烟道和热水加热器 【发明领域】
本发明涉及用于诸如燃气和燃油式空间、水加热器之类装置或其它利用废气来提供加热的器具的烟道，并涉及水加热器。发明背景
在水加热器的场合，烟道通常为金属筒，它们可以被上釉，并且里面可以设有热交换元件，诸如在1960年8月30日公开并颁发的美国专利2950740或1967年10月31日颁发和公开的美国专利3349754。
诸如水加热器之类的流体加热器具有设置在一待加热流体的容器内并从容器下端延伸到上端的烟道。该烟道具有一通道，供热废气从位于容器下方的燃烧室移动到位于容器上方的排气装置。
对烟道来说重要的是，提供一相对于烟道通路横截面积为较大的热传递表面。这将确保具有加大的传导表面积，从而能够将更多热量传递给待加热的流体。
现有技术的烟道的一个问题在于，在烟道长度上的不同点处往往容易产生热点。这可以是由翅片中的温度以及受到与翅片将热量传递至烟道壁并进而传递至待加热流体的能力相比为太多地热量所造成的。
热点的产生会使烟道流体侧的瓷釉破裂或碎裂，进而烟道受腐蚀，从而降低加热器的使用寿命。
上述类型的加热器是众所周知的，并在工业和家用场合广泛地用来加热水。由于效率的原因，较为重要的是，将燃烧所释放的热量的高比例热值传递给待加热的水。为此，过去也曾使用了不同类型的烟道设计和水容器设计，它们中有些相对来说效率也较高。
过去有一种证明为较为成功的结构是采用一内部烟道，也就是向上通过水容器中央的烟道。但是人们发现，采用这种类型的设计，从烟道顶部排出的气体仍然相对较热。当这样的气体被排入大气时，所损失的热量也可想而知。发明概要
按照本发明的一个方面，提供了一种适于将废气从一加热器的一端通到另一端的烟道，该烟道包括：
一中央内芯；
一围绕该中央内芯的、由导热材料制成的、基本呈圆筒形的细长外管，该外管的横截面成波纹结构而形成多个波纹，该外管具有一内表面和一外表面；
该内表面在外管的至少部分长度上与内芯相接触，该外表面与待由加热器加热的流体相接触；以及
波纹与内芯之间形成一或多个空气通道，在使用中供废气流过。
最好，内芯是实心或封闭的管状结构，使得在使用中废气受约束而向上通过空气通道。
最好，由所述波纹形成的所述通道所提供的传热表面积与烟道通路容积的比大于翅片式的烟道。
最好，所述波纹在烟道的至少部分长度上与烟道轴线轴向对齐。可供选择的方案是，波纹以一围绕内芯外侧的螺旋路线沿所述烟道的至少一部分长度延伸。
外管的内表面可以在外管与内芯之间的接触点处连接于内芯。
内芯可以是管状结构，它具有一由其中的一或多个挡板阻断的内部通道。内芯可以相应于外管上的波纹而变形，波纹嵌套入内芯的变形中。
可供选择的方案是，波纹是通过一种在内芯位于外管内适当位置的情况下进行的冷加工工序而形成于外管中的，该波纹的径向内部做成与内芯的外表面相接触。内芯本身可以在所述工序中变形而接纳波纹的所述径向内部。
最好，所述波纹在相邻波纹之间具有一与所述内芯接触的接触表面，所述接触表面提供成以下一或多种形式：一凹面、一凸面、一焊接面、一半径与所述内芯外表面相匹配的表面、一与所述内芯的外表面基本同心的表面。
最好，所述烟道具有一呈直立圆柱体形的顶端和底端。
最好，该烟道适于安装在一水加热器中。本发明还延伸到装有这里所限定的波纹式烟道的水加热器。
最好，所述波纹基本均匀地围绕内芯的圆周而分布。
最好，该波纹具有大于外管壁厚的振幅。
该波纹的横截面可呈正弦曲线状。
该波纹可具有一平行于烟道轴线的第一部分和一螺旋形结构的第二部分，该第二部分位于第一部分的下游。
最好，该波纹的径向内部通过一可防止波纹与内芯脱离接触的连接装置沿着内芯的一个与内芯在使用中通常处于起氧化皮温度下的长度相对应的长度而连接于内芯。
最好，所述连接装置是以下的一或多种：压花、焊接、点焊、真空焊接。
按照本发明的第二个方面，提供了一种水加热器，它包括：
一具有一内部烟道的水容器，该内部烟道从容器底部基本竖直地延伸通过该容器而到达容器部处的一烟道出口；
与容器底部相邻的用于施加热量的加热装置，该加热装置具有一燃烧器和一将废气从燃烧器引导通过烟道的风扇；
一围绕至少部分容器并与其隔开而在容器周围形成一基本呈环形的空间的外壳，所述环形空间与所述烟道出口流体相通；以及
一从所述环形空间排气的排气装置。
其结构制成使废气在通过排气装置排出加热器之前先通过内部烟道并通过环形空间。
最好，外壳面朝环形空间的至少部分表面上具有流动引导结构。这些流动引导结构可以是所述表面上的一系列凸纹或凸粒的形式。或者，所述流动引导结构可以是叶片、翅片、波纹的形式或其它的流体流动引导形状。流动引导结构的另一种方案是仅对外壳的内表面进行表面处理。可供选择的方案是，容器的外表面上同样可具有叶片、翅片或其它结构。
可以使至少部分外壳绝热，可以至少在形成所述环形空间的那部分上使外壳绝热。
容器和外壳最好均基本呈直立圆柱体形，环形空间最好在其至少部分长度上和围绕容器的整个圆周具有基本恒定的宽度。
本发明的上述和其它的特点将在对下面以实例形式提出的一个实施例进行描述后变得更为清楚。在描述中参照的是附图，但附图中所示的具体特征不应被认为是对发明范围的限制。附图简述
图1是本发明一实施例的烟道的正视图；
图2是图1所示烟道的俯视图；
图3表示图1和2的烟道设置在一强制通风水加热器；
图4是第二实施例的烟道的俯视图；
图5是第三实施例的烟道的俯视图；
图6是第四实施例的烟道的俯视图；
图7是第六实施例的烟道的正视图；
图7A是图7所示烟道的俯视图；
图8是第六实施例的烟道的正视图；
图8A是图8所示烟道的俯视图；
图9是第七实施例的烟道的正视图；
图10是第八实施例的烟道的正视图；
图11表示第九实施例的烟道的一个横剖面；
图12表示第十实施例的一个横剖面；以及
图13是本发明的一水加热器的侧剖视图。实施例的详细描述
图1和2中示出了一个烟道2，它具有一直立圆柱体形的顶端和底端，分别用标号4和6表示。延伸于端部4和6之间的是一中央区域7，其轮廓或形状制成形成多个波纹8，如图2的俯视图中所示，这些波纹大致呈围绕一内芯10的正弦线形。波纹8的波谷或径向内部12至少沿烟道的一部分长度而与内芯10相接触。
波纹8与内芯一起沿烟道形成一系列分离的通道9。图1和2中所示的通道9是直的，并与烟道的纵轴线对齐。
内芯10与波纹8相接触可确保内芯10所吸收的热量传递到波纹8的材料中，进而传递到在一加热器中围绕波纹8的流体。
内芯10包括一封闭管11。封闭管11的一端由一焊接于封闭管11末端的圆盘14封闭。下端16开放，因而废气可移入内管10的内部容积。一旦废气遇到圆盘14，其它任何试图进入的气体将改为沿线18所示路线进入由波纹8所形成的通道9。这样，便没有提供通过内芯10从烟道的下圆柱端6到其上圆柱端4的可相通的通道，从而可确保废气向上流过诸通道9。如上所述，内芯10有效地形成一挡板，从而沿一特殊的路线引导废气。
如图3中所示，通过将圆柱端4和6分别焊接于容器的端部24和26，从而可将烟道2安装在一水容器20内。容器端24和26通常称作正端，这是因为它们可为容器20提供额外的容积。在图3所示的容器20中，容器端26内具有一燃烧室28。该燃烧室28由灌入容器20的容积30的水围绕。
在图3所示的实施例中，废气通过圆柱端4排出烟道2，并进入一外部环形排气通道32，该排气通道沿路线34引导废气，使其流出烟道2，然后在容器20周围向下流，并从排气装置36流出。
图4中所示的是一带凹槽的烟道2A的俯视图，它类似于图2的烟道，只是波纹8A具有一与内芯10A的外表面或圆周同心的底部12A。表面12A可提供沿波纹8A的长度与内芯10A的表面接触。
图5中所示的是一带凹槽的烟道2B的俯视图。在该实施例中，带凹槽的烟道2B是这样的，即波纹8B的底部12B突入内芯10B的内部容积。这将提供一弧形的接触表面积，它与图4的烟道2A的表面积相比更大。
图6中所示的是一带凹槽的烟道2C，其中底部12C沿波纹的整个长度焊接于内芯10C。
图7中所示的是一类似于图1所示的带凹槽烟道2D，所不同的是，在带凹槽烟道2D的端部、也就是与圆盘14D相对的端部处，波纹8D通过它们的底部12D焊接于内芯10D(最好是由软钢或碳钢制成的管状结构)。焊接可以包括一系列沿底部12D的长度在一纵向线上隔开的点焊50。虽然这种点焊50可以沿烟道2D的长度整个地延伸，但它们在烟道2D的上游区域更为重要。如果没有点焊50，烟道2的该区域通常将经受起氧化皮的温度。
约在管状内芯10D的下部或上游的10％到20％的部分中，或在内芯10D的头100毫米到200毫米中，如果底部12D与内管10D分离，则可能会起氧化皮。如果底部12D和10D发生分离，则内芯10D将无法将其所吸收的热量消散或传递至位于外管11A外侧的水或其它介质。如果发生这种分离，在该上游区域中的内芯的温度将升到500℃以上，因而软钢或碳钢将开始气氧化皮。起氧化皮会因使材料产生膨胀而降低烟道2D的传热能力。这种膨胀可导致波纹所形成的一或多个通道堵塞或部分堵塞。起氧化皮的另一个问题在于金属氧化皮或颗粒的危险性，它们可能落到燃烧器上并堵塞其喷口而造成损坏，或造成一些其它的问题。
如果需要的话，点焊50可以用相同区域中的连续焊接来代替。或者，内芯10D与外管11D之间在底部12D处的连接可以由以下的任何一种或其组合来实现：真空焊接、压花、间歇焊接、点焊或连续焊接。
起氧化皮问题的另一种解决方案是形成一如图9所示的带凹槽烟道2E。这种烟道2E可通过用一陶瓷塞13E密封管状内芯10E的上游端而消除起氧化皮的可能性，该陶瓷塞占据管状内芯10E可能会起氧化皮的那段长度。陶瓷塞13E消除了如图1所示设置一下游端圆盘14的必要，因为内管10E在其下端或上游端已被陶瓷塞13E密封。
陶瓷塞13E可具有一锥形端15E，它呈圆锥形、锥体形、半球形或其它锥形的形状，从而对通过端部15E的废气的流动路线施加较小的阻力。
防止起氧化皮的另一种方案是用一段长度的不锈钢管来制造管状内芯10而形成可能会起氧化皮的那部分内芯10，内芯10的其余部分由内、外径相同的软钢管构成。可将软钢和不锈钢管焊接于一起而形成一单个连续的内芯，其长度上的任何位置均是封闭的。
选择用于该场合的不锈钢应该是耐温型的，诸如AISI310或AISI321或AISI430或AISI316。用这种方法制造的内芯10在软钢端部可用一软钢圆盘14密封，或在内管的不锈钢端部用一由不锈钢制成的类似圆盘密封。如果需要，不锈钢端部可具有锥形结构，其形状类似于图9的陶瓷塞13E的端部形状。
图8中所示的是一带凹槽的烟道2F，它具有开始于烟道2F的下游端并平行于内芯10的纵轴线的波纹8F。在沿烟道2F长度的某段距离中，波纹8F变成螺旋形，如标号17F所示。这样做的目的是让废气有更长的路线离开烟道2F，因而随着热量从废气中传递出来并且它们的温度降低，其余的热量可以通过较长的路线而从中排出，让传热过程有更长的时间。螺旋形波纹可以相对于内芯轴线以一固定的角度彼此平行，如图8中所示。
或者，波纹17F可以以一较小的螺旋角开始，该螺旋角随着波纹17F朝上游前进而逐渐增大。螺旋角的变化或增大速率可选择成与热量从废气中排出的速率互补，因而离开烟道2F的废气将有预定的温度，并可保持无逆流烟道的效率。
如图10中所示，烟道2J上仅有两个螺旋形波纹8J。这些波纹将具有相对较大的横截面积。由于仅有两个波纹2J，因而每个波纹制成沿一螺旋路线围绕内芯旋转两整圈。如果有更多的波纹，则可减少圈数或螺旋角。
为确保上述任何波纹的最大传热量，需要这样来构制波纹，即横截面积的尺寸制成使分隔波纹侧部或者波纹与内芯的最大距离不大于约12毫米。现已发现，如果这些尺寸大于12毫米，则由通过该尺寸的波纹的废气所产生的边界层效应会降低所组装的烟道的有效性。波纹的诸表面之间或波纹一个表面与内芯之间的最佳的最大距离为8毫米。
最好，在一个用来替代一现有技术的烟道、即四英寸或100毫米的烟道上，有2到8个波纹。但是，我们认为最有效的结构是具有约六个波纹，如图1到9所示。
这些实施例的一个优点在于，对于圆柱端4和6处约为100毫米的外部尺寸，烟道2能够与一可产生约100兆焦能量的燃烧器一起使用。使带凹槽的烟道2、2A、2B和2C以约80％的效率工作是指，约有80兆焦的热量将通过烟道而使与其相邻的水加热。而对于诸如在1960年8月40日公开和颁发的美国专利2950740中或1967年10月31日颁发和公开的美国专利3349754中所示的那种翅片式烟道之类的常规烟道，这种构造的一个典型的4英寸直径烟道所能通过的最大能量约只有45兆焦。
如果需要使更多热量通过诸如在上述美国专利中所揭示的那些软钢上釉烟道，这些多加出来的能量通常会导致这些烟道上的瓷釉因翅片连接点处所产生的热点而发生破裂。可以设想，本文所描述的波纹式烟道受该问题困扰的程度要较小。
本发明的另一个优点在于，仅有带凹槽烟道2和2A到2J的外表面需要上釉。这是因为，通过使烟道以约80％的效率工作，就不会有在烟道内发生冷凝的危险，否则，冷凝的发生会腐蚀装置，或可能产生水滴，水滴落在热表面上而产生蒸汽，蒸汽的存在进而会堵塞烟道。
烟道2和2A到2J的另一个优点在于，由于增大了波纹的表面积，在烟道上基本不会有热点形成。这之所以是一个优点，是因为热点通常是瓷釉破裂的原因，一旦瓷釉破裂，在烟道的水侧上很快会产生腐蚀和其它的劣化。
烟道2和2A到2J的另一个优点在于，由于其形状和构造，与圆形烟道、甚至是那些带翅片内表面的烟道相比，诸如此类的烟道可以在一高得多的传热速度下工作。这意味着实施本发明的、具有上述烟道的水加热器的总高度得以减小，因而所需的制造材料也就较少。
另一个优点在于，可使水加热器具有较小的储存容积，因此，水加热器将具有更迅速的恢复时间而使水回升到所需的水温。
图3中所示的水加热器是一种全冷凝类型的。然而，实施本发明的上述烟道可以用于非冷凝风扇或强制通风水加热器中，并可通过该烟道提供这样的优点(只要诸波纹彼此相隔足够远)，即水加热器不会有待机损失。这是因为，自然通风或对流因波纹所施加的阻力而不会通过波纹。当波纹至少部分地具有围绕内管的螺旋路线时，这种作用更为显著。
图11和12中所示的是另两个烟道2K和2L的横截面。烟道2K和2L由一第一板70制成，该第一板延伸入和延伸出图纸页面，从而提供一段长度的烟道。端部可具有一过渡片，以提供一圆柱端，用于将烟道2K和2L连接于一水容器的端部。
烟道2K具有一呈波纹状并覆置于板70上的第二板72，从而提供三个平行的通道71、73和75。烟道2L的构造类似，但它具有一第三板74，该第三板同样覆置于板70，只是所覆置的表面是在设置板72的另一侧。第三板74呈波纹状，并在其本身与第一板70之间形成另三个平行的纵向延伸通道77、79和81。通道71和77如同通道73和77以及通道75和81一样，也处于背对背的位置。
与翅片式烟道相比，本发明的这些实施例所产生的烟道的传热表面与烟道通路容积之比较高，因而传热能力高于翅片式烟道。这不是因为热传导表面积增大了，而是因为提供了较小的通道(与它所提供的传热表面积相比)，导致通过通道的废气的对流速度增大。对流速度的增大是因风扇或鼓风机所提供的诱发或强制通风、由通过通道的废气速度的增大而产生的。将废气仅引导通过由波纹所形成的通道，可提供一定量的传热表面积，从而最大限度地利用快速流动的废气和从中尽可能多地吸取热量。
下面翻到图13，热加热器100包括一容器112，该容器具有一大致为圆筒形的侧壁114、一底部116和顶部118。容器112最好由软钢制成，其内、外面均上釉。如果需要，位于外面的瓷釉可以由环氧涂层代替。
一个内部烟道120从底部116延伸到顶部118，并在容器的顶部处终止于一烟道出口122中。较佳实施例中的烟道120由耐腐蚀材料制成，并可以是上述方式的波纹结构。烟道120由一对同轴彼此嵌套的管状件形成，外部管状件为波纹结构，形成由标号124表示的波纹。如以上已经描述的，这种波纹结构可以为容器的内部加热表面提供优良的热交换特性。该容器具有一水入口126，供将冷水引入容器，并具有一设置在容器顶部附近的水出口128，供热水从容器排出。
容器112围绕有一外壳130，外壳130由一绝热材料构成。外壳130与容器的顶部118和侧壁114隔开，使外壳130的内表面与容器112的外表面之间形成一个空间132。空间132大致呈环形结构，它形成一供废气流出烟道出口122的流动通道。
该水加热器具有一燃烧器134，该燃烧器通过一供气装置136和输气管道38供以燃气。风扇140迫使燃烧后的气体朝烟道出口122向上通过烟道120，因而气体通过烟道的流动在某种程度上说是强制流动。
从烟道出口122流出的气体沿箭头42方向朝一设置在环形空间132最下点的排气出口144流动。这样，加热的气体在其向上通过烟道120的过程中与容器112相接触，并在加热气体朝排气出口144向下通过环形空间132时再次与容器相接触。这就确保了在气体从排气出口144排出之前气体中大比率的可用热量已被传导至容器112，从而确保相对高效地加热容器内所含的水。
我们发现，水加热器的性能可通过在外壳的内表面上、也就是在面朝环形空间132的表面上形成流动引导结构而得以提高。流动引导结构尤其具有使所通过的废气的边界层破裂的效果。在该例中，这些流动引导结构采用凸纹或凸粒的形式。这些凸纹或凸粒的效果在于，向下通过环形空间的气体层流在某种程度上受凸粒的干扰，因而确保加热的气体与容器外表面保持接触，使热量从气体传递到容器。如前面所提到的，在容器的外表面上还提供某种形式的流动引导结构以帮助热量从气体传递到容器，这同样也会是有利的。
排气出口在外壳130中的位置、即在外壳130顶部以下与其相隔的距离，取决于以兆焦／小时测量的燃烧器对加热器的输入以及辅助热交换器在露点下冷凝所需的表面积。
气体在露点以上排出主烟道(中央烟道管)，然后在容器112壳体的外表面上冷凝。为实现充分的冷凝，温度必须降至露点以下，使冷凝的潜热从烟道气体排出。在这种情况下，露点通常约为65℃，并要求冷却到水温以上仅一点点度数。最好，将冷凝限制在容器112的外侧，因为这更容易控制冷凝物和防止腐蚀。
因此，如果热量输入增大，则需要有更大的热交换器面积(即限定环形空间132边界的容器表面积)，或需要环形空间132有更小的横截面积。较小的横截面积可增大废气速度，但需要有较大的风扇作为前提条件。
在不脱离本发明范围的情况下，上述实施例可以有许多变化形式。例如，容器可以形成略微不同于上述的形式，并且外壳的结构同样可以不同于本文所示的。但是，申请人认为，附图中所示的结构制造起来相对较为便宜，并可提供效率特性相对较高的水加热器。
可以理解，这里所揭示和限定的发明可延伸到说明书或附图所述或所示的两或多个单独特征的所有备选组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种不同的备选方面。
以上描述了本发明的实施例，对于本技术领域的技术人员而言，显然还可以在不脱离本发明的范围的情况下作多种变型。