CN102022829A - 一种浸没式冷凝换热器和应用 - Google Patents

一种浸没式冷凝换热器和应用 Download PDF

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Abstract

一种浸没式冷凝换热器，包括：浸没式冷凝换热器内部自上至下依序设有空气进口、燃烧器、显热换热器和液池；燃烧器连接一燃气进口；显热换热器位于燃烧器的下方及液池上方；液池中设有传热介质。水蒸汽含量较高的湿热烟气直接通入液池下部，在烟气上浮过程中，烟气中的水蒸汽凝结成液态水，并将烟气的潜热和显热同时释放到液池中。放热和去湿后的烟气排入大气。另一流体借助于吸热流体通道与液池中的液体隔离并从液池中吸收热量而升温。

Description

一种浸没式冷凝换热器和应用
技术领域
本发明涉及一种冷凝换热器，更详细地说，涉及一种浸没式高效冷凝换热器。
本发明还涉及上述浸没式冷凝换热器的应用。
背景技术
传统锅炉和热水器为了避免低温烟气对烟道及附属设备的酸性腐蚀，排烟温度一般都在150℃以上，有时甚至高达200℃，以保证烟气中水蒸气不冷凝，这样水蒸气带走的潜热造成近11％的热损失。
20世纪70年代以来，西欧和美国等相继研制了冷凝式锅炉，将排烟温度降到40℃～50℃，使烟气中的水蒸气冷凝下来并释放潜热，可以使热效率提高到100％以上(以低位发热量计算)。家用冷凝式热水器比传统的热水器可节能15％左右。天然气具有较低的C/H比，燃烧后烟气中水蒸气的体积含量一般在15％到20％之间，且其中几乎不存在硫分，因此低温腐蚀问题较轻。同时，在烟气冷凝时，烟气中的SOx、NOx、CO2、CO以及飞灰和烟尘能部分或者全部溶解于水中，使排入大气中的有害物质大大减少。因此，采用冷凝式燃气锅炉/热水器对节能和环保都具有非常重要的意义。
冷凝式燃气锅炉或热水器中的换热面一般分为显热换热面和冷凝换热面两段。显热换热面与常规热水器中的换热面类似。呈过热状态的高温烟气首先通过显热换热面得到冷却，然后进入冷凝换热段，当换热器的表面温度持续降低至水蒸汽饱和分压力对应的饱和温度时，水蒸气凝结释放出潜热，而其余气体则继续冷却并释放出显热。
由传热学知识可知，由于密度、粘度、导热系数、比热等物理性质的巨大差异，不凝性气体的传热性能远远低于液体(尤其是水)的传热性能。冷凝式锅炉或热水器的冷凝式换热器中的传热属于不凝性气体占多数的水蒸气冷凝传热，其中水蒸气的体积含量大约为15～20％，而不凝性气体的体积含量可高达80％～85％。它既不同于纯蒸气的冷凝传热，也不同于含有少量不凝性气体的蒸气冷凝传热，也不同于空冷器中的凝露。随着烟气中水蒸汽的凝结，在换热面上形成液膜，周围的不凝结气体浓度增加，形成气体边界层。烟气中的水蒸汽通过气体边界层扩散到管壁面上凝结，烟气中的显热和潜热只有通过气体边界层和凝结液层才能传给管壁，导致换热系数减小，换热效率下降。研究表明，当不凝性气体占多数时，液膜外的气膜成为凝结换热的主要热阻[Webb，R.L.et al..The Effect of Non-condensible Gases in Water Chiller Condensers-Theoretical Analysis.ASHRAE Transactions，1980，86，Part 1：142-159]。当烟气中水蒸气含量不足20％时，伴随凝结的对流换热系数比纯蒸汽凝结换热系数低数十倍，而与无凝结时气体对流换热系数处于同一数量级[曹彦斌等.伴随有水蒸气凝结的烟气对流换热的实验研究.工程热物理学报，2000，21(6)：729-733]。在实际热水器中大约仅为大约150W/(m2·K)。可见，对于这种不凝性气体占多数的情况，主要热阻集中在烟气侧的对流换热热阻，从而需要很大的冷凝换热面才能完成对流冷凝换热任务。与无冷凝的燃气锅炉或热水器相比，增设的冷凝换热器成为冷凝式锅炉或热水器成本显著增加的主要原因之一，限制了其推广应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种浸没式高效冷凝换热器，以克服公知冷凝式换热器的缺点，强化烟气侧冷凝换热，减少冷凝换热面，降低冷凝换热器以至整个冷凝式锅炉/热水器的成本。
本发明的又一目的是提供上述浸没式高效冷凝换热器的应用。
为实现上述目的，本发明提供的浸没式冷凝换热器主要包括：
一液池，内盛有传热介质；
一烟气鼓入装置，其出口一端插入传热介质中，另一端置于能产生湿热烟气的装置下方；
一流体通道，置于传热介质中；
该流体通道的一端为进水口，另一端为出水口；
湿热烟气由烟气鼓入装置的出口通入液池的传热介质中，在湿热烟气上浮过程中，产生的气泡与液池中的传热介质直接接触换热，将湿热烟气的潜热和显热同时释放到传热介质中，湿热烟气中的水蒸汽凝结成液态水，并与传热介质中的液体混合；放热和去湿后的烟气排入大气；流体通道中的流体从传热介质中吸收热量而升温。
本发明液池中的液体为任意有利于烟气中水蒸汽冷凝的液体介质或填充有液体的多孔介质(如：水)。
本发明的吸热流体通道为具有任意表面形态的管道型式，其表面上涂敷或电镀有抗腐蚀膜层；同时在液池的壁面上也涂敷或电镀有抗腐蚀膜层。
本发明的液池中设置有丝网，利用表面张力促进气泡破裂和水蒸汽凝结。
本发明的液池壁且传热介质液面上方的设置有溢流装置和冷凝液处理装置。
本发明的液池外壁之外包裹有隔音绝热材料。
本发明的烟气鼓入装置处的入口烟温范围为80℃～400℃。
本发明的浸没式冷凝换热器可应用于各种热水器和锅炉，可与各种换热面布局、各种烟气流程布置方式、各种燃烧器类型以及各种燃烧器布置方式组合使用。
本发明用于回收不凝性气体与水蒸汽混合物中的显然和潜热，特别地适用于冷凝式燃气热水器和冷凝式燃气锅炉。湿热烟气与液池中的液体直接接触换热，另一流体借助于吸热流体通道与液池中的液体隔离并从液池中吸收热量而升温。与传统的烟气-金属壁面对流冷凝式换热器相比，传热得到大幅度强化，换热面积、装置体积和制造成本均得以大幅度削减。
附图说明
图1示出了一个示例性的冷凝式热水器整体的剖面示意图，其中包括了本发明的浸没式冷凝换热器。
具体实施方式
以下将结合附图来详细描述本发明的具体实施例。
本发明的浸没式冷凝换热器，包括液池、烟气鼓入和排出装置以及浸没在液池中的吸热流体通道。离开高温显热换热器的湿热烟气直接通入液池下部，在烟气上浮过程中，大量的微小气泡与液池中温度较低的液体直接接触换热，将烟气的潜热和显热同时释放到液池中。烟气中的水蒸汽凝结成液态水，并与液池中的液体混合。烟气中的SOx、NOx、CO2、CO以及飞灰和烟尘部分或者全部溶于水中。放热和去湿后的烟气排入大气。另一流体借助于吸热流体通道与液池中的液体隔离并从液池中吸收热量而升温。与常规冷凝式换热器相比，相当于以液体(尤其是水)代替不凝性气体作为从烟气到金属壁面的传热介质，显著削弱了气体边界层的阻隔作用，能够大幅度强化烟气侧的传热，从而达到缩减换热面和降低成本的目的。
上述液池中的液体可为水，也可为其它液体介质或填充有液体的多孔介质。
上述吸热流体通道可为任意已知的型式，比如为外侧有翅片等扩展表面的金属管道。
冷凝段烟气入口的温度范围优选为80℃～400℃。换言之，本发明的浸没式冷凝换热器可直接取代原有各种冷凝式锅炉或热水器中的冷凝式换热器，也可重新分配原有显热换热面与潜热换热面的比例，减少原有的高温显热换热面，以充分发挥本发明浸没式换热器换热效率高的优点，进一步降低成本。
本发明的浸没式冷凝换热器可与各种换热面布局、烟气流程布置方式、各种燃烧器类型以及各种燃烧器布置方式组合使用。
如图1中所示，本发明的浸没式冷凝换热器包括液池4、烟气鼓入装置5、烟气排出装置6以及浸没在液池4中的吸热流体通道3。
冷凝式热水器1中布置有燃烧室12，燃烧室12内布置有燃烧器11以及位于燃烧室下部的高温显热换热器6。来自燃气入口10的燃气和来自空气入口15的空气在燃烧器11中燃烧，产生温度大约为1000℃～1200℃、水蒸汽体积分数大约15％～20％的高温含湿烟气。烟气首先冲刷高温显热换热器6，释放出显热，然后经由烟气鼓入装置5鼓入到液池4中，产生大量微小气泡。液池中的水温低于烟气中水蒸汽分压力相对应的饱和温度，气泡在上升过程中与液池中的水直接接触换热，烟气中的水蒸汽凝结并混入到水中，放出潜热，其余气体也释放出显热。放热去湿后的烟气成为大约30℃～60℃的低温不凝性气体，继续上浮并离开液面13，排入大气。由于水的密度大、粘度低、导热系数高、比热大，因而具有远远优于烟气中不凝性气体的传热性能，而在燃气热水器的燃烧产物中不凝性气体占多数(大约80％～85％)，因此以“直接接触混合+水冷”的换热方式来取代传统的气冷换热方式，显著削弱了不凝性气体边界层的阻隔作用，并且大量微小气泡在上浮过程中会对液池中的水产生剧烈扰动作用，这也会显著促进热量从烟气到池水再到吸热流体管道金属壁面的热传递，从而能够大幅度提高烟气侧换热系数和换热效率，显著节约换热面，进而降低热水器整体的生产成本。同时，待加热的冷却水从冷水入口2进入本发明的浸没式冷凝换热器吸热流体通道3，从液池中回收烟气所释放的潜热和显热。由于被加热的冷却水是通过吸热流体通道3与液池中用作传热介质的水相隔离的，因而不存在冷却水被污染的问题。通过浸没式冷凝换热器预热后的冷却水经由连接管道7进入高温显然换热器6的水流管道中，被进一步加热到预定的热水器出水温度，并从热水出口9排出系统。
为了充分利用本发明的浸没式冷凝换热器换热效率高的优点，可重新设计显热换热面与潜热换热面的比例。在高温显热换热面的后段，当烟气与冷却水之间大传热温差的优势已不明显时，用一部分本发明的浸没式冷凝换热面来取代一部分原有的高温显热换热面，从而进一步节约热水器整体成本。
优选地在液池中布置有丝网14，利用表面张力促进气泡的破裂和水蒸汽的凝结。
优选地在液面上方的液池壁上布置有溢流和冷凝液处理装置8。
优选地，吸热流体通道3和液池4的壁面上涂敷/电镀有本领域中已知的抗腐蚀膜层。
优选地在液池外壁上包裹有隔音绝热材料。
液池中的液体优选为水，也可为其它有利于烟气中水蒸汽冷凝的液体介质或填充有液体的多孔介质。
上述吸热流体通道可为任意已知的型式，包括管壁外侧布置有翅片等各种增强扰动、扩展换热表面的金属管道。
虽然在附图和以上相关描述中，仅示出了一种热水器形式，但本发明的浸没式冷凝换热器并不局限于该热水器形式，而事实上可与各种换热面布局、烟气流程布置方式、各种燃烧器类型以及各种燃烧器布置方式组合使用，而并不脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种浸没式冷凝换热器，主要包括：
一液池，内盛有传热介质；
一烟气鼓入装置，其出口一端插入传热介质中，另一端置于能产生湿热烟气的装置下方；
一流体通道，置于传热介质中；
该流体通道的一端为进水口，另一端为出水口；
湿热烟气由烟气鼓入装置的出口通入液池的传热介质中，在湿热烟气上浮过程中，产生的气泡与液池中的传热介质直接接触换热，将湿热烟气的潜热和显热同时释放到传热介质中，湿热烟气中的水蒸汽凝结成液态水，并与传热介质中的液体混合；放热和去湿后的烟气排入大气；流体通道中的流体从传热介质中吸收热量而升温。
2.如权利要求1中所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述液池中的传热介质为任意有利于烟气中水蒸汽冷凝的液体介质或填充有液体的多孔介质。
3.如权利要求1所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述吸热流体通道为具有任意表面形态的管道型式。
4.如权利要求1或3所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述吸热流体通道表面上涂敷或电镀有抗腐蚀膜层。
5.如权利要求1所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述液池的壁面上涂敷或电镀有抗腐蚀膜层。
6.如权利要求1或5所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述液池中设置有丝网，利用表面张力促进气泡破裂和水蒸汽凝结。
7.如权利要求1或5所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述传热介质液面上方的液池壁上设置有溢流装置和冷凝液处理装置。
8.如权利要求1或5所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述液池外壁之外包裹有隔音绝热材料。
9.如权利要求1所述的浸没式冷凝换热器，其中，所述烟气鼓入装置处的入口烟温范围为80℃～400℃。
10.一种采用权利要求1所述浸没式冷凝换热器的热水器或锅炉，其中，所述浸没式冷凝换热器可与各种换热面布局、各种烟气流程布置方式、各种燃烧器类型以及各种燃烧器布置方式组合使用。
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