CN110631261B - 一种管式燃气冷凝锅炉及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管式燃气冷凝锅炉及系统，锅炉本体由圆管水冷壁、辐射降温段、对流降温段、深度冷却段、深度冷凝段、全预混燃烧器、承露盘、进出口侧壳体和转弯侧壳体等组成；锅炉与水源热泵耦合的水路系统由冷凝段进口、冷凝段出口、对流段进口、辐射段出口、水源热泵、水泵、板式换热器、稳压罐和三通阀等组成。锅炉采用一体冷凝设计，对流与冷凝部分采用小节距层流强化设计理念，锅炉额定热效率可达103％以上，耦合热泵后可达110％以上。
Description
技术领域
本发明涉及燃气锅炉领域，具体涉及一种以不锈钢、挤压铝作为材料的管式燃气冷凝锅炉及系统。
背景技术
为了治理雾霾，保卫蓝天，供暖行业提出了《北方地区冬季清洁取暖规划2017-2021》，要求到2021年清洁供暖率70％，清洁能源代替供暖散烧煤1.5亿吨。2016年冬季供暖天然气消耗量达363亿m3，预计到2021年供暖气耗量可达640亿m3以上。天然气锅炉供暖取代散烧煤供暖造成冬季供暖天然气持续短缺，到2021年仅天然气供暖一项就有300亿m3以上的新增供应缺口。
解决供暖天然气的巨大缺口，一方面是开源，另一方面是节流。节流要求提高天然气锅炉的效率从而节约天然气。目前的天然气锅炉多为大气式火排燃烧器加紫铜换热器结构，烟气自下而上冲刷换热器，为保证紫铜不被冷凝水腐蚀和冷凝水在停炉时滴到燃烧器上从而腐蚀燃烧器，大气式锅炉的设计排烟温度多在130℃以上，锅炉额定负荷下的热效率小于90％。为了充分利用天然气的能量，当排烟温度低于46℃时，锅炉效率可达103％以上，此时伴随着大量冷凝水的生成。为了避免冷凝水腐蚀换热器和燃烧器，需重新设计锅炉结构，引入不锈钢材料和挤压铝材料，采用顶置的圆柱型燃烧器，烟气自上向下冲刷直管换热器，在换热器底部冷凝水大量析出，回水自下而上流动，烟气与回水整体呈逆流换热。
CN201720498910.6公开了一种大气式锅炉外加冷凝器单元的冷凝式锅炉，外加冷凝器的方式无法实现一体式冷凝，显著增大了烟气侧阻力，使水路更加复杂，增加了故障点。CN201810668419.2公开了一种盘管式冷凝锅炉，燃烧器放置在盘管的中心，烟气向四周流动，存在着盘管间隙积碳堵塞，换热恶化，烧穿管壁的风险，除此之外顶部的冷凝水存在着停炉期间滴落到燃烧头腐蚀燃烧头的风险。以上两种冷凝式锅炉虽然都可以实现冷凝，但当回水温度高于55℃时几乎无法冷凝，冷凝量受制于锅炉回水温度。
为了实现进一步的深度冷凝，可将冷凝段与小型热泵耦合。除了气代煤外，电代煤也是目前推广的清洁供暖方式之一，将小型水源热泵的蒸发器与锅炉的冷凝段连接形成闭合回路，蒸发器出口的冷水水温在5℃～30℃之间，利用蒸发器出口的冷水充分冷凝烟气，将获得的烟气中的潜热、显热和消耗的电能用于加热供暖回水，这种以烟气作为热源的热泵COP在4以上，大大高于以空气作为热源的空气源热泵的COP(一般在2左右)。烟气作为热源的热源温度>20℃，而空气温度在夜间通常<0℃，因此有着更高热源温度的耦合锅炉的效率更高。将热泵与锅炉耦合，可以充分利用天然气的热值，锅炉排烟温度可低至20℃以下，锅炉总效率可达110％以上；同时利用峰谷电的电价差，根据电价调整热泵功耗，使得供暖电费和气费之和维持在最低。
发明内容
为了实现燃气锅炉烟气的深度冷凝，天然气的深度利用，本发明的目的在于提供一种管式燃气冷凝锅炉及系统，采用全水冷包覆设计，圆管水冷壁、进出口侧壳体和转弯侧壳体的外表面温度均低于80℃，极大的减少了锅炉散热损失，避免了传统天然气锅炉炉膛区域大面积采用保温材料带来的炉膛区域壁温过高、散热损失大的问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种管式燃气冷凝锅炉，包括进出口侧壳体1-8、转弯侧壳体1-9、设置在出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9间的锅炉本体以及设置在锅炉本体底部的承露盘1-7；所述锅炉本体包括壳体以及设置在壳体内圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5和全预混燃烧器1-6，所述圆管水冷壁1-1贴壁分布在壳体内顶部和两侧中上下部，辐射降温段1-2分布在壳体内中部，对流降温段1-3分布在壳体内下部，深度冷却段1-4分布在壳体内且位于对流降温段1-3和圆管水冷壁1-1下部，深度冷凝段1-5分布在壳体内且位于深度冷却段1-4下部，全预混燃烧器1-6位于壳体内辐射降温段1-2上部；所述进出口侧壳体1-8上设置冷凝段进口2-1和辐射段出口2-4；所述承露盘1-7底部设置排水口2-5，端部设置烟囱口2-6；全预混燃烧器1-6点火后产生的高温烟气冲刷圆管水冷壁1-1和辐射降温段1-2后依次通过对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5和承露盘1-7，烟气冷凝生成的冷凝水被收集在承露盘1-7底部的排水口2-5排出，烟气从承露盘1-7端部上的烟囱口2-6排出。冷凝锅炉的工质通过进出口侧壳体1-8上的冷凝段进口2-1进入锅炉吸热，从辐射段出口2-4离开锅炉。
所述圆管水冷壁1-1，包括顶部水冷壁和两侧水冷壁；水冷壁由若干直径6mm～40mm、壁厚0.3mm～2mm的圆管组成，相邻圆管相切，防止烟气从圆管之间的缝隙泄露；顶部水冷壁与辐射降温段1-2之间形成炉膛空间；顶部水冷壁的圆管中心点连线形状可以是半圆形或半椭圆形；圆管水冷壁1-1外侧有不锈钢壳体，不锈钢壳体与圆管水冷壁1-1之间的空隙可进一步阻隔热量散失，也可在空隙处填充保温材料。
所述辐射降温段1-2和对流降温段1-3，由若干直径为12mm～40mm、壁厚为0.3mm～2mm的圆管组成；辐射降温段1-2由单层或双层错列圆管组成，横向相对节距1.2～2，纵向相对节距1.1～2；对流降温段1-3由2～4层的圆管组成，横向相对节距1.2～2，纵向相对节距1.1～2；辐射降温段1-2具有冷却火焰的作用，显著降低NOx排放，烟气通过辐射降温段1-2降至900℃以下。
所述深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5由若干直径为8mm～40mm、壁厚为0.3mm～2mm的圆管组成；深度冷却段1-4由2～6层错列圆管组成，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距1.05～1.5，错列密布圆管之间的小缝隙显著强化层流传热；深度冷凝段1-5由2～6层错列圆管组成，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距0.8～1.5，错列密布圆管之间的小缝隙能够显著强化冷凝换热；设计烟气最高流速低于6m/s，确保阻力低于100Pa；烟气流经深度冷却段1-4降低至80～200℃，流经深度冷凝段1-5降低至48℃以下；由于烟气温度不断降低、体积不断缩小，深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5沿烟气流动方向的每层圆管数量不断减少，锅炉尾部外观呈倒梯形状。
所述深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5采用错列菱形管结构，所述菱形管的横截面呈菱形，菱形的长轴长度为8mm～30mm，短轴长度为4mm～20mm，菱形四个角加圆角处理，菱形管整体呈错列布置，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距0.5～1.5；斜向相邻菱形管之间形成0.05mm～5mm的平行平板间隙，烟气在平板间隙中流动，进入下一个平板间隙时烟气流动方向发生改变，进一步强化换热。
深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5采用顺列腰圆管结构，所述腰圆管的横截面为腰圆形，腰圆形由上下两端的半圆和连接上下两端半圆同侧端点的两条平行直线组成，两条平行线之间的距离即半圆直径，半圆直径为2mm～30mm，两条平行线的长度5mm～50mm，腰圆管整体呈顺列布置，横向相对节距1～1.5，纵向相对节距1～2.5；相邻腰圆管之间形成0.05mm～5mm的平行平板间隙，烟气在平板间隙中流动，为进一步强化换热，所述腰圆管外加翅片，外加翅片采用穿翅工艺，将平面腰圆形翅片穿在腰圆管外并钎焊；或外加翅片采用钢带缠绕而成，钢带与腰圆管基管之间的焊接采用高频焊或激光焊，钢带在半圆面上螺旋绕制，从半圆面进入平板面、平板面进入半圆面时弯折钢带，使钢带方向与烟气来流方向的角度小于45°。
所述全预混燃烧器1-6采用圆筒形燃烧头或异型燃烧头；所述异型燃烧头的横截面形状为闭合曲线形状，为半椭圆形、半圆形、弧形、曲线之间的任意组合，闭合曲线形状要尽可能的贴近炉膛形状，尽可能的使烟气均匀冲刷在圆管水冷壁1-1和辐射降温段1-2的管壁上，强化炉膛的对流传热。
所述进出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9采用铸造工艺或冲压工艺制造，形成完整的水侧流程；进出口侧壳体1-8上设置一对进出口，当锅炉与水源热泵耦合时设置两对进出口；进出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9由多个独立的水室组成，每个水室分别对应圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5的多根圆管，圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5的多根圆管分为两组，工质沿水室进入一组圆管，在转弯侧壳体1-9水室中转弯180°后进入另一组圆管；转弯侧壳体1-9上设置水冷墙，冷却全预混燃烧器1-6端部的对应区域，工质从辐射降温段1-2区域的水室中引出，送回辐射降温段1-2区域对应的水室；通过改变单个水室的大小改变单个水室对应的管子数量，从而改变工质的流通截面积，控制工质在管子中的流速，为避免传热恶化和局部过冷沸腾，圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3中的工质流速＞1m/s，深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5中的工质流速大于0.3m/s。
所述圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5和全预混燃烧器1-6中的所有圆管均焊接在进出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9的管板上；为保证焊接工作的正常进行，所有圆管两端采用缩颈处理，通过液压缩管机将圆管两端直径缩小0.5mm～1.5mm，留出焊接空间；圆管与进出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9的管板焊接前采用液压胀管机将管子胀接在管板上，起到连接和密封的作用，采用激光焊或离子束焊，焊接热影响区小于0.5mm，避免圆管和管板受热变形。深度冷凝段1-5的圆管可采用中间高两端低的设计，使中心主流区域生成的冷凝水沿管壁流动到两侧区域，沿管板面排出锅炉。
一种管式燃气冷凝系统，包括所述的管式燃气冷凝锅炉，还包括水源热泵3、水泵4、板式换热器5、稳压罐6、第一三通阀7-1、第二三通阀7-2和第三三通阀7-3，其中水源热泵3包括相连接的水源热泵冷凝器3-1和水源热泵蒸发器3-2；所述第一三通阀7-1进口与水泵4连接，两个出口分别与水源热泵冷凝器3-1的进口和冷凝段进口2-1连接；所述第二三通阀7-2进口与冷凝段出口2-2连接，两个出口分别与对流段进口2-3和水源热泵蒸发器3-2的进口连接；所述稳压罐6位于辐射段出口2-4之后，所述第三三通阀7-3进口与稳压管6连接，两个出口分别与板式换热器5和供暖终端连接；水源热泵冷凝器3-1的出口与对流段进口2-3连接；水源热泵蒸发器3-2的出口与冷凝段进口2-1连接；当水源热泵3工作时，管式燃气冷凝锅炉回水依次流经水泵4、第一三通阀7-1、水源热泵冷凝器3-1、对流段进口2-3、辐射段出口2-4，水源热泵蒸发器3-2的工质依次流经冷凝段进口2-1、冷凝段出口2-2、第二三通阀7-2，流回水源热泵蒸发器3-2；当水源热泵3停止工作时，管式燃气冷凝锅炉回水依次流经水泵4、第一三通阀7-1、冷凝段进口2-1、冷凝段出口2-2、第二三通阀7-2、对流段进口2-3、辐射段出口2-4；当需要生活用水时，第三三通阀7-3切换至板式换热器5方向，锅炉出水通过板式换热器5逆流加热生活用水，降温后的水进入水泵4开启新的循环；当不需要生活用水时，第三三通阀7-3切换至供暖终端方向，为供暖终端提供热源。
本发明创新点、优点和积极效果是：
1、本发明的一种管式燃气冷凝锅炉及系统采用全水冷包覆设计，圆管水冷壁、进出口侧壳体和转弯侧壳体的外表面温度均低于80℃，极大的减少了锅炉散热损失，避免了传统天然气锅炉炉膛区域大面积采用保温材料带来的炉膛区域壁温过高、散热损失大的问题。
2、本发明的一种管式燃气冷凝锅炉及系统的深度冷却段和深度冷凝段引入窄间隙菱形管和窄间隙腰圆管，利用层流强化的原理显著增大了传热系数，缩小了锅炉体积。
3、本发明的一种管式燃气冷凝锅炉及系统采用整体冷凝的设计理念，锅炉本体采用耐冷凝水腐蚀的不锈钢和挤压铝材料制成，烟气从上向下流经锅炉本体，被深度冷却和冷凝，冷凝水汇集于底部的承露盘底部排出锅炉本体，避免了传统大气式燃气锅炉的冷凝水腐蚀换热器本体和冷凝水滴落至燃烧器表面腐蚀燃烧器的问题。
4、本发明的一种管式燃气冷凝锅炉及系统与水源热泵耦合，水源热泵的低温工质进入深度冷凝段，吸收烟气中的余热和水蒸气潜热，将烟气冷凝降温至45℃以下，把这部分热量用于加热锅炉供暖回水。水源热泵的设计COP系数大于4，利用一份电能便可回收3份以上的天然气烟气余热，锅炉总效率可达110％以上，节约10％以上的供暖天然气。
5、本发明解决了冷凝式锅炉冷凝水腐蚀和冷凝量受回水温度限制的难题，通过引入水源热泵提供冷工质深度冷凝烟气并加热供热回水，利用占总热量11％的潜热，减少排烟中的水蒸气含量，冷凝的同时脱除10％的NOx和50％的PM2.5，为减缓和消除雾霾做出贡献；气电耦合后锅炉效率可达110％以上，不引入热泵时设计工况下效率也可达到103％以上，与效率只有90％以下的传统锅炉相比节约了13％以上的天然气，有力的缓解天然气紧缺的现状。
附图说明
图1是本发明一种管式燃气冷凝锅炉的整体示意图，其中：图1a是锅炉本体的一种截面示意图；图1b是锅炉本体的另一种截面示意图；图1c是所有部件组装在一起的示意图。
图2是本发明一种管式燃气冷凝系统与水源热泵耦合的工作系统示意图。
图3是本发明一种管式燃气冷凝锅炉的深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5采用错列菱形管时的截面示意图。
图4是本发明一种管式燃气冷凝锅炉的深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5采用光管腰圆管时的示意图，其中，图4a是光管腰圆管截面示意图；图4b是光管腰圆管立体示意图。
图5是本发明一种管式燃气冷凝锅炉的深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5采用翅片管管腰圆管时的示意图，其中，图5a是钎焊翅片腰圆管立体示意图；图5b是钎焊翅片腰圆管俯视示意图；图5c是钢带缠绕翅片管的主视图；图5d是钢带缠绕翅片管的立体示意图。
图6是本发明一种管式燃气冷凝锅炉的异型燃烧头示意图，其中，图6a是异型燃烧头与炉膛配合的立体示意图；图6b是一种异型燃烧头的截面示意图。
图7a是本发明一种管式燃气冷凝锅炉的转弯侧壳体1-9与圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2和燃烧器1-6端部对应区域的水室剖面示意图；图7b是转弯侧壳体1-9的整体截面图；图7c是进出口侧壳体1-8的整体截面图。
图8是本发明一种管式燃气冷凝锅炉管板焊接处的缩颈处理以及焊缝的示意图。
图9是本发明一种管式燃气冷凝锅炉采用中心高两端低管子的示意图，其中，图9a是采用折线设计示意图；图9b是采用曲线设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。
如图1中图1a、图1b和图1c所示，本发明一种管式燃气冷凝锅炉，锅炉本体由圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5、全预混燃烧器1-6、承露盘1-7、进出口侧壳体1-8、转弯侧壳体1-9等组成。材料可采用奥氏体不锈钢304L、316L等，铁素体不锈钢430、434等，挤压铝6000系等。全预混燃烧器1-6点火后产生的高温烟气冲刷圆管水冷壁1-1和辐射降温段1-2后依次通过对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5和承露盘1-7，烟气冷凝生成的冷凝水被收集在承露盘1-7底部的排水口2-5排出，烟气从承露盘1-7上的烟囱口2-6排出。所述圆管水冷壁1-1，包括顶部水冷壁和两侧水冷壁；水冷壁由若干直径6mm～40mm、壁厚0.3mm～2mm的圆管组成，相邻圆管相切，防止烟气从圆管之间的缝隙泄露；顶部水冷壁与辐射降温段1-2之间形成炉膛空间；顶部水冷壁的圆管中心点连线形状可以是半圆形或半椭圆形；圆管水冷壁1-1外侧有不锈钢壳体，不锈钢壳体与圆管水冷壁1-1之间的空隙可进一步阻隔热量散失，也可在空隙处填充保温材料。所述辐射降温段1-2和对流降温段1-3，由若干直径12mm～40mm、壁厚的0.3mm～2mm圆管组成；辐射降温段1-2由单层或双层错列圆管组成，横向相对节距1.2～2，纵向相对节距1.1～2；对流降温段1-3由2～4层的圆管组成，横向相对节距1.2～2，纵向相对节距1.1～2；辐射降温段1-2具有冷却火焰的作用，可以显著降低NOx排放，烟气通过辐射降温段1-2降至900℃以下；烟气通过对流降温段1-3降至400℃以下。所述深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5由若干直径8mm～40mm、壁厚0.3mm～2mm的圆管组成；深度冷却段1-4由2～6层错列圆管组成，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距1.05～1.5，错列密布圆管之间的小缝隙可以显著强化层流传热；深度冷凝段1-5由2～6层错列圆管组成，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距0.8～1.5，错列密布圆管之间的小缝隙可以显著强化冷凝换热；设计烟气最高流速低于6m/s，确保阻力低于100Pa；烟气流经深度冷却段1-4降低至100℃左右，流经深度冷凝段1-5降低至48℃以下；由于烟气温度不断降低、体积不断缩小，深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5沿烟气流动方向的每层管子数量可不断减少，锅炉尾部外观呈倒梯形状。如图1a所示，辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5的每层管子位于同一水平面；如图1b所示，辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5的每层管子位于同一弧形面上，所形成的炉膛空间更加贴合燃烧器。
如图2所示，所述锅炉与水源热泵耦合的管式燃气冷凝系统由冷凝段进口2-1、冷凝段出口2-2、对流段进口2-3、辐射段出口2-4、水源热泵3、水泵4、板式换热器5、稳压罐6、第一三通阀7-1、第二三通阀7-2和第三三通阀7-3组成。其中水源热泵3包括相连接的水源热泵冷凝器3-1和水源热泵蒸发器3-2；所述第一三通阀7-1进口与水泵4连接，两个出口分别与水源热泵冷凝器3-1的进口和冷凝段进口2-1连接；所述第二三通阀7-2进口与冷凝段出口2-2连接，两个出口分别与对流段进口2-3和水源热泵蒸发器3-2的进口连接；所述稳压罐6位于辐射段出口2-4之后，所述第三三通阀7-3进口与稳压管6连接，两个出口分别与板式换热器5和供暖终端连接；水源热泵冷凝器3-1的出口与对流段进口2-3连接；水源热泵蒸发器3-2的出口与冷凝段进口2-1连接。
当水源热泵3工作时，管式燃气冷凝锅炉回水依次流经水泵4、第一三通阀7-1、水源热泵冷凝器3-1、对流段进口2-3、辐射段出口2-4，水源热泵蒸发器3-2的工质依次流经冷凝段进口2-1、冷凝段出口2-2、第二三通阀7-2，流回水源热泵蒸发器3-2；当水源热泵3停止工作时，管式燃气冷凝锅炉回水依次流经水泵4、第一三通阀7-1、冷凝段进口2-1、冷凝段出口2-2、第二三通阀7-2、对流段进口2-3、辐射段出口2-4。当需要生活用水时，第三三通阀7-3切换至板式换热器5方向，锅炉出水通过板式换热器5逆流加热生活用水，降温后的水进入水泵4开启新的循环；当不需要生活用水时，第三三通阀7-3切换至供暖终端方向，为供暖终端提供热源。
如图3所示，所述深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5还可以采用错列菱形管结构。所述菱形管的横截面呈菱形，菱形的长轴长度8mm～30mm，短轴长度4mm～20mm，菱形四个角可加圆角处理，菱形管整体呈错列布置，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距0.5～1.5；斜向相邻菱形管之间形成0.05mm～5mm的平行平板间隙，烟气在平板间隙中流动，属于层流强化设计理念，进入下一个平板间隙时烟气流动方向发生改变，进一步强化换热。
如图4中图4a和图4b所示，所述深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5还可以采用顺列腰圆管结构。所述腰圆管的横截面为腰圆形，腰圆形由上下两端的半圆和连接上下两端半圆同侧端点的两条平行直线组成，两条平行线之间的距离即半圆直径，半圆直径2mm～30mm，两条平行线的长度5mm～50mm，腰圆管整体呈顺列布置，横向相对节距1～1.5，纵向相对节距1～2.5；相邻腰圆管之间形成0.05mm～5mm的平行平板间隙，烟气在平板间隙中流动，属于层流强化换热设计。
如图5所示，所述深度冷却段1-4深度冷凝段1-5还可以采用翅片腰圆管结构，外加翅片可采用穿翅工艺，如图5-a和5-b所示，将平面腰圆形翅片穿在腰圆管外并钎焊；外加翅片也可采用钢带缠绕而成，如图5-c和5-d所示，钢带与腰圆管基管之间的焊接可采用高频焊或激光焊，钢带在半圆面上螺旋绕制，从半圆面进入平板面、平板面进入半圆面时弯折钢带，使钢带方向与烟气来流方向的角度小于45°。
如图6中图6a和图6b所示，所述全预混燃烧器1-6可采用圆筒形燃烧头或异型燃烧头。所述异型燃烧头的横截面形状为闭合曲线形状，由两个半椭圆组成，上半椭圆形状与水冷壁1-1的圆管中心点连线所形成的半椭圆形状相似，使烟气均匀冲刷在水冷壁1-1、辐射降温段1-2的管壁上，强化炉膛的对流传热。
如图7中图7a、图7b和图7c所示，所述进出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9采用铸造工艺或冲压工艺制造，形成完整的水侧流程；进出口侧壳体1-8上设置一对进出口，当锅炉与水源热泵耦合时设置两对进出口；进出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9由多个独立的水室组成，每个水室分别对应圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5的多根圆管，圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5的多根圆管分为两组，工质沿水室进入一组圆管，在转弯侧壳体1-9水室中转弯180°后进入另一组圆管；转弯侧壳体1-9上设置水冷墙，冷却全预混燃烧器1-6端部的对应区域，工质从辐射降温段1-2区域的水室中引出，送回辐射降温段1-2区域对应的水室；通过改变单个水室的大小改变单个水室对应的管子数量，从而改变工质的流通截面积，控制工质在管子中的流速，为避免传热恶化和局部过冷沸腾，圆管水冷壁1-1、辐射降温段1-2、对流降温段1-3中的工质流速＞1m/s，深度冷却段1-4和深度冷凝段1-5中的工质流速大于0.3m/s。
如图7a所示，图中圆管中叉号表示工质从管子中进入转弯侧壳体1-9的水室，没有叉号的表示工质从水室进入管子，箭头表示工质流动方向。图中的圆管水冷壁1-1采用6管圈设计，工质沿6根管子进入水室，180°转弯后进入另6根管子，辐射降温段1-2采用2管圈和3管圈并存的设计，工质沿3根管子进入水室后，向上流动冷却燃烧器1-6端部对应的壁面部分，工质在导流板的约束下绕行一圈后向下流入水室，流进两根管子。图7a仅展示出了一种转弯侧壳体1-9的设计方式，但不局限于这一种设计，只要符合本专利描述的进出口侧壳体1-8、转弯侧壳体1-9都在保护范围内。
如图8所示，所述圆管水冷壁1-1的圆管之间相切，辐射降温段1-2、对流降温段1-3、深度冷却段1-4、深度冷凝段1-5的圆管之间的间隙在0.05mm～15mm之间，所有圆管均焊接在进出口侧壳体1-8和转弯侧壳体1-9的管板上。为保证焊接工作的正常进行，所有圆管两端采用缩颈处理，通过液压缩管机将管子两端直径缩小0.5mm～1.5mm，留出焊接空间；圆管与管板焊接前采用液压胀管机将管子胀接在管板上，起到连接和密封的作用，采用激光焊或离子束焊，焊接热影响区小于0.5mm，避免圆管和管板受热变形。
如图9所示，所述深度冷凝段(1-5)的圆管可采用中间高两端低的设计，使中心主流区域生成的冷凝水沿管壁流动到两侧区域，沿管板面排出锅炉。图9-a采用折线设计，图9-b采用曲线设计。
Claims (9)
1.一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：包括进出口侧壳体(1-8)、转弯侧壳体(1-9)、设置在进出口侧壳体(1-8)和转弯侧壳体(1-9)间的锅炉本体以及设置在锅炉本体底部的承露盘(1-7)；所述锅炉本体包括壳体以及设置在壳体内圆管水冷壁(1-1)、辐射降温段(1-2)、对流降温段(1-3)、深度冷却段(1-4)、深度冷凝段(1-5)和全预混燃烧器(1-6)，所述圆管水冷壁(1-1)贴壁分布在壳体内顶部和两侧中上下部，辐射降温段(1-2)分布在壳体内中部，对流降温段(1-3)分布在壳体内下部，深度冷却段(1-4)分布在壳体内且位于对流降温段(1-3)和圆管水冷壁(1-1)下部，深度冷凝段(1-5)分布在壳体内且位于深度冷却段(1-4)下部，全预混燃烧器(1-6)位于壳体内辐射降温段(1-2)上部；所述进出口侧壳体(1-8)上设置冷凝段进口(2-1)和辐射段出口(2-4)；所述承露盘(1-7)底部设置排水口(2-5)，端部设置烟囱口(2-6)；全预混燃烧器(1-6)点火后产生的高温烟气冲刷圆管水冷壁(1-1)和辐射降温段(1-2)后依次通过对流降温段(1-3)、深度冷却段(1-4)、深度冷凝段(1-5)和承露盘(1-7)，烟气冷凝生成的冷凝水被收集在承露盘(1-7)底部的排水口(2-5)排出，烟气从承露盘(1-7)端部上的烟囱口(2-6)排出；冷凝锅炉的工质通过进出口侧壳体(1-8)上的冷凝段进口(2-1)进入锅炉吸热，从辐射段出口(2-4)离开锅炉；
所述深度冷却段(1-4)和深度冷凝段(1-5)采用错列菱形管结构，所述菱形管的横截面呈菱形，菱形管整体呈错列布置；或深度冷却段(1-4)和深度冷凝段(1-5)采用顺列腰圆管结构，所述腰圆管的横截面为腰圆形，为进一步强化换热，所述腰圆管外加翅片；
所述全预混燃烧器(1-6)采用异型燃烧头，所述异型燃烧头的横截面形状为闭合曲线形状，为半椭圆形、半圆形、弧形、曲线之间的任意组合，闭合曲线形状要尽可能的贴近炉膛形状，尽可能的使烟气均匀冲刷在圆管水冷壁(1-1)和辐射降温段(1-2)的管壁上，强化炉膛的对流传热；
进出口侧壳体(1-8)和转弯侧壳体(1-9)由多个独立的水室组成，每个水室分别对应圆管水冷壁(1-1)、辐射降温段(1-2)、对流降温段(1-3)、深度冷却段(1-4)、深度冷凝段(1-5)的多根圆管，转弯侧壳体(1-9)上设置水冷墙，冷却全预混燃烧器(1-6)端部的对应区域，工质从辐射降温段(1-2)区域的水室中引出，送回辐射降温段(1-2)区域对应的水室；通过改变单个水室的大小改变单个水室对应的管子数量，从而改变工质的流通截面积，控制工质在管子中的流速。
2.根据权利要求1所述的一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：所述圆管水冷壁(1-1)，包括顶部水冷壁和两侧水冷壁；水冷壁由若干直径6mm～40mm、壁厚0.3mm～2mm的圆管组成，相邻圆管相切，防止烟气从圆管之间的缝隙泄露；顶部水冷壁与辐射降温段(1-2)之间形成炉膛空间；顶部水冷壁的圆管中心点连线形状是半圆形或半椭圆形；圆管水冷壁(1-1)外侧有不锈钢壳体，不锈钢壳体与圆管水冷壁(1-1)之间的空隙进一步阻隔热量散失，在空隙处填充保温材料。
3.根据权利要求1所述的一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：所述辐射降温段(1-2)和对流降温段(1-3)，由若干直径为12mm～40mm、壁厚为0.3mm～2mm的圆管组成；辐射降温段(1-2)由单层或双层错列圆管组成，横向相对节距1.2～2，纵向相对节距1.1～2；对流降温段(1-3)由2～4层的圆管组成，横向相对节距1.2～2，纵向相对节距1.1～2；辐射降温段(1-2)具有冷却火焰的作用，显著降低NOx排放，烟气通过辐射降温段(1-2)降至900℃以下。
4.根据权利要求1所述的一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：所述深度冷却段(1-4)和深度冷凝段(1-5)由若干直径为8mm～40mm、壁厚为0.3mm～2mm的圆管组成；深度冷却段(1-4)由2～6层错列圆管组成，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距1.05～1.5，错列密布圆管之间的小缝隙显著强化层流传热；深度冷凝段(1-5)由2～6层错列圆管组成，横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距0.8～1.5，错列密布圆管之间的小缝隙能够显著强化冷凝换热；设计烟气最高流速低于6m/s，确保阻力低于100Pa；烟气流经深度冷却段(1-4)降低至80～200℃，流经深度冷凝段(1-5)降低至48℃以下；由于烟气温度不断降低、体积不断缩小，深度冷却段(1-4)和深度冷凝段(1-5)沿烟气流动方向的每层圆管数量不断减少，锅炉尾部外观呈倒梯形状。
5.根据权利要求1所述的一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：所述菱形管的横截面的菱形的长轴长度为8mm～30mm，短轴长度为4mm～20mm，菱形四个角加圆角处理，菱形管横向相对节距1.05～1.5，纵向相对节距0.5～1.5；斜向相邻菱形管之间形成0.05mm～5mm的平行平板间隙，烟气在平板间隙中流动，进入下一个平板间隙时烟气流动方向发生改变，进一步强化换热。
6.根据权利要求1所述的一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：所述腰圆管的横截面的腰圆形由上下两端的半圆和连接上下两端半圆同侧端点的两条平行直线组成，两条平行线之间的距离即半圆直径，半圆直径为2mm～30mm，两条平行线的长度5mm～50mm，腰圆管整体呈顺列布置，横向相对节距1～1.5，纵向相对节距1～2.5；相邻腰圆管之间形成0.05mm～5mm的平行平板间隙，烟气在平板间隙中流动；所述外加翅片采用穿翅工艺，将平面腰圆形翅片穿在腰圆管外并钎焊；或外加翅片采用钢带缠绕而成，钢带与腰圆管基管之间的焊接采用高频焊或激光焊，钢带在半圆面上螺旋绕制，从半圆面进入平板面、平板面进入半圆面时弯折钢带，使钢带方向与烟气来流方向的角度小于45°。
7.根据权利要求1所述的一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：所述进出口侧壳体(1-8)和转弯侧壳体(1-9)采用铸造工艺或冲压工艺制造，形成完整的水侧流程；进出口侧壳体(1-8)上设置一对进出口，当锅炉与水源热泵耦合时设置两对进出口；圆管水冷壁(1-1)、辐射降温段(1-2)、对流降温段(1-3)、深度冷却段(1-4)、深度冷凝段(1-5)的多根圆管分为两组，工质沿水室进入一组圆管，在转弯侧壳体(1-9)水室中转弯180°后进入另一组圆管；为避免传热恶化和局部过冷沸腾，圆管水冷壁(1-1)、辐射降温段(1-2)、对流降温段(1-3)中的工质流速＞1m/s，深度冷却段(1-4)和深度冷凝段(1-5)中的工质流速大于0.3m/s。
8.根据权利要求1所述的一种管式燃气冷凝锅炉，其特征在于：所述圆管水冷壁(1-1)、辐射降温段(1-2)、对流降温段(1-3)、深度冷却段(1-4)、深度冷凝段(1-5)和全预混燃烧器(1-6)中的所有圆管均焊接在进出口侧壳体(1-8)和转弯侧壳体(1-9)的管板上；为保证焊接工作的正常进行，所有圆管两端采用缩颈处理，通过液压缩管机将圆管两端直径缩小0.5mm～1.5mm，留出焊接空间；圆管与进出口侧壳体(1-8)和转弯侧壳体(1-9)的管板焊接前采用液压胀管机将管子胀接在管板上，起到连接和密封的作用，采用激光焊或离子束焊，焊接热影响区小于0.5mm，避免圆管和管板受热变形；深度冷凝段(1-5)的圆管可采用中间高两端低的设计，使中心主流区域生成的冷凝水沿管壁流动到两侧区域，沿管板面排出锅炉。
9.一种管式燃气冷凝系统，其特征在于：包括权利要求1至8任一项所述的管式燃气冷凝锅炉，还包括水源热泵(3)、水泵(4)、板式换热器(5)、稳压罐(6)、第一三通阀(7-1)、第二三通阀(7-2)和第三三通阀(7-3)，其中水源热泵(3)包括相连接的水源热泵冷凝器(3-1)和水源热泵蒸发器(3-2)；所述第一三通阀(7-1)进口与水泵(4)连接，两个出口分别与水源热泵冷凝器(3-1)的进口和冷凝段进口(2-1)连接；所述第二三通阀(7-2)进口与冷凝段出口(2-2)连接，两个出口分别与对流段进口(2-3)和水源热泵蒸发器(3-2)的进口连接；所述稳压罐(6)位于辐射段出口(2-4)之后，所述第三三通阀(7-3)进口与稳压罐(6)连接，两个出口分别与板式换热器(5)和供暖终端连接；水源热泵冷凝器(3-1)的出口与对流段进口(2-3)连接；水源热泵蒸发器(3-2)的出口与冷凝段进口(2-1)连接；当水源热泵(3)工作时，管式燃气冷凝锅炉回水依次流经水泵(4)、第一三通阀(7-1)、水源热泵冷凝器(3-1)、对流段进口(2-3)、辐射段出口(2-4)，水源热泵蒸发器(3-2)的工质依次流经冷凝段进口(2-1)、冷凝段出口(2-2)、第二三通阀(7-2)，流回水源热泵蒸发器(3-2)；当水源热泵(3)停止工作时，管式燃气冷凝锅炉回水依次流经水泵(4)、第一三通阀(7-1)、冷凝段进口(2-1)、冷凝段出口(2-2)、第二三通阀(7-2)、对流段进口(2-3)、辐射段出口(2-4)；当需要生活用水时，第三三通阀(7-3)切换至板式换热器(5)方向，锅炉出水通过板式换热器(5)逆流加热生活用水，降温后的水进入水泵(4)开启新的循环；当不需要生活用水时，第三三通阀(7-3)切换至供暖终端方向，为供暖终端提供热源。
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