一种烟气冷却冷凝一体化热交换器的制作方法

1.本实用新型涉及一种换热设备，尤其涉及一种适用于上燃式燃气热水器或燃气热水炉的热交换器，属于供热设备技术领域。


背景技术：

2.燃气热水器的天然气燃烧火焰温度一般在950℃左右，烟气中的水以气态形式（水蒸气）存在于烟气中，水蒸气潜热约是天然气低位发热量的11%。当前市面上主流的冷却式燃气热水器的排烟温度集中在100℃
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200℃，此时烟气尾气中的水蒸气尚未发生凝结，以至于水蒸气潜热以及较高温度的排烟显热没有得到有效利用，造成大量能源浪费。为此，从能源节约和环境保护的角度考虑，必须采取有效措施，降低燃气热水器的排烟温度，提高能源利用效率，达到节约化石能源的目的。
3.为了提高天然气燃烧后的热能利用效率，常常以传统的冷却式燃气热水器为基础，通过增加换热面积，提高烟气与水的换热量，从而降低排烟温度；该过程虽然提高了燃气利用效率，但同时也明显的增加了材料消耗，最终导致燃气热水器成本明显升高、体积显著增大。中国实用新型专利（cn201720212105.2）公开了一种冷凝式热水器，通过新增加一个冷凝腔室及烟气通道和水管路系统，实现在冷凝室内的烟气进一步降温及烟气中水蒸气凝结，但该类热交换器的材料消耗和体积将达到传统热交换器的1.4
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3倍。中国专利cn20140224661.8和cn201410431156.5也分别公开了一种冷凝式燃气热水器，它们的热水器共同特点是在传统的冷却式热交换器的基础上，直接添加换热管和排水系统进而增加了换热面积，该方案虽然实现了烟气低温排放，但同时存在原料消耗增加、成本上升、热交换器体积变大等问题。此外，现有的各类燃气热水器的共性问题是换热管之间采用弯管连接方式，在弯管处易发生水垢聚集，增加管路阻力甚至导致堵管现象，同时存在因弯管最小曲率半径限制而导致相邻换热管排无法进行紧凑布置的问题。因此，先进燃气热水器应从材料消耗、防治水垢堵塞、烟气与水换热特性、水程管排布置、烟气强化换热等综合因素考虑，在较少地增加材料消耗和不显著增加体积的前提下，降低排烟温度、增加燃料利用效率。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种用于燃气热水器的冷却冷凝一体化热交换器，使其不仅结构紧凑，体积小，有效提高换热效率，降低排烟温度和烟气阻力，同时可有效防止弯管部分水垢堵塞的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种烟气冷却冷凝一体化热交换器，含有换热管、换热翅片、水联箱、冷水进口、热水出口和水冷壁管，其特征在于：所述换热管和换热翅片组成多个换热管排，多个换热管排在竖直方向叉排叠放，每个换热管排包括多根平行布置的换热管；所述水联箱采用分水盒结构，最下部一个换热管排中各换热管内的水流方向相同，其余的每个换热管排至少分成两个换热管组，同一换热管排中相邻换热管组之间的水流方向相反；换热管组通过两端的
分水盒首尾顺序连通；下层换热管排的水出口与上层换热管排的水进口通过分水盒直接相连；所述多个换热管排分为上、下两部分，下部分换热管排的翅片间距大于上部分换热管排的翅片间距。
7.进一步地，所述的多个换热管排的管排数至少为3个管排，换热管排之间的间距为15 mm
ꢀ‑
30 mm。
8.进一步地，所述上部分换热管排的换热翅片与下部分换热管排的换热翅片间隔排布，上部分换热管排的换热翅片的间距为2mm
‑
3mm，下部分换热管排的换热翅片的间距为4
‑
6mm。
9.进一步地，两端分水盒的内部结构有所不同，需根据换热管排的个数和每个换热管排中的换热管组数用隔板分成不同区间。
10.进一步地，所述多个换热管排中，相互之间换热管的根数相同或不同，所述换热管内径为10
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14mm。
11.进一步地，所述换热翅片采用开有导液条缝和三角缝的开缝翅片；换热翅片的厚度为0.02
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0.05mm。换热翅片上部的迎火面和下部的背火面的边缘呈曲边形，迎火面采用低肋翅片结构，肋高为1
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3mm；背火面采用高肋翅片结构，肋高为8
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10mm；
12.本实用新型的技术特征还在于：所述热交换器的表面由内而外依次设有防腐镀层和防腐涂层。所述防腐镀层采用非晶态镍磷化学复合的防腐镀层；所述的防腐涂层采用氟化石墨烯改性环氧复合的防腐涂层。
13.本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及突出性的效果：
①
热交换器采用冷却冷凝一体化设计，冷却和冷凝在同一个热交换器中进行，烟气冷却在热交换器上部发生、烟气中水蒸气凝结在下部发生，有效解决了烟气冷却和烟气无法在一个热交换器中实现冷凝放热问题，增加了热交换器的紧凑性，节省了材料和空间。
②
采用分水盒结构替换传统的换热管之间的弯管连接方式，避免了弯管处积垢甚至堵塞问题，延长了热交换器使用寿命长。进入热交换器中的水来自于市政自来水，水质较硬，水被加热后容易发生结垢现象，水垢容易在换热管的弯管处聚集，腐蚀弯管并增加流动阻力，甚至堵塞弯管；本实用新型采用分水盒替代弯管，有效避免了水垢堵塞问题，使用寿命更长；并对冷凝热交换器进行防腐改性处理，提高了设备使用寿命。
③
提高水
‑
烟气换热效率。冷水进口在下、热水出口在上，有效提高了水
‑
烟气换热效率；水从进水口进入热交换器后，首先与排烟前的较低温度烟气直接热交换，最大程度地降低了烟气排烟温度，提高了热能利用效率。
④
分水盒结构更加紧凑，且避免相同流程的管内水温不一致现象。传统燃气热水器的热交换器在换热管之间采用弯管连接，受弯管曲率半径限制，两根管子之间连通的距离较大，导致热交换器体积变大、材料消耗增加。同时，同一个流程换热管内的水在分水盒内混合和重新分配，避免了换热管之间水温差异较大的现象。
附图说明
14.图1为采用本实用新型提供的烟气冷却冷凝一体化热交换器的换热结构原理示意图。
15.图2a、图2b为冷却冷凝一体化热交换器两端分水盒实施例结构示意图。
16.图3为一个换热管排中换热管及分水盒的连接结构示意图。
17.图4a、图4b为冷却冷凝一体式热交换器的翅片结构示意图。
18.图中：1
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燃烧室；2
‑
热水出口；3
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换热翅片；4
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换热管；5
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烟气出口；6
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冷凝水出口；7
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排烟导流段；8
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冷水进口；9
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分水盒；9a
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右分水盒；9b
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左分水盒；10
‑
水冷壁管；11
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换热管组； 12
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导液条缝；13
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三角缝；14
‑
隔板；15
‑
换热管孔。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本实用新型的结构、原理和工作过程做进一步的说明。
20.图1为采用本实用新型提供的一种烟气冷却冷凝一体化热交换器的换热结构原理示意图。如图所示，所述热交换器含有换热管4、换热翅片3、水联箱、冷水进口8、热水出口2、水冷壁管10、排烟导流段7、烟气出口5和冷凝水出口6；由换热管4组成多个换热管排，每个换热管排包括多根平行布置的换热管4，多个换热管排在竖直方向叉排叠放；最下部一个换热管排中各换热管内的水流方向相同，其余的每个换热管排至少分成两个换热管组11，同一换热管排中相邻换热管组之间的水流方向相反；换热管组通过两端的分水盒首尾顺序连通；下层换热管排的水出口与上层换热管排的水进口通过分水盒9直接相连；所述多个换热管排分为上、下两部分，下部分换热管排的翅片间距大于上部分换热管排的翅片间距。
21.图2a、图2b为冷却冷凝一体化热交换器两端分水盒具体实施例结构示意图，两端分水盒的内部结构有所不同，需根据换热管排的个数和每个换热管排中的换热管组数用隔板分成不同区间。本实施例以采用4个换热管排为例进行如下说明。
22.两个分水盒按左、右位置不同分为右分水盒9a和左分水盒9b，其中右分水盒9a如图2b所示，左分水盒9b如图2a所示，图中带有
“”
符号的换热管6表示水流出方向，带有
“”
符号的换热管表示水流入方向。水从热交换器的冷水进口8经右分水盒9a将水分配到最下一个由5根换热管6组成的第一换热管排中，5根换热管内的水流方向均相同，然后水流入左分水盒9b中，在左分水盒9b中水直接向上流入第二换热管排。第二换热管排有6根换热管，以每3根一组在左分水盒9b内用隔板14分成了两个水流方向相反的换热管组11，即水从左分水盒9b 流经其中一个换热管组进入右分水盒9a，然后流经另一个换热管组后，再流回至左分水盒9b中，即实现水在这两个换热管组内按相反方向流动，然后水在左分水盒9b中向上流入第三个换热管排。第三换热管排有5根换热管，在左分水盒9b用隔板14将左侧2根换热管和右侧3根换热管分成两个换热管组11；第四换热管排有6根换热管，在右分水盒9a中用隔板14将右侧2根和左侧4根换热管分成两个换热管组。在第三换热管排内水流经由3根换热管组成的换热管组后流入右分水盒9a，然后在右分水盒9a内水同时流入第三换热管排的2根换热管组成的换热管组和第四换热管排的2根换热管组成的换热管组后，流入左分水盒9b，最后水流经第四换热管排的由4根换热管组成的换热管组9后流入右分水盒9a中，然后水从右分水盒9a向上流入水冷壁管后从热水出口2流出。可见，相邻换热管排的换热管根数可以相同，也可以不同，且每个换热管排中的换热管组数也是可以变化的，可以分成两组，或两组以上，这也仅为一个具体的实施例。所以两侧分水盒的内部结构会有所不同，需要根据换热管排的个数和每个换热管排中的换热管组数，对分水盒进行不同区间的分隔，从而实现换热管组通过两端的分水盒进行首尾顺序连通。
23.为了能更清楚的说明分水盒的结构，参见图3所示，图3表示在冷却冷凝一体化热交换器中一个换热管排的换热管及分水盒的连接结构示意图，该换热管排包括2个换热管
组11，每个换热管组11由平行放置的3根换热管组成，换热管的端部与右分水盒9a和左分水盒9b直接相连，左分水盒9b上有一个隔板14，将分水盒9b内的水分隔开，右侧分水盒9a实现两个换热管组连通。水首先流入分水盒9b后，然后从第一个换热管组流至分水盒9a；在分水盒9a内混合后，水继续在分水盒9a内通过第二个换热管组流入分水盒9b，并在分水盒9b内进行充分混合后流出本换热管排。由于隔板14的存在，隔板14两侧的水不发生接触。可见，将换热管排分成多个换热管组后，利用分水盒的连通和分隔作用，可灵活地将每排换热管排分成多个管程，避免了传统工艺中因采用弯管连接换热管的方式而导致换热管水垢堵塞问题，同时避免了因弯管最小曲率半径限制而无法减小换热管排间距问题，并且通过水流在每个换热管组进出口的有效混合，保证了同程换热管内水温的均匀性，增加了有效换热面积，提高了换热能力。
24.图4a和图4b为采用四个换热管排的两类开缝翅片的结构示意图。如图所示，两类翅片均采用开有三角缝13、导液条缝12和换热管孔15的开缝翅片。其中，三角条缝13可促进烟气流动扰动，强化烟气侧换热，导液条缝12则有利于烟气中的水蒸气发生凝结后的快速排液，换热管孔15用于开缝翅片和换热管4进行装配。图4a和图4b的开缝翅片间隔布置，并且图4b的开缝翅片只与上部分的两个换热管排上的换热管进行装配，最终形成如图1所示的上部分换热管排上的翅片间距小、小部分换热管排上的翅片间距大，这样既保证了强化上部分管排上烟气换热，又考虑到避免因下部分换热管排上凝结水在翅片间发生水桥而增加烟气流动阻力。由于烟气凝结后，形成的凝结水具有酸性物质，容易对接触到的烟气侧换热表面发生腐蚀，为此，在上述的热交换器的表面需要进行表面改性处理，即由内而外依次设有防腐镀层和防腐涂层，防腐镀层优选采用非晶态镍磷化学镀层，防腐涂层采用氟化石墨烯改性环氧涂层。
25.下面对本实用新型的工作原理和工作过程进行详细阐述。
26.如图1所示，在气侧，燃气和空气组成的混合气体在燃烧室内发生燃烧，生成高温烟气，燃烧火焰及产生的高温烟气向水冷壁管10及嵌套换热翅片3的换热管4上部进行辐射换热，然后烟气流入本实用新型的热交换器内的上部分换热管排内，并通过换热管4和换热翅片3与换热管内的水进行热量交换，实现烟气冷却降温，该过程类似传统的冷却式燃气热水器的烟气加热水过程。然后，烟气继续向下流动并进入热交换器的下部换热管排内，当烟气被冷却至约50℃~80℃时，在换热管排的外表面和换热翅片表面上发生烟气中的水蒸气凝结放热。考虑到凝结水滴滴落和滑落现象存在，布置在下部换热管排上的翅片间距较大，有利于凝结水排走。导液条缝12位于换热管4的下部，便于凝结水在导液条缝的引流下迅速向下流淌。降温后的烟气和冷凝液同时进入排烟导流段7内，在排烟导流室7内凝结水在自身重力作用下继续向下流动并从冷凝水出口流出，烟气从侧面的排烟口流出，实现烟气和凝结水的分离。由于烟气含有微量的二氧化硫和氮氧化物等物质，本实用新型采用的防腐镀层和防腐涂层防腐镀层有效控制了烟气对换热翅片3和换热管4腐蚀。
27.在水侧，需要加热的水来自市政供水系统，夏季市政供水的水温约8
‑
15℃，为了实现水与烟气高效换热，采用管内的水和管外的烟气按近似逆流的交错流布置方案。首先，来自市政的冷水从本实用新型的热水器侧壁上的冷水进口8流入热交换器分水盒9内，然后冷水通过分水盒9从较低位位置的换热管排内流入向较高位置的相邻换热管排，并受烟气侧加热而不断升温。由于冷水进口位于热交换器侧面的最底部，温度较低的市政水直接与排
出的烟气进行热交换，显著降低了燃气热水器的排烟温度。考虑到市政水的硬度较高，受热容易发生结垢现象，本实用新型采用分水盒替代了传统的弯管连接方式，避免了因弯管最小曲率半径限制而导致的不同管排之间的间距较大问题，保证了相同换热管组内水的温度均匀性，增加了有效换热面积。同时，分水盒9内流通空间较大，避免了水垢堵塞热交换器端部。然后水从热交换器的分水盒9流入水冷壁管10内，水冷壁管10的作用是避免高温烟气或燃烧火焰将热量辐射到外壁面而产生较大散热损失。因此当水在水冷壁管10内流动时，燃烧火焰或烟气辐射到水冷壁管10上的热量直接被辐射换热管内的水吸收，从而避免热量损失。最后，水从热水出口2流出热交换器。