CN104048413A - 一种用于气液热交换的冷凝换热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于气液热交换的冷凝换热器，该冷凝换包括壳体和由上到下依次设置在壳体内部的燃烧室和烟气流动通道，壳体内壁设置有水流通道，壳体上下端依次设置燃气进口和烟气出口，壳体的一侧面呈平面，另一侧面在燃烧室对应的部分在烟气流动方向上由宽渐变窄；烟气流动通道沿着烟气流动方向的对应两侧面的内壁分别交错相对固定呈圆台体结构的肋柱，肋柱设置在垂直于烟气流动方向上并且其长度与烟气流动通道的对应两侧面的距离基本相等。按照本发明，能够实现燃气的充分燃烧，在总体积不变时，交错排列的圆台形肋柱对冲刷烟气具有比等截面圆柱更好的换热效果。

Description

一种用于气液热交换的冷凝换热器

技术领域

本发明属于气液热交换领域，更具体地，涉及一种用于气液热交换的冷凝换热器。

背景技术

最近十几年来，随着天然气行业的发展，国内的燃气壁挂炉产业已显示其巨大的发展潜力。目前国内大量使用普通燃气壁挂炉，满负荷下热效率在90％左右，小负荷下热效率在85％左右，排烟温度都在120℃以上，烟气带走大量热量，效率较低，浪费大量的能源，若要进一步提高热效率，节省能源，则需降低排烟温度，即将烟气中的余热回收利用。

目前市场上的冷凝式壁挂炉，排烟温度最低可降到40℃左右，烟气中水蒸气潜热基本被充分吸收和利用，故此热效率可大于100％，最高可达109％，使得能耗很低，发展前景乐观。其中，带有燃烧室的全预混燃气换热器，有良好的燃烧效果，并且很好的利用火焰和烟气的能量，具有较高的效率。

但是，当燃气在燃烧室中燃烧时，烟气道中比较普遍的加强换热的措施为布置圆柱形肋柱，由于圆柱阵列体积较大，换热器多为金属材质，材料成本较高。而且尾部烟气冷凝产生的冷凝水容易附着在在圆柱上，不易下落，不仅影响换热效果，而且极易腐蚀，影响换热器使用寿命。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于气液热交换的冷凝换热器，解决现有冷凝换热器烟气污染物浓度高、换热效率低、冷凝水易附着等问题；以提高换热效率、减少能源消耗、节约生产成本，提高壁挂炉使用寿命，达到国家节能环保标准。

按照本发明的一个方面，一种用于气液热交换的冷凝换热器，该换热器包括壳体和依次设置在壳体内部的燃烧室和烟气流动通道，所述壳体两侧壁面腔设置水流通道，所述壳体上下端分别设置燃气进口和烟气出口，其特征在于：

所述烟气流动通道沿着烟气流动方向的一个侧面的内壁固定呈圆台体结构的肋柱阵列，所述肋柱阵列中的肋柱设置在垂直于烟气流动方向上并且其长度与所述烟气流动通道的所述侧面与其对应平行的侧面的距离基本相等；

进一步地，所述壳体对应于烟气流动通道的区域大致呈长方体设计，而对应于燃烧室区域的一侧面整体呈平面，另一对应的侧面在燃烧室对应的区域呈现以下形状：即沿着所述烟气流动的方向，所述两侧面的距离由窄变宽再由宽渐变窄，以此方式增大燃烧空间。

进一步地，所述燃烧室的两侧内壁顺排相对设置与所述肋柱大致平行的肋柱，其中垂直于烟气流动方向上的肋柱行上的每个肋柱的高度相等，沿着烟气流动方向上的肋柱列的高度由上到下呈幅度依次增加的波浪状形式。

本发明通过对燃烧室的优化设计，使其一侧为平面便于悬挂，节省安装空间。换热器下部内壁面烟气流动通道采用的圆台体肋柱强化了烟气流动特性，节约生产成本，并且有利于冷凝水排出。燃烧室优化布置顺排导流肋柱，在加强换热同时提供足够燃烧空间，降低了CO和NOX排放。

按照本发明，能够提高换热效率，减少能源消耗，节约生产成本。

附图说明

图1为按照本发明的冷凝换热器的整体外形结构示意图；

图2为本发明中的泠凝换热器沿示意图1的需要截面视图；

图3为按照本发明实施例1所示的换热器烟气流动通道内壁的圆台体肋柱在XY截面方向的布置方式的示意图；

图4为按照本发明实施例1所示的圆台体肋柱布置方式在YZ截面示意图；

图5为按照本发明实施例2所示的换热器烟气流动通道内壁的圆台体肋柱XY截面方向的布置方式的示意图；

图6为按照本发明实施例2所示的圆台肋柱布置方式在图3中沿YZ的截面示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件或结构，其中：

10-冷凝换热器11-燃气进气口12-燃烧室13-圆柱体肋柱14-内壁面水道15-圆台体肋柱16-换热器壁面17-尾气出口18-烟气流动通道

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为换热器10壳体的外观整体视图，图2为按照本发明的换热器的XY截面结构示意图，换热器10壳体内部上下两端分别具有燃气进口11和烟气出口17，其中上部是燃烧室12，中下部是烟气流动通道18，两侧壳体壁面腔都分布着水流通道14。

换热器10壳体内部上部的燃烧室12内壁设置有圆柱形肋柱13，壳体内部中下部烟气流通区18域分布着圆台体肋柱15；

换热器整体外形一侧面呈平面，另外一侧面在燃烧室12对应的部分在换热器高度方向上的宽度由宽渐变窄，如换热器外形图1和XY剖面侧视图2所示；

燃烧室12内壁顺排加装圆柱形肋柱13，两侧圆柱体肋柱13高度均由低到高再由低到高的排列方式，使燃烧室11的中空燃烧区域轮廓宽度，沿着换热器两边的外壳排布的高低不一的圆柱体端部先减缩再渐阔再减缩，后逐渐变窄至烟气道宽度，即呈幅度逐渐增大的波浪式形式，最终使燃烧室中心空间截面类似由宽到窄的倒水滴形状，见换热器沿线XY截面图2；

烟气道18内壁布置圆台体的肋柱15，相邻肋柱15反向排列，整体成正三角形错排布置。

工作时，待加热的水由进水口进入，流过换热器两侧盘绕的水流通道，从出水口流出，进水口的水温为常温。燃烧器从燃气进口11处与换热器10上部连接，燃气由燃烧器进入换热器10壳体上侧的燃气进口11，在上部燃烧室12燃烧，产生的烟气通过换热器10内侧上端壁面布置的圆柱形肋柱13后均匀流通过下端布置的圆台形肋柱15，从封闭壳体下侧的烟气出口17排出。

对于燃烧室12，若要加强烟气侧换热效果，需增大肋柱表面积增强换热，但这又极易导致燃烧空间不足，而产生大量CO和NOX。在烟气道，若要增强换热效果，同样要增加烟气侧换热面积并且加强气体湍流强度。但是，换热面积的增加会导致流动阻力过大，并且提高制造成本。水蒸汽冷凝成液态水后容易附着在肋柱上，影响换热。

本发明工作时，燃烧器安装在燃气进口11部位，燃气通过燃烧器从换热器燃气进口11进入后，在燃烧室12中燃烧，由于圆柱肋柱13的优化设计，燃烧室先变宽，后逐渐变窄，在保证燃烧空间的情况下最大地增大了换热面积。肋柱13为顺排布置，可以起到导流作用，使烟气在进入烟道时分布均匀，保证了换热的稳定性。

烟气由燃烧室12进入下部烟气流动通道18，依次流通过上部内壁面的肋柱和下部圆台体肋柱，肋柱中心线截面处空气流动间隙为平行四边形，并且相邻间隙方向相反，增强了烟气的湍流强度，增加了扰动性，从而提高了对流换热系数，进而提高了换热效果。在冷凝部分，由于圆台的下边界是倾斜的，当水蒸汽在肋柱凝结时，由于重力作用可以迅速沿着边界流至大截面端，然后顺水冷壁流下。相比等截面圆柱，变截面圆台体肋柱设计能快速排出冷凝水，进而强化换热。实验结果显示，在总体积不变时，交错排列的圆台形肋柱具有比等截面圆柱更好的换热效果。

图3、4为烟道圆台肋柱15的第一种布置方式，图3为水平布置图，图4为竖直布置图。竖直方向呈正三角形排列。水平方向，同一排相邻肋柱方向相反，例如，若一个圆台肋柱小直径一端垂直纸面向外，则与其同排相邻的肋柱小直径端垂直纸面向外。

附图5、6为烟道圆台肋柱15的第二种布置方式，附图5为水平布置图，附图6为竖直布置图。竖直方向与方案1相同，呈正三角形排列。水平方向，同一排肋柱方向相同，临排肋柱方向相反。

本发明便于悬挂，安装方便。烟气道结构不仅能够强化换热，而且便于冷凝水排出，燃烧室加强换热同时提供足够燃烧空间，降低了CO和NOX排放。本设计提高了换热效率，节约了生产成本，减少了能源消耗，符合节能低碳的理念。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于气液热交换的冷凝换热器，该换热器包括壳体和依次设置在壳体内部的燃烧室(12)和烟气流动通道(18)，所述壳体两侧壁面腔设置水流通道(14)，所述壳体上下端分别设置燃气进口(11)和烟气出口(17)，其特征在于： 

所述烟气流动通道(18)沿着烟气流动方向的一个侧面的内壁固定呈圆台体结构的肋柱阵列(15)，所述肋柱阵列(15)中的肋柱设置在垂直于烟气流动方向上并且其长度与所述烟气流动通道(18)的所述侧面与其对应平行的侧面的距离基本相等。 

2.如权利要求1所述的用于气液热交换的冷凝换热器，其特征在于，所述壳体对应于烟气流动通道(18)的区域大致呈长方体设计，而对应于燃烧室(12)区域的一侧面整体呈平面，另一对应的侧面在燃烧室(12)对应的区域呈现以下形状：即沿着所述烟气流动的方向，所述两侧面的距离由窄变宽再由宽渐变窄，以此方式增大燃烧空间。 

3.如权利要求2所述的用于气液热交换的冷凝换热器，其特征在于，所述燃烧室(12)的两侧内壁顺排相对设置与所述肋柱(15)大致平行的肋柱(13)，其中垂直于烟气流动方向上的肋柱行上的每个肋柱(13)的高度相等，沿着烟气流动方向上的肋柱列的高度由上到下呈幅度依次增加的波浪状形式。