CN102147196A - 铜管带式换热器及其应用 - Google Patents

Abstract

一种铜管带式换热器及其应用，它由铜管和肋片构成，所述铜管与肋片互相叠合连接，所述肋片为波带状肋片，所述铜管的一端设置进口，所述铜管的另一端设置出口；采用波带状肋片与铜管互相叠合构成换热器，通过改变铜管的形状，肋片的波带形状和肋片的厚度，增强了吸热强度，减小回流区，提高了换热器的换热效果，结构简单，十分实用，能应用于燃气热水器、燃气两用炉等产品，实现本发明的目的。

Description

铜管带式换热器及其应用

技术领域

本发明涉及一种换热器及其应用，特别涉及一种铜管带式换热器及其应用。

背景技术

现有的换热器结构基本上都是仿照30年前日本燃气热水器上的设计、改进极少，在30多年实际使用中已经暴露出其不足，需要改进。

现有的换热器，其结构如图1所示，其制作工艺为先在铜片2上冲孔，然后插入铜管1，经胀管针焊后完成，上述换热器一般称作为平片式肋片管换热器，由铜片2形成平片式肋片，试验表明现有的这种换热器的吸热强度较低，其主要不足之处表现为：

①采用圆形铜管作为水管；已有试验指出，当气流经过平片式肋片与绕流过圆形铜管后在铜管背风面会产生一个较大的回流区(如图2所示)，在回流区内热交换明显减弱，受热面的吸热明显下降，从而造成对流受热面吸热强度(单位面积的吸热量)下降；传热学的研究也指出，在换热器上存在回流区对传热是不利的，应尽量减小回流区的大小，以加强换热；

②平片式肋片的厚度偏厚；现有使用的平片式肋片管换热器，其作为平片式肋片的铜片2的厚度通常为0.3mm，但是理论研究指出(如图3所示)最佳的肋片的厚度为0.03-0.2mm；

③平片式肋片的形状；在现有的平片式肋片管换热器上对肋片形状的设计，国内生产厂家均未作过深入的研究，已有资料指出，肋片高度的选取十分重要，它对肋片吸热强度有明显影响，现有的设计均需要进一步研究、完善；

④没有采用强化传热的异形肋片；已有资料指出，在肋片管换热器上可以采用多种形式的具有强化传热功能的异形肋片，以进一步提高换热器的吸热强度；

以上几个方面暴露出现在采用的换热器所存在的主要技术缺陷与不足，需要加以改进；因此，特别需要一种换热器，解决现有的换热器的存在的上述问题，有效地加强换热器的吸热强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜管带式换热器及其应用，解决现有的换热器的存在的上述问题，有效地加强换热器的吸热强度，结构简单、十分实用。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种铜管带式换热器，它由铜管和肋片构成，其特征在于，所述铜管与肋片互相叠合连接，所述肋片为波带状肋片，所述铜管的一端设置进口，所述铜管的另一端设置出口。

在本发明的一个实施例中，所述铜管与肋片之间采用硬针焊方法互相焊接连接。

在本发明的一个实施例中，所述铜管为铜扁管，明显减小气流流过铜管时在背风面产生的回流区。

进一步，所述铜扁管的内部流道的宽度为2.0-4.0mm，可以减少铜扁管壁面边界层的厚度，增强对流换热效果。

在本发明的一个实施例中，所述肋片的厚度为0.03-0.2mm，使肋片的吸热强度达到最大。

在本发明的一个实施例中，所述肋片的波峰与波谷之间的垂直距离为10-30mm，所述肋片的相邻波峰之间的间距为1-5mm。

在本发明的一个实施例中，所述肋片的截面呈矩形、三角形、锯齿形、百叶窗形等规则或不规则形状，能有效地强化肋片的传热功能。

进一步，所述肋片整体呈波纹形。

进一步，所述肋片上设置有若干穿孔。

在本发明的一个实施例中，所述铜管由多排铜管互相串联构成，形成一蛇形铜管，所述铜管的一端设置进口，所述铜管的另一端设置出口。

在本发明的一个实施例中，所述铜管由多排铜管互相并联构成，所述铜管的一端设置有进水分配管，所述铜管的另一端设置出水分配管，所述进水分配管设置有进口，所述出水分配管上设置有出口。

在本发明的一个实施例中，本发明的铜管带式换热器可应用于燃气热水器。

在本发明的一个实施例中，本发明的铜管带式换热器可应用于燃气两用炉。

本发明的铜管带式换热器具有如下特点与优点：

①采用扁形铜管；试验表明，当气绕流过扁管时，在背风面产生的回流区明显缩小(如图3所示)，铜管表面与带状肋片的吸热便相应增强；

②采用厚度仅为0.1mm的带状肋片；理论研究已表明最佳带状肋片厚度为0.03-0.2mm，此时换热器吸热强度最大；

③扁管尺寸与带状肋片形状均经传热过程的数值计算后决定；扁管与带状肋片间的正确配合必须由换热器的数值计算决定，否则会导致换热器吸热强度下降或出现管带明显氧化烧损；

④采用强化传热的异形带状肋片；采用了具有强化传热功能的异形带状肋片与平直带状肋片相比能吸收更多的热量。

本发明的铜管带式换热器及其应用，采用波带状肋片与铜管互相叠合构成换热器，通过改变铜管的形状，肋片的波带形状和肋片的厚度，增强了吸热强度，减小回流区，提高了换热器的换热效果，结构简单，十分实用，能应用于燃气热水器、燃气两用炉等产品，实现本发明的目的。

本发明的特点可参阅本案图式及以下较好实施方式的详细说明而获得清楚地了解。

附图说明

图1为现有的换热器的结构示意图；

图2为换热器采用不同形状的铜管产生的回流区的示意图；

图3为肋片的厚度对肋片吸热效率的对应示意图；

图4为本发明的铜管带式换热器的结构示意图；

图5为本发明的铜管与肋片连接的示意图；

图6为本发明的铜管的一种设置方式的示意图；

图7为本发明的一种肋片的示意图；

图8为本发明的一种肋片的示意图；

图9为本发明的一种肋片的示意图；

图10为本发明的一种肋片的示意图；

图11为本发明的一种肋片的示意图；

图12为本发明的一种肋片的示意图；

图13为本发明的铜管带式换热器应用于燃气热水器的结构示意图；

图14为本发明的铜管带式换热器应用于燃气两用炉的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图4所示，本发明的铜管带式换热器，它由铜管100和肋片200构成，铜管100与肋片200互相叠合连接，肋片200为波带状肋片，铜管100的一端设置进口300，铜管的另一端设置出口400。

在本发明中，铜管100为铜扁管，试验表明，当气流绕流过扁管时，在背风面产生的回流区会明显缩小(如图3所示)，铜管表面与带状肋片的吸热便相应增强；所述铜扁管的内部流道的宽度为2.0-4.0mm，扁管内部流道宽度很小可以减少壁面边界层的厚度，增强对流换热。

在本发明中，肋片200的厚度为0.03-0.2mm，理论研究已表明最佳带状肋片厚度为0.03-0.2mm，此时换热器吸热强度最大。

同时，要实现0.1mm的薄铜带与铜扁管间的互相叠合连接必须采用先进的铜硬针焊技术，在本发明中，铜管100与肋片200之间采用硬针焊方法互相焊接连接(参见图5)。

本发明的铜管带式换热器的扁管尺寸与带状肋片形状均经传热过程的数值计算后决定，扁管与带状肋片间的正确配合必须由换热器的数值计算决定，否则会导致换热器吸热强度下降或出现管带明显氧化烧损。

在本发明中，肋片200的波峰与波谷之间的垂直距离为10-30mm，肋片200的相邻波峰之间的间距为1-5mm。

在本发明中，如图7、图8、图9、图10、图11和图12所示，肋片200的截面呈矩形、三角形、锯齿形、百叶窗形等规则或不规则形状，能有效地强化肋片的传热功能；肋片200的截面呈锯齿形时，锯齿的宽度h为0.005-2mm，肋片200整体也可以呈波纹形，肋片200上也可以设置有若干穿孔210，通过破坏烟气边界层，边界层厚度减薄，导致传热加强。

在本发明中，铜管100由多排铜管互相串联构成(参见图4)，形成一蛇形铜管，铜管100的一端设置进口300，所述铜管的另一端设置出口400。

在本发明中，铜管100也可由多排铜管互相并联构成(参见图6)，铜管100的一端设置有进水分配管500，进水分配管500设置有进口；同样的，铜管100的另一端设置出水分配管(图中未示)，所述出水分配管上设置有出口。

上述两种设置方式取决于水流经换热器时流动阻力的大小是否超过设计值。

实施例1

本发明的铜管带式换热器可应用于燃气热水器。

如图13所示，是一台使用比较普及的强排式热水器结构示意图。其工作原理是：燃气进入热水器600后依次流经电磁阀610、调节阀620、水气联动装置630，燃气喷咀(图中未示)后进入燃烧器640。电磁阀610用于开启或关闭燃气；调节阀620用于调节燃气量大小以适应热水器600变化负荷的需要；水气联动装置630确保一旦停水时立即切断热水器600的燃气供应，防止热水器600烧损。燃气从燃气喷咀(图中未示)喷射出来并卷吸一部空气一起进入燃烧器640，在燃烧器640内燃气与空气完全均匀混合后从火孔流出。由点火器650通过点火针651产生的电火花将燃气点燃形成稳定的火焰。燃气在燃烧室660内完全燃烬并释放出热量生成高温烟气，烟气流经辐射换热器700与对流换热器800时将热量传递给水，使水加热为卫生热水供用户使用，同时烟气急剧冷却。烟气从对流换热器800流出后进入集烟罩670，再由排风机680将烟气经排烟管690强制排向大气。排风机680与风压开关681相连，风压开关681的作用是一旦排烟受阻烟气倒灌便立即切断电源使热水器600停止工作。热水器600还配有漏电保护900，一旦发生漏电便切断电源，防止漏电伤人。

冷水进入热水器600后流经水调节阀621、水气联动装置630后进入换热器。水调节阀621的作用是改变水量大小，水气联动装置630确保停水时立即关闭燃气。冷水先进入对流换热器800再流经辐射换热器700(也可以先进入辐射换热器700再流经对流换热器800)，被加热后成为卫生热水流出。

热水器600中的辐射换热器700和对流换热器800可以采用本发明的铜管带式换热器，可以解决现在燃气热水器上使用的平片式肋片管换热器的主要技术缺陷，其对流换热系数可提高2倍左右，对流换热器铜材用量可节省40％左右。其技术性能处于当今国际先进水平。高温烟气从带状肋片200间的缝隙中流过(同时也绕流过铜管100)把热量传递给换热面，温度低的水从辐射受热面流出后进入管带式换热器的进口300，再流入铜管100并吸收从换热器传递来的热量，成为卫生热水流出。

实施例2

本发明的铜管带式换热器可应用于燃气两用炉。

如图14所示，为一种常用的燃气两用炉600’，包括密封壳体610’，燃烧室620’与烟道系统630’；在壳体610’内有燃烧室620’与集烟罩611’，在燃烧室620’的上方安装有换热器640’和集烟罩611’，换热器640’采用本发明的铜管带式换热器，集烟罩611’上部为梯形的盖帽，盖帽下部为开口的长方形，在集烟罩611’的盖帽梯形的斜边上安装有排风机612’，通过排风机612’的排风的作用，强行把集烟罩611’内的烟气排出，避免了室外逆风的影响，起到了防倒风的作用，增强了两用炉的安全性能；在排风机612’的下游通过烟道系统630’中倾斜的排烟气通道把从集烟罩611’内抽出的烟气排向给排气管631’，烟气从给排气管631’排向室外。

在燃烧室620’的底端安装有大气式燃烧器650’，该燃烧器650’通过燃气通道在集烟罩611’外连接有控制燃烧器开、闭状态的燃气阀651’，该燃气阀651’又通过控制系统来控制两用炉的运行状态，在燃气阀651’另一端连通有燃气入口652’；在集烟罩611’内安装的换热器640’，充分吸收燃气烧所产生的高温烟气的热量；在两用炉内还安装有板式换热器660’，该板式换热器660’分别通过输水管连通壳体610’内的换热器640’与板式换热器660’连通的采暖回水管上还安装有循环水泵661’，循环水泵661’下端连接膨胀水箱670’；在板式换热器660’与换热器640’输水管之间上还安装有三通阀662’，并且在板式换热器660’面板上开有卫生热水的出口663’和冷水的进口664’。

使用时，燃气经大气式燃烧器650’后，点燃并产生高温烟气，高温烟气通过换热器640’后热量被吸收，烟气再由排风机系统中的排风机612’送入外壳上端的给排气管631’排出，减少了对空气的污染，达到环保目的。

当需要供暖时，控制系统自动检查水压是否正常，并把三通阀662’切换至供暖位置，循环水泵661’和排风机612’自动开启。待风压开关接通，点火电极点火的同时，燃气阀651’自动打开，火焰感应针检测到火焰，证明大气式燃烧器650’点火成功，两用炉进入正常工作阶段。采暖回水665’流向换热器640’加热，然后被送到室内的采暖设备(如散热片、地板辐射供热系统的加热盘管等)。此时采暖水的流向：采暖回水665’→膨胀水箱670’→循环水泵661’→换热器640’→三通阀662’→采暖水出口666’→散热设备→采暖回水665’。大气式燃烧器650’被点燃后，两用炉在低负荷工况下运行，然后逐渐增大到设计工况。当室内控制器中的温度控制器或定时器要求停止加热时，大气式燃烧器650’熄灭，燃气阀651’关闭，但循环水泵661’将继续运行5-30s以降低换热器640’中的采暖水温度。

当需要卫生热水时，三通阀662’自动切换至卫生热水位置，两用炉停止供暖，采暖用水只在两用炉内部循环，并通过板式换热器660’向卫生用水传递热量，加热卫生水。当不需要卫生热水时，三通阀662’又自动切换供暖位置。为了确保使用者的安全，安装了熄火保护装置，在火焰意外熄灭时，自动关断燃气通路；还可以安装水温限定装置，限定卫生热水温度不超过65℃，避免水系统内部结垢或过热；另外，也可以增加过热保护装置，防止水温过热而引起意外危险；超压防护装置，防止系统内压力过高而损坏主机及其它设备。

两用炉另一个特点是采用了防倒风保护装置即排风机系统，防止烟囱堵塞或烟气倒流室内，采用强制平衡式流量使其燃烧系统与室内隔绝并具有抗风能力；通过上述技术使两用炉具有结构简单、成本低、使用方便、易于推广使用的优点。

两用炉上使用的换热器与热水器有一定区别：

①在两用炉上使用绝热材料组成的燃烧室(即没有辐射换热器)，因此两用炉上只有对流换热器；

②在两用炉燃烧室上方的对流换热器也采用了平片式肋片管(水管为椭圆管，肋片厚0.3-0.4mm)，当烟气绕流过椭圆管时背风面形成的回流区比圆管略小，但仍比扁管要大。这种换热器存在的不足与热水器上使用平片式肋片管换热器完全相同，因此本专利在两用炉上也采用了管带式换热器，由此可带来吸热强度增大，换热器使用材料大幅下降。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (13)

1.一种铜管带式换热器，它由铜管和肋片构成，其特征在于，所述铜管与肋片互相叠合连接，所述肋片为波带状肋片，所述铜管的一端设置进口，所述铜管的另一端设置出口。

2.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述铜管与肋片之间采用硬针焊方法互相焊接连接。

3.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述铜管为铜扁管，明显减小气流流过铜管时在背风面产生的回流区。

4.如权利要求3所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述铜扁管的内部流道的宽度为2.0-4.0mm，可以减少铜扁管壁面边界层的厚度，增强对流换热效果。

5.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述肋片的厚度为0.03-0.2mm，使肋片的吸热强度达到最大。

6.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述肋片的波峰与波谷之间的垂直距离为10-30mm，所述肋片的相邻波峰之间的间距为1-5mm。

7.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述肋片的截面呈矩形、三角形、锯齿形、百叶窗形等规则或不规则形状，能有效地强化肋片的传热功能。

8.如权利要求7所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述肋片整体呈波纹形。

9.如权利要求7所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述肋片上设置有若干穿孔。

10.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述铜管由多排铜管互相串联构成，形成一蛇形铜管，所述铜管的一端设置进口，所述铜管的另一端设置出口。

11.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，所述铜管由多排铜管互相并联构成，所述铜管的一端设置有进水分配管，所述铜管的另一端设置出水分配管，所述进水分配管设置有进口，所述出水分配管上设置有出口。

12.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，本发明的铜管带式换热器可应用于燃气热水器。

13.如权利要求1所述的铜管带式换热器，其特征在于，本发明的铜管带式换热器可应用于燃气两用炉。

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