CN113091031A - 一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，包括换热管、上集箱、下集箱、烟壳、燃烧器、冷凝器、烟囱和控制器；多个换热管组成竖直布置的环形管排，环形管排所围成的空间即为炉膛，相邻换热管之间组合形成沿圆周均布的轴向缝隙通道，轴向缝隙通道的宽度0.1～4mm，形成层流强化效果，消除中心高温区，烟气温度降至300℃以下仅需50mm～300mm的流程，同时烟气阻力小于1000Pa，所有换热管热负荷分配均匀，减少结垢风险，也降低了锅炉蒸吨钢耗量、水容积和风机电耗；发明的组合缝隙式冷凝器适用于导热油锅炉，组合缝隙式盘管冷凝器适用于盘管蒸汽发生器，将层流强化设计引入这两种传统炉型，进一步拓展了层流强化的应用。

Description

一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉
技术领域
本发明涉及燃气锅炉技术领域，具体涉及一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉。
背景技术
近年来，雾霾问题持续存在，城镇地区已经完全淘汰了35蒸吨以下的燃煤锅炉，但宾馆、洗衣店、酿造厂、饲料厂、区域供暖等仍需要大量的0.1～10蒸吨之间的工业锅炉，这些工业锅炉可选择天然气或电力作为能量来源。电蒸汽锅炉燃料成本比燃气蒸汽锅炉成本大约高80％～120％，因此0.5～10蒸吨的大功率蒸汽锅炉市场中燃气蒸汽锅炉占据着统治地位。燃气蒸汽锅炉多在城镇地区使用，锅炉房空间狭小，要求蒸汽锅炉尽可能缩小体积以节约空间，提高锅炉效率以降低运行成本，缩小锅炉水容积以减少频繁启停带来的热损失。
河南省四通锅炉有限公司申请的CN201710865076.4、上海扬诺锅炉制造有限公司申请的CN107781800A等贯流式锅炉，是一种体积较为紧凑的燃气蒸汽锅炉。贯流式燃气蒸汽锅炉比WNS型燃气蒸汽锅炉同吨位下体积缩小50％以上，烟气流程呈Ω型，燃气在炉膛中燃烧产生的高温烟气通过炉膛一侧的窄缝进入内外两圈管束形成的轴对称的狭窄流道，靠近窄缝处的管束区烟气温度高、流速高、换热量大，靠近出口处的管束区烟气温度低、流速小、换热量小，不同管束存在着显著的热负荷不均问题。换热量大的区域蒸发强烈，炉水浓缩倍率大，易结垢，需要长期添加阻垢剂以阻止锅炉结垢。烟气在内外管束之间流动时烟流速可达50m/s以上，烟气阻力可达5kPa以上，燃烧器风机功率大，燃烧器噪声巨大。
目前市场上的主流的WNS锅炉，以包头市鹿宇锅炉制造有限责任公司申请的CN205208916U中心回燃锅炉为例，采用扩散式燃烧器，燃气在炉胆内燃烧，随后在回燃室内转弯进入烟管降温，烟管流程包括两回程型和三回程型。WNS锅炉的受热面热负荷低于贯流式锅炉，结垢问题较少；最高烟气流速低于30m/s，锅炉本体阻力一般小于 1000Pa。但存在着锅炉体积巨大，水容积巨大，启停炉速度慢、启停炉热损失较大的问题。
发明内容
为了解决贯流式和WNS燃气蒸汽锅炉存在的问题，本发明的目的在于提供一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，圆管瓦片翅与圆管之间形成的缝隙通道可以消除传统换热过程中的中心高温区，烟气通过缝隙通道时，整个通道均处于传热传质强烈的边界层区域，换热系数可达 120W/(m2·℃)以上；采用中心对称、离散设计，烟气均匀通过圆周方向上的一圈轴向缝隙通道流出炉膛，确保所有管束的热负荷相同，且烟气阻力小于1000Pa。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，所述锅炉立式布置，包括换热管、上集箱2、下集箱3、烟壳4、燃烧器5、冷凝器6、烟囱7和控制器；多个换热管组成竖直布置的环形管排，环形管排所围成的空间即为炉膛，相邻换热管之间组合形成沿圆周均布的轴向缝隙通道，所有换热管的上端和下端分别伸入上集箱2和下集箱3；上集箱2和下集箱3 为环形集箱，与锅炉轴线共面的截面为长方形、圆形、三角形；上集箱2上有排汽口、安全阀、水位计接口、压力表或压力传感器、燃烧器安装面板；下集箱3上有进水口、排污口、炉膛冷凝器分隔板、水位计接口；烟壳4顶部与上集箱2的底部外沿相接，包围着所有换热管、下集箱3和冷凝器6，烟壳4与换热管和下集箱3之间存在着烟气流动的环形空间；燃烧器5固定在上集箱2的燃烧器安装面板上，冷凝器6位于下集箱3下方或外侧，冷凝从环形空间进入的烟气；烟壳4底部的冷凝水收集盘4-1位于冷凝器6下方；烟囱7位于冷凝水收集盘4-1的一端，与上集箱2外沿相离；
所述换热管采用瓦片翅圆管1或鼎形异型管9；
所述冷凝器6采用盘管冷凝器6-1、组合缝隙式冷凝器6-2或组合缝隙式盘管冷凝器6-3；
燃烧器5采用扩散式燃烧器或全预混燃烧器；
天然气和空气在燃烧器5前端混合均匀后自上而下进入炉膛燃烧，燃烧产生的烟气在燃烧器安装面板和炉膛冷凝器分隔板的共同约束下进入瓦片翅圆管1之间的轴向缝隙通道，烟气在缝隙通道中降温后进入烟壳4与瓦片翅圆管1之间的环形空间，再通过烟壳4与下集箱3之间的环形空间进入冷凝器6冷凝降温，冷凝后的烟气进入烟壳 4底部的冷凝水收集盘4-1，排出冷凝水后向上流动进入烟囱7离开锅炉；锅炉给水先进入冷凝器6吸收烟气余热，再进入下集箱3的进水口，在下集箱3中均匀分配到每根瓦片翅圆管1，向上流动的同时吸热汽化变为水蒸汽，上升至上集箱2，从上集箱2的排汽口离开锅炉。
所述瓦片翅圆管1由基管1-1和圆弧形状的瓦片翅1-2组成；瓦片翅1-2的内径大于1-1基管的外径，与相邻瓦片翅圆管1的基管1-1 形成0.1～4mm宽的缝隙通道；根据使用环境的不同，瓦片翅1-2全包围、半包围、单侧包围、双侧包围相邻基管1-1；基管1-1外径与瓦片翅1-2外径所在圆相交或相切，相离时距离小于5mm，确保基管1-1与瓦片翅1-2之间的有足够的熔合面积，基管1-1内径与瓦片翅1-2内径所在圆相离，确保形成缝隙通道；基管1-1采用燃气锅炉标准规定的材料，瓦片翅1-2不是承压件，使用导热系数高的材料；瓦片翅1-2的圆弧内侧附加波纹，包括三角形波纹、正弦曲线波纹、圆弧相切波纹和矩形波纹，进一步扩展瓦片翅的换热面积、扰流烟气强化换热；为辅助基管1-1与瓦片翅1-2的配合，在基管1-1表面点焊辅助定位片1-3，辅助定位片1-3的厚度即为缝隙通道的跨度，将瓦片翅圆管1的瓦片翅1-2内表面与相邻瓦片翅圆管1的基管1-1上的辅助定位片1-3紧靠，便能使缝隙通道的宽度维持在设计参数；瓦片翅圆管1之间的距离过小而无法焊接时，则在两端焊接缩颈头1-4 或将两端基管缩颈处理得到缩颈头1-4，缩颈头1-4处没有瓦片翅1-2。
相邻瓦片翅圆管1之间的组合方式采用同心组合和偏心组合；采用同心组合时，基管1-1圆心与相邻瓦片翅圆管1的瓦片翅1-2圆心重合，相邻瓦片翅圆管1的基管1-1圆心之间的连线所成的角度等于180°减去360°除圆周方向布置的瓦片翅圆管1数量；采用偏心组合时，相邻瓦片翅圆管1的基管1-1圆心之间的连线所成的角度等于 180°减去360°除圆周方向布置的瓦片翅圆管1数量，但基管1-1 圆心与相邻瓦片翅圆管1的瓦片翅1-2圆心不重合，瓦片翅圆管1以基管1-1的中轴线为轴，向炉膛方向旋转一个小角度，使缝隙通道入口大出口小，更符合烟气降温过程的体积变化；瓦片翅圆管1沿圆周方向均布形成一圈环形管排，当锅炉功率增大时，采用两圈、三圈、四圈环形管排，增大换热面积。
所述瓦片翅圆管1的基管1-1和瓦片翅1-2选用钢材时优先采用窄间隙焊，基管1-1与瓦片翅1-2双面焊接，全焊透，确保基管1-1 和瓦片翅1-2导热良好；当基管1-1选用钢材，瓦片翅1-2选用导热系数高的材料无法直接焊接时，选用钎焊工艺，此时要确保瓦片翅 1-2与基管1-1的接触长度大于4mm。
所述瓦片翅1-2与基管1-1焊接或钎焊时采用焊床8精准定位；焊床8上有放置基管1-1的凹槽8-1和模拟相邻管子的凸起8-2，分别将基管1-1放置在凹槽8-1中、瓦片翅1-2放置在凸起8-2上并压紧，使二者准确组合，采用窄间隙埋弧自动焊实现批量生产。
所述瓦片翅圆管1通过两根不同直径的圆管先焊接后切割的方式生产，两根管中直径较小的圆管作为基管1-1，直径较大的圆管沿管长方向切去部分圆弧作为瓦片翅1-2；或所述瓦片翅圆管1通过三根管先焊接后切割的方式生产，中间放置直径较大的瓦片翅管，两侧放置直径较小的基管1-1，焊接完毕后切割中间的瓦片翅管，得到两根瓦片翅圆管1。
所述鼎形异型管9由内圆形基管9-1、炉膛内侧的矮翅9-2和炉膛外侧的高翅9-3组成，为轴对称结构，矮翅9-2的长度小于15mm，高翅9-3的长度大于矮翅9-2；鼎形异型管9组成沿圆周方向均布的竖直放置的环形管排，所包围的圆柱形空间即为炉膛；相邻鼎形异型管9的矮翅9-2和高翅9-3之间形成缝隙通道，烟气沿圆周方向均布的轴向缝隙通道流动，经过缝隙通道后完成降温。
所述盘管冷凝器6-1由等压风道入口6-1-1、盘管6-1-2和等压风道出口6-1-3组成；盘管6-1-2由多层并排盘绕的光管或螺旋翅片管组成；烟气自上向下流动，从烟壳4与下集箱3之间的环形空间进入盘管冷凝器6-1，从盘管冷凝器6-1顶部的等压风道入口6-1-1进入，从盘管冷凝器6-1底部的等压风道出口6-1-3流出；盘管冷凝器6-1 生成的冷凝水流入外壳4底部的冷凝水收集盘4-1内；锅炉给水从盘管冷凝器6-1底部的盘管进水口6-1-4流入，从顶部的盘管出水口 6-1-5流出，与烟气呈逆流换热。
所述组合缝隙式冷凝器6-2由上水室6-2-2、下水室6-2-3、设置在上水室6-2-2和下水室6-2-3间的瓦片翅片管1、设置在瓦片翅片管 1外侧的风道入口6-2-1以及设置在下水室6-2-3内侧的底部出口圆盘 6-2-4组成；下水室6-2-3上设置进水口6-2-5和出水口6-2-6；上水室 6-2-2和下水室6-2-3内设置隔板，引导锅炉给水在上水室6-2-2和下水室6-2-3之间上下往复流动，以提高管内水侧流速，减少过冷沸腾；瓦片翅1-2采用全包围或双侧包围结构，增大缝隙通道的长度；烟气从烟壳4与下集箱3之间的环形空间进入组合缝隙式冷凝器6-2与烟壳4之间的环形空间，沿瓦片翅片管1之间的缝隙通道进入瓦片翅片管1所围成的空腔内，随后携带冷凝水一同向下流动从底部出口圆盘 6-2-4离开进入烟壳4底部的冷凝水收集盘4-1；组合缝隙式冷凝器 6-2也适用于导热油锅炉的炉膛，此时瓦片翅1-2采用单侧包围或半包围结构。
所述组合缝隙式盘管冷凝器6-3由外周圈的圆周入口风道6-3-1、圆周入口风道6-3-1内部的盘管瓦片翅片管6-3-2、盘管瓦片翅片管 6-3-2底部的底部出口托盘6-3-3以及用于固定下集箱3的炉膛冷凝器分隔板与底部出口托盘6-3-3的定位螺栓6-3-4组成；盘管瓦片翅片管6-3-2由盘管基管6-3-2-1和盘管瓦片翅6-3-2-2、间断分布的定位片6-3-2-3组成，采用与瓦片翅片管1相同的工艺加工成直管后，采用弯管工艺加工成多层盘管结构；底部出口托盘6-3-3的外沿与圆周入口风道6-3-1的内壁贴合，能够上下移动，下集箱3的炉膛冷凝器分隔板上固定多个定位螺栓6-3-4，定位螺栓6-3-4穿过底部出口托盘 6-3-3，螺母位于底部出口托盘6-3-3的下方，盘管瓦片翅片管6-3-2 加工成型后难以精准控制上下层之间的缝隙，通过向上旋紧螺母施加压紧力，使上层的盘管瓦片翅片6-3-2-2与下层的定位片6-3-2-3接触，定位片6-3-2-3的高度即为缝隙宽度，需要清洗盘管瓦片翅片管6-3-2 时，向下拧掉螺母，取下底部出口托盘6-3-3，拿出盘管瓦片翅片管 6-3-2；烟气从烟壳4与下集箱3之间的环形空间进入圆周入口风道 6-3-1，均匀分配至每一个缝隙通道，冷凝降温后携带冷凝水一同从底部出口托盘6-3-3进入烟壳4底部的冷凝水收集盘4-1；锅炉给水从组合缝隙式盘管冷凝器6-3底部的缝隙式盘管进水口流入，从顶部的缝隙式盘管出水口流出，与烟气呈逆流换热；组合缝隙式盘管冷凝器 6-3单独使用时，也能充当盘管蒸汽发生器，给水从底部的缝隙式盘管进水口6-3-5流入，吸热变为蒸汽后从顶部的缝隙式盘管出水口 6-3-6离开。
本发明创新点、优点和积极效果是：
1、本发明的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉采用层流强化换热的理念，通过缝隙通道消除烟气换热过程的中心高温区，使锅炉烟气仅需50mm～300mm长的流程即可从1100℃以上降至300℃以下，同时烟气阻力控制在1000Pa以下，降低锅炉蒸吨钢耗量和水容积。
2、本发明的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉的核心换热元件瓦片翅圆管，结构简单，缝隙可调，可适用于0.1t到20t之间各种容量的锅炉，易于大规模加工生产组装。
3、本发明的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉采用中心对称设计，炉膛的烟气可沿径向均匀分配到每一个垂直方向上的缝隙通道，兼容主流的扩散型燃烧器和金属纤维表面燃烧器，解决传统贯流式锅炉炉膛单侧排烟，热负荷不均，易结垢爆管的问题。
4、本发明的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉内置冷凝器，冷凝器布置在下集箱下方或外侧，省去了传统蒸汽锅炉外置冷凝器需要的占地空间，锅炉系统的占地空间可缩小30％～50％。
5、本发明的一种组合缝隙式冷凝器6-2也适用于导热油锅炉的炉膛，采用层流强化替代传统的横向冲刷顺列管束换热，换热系数提高30％以上，相比传统的盘管导热油锅炉，体积可缩小30％以上，钢耗量下降30％以上。
6、本发明的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉的组合缝隙式盘管冷凝器，通过附加外力压紧多层大间隙盘管瓦片翅片管形成缝隙通道，使层流强化换热也能应用于传统的盘管换热器，换热系数增大50％～ 200％；撤掉压紧力后盘管之间的缝隙增大，便于清洗和维护；组合缝隙式盘管冷凝器也能充当盘管蒸汽发生器，相比传统的盘管蒸发器体积可缩小50％以上。
附图说明
图1a是冷凝换热器6底置时组合缝隙式燃气蒸汽锅炉的整体示意图；图1b是冷凝换热器6外侧放置时组合缝隙式燃气蒸汽锅炉的整体示意图。
图2a是瓦片翅圆管1的整体示意图；图2b瓦片翅1-2半包围相邻基管1-1的示意图；图2c是瓦片翅1-2双侧包围相邻基管1-1的示意图；图2d是瓦片翅1-2单侧包围相邻基管1-1的示意图；图2e是瓦片翅1-2全包围相邻基管1-1的示意图；图2f是瓦片翅1-2内侧附加圆弧相切波纹时的示意图。
图3a为相邻瓦片翅圆管1之间同心组合示意图，图3b为相邻瓦片翅圆管1之间偏心组合示意图。
图4是本发明一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉的焊床8用于辅助焊接时的示意图。
图5a是鼎形异型管9组成的环形管排的示意图；图5b是鼎形异型管9的截面形状示意图。
图6是本发明一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉的盘管冷凝器6-1的局部剖示意图。
图7是本发明一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉的组合缝隙式冷凝器6-2的局部剖示意图。
图8a是组合缝隙式盘管冷凝器6-3的局部剖示意图；图8b是未压紧的盘管瓦片翅片管6-3-2的剖面图；图8c是已压紧的盘管瓦片翅片管6-3-2的剖面图。
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1a所示，本发明一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，所述锅炉立式布置，包括瓦片翅圆管1、上集箱2、下集箱3、烟壳4、燃烧器 5、冷凝器6、烟囱7和控制器；多个瓦片翅圆管1组成竖直布置的环形管排，环形管排所围成的空间即为炉膛，相邻瓦片翅圆管1之间组合形成沿圆周均布的轴向缝隙通道，所有瓦片翅圆管1的上端和下端分别伸入上集箱2和下集箱3；上集箱2和下集箱3为环形集箱，与锅炉轴线共面的截面可以为长方形、圆形、三角形；上集箱2上有排汽口、安全阀、水位计接口、压力表或压力传感器、燃烧器安装面板；下集箱3上有进水口、排污口、炉膛冷凝器分隔板、水位计接口；烟壳4顶部与上集箱2的底部外沿相接，包围着所有瓦片翅圆管1、下集箱3和冷凝器6，烟壳4与瓦片翅圆管1和下集箱3之间存在着烟气流动的环形空间；燃烧器5固定在上集箱2的燃烧器安装面板上，优选扩散式燃烧器和全预混燃烧器；冷凝器6位于下集箱3下方，冷凝从环形空间进入的烟气；烟壳4底部的冷凝水收集盘4-1位于冷凝器6下方；烟囱7位于冷凝水收集盘4-1的一端，与上集箱2外沿相离。
当冷凝器6位于下集箱3外侧时，如图1b所示，所述冷凝器6 位于下集箱3外侧，冷凝从环形空间进入的烟气，烟气从冷凝器6的下方流入，换热后沿烟壳4与冷凝器6之间的环形空间汇集到烟囱7 处；烟壳4底部的冷凝水收集盘4-1位于烟囱7下方；烟囱7位于冷凝水收集盘4-1的一端，与冷凝器6外沿相离。
如图2a所示，所述瓦片翅圆管1由基管1-1、圆弧形状的瓦片翅 1-2、辅助定位片1-3和缩颈头1-4组成；瓦片翅1-2的内径大于基管 1-1的外径，与相邻瓦片翅圆管1的基管1-1形成0.1～4mm宽的缝隙通道；如图2b所示，半包围瓦片翅1-2-1半包围相邻基管1-1，基管1-1外径与半包围瓦片翅1-2-1外径所在圆相切，且双面焊接全焊透；如图2c所示，双侧包围瓦片翅1-2-2双侧包围相邻基管1-1，基管1-1外径与双侧包围瓦片翅1-2-2外径所在圆相交，且双面焊接全焊透如图；2d所示，单侧包围瓦片翅1-2-3单侧包围相邻基管1-1，基管1-1外径与单侧包围瓦片翅1-2-3外径所在圆交，且双面焊接全焊透；如图2e所示，全包围瓦片翅1-2-4全包围相邻基管1-1，基管 1-1外径与全包围瓦片翅1-2-4外径所在圆相切，且双面焊接全焊透；如图2f所示，瓦片翅1-2内侧附加圆弧相切波纹时的示意图，内侧附加波纹，可增加烟气扰动，扩展受热面积，强化换热。
如图3所示，所述相邻瓦片翅圆管1之间的组合方式可以采用同心组合和偏心组合；如图3a所示，采用同心组合时，基管1-1圆心与相邻瓦片翅圆管1的瓦片翅1-2圆心重合，相邻瓦片翅圆管1的基管1-1圆心之间的连线所成的角度等于180°减去360°除圆周方向布置的瓦片翅圆管1数量；如图3b所示，采用偏心组合时，相邻瓦片翅圆管1的基管1-1圆心之间的连线所成的角度等于180°减去360°除圆周方向布置的瓦片翅圆管1数量，但基管1-1圆心与相邻瓦片翅圆管1的瓦片翅1-2圆心不重合，瓦片翅圆管1以基管1-1的中轴线为轴，向炉膛方向旋转一个小角度，使缝隙通道入口大出口小，更符合烟气降温过程的体积变化。
如图4所示，所述瓦片翅1-2与基管1-1焊接或钎焊时采用焊床 8精准定位；焊床8上有放置基管1-1的凹槽8-1和模拟相邻管子的凸起8-2，分别将基管1-1放置在凹槽8-1中、瓦片翅1-2放置在凸起 8-2上并压紧，使二者准确组合，采用窄间隙埋弧自动焊实现批量生产。
如图5a所示，所述换热管采用还可以采用鼎形异型管9，鼎形异型管9组成沿圆周方向均布的竖直放置的环形管排，所包围的圆柱形空间即为炉膛，相邻鼎形异型管9之间形成缝隙通道，缝隙通道沿圆周方向均布；如图5b所示，鼎形异型管9由内圆形基管9-1、炉膛内侧的矮翅9-2和外侧的高翅9-3组成，为轴对称结构，矮翅9-2的长度小于15mm，高翅9-3的长度大于矮翅9-2。
如图6所示，所述冷凝器6采用盘管冷凝器6-1，盘管冷凝器6-1 由等压风道入口6-1-1、盘管6-1-2和等压风道出口6-1-3组成；盘管 6-1-2由多层并排盘绕的光管或螺旋翅片管组成；烟气自上向下流动，从烟壳4与下集箱3之间的环形空间进入盘管冷凝器6-1，从盘管冷凝器6-1顶部的等压风道入口6-1-1进入，从盘管冷凝器6-1底部的等压风道出口6-1-3流出；盘管冷凝器6-1生成的冷凝水流入外壳4 底部的冷凝水收集盘4-1内；锅炉给水从盘管冷凝器6-1底部的盘管进水口6-1-4流入，从顶部的盘管出水口6-1-5流出，与烟气呈逆流换热。
如图7所示，所述冷凝器6还可以采用组合缝隙式冷凝器6-2，组合缝隙式冷凝器6-2由上水室6-2-2、下水室6-2-3、设置在上水室 6-2-2和下水室6-2-3间的瓦片翅片管1、设置在瓦片翅片管1外侧的风道入口6-2-1以及设置在下水室6-2-3内侧的底部出口圆盘6-2-4组成；下水室6-2-3上设置进水口6-2-5和出水口6-2-6；上水室6-2-2 和下水室6-2-3内设置隔板，引导锅炉给水在上水室6-2-2和下水室 6-2-3之间上下往复流动，以提高管内水侧流速，减少过冷沸腾；瓦片翅1-2优选双侧包围瓦片翅1-2-2和全包围瓦片翅1-2-4结构，增大缝隙通道的长度；烟气从烟壳4与下集箱3之间的环形空间进入组合缝隙式冷凝器6-2与烟壳4之间的环形空间，沿瓦片翅片管1之间的缝隙通道进入瓦片翅片管1所围成的空腔内，随后携带冷凝水一同向下流动从底部出口圆盘6-2-4离开进入烟壳4底部的冷凝水收集盘4-1；组合缝隙式冷凝器6-2也适用于导热油锅炉的炉膛，此时瓦片翅1-2 优选半包围瓦片翅1-2-1和单侧包围瓦片翅1-2-3结构。
如图8a所示，所述所述冷凝器6还可以采用组合缝隙式盘管冷凝器6-3，组合缝隙式盘管冷凝器6-3由外周圈的圆周入口风道6-3-1、圆周入口风道6-3-1内部的盘管瓦片翅片管6-3-2、盘管瓦片翅片管 6-3-2底部的底部出口托盘6-3-3以及用于固定下集箱3的炉膛冷凝器分隔板与底部出口托盘6-3-3的定位螺栓6-3-4组成，底部出口托盘 6-3-3的外沿与圆周入口风道6-3-1的内壁贴合，可上下移动，下集箱 3的炉膛冷凝器分隔板上固定多个定位螺栓6-3-4，定位螺栓6-3-4穿过底部出口托盘6-3-3，螺母位于底部出口托盘6-3-3的下方，烟气从烟壳4与下集箱3之间的环形空间进入圆周入口风道6-3-1，均匀分配至每一个缝隙通道，冷凝降温后携带冷凝水一同从底部出口托盘 6-3-3进入烟壳4底部的冷凝水收集盘4-1；如图8b所示，所述盘管瓦片翅片管6-3-2由盘管基管6-3-2-1和盘管瓦片翅6-3-2-2、间断分布的定位片6-3-2-3三部分组成；如图8c所示，盘管瓦片翅片管6-3-2 加工成型后难以精准控制上下层之间的缝隙，通过向上旋紧螺母施加压紧力，使上层的盘管瓦片翅片6-3-2-2与下层的定位片6-3-2-3接触，定位片6-3-2-3的高度即为缝隙宽度。
本发明提出一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，具有热效率可达99％以上、烟气阻力低于1000Pa、体积小、水容积小、启停炉迅速的优点，同时锅炉热负荷分配均匀，不易出现结垢问题。这种组合缝隙式结构还可以作为换热器使用，替代蒸汽锅炉的外置节能器及冷凝器。

Claims (10)

1.一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述锅炉立式布置，包括换热管、上集箱(2)、下集箱(3)、烟壳(4)、燃烧器(5)、冷凝器(6)、烟囱(7)和控制器；多个换热管组成竖直布置的环形管排，环形管排所围成的空间即为炉膛，相邻换热管之间组合形成沿圆周均布的轴向缝隙通道，所有换热管的上端和下端分别伸入上集箱(2)和下集箱(3)；上集箱(2)和下集箱(3)为环形集箱，与锅炉轴线共面的截面为长方形、圆形、三角形；上集箱(2)上有排汽口、安全阀、水位计接口、压力表或压力传感器、燃烧器安装面板；下集箱(3)上有进水口、排污口、炉膛冷凝器分隔板、水位计接口；烟壳(4)顶部与上集箱(2)的底部外沿相接，包围着所有换热管、下集箱(3)和冷凝器(6)，烟壳(4)与换热管和下集箱(3)之间存在着烟气流动的环形空间；燃烧器(5)固定在上集箱(2)的燃烧器安装面板上，冷凝器(6)位于下集箱(3)下方或外侧，冷凝从环形空间进入的烟气；烟壳(4)底部的冷凝水收集盘(4-1)位于冷凝器(6)下方；烟囱(7)位于冷凝水收集盘(4-1)的一端，与上集箱(2)外沿相离；
所述换热管采用瓦片翅圆管(1)或鼎形异型管(9)；
所述冷凝器(6)采用盘管冷凝器(6-1)、组合缝隙式冷凝器(6-2)或组合缝隙式盘管冷凝器(6-3)；
燃烧器(5)采用扩散式燃烧器或全预混燃烧器；
天然气和空气在燃烧器(5)前端混合均匀后自上而下进入炉膛燃烧，燃烧产生的烟气在燃烧器安装面板和炉膛冷凝器分隔板的共同约束下进入瓦片翅圆管(1)之间的轴向缝隙通道，烟气在缝隙通道中降温后进入烟壳(4)与瓦片翅圆管(1)之间的环形空间，再通过烟壳(4)与下集箱(3)之间的环形空间进入冷凝器(6)冷凝降温，冷凝后的烟气进入烟壳(4)底部的冷凝水收集盘(4-1)，排出冷凝水后向上流动进入烟囱(7)离开锅炉；锅炉给水先进入冷凝器(6)吸收烟气余热，再进入下集箱(3)的进水口，在下集箱(3)中均匀分配到每根瓦片翅圆管(1)，向上流动的同时吸热汽化变为水蒸汽，上升至上集箱(2)，从上集箱(2)的排汽口离开锅炉。
2.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述瓦片翅圆管(1)由基管(1-1)和圆弧形状的瓦片翅(1-2)组成；瓦片翅(1-2)的内径大于(1-1)基管的外径，与相邻瓦片翅圆管(1)的基管(1-1)形成0.1～4mm宽的缝隙通道；根据使用环境的不同，瓦片翅(1-2)全包围、半包围、单侧包围、双侧包围相邻基管(1-1)；基管(1-1)外径与瓦片翅(1-2)外径所在圆相交或相切，相离时距离小于5mm，确保基管(1-1)与瓦片翅(1-2)之间的有足够的熔合面积，基管(1-1)内径与瓦片翅(1-2)内径所在圆相离，确保形成缝隙通道；基管(1-1)采用燃气锅炉标准规定的材料，瓦片翅(1-2)不是承压件，使用导热系数高的材料；瓦片翅(1-2)的圆弧内侧附加波纹，包括三角形波纹、正弦曲线波纹、圆弧相切波纹和矩形波纹，进一步扩展瓦片翅的换热面积、扰流烟气强化换热；为辅助基管(1-1)与瓦片翅(1-2)的配合，在基管(1-1)表面点焊辅助定位片(1-3)，辅助定位片(1-3)的厚度即为缝隙通道的跨度，将瓦片翅圆管(1)的瓦片翅(1-2)内表面与相邻瓦片翅圆管(1)的基管(1-1)上的辅助定位片(1-3)紧靠，便能使缝隙通道的宽度维持在设计参数；瓦片翅圆管(1)之间的距离过小而无法焊接时，则在两端焊接缩颈头(1-4)或将两端基管缩颈处理得到缩颈头(1-4)，缩颈头(1-4)处没有瓦片翅(1-2)。
3.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：相邻瓦片翅圆管(1)之间的组合方式采用同心组合和偏心组合；采用同心组合时，基管(1-1)圆心与相邻瓦片翅圆管(1)的瓦片翅(1-2)圆心重合，相邻瓦片翅圆管(1)的基管(1-1)圆心之间的连线所成的角度等于180°减去360°除圆周方向布置的瓦片翅圆管(1)数量；采用偏心组合时，相邻瓦片翅圆管(1)的基管(1-1)圆心之间的连线所成的角度等于180°减去360°除圆周方向布置的瓦片翅圆管(1)数量，但基管(1-1)圆心与相邻瓦片翅圆管(1)的瓦片翅(1-2)圆心不重合，瓦片翅圆管(1)以基管(1-1)的中轴线为轴，向炉膛方向旋转一个小角度，使缝隙通道入口大出口小，更符合烟气降温过程的体积变化；瓦片翅圆管(1)沿圆周方向均布形成一圈环形管排，当锅炉功率增大时，采用两圈、三圈、四圈环形管排，增大换热面积。
4.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述瓦片翅圆管(1)的基管(1-1)和瓦片翅(1-2)选用钢材时优先采用窄间隙焊，基管(1-1)与瓦片翅(1-2)双面焊接，全焊透，确保基管(1-1)和瓦片翅(1-2)导热良好；当基管(1-1)选用钢材，瓦片翅(1-2)选用导热系数高的材料无法直接焊接时，选用钎焊工艺，此时要确保瓦片翅(1-2)与基管(1-1)的接触长度大于4mm。
5.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述瓦片翅(1-2)与基管(1-1)焊接或钎焊时采用焊床(8)精准定位；焊床(8)上有放置基管(1-1)的凹槽(8-1)和模拟相邻管子的凸起(8-2)，分别将基管(1-1)放置在凹槽(8-1)中、瓦片翅(1-2)放置在凸起(8-2)上并压紧，使二者准确组合，采用窄间隙埋弧自动焊实现批量生产。
6.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述瓦片翅圆管(1)通过两根不同直径的圆管先焊接后切割的方式生产，两根管中直径较小的圆管作为基管(1-1)，直径较大的圆管沿管长方向切去部分圆弧作为瓦片翅(1-2)；或所述瓦片翅圆管(1)通过三根管先焊接后切割的方式生产，中间放置直径较大的瓦片翅管，两侧放置直径较小的基管(1-1)，焊接完毕后切割中间的瓦片翅管，得到两根瓦片翅圆管(1)。
7.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述鼎形异型管(9)由内圆形基管(9-1)、炉膛内侧的矮翅(9-2)和炉膛外侧的高翅(9-3)组成，为轴对称结构，矮翅(9-2)的长度小于15mm，高翅(9-3)的长度大于矮翅(9-2)；鼎形异型管(9)组成沿圆周方向均布的竖直放置的环形管排，所包围的圆柱形空间即为炉膛；相邻鼎形异型管(9)的矮翅(9-2)和高翅(9-3)之间形成缝隙通道，烟气沿圆周方向均布的轴向缝隙通道流动，经过缝隙通道后完成降温。
8.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述盘管冷凝器(6-1)由等压风道入口(6-1-1)、盘管(6-1-2)和等压风道出口(6-1-3)组成；盘管(6-1-2)由多层并排盘绕的光管或螺旋翅片管组成；烟气自上向下流动，从烟壳(4)与下集箱(3)之间的环形空间进入盘管冷凝器(6-1)，从盘管冷凝器(6-1)顶部的等压风道入口(6-1-1)进入，从盘管冷凝器(6-1)底部的等压风道出口(6-1-3)流出；盘管冷凝器(6-1)生成的冷凝水流入外壳(4)底部的冷凝水收集盘(4-1)内；锅炉给水从盘管冷凝器(6-1)底部的盘管进水口(6-1-4)流入，从顶部的盘管出水口(6-1-5)流出，与烟气呈逆流换热。
9.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述组合缝隙式冷凝器(6-2)由上水室(6-2-2)、下水室(6-2-3)、设置在上水室(6-2-2)和下水室(6-2-3)间的瓦片翅片管(1)、设置在瓦片翅片管(1)外侧的风道入口(6-2-1)以及设置在下水室(6-2-3)内侧的底部出口圆盘(6-2-4)组成；下水室(6-2-3)上设置进水口(6-2-5)和出水口(6-2-6)；上水室(6-2-2)和下水室(6-2-3)内设置隔板，引导锅炉给水在上水室(6-2-2)和下水室(6-2-3)之间上下往复流动，以提高管内水侧流速，减少过冷沸腾；瓦片翅(1-2)采用全包围或双侧包围结构，增大缝隙通道的长度；烟气从烟壳(4)与下集箱(3)之间的环形空间进入组合缝隙式冷凝器(6-2)与烟壳(4)之间的环形空间，沿瓦片翅片管(1)之间的缝隙通道进入瓦片翅片管(1)所围成的空腔内，随后携带冷凝水一同向下流动从底部出口圆盘(6-2-4)离开进入烟壳(4)底部的冷凝水收集盘(4-1)；组合缝隙式冷凝器(6-2)也适用于导热油锅炉的炉膛，此时瓦片翅(1-2)采用单侧包围或半包围结构。
10.根据权利要求1所述的一种组合缝隙式燃气蒸汽锅炉，其特征在于：所述组合缝隙式盘管冷凝器(6-3)由外周圈的圆周入口风道(6-3-1)、圆周入口风道(6-3-1)内部的盘管瓦片翅片管(6-3-2)、盘管瓦片翅片管(6-3-2)底部的底部出口托盘(6-3-3)以及用于固定下集箱(3)的炉膛冷凝器分隔板与底部出口托盘(6-3-3)的定位螺栓(6-3-4)组成；盘管瓦片翅片管(6-3-2)由盘管基管(6-3-2-1)和盘管瓦片翅(6-3-2-2)、间断分布的定位片(6-3-2-3)组成，采用与瓦片翅片管(1)相同的工艺加工成直管后，采用弯管工艺加工成多层盘管结构；底部出口托盘(6-3-3)的外沿与圆周入口风道(6-3-1)的内壁贴合，能够上下移动，下集箱(3)的炉膛冷凝器分隔板上固定多个定位螺栓(6-3-4)，定位螺栓(6-3-4)穿过底部出口托盘(6-3-3)，螺母位于底部出口托盘(6-3-3)的下方，盘管瓦片翅片管(6-3-2)加工成型后难以精准控制上下层之间的缝隙，通过向上旋紧螺母施加压紧力，使上层的盘管瓦片翅片(6-3-2-2)与下层的定位片(6-3-2-3)接触，定位片(6-3-2-3)的高度即为缝隙宽度，需要清洗盘管瓦片翅片管(6-3-2)时，向下拧掉螺母，取下底部出口托盘(6-3-3)，拿出盘管瓦片翅片管(6-3-2)；烟气从烟壳(4)与下集箱(3)之间的环形空间进入圆周入口风道(6-3-1)，均匀分配至每一个缝隙通道，冷凝降温后携带冷凝水一同从底部出口托盘(6-3-3)进入烟壳(4)底部的冷凝水收集盘(4-1)；锅炉给水从组合缝隙式盘管冷凝器(6-3)底部的缝隙式盘管进水口流入，从顶部的缝隙式盘管出水口流出，与烟气呈逆流换热；组合缝隙式盘管冷凝器(6-3)单独使用时，也能充当盘管蒸汽发生器，给水从底部的缝隙式盘管进水口(6-3-5)流入，吸热变为蒸汽后从顶部的缝隙式盘管出水口(6-3-6)离开。
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