CN102384588B - 一种用于燃气热水器的倒v形结构冷凝换热器 - Google Patents

一种用于燃气热水器的倒v形结构冷凝换热器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是包括一个集烟罩，冷凝器盒通过冷凝器支架设置在集烟罩上方，进烟口设置在冷凝器盒底中间位置；对称波纹管阵列和倒V形折流板顺序设置在冷凝器盒底和带有排烟口的冷凝器盖之间，冷凝水出口设置冷凝器盒底低处。工作时，烟气由于倒V形折流板的阻挡作用，分两路逆流进入并联波纹阵列管区域，形成倒V形的强制对流换热，烟气温度降低，从倒V形折流板两侧收集后经排烟口处排出，烟气流通路径为双斜Z型曲线，换热效率高。本发明结构紧凑、简单实用，节能节材，成本相对较低，在主换热器上不会产生冷凝水。

Description

一种用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器
技术领域
本发明涉及一种冷凝换热器，尤其涉及一种用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器。
背景技术
针对传统燃气热水器所排烟气中含有大量的潜热，人们通过各种方法进行潜热回收再利用，其中使用冷凝式燃气热水器就是其中一种。
冷凝式燃气热水器一般是通过两组热交换系统进行两次换热来降低烟气的温度，以达到提高热水器的热效率目的，现有技术中燃气热水器的冷凝换热器主要采用翅管式换热和管式换热。燃气燃烧产生的高温烟气经主换热器换热后，进入冷凝换热器时温度仍然在100℃以上，在冷凝换热器中与波纹管或翅片直接进行二次换热后，温度虽然大幅降低，但未经一个路径改变的过程，烟气总是选择阻力较小的地方直接通过，导致烟气只与进行波纹管或翅片局部换热，造成换热不充分，冷凝换热器排烟温度依然远远高于常温，约75℃左右，烟气中的余热并未充分回收，因此换热效率低，热效率还有待提高。
而且，翅管式冷凝换热器制造工艺复杂，成本较高，且易腐蚀。管式换热采用波纹管，布置于热水器主体的左侧或右侧，排烟阻力较大，主换热器易产生冷凝水，使热水器内部构件损坏，同时整体结构体积较大。
为克服上述缺陷，通过对冷凝式燃气热水器的烟气流向进行研究，并对冷凝换热器的结构进行新的研发、设计。
发明内容
为了克服普通冷凝式燃气热水器排烟温度相对较高、主换热器易产生冷凝水、制造工艺复杂、成本较高、且易腐蚀、整体结构体积较大等问题，本发明提出了解决这些问题的新的技术方案。
一种用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：包括一个集烟罩，冷凝器盒通过冷凝器支架设置在集烟罩上方，冷凝器盒底与集烟罩之间不直接接触；进烟口设置在冷凝器盒底中间位置，与集烟罩顶端的开口匹配相连；波纹管组成的波纹管阵列设置在冷凝器盒底上方，倒V形折流板设置在波纹管阵列上方，冷凝器盖设置在冷凝器盒顶端，将波纹管阵列和倒V形折流板盖在冷凝器盒内，排烟口设置在冷凝器盖上；冷凝水出口设置冷凝器盒底低处。
作为本发明的进一步改进，所述倒V形折流板的两边形成一定角度的夹角，且两边缘以一定的长度和角度向下弯折，以阻挡烟气向上直通，迫使烟气改向两边逆流，促进冷凝换热器换热较均匀，换热效率较高；弯折部分与冷凝器盒的内壁留有足够的空隙，让二次换热后的烟气通过。
作为本发明的进一步改进，倒V形折流板优选为不锈钢材料制成，加强防腐性能。
作为本发明的进一步改进，所述冷凝器盒底两边与倒V形折流板对应边平行设置，有利波纹阵列管区中的烟气均匀分布，也有利于冷凝水的收集。
作为本发明的进一步改进，所述集烟罩为下宽上窄的“八”字形开口结构，其顶端形成的夹角小于倒V形折流板的夹角时，更有利于主换热器上方的烟气均匀分布，提高各翅片换热效率，避免显热换热器顶部冷凝水产生；也使得集烟罩顶部与冷凝盒底存在空气层进行隔热，防止集烟罩集烟罩顶部由于温度较低而产生冷凝水。其顶部开口宽度优选为按波纹管直径的倍数选取，底部开口与主换热器开口相匹配。集烟罩两边缘设置有水平的弯折，冷凝器支架设置在弯折部位与冷凝器盒底两边缘之间，用以支撑冷凝器盒；冷凝器支架的主体部分相对较小，以免影响集烟罩顶部与冷凝盒底之间的隔热。
作为本发明的进一步改进，所述波纹管组成的波纹管阵列为按一定垂直管心间距排列的并联波纹管叉排式阵列管，设置在进烟口两边区域，相对于进烟口为轴对称排列。其结构之一为：在进烟口一侧，下面两并联进水管，从进烟口前侧经蛇形绕到进烟口后侧，按一定水平管心间距再绕回进烟口前侧，如此反复回绕，在进烟口中轴对称的两边区域各均匀对称连续绕三列，并在进烟口另一侧，与位于其上方的两并联出水管按垂直管心间距进行并联后，两并联出水管顺着两并联进水管反向绕回到两并联进水管的起点上方，在冷凝器盒两边区域形成了对称的三列四层的并联波纹管叉排式阵列管，每个区域的各层管子中心连线互相平行，并与上方的倒V形折流板对应边平行，使并联波纹管叉排式阵列管均匀分布在冷凝器两边与倒V形折流板之间。水流顺着下面两并联进水管进入，经蛇形并联换热混合后，再经上面的两并联出水管继续经蛇形并联换热后，流出进入主换热器，实现了并联换热，增大了换热面积；水流反复由前侧到后侧再到前侧，实现了前后烟温均匀分布。这种结构与倒V形折流板配合，还有利于减小整体体积，减少生产工艺和降低成本。。
更进一步地，并联波纹管叉排式阵列管在每个区域的横向排列的各层水平管心间距按波纹管直径的倍数选取。
所述倒V形结构冷凝换热器的换热过程是：
高温烟气经主换热器换热后，在主换热器上方烟气均匀分布，在集烟罩内汇集，进入冷凝换热器；在冷凝换热器中，烟气从进烟口进入冷凝换热器后，由于集烟罩和进烟口组成下宽上窄的结构，气压增大，使得烟气加速上行，由于烟气向上直通受倒V形折流板阻挡，烟气改向分两路逆流进入并联波纹阵列管区域，形成倒V形的强制对流换热；由于并联波纹阵列管区域空间相对较大，且两边分流，烟气到了这个区域后，气压减少，流速减弱；由于有向下的折回，改变烟气路径，引起烟气进口处和排烟处压差较大，使烟气均匀通过波纹管，间接提高波纹管表面换热面积，使烟气与波纹管换热更充分，从而提高换热效率，还增强了热水器整机的抗风能力。
充分换热后，烟气温度快速降低，烟气中的水蒸气降低到露点后在冷凝换热器中冷凝成水，落在冷凝器盒底较低位置从冷凝水出口排出，而不会回流到主换热器中去；冷凝器盒底与集烟罩之间有空气隔热层，彼此不直接接触，主换热器上方也不会遇冷产生冷凝水；低温烟气从V形折流板两侧收集后，从倒V形折流板的边缘与壳体的内边缘的空隙处流出，顺着倒V形折流板上方空间上升，最后汇集在排烟口处排出，排烟顺畅阻力小。
整个过程中，烟气流通路径为对称双斜Z型曲线，使烟气在有限的空间内有效地延长了排放路程。而且，由于倒V形折流板的阻挡作用，在并联波纹阵列管区域中，烟气从上往下流动，这种前高后低的折回走势，有利于烟气的分层，使得较高温的烟气在较高处换热，较低温的烟气在较低处换热，使水蒸汽尽可能地在后端较低处达到露点形成冷凝水，避免了冷凝水落在温度较高的在波纹管上，形成水膜阻碍温度较高的烟气换热，使换热过程进行得更加充分。
综上所述，本发明带来的有益效果是：
1、本发明整体结构紧凑、体积小，简单实用，倒V形折流板只需板材冲压和焊接就可以完成安装制作，工艺简单。相对于管式冷凝换热器，结构优化显著，有利于整机设计，在同样节能效果下，避免大量铜材的耗用，大大降低了成本。
2、采用对称双斜Z型曲线排烟，使烟气排放流畅，增强抗逆风能力。而且烟气的分层效果好，使并联波纹管叉排式阵列管能充分吸收烟气中的潜热，提高换热效率，经测量，排出的烟气温度降至48℃左右，远低于普通的冷凝式燃气热水器的75℃，热效率达到103％以上，节能效果显著提高。
3、主换热器不会产生冷凝水，而且冷凝换热器中的冷凝成水不会回流到主换热器，从而保护了热水器内部构件不会受到水的损坏，而且倒V形折流板采用不锈钢，进一步提高了抗腐蚀性能。
有鉴于此，本发明的这种倒V形结构冷凝换热器还可以用于类似结构的燃气设备或装置上，极具推广价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式，对本发明及其有益技术效果进行进一步详细说明，其中：
图1为倒V形结构冷凝换热器中烟气的对称双斜Z型曲线流通路径示意图，图中的箭头表示烟气的流向。
图2为倒V形结构冷凝换热器的断面图。
图3为倒V形结构冷凝换热器的并联波纹管叉排式阵列管结构立体图，图中箭头表示水流方向。
图4为倒V形结构冷凝换热器的主要结构参数示意图。
附图标记说明：
10为主换热器、11为冷凝器盒底、12为冷凝换热器，13为冷凝器盒、14为冷凝器盖、15为排烟口、16为倒V形折流板、17为进烟口、18为波纹管、19为冷凝水出口、20为冷凝器支架、21为集烟罩、180为并联进水管、181为并联出水管。
具体实施方式
参见图1～图2，冷凝换热器12设置在主换热器10上方，其特征是：包括一个集烟罩21，冷凝器盒13通过冷凝器支架20设置在集烟罩21上方，冷凝器盒13的底部冷凝器盒底11与集烟罩21之间不直接接触；进烟口17设置在冷凝器盒底11中间位置，与集烟罩21顶端的开口匹配相连；波纹管18组成的波纹管阵列设置在冷凝器盒底11上方，倒V形折流板16设置在波纹管阵列上方，冷凝器盖14设置在冷凝器盒13顶端，将波纹管阵列和倒V形折流板16盖在冷凝器盒13内，排烟口15设置在冷凝器盖14上；冷凝水出口19设置冷凝器盒底11低处。
参见图4，所述倒V形折流板16的两边形成的夹角α为120°～170°，倒V形折流板16的两边缘相对于倒V形折流板16各以一定的角度和长度向下弯折，将最靠近倒V形折流板16边缘的波纹管18半包围。弯折部分与冷凝器盒13的内壁留有足够的空隙，让二次换热后的烟气通过。
进一步地，倒V形折流板的两边形成的夹角α优选为150°；弯折长度L优选为与波纹管直径d相同，相对于倒V形折流板弯折角度β优选为30°。此时冷凝换热器换热较均匀，换热效率较高。
优选地，所述倒V形折流板16由不锈钢材料制成。
参见图4，优选地，所述冷凝器盒底11两边与倒V形折流板16对应边平行设置。
参见图2和图4，优选地，所述集烟罩21为下宽上窄的“八”字形开口结构，其顶端形成的夹角γ小于倒V形折流板16的两边形成的夹角α，进一步夹角γ优选为120°。其顶部开口宽度W优选为波纹管18的直径d的2倍，底部开口与主换热器10开口相匹配。集烟罩21两边缘设置有水平的弯折，冷凝器支架20设置在弯折部位，集烟罩21通过冷凝器支架20与冷凝器盒底11固定连接。由于冷凝器支架20的主体部分相对较小，不会影响集烟罩21顶部与冷凝盒底11之间的隔热。
优选地，所述波纹管18组成的波纹管阵列为按一定垂直管心间距H排列的并联波纹管叉排式阵列管，设置在进烟口17两边区域，相对于进烟口17为轴对称排列。
进一步地，如图3所示，所述并联波纹管叉排式阵列管的结构优选为：在进烟口17一侧，下面两并联进水管180，从进烟口17前侧经蛇形绕到进烟口17后侧，按一定水平管心间距D再绕回进烟口17前侧，如此反复回绕，在进烟口17中轴对称的两边区域各均匀对称连续绕三列，并在进烟口17另一侧，与位于其上方的两并联出水管181按垂直管心间距H进行并联后，两并联出水管181顺着两并联进水管180反向绕回到两并联进水管180的起点上方，在冷凝器盒13两边区域形成了对称的三列四层的并联波纹管叉排式阵列管，每个区域的各层波纹管18中心连线互相平行，并与上方的倒V形折流板对应边平行，使并联波纹管叉排式阵列管均匀分布在冷凝器11两边。水流顺着下面两并联进水管180进入，经蛇形并联换热混合后，再经上面的两并联出水管181继续经蛇形并联换热后，流出进入主换热器10，实现了并联换热，增大了换热面积；水流反复由前侧到后侧再到前侧，实现了前后烟温均匀分布。
更进一步地，如图4所示，所述并联波纹管叉排式阵列管在每个区域的横向排列的各层水平管心间距D为波纹管直径d的2倍；各层之间垂直管心间距H优选为波纹管直径d的1.5倍。
根据上述说明书及具体实施例并不对本发明构成任何限制，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变形，比如倒V形折流板的置换成半圆形等形状、用其它形式的管子代替波纹管等措施，也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：包括一个集烟罩，冷凝器盒通过冷凝器支架设置在集烟罩上方，冷凝器盒底与集烟罩之间不直接接触；进烟口设置在冷凝器盒底中间位置，与集烟罩顶端的开口匹配相连；波纹管组成的波纹管阵列设置在冷凝器盒底上方，倒V形折流板设置在波纹管阵列上方，冷凝器盖设置在冷凝器盒顶端，将波纹管阵列和倒V形折流板盖在冷凝器盒内，排烟口设置在冷凝器盖上；冷凝水出口设置冷凝器盒底低处。
2.根据权利要求1所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述倒V形折流板的两边形成的夹角为120°～70°；倒V形折流板的两边缘相对于倒V形折流板的板边各以一定的角度和长度向下弯折，将最靠近倒V形折流板边缘的波纹管半包围。
3.根据权利要求2所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述倒V形折流板的两边形成的夹角为150°；弯折长度与波纹管直径相同，相对于倒V形折流板弯折角度为30°。
4.根据权利要求1至3任一项所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述倒V形折流板由不锈钢材料制成。
5.根据权利要求1所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述冷凝器盒底两边与倒V形折流板对应边平行。
6.根据权利要求1所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述集烟罩为下宽上窄的“八”字形开口结构，其顶端形成的夹角小于倒V形折流板的两边形成的夹角。
7.根据权利要求1或6所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述集烟罩顶端形成的夹角为120°，所述集烟罩顶部开口宽度优选为波纹管直径的2倍，底部开口与主换热器开口相匹配；集烟罩两边缘设置有水平的弯折，冷凝器支架设置在弯折部位，集烟罩通过冷凝器支架与冷凝器盒底固定连接。
8.根据权利要求1所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述波纹管组成的波纹管阵列为按一定垂直管心间距排列的并联波纹管叉排式阵列管，设置在进烟口两边区域，相对于进烟口为轴对称排列。
9.根据权利要求8所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述并联波纹管叉排式阵列管的结构为：在进烟口一侧，下面两并联进水管，从进烟口前侧经蛇形绕到进烟口后侧，按一定水平管心间距再绕回进烟口前侧，如此反复回绕，在进烟口中轴对称的两边区域各均匀对称连续绕三列；并在进烟口另一侧，与位于其上方的两并联出水管按一定的管心垂直间距进行并联后，两并联出水管顺着两并联进水管反向绕回到两并联进水管的起点上方，在冷凝器盒两边区域形成了对称的三列四层的并联波纹管叉排式阵列管，每个区域的各层波纹管中心连线互相平行，并与上方的倒V形折流板对应边平行，使并联波纹管叉排式阵列管均匀分布在冷凝器两边。
10.根据权利要求8或9所述的用于燃气热水器的倒V形结构冷凝换热器，其特征是：所述并联波纹管叉排式阵列管在每个区域的横向排列的各层水平管心间距为波纹管直径的2倍；各层之间垂直管心间距为波纹管直径的1.5倍。
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