CN100582631C - 潜热回收型热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种潜热回收型热交换器，在燃烧排气流动的躯干部(40)内收容有：多根具有在燃烧排气的流动方向(X轴方向)上以等间距配置的多个直管部(41a)和将X轴方向上相邻接的直管部彼此连结起来的U形弯接部(4b)的蛇爬行状的吸热管(41)，在与X轴垂直的Z轴方向上层叠多根吸热管，并且Z轴方向相邻接的吸热管彼此又在X轴方向上错位地配置，以提高潜热的回收效率。将Z轴方向上相邻接的吸热管(41、41)彼此在X轴方向上的错位量ΔP设定成：各吸热管(41)的直管部(41a)在X轴方向上的配置间距P的1/2以外的值，Z轴方向相邻接的一方的吸热管(41)的直管部(41a)和另一方吸热管(41)的直管部(41a)之间的X轴方向间隔变宽的部分与变窄的部分是在X轴方向上交替地排列。

Description

潜热回收型热交换器
技术领域
本发明涉及一种使燃烧排气中的水蒸气凝结而回收潜热的潜热回收型热交换器。
背景技术
以往，众所周知，作为这种潜热回收型热交换器，在燃烧排气流动的躯干部内配置有蛇爬行状的多根吸热管，将这些吸热管的一端部和另一端部分别连接于流入侧集合件及流出侧集合件，使被加热体从流入侧集合件经由这些吸热管流到流出侧集合件，以使燃烧排气中的水蒸气在吸热管的外面凝结，回收潜热(例如参照特开2004-232922号公报)。
对此详细而言，如果将与燃烧排气的流动方向平行的方向设为X轴方向，将与X轴垂直的躯干部的宽度方向设为Y轴方向，将与X轴和Y轴垂直的方向设为Z轴方向，吸热管则形成为：具有在X轴方向上以等间距配置且在Y轴方向呈笔直的多个直管部、和将X轴方向相邻接的直管部彼此连结起来的U形弯接部的蛇爬行状。另外，多根吸热管在Z轴方向上层叠，而且同时Z轴方向相邻接的吸热管彼此又在X轴方向错位地配置。在此，Z轴方向相邻接的吸热管彼此在X轴方向上的错位量被设定成：各吸热管的直管部在X轴方向上的配置间距的1/2。由此，Z轴方向相邻接的一方的吸热管的各直管部和另一方吸热管的各直管部则是在X轴方向上以等间隔而交替排列地配置。
另外，为提高潜热的回收效率，又必须使燃烧排气的流动呈紊流(乱流Turbulence)化，以使得在吸热管的外表面不产生燃烧排气的滞留层，此外，还必须促进水蒸气凝结结束后的燃烧排气的部分(干排气部分)和水蒸气凝结滞后的燃烧排气的部分(湿排气部分)之间的混合，以使得即使是在位于燃烧排气流动方向下游侧的吸热管的部分，水蒸气也能有效地被凝结。在此，如果将吸热管的直管部配置成交替排列状，燃烧排气的流动则会在某种程度上被紊流化。然而，吸热管的直管部即使是呈交替排列状，但若在X轴方向以等间隔排列配置，燃烧排气的流动也就相应地呈现稳定。由此，干排气部分与湿排气部分不容易充分混合，从而导致这种潜热的回收效率也就有一定的限度。
发明内容
本发明鉴于上述的问题，以提供一种促进干排气部分与湿排气部分的混合以能提高潜热的回收效率的潜热回收型热交换器为其课题。
为解决上述课题，本发明的潜热回收型热交换器，将与燃烧排气的流动方向平行的方向设为X轴方向，将与X轴垂直的躯干部的宽度方向设为Y轴方向，将与X轴和Y轴垂直的方向设为Z轴方向，在燃烧排气流动的躯干部内收容有蛇爬行状的多根吸热管，该吸热管具有：在X轴方向上以等间距配置且在Y轴方向呈笔直的多个直管部、和将X轴方向相邻接的直管部彼此连结起来的U形弯接部，将这些吸热管的一端部和另一端部分别连接于流入侧集合件及流出侧集合件，使被加热流体从流入侧集合件经由这些吸热管流到流出侧集合件，以使燃烧排气中的水蒸气在吸热管的外面凝结，从而回收潜热，在Z轴方向上层叠多根吸热管，并且Z轴方向上相邻接的吸热管彼此又在X轴方向错位地配置，该潜热回收型热交换器的特征在于，将Z轴方向上相邻接的吸热管彼此在X轴方向上的错位量设定在：比各吸热管的直管部在X轴方向上的配置间距小的范围内且除了该配置间距的1/2以外的值。
根据本发明，Z轴方向上相邻接的一方的吸热管的直管部和另一方吸热管的直管部之间的X轴方向间隔变窄的部分(窄间隔部分)与变宽的部分(宽间隔部分)是在X轴方向上交替地排列。而且，燃烧排气的流速在窄间隔部分变快，而在宽间隔部分则变得缓慢，根据该流速变化，燃烧排气在宽间隔部分发生扩散，从而促进干排气部分与湿排气部分的混合。其结果，即使是在位于燃烧排气流动方向下游侧位置的吸热管的部分，水蒸气也能被有效地凝结，从而提高了潜热的回收效率。
另外，多根吸热管的一端与另一端的各端部通过在躯干部的侧板上形成的各透孔而连接于流入侧和流出侧的各集合件。而且，一旦这些吸热管的各端部间的间隙变窄，则形成在侧板上的透孔之间的间隙也变窄，导致侧板的强度不够。这种场合，可以考虑减小透孔的孔径，增大透孔之间的间隙。然而，这样的话，必须施以：对应于透孔而将吸热管的各端部缩径的挤锻压加工，由此会导致成本提高。
若考虑到这个问题的话，则最好是将Z轴方向相邻接的吸热管彼此在X轴方向上的错位量设定成：比各吸热管的直管部在X轴方向上的配置间距的1/2大的值。据此，多根吸热管的各端部间的间隙变大。由此，即使不用减小形成在躯干部的侧板上的透孔的孔径，也可以将透孔之间的间隙确保在不会产生侧板强度不够的那种宽大程度。因此，不必对吸热管的各端部施以缩径的挤锻压加工，这样在成本方面比较有利。
另外，Z轴方向相邻接吸热管彼此在X轴方向上的错位量最好是以Z轴方向相邻接的一方吸热管的直管部的外表面和另一方吸热管的直管部的外表面之间的间隙在窄间隔部分处大于等于3mm的方式来设定。据此，可以防止：水蒸气在各直管部的外表面凝结而产生的凝结水彼此相连，导致直管部之间的间隙被堵塞的问题。
附图说明
图1表示具有由本发明的潜热回收型热交换器构成的副热交换器的供热水器的主视图。
图2表示沿图1中II-II线的侧视剖面图。
图3表示沿图2中III-III线的剖视图。
具体实施方式
参照图1，1是供热水器的外装壳体，在外装壳体1内配置有：内置燃烧器(未图示)的燃烧筐2、燃烧筐2上方的主热交换器3、以及主热交换器3上方的副热交换器4。另外，在燃烧筐2下侧配置有：将燃烧用空气供给给燃烧筐2内的燃烧鼓风机5。
主热交换器3设置有：在燃烧器的燃烧排气流动的躯干部30内以在前后方向(图1纸面的垂直方向)保留间隙的方式层叠的多个吸热片(未图示)、贯通这些吸热片且以前后方向为其较长方向配置的多根吸热管31。而且，如图1、图2所示，在躯干部30的前后板的外面，经2个U形弯接管32而将主热交换器3的吸热管31连接起来，从而构成从上游端的吸热管31-S到下游端的吸热管31-E的一连串热交换水路。主热交换器上游端的吸热管31-S经由副热交换器4而连接有供水管K1，下游端的吸热管31-E连接有出热水管K2。而且，在打开出热水管K2下游端的出热水阀(未图示)而使副热交换器4及主热交换器3中通水时，燃烧器被点火，被副热交换器4及主热交换器3加热了的温水从放水栓流出来。
副热交换器4为潜热回收型热交换器，如图2、图3所示，其具有配置在躯干部40内的蛇爬行状的多根(本实施方式中为6根)吸热管41。躯干部40设有底板部401，在底板部401的后部开口设置有排气导入口402。而且，通过热交换器3后的燃烧器的燃烧排气经由主热交换器3上的排气罩33而从排气导入口402流入到躯干部40内。另外，在躯干部40的前面设置有排气出口403，燃烧排气在躯干部40内朝向排出口403流动。另外，底板部401及躯干部40的上表面呈现前低后高的倾斜，燃烧排气沿着与图2中前低后高倾斜的X轴方向平行的方向流动。
在躯干部40的横向一侧的侧板404的外面安装：位于X轴方向前方的流入侧集合件421、以及位于X轴方向后方的流出侧集合件422。而且，在侧板404的各集合件421、422的配置部开设：多根吸热管41用的多个透孔，将各吸热管41的一端部与另一端部通过各透孔而连接于流入侧与流出侧的各集合件421、422。另外，将供水管K1连接于流入侧集合件421，同时将与主热交换器3上游端的吸热管31-S相连的连接管K3连接于流出侧集合件422。一旦打开放水栓，作为被加热流体的水则从流入侧集合件421经由多根吸热管41流到流出侧集合件422，燃烧排气中的水蒸气在吸热管41的外面被凝结，潜热被回收。这样，被潜热预热了的水又从副热交换器4供给给主热交换器3。
吸热管41，是将耐腐蚀性金属例如不锈钢制的波纹管弯曲加工成蛇爬行状来形成的。若将与上述X轴垂直的躯干部40的作为宽度方向的横向设为Y轴方向，则具有在X轴方向上以等间距配置且在Y轴方向呈笔直的4个直管部、和将X轴方向相邻接的直管部41a、41a彼此连结起来的3个U形弯接部41b，且呈蛇爬行状。而且，6根吸热管41被层叠在与X轴和Y轴垂直的Z轴方向，同时Z轴方向相邻接的吸热管41、41彼此在X轴方向错位地配置。
进一步具体而言，使从Z轴方向下方开始数第奇数行也即第1行(#1)、第3行(#3)、第5行(#5)的吸热管41、41、41相互在X轴方向上的位置相同，同时使从Z轴方向下方开始数第偶数行也即第2行(#2)、第4行(#4)、第6行(#6)的吸热管41、41、41相互在X轴方向上的位置相同，并且相对于第奇数行的吸热管41的位置而言，使第偶数行的吸热管41的位置在X轴方向上向后方错位。这样，第奇数行的吸热管41的直管部41a与第偶数行的吸热管41的直管部41a则被配置成交替排列状。
另外，第奇数行的吸热管41与第偶数行的吸热管41所交叉的两者的U形弯接部41b、41b被压扁成：其在Z轴方向上的厚度小于直管部41a的直径的构造。而且，从X轴方向观察第奇数行的吸热管41的直管部41a与第偶数行的吸热管41的直管部41a时，两者的一部分在Z轴方向上重叠。
另外，若将各吸热管41的直管部41a在X轴方向上的配置间距设定为P，则将第奇数行的吸热管41与第偶数行的吸热管41在X轴方向上的错位量ΔP设定成0.5P＜ΔP＜P的值。由此，第奇数行的吸热管41的直管部41a与第偶数行的吸热管41的直管部41a之间的X轴方向间隔呈现较宽的部分(宽间隔部分)与呈现狭窄的部分(窄间隔部分)在X轴方向上交替地排列。
据此，燃烧排气的流速在窄间隔部分变快，而在宽间隔部分变得缓慢。而且，根据该流速变化，燃烧排气在宽间隔部分发生扩散，从而促进了水蒸气凝结结束后的燃烧排气的部分(干排气部分)和水蒸气凝结滞后的燃烧排气的部分(湿排气部分)之间的混合。其结果，即使是在位于燃烧排气流动方向下游侧位置也即X轴方向前方位置的吸热管41的部分，水蒸气也能被有效地凝结，从而提高了潜热的回收效率。
另外，在窄间隔部分处的第奇数行的吸热管41的直管部41a的外表面与第偶数行的吸热管41的直管部41a的外表面之间的间隙δ若未达到3mm，水蒸气在各直管部41a的外表面凝结而产生的凝结水则会彼此相连，有可能导致直管部41a、41a之间的间隙被堵塞。因此，上述错位量ΔP最好是以间隙δ大于等于3mm的方式来设定。另外，在后边说明的实施例的本发明产品中，间隙δ为3.209mm。
另外，也可以将错位量ΔP设定成0＜ΔP＜0.5P。但是，这种场合下，第奇数行的吸热管41的一端和另一端的各端部、与第偶数行的吸热管41的一端和另一端的各端部之间的间隙则变窄。由此，在躯干部40的侧板上开设的吸热管用的透孔间的间隙也变窄，就这样的话，会导致侧板404的强度不够。这种场合，可以考虑减小透孔的孔径，增大透孔之间的间隙。然而，这样的话，必须施以：对应于透孔而将吸热管41的各端部缩径的挤锻压加工，导致成本提高。
对此，如果将错位量ΔP设定成0.5P＜ΔP＜P的话，第奇数行的吸热管41的各端部、与第偶数行的吸热管41的各端部之间的间隙则变大。由此，即使不用减小透孔的孔径，也可以将透孔之间的间隙确保在不会产生侧板40强度不够的那种宽大程度。因此，不必对吸热管41的各端部施以缩径的挤锻压加工，这样在成本方面比较有利。
另外，在本实施方式中，虽然在躯干部40的侧板404的外面配置了各集合件421、422，但是，也可以在侧板404的内面配置各集合件421、422，将吸热管41的各端部插入连接到：在各集合件421、422的横向内侧面上开设的各连接孔中。即使在这种场合，如果将错位量ΔP设定成0.5P＜ΔP＜P的话，也可以不用减小连接孔的孔径，就可以增大连接孔间的间隙，确保各集合件421、422的强度，也不必进行吸热管41的挤锻压加工。
以上是参照附图说明了本发明的实施方式，但是，本发明并不仅限于此。例如，吸热管41的数量也可以多于或少于上述实施方式中的6根。另外，在上述实施方式中，虽然将本发明适用在了供热水器的由副热交换器4构成的潜热回收型热交换器上，但是，本发明也同样适合于除了供热水器之外所使用的潜热回收型热交换器上。
[实施例]
针对上述实施方式的副热交换器4，使用热流体分析软件“FLUENT”而对本发明产品与对比产品进行了模拟试验，其中，在本发明产品中，构成吸热管41的波纹钢管的大径部的直径为16mm，图2、图3中的各部的尺寸L1、L2、L3、L4、L5、P、ΔP分别为L1＝108mm、L2＝60mm、L3＝91mm、L4＝215.5mm、L5＝234.2mm、P＝36mm、ΔP＝21mm；而对比产品的ΔP为P的1/2的18mm，其他尺寸则与发明产品的相同。在模拟实验中，使每1kg中含有84.1g水蒸气的空气按照温度443.15K、流量0.08095kg/s而从排气导入口402流入，使15℃的水以每分钟16升的流量从流入侧集合件421流入，在上述条件下计算出凝结水的生成量与吸热量。在对比产品方面，凝结水的生成量为0.0039202253kg/s，吸热量为7049.607W，而在本发明产品方面，凝结水的生成量为0.0039780749kg/s，吸热量为7296.226W。这样，关于吸热量，本发明比对比产品多出3.5％左右。可以认为这是由于：在躯干部40内的气流的紊流化被促进的同时，在宽间隔部分排气部分和湿排气部分之间的混合也被促进，从而提高了潜热的回收效率所带来的。

Claims (3)

1.一种潜热回收型热交换器，将与燃烧排气的流动方向平行的方向设为X轴方向，将与X轴垂直的躯干部的宽度方向设为Y轴方向，将与X轴和Y轴垂直的方向设为Z轴方向，在燃烧排气流动的躯干部内收容有蛇爬行状的多根吸热管，该吸热管具有：在X轴方向上以等间距配置且在Y轴方向呈笔直的多个直管部、和将在X轴方向上相邻接的直管部彼此连结起来的U形弯接部，将这些吸热管的一端部和另一端部分别连接于流入侧集合件及流出侧集合件，使被加热流体从流入侧集合件经由这些吸热管流到流出侧集合件，以使燃烧排气中的水蒸气在吸热管的外面凝结，从而回收潜热，在Z轴方向上层叠多根吸热管，并且Z轴方向上相邻接的吸热管彼此又在X轴方向错位地配置，该潜热回收型热交换器的特征在于，
将Z轴方向上相邻接的吸热管彼此在X轴方向上的错位量设定在：比各吸热管的直管部在X轴方向上的配置间距小的范围内且除了该配置间距的1/2以外的值。
2.根据权利要求1所述的潜热回收型热交换器，其特征在于，将所述错位量设定成：比所述配置间距的1/2大的值。
3.根据权利要求1或2所述的潜热回收型热交换器，其特征在于，所述错位量是以下述方式来设定的，即在Z轴方向上相邻接的一方吸热管的直管部和另一方吸热管的直管部之间的X轴方向间隙变窄的部分，该一方吸热管的直管部的外表面和该另一方吸热管的直管部的外表面之间的间隙大于等于3mm。
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