CN110595067A - 蜗壳状冷凝式燃气换热设备及换热方法 - Google Patents

Abstract

公开了蜗壳状冷凝式燃气换热设备及换热方法，蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，蜗壳状外壳基于中心点螺旋向外延展以形成密闭隔开的内层中空烟道和外层中空烟道，至少两个过渡腔设在所述蜗壳状外壳的侧壁，所述过渡腔依次连通，燃烧器布置于所述中心点位置，燃烧室配置成生成高温烟气，所述燃烧室连接所述燃烧器，一次换热器沿所述内层中空烟道的中心线均匀分布于内层中空烟道，二次换热器沿所述外层中空烟道的中心线均匀分布于外层中空烟道，一次换热器和二次换热器分别与相应的过渡腔连通，所述高温烟气横掠依次一次换热器和二次换热器以热交换。

Description

蜗壳状冷凝式燃气换热设备及换热方法

技术领域

本发明涉及热力设备技术领域，特别是一种蜗壳状冷凝式燃气换热设备及换热方法。

背景技术

能源是一个国家发展生产，实现社会进步的基本物质基础。目前，我国的能源结构仍以煤为主，煤炭的大量开采和使用对环境带来了极大的污染和破坏，调整能源结构的任务迫在眉睫。天然气是矿物燃料中最清洁的一次能源，其杂质含量极少，具有优秀的环保性，且由于近几年国家的政策支持，燃气具的需求量逐年增长。因此，提高燃气换热设备的热效率，促进燃气资源的高效利用，在如今节能降耗的大环境下，具有举足轻重的意义。

冷凝式燃气热水器的出现使得燃气热水器的换热效率得到了质的提高，相对比非冷凝式燃气热水器，换热效率能够提高10％以上，但冷凝式燃气热水器的技术瓶颈限制了其发展的脚步。冷凝式燃气热水器在开发中，主要存在的问题有：(1)产生冷凝水腐蚀燃烧器、一次换热器等设备，缩减产品寿命；(2)冷凝水流动方向与烟气流动方向相反，造成烟气侧压力大；(3)分段式冷凝燃气换热器体积大，结构复杂，容易泄露；(4)倒置式冷凝燃气换热器，由于需要送风机强制将高温烟气向下吹走，造成燃烧器寿命大幅度减短。

背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种蜗壳状冷凝式燃气换热设备及换热方法，其采用蜗壳状外壳，达到综合解决目前冷凝式燃气换热设备所存在的冷凝水腐蚀换热设备、冷凝水流动方向增大烟气侧流动阻力、结构复杂、倒置式冷凝式燃气换热设备燃烧器寿命短等问题。本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

一种蜗壳状冷凝式燃气换热设备包括，

蜗壳状外壳，其基于中心点螺旋向外延展以形成密闭隔开的内层中空烟道和外层中空烟道，

至少两个过渡腔，其设在所述蜗壳状外壳的侧壁，所述过渡腔依次连通，

燃烧器，其布置于所述中心点位置，

燃烧室，其配置成生成高温烟气，所述燃烧室连接所述燃烧器，

一次换热器，其沿所述内层中空烟道的中心线均匀分布于内层中空烟道，

二次换热器，其沿所述外层中空烟道的中心线均匀分布于外层中空烟道，

一次换热器和二次换热器分别与相应的过渡腔连通，

所述高温烟气横掠依次一次换热器和二次换热器以热交换。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，蜗壳状外壳二次换热器的两端截面延长线形成角度为30°。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，燃烧器和/或燃烧室、一次换热器、二次换热器经由螺旋状烟道相互分隔开。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，所述高温烟气在螺旋状的中空烟道中的流动方向与二次换热器中产生冷凝水滴落的方向呈锐角。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，一次换热器和/或二次换热器包括多根换热管，每根所述换热管与对应的过渡腔相通。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，换热管为直管，直管两端开口与对应的过渡腔相通形成连通的水路。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，换热管外侧安装螺旋翅片或片状翅片。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，蜗壳状冷凝式燃气换热设备还包括设在所述蜗壳状外壳外层下侧的冷凝水排出装置和设在蜗壳状外壳末端的排烟孔。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备中，所述蜗壳状外壳、一次换热器和/或二次换热器由不锈钢制成。

根据本发明的另一方面，一种所述蜗壳状冷凝式燃气换热设备的换热方法包括以下步骤，

燃烧器燃烧以在燃烧室生成高温烟气，所述高温烟气经由中空烟道依次通过一次换热器和二次换热器，

换热流体经由过滤腔、二次换热器和一次换热器形成的水路以热交换后经由其出水口排出，

高温烟气与二次换热器进行热交换后，烟气温度降到露点以下以产生冷凝水，所述冷凝水沿设在所述蜗壳状外壳外层下侧的冷凝水排出装置排出

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过将一次换热器管、二次换热器管布置在蜗壳状换热器外壳内，结构简单，紧凑度高。

2、燃烧器在燃烧室产生的烟气沿螺旋状烟道依次通过一次换热器管、二次换热器管能够避免倒置式冷凝式燃气换热设备中烟气自上向下流动引起的燃烧器寿命短的问题

3、螺旋状烟道全程都是缓慢的弧形转折，能够减小烟气大幅度转折造成的烟气侧流动阻力。

4、螺旋状烟道将燃烧器、一次换热器、二次换热器相互分隔开，避免了冷凝水对燃烧器、一次换热器的腐蚀作用。

5、烟气在螺旋状烟道中沿烟道的流动方向与二次换热器中产生冷凝水低落的方向呈小角度锐角，可避免因冷凝水流动方向与烟气流动方向相反引起的烟气侧流动阻力过大。

6、在一次换热器和二次换热器部分，可以通过调整直管的根数进而灵活的调整整个冷凝式燃气换热设备的功率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的主视示意图；

图2是根据本发明一个实施例的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的蜗壳状外壳的两端延长线形成角度的热效率结果示意图；

图3是根据本发明一个实施例的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的后视示意图；

图4是根据本发明一个实施例的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的左视示意图；

图5是根据本发明一个实施例的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的沿A-A剖切的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的换热方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，如图1-图5所示，一种蜗壳状冷凝式燃气换热设备100包括，

蜗壳状外壳1，其基于中心点螺旋向外延展以形成密闭隔开的内层中空烟道和外层中空烟道，

至少两个过渡腔，其设在所述蜗壳状外壳1的侧壁，所述过渡腔依次连通，

燃烧器4，其布置于所述中心点位置，

燃烧室5，其配置成生成高温烟气，所述燃烧室5连接所述燃烧器4，

一次换热器2，其沿所述内层中空烟道的中心线均匀分布于内层中空烟道，

二次换热器3，其沿所述外层中空烟道的中心线均匀分布于外层中空烟道，

一次换热器2和二次换热器3分别与相应的过渡腔连通，

所述高温烟气横掠依次一次换热器2和二次换热器3以热交换。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的优选实施例中，蜗壳状冷凝式燃气换热设备100还包括设在所述蜗壳状外壳1外层下侧的冷凝水排出装置和设在蜗壳状外壳1末端的排烟孔6。

本发明的燃烧室5产生的烟气沿着蜗壳通过主换热器和冷凝换热器，与冷却水进行热交换，然后排放到空气中。由于冷凝热交换器部分中的烟道气温度低于露点温度，烟道气可产生强酸性冷凝物。蜗壳形热交换器可以实现将冷凝水与燃烧器4和主热交换器隔离以避免腐蚀的目的。另外，冷凝水的流动方向与烟道气的流动方向基本一致，可以有效地降低烟道气的流动阻力。与传统的冷凝式燃气热水器相比，结构紧凑。

在一个实施例中，换热器蜗壳状外壳1为螺旋状烟道，外壳自中心点螺旋向外延展，形成两层烟道。在换热器外壳上安装多个过渡腔，所述换热器外壳外层下侧安装冷凝水排出装置。

进一步地，所述蜗壳状换热器外壳所形成的螺旋状烟道，烟道中空，两层螺旋烟道之间密闭隔开。

进一步地，所述蜗壳状换热器外壳过渡腔内部留有水管的进出口。

进一步地，所述蜗壳状换热器外壳外层的底部安装冷凝水排出装置。

根据本发明另一方面实施例的冷凝式燃气换热设备包括：外壳，所述具有螺旋状烟道的蜗壳状换热器外壳；燃烧器4，全预混燃烧器4，布置于所述蜗壳状外壳1的中心；一次换热器2，布置于所述蜗壳状外壳1螺旋烟道内层，一次换热器2每一根水管各自与对应的过渡腔相通；二次换热器3，布置于所述蜗壳状外壳1螺旋烟道外层，二次换热器3每一根水管各自与对应的过渡腔相通。

进一步地，一次换热器2采用直管布置，直管两端开口与各自对应的过渡腔相通形成连通的水路，直管沿螺旋烟道的中心线依次均匀分布于螺旋烟道内层。

进一步地，二次换热器3采用直管布置，直管两端开口与各自对应的过渡腔相通形成连通的水路，直管沿螺旋烟道的中心线依次均匀分布于螺旋烟道外层。

进一步地，一次换热器2管外侧安装螺旋翅片，增大换热面积，强化换热。

进一步地，二次换热器3管外侧安装片状翅片，便于工业制造以及冷凝水的滴落和流动排出，同时增大换热面积，强化换热。

进一步地，所述蜗壳状换热器外壳与一次换热器2管、二次换热器3管、螺旋翅片皆为不锈钢，采用不锈钢可有效降低成本。

进一步地，所述燃烧室5内产生的高温烟气沿着螺旋状烟道流动，先横掠通过一次换热器2管，与管内的水进行热交换，烟气温度降低；再继续横掠通过二次换热器3管，与管内的水进行热交换，此时烟气降低到60°以下低于露点温度，在二次换热器3管区域开始产生冷凝水，冷凝水沿着螺旋状烟道滴落排出。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的优选实施例中，蜗壳状外壳1二次换热器3的两端截面延长线形成角度为30°。对二次热交换器的部分区域进行了数值模拟。四个模型分别为在中心轴的长度和流动区域的体积保持相同的条件下，两端形成的角度分别为0°，30°，60°和90°。模拟流动和传热过程用ICEM作为网格生成器，CFD作为求解器。基于三个守恒方程，选择RNG k-ε湍流模型并用SIMPLE算法求解。如图2所示，结果表明，在中心轴长度和流动区域体积不变的条件下，两端截面延长线形成角度为30°时，传热性能最佳。随着角度变大，气流冲刷冷水管的面积增大，流场中的扰动增强，从而增强了传热。但是，随着角度继续不断增大，由于离心力的影响，内部气流速度大大降低，使传热效果变差。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的优选实施例中，燃烧器4和/或燃烧室5、一次换热器2、二次换热器3经由螺旋状烟道相互分隔开。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的优选实施例中，所述高温烟气在螺旋状的中空烟道中的流动方向与二次换热器3中产生冷凝水滴落的方向呈锐角。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的优选实施例中，一次换热器2和/或二次换热器3包括多根换热管，每根所述换热管与对应的过渡腔相通。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的优选实施例中，7.如权利要求5所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，换热管外侧安装螺旋翅片或片状翅片。

所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备的优选实施例中，所述蜗壳状外壳1、一次换热器2和/或二次换热器3由不锈钢制成。

为了进一步理解本发明，参见图1-图5，冷凝式燃气换热设备100包括蜗壳状换热器外壳1，所述换热器外壳中心布置燃烧器4与燃烧室5，一次换热器部分102沿螺旋烟道内层中心线均匀分布布置水管，管外侧安装螺旋翅片101强化传热，二次换热器部分103沿螺旋烟道外层中心线均匀分布布置水管，管外侧安装片状翅片104强化换热，所述外壳上布置与水管相对应的过渡腔，过渡腔与水管相通，分别为第一过渡腔201，第二过渡腔202，第三过渡腔203，第四过渡腔204，第五过渡腔205，第六过渡腔206，第七过渡腔207，第八过渡腔208，第九过渡腔209，第十过渡腔210，第十一过渡腔211，第十二过渡腔212，第十三过渡腔213，第十四过渡腔214和第十五过渡腔215。

水从进水口105进入第一过渡腔201，由于第一过渡腔201与二次换热器3相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳背面的第二过渡腔202；第二过渡腔202与二次换热器3相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳正面的第三过渡腔203；第三过渡腔203与二次换热器3相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳背面的第四过渡腔204；第四过渡腔204与二次换热器3相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳正面的第五过渡腔205；第五过渡腔205与二次换热器3相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳背面的第六过渡腔206；第六过渡腔206与二次换热器3相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳正面的第七过渡腔207；第七过渡腔207与二次换热器3相对应的水管相通，二次换热器3水管与一次换热器2水管直接相连，水经过水管流入一次换热器2水管，流入水管所对应的外壳背面的第八过渡腔208；第八过渡腔208与一次换热器2相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳正面的第九过渡腔209；第九过渡腔209与一次换热器2相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳背面的第十过渡腔210；第十过渡腔210与一次换热器2相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳正面的第十一过渡腔211；第十一过渡腔211与一次换热器2相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳背面的第十二过渡腔212；第十二过渡腔212与一次换热器2相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳正面的第十三过渡腔213；第十三过渡腔213与一次换热器2相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳背面的第十四过渡腔214；第十四过渡腔214与一次换热器2相对应的水管相通，水经过水管流入所对应的外壳正面的第十五过渡腔215；水依次经过二次换热器、一次换热器与高温烟气进行热交换，热水从出水口106排出。

燃气在通过燃烧器4，在燃烧室5中充分燃烧形成的高温烟气，沿着螺旋烟道依次通过二次换热器3、一次换热器2，与管中的水进行热交换，热交换完成的低温烟气沿着排烟孔6排出。

二次换热器3中，烟气与管中的水进行热交换，烟气温度降到露点以下，产生冷凝水，沿着螺旋烟道滴落，在蜗壳状外壳的最下部通过冷凝水排出管7排出。

本发明可达到综合解决目前冷凝式燃气换热设备所存在的冷凝水腐蚀换热设备、冷凝水流动方向增大烟气侧流动阻力、结构复杂、倒置式冷凝式燃气换热设备燃烧器寿命短等问题。

参见图6，一种，所述蜗壳状冷凝式燃气换热设备的换热方法包括以下步骤，

燃烧器4燃烧以在燃烧室5生成高温烟气，所述高温烟气经由中空烟道依次通过一次换热器2和二次换热器3，

换热流体经由过滤腔、二次换热器3和一次换热器2形成的水路以热交换后经由其出水口排出，

高温烟气与二次换热器3进行热交换后，烟气温度降到露点以下以产生冷凝水，所述冷凝水沿设在所述蜗壳状外壳1外层下侧的冷凝水排出装置排出。

工业实用性

本发明所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备及换热方法可以在热力设备领域制造并使用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (10)

1.一种蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其包括，

蜗壳状外壳，其基于中心点螺旋向外延展以形成密闭隔开的内层中空烟道和外层中空烟道，

至少两个过渡腔，其设在所述蜗壳状外壳的侧壁，所述过渡腔依次连通，

燃烧器，其布置于所述中心点位置，

燃烧室，其配置成生成高温烟气，所述燃烧室连接所述燃烧器，

一次换热器，其沿所述内层中空烟道的中心线均匀分布于内层中空烟道，

二次换热器，其沿所述外层中空烟道的中心线均匀分布于外层中空烟道，

一次换热器和二次换热器分别与相应的过渡腔连通，

所述高温烟气横掠依次一次换热器和二次换热器以热交换。

2.如权利要求1所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，优选的，蜗壳状外壳二次换热器的两端截面延长线形成角度为30°。

3.如权利要求1所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，燃烧器和/或燃烧室、一次换热器、二次换热器经由螺旋状烟道相互分隔开。

4.如权利要求1所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，所述高温烟气在螺旋状的中空烟道中的流动方向与二次换热器中产生冷凝水滴落的方向呈小于30°的锐角。

5.如权利要求1所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，一次换热器和/或二次换热器包括多根换热管，每根所述换热管与对应的过渡腔相通。

6.如权利要求5所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，换热管为直管，直管两端开口与对应的过渡腔相通形成连通的水路。

7.如权利要求5所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，换热管外侧安装螺旋翅片或片状翅片。

8.如权利要求1所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，蜗壳状冷凝式燃气换热设备还包括设在所述蜗壳状外壳外层下侧的冷凝水排出装置和设在蜗壳状外壳末端的排烟孔。

9.如权利要求1所述的蜗壳状冷凝式燃气换热设备，其中，所述蜗壳状外壳、一次换热器和/或二次换热器由不锈钢制成。

10.一种权利要求1-9中任一项所述蜗壳状冷凝式燃气换热设备的换热方法，其包括以下步骤，

燃烧器燃烧以在燃烧室生成高温烟气，所述高温烟气经由中空烟道依次通过一次换热器和二次换热器，

换热流体经由过滤腔、二次换热器和一次换热器形成的水路以热交换后经由其出水口排出，

高温烟气与二次换热器进行热交换后，烟气温度降到露点以下以产生冷凝水，所述冷凝水沿设在所述蜗壳状外壳外层下侧的冷凝水排出装置排出。