CN105091339A - 一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置 - Google Patents

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彭世尼
蒋星池
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Abstract

本发明提供一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，包括换热器壳体、壳体内的管道组、烟气进口、出水管、进水管、冷凝水排出管和烟气出口。本发明的燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，耐压强度高，易于加工，制造及维修成本低，冷凝水易于收集，使用寿命长，提升燃气热水器的燃气利用效率，节能环保。此外，本发明结构简单，可靠性高，采用防腐金属材质(诸如不锈钢、铝合金等)即可避免复杂的防腐处理工艺，生命周期无需更换。

Description

一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置
技术领域
本发明涉及燃气燃烧与应用工程中的节能环保技术领域。
背景技术
家用燃气快速热水器烟气的余热回收是提高燃气利用效率的重要手段，对于节约能源和保护环境意义重大。现有的冷凝式家用燃气热水器具，其烟气冷凝与余热回收大多采用两种形式：一是单一换热器兼顾烟气高温热交换和冷凝换热两种功能，即不分级换热；二是采用冷凝式余热回收换热装置分级换热。目前市售的冷凝式燃气热水器上大多采用的是冷凝式余热回收换热装置分级换热方式，但现有的冷凝式余热回收换热装置都存在一些缺陷，大致包括以下几点：
(1)冷凝式余热回收换热装置采用水管式设计，烟气外掠水管管束与管内冷水进行热交换，管外采用环形肋片增加换热面积，为保证烟气与管束的换热效果，烟气与管束内的水流方向是垂直的，这在实际使用中存在着冷凝水难以收集的问题。
(2)冷凝式余热回收换热装置采用火管式设计，水流外掠烟气管束与管内的烟气进行热交换，为了满足烟气侧的换热需要，增加了烟管的内表面积，且烟管垂直安装，这样的设计虽然解决了冷凝水的收集问题，但更重要的问题是水在换热器壳内的水管之外，对其壳体的耐压强度要求很高，增加了壳体的材料消耗，且容易出现漏水情况。
发明内容
本发明的目的是解决现有的冷凝式家用燃气热水器所存在的冷凝式余热回收换热器的金属耗材量大、耐压处理难、换热性能差等缺陷问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，包括换热器壳体、壳体内的管道组、烟气进口、出水管、进水管、冷凝水排出管和烟气出口。
所述换热器壳体为一个中空立方金属体。所述换热器壳体包括正面壁、背面壁、顶壁、底壁、侧壁Ⅰ和侧壁Ⅱ。所述正面壁的对面是侧面壁。所述侧壁Ⅰ的对面是侧壁Ⅱ。所述底壁装有冷凝水排出管。所述侧壁Ⅰ上开有圆孔Ⅰ。所述侧壁Ⅱ上开有圆孔Ⅱ。所述烟气进口为两端敞口的圆筒。所述烟气进口的一端嵌入圆孔Ⅰ。所述烟气出口为两端敞口的圆筒。所述烟气出口的一端嵌入圆孔Ⅱ。
所述管道组包括换热管体系、连通管体系、出水汇管体系和进水分配管体系。
所述换热管体系由m行n列换热管构成，其中m、n均为不小于3的自然数。所述换热管体系的每根换热管均纵向布置，行列之间的间隙距离为S。所述换热管体系的每根换热管外侧面上均带有纵肋。第一列的换热管包括换热管ⅠⅠ、换热管ⅠⅡ、…换热管ⅠM。第二列的换热管包括换热管ⅡⅠ、换热管ⅡⅡ、…换热管ⅡM。……第n列的换热管包括换热管NⅠ、换热管NⅡ、…换热管NM，N的值等于n，M的值等于m。
所述连通管体系分为上层连通管体系和下层连通管体系。所述上层连通管体系包括上层连通管Ⅱ、上层连通管Ⅲ、…上层连通管N。所述下层连通管体系包括下层连通管Ⅱ、下层连通管Ⅲ、…下层连通管N。
所述出水汇管体系包括出水汇管Ⅰ、出水汇管Ⅱ、…出水汇管N。所述进水分配管体系包括进水汇管Ⅰ、进水汇管Ⅱ、…进水汇管N。
所述出水汇管体系中每根出水汇管均平行于水平面。所述出水汇管体系中仅出水汇管Ⅰ的一端敞口，另一端封闭，其余出水汇管均两端封闭。所述出水汇管Ⅰ的敞口为管口Ⅰ。所述进水分配管体系中每根进水分配管均平行于水平面。所述进水分配管体系中仅进水分配管N的一端敞口，另一端封闭，其余进水分配管均两端封闭。所述进水分配管N的敞口为管口Ⅱ。
第一列的全部换热管的上端嵌入出水汇管Ⅰ的圆周侧壁且相互连通。第一列的全部换热管的下端嵌入进水分配管Ⅰ的圆周侧壁且相互连通。
第二列的全部换热管的上端嵌入出水汇管Ⅱ的圆周侧壁且相互连通。第二列的全部换热管的下端嵌入进水分配管Ⅱ的圆周侧壁且相互连通。
……
第n列的全部换热管的上端嵌入出水汇管N的圆周侧壁且相互连通。第n列的全部换热管的下端嵌入进水分配管N的圆周侧壁且相互连通。
所述上层连通管Ⅱ的一端嵌入出水汇管Ⅰ的圆周侧壁并相互连通。所述上层连通管Ⅱ的另一端嵌入出水汇管Ⅱ的圆周侧壁并相互连通。
上层连通管Ⅲ的一端嵌入出水汇管Ⅱ的圆周侧壁并相互连通。上层连通管Ⅲ的另一端嵌入出水汇管Ⅲ的圆周侧壁并相互连通。
……
所述下层连通管Ⅱ的一端嵌入进水分配管Ⅰ的圆周侧壁并相互连通。所述下层连通管Ⅱ的另一端嵌入进水分配管Ⅱ的圆周侧壁并相互连通。
所述下层连通管Ⅲ的一端嵌入进水分配管Ⅱ的圆周侧壁并相互连通。所述下层连通管Ⅲ的另一端嵌入进水分配管Ⅲ的圆周侧壁并相互连通。
……
所述出水管从正面壁垂直嵌入与管口Ⅰ连通。所述进水管从正面壁垂直嵌入与管口Ⅱ连通。所述管道组与出水管和进水管连接成一体后，悬空在换热器壳体内。
烟气从烟气进口流入换热器壳体，然后从管道组的各个管道之间的间隙流过，最后从烟气出口流出。
冷水从进水管流入管道组，在管道组中分流后又汇聚，最后从出水管流出。冷水的初始温度为市政自来水供水水温，流速为不高于热水器的主换热管管内水的流速。
进一步，所述烟气出口处安装有排烟管道。
进一步，所述换热管的外侧面上纵肋的横截面可以是矩形、三角形或其他形状。
进一步，所述管道组与出水管和进水管连接成一体后，仅具有出水口和进水口，其余管路均封闭。
进一步，所述上层连通管均与出水汇管垂直，所述下层连通管均与进水分配管垂直。
进一步，本发明装置的用材可采用各类抗腐蚀性能良好的金属材料，也可采用各类换热特性良好的复合材料。
本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明的燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，耐压强度高，易于加工，制造及维修成本低，冷凝水易于收集，使用寿命长，提升燃气热水器的燃气利用效率，节能环保。还可以针对不同冷凝热负荷的需要进行模块化的结构构建，可以广泛用于各种冷凝式燃气热水器等需要进行冷凝与余热回收的燃气用具设备中。
附图说明
图1为燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置的主体结构图。
图2为图1中A-A的剖视图。
图3为图1中D-D的剖视图。
图4为图1的C向视图。
图5为图1中B-B的剖面图。
图中：换热器壳体1、管道组2、烟气进口3、出水管4、进水管5、换热管体系6、换热管ⅠⅠ611、换热管ⅠⅡ612、换热管ⅠⅢ613、换热管ⅡⅠ621、换热管ⅡⅡ622、换热管ⅡⅢ623、换热管ⅢⅠ631、换热管ⅢⅡ632、换热管ⅢⅢ633、连通管体系7、上层连通管Ⅱ72、上层连通管Ⅲ73、下层连通管Ⅱ702、下层连通管Ⅲ703、出水汇管体系8、出水汇管Ⅰ81、出水汇管Ⅱ82、出水汇管Ⅲ83、进水分配管体系9、进水分配管Ⅰ91、进水分配管Ⅱ92、进水分配管Ⅲ93、冷凝水排出管10、烟气出口11、排烟管道12。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，包括换热器壳体1、壳体内的管道组2、烟气进口3、出水管4、进水管5、冷凝水排出管10和烟气出口11。
所述换热器壳体1为一个中空立方金属体。所述换热器壳体1包括正面壁、背面壁、顶壁、底壁、侧壁Ⅰ和侧壁Ⅱ。所述正面壁的对面是侧面壁。所述侧壁Ⅰ的对面是侧壁Ⅱ。所述底壁与水平面之间的夹角为α，0°＜α＜10°。所述底壁装有冷凝水排出管10。为了方便换热器壳体1内的冷凝水迅速流畅的排除，所述冷凝水排出管10从底壁的最低处嵌入后进行焊接，其圆周侧面与侧壁Ⅱ相切。所述侧壁Ⅰ上开有圆孔Ⅰ。所述侧壁Ⅱ上开有圆孔Ⅱ。为了使烟气至上而下的流通，所述圆孔Ⅰ应尽量靠近侧壁Ⅰ的上端，所述圆孔Ⅱ应尽量靠近侧壁Ⅱ的下端。但是圆孔Ⅱ到侧壁Ⅱ下端的距离应大于1cm，防止冷凝水从圆孔Ⅱ溢出。所述烟气进口3为两端敞口的圆筒。所述烟气进口3的一端嵌入圆孔Ⅰ后进行焊接。所述烟气出口11为两端敞口的圆筒。所述烟气出口11的一端嵌入圆孔Ⅱ后进行焊接。所述烟气出口11的另一端连通排烟管道12。所述换热器壳体1是通过焊接将各个壁板连接成一体。
所述管道组2包括换热管体系6、连通管体系7、出水汇管体系8和进水分配管体系9。
本实施例中，参见图1、图2和图3，所述换热管体系6由3行3列换热管构成。所述换热管体系6的每根换热管均纵向布置，行列之间的间隙距离为S。所述换热管体系6的每根换热管外侧面上均带有纵肋，以增加烟气与换热管表面的接触面积。所述纵肋的横截面可以是矩形、三角形或其他形状。第一列的换热管包括换热管ⅠⅠ611、换热管ⅠⅡ612、换热管ⅠⅢ613。第二列的换热管包括换热管ⅡⅠ621、换热管ⅡⅡ622、换热管ⅡⅢ623。第三列的换热管包括换热管ⅢⅠ631、换热管ⅢⅡ632、换热管ⅢⅢ633。
所述连通管体系7分为上层连通管体系和下层连通管体系。所述上层连通管体系包括上层连通管Ⅱ72和上层连通管Ⅲ73。所述下层连通管体系包括下层连通管Ⅱ702和下层连通管Ⅲ703。
所述出水汇管体系8包括出水汇管Ⅰ81、出水汇管Ⅱ82和出水汇管Ⅲ83。所述进水分配管体系9包括进水分配管Ⅰ91、进水分配管Ⅱ92和进水分配管Ⅲ93。
所述出水汇管Ⅰ81、出水汇管Ⅱ82和出水汇管Ⅲ83均平行于水平面。所述出水汇管Ⅰ81的一端敞口，另一端封闭。所述出水汇管Ⅱ82和出水汇管Ⅲ83均两端封闭。所述出水汇管Ⅰ81的敞口为管口Ⅰ。所述进水分配管Ⅰ91、进水分配管Ⅱ92和进水分配管Ⅲ93均平行于水平面。所述进水分配管Ⅲ93的一端敞口，另一端封闭。所述进水分配管Ⅰ91和进水分配管Ⅱ92均两端封闭。所述进水分配管Ⅲ93的敞口为管口Ⅱ。
第一列的全部换热管的上端嵌入出水汇管Ⅰ81的圆周侧壁且相互连通。第一列的全部换热管的下端嵌入进水分配管Ⅰ91的圆周侧壁且相互连通。
第二列的全部换热管的上端嵌入出水汇管Ⅱ82的圆周侧壁且相互连通。第二列的全部换热管的下端嵌入进水分配管Ⅱ92的圆周侧壁且相互连通。
第三列的全部换热管的上端嵌入出水汇管Ⅲ83的圆周侧壁且相互连通。第三列的全部换热管的下端嵌入进水分配管Ⅲ93的圆周侧壁且相互连通。
所述上层连通管Ⅱ72的一端嵌入出水汇管Ⅰ81的圆周侧壁并相互连通。所述上层连通管Ⅱ72的另一端嵌入出水汇管Ⅱ82的圆周侧壁并相互连通。所述上层连通管Ⅲ73的一端嵌入出水汇管Ⅱ82的圆周侧壁并相互连通。上层连通管Ⅲ73的另一端嵌入出水汇管Ⅲ83的圆周侧壁并相互连通。
所述下层连通管Ⅱ702的一端嵌入进水分配管Ⅰ91的圆周侧壁并相互连通。所述下层连通管Ⅱ702的另一端嵌入进水分配管Ⅱ92的圆周侧壁并相互连通。所述下层连通管Ⅲ703的一端嵌入进水分配管Ⅱ92的圆周侧壁并相互连通。所述下层连通管Ⅲ703的另一端嵌入进水分配管Ⅲ93的圆周侧壁并相互连通。
所述上层连通管均与出水汇管垂直，所述下层连通管均与进水分配管垂直。
所述出水管4从正面壁垂直嵌入与管口Ⅰ连通。所述进水管5从正面壁垂直嵌入与管口Ⅱ连通。所述管道组2的各个管道之间的均采用挤压和焊接的方式相互连接在一起，并形成密闭的管路。所述管道组2与出水管4和进水管5通过焊接、挤压或胀接连接成一体后，悬空在换热器壳体1内。
本发明装置由水流通道和烟气通道组成两套换热介质通路。烟气从烟气进口3流入换热器壳体1，然后从管道组2的各个管道之间的间隙流过。在此过程中，烟气通过换热管与流经管到内部的冷水进行热交换(包括显热和潜热)，烟气中的水蒸汽在换热管外表面进行凝结换热，凝结水附在换热管外表面后自然流至壳体底部，通过壳体底部汇集，并由位于壳体底部的冷凝水排出口排出至换热器外界。烟气则从烟气出口11流出进入排烟管道12，最终排至大气当中。
冷水从进水管4流入管道组2，首先流入进水分配管Ⅲ，然后通过下层连通管Ⅱ和下层连通管Ⅲ流入进水分配管Ⅰ和进水分配管Ⅱ。之后从各个换热管自下而上流入出水汇管，并通过上层连通管Ⅱ和上层连通管Ⅲ流向出水汇管Ⅰ。在此过程中水流通过管壁换热吸收烟气的余热，水温上升，最后从出水管5流出。冷水的初始温度为市政自来水供水水温，流速为不高于热水器的主换热管管内水的流速。

Claims (5)

1.一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，其特征在于：包括换热器壳体(1)、壳体内的管道组(2)、烟气进口(3)、出水管(4)、进水管(5)、冷凝水排出管(10)和烟气出口(11)；
所述换热器壳体(1)为一个中空立方金属体；所述换热器壳体(1)包括正面壁、背面壁、顶壁、底壁、侧壁Ⅰ和侧壁Ⅱ；所述正面壁的对面是侧面壁；所述侧壁Ⅰ的对面是侧壁Ⅱ；所述底壁装有冷凝水排出管(10)；所述侧壁Ⅰ上开有圆孔Ⅰ；所述侧壁Ⅱ上开有圆孔Ⅱ；所述烟气进口(3)为两端敞口的圆筒；所述烟气进口(3)的一端嵌入圆孔Ⅰ；所述烟气出口(11)为两端敞口的圆筒；所述烟气出口(11)的一端嵌入圆孔Ⅱ；
所述管道组(2)包括换热管体系(6)、连通管体系(7)、出水汇管体系(8)和进水分配管体系(9)；
所述换热管体系(6)由m行n列换热管构成，其中m、n均为不小于3的自然数；所述换热管体系(6)的每根换热管均纵向布置，行列之间的间隙距离为S；所述换热管体系(6)的每根换热管外侧面上均带有纵肋；第一列的换热管包括换热管ⅠⅠ(611)、换热管ⅠⅡ(612)、…换热管ⅠM(61m)；第二列的换热管包括换热管ⅡⅠ(621)、换热管ⅡⅡ(622)、…换热管ⅡM(62m)；……第n列的换热管包括换热管NⅠ(6n1)、换热管NⅡ(6n2)、…换热管NM(6nm)，N的值等于n，M的值等于m；
所述连通管体系(7)分为上层连通管体系和下层连通管体系；所述上层连通管体系包括上层连通管Ⅱ(72)、上层连通管Ⅲ(73)、…上层连通管N(7n)；所述下层连通管体系包括下层连通管Ⅱ(702)、下层连通管Ⅲ(703)、…下层连通管N(70n)；
所述出水汇管体系(8)包括出水汇管Ⅰ(81)、出水汇管Ⅱ(82)、…出水汇管N(8n)；所述进水分配管体系(9)包括进水分配管Ⅰ(91)、进水分配管Ⅱ(92)、…进水分配管N(9n)；
所述出水汇管体系(8)中每根出水汇管均平行于水平面；所述出水汇管体系(8)中仅出水汇管Ⅰ(81)的一端敞口，另一端封闭，其余出水汇管均两端封闭；所述出水汇管Ⅰ(81)的敞口为管口Ⅰ；所述进水分配管体系(9)中每根进水分配管均平行于水平面；所述进水分配管体系(9)中仅进水分配管N(9n)的一端敞口，另一端封闭，其余进水分配管均两端封闭；所述进水分配管N(9n)的敞口为管口Ⅱ；
第一列的全部换热管的上端嵌入出水汇管Ⅰ(81)的圆周侧壁且相互连通；第一列的全部换热管的下端嵌入进水分配管Ⅰ(91)的圆周侧壁且相互连通；
第二列的全部换热管的上端嵌入出水汇管Ⅱ(82)的圆周侧壁且相互连通；第二列的全部换热管的下端嵌入进水分配管Ⅱ(92)的圆周侧壁且相互连通；
……
第n列的全部换热管的上端嵌入出水汇管N(8n)的圆周侧壁且相互连通；第n列的全部换热管的下端嵌入进水分配管N(9n)的圆周侧壁且相互连通；
所述上层连通管Ⅱ(72)的一端嵌入出水汇管Ⅰ(81)的圆周侧壁并相互连通；所述上层连通管Ⅱ(72)的另一端嵌入出水汇管Ⅱ(82)的圆周侧壁并相互连通；
上层连通管Ⅲ(73)的一端嵌入出水汇管Ⅱ(82)的圆周侧壁并相互连通；上层连通管Ⅲ(73)的另一端嵌入出水汇管Ⅲ(83)的圆周侧壁并相互连通；
……
所述下层连通管Ⅱ(702)的一端嵌入进水分配管Ⅰ(91)的圆周侧壁并相互连通；所述下层连通管Ⅱ(702)的另一端嵌入进水分配管Ⅱ(92)的圆周侧壁并相互连通；
所述下层连通管Ⅲ(703)的一端嵌入进水分配管Ⅱ(92)的圆周侧壁并相互连通；所述下层连通管Ⅲ(703)的另一端嵌入进水分配管Ⅲ(93)的圆周侧壁并相互连通；
……
所述出水管(4)从正面壁垂直嵌入与管口Ⅰ连通；所述进水管(5)从正面壁垂直嵌入与管口Ⅱ连通；所述管道组(2)与出水管(4)和进水管(5)连接成一体后，悬空在换热器壳体(1)内；
烟气从烟气进口(3)流入换热器壳体(1)，最后从烟气出口(11)流出；
冷水从进水管(4)流入管道组(2)，在管道组(2)中分流后又汇聚，最后从出水管(5)流出。
2.根据权利要求1所述的一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，其特征在于：所述烟气出口(11)处安装有排烟管道(12)。
3.根据权利要求1所述的一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，其特征在于：所述换热管(6)的外侧面上纵肋的横截面是矩形、三角形或其他形状。
4.根据权利要求1所述的一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，其特征在于：所述管道组(2)与出水管(4)和进水管(5)连接成一体后，仅具有出水口和进水口，其余管路均封闭。
5.根据权利要求1所述的一种燃气热水器烟气冷凝式余热回收换热装置，其特征在于：所述上层连通管均与出水汇管垂直，所述下层连通管均与进水分配管垂直。
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