактують ці газоподібні продукти згоряння. Потік 11 газоподібних продуктів згоряння спрямовують у газовий канал 2 через вхідний отвір 4. А рідину 14 спрямовують у оперізуючий рідинний канал 3 через вхідний патрубок 13 і виходить вона через вихідний патрубок 12. Спрямування потоку 11 газоподібних продуктів згоряння може здійснюватися природним шляхом, внаслідок горіння палива та природного руху вгору гарячих газоподібних продуктів згоряння цього палива. Інтенсивність подачі потоку 11 газоподібних продуктів згоряння може збільшуватись внаслідок газового (повітряного) піддуву з боку зони горіння палива. Спрямування рідини 14 також може здійснюватися природним шляхом, тобто перетіканням внаслідок утвореного тиску в системі назовні, або ж за допомогою насоса. Товщина, теплопровідність і площа стінки 7 впливають на швидкість підігрівання рідини або пароутворення. При цьому, згідно із запропонованим рішенням способу нагрівання рідини, потік 11 газоподібних продуктів згоряння спрямовують у газовий канал 2, який має щонайменше два екрани 8 розподілу, що розташовані співвісно газовому каналу 2. Екрани 8 розподілу розташовані у зоні передачі тепла від потоку 11 газоподібних продуктів згоряння до рідини 14, тобто, в межах розташування стінки 7. У більшості випадків виконання способу, коли довжина зони передачі тепла не дуже суттєво перевищує розмір поперечного перерізу газового каналу 2, достатньо застосування лише двох екранів 8 розподілу. Екрани 8 розподілу мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газового каналу 2. В результаті розташування екранів 8 розподілу, утворюються щілиноподібні отвори 9 уздовж внутрішньої поверхні газового каналу 2. Екрани 8 розподілу можуть бути встановлені за рахунок кількох перемичок 10, які перетинають щілиноподібні отвори 9 та поєднують ці екрани із стінкою 7. Враховуючи те, що теплообмінна частина нагрівального пристрою, яка розташована між джерелом газоподібних продуктів згоряння та каналом димовидалення або вмонтована у канал димовидалення, не повинна утворювати перешкод потоку газоподібних продуктів згоряння, площа поперечного перерізу зони передачі тепла повинна бути не менше площі вихідного отвору з цієї зони передачі тепла. Тому площа отворів 9, утворених екранами 8 розподілу повинна бути не менше площі вихідного отвору 5 газового каналу 2, який розташований після останнього у напрямку потоку 11 газоподібних продуктів згоряння екрану 8 розподілу. При спрямуванні потоку 11 газоподібних продуктів згоряння у газовий канал 2, вказаний потік 11 зіштовхується з першим екраном 8 розподілу. Внаслідок тяги, що виникає в результаті різниці температур і тиску, потік 11 газоподібних продуктів згоряння вимушено огинає перший екран 8 розподілу, проходить через щілиноподібний отвір 9 та змінює форму свого поперечного перерізу. В результаті такого перерозподілу потоку 11 газоподібних продуктів згоряння, він притискається до стінки 7 та набуває трубоподібної форми у просторі до другого щілиноподібного отвору 9, утвореного між другим екраном 8 розподілу та стінкою 7. Така форма 3 UA 111608 U 5 10 15 20 25 потоку 11 зберігається між першим та останнім у напрямку потоку газоподібних продуктів згоряння екранами 8 розподілу за рахунок зазначеної тяги. Таким чином утворюється тонкий шар газоподібних продуктів згоряння, що притиснутий до стінки 7, через яку відбувається теплообмін між теплоносіями. Далі потік 11 газоподібних продуктів згоряння, під дією тяги, потрапляє у вихідний отвір 5 газового каналу 2 і може бути видалений через канал димовидалення. В результаті описаного перерозподілу потоку 11 газоподібних продуктів згоряння товщина шару цього потоку, який притискається і контактує із стінкою 7, що розділяє теплоносії, зменшується та, відповідно, зменшується відстань між частинками, що переносять тепло та розташовані на максимальному віддаленні від стінки 7, через яку здійснюється передача тепла до рідини. Таким чином ефективність теплопередачі збільшується, що зменшує втрати тепла разом з частинками газоподібних продуктів згоряння, що викидаються через систему димовидалення. Як можна побачити, незалежно від розмірів екранів 8 розподілу та, відповідно, площі утворених щілиноподібних отворів 9, ефективність передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння через стінку до рідини збільшується. При цьому зміна поперечного перерізу теплообмінної стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. Для фахівців в даній галузі техніки очевидні можливі подальші модифікації заявленого об'єкта, що охоплюється суттю та межами заявленого об′єкта як це розкрито у формулі. Заявлений спосіб нагрівання рідини дозволяє здійснювати передачу тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з більш високою ефективністю передачі тепла без зміни поперечного перерізу теплообмінної стінки, габаритних розмірів теплообмінної частини, температури і об'єму газоподібних продуктів, що отримуються при згорянні палива та режиму подачі рідини, що нагрівається. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 45 1. Спосіб нагрівання рідини, в якому здійснюють передачу тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини через стінку, з одною стороною якої контактує ця рідина, а з другою стороною якої контактують ці газоподібні продукти згоряння, де вказана стінка, що утворює зону передачі тепла, розділяє газовий канал, в який спрямовують ці газоподібні продукти згоряння, та оперізуючий рідинний канал, в який спрямовують рідину, щонагрівають, який відрізняється тим, що вказані газоподібні продукти згоряння спрямовують у вищезазначений газовий канал, який має щонайменше два екрани розподілу, що розташовані співвісно газовому каналу у зоні передачі тепла від газоподібних продуктів згоряння до рідини і які мають вигляд поперечних перегородок, які виконані таким чином, що мають обрис, подібний обрису поперечного перерізу газового каналу, та утворюють щілиноподібні отвори уздовж внутрішньої поверхні газового каналу для проходу потоку продуктів згоряння, при цьому площа отворів, утворених екранами розподілу, не менше площі вихідного отвору газового каналу, розташованого після останнього у напрямку потоку продуктів згоряння екрана розподілу. 2. Спосіб нагрівання рідини за пунктом 1, який відрізняється тим, що газоподібні продукти згоряння спрямовують у вищезазначений газовий канал, який має вищевказані екрани розподілу, що виконані у вигляді пластин, які поєднані із внутрішньою поверхнею газового каналу перемичками. 3. Спосіб нагрівання рідини за пунктом 1, який відрізняється тим, що газоподібні продукти згоряння спрямовують у вищезазначений газовий канал, вищевказана зона передачі тепла якого має круглий або прямокутний поперечний переріз. 4 UA 111608 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5