CN112484306A

CN112484306A - 用于燃气热水炉的三维变空间换热模块

Info

Publication number: CN112484306A
Application number: CN201910865954.1A
Authority: CN
Inventors: 朱冬生; 莫逊; 王飞扬
Original assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Current assignee: Guangzhou Institute of Energy Conversion of CAS
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2021-03-12

Abstract

本发明公开了一种用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，包括换热模块主体，换热模块主体包括外部框架，外部框架内设有设有进水口的进水集管、设有出水口的出水集管、供燃烧机置入的燃烧机腔体、烟气进口、烟气出口、环形水道、法兰和三维管；三维管并列设有若干根，其两端分别连接进水集管与出水集管；环形水道环绕燃烧机腔体一周，并与出水集管相通；烟气进口布置于出水集管上部，烟气出口布置于进水集管下部；相邻换热模块之间通过螺栓穿过法兰而连接在一起。本模块可提升换热器的换热系数，从而提高热水炉的换热效率，有利于缩小热水炉的总体积，减轻重量，节省材料，降低成本，便于清灰清垢，延长维护周期。

Description

用于燃气热水炉的三维变空间换热模块

技术领域

本发明涉及燃气热水炉设备技术领域，尤其涉及一种用于燃气热水炉的三维变空间换热模块。

背景技术

在现有技术中，普通燃气热水换热器换热模块的烟气侧结构是采用销钉结构形式，烟气流动时直接对销钉进行横向冲刷对流换热，销钉所吸收的热量通过金属热传导的方式传给水侧。水侧结构是采用蛇形水道，水流向与烟气呈反方向，总的流道的180°弯道多，长度大。

该结构的换热模块的烟气侧的容易结垢，难以清洗。烟气和销钉的接触方式是碰撞流，使得烟气阻力损失大。两侧介质的热传输送主要通过金属的热传导方式，热阻大。销钉的结构方式使得流场不可避免存在流道死角，传热不均匀。

该结构的换热模块的水侧流道180°弯道多，长度长导致水侧的阻力损失大，从而导致泵的消耗功率大。同时，水道的承压能力差，应用范围小。

180°烟气和水的流动方式属于交叉流，传热温差较全逆流方式差。

以上这些因素导致有效换热面积小，换热效率低，耗材量大,体积庞大。另外，换热器加工铸造工艺复杂，成品率低。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，该换热模块大幅度改善了烟气侧和水侧的流场，烟气流道和水流道呈三维变空间流动，流场均匀，不存在流动死角，不易结垢，容易清洗，提高维护周期。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，包括换热模块主体，所述换热模块主体包括外部框架，外部框架内设有进水集管、出水集管、供燃烧机置入的燃烧机腔体、烟气进口、烟气出口、环形水道、法兰和三维管；所述三维管并列设有若干根，其两端分别连接所述进水集管与所述出水集管；所述环形水道环绕所述燃烧机腔体一周，并与所述出水集管相通；所述进水集管设有进水口，所述环形水道设有出水口；所述烟气进口布置于所述出水集管上部，所述烟气出口布置于所述进水集管下部；所述三维管管外走高温烟气，所述三维管管内通液体工质；所述法兰设置于所述外部框架上，相邻所述换热模块之间通过螺栓穿过所述法兰而连接在一起。

采用三维管，可以有效地提升燃气热水炉换热器的换热系数，从而提高热水炉的换热效率，有利于缩小热水炉的总体积，减轻重量，节省材料，降低成本。另外，便于清灰清垢，延长维护周期；液体工质从进水口进入，由进水集管均匀分布到每一根三维管，经过吸热后由出水集管汇集后进入环形水道，并由出水口排出；流体流动方向与烟气流动方向相反，采用全逆流设计结构，有利于交换热量；环形水道的设置，防止燃烧机过热烧坏，降低金属壁温，可避免该部位的金属在高温烟气的冲击下高于金属许可温度范围；高温烟气与管外壁属于摩擦性接触，使得换热元件阻力及磨损特性大大减少，提高了换热元件的使用寿命。

所述三维管为经过二次加工成截面为近椭圆的麻花螺旋状异型管，所述三维管错列布置形成三维变空间结构形式的管束。麻花螺旋状异型管的特殊结构使得气体沿着其外表面流动，三维管不仅大大增加了管外换热面积，并且把管外流体进行切割成小单元，使得其组成的管束形成的流场非常稳定均匀，没有流动死角，不易结垢，对流换热系数高，延长维护周期；液体工质在管束里全空间没有死角流动，不存在涡流点，不会形成结垢情况。

相邻所述三维管相互平行紧贴在一起。

所述燃烧机腔体上部设置有铸造工艺孔，所述铸造工艺孔与所述环形水道相联通。铸造工艺孔可方便铸造沙芯的清除。

所述环形水道设有阻断隔板，所述阻断隔板靠近所述出水口，硕士生阻断隔板上开设有短路孔。阻断隔板与短路孔，可优化环形水道的流场。

所述外部框架内侧设置有冷却水道。冷却水道可进一步降低金属壁温，使得模块的金属壁温处于金属的安全许可温度范围。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本换热模块采用三维管，提高换热模块的换热效率，优化烟气和水侧的流场，减少局部死角，使得两侧流场更加均匀，不易结垢；延长换热器的维护周期，降低维护难度；减少两侧流体的运行阻力，降低泵与鼓风机的运行功率，减少运行费用，降低运行成本，达到节能减排的目的；提高换热效率，可降低换热面积，减少换热器的耗材和体积，减少制造和运输费用；降低热水炉的占有空间。提高安装的灵活度和适应性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构立式示意图；

图2为本发明实施例的结构卧式示意图；

图3为图2中的A-A向截面剖面示意图。

图中附图标记含义：1、环形水道；2、铸造工艺孔；3、法兰；4、外部框架；5、烟气出口；6、进水集管；7、三维管；8、出水集管；9、燃烧机腔体；10、烟气进口；11、出水口；12、进水口；13、短路孔；14、阻断隔板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1至图3，为一种用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，包括换热模块主体，换热模块主体包括外部框架4，外部框架4内设有进水集管6、出水集管8、供燃烧机置入的燃烧机腔体9、烟气进口10、烟气出口5、环形水道1、法兰3和三维管7；三维管7并列设有若干根，其两端分别连接进水集管6与出水集管8；环形水道1环绕燃烧机腔体9一周，并与出水集管8相通；进水集管6设有进水口12，环形水道1设有出水口11；烟气进口10布置于出水集管8上部，烟气出口5布置于进水集管6下部；三维管7管外走高温烟气，三维管7管内通液体工质；法兰3设置于外部框架4上，相邻换热模块之间通过螺栓穿过法兰3而连接在一起。本实施例中，液体工质为水。

采用三维管7，可以有效地提升燃气热水炉换热器的换热系数，从而提高热水炉的换热效率，有利于缩小热水炉的总体积，减轻重量，节省材料，降低成本。另外，便于清灰清垢，延长维护周期；液体工质从进水口12进入，由进水集管6均匀分布到每一根三维管7，经过吸热后由出水集管8汇集后进入环形水道1，并由出水口11排出；流体流动方向与烟气流动方向相反，采用全逆流设计结构，有利于交换热量；环形水道1的设置，防止燃烧机过热烧坏，降低被燃烧机出来的高温烟气加热的金属壁温，可避免该部位的金属在高温烟气的冲击下高于金属许可温度范围；高温烟气与管外壁属于摩擦性接触，使得换热元件阻力及磨损特性大大减少，提高了换热元件的使用寿命；外部框架4位于所有构件外部，其起到提高管束和腔体结构的受力刚度，提高结构稳定性，给换热模块的组装与运输提供支持。

三维管7为经过二次加工成截面为近椭圆的麻花螺旋状异型管，三维管7错列布置形成三维变空间结构形式的管束。麻花螺旋状异型管的特殊结构使得气体沿着其外表面流动，三维管7不仅大大增加了管外换热面积，并且把管外流体进行切割成小单元，使得其组成的管束形成的流场非常稳定均匀，没有流动死角，不易结垢，对流换热系数高，延长维护周期；液体工质在管束里全空间没有死角流动，不存在涡流点，不会形成结垢情况。本实施例三维管7是一种高效强化异型管，其性质近似麻花状但又区别于该形状，所有异型管错列组装在一起形成的管束是三维变空间结构形式。该结构使得外侧的烟气在管束之间流动，流场十分均匀，没有死角。内侧的水介质流形成螺旋流体，产生二次流体破坏热边界层，强化热交换效果。

相邻三维管7相互平行紧贴在一起。

燃烧机腔体9上部设置有铸造工艺孔2，铸造工艺孔2与环形水道1相联通。铸造工艺孔2可方便铸造沙芯的清除。

环形水道1设有阻断隔板14，阻断隔板14靠近出水口11，硕士生阻断隔板14上开设有短路孔13。阻断隔板14与短路孔13，可优化环形水道1的流场。

外部框架4内侧设置有冷却水道。冷却水道可进一步降低金属壁温，使得模块的金属壁温处于金属的安全许可温度范围。

本实施例把主要传热方式为金属热传导改变为对流传热传热，提高热效率，有效换热面积效率达到98％。

本实施例换热模块的气侧是把烟气介质与换热元件碰撞接触的方式改变为摩擦式接触，水侧是通过减少水道的长度，取消了水道弯道，大大降低其两侧介质的阻力损失，降低泵和鼓风机的消耗功率，达到节能减排的目的。

本实施例换热模块的两侧介质流动方向相互平行并且相反，呈全逆流方式流动，温差增大，进一步减少所需换热面积。

由于换热模块采用的是三维管7，铸造工艺简单，它的水侧承压能力大大提高，应用范围得到拓展。该新一代换热模块的综合性能最终变现为有效地提升燃气热水换热器的换热效率，有利于缩小换热模块体积，减轻重量，节省材料，降低成本。

本实施例有两种设置方式，一是立式结构，二是卧式结构，其实两者的结构是相同，只是放置方式不同，从而各部件在方位上有所区别。当处于立式结构布置时，进水集管6发进水口12设置在换热模块主体的下部，出水集管8发出水口11设置在换热模块主体的上部，水工质由下部的进水口12进入，再由进水集管6均匀分布到每一根三维管7，经过吸热后由出水集管8汇集后由上部的出水口11排出。

烟气流道是由两个换热模块贴合在一起形成的流通通道，烟气由燃烧机腔体9出来进入烟气进口10经两换热模块之间的流通通道放热后，变成低温烟气再由烟气出口5排出。

参阅图1、图2，天然气首先通过位于燃烧机腔体9的燃烧机燃烧后产生的高温烟气，高温烟气从烟气进口10进入由三维管7组成的管束间进行放热，通过三维变空间的优化设计，使得管束间无死角、不易结垢，提高其流场均匀度，提高换热模块烟气侧的平均对流换热系数，温度快速下降后的低温烟气从烟气出口5出来。

另外，冷却水从进水口12进入进口集管，再通过进口集管均匀分布到每一根三维管7与高温烟气进行热交换，因为管内侧也是变空间结构，大幅度提高了水侧的对流换热系数，吸收热量的热水进入出口集管进行汇集后，从出水口11出来，完成了热交换任务。

环形水道1保证了高温区域的燃烧腔体的金属壁温在安全范围。铸造工艺孔2用于换热模块铸造完成定型后顺利排出沙芯。法兰3是配合螺栓用于换热模块之间的连接。外部框架4是提高模块的刚度，并代替密封侧板，保护内部的换热元件。

图3是图2的A-A剖面图，更加清晰表现出来换热模块的内部结构，进口集管与出口集管通过三维管7相连接，如图所示共有4排错列布置的三维管7。环形水道1环绕燃烧机腔体9，与出口集管、出水口11无缝对接，环形水道1设置阻断隔板14及短路孔13，是防止冷却水流动短路及形成死角。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims

1.用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，其特征在于：包括换热模块主体，所述换热模块主体包括外部框架，外部框架内设有进水集管、出水集管、供燃烧机置入的燃烧机腔体、烟气进口、烟气出口、环形水道、法兰和三维管；所述三维管并列设有若干根，其两端分别连接所述进水集管与所述出水集管；所述环形水道环绕所述燃烧机腔体一周，并与所述出水集管相通；所述进水集管设有进水口，所述环形水道设有出水口；所述烟气进口布置于所述出水集管上部，所述烟气出口布置于所述进水集管下部；所述三维管管外走高温烟气，所述三维管管内通液体工质；所述法兰设置于所述外部框架上，相邻所述换热模块之间通过螺栓穿过所述法兰而连接在一起。

2.根据权利要求1所述的用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，其特征在于：所述三维管为经过二次加工成截面为近椭圆的麻花螺旋状异型管，所述三维管错列布置形成三维变空间结构形式的管束。

3.根据权利要求2所述的用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，其特征在于：相邻所述三维管相互平行紧贴在一起。

4.根据权利要求1所述的用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，其特征在于：所述燃烧机腔体上部设置有铸造工艺孔，所述铸造工艺孔与所述环形水道相联通。

5.根据权利要求1所述的用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，其特征在于：所述环形水道设有阻断隔板，所述阻断隔板靠近所述出水口，硕士生阻断隔板上开设有短路孔。

6.根据权利要求1所述的用于燃气热水炉的三维变空间换热模块，其特征在于：所述外部框架内侧设置有冷却水道。