CN101490481B - 用于防止冷凝的存储型锅炉热交换结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非冷凝存储型锅炉的热交换器，更具体地公开了这样一种存储型锅炉的热交换器，该热交换器能够显著减少在存储型锅炉的热交换器的外表面上产生冷凝水，从而防止热交换器的腐蚀。为此，在存储型锅炉的热交换器(管状体)内设置一个螺旋管，低温入流热水先通过螺旋管后进入管状体内。结果，避免了低温入流热水与废气直接接触。

Description

用于防止冷凝的存储型锅炉热交换结构

技术领域

本发明大体上涉及一种存储型锅炉的热交换器，该热交换器能够通过在存储型热锅炉的热交换器的外表面上显著地减少冷凝水的产生来防止热交换器的腐蚀。

背景技术

锅炉定义为一种使水沸腾而将热水供应到加热设施或浴室的装置。简言之，锅炉是一种使水沸腾的设备，能够分为两种类型：一种在工业上使用，另一种在家庭中使用。

通常，家用锅炉是在沸点之下使用的小功率锅炉，而工业锅炉是在沸点之上使用的大功率锅炉。若在沸点之上使用，则需要一些其他附属设备，由此增加了设备的尺寸。因此，多数使用相对低的热能的家用锅炉将热水加热到沸点之下。

此外，根据是否存在冷凝，锅炉分为冷凝型锅炉和非冷凝型锅炉。

冷凝型锅炉在蒸汽变为水的过程(燃烧产生蒸汽，蒸汽与低温物体或空气接触时转变成水(H2O))中释放热能，并且使用了一种设计成回收热能以提高热效率的系统。冷凝型锅炉能够获得基于净热值的103％至108％之间的热效率，并因此成为一种显著减少燃料消耗的锅炉。这种冷凝型锅炉能够具有高的热效率，但是不能防止冷凝水的产生。因此，冷凝型锅炉使用了在其热传递表面具有高耐腐蚀性的材料来制造。通常，具有高耐腐蚀性的材料具有低的热传递效率，需要增加锅炉的热传递面积以保证热传递效率，因此必须接受尺寸的增加。

与冷凝型锅炉相比，非冷凝型锅炉无冷凝过程，其具有可通过使用热传递效率相对较高的材料来减少尺寸的优点。然而，由于相对较好的热传递效率的材料耐受冷凝水的性能较弱，因此非冷凝型锅炉由于在运行开始时产生冷凝水而呈现寿命快速减少的倾向。

理想的情况是，非冷凝型锅炉不产生任何冷凝水。然而，这在实实际中是不可能的，因为锅炉并不总在运行。因此，需要一种产生相对较少的冷凝水的结构以延长锅炉的寿命。

图1示出了在传统的存储型锅炉中的常规热交换器的结构。该常规热交换器设置有燃烧室和多个火管，其中一个燃烧器附连在燃烧室的上部或下部。燃烧过的废气在穿过多个火管时通过每个管壁将热量传递到热水中，并且通过烟道(未示出)排放到外部。燃烧过的废气含有大量水蒸汽(H₂0)，水蒸汽在接触到比露点温度低的物体时冷凝成水。

露点温度取决于废气中的水蒸汽的含量。在通常的燃烧状态下，油类燃料的露点温度在处于40至47摄氏度范围内，气体燃料的露点温度处于50至57摄氏度范围内。在通过热交换器加热时，如果热水的入流温度为20摄氏度并且出流温度为40摄氏度，那么在热交换器中的水的整体温度低于露点温度，由此在每个火管的壁上会迅速产生冷凝现象。在用户不在的情况下，若锅炉的操作启动，那么热水主要在低于20摄氏度的温度下循环。因此，在冷凝现象重复产生的情况下，湿气在冷凝时将与硫氧化物(油类燃料的情况)或氮氧化物(气体燃料的情况)反应，由此形成了pH值在2到4之间的酸性冷凝水。当锅炉中的温度逐渐上升时，酸性冷凝水的湿气蒸发，仅留下硫氧化物或氮氧化物。随着冷凝现象的重复，其混合物逐渐附着在锅炉表面。酸性冷凝水导致热交换器逐渐腐蚀并且不耐用。最终，由于酸性冷凝水，锅炉将不能再使用。

热交换器的常用材料包括铁、铜等。这些金属非常容易因冷凝水而受到腐蚀。因此，当使用一段时间后，就会发生腐蚀。当然，可通过使用例如铝合金或不锈钢等特殊材料来制造热交换器以耐受冷凝水。但在使用这种特殊材料的情况下，制造和运行困难，并且尺寸、重量和产品成本也增加。此外，与铜相比，这些特殊材料的热传递效率相对较低。

因此，需要这样一种热交换器，该热交换器尽管由常用材料制造却因为防止或减少了冷凝现象而能够避免遭受破坏并且具有改善的耐久性。

发明内容

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于防止冷凝的存储型锅炉的热交换器，该热交换器尽管使用了热交换器的常用材料，却能够通过防止或减少冷凝现象而防止对热交换器的破坏并且改善了热交换器的耐久性。

根据本发明，所述热交换器能够防止因强酸性成分而被破坏，并且能够因此增加耐久性，其中通过燃烧燃料(气体或油类)形成的包含在废气中的湿气在锅炉的热交换器上冷凝，燃烧废气中的有毒气体(例如硫氧化物、氮氧化物等)溶解在冷凝水中，并且在锅炉表面的温度升高时，冷凝水蒸发，留下强酸性成分。

此外，所述热交换器的结构在热交换器使用常用材料(铁或铜)制造时能够通过防止冷凝导致的腐蚀而增加耐久性，并且在热交换器使用特殊材料(铝合金或不锈钢)制造时还能够减少冷凝水导致的腐蚀。

附图说明

图1示出了在传统存储型锅炉中的常规热交换器的结构；

图2示出了在根据本发明的存储型锅炉中的热交换器的结构；

图3是用于解释基于本发明的效果的示意图；

图4是表示本发明和传统技术之间的差异的表格。

具体实施方式

本发明是提供一种用于防止冷凝的非冷凝型锅炉10的热交换器。该热交换器的特征在于：

热水出口20安装在锅炉10的上部；

热水入口22安装在热水出口20的下端；

内管30从热水入口22螺旋状延伸并且安装在锅炉10的水管40中；并且

所述延伸内管30与延伸管44连接，延伸管44通过穿过锅炉壁的返回出口26并与返回入口24连接。

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例。

图1示出了在传统存储型锅炉中的常规热交换器的结构。图2示出了在根据本发明的存储型锅炉中的热交换器的结构。图3是用于解释本发明的效果的示意图。图4是表示本发明和传统技术之间的差异的表格。

图1示出了传统存储型锅炉的常规热交换器的结构，对其详细描述已经在背景技术中给出。

图2示出了根据本发明的存储型锅炉的热交换器的结构，其中卷绕型管道安装在常规存储型锅炉10的热交换器中。

在非冷凝型锅炉的热交换器中，热水出口20设置在锅炉10的上部，而热水入口22设置在热水出口20的下端。一个从热水入口22螺旋状延伸的内管30安装在锅炉10的水管40中，并且所述延伸内管30连接到延伸管44，延伸管44通过返回出口26并与返回入口24连接，其中返回出口26穿越锅炉壁。安装内管30到锅炉10的水管40中时，内管30与锅炉壁间隔开预定距离。

延伸管44被隔热，以防止热水的热量散失到外部。

入流热水被引导至位于存储型热交换器的上部的热水入流口22，进入螺旋管，沿着螺旋管内部通道流出安装在热交换器的下部的返回出口26，然后被引导至位于热交换器的下部的返回入口24。

热水出流口20位于热交换器的上部，从而在热交换器的下部加热的热水流出安装在热交换器的上部的热水供给管(未示出)，供应到地板或散热器的管道。由此，完成了对地板或散热器的加热。

尽管入流热水在低温下被引入，但是其首先进入加热的热交换器而没有直接接触火管管壁，从而受到基于热水的加热。然后，入流热水接触火管，从而防止冷凝现象发生。

此构造的功能是在基于热水的加热模式下加热在低温下引入的入流热水，非常有效地相对减少在锅炉10的表面上产生的冷凝水。由于温度越低，产生的冷凝水越多，因此，随着接触废气的热水的温度在锅炉10内升高，冷凝现象随之减少。

下面将参照图3和4更详细描述本发明。

图3是用于解释基于本发明的效果的示意图，其中图3(A)示出了冷凝率与温度的关系，图3(B)示出了在传统技术和本发明中所产生的冷凝量，图3(C)示出了在传统技术和本发明中在四循环中产生的冷凝量，图3(D)示出了在传统技术和本发明中锅炉10的内部温度梯度。

图4是表示本发明和传统技术之间的温度差异的表格。其中本发明的锅炉10的燃烧器32与传统技术具有相同功率，热水以相同的热量加热空间和/或地板，然后流回锅炉10。对锅炉10的热水出口20和热水入口22的温度进行了比较。

下面将参照图3和4描述本发明和传统技术的区别。

在图4的表中，本发明的锅炉10与传统技术相比具有相同功率，其循环泵具有相同转速，热水具有相同温度，热水流出热水出口20，做功(加热)，然后流到热水入口22。

根据图1和2示出的锅炉10的结构，因为在图2的锅炉10中安装了管道，图2的锅炉10的水量略大于图1的锅炉的水量。然而，假定安装在图2的锅炉中的管道的容量较小，那么图1和2的锅炉10内含有等量的水，回流到锅炉10的入流热水传递与图1的锅炉相同的热量以升高温度。图4的表按照如下条件描述：使用通常的燃烧器32，该燃烧器能够在入口处产生大约10摄氏度的升温。

在图4中，对本发明与传统技术的热水入口和热水出口的温度进行了比较。各循环以等时间间隔进行划分，并且在每个时间点温度进行了相互比较。在第一循环，传统技术的锅炉10的入流热水的温度是20摄氏度，而锅炉10的燃烧器32具有能够升高10摄氏度的温度的功率，从而热水以30摄氏度的温度从热水出口流出。与传统技术相比，本发明的相同之处在于，温度为20摄氏度的热水流向热水入口22，并且热水出口的温度为30度，而不同之处在于，入流热水通过缠绕在锅炉10内的管道受到基于热水的加热，并由此再重新进入处于锅炉10的下部的返回入口24时，热水温度升高至25摄氏度。

返回温度可认为是一个宽的温度范围。由于锅炉10的水管40中的对应于图3(D)示出的面积A1的热能向内管30传递对应于面积A2的热能并由此产生基于热水的加热，返回入口24的温度保持在高于热水入口22的温度并且低于热水出口20的温度。这是因为返回温度取决于内管的形态、厚度、圈数、位置等。

在第二循环，由于一个单位的时间已经过去，锅炉10内所有热水已经完成第一循环。在此过程中，以20摄氏度的温度流出的热水降低5摄氏度的温度(即在25摄氏度)后流入，5摄氏度的温差用于加热空间和/或地板。本发明和传统技术的该入流温度相同。在传统技术中，与入流热水相比，热水在升高了10摄氏度的温度(即在35摄氏度的温度)后流出。相反，在本发明中，热水受到基于热水的加热而具有30摄氏度的返回温度，从而形成在锅炉10的内表面的冷凝水的数量相对减少。

在第三循环中，由于一个单位的时间已经过去，在锅炉10内的所有热水已经完成第二循环。在此过程中，在35摄氏度的温度流出的热水降低5摄氏度的温度(即30摄氏度的温度)后流入，5摄氏度的温差被用来加热空间和/或地板。本发明和传统技术的该入流温度相同。由于安装在锅炉10上的燃烧器的加热，在传统技术和本发明中的热水在升高了10摄氏度的温度(即40摄氏度的温度)后流出，该温度高于入流热水的温度。关于入流热水的温度，在本发明中的入流热水受到基于热水的加热而具有35摄氏度的返回温度，从而形成在锅炉10的内表面上的冷凝水的量相对减少。

在第四循环，由于一个单位的时间已经过去，在锅炉10内的所有热水已经完成第三循环。在此过程中，在40摄氏度的温度流出的热水降低5摄氏度的温度(即35摄氏度的温度)后流入，5摄氏度的温差被用于加热空间和/或地板。本发明和传统技术的该入流温度相同。由于安装在锅炉10上的燃烧器的加热，在传统技术和本发明中的热水在增加了10摄氏度的温度(即40摄氏度的温度)下流出，该温度高于入流热水的温度。关于入流热水的温度，在本发明中的入流热水受到基于热水的加热而具有40摄氏度的返回温度，从而在锅炉10的内表面上不再产生冷凝。然而，传统技术仍然发生冷凝。

与各循环相比，传统技术在总共四个循环中产生冷凝，而本发明在总共三个循环中产生冷凝。由此，本发明可减少25％的产生冷凝的时间。此外，产生冷凝的时间的减少降低了锅炉10内的腐蚀，并由此作为延长锅炉10的寿命的重要因素。这是因为附着在锅炉10的内表面的氧化物的量相对于冷凝时间成比例增加。

在第五循环中，由于一个单位的时间已经过去，锅炉10内的所有热水已经完成第四循环。在此过程中，在45摄氏度的温度流出的热水降低5摄氏度的温度(即40摄氏度的温度)后流入，5摄氏度的温差被用于加热空间和/或地板。本发明和传统技术的该入流温度相同。由于安装在锅炉10上的燃烧器32的加热，在传统技术和本发明中的热水在升高了10摄氏度的温度(即50摄氏度的温度)后流出，该温度高于入流热水的温度。关于入流热水的温度，在本发明中的入流热水受到基于热水的加热而具有45摄氏度的返回温度，而在传统技术中入流热水具有40摄氏度的入流温度。因此，无论在传统技术还是在本发明中在锅炉10的内表面上均不产生冷凝。

在图4的表中，将不产生的冷凝的温度设定为40摄氏度作为先决条件，而实际上，冷凝可在高于40摄氏度的温度产生。此外，假定相对于出流热水的温度的5摄氏度的温差被用来加热空间和/或地板。然而，这适用于其中用于加热的热量在长的时间内都需要的情况。然而，在稳定的状态下，热能需求较少。

此外，返回温度被描述为与入流热水相比增加5摄氏度。然而，在通过基于热水的加热升温时，返回温度取决于图2中的内管30的形状。能够改变通过基于热水的加热而升高的返回温度的其他因素包括内管的圈数、直径、厚度和传热效率，以及循环泵的能力。

图3是解释基于本发明的效果的示意图，该图示出了在露点温度低于40摄氏度的温度时冷凝量随温度的变化。可以看出，温度越低，产生的冷凝越多。

在第一循环中，当入流热水的温度达到20摄氏度时，冷凝水在热交换器的表面上的形成率接近60％。当入流热水的温度达到25摄氏度时，冷凝水在热交换器的表面上的形成率接近30％。当入流热水的温度达到30摄氏度时，冷凝水在热交换器的表面上的形成率接近20％。这可在图中看到。

图3(B)以形成在锅炉10内的冷凝水的量表示冷凝率对温度依赖性，其中点f示出了入流热水在锅炉10下部的流入点在锅炉10的表面产生的冷凝量，点g示出了供给热水在锅炉10的上部的流出点在锅炉10的表面产生的冷凝量。在传统锅炉10的表面上形成的冷凝水的量可与在本发明的锅炉10的内表面上形成的冷凝水的量相比较。

在传统锅炉10的表面上形成的冷凝水的数量可表示为面积afgc，而在本发明的锅炉10的表面上形成的冷凝水的数量可表示为面积bfgc。因此，可以看出，本发明的锅炉10可显著减少冷凝水量。

此外，除了显著减少冷凝水量之外，一个重要因素是密集形成在特定位置上的冷凝水量。从图3(B)可以看出，形成在传统锅炉10的表面上的冷凝水集中在锅炉10的下部，入流热水在此处流入。酸性物质存在于锅炉10燃烧的废气中，冷凝水的量增加了存在的各种溶解的酸性物质转化成强酸的可能性。本质上锅炉10要重复启动和停止。因此，如果锅炉某部分被腐蚀，并且因酸性物质的积聚而形成了孔，那么将会难以使用。因此，可以看出锅炉10的寿命会显著减少。

此外，如果腐蚀发生在锅炉下部，多数锅炉10将不能使用。为了防止此类腐蚀，在锅炉的下部使用了具有高耐腐蚀性的材料，这导致传热效率降低。因此，必须增加锅炉10的尺寸。

比较形成在锅炉表面上的冷凝水的量，可以看出本发明中的冷凝水的量大约是传统技术的一半。这意味着本发明的锅炉的寿命可增加到两倍。

图3(C)解释了第三循环的情况。形成在传统锅炉10的表面上的冷凝水的量可表示为a’fg，而形成在本发明的锅炉10的表面上的冷凝水的数量可表示为b’fg。由此可以看出，形成在本发明的锅炉10的表面上的冷凝水的数量仅为形成在传统锅炉的表面上的冷凝水的数量的一半。由此，本发明锅炉10的寿命又可加倍。

图3(D)示出了传统锅炉10和本发明的锅炉10的内表面的温度梯度。传统锅炉的温度梯度为：通过锅炉10的燃烧器32的加热，20摄氏度的温度增加到30摄氏度的温度；本发明的锅炉尽管借助有燃烧器32的功率增加到30摄氏度的温度与传统锅炉相同，但因为由于有基于热水的加热有热量传递到内管，其温度梯度为一个曲线而不是直线(该直线不是真正的直线，而是简化为直线)。在传统锅炉中，由于面积A1必须等于面积A2，面积A2对应于在入流热水受到基于热水的加热时通过内管30传递到入流热水的热能，而面积A2对应于入流热水从内管30的周围的热水得到的并由此增加5摄氏度的热能。

此外，从传统锅炉10中的燃烧器32传递的热能等于从本发明中的锅炉10的燃烧器32传递的热能，由此可以看出，由afgc限定的面积等于由bfgc限定的面积。

尽管本发明以用于加热空间和/或地板的锅炉10为例进行了描述，同样的结构可应用到用于加热水的锅炉。

此外，描述给定条件时均在理想状态下进行了简化。然而，很明显，由于在锅炉内的燃烧气体，实际温度可略高于计算出来的温度，由此冷凝水的数量可相对减少。

根据本发明，所述热交换器可防止被强酸成分损坏，并由此可增加耐久性，其中包含在燃烧燃料(气体或油)废气中的水蒸气在锅炉10的热交换器上冷凝，包含在燃烧废气中的有毒气体(例如，硫氧化物、氮氧化物等)溶解到冷凝水中，并且由于锅炉的表面温度的增加，冷凝水随之蒸发由此产生强酸成分的沉积。

此外，在热交换器由常用材料(铁或铜)制成的情况下通过防止冷凝导致的腐蚀，并且在热交换器由特殊材料(铝合金或不锈钢)制成的情况下亦可通过减少冷凝水导致的热交换器的腐蚀，来增加热交换器的耐久性。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于防止冷凝的非冷凝存储型锅炉(10)的热交换器，其特征在于：

热水出口(20)，安装在所述锅炉(10)的上部；

热水入口(22)，安装在所述热水出口(20)的下端；

内管(30)，从热水入口(22)螺旋状延伸并且安装在所述锅炉(10)的水管(40)中；及

所述内管(30)与延伸管(44)连接，所述延伸管(44)通过穿过锅炉(10)壁的返回出口(26)并与返回入口(24)连接。

2.如权利要求1所述的热交换器，其中所述内管(30)在安装到所述锅炉(10)的水管(40)内时，与所述锅炉(10)的壁间隔预定距离。

3.如权利要求2所述的热交换器，其中所述内管(30)通过来自锅炉(10)的水管(40)热能的传递受到基于热水的加热，由此，使得所述返回入口(24)的温度高于所述热水入口(22)的温度而低于所述热水出口(20)的温度。

4.如权利要求3所述的热交换器，其中在所述锅炉(10)被初始驱动的第一循环中，在所述锅炉(10)的下部形成的冷凝水的量减少。

5.如权利要求4所述的热交换器，其中所述延伸管(44)被隔热以防止热水的热量散失到外部。

6.如权利要求1至5中任一项所述的热交换器，其中在所述锅炉(10)被初始驱动时，在所述锅炉(10)的下部连续产生冷凝的时间减少25％。

Images