Теплообменник

Изобретение относится к теплообменнику, осуществляющему эффективный теплообмен между теплоносителем, протекающим по теплообменным трубкам, и газообразными продуктами сгорания. Теплообменник содержит теплообменные трубки для протекания теплоносителя, концы которых открыты и имеют в поперечном сечении форму плоской трубы; первую крепежную панель и вторую крепежную панель, в каждой из которых выполнены отверстия для установки трубок,распределенные в продольном направлении указанной панели с заданным интервалом, причем оба конца теплообменных трубок вставлены в соответствующие отверстия для установки трубок; первую крышку параллельных каналов, закрепленную на первой крепежной панели, и вторую крышку параллельных каналов, закрепленную на второй крепежной панели, причем указанные крышки закрывают теплообменные трубки с обоих концов, формируя, тем самым, параллельные каналы; патрубок подвода теплоносителя, соединенный с первой крышкой параллельных каналов; и патрубок отвода теплоносителя, соединенный с первой крышкой параллельных каналов или со второй крышкой параллельных каналов. Поперечное сечение теплообменных трубок характеризуется наличием выступов и углублений, чередующихся в направлении ширины теплообменной трубки с тем, чтобы увеличить длину пути потока газообразных продуктов сгорания, проходящих между теплообменными трубками. Ким ун Мо, Чхои ун Сик (KR) Осипов К.В., Харин А.В. (RU) Область техники Настоящее изобретение относится к теплообменнику для котла и, в частности, к теплообменнику,обеспечивающему эффективный теплообмен между газообразными продуктами сгорания и теплоносителем, протекающим по теплообменным трубкам. Уровень техники Типичными примерами нагревательных устройств, нагревающих теплоноситель, протекающий по теплообменной трубке, посредством горелки в камере сгорания являются котел и водонагреватель. Котлы, установленные в жилых домах, общественных зданиях и подобных строениях, используются для получения отопительной и горячей воды, а водонагреватели могут быстро нагревать холодную воду до предварительно заданной температуры, что позволяет пользователю без труда получать горячую воду. Большинство таких нагревательных устройств, как котлы и водонагреватели, представляют собой системы, которые посредством горелки сжигают жидкое или газообразное топливо, нагревают воду, используя теплоту сгорания, получаемую в процессе горения топлива, и подают нагретую воду (горячую воду) потребителю. Такие нагревательные устройства содержат теплообменник, в котором происходит поглощение теплоты сгорания, создаваемой горелкой. Из уровня техники известны различные способы повышения эффективности теплообмена в подобном теплообменнике. Традиционный способ повышения эффективности теплообмена путем увеличения площади теплообмена теплообменной трубки предусматривает выполнение множества ребер на внешней поверхности указанной трубки. Однако теплообменная трубка, содержащая такие ребра, сложна в изготовлении, что приводит к повышению производственных затрат, тогда как увеличение площади теплообмена за счет наличия указанных ребер не столь существенно. На фиг. 1 показан прямоугольный теплообменник, способ изготовления которого проще, чем у ребристого теплообменника известной конструкции. В таком теплообменнике оба конца теплообменных трубок 1, имеющих прямоугольное поперечное сечение, в котором ширина больше, чем высота, вставлены в крепежные панели 2 и 3, а к крепежной панели прикреплены, например, с помощью высокотемпературной пайки, в частности пайкосварки, торцовые крышки 4 и 5. На торцовых крышках 4 и 5 имеются соответственно патрубок 6 подвода теплоносителя и патрубок 7 отвода теплоносителя. Теплообменные трубки 1 соединены соответствующими трубными муфтами 8, так что теплоноситель, протекающий через патрубок 6 подвода теплоносителя, выходит из патрубка 7 отвода теплоносителя, пройдя через теплообменные трубки 1 и трубные муфты 8. Преимущество указанного теплообменника по сравнению с теплообменником, содержащим ребра, заключается в том, что он обеспечивает достаточную площадь теплообмена при более простом способе изготовления. Однако длина пути потока газообразных продуктов сгорания, возникающих при горении, происходящем в горелке теплообменника, и проходящих через промежутки, имеющиеся между теплообменными трубками 1, в направлении, показанном стрелкой, относительно мала, в результате чего теплообменным трубкам 1 передается недостаточное количество теплоты. Кроме того, поскольку размер промежутков между теплообменными трубками 1 в домашних котлах составляет обычно от 1 до 2 мм, теплообменные трубки, расширяющиеся под действием давления теплоносителя в ходе работы котла, препятствуют прохождению потока газообразных продуктов сгорания, что приводит к снижению эффективности теплообмена. Раскрытие изобретения Задача изобретения Задача изобретения заключается в том, чтобы предложить теплообменник, в котором эффективность теплообмена повышена за счет увеличения длины пути потока газообразных продуктов сгорания через теплообменные трубки и создания турбулентного потока газообразных продуктов сгорания. Дополнительная задача изобретения состоит в том, чтобы предложить теплообменник, в котором теплообменные трубки, расширяющиеся под действием давления протекающего по ним теплоносителя, не препятствуют прохождению потока газообразных продуктов сгорания. Кроме того, задача изобретения заключается в том, чтобы предложить теплообменник, в котором величина промежутков между теплообменными трубками, через которые проходят газообразные продукты сгорания, одинаковы. Теплообменник, предложенный в соответствии с одним из вариантов изобретения, содержит теплообменные трубки, по которым протекает теплоноситель, причем концы трубок открыты и имеют в поперечном сечении форму плоской трубы; первую крепежную панель и вторую крепежную панель, в каждой из которых выполнены отверстия для установки трубок, распределенные в продольном направлении указанной панели с заданным интервалом, причем оба конца теплообменных трубок вставлены в соответствующие отверстия для установки трубок; первую крышку параллельных каналов, закрепленную на первой крепежной панели, и вторую крышку параллельных каналов, закрепленную на второй крепежной панели, причем указанные крышки закрывают теплообменные трубки с обоих концов, формируя, тем самым, параллельные каналы; патрубок подвода теплоносителя, соединенный с первой крышкой параллельных каналов; и патрубок отвода теплоносителя, соединенный с первой крышкой параллельных каналов или со второй крышкой параллельных каналов; в котором поперечное сечение теплообменных трубок характеризуется наличием выступов и углублений, чередующихся в направлении ширины теплообменной трубки с тем, чтобы увеличить длину пути потока газообразных продуктов сгорания, проходящих между теплообменными трубками; несколько теплообменных трубок, у каждой из которых концы имеют в поперечном сечении форму сплющенной трубы и внутри каждой из которых проходит теплоноситель; первую крепежную панель и вторую крепежную панель, в каждой из которых имеются отверстия для трубок, расположенные с предварительно заданным интервалом вдоль панели, так что каждый из концов каждой теплообменной трубки вставлен в соответствующее отверстие для трубки; первую крышку и вторую крышку, закрепленные соответственно на первой крепежной панели и на второй крепежной панели так, что закрывают теплообменные трубки с обоих концов и образуют тем самым параллельные каналы; патрубок подвода теплоносителя, присоединенный к первой крышке на одном из параллельных проходов; и патрубок отвода теплоносителя, присоединенный либо к первой крышке на одном из параллельных каналов, либо ко второй крышке на другом канале, причем поперечное сечение каждой из теплообменных трубок имеет выступы и углубления, чередующиеся по ширине теплообменной трубки, что позволяет увеличить путь потока газообразных продуктов сгорания, проходящих между теплообменными трубками. Теплообменные трубки имеют выступы, выступающие в направлении ширины указанных трубок и распределенные в направлении длины указанных трубок на расстоянии друг от друга, причем выступы соседних теплообменных трубок соприкасаются друг с другом. Поперечные сечения верхнего участка и нижнего участка теплообменной трубки имеют соответствующую друг другу форму в направлении толщины теплообменной трубки, причем поперечные сечения каналов для потока газообразных продуктов сгорания, образуемых соседними теплообменными трубками, имеют одинаковую форму. Первая крышка параллельных каналов и вторая крышка параллельных каналов изготовлены штамповкой и имеют куполообразные участки, закрывающие концы теплообменных трубок, и соединительные участки, расположенные между куполообразными участками, причем на указанных соединительных участках установлены вставные пластины, проходящие между теплообменными трубками, причем форма указанных пластин аналогична форме поперечного сечения теплообменных трубок, так что форма каналов для потока газообразных продуктов сгорания и величина промежутков, через которые проходит указанный поток, сохраняется постоянной. Теплообменные трубки изготовлены штамповкой и гибкой с последующей сваркой соединяемых участков. Технический результат, обеспечиваемый изобретением Предложенный в соответствии с изобретением теплообменник позволяет повысить эффективность теплообмена за счет увеличения пути потока газообразных продуктов сгорания, проходящих между теплообменными трубками. Кроме того, предложенный теплообменник позволяет предотвратить явление,при котором теплообменные трубки, расширяющиеся под действием давления теплоносителя, препятствуют прохождению потоков газообразных продуктов сгорания. Также предложенное изобретение позволяет сохранить одинаковую величину промежутков между всеми теплообменными трубками, через которые проходят газообразные продукты сгорания. Краткое описание чертежей На фиг. 1 показан прямоугольный теплообменник известной конструкции. На фиг. 2 в аксонометрии показан теплообменник в соответствии с одним из вариантов предложенного изобретения. На фиг. 3 схематически показано поперечное сечение теплообменника в соответствии с одним из вариантов изобретения. На фиг. 4 показано поперечное сечение, в котором несколько теплообменных трубок, выполненных в соответствии с вариантом предложенного изобретения, расположены друг над другом. На фиг. 5 показана теплообменная трубка в соответствии с вариантом предложенного изобретения. На фиг. 6 показана первая крепежная панель в соответствии с вариантом предложенного изобретения. На фиг. 7 показана первая крышка параллельных каналов в соответствии с вариантом изобретения. На фиг. 8 показана вставная пластина, вставляемая между теплообменными трубками, в соответствии с вариантом предложенного изобретения. Номера позиций, используемые для обозначения основных элементов: 10 - теплообменная трубка,11 - выступ,-2 019912 12 - углубление,13 - выступ,21 - первая крепежная панель,21 а - отверстие для трубки,22 - вторая крепежная панель,31 - первая крышка параллельных каналов,32 - вторая крышка параллельных каналов,31 а, 32 а - куполообразный участок,31b, 32b - соединительный участок,41 - патрубок подвода теплоносителя,42 - патрубок отвода теплоносителя,50 - вставная пластина. Осуществление изобретения Ниже конструкция и принцип действия предложенного устройства будут описаны более подробно на примерах его осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи. Следует отметить, что одинаковые элементы обозначены на чертежах, по существу, одинаковыми номерами позиций. На фиг. 2 в аксонометрии показан теплообменник в соответствии с вариантом настоящего изобретения, а на фиг. 3 показано поперечное сечение указанного теплообменника. Теплообменник 100 содержит теплообменные трубки 10, первую крепежную панель 21, вторую крепежную панель 22, первую крышку 31 параллельных каналов, вторую крышку 32 параллельных каналов, патрубок 41 подвода теплоносителя и патрубок 42 отвода теплоносителя. Теплообменная трубка 10, по которой течет теплоноситель, имеет в поперечном сечении форму плоской трубы, при этом концы указанной трубки открыты. Теплообменные трубки 10 расположены друг над другом в продольном направлении. Как показано на фиг. 6, в первой крепежной панели 21 и второй крепежной панели 22 имеются отверстия 21 а для трубок, расположенные по длине указанных панелей на одинаковом расстоянии друг от друга. Оба конца каждой теплообменной трубки 10 вставлены в указанные отверстия для трубок. Первая крышка 31 параллельных каналов и вторая крышка 32 параллельных каналов закреплены соответственно на первой крепежной панели 21 и второй крепежной панели 22, закрывая оба открытых конца теплообменных трубок 10 и формируя, тем самым, параллельные каналы для прохождения теплоносителя. Нижний участок первой крышки 31 параллельных каналов соединен с патрубком 41 подвода теплоносителя, а ее верхний участок соединен с патрубком 42 отвода теплоносителя. В соответствии с менее предпочтительным вариантом патрубок 41 подвода теплоносителя может быть соединен с нижним участком первой крышки 31 параллельных каналов, а патрубок 42 отвода теплоносителя - с верхним участком второй крышки 32 параллельных каналов. Ниже со ссылкой на фиг. 3 описан путь потока теплоносителя, протекающего по теплообменнику 100. Теплоноситель поступает внутрь теплообменника через патрубок 41, имеющийся в нижней части теплообменника 100, и течет вправо по двум теплообменным трубкам 10. Дойдя до правого конца теплообменной трубки 10, теплоноситель течет влево, проходя через правые концы двух других теплообменных трубок 10, расположенных друг над другом и над двумя упомянутыми теплообменными трубками 10. Правые концы четырех теплообменных трубок 10 закрыты куполообразным участком 32 а второй крышки 32 параллельных каналов. Поступив в левую часть теплообменника, теплоноситель течет вправо по двум другим теплообменным трубкам 10, пройдя через куполообразный участок 31 а первой крышки 31 параллельных каналов. Пройдя через теплообменные трубки 10 по такому зигзагообразному пути, теплоноситель выходит из патрубка 42 отвода теплоносителя, соединенного с верхним участком первой крышки 31 параллельных каналов. При протекании через теплообменные трубки 10 теплоноситель участвует в теплообмене с газообразными продуктами сгорания, образующимися при горении горелки. На рассматриваемом чертеже газообразные продукты сгорания передают теплоту теплоносителю при прохождении между теплообменными трубками 10 в направлении, перпендикулярном к плоскости чертежа от наблюдателя или к наблюдателю. На фиг. 4 показано поперечное сечение, на котором теплообменные трубки 10 расположены друг над другом, а на фиг. 5 показана одна из теплообменных трубок 10. Как показано на фиг. 5, в соответствии с рассматриваемым вариантом изобретения за направлениеw ширины теплообменной трубки 10 принимается направление, в котором газообразные продукты сгорания проходят между теплообменными трубками, за направление t толщины принимается направление,отражающее толщину теплообменной трубки 10 с поперечным сечением в форме плоской трубы, а за продольное направление I принимается направление, отражающее полную длину теплообменной трубки 10. Поперечное сечение теплообменной трубки 10 характеризуется наличием выступов 11 и углублений 12, чередующихся в направлении w ширины теплообменной трубки 10, что позволяет увеличить длину пути потока газообразных продуктов сгорания, проходящих между теплообменными трубками. Кроме того, форма поперечного сечения верхнего участка теплообменной трубки 10 соответствует форме поперечного сечения нижнего участка в направлении t толщины. Иначе говоря, там, где верхний участок имеет выступ в направлении t толщины теплообменной трубки 10, нижний участок имеет углубление. Таким образом, поперечное сечение канала, по которому проходят газообразные продукты сгорания,образованного двумя соседними теплообменными трубками 10, представляет собой множество участковS-образной формы и форма этих участков, по существу, одинакова на всем протяжении теплообменных трубок. При такой конструкции теплообменника увеличивается длина пути потока газообразных продуктов сгорания и площадь теплообмена теплообменных трубок 10, что позволяет передавать теплоносителю,протекающему в теплообменных трубках 10, достаточное количество теплоты газообразных продуктов сгорания. Кроме того, поскольку канал для прохода газообразных продуктов сгорания имеет S-образную форму, поток газообразных продуктов становится турбулентным. Поэтому газообразные продукты сгорания протекают по каналам более длительное время, и, соответственно, их теплота хорошо передается теплоносителю через теплообменные трубки 10, т.е. эффективность теплообмена повышается. Теплообменную трубку 10 предпочтительно изготавливают путем штамповки металлического листа, придавая нужную форму в направлении толщины t верхнему участку и нижнему участку, сгибания среднего участка и сваривания соединяемых участков. За счет упрощения процесса изготовления снижается стоимость изготовления теплообменной трубки 10. В то же время в ходе работы котла и протекания теплоносителя по теплообменным трубкам 10 толщина этих трубок может увеличиваться под действием давления теплоносителя. Обычно теплообменники, устанавливаемые в домашних котлах, имеют небольшой размер, и промежуток между теплообменными трубками 10 в таких теплообменниках составляет приблизительно 1-2 мм. При расширении теплообменной трубки 10 указанная трубка препятствует прохождению газообразных продуктов сгорания через указанные малые промежутки, что влечет за собой уменьшение эффективности теплообмена. За счет того что теплообменная трубка 10 имеет чередующиеся выступы 11 и углубления 12, сформированные в процессе ее изготовления путем штамповки, обеспечивается достаточная жесткость теплообменной трубки 10 и ее расширение под действием давления теплоносителя весьма невелико. Вместе с тем для более надежного предотвращения расширения трубки 10 под действием давления теплоносителя предпочтительно, чтобы теплообменные трубки имели множество выступов 13, проходящих с обеих сторон в направлении ширины трубок и разнесенных на заданные расстояния друг от друга в продольном направлении трубок. Когда теплообменные трубки 10 укладывают в продольном направлении, выступы 13 на смежных теплообменных трубках соприкасаются друг с другом и, таким образом, не дают расширяющимся теплообменным трубкам 10 преграждать поток газообразных продуктов сгорания. Выступы 13 расположены по длине теплообменной трубки 10 на некотором расстоянии друг от друга. Таким образом, они расположены параллельно каналу, по которому протекают газообразные продукты сгорания, т.е. выступы 13, по существу, не преграждают канал для газообразных продуктов сгорания, а делят его на несколько отсеков, при этом теплота газообразных продуктов сгорания хорошо передается теплообменным трубкам 10. Кроме того, теплоноситель, протекающий по теплообменным трубкам 10, при прохождении выступов 13 создает турбулентный поток, так что теплоноситель может дополнительно получать теплоту от газообразных продуктов сгорания, и полная эффективность теплообмена,таким образом, возрастает. На фиг. 6 показана первая крепежная панель 21 в соответствии с вариантом настоящего изобретения. Вторая крепежная панель 22 имеет ту же форму, что и первая крепежная панель 21. В первой крепежной панели 21 выполнены отверстия 21 а, расположенные с одинаковыми интервалами и предназначенные для установки концов теплообменных трубок 10. На первой крепежной панели 21 закреплена, например, высокотемпературной пайкой первая крышка 31 параллельных каналов. На фиг. 7 показана первая крышка 31 параллельных каналов в соответствии с вариантом осуществления изобретения, а на фиг. 8 показана вставная пластина 50, вставляемая между теплообменными трубками 10 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Форма второй крышки 32 параллельных каналов, по существу, аналогична форме первой крышки 31 параллельных каналов, за исключением отверстий для подсоединения патрубка 41 подвода теплоносителя и патрубка 42 отвода теплоносителя. Первая крышка 31 параллельных каналов имеет несколько куполообразных участков 31 а, которые закрывают концы теплообменных трубок 10, и соединительных участков 32b, расположенных между куполообразными участками. Крышку параллельных каналов описанной формы обычно изготавливают штамповкой. Как описано выше, промежутки между теплообменными трубками 10 в котле составляют приблизительно 1-2 мм, при этом очень сложно изготавливать штамповкой куполообразные участки с промежутками 1-2 мм (т.е. очень сложно изготовить первую крышку 31 параллельных каналов штамповкой так, чтобы соединительные участки 31b имели длину 1-2 мм). В общем случае минимальная длина соединительных участков 32b, которые могут быть получены штамповкой, составляет приблизительно 45 мм. При формировании пути теплообмена посредством установки крышки параллельных каналов промежутки между теплообменными трубками 10, граничащими с соединительными участками крышки,будут составлять 4-5 мм, тогда как промежутки между другими теплообменными трубками 10 будут равны 1-2 мм, т.е. промежутки между теплообменными трубками 10 будут не одинаковы. Расстояние между теплообменными трубками 10, расположенными вблизи куполообразного участка 31, составит 1-2 мм, тогда как расстояние между теплообменными трубками 10, смежными с соединительным участком, составит 4-5 мм. В этом случае большая часть газообразных продуктов сгорания будет проходить между теплообменными трубками 10, расположенными на расстоянии 4-5 мм друг от друга, создавая неравномерное прохождение газообразных продуктов сгорания между теплообменными трубками 10 и,таким образом, снижая эффективность теплообмена. Для устранения вышеуказанной проблемы между теплообменными трубками на соединительных участках 31b первой крышки параллельных каналов устанавливают вставные пластины 50, форма поперечного сечения которых аналогична форме поперечного сечения теплообменной трубки 10, показанной на фиг. 4. Вставные пластины 50 устанавливают также на соединительных участках 32b второй крышки 32 параллельных каналов, которые чередуются с расположенными напротив соединительными участками первой крышки 31 параллельных каналов. Таким образом, как показано на фиг. 3, на каждые две теплообменные трубки приходится одна вставная пластина 50. Благодаря этому удается получить одинаковые промежутки между теплообменными трубками 10, равные приблизительно 1-2 мм, независимо от расположения трубок по отношению к соединительным участкам 31b, в результате чего поток газообразных продуктов сгорания может равномерно протекать через все теплообменные трубки 10, что повышает эффективность теплообмена. Таким образом, благодаря тому, что поперечное сечение теплообменных трубок 10 в рассматриваемом варианте изобретения характеризуется наличием выступов 11 и углублений 12, чередующихся по ширине трубок, газообразные продукты сгорания могут создавать турбулентный поток, что увеличивает длину пути потока, проходящего снаружи теплообменных трубок, и приводит к повышению эффективности теплообмена. Кроме того, каждая из теплообменных трубок 10 имеет выступы 13, расположенные на некотором расстоянии друг от друга в продольном направлении I, причем выступы 13 смежных теплообменных трубок соприкасаются друг с другом, что позволяет эффективно предотвращать расширение теплообменных трубок под действием давления проходящего по ним теплоносителя, которое может препятствовать потоку газообразных продуктов сгорания. Помимо этого, благодаря тому, что в местах, соответствующих соединительным участкам 31b крышек параллельных каналов, вставлены вставные пластины 50, форма которых сходна с формой поперечного сечения теплообменных трубок 10, размер промежутков между всеми теплообменными трубками 10 одинаков, что повышает эффективность теплообмена. Настоящее изобретение не ограничено описанными вариантами осуществления, при этом для специалиста очевидно, что возможны различные модификации и изменения указанных вариантов, не выходящие за рамки сущности и объема настоящего изобретения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Теплообменник, содержащий теплообменные трубки, по которым протекает теплоноситель, причем концы трубок открыты и имеют в поперечном сечении форму плоской трубы; первую крепежную панель и вторую крепежную панель, в каждой из которых выполнены отверстия для установки трубок, распределенные в продольном направлении указанной панели с заданным интервалом, причем оба конца теплообменных трубок вставлены в соответствующие отверстия для установки трубок; первую крышку параллельных каналов, закрепленную на первой крепежной панели, и вторую крышку параллельных каналов, закрепленную на второй крепежной панели, причем указанные крышки закрывают теплообменные трубки с обоих концов, формируя, тем самым, параллельные каналы; патрубок подвода теплоносителя, соединенный с первой крышкой параллельных каналов; и патрубок отвода теплоносителя, соединенный с первой крышкой параллельных каналов или со второй крышкой параллельных каналов,при этом форма теплообменных трубок такова, что их поперечное сечение содержит выступы и углубления, чередующиеся в направлении ширины теплообменной трубки, с тем, чтобы увеличить длину пути потока газообразных продуктов сгорания, проходящих между теплообменными трубками. 2. Теплообменник по п.1, в котором теплообменные трубки имеют выступы, выступающие в направлении ширины указанных трубок и распределенные в направлении длины указанных трубок на расстоянии друг от друга, причем выступы соседних теплообменных трубок соприкасаются друг с другом. 3. Теплообменник по п.1, в котором поперечные сечения верхнего и нижнего участков теплообменной трубки имеют соответствующую друг другу форму в направлении толщины теплообменной трубки,-5 019912 причем поперечные сечения каналов для потока газообразных продуктов сгорания, образуемых соседними теплообменными трубками, имеют одинаковую форму. 4. Теплообменник по п.3, в котором первая и вторая крышки параллельных каналов изготовлены штамповкой и имеют куполообразные участки, закрывающие концы теплообменных трубок, и соединительные участки, расположенные между куполообразными участками, причем на указанных соединительных участках установлены вставные пластины, проходящие между теплообменными трубками, причем форма указанных пластин аналогична форме поперечного сечения теплообменных трубок, так что форма каналов для потока газообразных продуктов сгорания и величина промежутков, через которые проходит указанный поток, сохраняются постоянными. 5. Теплообменник по любому из пп.1-4, в котором теплообменные трубки изготовлены штамповкой и гибкой с последующей сваркой соединяемых участков.