RU2189538C2

RU2189538C2 - Gas-type water heater

Info

Publication number: RU2189538C2
Application number: RU2000115754A
Authority: RU
Inventors: М.А. Самохвалов
Original assignee: Томский государственный университет; Самохвалов Михаил Андреевич
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: processes and equipment for receiving hot water at using gaseous fuel, possibly for heating and hot water supplying in residential and industrial rooms. SUBSTANCE: gas-type water heater includes burners, heat insulation housing and heat exchanger in the form of reservoir flow through for water pierced by desired number of vertical tubular heat generating members. Heat insulation housing is arranged with gap relative to flow-through reservoir; said gap forms descending flue for discharging combustion products. Injection type flame-free burners are arranged directly in lower portion of each heat generating member. Confusor of burner has walls permeable for gas-air mixture; surface of said walls is covered by material featuring catalytic activity for reaction of complete oxidation of gaseous fuel. Walls of confusor may be made of gauze or perforated ceramics. At inlet of confusor may be fixed protective gauze. Such heater provides optimal relation of radiation and convection heat exchange in duct of heat generating member. EFFECT: less loss of heat generated by means of burners. 5 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для подогрева воды с применением газового топлива и может быть использовано для отопления и горячего водоснабжения бытовых и промышленных помещений. The invention relates to a device for heating water using gas fuel and can be used for heating and hot water supply of domestic and industrial premises.

Широко известны газовые водонагреватели с беспламенными горелками, в которых часть полезного тепла, образующегося при сжигании топлива, передается в теплоноситель (воду) посредством теплового излучения, поглощаемого стенками теплообменника, а другая часть - за счет конвективного теплообмена. Для повышения теплового КПД устройства прибегают к развитию поверхности конвективного теплообмена [1, 2]. Gas water heaters with flameless burners are widely known, in which part of the useful heat generated during fuel combustion is transferred to the heat carrier (water) by means of heat radiation absorbed by the walls of the heat exchanger, and the other part due to convective heat transfer. To increase the thermal efficiency of the device, they resort to the development of a convective heat transfer surface [1, 2].

Известен водонагреватель, в котором для повышения эффективности конвективного теплообмена установлен теплообменник, выполненный в виде проточной по воде емкости, пронизанной необходимым количеством вертикальных трубчатых тепловыделяющих элементов, причем упомянутый теплозащитный корпус выполнен относительно проточной емкости с зазором, образующим нисходящий дымоход для отвода продуктов сгорания [3]. A water heater is known in which, in order to increase the efficiency of convective heat exchange, a heat exchanger is installed, made in the form of a tank running through water, pierced by the required number of vertical tubular heat-generating elements, said heat-shielding body being made relative to the flow tank with a gap forming a downward chimney for exhausting combustion products [3] .

Однако развитие поверхности конвективного теплообмена в ограниченном объеме имеет очевидные пределы из-за технологических сложностей и удорожания устройства. Поэтому для повышения эффективности устройства наряду с развитием конвективной поверхности прибегают к увеличению доли тепловой энергии, передаваемой теплоносителю за счет излучения. However, the development of a convective heat transfer surface in a limited volume has obvious limits due to technological difficulties and the cost of the device. Therefore, to increase the efficiency of the device, along with the development of a convective surface, they resort to an increase in the fraction of thermal energy transferred to the coolant due to radiation.

Из таких устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является газовый водонагреватель с инфракрасным нагревом и нисходящими газовыми потоками [4, прототип]. Of these devices, the closest in technical essence and the achieved results is a gas water heater with infrared heating and downward gas flows [4, prototype].

Известный водонагреватель содержит защитный корпус с размещенным в нем теплообменником. Теплообменник представляет собой двойную полую спираль и выполнен в виде двух вложенных друг в друга с зазором змеевиков, навитых по образующей вертикального цилиндра и последовательно соединенных между собой по воде. Во внутреннем змеевике по его центральной оси расположена вертикальная инфракрасная беспламенная горелка, выполненная в виде проницаемого для газа и заглушенного в верхней части керамического цилиндра. Внутренний змеевик отделен от внешнего перфорированным цилиндром, пропускающим значительную часть теплового излучения и являющегося барьером для газообразных продуктов сгорания. Внешний змеевик закрыт цилиндрическим теплоизолирующим корпусом. Горючий газ вдувается в нижнюю часть горелки, где происходит его сгорание. Продукты сгорания, поднимаясь вдоль керамического цилиндра, омывают и греют внутренний змеевик, а затем, огибая перфорированный цилиндр и опускаясь по нисходящему дымоходу, омывают и греют внешний змеевик. Known water heater contains a protective housing with a heat exchanger placed therein. The heat exchanger is a double hollow spiral and is made in the form of two coils inserted into each other with a gap, wound along a generatrix of a vertical cylinder and connected in series with each other through water. In the inner coil along its central axis is a vertical infrared flameless burner made in the form of a gas permeable and plugged in the upper part of the ceramic cylinder. The inner coil is separated from the outer by a perforated cylinder that transmits a significant part of the thermal radiation and is a barrier to gaseous products of combustion. The external coil is closed by a cylindrical heat-insulating casing. Combustible gas is blown into the lower part of the burner, where it is burned. The combustion products, rising along the ceramic cylinder, wash and heat the internal coil, and then, circling the perforated cylinder and descending along the descending chimney, wash and heat the external coil.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции теплообменника и отсутствие в нем градиента температуры, достаточного для естественной конвекции воды во внешнем циркуляционном контуре. Это предполагает оборудование внешнего контура водяным насосом для принудительной циркуляции. A disadvantage of the known device is the complexity of the design of the heat exchanger and the lack of a temperature gradient in it sufficient for natural convection of water in the external circulation circuit. This involves equipping the external circuit with a water pump for forced circulation.

Задачей изобретения является упрощение конструкции теплообменника, повышение эффективности утилизации выделяемого горелками тепла и обеспечение условий для естественной конвекции воды во внешнем контуре. The objective of the invention is to simplify the design of the heat exchanger, increasing the efficiency of utilization of the heat generated by the burners and providing conditions for natural convection of water in the external circuit.

Поставленная задача решается тем, что в водонагревателе, содержащем горелки и теплозащитный корпус, в котором установлен теплообменник, выполненный в виде проточной по воде емкости, пронизанной необходимым количеством вертикальных трубчатых тепловыделяющих элементов, а упомянутый теплозащитный корпус выполнен относительно проточной емкости с зазором, образующим нисходящий дымоход для отвода продуктов сгорания, непосредственно в нижней части каждого трубчатого тепловыделяющего элемента установлена беспламенная горелка инжекционного типа. The problem is solved in that in a water heater containing burners and a heat shield, in which a heat exchanger is installed, made in the form of a tank running through the water, pierced with the required number of vertical tubular fuel elements, and said heat shield is made relative to the flow tank with a gap forming a downward chimney for removal of combustion products, a flameless injection burner is installed directly in the lower part of each tubular fuel element wow type.

Беспламенная горелка может быть изготовлена в виде конфузора с проницаемыми для газовоздушной смеси стенками, на поверхность которых нанесен материал, обладающий каталитической активностью по отношению к реакции полного окисления газообразного топлива, и выполнена из металлической сетки и/или перфорированной керамики. Для предохранения от обратного проскока пламени вход в конфузор может быть оборудован жаростойкой металлической сеткой. The flameless burner can be made in the form of a confuser with walls permeable to the gas-air mixture, on the surface of which a material is applied that has catalytic activity with respect to the reaction of complete oxidation of gaseous fuels, and is made of a metal mesh and / or perforated ceramic. To protect against reverse flamethrough, the inlet to the confuser can be equipped with a heat-resistant metal mesh.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором представлен вертикальный разрез водонагревателя (вид сбоку). The invention is illustrated in the drawing, which shows a vertical section of a water heater (side view).

Цифрами на чертеже обозначены: 1 - защитный корпус, 2 - теплоизоляция, 3 - проточная емкость, 4 - патрубок для подвода воды; 5 - патрубок для отвода воды, 6 - нисходящий дымоход, 7 - трубчатый тепловыделяющий элемент, 8 - патрубок для отвода продуктов сгорания, 9 - восходящий дымоход, 10 - газопроницаемый конфузор (горелка), 11 - защитная сетка, 12 - инжектор, 13 - форсунка, 14 - регулятор, 15 - газовый коллектор. The numbers in the drawing denote: 1 - protective housing, 2 - thermal insulation, 3 - flow tank, 4 - pipe for water supply; 5 - a pipe for water drainage, 6 - a downward chimney, 7 - a tubular fuel element, 8 - a pipe for removal of combustion products, 9 - an upward chimney, 10 - a gas-permeable confuser (burner), 11 - a protective grid, 12 - an injector, 13 - nozzle, 14 - regulator, 15 - gas manifold.

Водонагреватель имеет следующую конструкцию. Корпус 1 (см. чертеж) с теплоизоляцией 2 охватывает проточную емкость 3, оборудованную патрубками 4 и 5 для подвода и отвода воды. Зазор между корпусом и проточной емкостью образует нисходящий дымоход 6. В проточной емкости, пронизывая ее, закреплены вертикальные тепловыделяющие элементы 7, внутренние полости которых выполняют функцию восходящего дымохода 9. Непосредственно в нижней части каждого тепловыделяющего элемента 7 установлена беспламенная горелка 10 с инжектором 12, выполненная в виде конфузора. The water heater has the following design. Housing 1 (see drawing) with thermal insulation 2 covers a flow tank 3, equipped with nozzles 4 and 5 for supplying and discharging water. The gap between the housing and the flow tank forms a downward chimney 6. In the flow tank, piercing it, vertical fuel elements 7 are fixed, the internal cavities of which act as an ascending chimney 9. Directly in the lower part of each fuel element 7 there is a flameless burner 10 with an injector 12 made in the form of a confuser.

Водонагреватель работает следующим образом. Газообразное топливо через инжектор 12 поступает в беспламенную горелку 10, где протекает каталитическая реакция полного окисления газа. Защитная сетка 11 предохраняет инжектор 12 от проскока пламени из конфузора. Заявляемое взаимное расположение элементов обеспечивает то, что большая часть образующегося тепла за счет инфракрасного излучения горелок 10 передается воде в нижней части проточной емкости 3, благодаря чему в проточной емкости 3 возникает градиент температуры воды и ее мощная вертикальная конвекция, обеспечивающая естественную циркуляцию во всем внешнем контуре. Гидравлическое сопротивление такого устройства значительно ниже, чем у прототипа. Продукты сгорания поднимаются по тепловыделяющим элементам 7, отдавая тепло воде, проходят далее по нисходящему дымоходу 6, омывая внешнюю поверхность проточной емкости 3 и отдавая теплоносителю дополнительное количество тепла, что также способствует повышению эффективности устройства, и выводятся через патрубок 8. The water heater operates as follows. Gaseous fuel through the injector 12 enters the flameless burner 10, where the catalytic reaction of complete oxidation of the gas takes place. The protective mesh 11 protects the injector 12 from the passage of flame from the confuser. The claimed mutual arrangement of the elements ensures that most of the heat generated due to the infrared radiation of the burners 10 is transferred to the water in the lower part of the flow tank 3, due to which the temperature gradient of the water and its powerful vertical convection, which provides natural circulation throughout the entire external circuit, arise in the flow tank 3 . The hydraulic resistance of such a device is significantly lower than that of the prototype. The combustion products rise through the fuel elements 7, giving off heat to the water, then pass along the downward chimney 6, washing the outer surface of the flow tank 3 and giving off the additional heat to the coolant, which also helps to increase the efficiency of the device, and are discharged through the pipe 8.

Описанный газовый водонагреватель прост в изготовлении и не требует насоса для циркуляции теплоносителя. За счет выбранного месторасположения горелок обеспечено оптимальное соотношение радиационного и конвективного теплообмена и более полная утилизация выделяемого горелками тепла. Испытания опытного образца показали, что КПД устройства достигает 95-96%. The described gas water heater is easy to manufacture and does not require a pump to circulate the coolant. Due to the selected location of the burners, an optimal ratio of radiation and convective heat transfer and a more complete utilization of the heat generated by the burners are ensured. Tests of the prototype showed that the efficiency of the device reaches 95-96%.

Источники информации
1. Заявка РФ на изобретение 96100683/06, МПК F 23 G 11/06, опубл. 1996.Sources of information
1. The application of the Russian Federation for the invention 96100683/06, IPC F 23 G 11/06, publ. 1996.

2. Патент РФ 2102654, МПК F 22 B 33/18, опубл. 1993. 2. RF patent 2102654, IPC F 22 B 33/18, publ. 1993.

3. Патент РФ 2072484, МПК F 24 H 1/24, опубл. 1997. 3. RF patent 2072484, IPC F 24 H 1/24, publ. 1997.

4. Патент Японии 4-13615, F 24 H 1/16. Газовый водонагреватель с нисходящими газовыми потоками и инфракрасным нагревом, опубл. 1985 (прототип). 4. Japanese Patent 4-13615, F 24 H 1/16. Gas water heater with downward gas flows and infrared heating, publ. 1985 (prototype).

Claims

1. A gas water heater comprising burners, a heat shield and a heat exchanger made in the form of a tank running through the water penetrated by the required number of vertical tubular fuel elements, said heat shield being made relative to the flow tank with a gap forming a downward chimney for exhausting combustion products, characterized in that flameless injection-type burners are located directly at the bottom of each fuel element.

2. The water heater according to claim 1, characterized in that the flameless burner is made in the form of a confuser with walls permeable to the gas-air mixture, on the surface of which a material is applied that has catalytic activity with respect to the reaction of complete oxidation of gaseous fuel.

3. The water heater according to claim 2, characterized in that the walls of the confuser are made of metal mesh.

4. A water heater according to claim 2, characterized in that the walls of the confuser are made of perforated ceramic.

5. The water heater according to claim 2, characterized in that a metal protective net is installed at the inlet of the confuser.