CN101839549B - 冷凝式热交换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种冷凝式热交换器，属于热水器技术领域。该热交换器由排布在烟气流动通道中的至少二层烟气穿过的往复迂回换热管构成，同层换热管相邻直管段的间距由弯曲半径处开始渐缩，最小间距大于或等于换热管的管径。本发明以巧妙简单的换热管结构改进，在换热空间不变的情况下，显著增加了有效换热面积，同时改善了热交换条件，因此显著提高了换热效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气热水器中的热交换器，尤其是一种冷凝式热交换器，属于热水器技术领域。
背景技术
冷凝式热水器充分利用燃烧烟气的汽化潜热提高热效率，是一种高效节能的产品，正在逐渐被推广应用。冷凝式热水器中的冷凝式换热器通常由密封壳体、壳体内的吸热管和分液器等部件组成。设计时的关键是如何采用最经济的方式，获得最高的换热效率——一方面需要在有限的空间内获得最大的换热面积，另一方面则要充分实现燃烧烟气流动的湍流化而提高换热效率。
现有技术中，波纹换热管均采用U型迂回、多层等距错位排布，以达到烟气与吸热管形成交叉换热。例如，中国发明专利申请200610141655.6等中，都采用这种结构的冷凝换热器。由于在工艺上换热管折弯时最小折弯半径受限，因此使得冷凝器在折弯半径方向体积较大，成本增加；另一方面，错位排布的U型管簇在烟气流动方向形成规则分布的流动空间，而烟气在与换热管进行换热时，靠近管壁附近的烟气首先被冷凝换热，水蒸汽含量降低，汽化潜热降低，规则分布的流动空间使得烟气在流动过程中不能形成强烈湍流而被充分混合，这样上游被冷凝过的汽化潜热含量较少的部分烟气在下游管处再次流经吸热管壁附近的位置，而上游远离换热管未被冷凝换热的烟气不能接触吸热管表面有效参与热交换，从而使得在烟气下游的换热管不能充分发挥吸收潜热的作用导致换热效率降低。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，通过对波纹换热管的结构改进，提出一种改进的冷凝式热交换器，从而在有限的空间内获得更大的换热面积，同时使燃烧烟气流动的进一步湍流化，最终达到显著提高换热效率的目的。
为了达到以上目的，本发明的技术解决方案为：冷凝式热交换器由排布在烟气流动通道中的至少二层烟气穿过的往复迂回换热管构成，其中，同层换热管相邻直管段的间距由弯曲半径处开始渐缩，最小间距大于或等于换热管的管径。
尤其是，由排布在烟气流动通道中的至少二层烟气穿过的往复迂回换热管构成，同层换热管相邻直管段的间距由弯曲半径处开始渐缩，最小间距大于或等于换热管的管径。
本发明进一步的完善是：烟气流动通道为垂向烟气流动通道，换热管上、下水平往复迂回排布。
本发明更进一步的完善是：邻层换热管之间错位排布。
上述改进将换热管常规的U型折弯迂回结构改为Ω型折弯，而Ω型折弯后的换热管与U型折弯时相比，每迂回一个周期就可以节省二个弯曲半径的宽度，这样，在同样的排布宽度中可以布置更多的换热管，从而在相同的热交换空间中，显著增加换热面积，从而提高换热效率。与此同时，采用Ω型折弯后的换热管上下层错位之后，不仅在换热管折弯方向形成了疏密渐变且相互交错的气流间隔，而且在垂直烟气流动的方向也形成了疏密渐变的烟气流动通道，结果使得烟气得以流经所有换热管表面，并且在流经不同位置时形成快慢不同的烟气流速，充分湍流化，进一步提高了换热效率。
由此可见，本发明以巧妙简单的换热管排布结构改进，在换热空间不变的情况下，显著增加了有效换热面积，同时改善了热交换条件，因此显著提高了换热效率。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一个实施例的结构示意图。
图2为图1实施例中换热管的立体结构示意图。
图3为图1实施例的单层换热管结构示意图。
图4为图1实施例的多层换热管结构示意图。
图5为图4的A-A截面示意图。
图6为图4的B-B截面示意图。
图7为图4的C-C截面示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例冷凝式热交换器的基本结构如图1所示，外壳组件1形成了下进上出的垂向烟气流动通道，外壳组件1内的垂向烟气流动通道中排布多层(5层)水平往复迂回的波纹换热管2，这些换热管的两端口分别与外壳组件1一侧的积液器3和分液器4连通，从而与外界形成换热循环回路。外壳组件1的底部设有冷凝水排水口5。
本实施例的改进之处如图2所示：同层换热管2相邻直管段的间距由弯曲半径处开始渐缩，最小间距大于或等于换热管2的最大管径，因此邻管不会相互干涉，而邻层换热管2之间错位排布(等距错位排布或非等距错位排布均可)。
现有U型波纹管在图3的A处和B处间距是相等的，即换热管中心线之间的间距D1＝D2，且中换热管中心线相互平行。而本实施例的特征则是：在一个重复单元内，两相邻的换热管直管段的中心线不平行，弯曲半径B处间距较大(一般大于等于换热管可加工的最小折弯半径)；而朝A处延伸时，间距逐渐缩小(最小时两换热管接触)，结果D1＜D2，折弯后的重复单元形同Ω或倒Ω型。容易理解，在换热管具有相同有效长度的前提下，本事实例的折弯结构可以获得最小的横向尺寸，或者在外壳尺寸相同的前提下，可以排布最长的换热管。
当上述结构与邻层换热管错位排布相结合时(参见图4)，由图5、图6、图7分别看图4的A-A、B-B和C-C处截面，用折线分别连接上下各层的五根换热管截面中心得到α、β、γ三条线，不难看出，图5的α和γ所连接的五根换热管截面中心间距较大，β所连接的五根换热管截面中心间距很小；图6中α和γ所连接的五根换热管截面中心间距变小，β所连接的五根换热管截面中心间距变大，各换热管截面中心间距基本相等；图7中α和γ所连接的五根换热管截面中心间距继续变小至很密，β所连接的五根换热管截面中心间距继续变大至很疏。类推可知，其它截面将在以上基础上形成渐变规律，从而在烟气上升的z方向形成渐疏渐密、疏密相间的变化缝隙，即形成了不断变换的烟气流动通道。相邻两层换热管的通常错位量投影到x轴的长度为弯曲半径的一半为宜，即D2/2。
从燃烧烟气流入的方向上看，错位的排列可以使燃烧烟气流经每一根换热管的表面，从而充分利用换热管表面积进行换热，获得较多的潜热换热量。因为燃烧烟气在宽通道里流速较低，在狭窄通道内流速较高，所以渐疏渐密、疏密相间缝隙的可以使得干湿烟气充分混合，烟气流动时完全处于湍流状态，尽量多吸收燃烧烟气中的潜热，提高换热效率。试验证实，采用本实施例后换热效率明显提高。
本发明不仅限于此。例如换热管排列时数量可以多于或少于本实施方式中五层。另外，本实施例中的结构既可用于冷凝式热水器中的冷凝器部分，也可用于处冷凝式热水器之外所使用的潜热利用型热交换器上。总之，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种冷凝式热交换器，由排布在烟气流动通道中的至少二层烟气穿过的往复迂回换热管构成，其特征在于：同层换热管相邻直管段的间距由弯曲半径处开始渐缩，最小间距大于或等于换热管的管径。
2.根据权利要求1所述的冷凝式热交换器，其特征在于：所述烟气流动通道为垂向烟气流动通道，所述换热管上、下水平往复迂回排布。
3.根据权利要求2所述的冷凝式热交换器，其特征在于：邻层换热管之间错位排布。
4.根据权利要求3所述的冷凝式热交换器，其特征在于：所述邻层换热管等距错位，错位量为弯曲半径。
5.根据权利要求3所述的冷凝式热交换器，其特征在于：所述邻层换热管非等距错位。
6.根据权利要求4或5所述冷凝式热交换器，其特征在于：所述垂向烟气流动通道由外壳组件形成，所述外壳组件内排布至少两层水平往复迂回的波纹换热管。
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