CN114413478B - 一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，包括外壳，所述的外壳内安装有总控制器、风机以及从上至下依次设置的混合室、燃烧室、换热室和冷凝室；本发明采用全预混燃烧技术、多孔介质燃烧技术和多级换热相结合的方式；在所述的混合室内安装有整流栅，在所述燃烧室含有渐变结构多孔介质，在所述换热室内设置有翅片管式热交换器，在所述冷凝室内设置有板式热交换器；所述水管首先进入冷凝室内部进行一级换热，然后与燃烧室外部进行二级换热，最后进入换热室内部进行三级换热；本发明解决了现有技术中的燃烧氢气时出现的易回火、噪音高、冷凝水腐蚀等问题，同时热效率高，氮氧化物排放低，节能环保。

Description

一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器

技术领域

本发明属于家用燃气热水器领域，尤其涉及一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器。

背景技术

氢气与天然气在物理化学性质上具有较大的差异。相对天然气，氢气的密度和发热量较低，导致在以纯氢为燃料时，传统家用燃气热水器的热负荷会大幅度降低；同时，氢气的火焰传播速度快、着火点低和熄火距离小，导致在传统的家用燃气热水器燃烧器上燃烧时，容易出现回火、燃烧噪音高等现象；另外，传统家用燃气热水器的燃烧器多为大气式，从而导致在燃烧纯氢气源时，容易出现空气引射量不足的情况，若提高风机转速，则会造成风机噪音偏高；同时传统的大气式燃烧器产生的自由空间燃烧火焰，导致整个燃烧室和换热器的尺寸偏大；并且以纯氢为燃料时，完全燃烧产物只有水，排烟管中的饱和水蒸气容易变成冷凝水腐蚀影响排烟管和换热器，长时间运行具有较大安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，该热水器可以可避免燃气热水器燃烧氢气时出现的易回火、燃烧噪音高等安全问题，同时热效率高、烟气排放低，能够实现纯氢气源在家用燃气热水器上的安全稳定、绿色高效燃烧。

本发明的一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，包括外壳，所述的外壳内安装有总控制器、风机以及从上至下依次设置的混合室、燃烧室、换热室和冷凝室，混合室、燃烧室、换热室和冷凝室之间通过沿水平方向设置的开孔钢板隔开，安装有燃气比例阀的燃气进口管穿过外壳顶部并且出口与风机的第一进口连通，安装有空气过滤器的空气进口管一端与大气连通并且另一端穿过外壳与风机的第二进口连通，所述的风机的出口通过送气管道与混合室连通；在所述的混合室内安装有整流栅，所述的整流栅采用多层平行于燃烧室顶部的开孔钢板，从上往下每层开孔钢板的开孔直径逐渐减小，开孔率逐渐增加，在所述的燃烧室内从上至下依次安装有上游多孔介质、中游多孔介质和下游多孔介质，点火装置和熄火保护装置插入到所述中游多孔介质中，所述的点火装置采用点火针，所述熄火保护装置采用热电偶，所述中游多孔介质采用非金属多孔陶瓷，所述上游多孔介质和下游多孔介质采用金属纤维或非金属多孔陶瓷，所述上游多孔介质和下游多孔介质的平均孔径小于中游多孔介质的平均孔径；所述上游多孔介质和下游多孔介质的孔隙率大于中游多孔介质的孔隙率；所述上游多孔介质为预热区和防回火区，所述中游多孔介质为燃烧区，所述下游多孔介质为稳燃区；

在所述换热室内设置有翅片管式热交换器，在所述冷凝室内设置有板式热交换器，所述翅片管式热交换器和板式热交换器采用不锈钢材料，排烟管下端与所述冷凝室侧壁连通，所述的排烟管上端与大气连通，水管的一端连接冷水进口管并且另一端穿过壳体底壁依次连接水流伺服阀、水流量传感器、冷凝板式热交换器的进口、冷凝板式热交换器的出口，在冷凝室进行一级换热，然后盘绕在燃烧室外壁上进行二级换热，再与翅片管式热交换器的进口、翅片管式热交换器的出口以及安装在外壳外的热水出口管的进口相连，在换热室实现三级换热，在所述的热水出口管上安装有温度传感器，所述的热水出口管的出口穿过外壳底壁；

所述燃气比例阀、风机、水流伺服阀、点火装置、水流量传感器、温度传感器和熄火保护装置与总控制器连接，总控制器通过控制所述燃气比例阀的开度、风机的转速、水流伺服阀的开度和点火装置的启停，从而实现对燃气热水器燃烧换热系统的控制，所述总控制器连接所述水流量传感器、温度传感器和熄火保护装置，实现对整个燃气热水器燃烧换热系统的监控。

本发明的优点：

采用多孔介质燃烧技术和多级换热的方式，拓宽了氢气的燃烧区域，温度分布均匀，避免了局部高温区产生，降低燃烧温度和热力型氮氧化物生成；无需分段控制，即可满足大负荷范围调节；通过三级换热，充分利用燃烧产生的热量，热水器热效率可达到一级能效要求。

本发明装置采用渐变结构多孔介质，上游多孔介质可通过自身蓄热能力对混合燃气进行预热，并可以防止回火的发生；下游多孔介质可以避免氢气火焰漂移到外界，实现多孔介质层间燃烧，提高燃烧稳定性，同时较大的孔隙率可以减小气流阻力，降低燃烧噪音。

本发明装置可以实现氢气在家用燃气热水器上的安全稳定、绿色高效燃烧，拓宽氢能的应用场景，推动氢能规模化应用，对节能降碳具有一定意义。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器结构示意图；

图2为本发明的适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器燃烧换热装置结构示意图；

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

另外，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如附图所述的本发明的一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，包括外壳22，所述的外壳内安装有总控制器1、风机4以及从上至下依次设置的混合室21、燃烧室8、换热室10和冷凝室11，混合室21、燃烧室8、换热室10和冷凝室11之间通过沿水平方向设置的开孔钢板隔开，安装有燃气比例阀2的燃气进口管3穿过外壳顶部并且出口与风机的第一进口连通，安装有空气过滤器6的空气进口管5一端与大气连通并且另一端穿过外壳与风机的第二进口连通，所述的风机的出口通过送气管道与混合室21连通。优选的，在所述空气进口管5内装有所述空气过滤器6，可以对引射的空气进行过滤，防止灰尘堵塞燃烧器和换热器。

在所述的混合室21内安装有整流栅23，可以帮助氢气和空气充分混合，保证进入所述燃烧室8的预混燃气混合均匀，防止因气流分布不均造成的燃烧不平衡。所述的整流栅采用多层(如2-4层)平行于燃烧室顶部的开孔钢板，从上往下每层开孔钢板的开孔直径逐渐减小，开孔率逐渐增加。

在所述的燃烧室8内从上至下依次安装有上游多孔介质24、中游多孔介质25和下游多孔介质26，点火装置19和熄火保护装置20插入到所述中游多孔介质中25。所述的点火装置19采用点火针，所述熄火保护装置20采用热电偶，点火针和热电偶均为现有结构。所述中游多孔介质25采用非金属多孔陶瓷，所述上游多孔介质24和下游多孔介质26采用金属纤维或非金属多孔陶瓷，所述上游多孔介质24和下游多孔介质26的平均孔径小于中游多孔介质25的平均孔径；所述上游多孔介质24和下游多孔介质26的孔隙率大于中游多孔介质25的孔隙率；所述上游多孔介质24为预热区和防回火区，所述中游多孔介质25为燃烧区，所述下游多孔介质26为稳燃区。

优选的，所述中游多孔介质25平均孔径在1.2～2.0mm之间，孔隙率在40～70％之间。这样可以实现氢气在此区域的稳定燃烧，拓宽氢气的燃烧反应区域，减小燃烧区燃烧温度梯度，使得温度分布更加均匀。

优选的，所述上游多孔介质24和下游多孔介质26平均孔径在0.8～1.4mm之间，孔隙率在50～80％之间。这样氢气无法在此区域实现燃烧，可以防止回火的发生，同时上游多孔介质可以通过自身基体对来自燃烧区的热量进行蓄热，对混合燃气进行预热，减小热损失；下游多孔介质可以避免氢气火焰漂移到外界，实现多孔介质层间燃烧，提高燃烧稳定性，同时较大的孔隙率可以减小气流阻力，降低燃烧噪音。

在所述换热室10内设置有翅片管式热交换器27，在所述冷凝室11内设置有板式热交换器28，所述翅片管式热交换器27和板式热交换器28采用不锈钢材料，排烟管7下端与所述冷凝室11侧壁连通，用于燃烧烟气的排放。所述的排烟管7上端与大气连通，水管9的一端连接冷水进口管13并且另一端穿过壳体底壁依次连接水流伺服阀12、水流量传感器14、冷凝板式热交换器28的进口、冷凝板式热交换器28的出口，然后盘绕在燃烧室8外壁上再与翅片管式热交换器27的进口、翅片管式热交换器27的出口以及安装在外壳22外的热水出口管16的进口相连，在所述的热水出口管16上安装有温度传感器18，对系统换热后的出口热水温度进行监测，所述的热水出口管的出口穿过外壳22底壁。所述水管首先进入冷凝室内部进行一级换热，然后与燃烧室外部进行二级换热，最后进入换热室内部进行三级换热。

所述板式热交换器28通过气-液分层交替式换热，实现燃烧烟气与换热片充分接触，使饱和水蒸气冷凝成液态水，并对水管内的冷水进行预热。

优选的，所述排烟管7采用平衡式排烟管，所述空气进口管5套在排烟管内的出口端，燃烧所需空气全部取自室外，再通过排烟管向室外排出，全过程完全不消耗室内空气，不会造成烟气污染室内环境。

优选的，所述冷凝室11底部采用倾斜平面，有利于冷凝水的收集，在倾斜平面下端处的冷凝室11底壁上设置有冷凝水收集装置17，防止烟气从底部排，所述冷凝水收集装置17采用现有结构即可，具体可以参见专利：一种全预混燃气采暖热水炉用冷凝水收集器，公开号：CN206420159U。

所述燃气比例阀2、风机4、水流伺服阀12、点火装置19、水流量传感器14、温度传感器18和熄火保护装置20与总控制器1连接，总控制器1通过控制所述燃气比例阀2的开度、风机4的转速、水流伺服阀12的开度和点火装置的19启停，从而实现对燃气热水器的燃烧换热系统的控制，保障系统正常稳定运行。所述总控制器1连接所述水流量传感器14、温度传感器18和熄火保护装置20，实现对燃气热水器的整个燃烧换热系统进行监控。

所述适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器采用全预混燃烧和多级换热相结合的方式。

所述适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器采用多孔介质燃烧技术，燃烧方向朝下。

采用本装置的工作过程如下：

氢气通过所述燃气比例阀2进入到所述风机4，所述总控制器1根据燃气比例阀2开度，控制风机4的转速，从而保证满足氢气燃烧所需要的空气量，空气进入所述空气进口管5，经过所述空气过滤器6由所述风机4引射到所述混合室21，在所述混合室21经所述整流栅23混合均匀后进入到所述燃烧室8，同时总控制器1控制所述点火装置19进行点火，氢气在所述燃烧室8中实现全预混燃烧，燃烧产生的热量和烟气进入到所述换热室10中，与所述管式热交换器27进行显热交换后，进入到所述冷凝室11中，与所述板式热交换器27进行潜热交换后，燃烧产物饱和水蒸气冷凝成液态水后从所述冷凝室11底部排出，剩余烟气通过所述冷凝室11侧面连接的所述排烟管7排出。所述水管9首先在所述冷凝室11内部与烟气进行一级换热后，进入到所述燃烧室8外部进行二级换热，最后进入到换热室10内部和外部进行三级换热，从而实现家用燃气热水器燃烧换热系统的三级换热，该水管结构可以对从所述换热室10出来的烟气进行再次冷凝换热，减小热损失，提高燃烧热效率，同时可以降低燃烧室温度，降低热力型氮氧化物排放，节能环保，最终实现氢气在家用燃气热水器上的安全稳定、绿色高效燃烧。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，包括外壳(22)，所述的外壳内安装有总控制器(1)、风机(4)以及从上至下依次设置的混合室(21)、燃烧室(8)、换热室(10)和冷凝室(11)，混合室、燃烧室、换热室和冷凝室之间通过沿水平方向设置的开孔钢板隔开，安装有燃气比例阀(2)的燃气进口管(3)穿过外壳顶部并且出口与风机的第一进口连通，安装有空气过滤器的空气进口管(5)一端与大气连通并且另一端穿过外壳与风机的第二进口连通，所述的风机的出口通过送气管道与混合室连通；其特征在于：

在所述的混合室内安装有整流栅(23)，所述的整流栅采用多层平行于燃烧室顶部的开孔钢板，从上往下每层开孔钢板的开孔直径逐渐减小，开孔率逐渐增加，在所述的燃烧室(8)内从上至下依次安装有上游多孔介质(24)、中游多孔介质(25)和下游多孔介质(26)，点火装置(19)和熄火保护装置(20)插入到所述中游多孔介质中，所述的点火装置采用点火针，所述熄火保护装置采用热电偶，所述中游多孔介质采用非金属多孔陶瓷，所述上游多孔介质和下游多孔介质采用金属纤维或非金属多孔陶瓷，所述上游多孔介质和下游多孔介质的平均孔径小于中游多孔介质的平均孔径；所述上游多孔介质和下游多孔介质的孔隙率大于中游多孔介质的孔隙率；所述上游多孔介质为预热区和防回火区，所述中游多孔介质为燃烧区，所述下游多孔介质为稳燃区；

在所述换热室内设置有翅片管式热交换器(27)，在所述冷凝室内设置有板式热交换器(28)，所述翅片管式热交换器和板式热交换器采用不锈钢材料，排烟管(7)下端与所述冷凝室侧壁连通，所述的排烟管上端与大气连通，水管(9)的一端连接冷水进口管(13)并且另一端穿过壳体底壁依次连接水流伺服阀(12)、水流量传感器(14)、冷凝板式热交换器的进口、冷凝板式热交换器的出口，在冷凝室进行一级换热，然后盘绕在燃烧室外壁上进行二级换热，再与翅片管式热交换器的进口、翅片管式热交换器的出口以及安装在外壳外的热水出口管(16)的进口相连，在换热室实现三级换热，在所述的热水出口管上安装有温度传感器(18)，所述的热水出口管的出口穿过外壳底壁；

所述燃气比例阀、风机、水流伺服阀、点火装置、水流量传感器、温度传感器和熄火保护装置与总控制器连接，总控制器通过控制所述燃气比例阀的开度、风机的转速、水流伺服阀的开度和点火装置的启停，从而实现对燃气热水器燃烧换热系统的控制，所述总控制器连接所述水流量传感器、温度传感器和熄火保护装置，实现对整个燃气热水器燃烧换热系统的监控。

2.根据权利要求1所述的适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，其特征在于：所述中游多孔介质平均孔径在1.2～2.0mm之间，孔隙率在40～70％之间。

3.根据权利要求1或者2所述的适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，其特征在于：所述上游多孔介质和下游多孔介质平均孔径在0.8～1.4mm之间，孔隙率在50～80％之间。

4.根据权利要求3所述的适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，其特征在于：所述排烟管采用平衡式排烟管，所述空气进口管套在排烟管内的出口端。

5.根据权利要求4所述的适用纯氢气源的冷凝式家用燃气热水器，其特征在于：所述冷凝室底部采用倾斜平面，在倾斜平面下端处的冷凝室底壁上设置有冷凝水收集装置。

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