CN116294216A - 一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，采用卧式布置，燃烧器出口连通炉膛密闭空间，膜式水冷壁蒸发换热管束位于所述炉膛密闭空间前后，耦合翅片管蒸发换热管束位于炉膛密闭空间两侧，上部汽水室和下部水室分别位于炉膛密闭空间上方和下方；耦合翅片管烟气冷凝器换热管束和烟囱沿着烟气流向布置于炉后；耦合翅片管蒸发换热管束和耦合翅片管烟气冷凝器换热管束采用缝隙换热管束；采用缝隙微通道层流强化传热，显著提高换热系数，实现结构紧凑、工艺简化、短流程、低阻力强化传热，不仅降低原材料碳排放、生产制造工艺碳排放，更重要的是直接降低动力电消耗引起的运行碳排放和运行成本，真正实现产品全供应链碳排放最低。

Description

一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉

技术领域

本发明属于燃气锅炉技术领域，具体涉及一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉。

背景技术

目前市场上各种燃气热水锅炉种类繁多，尤其燃气真空相变热水锅炉因具有负压运行、安全裕度大、高温受热面不结水垢、凝结相变强化换热等独有特点，颇受供热用户青睐。但是现有燃气真空相变热水锅炉都仅采用传统的烟气湍流强化传热，强化能力弱，烟气冲刷流程长，烟气流动阻力大，导致所需风机功率增大，运行电耗显著增加，从而增加了运行碳排放和运行成本，这是一种随着产品运行时间延长而不断增长的碳排放；其次，因烟气强化换热能力弱，致使锅炉所需受热面多，体积庞大，原材料消耗大；第三，湍流强化换热管束多，焊接工作量大，工艺碳排放大。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，采用缝隙微通道层流强化传热，显著提高换热系数，实现结构紧凑、工艺简化、短流程、低阻力强化传热，不仅降低原材料碳排放、生产制造工艺碳排放，更重要的是直接降低动力电消耗引起的运行碳排放和运行成本，真正实现产品全供应链碳排放最低。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，采用卧式布置，包括燃烧器、膜式水冷壁蒸发换热管束、耦合翅片管蒸发换热管束、耦合翅片管烟气冷凝器换热管束、上部汽水室、下部水室、烟囱；燃烧器出口连通炉膛密闭空间，膜式水冷壁蒸发换热管束位于所述炉膛密闭空间前后，耦合翅片管蒸发换热管束位于炉膛密闭空间两侧，上部汽水室和下部水室分别位于炉膛密闭空间上方和下方；耦合翅片管烟气冷凝器换热管束和烟囱沿着烟气流向布置于炉后；耦合翅片管蒸发换热管束和耦合翅片管烟气冷凝器换热管束采用缝隙换热管束；缝隙换热管束包括基管和翅片，翅片与基管固定连接形成换热管，若干换热管同向排列，相邻两个换热管之间有缝隙通道，翅片与其相邻基管之间有缝隙通道。

耦合翅片管烟气冷凝器换热管束的上端和下端分别连接烟气冷凝段上部集箱和烟气冷凝段下部集箱，烟气冷凝段上部集箱依次连接有进口集箱、蒸汽凝结换热管束和出口集箱；上部汽水室顶部设置真空泵。

相邻两根换热管的两端之间设置有1～2mm的金属片，金属片和换热管的端面平齐，翅片长度小于换热管长度，所述金属片用于形成管间缝隙通道，基管采用燃气锅炉标准规定的材料，翅片所用材料导热系数不低于200W/( m·K)。

基管矩形管和带有扰流柱的翅片焊接形成P形翅片管，所述耦合翅片管蒸发换热管束采用P形翅片管，带有扰流柱的翅片采用“J”形和“I”形两种形状；P形翅片管同向布置，P形翅片管与相邻P形翅片管的基管之间形成1～4mm宽的缝隙通道；耦合翅片管烟气冷凝器换热管束采用“I”形翅的P形翅片管。

所述P形翅片管通过使用折边机将扁钢弯折三次成形“I”形翅的P形翅片管，弯折四次成形“J”形翅的P形翅片管。

耦合翅片管蒸发换热管束用P形翅片管+双P镜像“

”形翅片管组合使烟气在缝隙通道中进行三次换热，使烟气流程呈三回程，双P镜像“/>

”形翅片管包括基管矩形管和两个带有扰流柱的翅片；双P镜像“/>

”形翅片管与相邻双P镜像“/>

”形翅片管的基管之间形成1～4mm宽的缝隙通道。

耦合翅片管蒸发换热管束用P形翅片管+W形翅片管，W形翅片管包括基管矩形管、一个带有扰流柱的翅片和一个光面直翅，一个带有扰流柱的翅片和一个光面直翅分别设置在基管矩形管相对的两条棱上。

所述P形翅片管焊接时采用焊床定位；焊床宽度宽于基管2～4mm，焊床上有凸起用于支撑基管，焊床两侧有可移动的加压板用于固定翅片，采用窄间隙埋弧自动焊批量生产。

基管和瓦片翅焊接形成瓦片翅Q形翅片管，耦合翅片管蒸发换热管束采用瓦片翅Q形翅片管，瓦片翅焊接在基管弧顶或侧边并半包围相邻基管，基管采用基管长圆管或腰圆管。

耦合翅片管烟气冷凝器换热管束采用瓦片翅Q形翅片管。

耦合翅片管蒸发换热管束管排平行布置或梯形布置，当换热管排采用梯形布置时耦合翅片管蒸发换热管束采用“I”形翅的P形翅片管或瓦片翅Q形翅片管。

基管和翅片之间采用通过窄间隙埋弧自动焊、TIG焊接、MIG焊接或激光焊接工艺焊接，开单边V形坡口，全焊透。

燃烧器分别选用前预混或后预混的全预混金属纤维表面燃烧器、扩散式燃烧器或后预混的全预混水冷燃烧器。

所述燃烧器采用扩散式燃烧器时，耦合翅片管蒸发换热管束前端若干换热管焊接密封。

所述燃烧器采用全预混水冷燃烧器，炉体壳上设置一个圆转方结构，圆转方结构用于连接全预混水冷燃烧器和炉体壳，炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束采用V形排布或U形排布，形成V形或U形水冷燃烧面，管束间留有缝隙，预混气体通过圆转方结构分配到整个V形或U形燃烧面上，之后穿过管束之间的缝隙点火燃烧。

管排延伸到后端膜式水冷壁蒸发换热管束使锅炉呈双炉膛型。

燃烧器采用全预混水冷燃烧器时采用两台或四台燃烧器，当采用两台全预混水冷燃烧器时，烟气冷凝器换热管束布置于锅炉两侧，燃烧器对冲布置，烟气从前后两侧同时进入炉膛，燃烧后形成的高温烟气沿耦合翅片管蒸发换热管束的缝隙通道进行层流强化换热，烟气折转90°流出后向前运动，再向锅炉外侧折转90°后冲刷烟气冷凝器换热管束继续降温后经由方转圆烟道外壳汇集，通过烟囱排入大气。

蒸汽凝结换热管束采用圆形光管，蒸汽凝结换热管束叉排布置，管束底部倒数两排或三排焊接V形导液翅片或U形导液翅片。

蒸汽凝结换热管束采用上部叉排布置，下部的蒸汽凝结换热管束分成若干部分，每个部分之间相隔设定区域不布置蒸汽凝结换热管束，并且每个部分的蒸汽凝结换热管束从上向下管束数量逐渐减小。

一种非真空热水锅炉，基于本发明所述耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，膜式水冷壁蒸发换热管束、耦合翅片管蒸发换热管束、耦合翅片管烟气冷凝器换热管束的两端直接连接上部集箱和下部集箱，并且上部集箱和下部集箱中设置竖直隔板，上部集箱的后方设置回水入口，回水从上部集箱上方的回水入口进入，上部集箱的前方设置回水出口，在上部集箱和下部集箱中隔板的约束下折返流动后离开锅炉。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明的一种耦合翅片管燃气真空相变热水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40mm～100mm的流程即可从1100℃以上降至300℃以下，同时烟气阻力能够控制在1000Pa以下，降低锅炉蒸吨钢耗量和水容积；本发明的一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉采用缝隙微通道层流强化传热，显著提高换热系数，实现结构紧凑、工艺简化、短流程、低阻力强化传热，不仅降低原材料碳排放、生产制造工艺碳排放，更重要的是直接降低动力电消耗引起的运行碳排放和运行成本，真正实现产品全供应链碳排放最低；本发明的一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉的炉墙由水冷壁构成，不仅成本低而且消除了传统常压锅炉由于高温烟气使得炉墙温度过高造成坍塌、损坏产生的事故的隐患。

进一步的，本发明的一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉的核心换热元件P形翅片管和双P镜像“

”形翅片管，结构简单，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。

进一步的，本发明的一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉采用中心对称设计，应用等压烟气通道，炉膛的烟气可均匀分配到每一个缝隙通道，解决传统膜式壁真空热水锅炉烟气分布不均，局部换热效果差的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。

图1a是一种矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉整体前视剖面图；图1b是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉炉体俯视图；图1c是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉右上视图；图1d是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉烟气冷凝段供暖回水流动示意图；图1e是前端矩形截面管膜式水冷壁蒸发管束左视图。

图2a是“J”形翅的P形翅片管19组成的管排局部剖视示意图；图2b是“I”形翅的P形翅片管19组成的管排局部剖视示意图；图2c是瓦片翅Q形翅片管20翅片焊接在侧边时组成的管排局部剖视示意图；图2d是瓦片翅Q形翅片管20翅片焊接在弧顶时组成的管排局部剖视示意图。

图3a是本发明一种矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉的焊床用于辅助焊接时的示意图；图3b是采用折边机弯折成形P形翅片管的工艺流程示意图。

图4a是部分管排的左前视图；图4b是部分管排的后视图。

图5a是带有圆柱形扰流柱的直翅示意图；图5b是带有方形扰流柱的直翅示意图；图5c是带有三角形扰流柱的直翅示意图。

图6是耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉采用扩散式燃烧器时的炉体俯视图。

图7a是耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉单炉膛采用全预混水冷燃烧器时前部管束V形布管时炉体俯视图；图7b是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉双炉膛采用全预混水冷燃烧器时前部管束V形布管时炉体俯视图；图7c是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉单炉膛采用全预混水冷燃烧器时前部管束U形布管时炉体俯视图；图7d是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉双炉膛采用全预混水冷燃烧器时前部管束U形布管时炉体俯视图。

图8a是采用两台全预混水冷燃烧器时的锅炉炉体俯视图；图8b是采用两台全预混水冷燃烧器时的锅炉右上视图；图8c是采用两台全预混水冷燃烧器时的锅炉前视剖面图；图8d是采用四台全预混水冷燃烧器时的锅炉炉体俯视图。

图9a是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉应用双P镜像“

”形翅片管25或W形翅片管26时三回程布管示意图；图9b是双P镜像“/>

”形翅片管25组成的管排局部剖视局部示意图；图9c是W形翅片管26组成的管排局部剖视局部示意图。

图10a是矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉采用梯形布管示意图；图10b是当管排梯形布置时采用瓦片翅Q形翅片管20翅片焊接在侧边时组成的管排局部剖视示意图；图10c是当管排梯形布置时采用瓦片翅Q形翅片管20翅片焊接在弧顶时组成的管排局部剖视示意图。

图11a是焊接V形导液翅片101的光管整体示意图；图11b是焊接U形导液翅片102的光管整体示意图。

图12是蒸汽凝结换热管束10采用上部叉排布置下部M形布置时的管排示意图。

图13是应用矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉结构时的非真空热水锅炉前视剖面图。

附图中，1-鼓风机，2-燃烧器，22-燃烧头，3-膜式水冷壁蒸发换热管束，31-炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束，4-耦合翅片管蒸发换热管束，5-耦合翅片管烟气冷凝器换热管束，6-上部汽水室，7-下部水室，8-进口集箱，9-出口集箱，10-蒸汽凝结换热管束，101-V形导液翅片，102-U形导液翅片，11-烟气冷凝段上部集箱，12-烟气冷凝段下部集箱，13-真空泵，14-锅炉本体外壳板，141-左侧锅炉本体外壳板，142-右侧锅炉本体外壳板，143-方转圆烟道外壳，144-前接板，145-等压烟气通道盖板，15-保温材料，16-彩钢板，17-冷凝水排出孔，18-烟囱，19-P形翅片管，191-基管矩形管，192-带有扰流柱的翅片，193-光面直翅，20-瓦片翅Q形翅片管，201-基管长圆管，202-瓦片翅，23-焊床，231-加压板，232-凸起，24-圆转方结构，32-后端膜式水冷壁蒸发换热管束，41-左蒸发换热管束，42-右蒸发换热管束，25-双P镜像“

”形翅片管，26-W形翅片管，27-上部集箱，28-下部集箱，29-让管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的在于提供一种缝隙式对称膜式壁燃气真空相变热水锅炉，提出一种将传统膜式水冷壁辐射受热面和传统水管管束对流受热面有机结合成一种“辐射对流合一”的整体传热元件，或称一种新形传热“芯片”，即P形翅片管和双P镜像“

”形翅片管，受热面全部采用矩形截面基管+“J”形翅片或矩形截面基管+“I”形翅片，翅片的向火面刻蚀加工或其他锻压加工各种形状的微小尺寸凸台，进行微通道缝隙强化换热，显著提高烟气对流换热系数，降低钢耗量，缩小锅炉体积，减小烟气流动阻力，降低成本。双P镜像“/>

”形翅片管或P形翅片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；采用轴对称设计形式，烟气均匀经过P形翅片管之间的缝隙进入等压烟气通道再经过双P镜像“/>

”形翅片管之间的缝隙回到炉膛后流出，确保同一回程内的所有管束的热负荷相同，且烟气阻力小于1000Pa。本发明所述“J”形翅片是指，翅片与基管连接端有一弯折，在排列时，基管排布于同一平面也能留有换热缝隙，参考图2a；所述“I”形翅片是指，翅片为平直形，翅片端部直接与基管连接，相邻基管需要错位排布以留出换热缝隙，参考图2b。

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和图1b所示，本发明一种矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，锅炉卧式布置，包括鼓风机1、燃烧器2、燃烧头22、膜式水冷壁蒸发换热管束3、耦合翅片管蒸发换热管束4、耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5、上部汽水室6、下部水室7、进口集箱8、出口集箱9、蒸汽凝结换热管束10、烟气冷凝段上部集箱11、烟气冷凝段下部集箱12、真空泵13、锅炉本体外壳板14、保温材料15、彩钢板16、冷凝水排出孔17以及烟囱18；多个换热管组成竖直布置的换热管排，管排所围成的空间即为炉膛，所有换热管2的上端和下端分别伸入上部汽水室6和下部水室7；上部汽水室6和下部水室7为方形集箱；上部汽水室6内部有进口集箱8和出口集箱9，上方有真空泵13；锅炉尾部上方有一高度小于上部汽水室6的方形集箱，为烟气冷凝段上部集箱11，锅炉尾部下方有烟气冷凝段下部集箱12；蒸汽凝结换热管束10布置在上部汽水室6内部，与进口集箱8和出口集箱9相连；炉体右侧方转圆烟道外壳143下方开孔布置冷凝水排出孔17；燃烧器2和前接板144依靠法兰连接固定；如图1b和图1c所示炉体壳由烟气入口侧的前接板144、左侧锅炉本体外壳板141、右侧锅炉本体外壳板142、等压烟气通道盖板145和方转圆烟道外壳143组成，炉膛中后方布置一排密排相连的后端膜式水冷壁蒸发换热管束32，密排相连的后端膜式水冷壁蒸发换热管束32是相互焊接的矩形管排，中轴线左右两侧相邻换热管之间形成缝隙通道；所述等压烟气通道由中轴线左侧锅炉本体外壳板141、右侧锅炉本体外壳板142、等压烟气通道盖板145与P形翅片管之间的空间构成，左侧锅炉本体外壳板141、右侧锅炉本体外壳板142和等压烟气通道盖板145之间焊接密封，等压烟气通道盖板和上部汽水室6和下部水室7之间同样焊接密封；如图1c和图1d所示，供暖回水从烟气冷凝段下部集箱12进入后，在烟气冷凝段上部集箱11和烟气冷凝段下部集箱12中隔板的约束下折返运动与尾部烟气换热后进入上部汽水室6内部的进口集箱8中，再流经蒸汽凝结换热管束10与水蒸气进行换热最后从出口集箱9离开锅炉；如图1e所示，前排布置一排中间带有让管29的矩形管，为相互焊接中间采用让管29，所述矩形管密接面相互对缝焊接密封炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束31，燃烧头22可从让管29处插入，燃烧器2采用全预混金属纤维表面燃烧器21或扩散式燃烧器；如图6所示，当锅炉燃烧器2采用扩散式燃烧器时，锅炉本体外壳板14由烟气入口侧的左侧锅炉本体外壳板141、右侧锅炉本体外壳板142、等压烟气通道盖板145和方转圆烟道外壳143组成，前排布置一排中间带有让管29的密接面相互对缝焊接密封炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束31，为相互焊接中间采用让管29的矩形管411，扩散式燃烧器可从让管29处插入，等压烟气通道由左侧锅炉本体外壳板141、右侧锅炉本体外壳板142、等压烟气通道盖板145与P形翅片管之间的空间构成，考虑到火焰根部造成的燃气不完全燃烧损失较大，为减小燃烧产生的不完全燃烧损失，两侧换热管排前端几根换热管焊接密封。耦合翅片管蒸发换热管束4实现辐射和层流对流强化，耦合翅片管烟气冷凝器换热管束实现层流对流强化换热。

如图2a和图2b所示，所述P形翅片管19由基管矩形管191和一个带有扰流柱的翅片192组成，带有扰流柱的翅片192采用“J”形和“I”形两种形状；P形翅片管19与相邻P形翅片管19的基管之间形成1～4mm宽的缝隙通道；带有扰流柱的翅片192的扰流柱进一步拓展翅片的换热面积、扰流烟气强化换热，翅片通过窄间隙埋弧自动焊焊接到基管上组成P形翅片管19，基管和翅片之间也可采用TIG焊接、MIG焊接或激光焊，开单边V形坡口，全焊透；基管矩形管191采用燃气锅炉标准规定的材料，翅片不是承压件，使用导热系数高的材料；如图2c和图2d所示，所述瓦片翅Q形翅片管20基管采用基管长圆管201或腰圆管，瓦片翅202焊接在基管侧边或弧顶并半包围相邻基管，基管和翅片之间采用TIG焊接、MIG焊接或激光焊，开单边V形坡口，全焊透，翅片上的扰流住由点焊批量获得；基管长圆管201采用燃气锅炉标准规定的材料，带有扰流柱的翅片不是承压件，使用导热系数高的材料；

如图3a所示，所述P形翅片管19焊接时采用焊床23精准定位；焊床23宽度略宽于基管2～4mm，确保焊接好的翅片和下一相邻基管间形成缝隙通道,焊床23上有凸起232用于支撑基管，焊床23两侧有可移动的加压板231用于翅片的固定，采用窄间隙埋弧自动焊实现批量生产；如图3b所示所述P形翅片管19也可以通过使用折边机将3mm的扁钢弯折三次成形“I”形翅的P形翅片管19，弯折四次成形“J”形翅的P形翅片管19，在所形成的翅片和基管间采用TIG焊接、MIG焊接或激光焊全焊透；

如图4a和图4b所示，所述耦合翅片管蒸发换热管束4和耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5相邻换热管上端和下端之间加有1～2mm的金属片，上方金属片的上表面和耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5上表面处于同一平面，下方金属片的下表面和耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5下表面处于同一表面，金属片用于形成管间缝隙通道同时可以降低管板加工难度，不必在管板上开单独的孔，翅片长度小于换热管长度，金属片用于形成管间缝隙通道；

如图5a、图5b和图5c所示，所述带有扰流注的直翅上的扰流柱截面可以是圆柱形、方形或三角形。

如图6所示，所述燃烧器2采用扩散式燃烧器时，其结构与采用全预混金属纤维表面燃烧器时基本相同，不同点在于左蒸发换热管束41和右蒸发换热管束42前端几根换热管焊接密封，考虑到使用扩散式燃烧器时火焰根部造成的燃气不完全燃烧损失较大，为减小燃烧产生的不完全燃烧损失，两侧换热管排前端几根换热管焊接密封。

如图7a、图7b、图7c和图7d所示，燃烧器2也可采用全预混水冷燃烧器，炉体壳上设置一个圆转方结构24，圆转方结构24和全预混水冷燃烧器相连接，炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束31采用V形排布或U形排布，形成V形或U形水冷燃烧面，管束间留有缝隙，预混气体通过圆转方结构24分配到整个V形或U形面上，之后穿过管束之间的缝隙点火燃烧；另外，炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束31采用V形排布或U形排布时，管排延伸到后端膜式水冷壁蒸发换热管束32可使锅炉呈双炉膛形，采用全预混水冷燃烧器的优势在于可以大大减小炉膛体积；所述V形排布或U形排布是指俯视状态下炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束31呈现V形或U形。

如图8a所示，燃烧器2采用全预混水冷燃烧器时可设置两台或四台燃烧器来增加锅炉容量，当采用两台全预混水冷燃烧器时，耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5布置于锅炉两侧，燃烧器对冲布置，烟气从前后两侧同时进入炉膛，燃烧后形成的高温烟气沿炉膛中轴线左、右两侧相邻的左蒸发换热管束41和右蒸发换热管束42的缝隙通道进行层流强化换热，烟气折90°流出后向前运动，再向锅炉外侧折转90°后冲刷耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5继续降温后经由方转圆烟道外壳143汇集后通过烟囱18排入大气。

如图8b和图8c所示，供暖回水从锅炉两侧同时进入，锅炉的采暖回水从烟气冷凝段下部集箱12经过由耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5流通至烟气冷凝段上部集箱11被加热后从进口集箱8进入蒸汽凝结换热管束10吸收上部汽水室中水蒸气凝结换热的热量后经由出口集箱9送给供热用户。

如图9a所示，所述耦合翅片管蒸发换热管束4可以应用P形翅片管19+双P镜像“

”形翅片管25或W形翅片管26的组合使烟气在缝隙通道中进行三次换热，使烟气流程呈三回程；如图9b所示，所述双P镜像“/>

”形翅片管25由基管矩形管191和两个带有扰流柱的翅片192组成；双P镜像“/>

”形翅片管25与相邻双P镜像“/>

”形翅片管25的基管之间形成1～4mm宽的缝隙通道；烟气进入到后半程温度降低，使得烟气和水冷管壁中水的换热温差大大减小，采用两个带有扰流柱的翅片192能进一步增加对流受热面及以及烟气扰动程度强化传热，提高锅炉热效率；如图9c所示，所述W形翅片管26由基管矩形管191、一个带有扰流柱的翅片192和一个光面直翅193组成，W形翅片管26相较于双P镜像“/>

”形翅片管25有着更小的阻力，更利于烟气的流通。

如图10a、图10b和图10c所示，膜式水冷壁蒸发换热管束3和耦合翅片管蒸发换热管束的换热管排也可以梯形布置，当所述换热管排采用梯形布置时耦合翅片管蒸发换热管束采用“I”形翅的P形翅片管19或瓦片翅Q形翅片管20，当换热管排梯形布置时可使得锅炉体积减小并形成天然的等压烟气通道。

如图11a和图11b所示，所述蒸汽凝结换热管束10叉排布置，管束底部倒数两、三排焊接V形导液翅片101或U形导液翅片102，由于管束效应的存在，使得蒸汽凝结换热管束10的换热量降低，为了节省材料和加工制造成本，在管束效应较为严重的管排上焊接导液翅片，可使整体换热量提高。

如图12所示，所述蒸汽凝结换热管束10可采用上部叉排布置，下部M形的布管方式，M形的布管方式具体是指：下部的蒸汽凝结换热管束分成若干部分，每个部分之间相隔设定区域不布置蒸汽凝结换热管束，并且每个部分的蒸汽凝结换热管束从上向下管束数量逐渐减小；此时无需在底部管束焊接导液翅片，采用底部M形布管的方式能及时将冷凝水导流至上部汽水室6下方，降低管束效应。

如图13所示，所述燃气真空相变热水锅炉的结构也可用于非真空热水锅炉，上述所述燃气真空相变热水锅炉，去除上部汽水室6和下部水室7，膜式水冷壁蒸发换热管束3、耦合翅片管蒸发换热管束4、耦合翅片管烟气冷凝器换热管束5的两端直接连接上部集箱27和下部集箱28，并且上部集箱27和下部集箱28中设置竖直隔板，上部集箱27的后方设置回水入口，回水从非真空热水锅炉的上部集箱27上方的回水入口进入，在非真空热水锅炉的上部集箱27和下部集箱28中隔板的约束下折返流动后离开锅炉。

本发明提出一种矩形截面耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，具有热效率可达97%以上、烟气阻力低于1000Pa、体积小、成本低、锅炉热负荷分配均匀、换热量高的优点。

Claims (20)

1.一种耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，采用卧式布置，包括燃烧器(2)、膜式水冷壁蒸发换热管束(3)、耦合翅片管蒸发换热管束(4)、耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)、上部汽水室(6)、下部水室(7)、烟囱(18)；燃烧器(2)出口连通炉膛密闭空间，膜式水冷壁蒸发换热管束(3)位于所述炉膛密闭空间前后，耦合翅片管蒸发换热管束(4)位于炉膛密闭空间两侧，上部汽水室(6)和下部水室(7)分别位于炉膛密闭空间上方和下方；耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)和烟囱(18)沿着烟气流向布置于炉后；耦合翅片管蒸发换热管束(4)和耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)采用缝隙换热管束；缝隙换热管束包括基管和翅片，翅片与基管固定连接形成换热管，若干换热管同向排列，相邻两个换热管之间有缝隙通道，翅片与其相邻基管之间有缝隙通道。

2.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)的上端和下端分别连接烟气冷凝段上部集箱(11)和烟气冷凝段下部集箱(12)，烟气冷凝段上部集箱(11)依次连接有进口集箱(8)、蒸汽凝结换热管束(10)和出口集箱(9)；上部汽水室(6)顶部设置真空泵(13)。

3.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，相邻两根换热管的两端之间设置有1～2mm的金属片，金属片和换热管的端面平齐，翅片长度小于换热管长度，所述金属片用于形成管间缝隙通道，基管采用燃气锅炉标准规定的材料，翅片所用材料导热系数不低于200W/(m·K)。

4.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，基管矩形管(191)和带有扰流柱的翅片(192)焊接形成P形翅片管(19)，所述耦合翅片管蒸发换热管束(4)采用P形翅片管(19)，带有扰流柱的翅片(192)采用“J”形和“I”形两种形状；P形翅片管(19)同向布置，P形翅片管(19)与相邻P形翅片管(19)的基管之间形成1～4mm宽的缝隙通道；耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)采用“I”形翅的P形翅片管(19)。

5.根据权利要求3所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，所述P形翅片管(19)通过使用折边机将扁钢弯折三次成形“I”形翅的P形翅片管(19)，弯折四次成形“J”形翅的P形翅片管(19)。

6.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，耦合翅片管蒸发换热管束(4)用P形翅片管(19)+双P镜像

形翅片管(25)组合使烟气在缝隙通道中进行三次换热，使烟气流程呈三回程，双P镜像/>

形翅片管(25)包括基管矩形管(191)和两个带有扰流柱的翅片(192)；双P镜像/>

形翅片管(25)与相邻双P镜像/>

形翅片管(25)的基管之间形成1～4mm宽的缝隙通道。

7.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，耦合翅片管蒸发换热管束(4)用P形翅片管(19)+W形翅片管(26)，W形翅片管(26)包括基管矩形管(191)、一个带有扰流柱的翅片(192)和一个光面直翅(193)，一个带有扰流柱的翅片(192)和一个光面直翅(193)分别设置在基管矩形管(131)相对的两条棱上。

8.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，所述P形翅片管(19)焊接时采用焊床(23)定位；焊床(23)宽度宽于基管2～4mm，焊床(23)上有凸起(232)用于支撑基管，焊床(23)两侧有可移动的加压板(231)用于固定翅片，采用窄间隙埋弧自动焊批量生产。

9.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，基管和瓦片翅(202)焊接形成瓦片翅Q形翅片管(20)，耦合翅片管蒸发换热管束(4)采用瓦片翅Q形翅片管(20)，瓦片翅(202)焊接在基管弧顶或侧边并半包围相邻基管，基管采用基管长圆管(201)或腰圆管。

10.根据权利要求9所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)采用瓦片翅Q形翅片管(20)。

11.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，耦合翅片管蒸发换热管束(4)管排平行布置或梯形布置，当换热管排采用梯形布置时耦合翅片管蒸发换热管束(4)采用“I”形翅的P形翅片管(19)或瓦片翅Q形翅片管(20)。

12.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，基管和翅片之间采用通过窄间隙埋弧自动焊、TIG焊接、MIG焊接或激光焊接工艺焊接，开单边V形坡口，全焊透。

13.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，燃烧器(2)分别选用前预混或后预混的全预混金属纤维表面燃烧器、扩散式燃烧器或后预混的全预混水冷燃烧器。

14.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，所述燃烧器(2)采用扩散式燃烧器时，耦合翅片管蒸发换热管束(4)前端若干换热管焊接密封。

15.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，所述燃烧器(2)采用全预混水冷燃烧器，炉体壳上设置一个圆转方结构(24)，圆转方结构(24)用于连接全预混水冷燃烧器和炉体壳，炉膛前端膜式水冷壁蒸发换热管束(31)采用V形排布或U形排布，形成V形或U形水冷燃烧面，管束间留有缝隙，预混气体通过圆转方结构(24)分配到整个V形或U形燃烧面上，之后穿过管束之间的缝隙点火燃烧。

16.根据权利要求15所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于：管排延伸到后端膜式水冷壁蒸发换热管束(32)使锅炉呈双炉膛型。

17.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，燃烧器(2)采用全预混水冷燃烧器时采用两台或四台燃烧器，当采用两台全预混水冷燃烧器时，耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)布置于锅炉两侧，燃烧器(2)对冲布置，烟气从前后两侧同时进入炉膛，燃烧后形成的高温烟气沿耦合翅片管蒸发换热管束(4)的缝隙通道进行层流强化换热，烟气折转90°流出后向前运动，再向锅炉外侧折转90°后冲刷耦合翅片管烟气冷凝器换热管束继续降温后经由方转圆烟道外壳(143)汇集，通过烟囱(18)排入大气。

18.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，蒸汽凝结换热管束(10)采用圆形光管，蒸汽凝结换热管束(10)叉排布置，管束底部倒数两排或三排焊接V形导液翅片(101)或U形导液翅片(102)。

19.根据权利要求1所述的耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，其特征在于，蒸汽凝结换热管束(10)采用上部叉排布置，下部的蒸汽凝结换热管束分成若干部分，每个部分之间相隔设定区域不布置蒸汽凝结换热管束，并且每个部分的蒸汽凝结换热管束从上向下管束数量逐渐减小。

20.一种非真空热水锅炉，其特征在于，基于权利要求1-19任一项所述耦合翅片管燃气真空相变热水锅炉，膜式水冷壁蒸发换热管束(3)、耦合翅片管蒸发换热管束(4)、耦合翅片管烟气冷凝器换热管束(5)的两端直接连接上部集箱(27)和下部集箱(28)，并且上部集箱(27)和下部集箱(28)中设置竖直隔板，上部集箱(27)的后方设置回水入口，回水从上部集箱(27)上方的回水入口进入，上部集箱(27)的前方设置回水出口，在上部集箱(27)和下部集箱(28)中隔板的约束下折返流动后离开锅炉。

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