RU156162U1 - Печь с циклотермическим обогревом - Google Patents

Abstract

Для улучшения передачи тепла от теплой текучей среды внутри трубы (333) теплообменника, расположенной в печи с циклотермическим обогревом и содержащей продолговатую трубу со стенкой с внешней поверхностью и внутренней поверхностью, внутренняя поверхность снабжена по меньшей мере одной проходящей в продольном направлении внутренней стенкой (363′, 363″), которая проходит от одной стороны внутренней поверхности по направлению к другой стороне внутренней поверхности.

Фиг. 3

Description

Область полезной модели

Настоящая полезная модель относится к печи с циклотермическим обогревом, содержащей множество труб теплообменника.

Предпосылки создания полезной модели

Горячий воздух для приготовления пищи в духовках можно получать путем сжигания топлива в горелке и передачи тепла в отходящих газах через трубчатый теплообменник с перекрестным током воздуху для тепловой обработки без загрязнения воздуха для тепловой обработки отходящими газами. Нагретый воздух для тепловой обработки передается в варочную камеру печи. В традиционных духовках используют S-образные трубопроводы, расположенные внутри камеры нагрева, для передачи горячего отходящего воздуха из горелки в вытяжную трубу, по существу с горизонтальной нижней секцией S-образной системы, соединенной с выходным отверстием горелки, при этом по существу горизонтальная промежуточная секция S-образной системы содержит трубки теплообменника для нагревания воздуха для тепловой обработки, и по существу горизонтальная верхняя секция соединена с вытяжной трубой. Трубки теплообменника обычно представлены в форме труб с круглым поперечным сечением или прямоугольным поперечным сечением с закругленными короткими сторонами, и выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопередачи. Отходящие газы проходят по внутренней стороне (известной как "горячая сторона") теплопередающих труб теплообменника и воздух для тепловой обработки нагнетается для протекания по внешней стороне труб (известной как "холодная сторона" теплообменника) в направлении, по существу перпендикулярном потоку по внутренней стороне труб. Обычно воздух для тепловой обработки входит в камеру нагрева в нижней части камеры, где отходящий газ имеет наиболее низкую температуру и циркулирует за пределами труб теплообменника и вытяжной трубы горелки, где температура является самой высокой перед подачей в варочную камеру печи. Этот поток воздуха направляется с помощью вентилятора. Количество тепла, переданного от отходящих газов воздуху для тепловой обработки, зависит от площади поверхностей теплообменника, находящихся в контакте с отходящими газами и воздухом для тепловой обработки, коэффициента теплопередачи теплообменника (который зависит, среди прочего, от используемых материалов и их свойств поверхности, и воздушного потока внутри теплообменника и вокруг него) и разницы температуры между стенками теплообменника. Хотя традиционные теплообменники являются относительно компактными и имеют хорошую эффективность, они продолжают занимать много пространства и являются главным фактором при определении опорной поверхности духовки. Было бы желательным улучшить эффективность традиционных теплообменников. Это приведет к преимуществам, заключающимся в том, что есть возможность изготавливать духовки с меньшей опорной поверхностью и/или сниженными затратами на производство, тогда как увеличенная эффективность приведет к меньшему требуемому количеству топлива для нагревания того же количества воздуха для тепловой обработки. Традиционные способы увеличения теплового потока от отходящих газов к воздуху для тепловой обработки в теплообменнике включают изменение форм труб теплообменника для увеличения площади поверхности, подвергающейся воздействию воздуха для тепловой обработки, или добавление большего количества труб. Такие меры могут ненамного увеличить эффективность, но за счет увеличенного трения воздуха на холодной стороне, что требует использования большего вентилятора и повышенных затрат на производство.

В документе GB-2424265 представлены трубы теплообменника с неотделимыми ребрами. В предыдущем уровне техники упоминается, что общеизвестным фактом является обеспечение резервуара, через который нагретая текучая среда протекает с максимально возможной площадью поверхности для максимального увеличения передачи тепла. Внутренняя часть трубчатой основной части, как правило, разделена на множество продольных проходов, при этом разделяющие стенки между проходами служат как для укрепления трубчатой основной части, так и для увеличения площади поверхности, через которую может проходить передача тепла к текучей среде, проходящей через проходы, или от нее.

В документе US-2003/209344 представлен теплообменник, содержащий трубы, в котором каждая из труб содержит проход, разделенный множеством меньших проходов. Каждый из меньших проходов имеет, как правило, прямоугольную форму (упомянуты другие геометрические формы) и имеет ребристую поверхность внутренней стенки.

В документах DE-102005020727 и EP-0359358D3 также представлены теплообменники, оснащенные трубами, имеющими два или несколько каналов.

Однако никакой из документов предыдущего уровня техники не включает любые трубы теплообменника, конкретно приспособленные для применения в печах с циклотермическим обогревом.

Краткое описание полезной модели

Настоящая полезная модель решает проблему того, как улучшить эффективность трубчатого теплообменника в печи с циклотермическим обогревом без увеличения трения воздуха о внешнюю сторону труб теплообменника при помощи трубы теплообменника, имеющей признаки по пункту 1 формулы полезной модели.

Таким образом, настоящая полезная модель относится к печи с циклотермическим обогревом, оснащенной трубчатым теплообменником с перекрестным током, содержащим по меньшей мере два ряда из нескольких труб теплообменника. Трубы теплообменника в каждом ряду расположены по существу в горизонтальной плоскости, и при этом трубы теплообменника в одном ряду находятся в предварительно определенной взаимосвязи по отношению к трубам теплообменника в смежном ряду. Каждая труба теплообменника содержит продолговатую трубу со стенкой трубы, и внутренняя часть продолговатой трубы снабжена по меньшей мере одной проходящей в продольном направлении внутренней стенкой, которая проходит от одной стороны внутренней поверхности продолговатой трубы по направлению к другой стороне внутренней поверхности.

Предпочтительно предварительно определенная взаимосвязь заключается в том, что трубы в смежных рядах вертикально выровнены или трубы в смежных рядах вертикально смещены.

Преимущественно ряды труб теплообменника расположены в промежуточной секции трубчатого теплообменника с перекрестным током.

Предпочтительные варианты осуществления изложены в приложенной формуле полезной модели.

Печь с циклотермическим обогревом согласно настоящей полезной модели доказала свою пригодность в улучшении эффективности по отношению к применяемым традиционным теплообменникам. Благодаря этому стало возможным изготавливать духовки с меньшей опорной поверхностью и/или сниженными затратами на производство, поскольку увеличенная эффективность привела к тому, что требуется меньшее количество топлива для нагревания того же количества воздуха для тепловой обработки.

Духовка имеет особые требования, заключающиеся в том, что внешняя сторона (где проходит воздух для выпекания) выполнена с турбулентным потоком, с высокими способностями теплопередачи. Так как внутренняя сторона характеризуется значительным более низким потоком воздушной массы (приблизительно, одна десятая), большая внутренняя поверхность улучшает эффективность путем повышения теплового потока. Поэтому увеличение поверхности на внешней части не улучшает эффективность; скорее, оно увеличивает опорную поверхность и затраты.

Поскольку разница (ΔT) температур между отходящим газом и воздухом для выпекания уменьшается, требуется большая поверхность. Когда ΔТ является высокой, требуется меньшая площадь поверхности; высокая температура повышает тепловой поток на нагревательном элементе. Однако более высокая ΔT будет повышать температуру на поверхности, вследствие чего придется применять более исключительные материалы, такие как жаростойкая сталь. Настоящая полезная модель обеспечивает оптимизацию площади внутренней поверхности таким образом, что температура на другой поверхности совпадает с оптимальным диапазоном для применяемых материалов.

В одном варианте осуществления полезной модели площадь внутренней поверхности труб теплообменника уменьшается в конкретных местах. Например, рядом с горелкой для снижения теплового потока и температуры внешней поверхности. Эта конструктивная особенность улучшает контроль температуры и регулирует температуру до оптимального диапазона.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 схематически показан упрощенный вид сбоку обычного трубчатого теплообменника с перекрестным током для духовки.

На фиг. 2 схематически показано поперечное сечение труб теплообменника по линии II-II согласно фиг. 1.

На фиг. 3 схематически показан упрощенный вид сбоку трубчатого теплообменника с перекрестным током для духовки, оснащенного трубами теплообменника, согласно первому варианту осуществления настоящей полезной модели.

На фиг. 4 схематически показано поперечное сечение труб теплообменника по линии IV-IV согласно фиг. 1.

На фиг. 5 схематически показано поперечное сечение, соответствующее поперечному сечению согласно фиг. 4, для второго варианта осуществления труб теплообменника согласно настоящей полезной модели.

На фиг. 6 схематически показано поперечное сечение, соответствующее поперечному сечению согласно фиг. 4, для третьего варианта осуществления труб теплообменника согласно настоящей полезной модели.

На фиг. 7 и 8 схематически показаны поперечные сечения двух рядов труб теплообменника согласно настоящей полезной модели.

На фиг. 9-11 показаны различные виды варианта осуществления трубы теплообменника.

Подробное описание полезной модели

На фиг. 1 схематически показан упрощенный вид сбоку духовки 1 с традиционным трубчатым теплообменником 3 с перекрестным током. Теплообменник находится внутри камеры 5 нагрева, в которой воздух для тепловой обработки, который следует нагреть, проходит из верхнего входного отверстия 7 мимо горячего теплообменника к выходному отверстию 9 возле основания узла. Скорость потока воздуха регулируется с помощью вентилятора 11. Горячие отходящие газы для нагревания воздуха для тепловой обработки образованы с помощью горелки 13, которая сжигает топливо, такое как газ или нефть. Отходящие газы проходят через газонепроницаемую систему 15 трубопроводов, которая проходит от горелки к вытяжной трубе 17. Система 15 трубопроводов выполнена в S-образной форме с тремя горизонтальными секциями и тремя вертикальными секциями. По существу горизонтальная нижняя секция 19 S-образной системы соединена на ее входном конце 21 с выходным отверстием 23 горелки и соединена на ее выходном конце 25 с входным отверстием 27 нижней вертикальной секции 28. Выходной конец 29 нижней вертикальной секции соединен с входными концами 31 нескольких труб 33 теплообменника, которые образуют по существу горизонтальную промежуточную секцию 35 S-образной системы. Эти трубки теплообменника передают тепловую энергию от отходящих газов внутри них к воздуху для тепловой обработки, проходящему мимо них. Выходные концы 37 теплопередающих труб соединены с входным концом 39 промежуточной вертикальной секции 41. Выходной конец 43 промежуточной вертикальной секции соединен с входным концом 45 верхней горизонтальной секции 47. Выходной конец 51 верхней горизонтальной секции соединен с нижним входным концом 53 вытяжной трубы 55, которая имеет открытый верхний конец, через который выходят охлажденные отходящие газы.

Как можно увидеть на фиг. 2, каждая труба 33 теплообменника имеет поперечное сечение в форме прямоугольника с закругленными концами, то есть поперечное сечение имеет две прямые и параллельные длинные стороны 57′ и 57″, разделенные расстоянием D, и соединенные парой выпуклых изогнутых концов 59′ и 59″ с диаметром изгиба D.

Тонкая стенка 61 трубы каждой трубы теплообменника выполнена из материала с хорошим коэффициентом теплопроводности и коррозионной стойкостью, например, из металла, такого как чистый или легированный алюминий, медь или железо.

На фиг. 3 схематически показан упрощенный вид сбоку духовки 301 типа, показанного на фиг. 1, но оснащенной трубчатым теплообменником 303 с перекрестным током с трубами 333 теплообменника в соответствии с первым вариантом осуществления настоящей полезной модели. Как можно увидеть на фиг. 4, трубы теплообменника имеют ту же внешнюю форму, что и традиционные трубы, то есть поперечное сечение с двумя прямыми и параллельными длинными сторонами 357′ и 357″, разделенными расстоянием D, и соединенными парой коротких концов 359′ и 359″. В этом варианте осуществления полезной модели короткие концы являются выпуклыми и имеют диаметр изгиба D. Тонкая стенка 361 трубы каждой трубы 333 теплообменника выполнена из материала с хорошим коэффициентом теплопроводности и коррозионной стойкостью, например, из металла, такого как чистый или легированный алюминий, медь или железо. Внутренние части этих труб теплообменника выполнены с одной или несколькими - в этом примере двумя - проходящими в продольном направлении внутренними стенками 363, 363″. Каждая внутренняя стенка проходит от одной длинной стороны 357′ к противоположной длинной стороне 357″ стенки 361 теплообменника, таким образом, разделяя трубу теплообменника на три продолговатых отделения 365′, 365″, 365″′, через которые проходят отходящие газы. Предпочтительно отделения являются закрытыми, то есть между отделениями не происходит поперечного потока отходящих газов, что увеличивает до максимума площадь поверхности их стенок, подверженных воздействию отходящего газа. Однако, в качестве альтернативы, можно просверлить одну или несколько внутренних стенок для индукции турбулентности в потоке. Внутренние стенки выполнены из материала с хорошим коэффициентом теплопроводности и коррозионной стойкостью, например, из металла, такого как чистый или легированный алюминий, медь или железо, и предпочтительно они выполнены из того же материала, что и тонкие стенки 361 труб теплообменника. Между внутренними стенками и внутренней поверхностью стенок трубы теплообменника, предпочтительно, предусмотрены соединения для обеспечения хорошей передачи тепла от внутренних стенок к стенке труб теплообменника. Предпочтительно внутренние стенки образованы как единое целое с внешними стенками, например, путем экструзии, или соединены вместе путем сварки или заклепывания с помощью пасты для передачи тепла между отделениями. Во время использования внутренние стенки нагреваются с помощью отходящего газа, проходящего в продолговатые отделения, и внутренние стенки передают это тепло путем проводимости к стенке трубы теплообменника. Таким образом, внутренние стенки находятся в контакте с отходящим газом в центре внутренней части труб теплообменника. В традиционных трубах теплообменника отходящий газ в центре внутренней части трубы теплообменника не находится в контакте со стенками труб теплообменника и он только сравнительно медленно теряет тепло. В настоящей полезной модели внутренние стенки извлекают тепловую энергию из отходящего газа и передают ее на внешние стенки, что позволяет быстрее извлекать тепло из отходящего газа, чем в традиционном трубчатом теплообменнике. Это позволяет трубчатому теплообменнику в соответствии с настоящей полезной моделью функционировать так же хорошо, как и больший традиционный трубчатый теплообменник.

На фиг. 5 показано поперечное сечение согласно второму варианту осуществления пары труб 533 теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью. В этом варианте осуществления внутренние части этих труб теплообменника выполнены с одной или несколькими - в этом примере четырьмя - проходящими в продольном направлении внутренними стенками 563′, 563″, 563″′, 563″″. Каждая внутренняя стенка проходит от одной длинной стороны 557′ по направлению к противоположной длинной стороне 557″, но не находится в контакте с ней. Она разделяет трубу теплообменника на три открытых (то есть ничего не препятствует проходу отходящего газа из одного отделения в другое отделение) продолговатых отделения 565′, 565″, 565″′, через которые проходят отходящие газы. Самые внутренние концы и/или подвергающиеся воздействию поверхности внутренних стенок могут быть шероховатыми или иметь определенную форму для индукции турбулентности для содействия передачи тепловой энергии от отходящего газа к внутренней стенке.

На фиг. 6 показано поперечное сечение согласно второму варианту осуществления трубы теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью. В этом варианте осуществления короткие стороны 659′, 659″ труб теплообменника являются прямыми и труба теплообменника имеет квадратное поперечное сечение. Внутренние части этих труб теплообменника выполнены с одной или несколькими - в этом примере тремя -проходящими в продольном направлении внутренними стенками 663′, 663″, 663″′. Каждая внутренняя стенка проходит от одной длинной стороны 657′ к противоположной длинной стороне 657″. Каждая внутренняя стенка соединена со своей соседней стенкой или стенками с помощью центральной стенки 669, расположенной параллельно длинным сторонам трубы теплообменника. Предпочтительно каждая центральная стенка 669 расположена на оси симметрии трубы теплообменника для обеспечения того, что отходящий газ, находящийся дальше всего от внешней стенки, имеет тепловую энергию, извлеченную из нее. Эти внутренние стенки разделяют трубу теплообменника на восемь закрытых продолговатых отделений, через которые проходят отходящие газы.

На фиг. 7 показано поперечное сечение по линии IV-IV на фиг. 3 горизонтальной промежуточной секции S-образной системы трубопроводов, где должен проходить отходящий газ. В этом варианте осуществления промежуточная секция содержит два по существу горизонтально расположенных ряда 734 из нескольких труб 733 теплообменника. Ряды труб теплообменника не обязательно следует располагать в промежуточной секции, но можно также в верхней или нижней секции теплообменника с перекрестным током. В этом изображенном варианте осуществления в каждом ряду представлено десять труб, но, конечно, можно использовать меньшее или большее количество труб. Каждая из этих труб может быть любой из труб теплообменника, описанных в настоящей заявке. В изображенном варианте осуществления каждая труба снабжена проходящими в продольном направлении стенками, образующими три отдельных канала внутри каждой трубы. На фигуре воздух для тепловой обработки изображен с помощью вертикальных стрелок.

На фиг. 8 показан вариант осуществления, подобный таковому на фиг. 7. В этом варианте осуществления два ряда 834 труб 833 теплообменника смещены по отношению друг к другу. Преимущество заключается в том, что воздух для тепловой обработки более подвержен воздействию тепла в отходящем потоке в нижнем ряду труб теплообменника.

На фиг. 9 и 10 показаны упрощенные изображения поперечных сечений предпочтительной трубы теплообменника, выполненной из двух идентичных согнутых частей металлической пластины.

На фиг. 9 показаны две части 931, 932 перед их объединением, предпочтительно, путем сварки или плавки, и на фиг. 10 показано поперечное сечение объединенной трубы 1033 теплообменника.

На фиг. 11 показан вид в перспективе, изображающий две согнутые части 931, 932 металлического листа перед их объединением в трубу теплообменника.

Труба теплообменника, изготовленная как показано на фиг. 9-11, доказала свою пригодность удовлетворять высокие требования низких затрат на производство и показала отличные способности к теплопередаче.

Во всех вариантах осуществления настоящей полезной модели самым внутренним концам и/или подвергающимся воздействию поверхностям проходящих в продольном направлении внутренних стенок можно придать шероховатость, просверлить или придать форму для индукции турбулентности для содействия передачи тепловой энергии от отходящего газа к внутренней стенке. Предпочтительно, внутренние стенки выполнены из материала с хорошим коэффициентом теплопроводности и коррозионной стойкостью, например, из металла, такого как чистый или легированный алюминий, медь или железо, и предпочтительно, они выполнены из того же материала, что и тонкие стенки 3 труб теплообменника. Между внутренними стенками и внутренней поверхностью стенок труб теплообменника предпочтительно предусмотрены соединения для обеспечения хорошей передачи тепла от внутренних стенок к стенке труб теплообменника. Предпочтительно, внутренние стенки образованы как единое целое с внешними стенками, например, путем экструзии, или соединены вместе путем сварки или заклепывания. В случае, когда трубы теплообменника изготавливают путем сборки множества компонентов, предпочтительным является использование пасты для передачи тепла между компонентами для обеспечения высокой теплопроводности между компонентами.

В соответствии с настоящей полезной моделью проходящие в продольном направлении внутренние стенки могут быть прямыми и выровненными относительно продольной оси трубы теплообменника или они могут быть изогнутыми, как канавки винта.

В одном варианте осуществления полезной модели площадь внутренней поверхности труб теплообменника уменьшается в конкретных местах, то есть вдоль продольного направления труб теплообменника. Этого можно достичь, например, путем увеличения высоты продольных внутренних стенок 563′, 563″, 563″′, 563″″ в продольном направлении труб. В одном преимущественном примере площадь внутренней поверхности труб теплообменника меньше рядом с горелкой, и затем увеличивается в направлении воздушного потока. Таким образом, тепловой поток уменьшается, как и температура внешней поверхности труб теплообменника. Эта особенность улучшает управление температурой и возможность отрегулировать температуру до оптимального диапазона.

Трубы теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью можно применять в способах обмена тепловой энергией от первой текучей среды ко второй текучей среде, в котором первая текучая среда находится при более высокой температуре, чем вторая текучая среда, и первая текучая среда проходит вдоль внутренней части трубы теплообменника в соответствии с настоящей полезной моделью и более холодная вторая текучая среда проходит снаружи указанной трубы теплообменника, или наоборот. Предпочтительно, текучая среда снаружи трубы теплообменника проходит поперек трубы теплообменника по существу перпендикулярно, как показано в вышеизложенном описании и на фигурах, или она проходит в обратном направлении или она проходит под углом, отличным от 90°, по направлению потока текучей среды внутри трубы теплообменника.

Хотя полезная модель изображена с трубами теплообменника приблизительно квадратных поперечных сечений с прямыми или закругленными короткими концами, можно обеспечить применение внутренних стенок согласно полезной модели с трубами любой практической формы поперечного сечения.

Полезная модель не ограничена примерами, приведенными выше, а может быть модифицирована в пределах объема прилагаемой формулы полезной модели.

Claims (12)

1. Печь с циклотермическим обогревом, оснащенная трубчатым теплообменником с перекрестным током, содержащим по меньшей мере два ряда (734, 834) из нескольких труб (333, 433, 533, 633, 733, 833) теплообменника, при этом теплообменник расположен внутри камеры (5) нагрева, в которой воздух для тепловой обработки, который следует нагреть, проходит мимо горячего теплообменника, горячие отходящие газы для нагревания воздуха для тепловой обработки образованы с помощью горелки, отходящие газы проходят через газонепроницаемую систему трубопроводов, содержащую указанные трубы теплообменника, которая проходит от горелки к вытяжной трубе, и при этом трубы теплообменника в каждом ряду расположены по существу в горизонтальной плоскости, и при этом трубы теплообменника в одном ряду находятся в предварительно определенной взаимосвязи по отношению к трубам теплообменника в смежном ряду, отличающаяся тем, что каждая труба теплообменника содержит продолговатую трубу (333) со стенкой (361) трубы, при этом внутренние части продолговатой трубы оснащены по меньшей мере одной проходящей в продольном направлении внутренней стенкой (363′, 363″), проходящей от одной стороны внутренней поверхности продолговатой трубы по направлению к другой стороне внутренней поверхности,

при этом во время применения внутренние стенки нагреваются с помощью отходящего газа, и внутренние стенки передают это тепло путем проводимости стенке трубы теплообменника.

2. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что указанная предварительно определенная взаимосвязь включает то, что трубы в смежных рядах вертикально выровнены.

3. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что указанная предварительно определенная взаимосвязь включает то, что трубы в смежных рядах вертикально смещены.

4. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что указанные ряды труб теплообменника расположены в промежуточной секции трубчатого теплообменника с перекрестным током.

5. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что указанная по меньшей мере одна внутренняя стенка проходит от одной стороны внутренней поверхности и соприкасается с другой стороной внутренней поверхности.

6. Печь по п. 5, отличающаяся тем, что каждая из указанной по меньшей мере одной внутренней стенки является твердой, и при этом труба разделена на проходящие в продольном направлении отделения (365′, 365″, 365″′), при этом указанная по меньшей мере одна внутренняя стенка (363′, 363″) предотвращает поперечный поток между указанными отделениями.

7. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что труба имеет поперечное сечение с двумя прямыми и параллельными длинными сторонами (57′, 57″), разделенными расстоянием D и соединенными парой выпуклых изогнутых концов (59′, 59″) с диаметром изгиба D.

8. Печь по п. 7, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна внутренняя стенка проходит от одной длинной стороны к другой длинной стороне.

9. Печь по п. 7, отличающаяся тем, что по меньшей мере одна внутренняя стенка проходит от одного изогнутого конца к другому изогнутому концу.

10. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что указанная труба выполнена из двух идентичных частей (931, 932) из металлического листа, при этом каждая часть согнута из одного продолговатого плоского металлического листа, а затем объединена с образованием трубы.

11. Печь по п. 1, отличающаяся тем, что площадь внутренней поверхности указанных труб теплообменника увеличивается вдоль продольного направления труб теплообменника в направлении воздушного потока в указанных трубах.

12. Печь по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что площадь внутренней поверхности труб теплообменника меньше рядом с горелкой, а затем увеличивается в направлении воздушного потока.

Images