换热结构和燃气具的制作方法

1.本发明涉及生活电器技术领域，具体而言，涉及一种换热结构和燃气具。


背景技术：

2.低碳排放、绿色清洁和高效安全等是当前能源开发利用的主旋律。燃气是一种高效、环保、经济的能源，近年来燃气开发利用成果丰硕，城市气化率不断提高。
3.燃气热水器作为一种使用非常广泛的燃气具，对于燃气资源的高效利用具有举足轻重的作用。燃气热水器是一种利用燃气燃烧释放的热量通过换热器将生活用水加热到所需温度的小型热力设备，具有效率高、出水快、水温调节稳定、可连续使用等诸多优点。
4.燃气热水器的工作原理：燃气热水器主要由燃烧系统、换热系统、排烟系统及温控系统组成。燃气经过喷嘴进入到燃烧室内，在燃烧室与空气混合燃烧，会产生带有大量热量的烟气，烟气会与燃烧室换热使盘管内的水温上升，经过换热器的烟气与冷水进行热交换，将冷水加热到适合温度输出供人们使用；换热过后的烟气，温度降低，由排烟口排出。
5.换热系统包括燃烧室及换热器部分，主要进行与高温烟气的换热，其中换热器换热占据整体换热系统换热的80％左右，换热系统设计影响燃烧室表面的温度及燃气热水器的热效率。燃气热水器长期在高温状态下运行，燃烧室表面温度高达300℃，长期的高温运行会加速材料老化，导致隔热效果变差，也会造成零件损失，产生安全隐患等问题。
6.为了保证燃烧室表面温度在温度限制要求以内，需要降低热量由燃烧室内壁到外壁的传热效率，然而如果降低热量由燃烧室内壁到外壁的传热效率又会导致燃气热水器的热效率降低，因此现有技术中缺乏一种方案，使得燃气具既能够保证整机热效率要求，又能够满足燃烧室外壁的表面的温度限制要求。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的在于提供一种换热结构和燃气具，既可以保证整机热效率要求，又能够满足燃烧室外壁的表面的温度限制要求。
8.为了实现上述目的，根据本发明的一方面，提供了一种换热结构，包括：
9.燃烧室内壁，燃烧室内壁围成燃烧室内腔；
10.燃烧室外壁，围设在燃烧室内壁的外侧，并与燃烧室内壁之间形成通风夹层，通风夹层具有夹层通道；
11.换热器，设置在流经燃烧室的流体的下游，从燃烧室内腔流出的流体与换热器内的液体进行换热，夹层通道与换热器连通；
12.通风夹层的厚度δ与燃烧室外壁的表面温度t之间的关系满足无量纲公式：
13.t＝k
1-k2δ2 k3δ δ(k4λ1 k5λ2)*10-3
k6λ
1-k7λ
12-k8λ2 k9λ
22
k
10
λ1·
λ214.其中k1＝441～539，k2＝2.907～3.553；k3＝65.529～80.091；k4＝1.89～2.31；k5＝3.42～4.18；k6＝0.342～0.418；k7＝6.3*10-4
～7.7*10-4
；k8＝0.126～0.154；k9＝0.9*10-4
～1.1*10-4
；k
10
＝1.8*10-4
～2.2*10-4
；
15.t表示燃烧室外壁表面监测点温度值，单位℃；δ为通风夹层的厚度，单位mm；λ1为燃烧室外壁的导热系数，单位w/(m
·
k)；λ2为燃烧室内壁的导热系数，单位w/(m
·
k)；
16.夹层风量占总风量的比值q
x
与通风夹层的厚度δ之间的关系满足无量纲公式：
[0017][0018]
其中r1＝-0.412～-0.059；r2＝0.042～0.369；r3＝-18.598～-4.924。
[0019]
进一步地，
[0020]
k1＝490
±
4.41；k2＝3.23
±
0.02907；k3＝72.81
±
0.65529；k4＝2.1
±
0.0189；k5＝3.8
±
0.0342；k6＝0.38
±
0.00342；k7＝0.0007
±
0.00005；k8＝0.14
±
0.00126；k9＝0.0001
±
0.00005；k
10
＝0.0002
±
0.00005。
[0021]
进一步地，
[0022]
k1＝490；k2＝3.23；k3＝72.81；k4＝2.1；k5＝3.8；k6＝0.38；k7＝0.0007；k8＝0.14；k9＝0.0001；k
10
＝0.0002。
[0023]
进一步地，t≤250℃，通风夹层的厚度δ满足无量纲公式：
[0024][0025]
进一步地，t为燃烧室外壁表面监测点最大温度值；或，t为燃烧室外壁的表面监测点温度平均值。
[0026]
进一步地，
[0027]
r1＝-0.21988
±
0.01545；
[0028]
r2＝0.19118
±
0.01443；
[0029]
r3＝-11.18943
±
0.57182。
[0030]
进一步地，
[0031]
r1＝-0.21988；
[0032]
r2＝0.19118；
[0033]
r3＝-11.18943。
[0034]
进一步地，
[0035]
热效率η由所述夹层风量占总风量的比值q
x
获取；
[0036]
燃烧室外壁为铜，燃烧室内壁为铜时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.15mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.15mm≤δ≤5.4mm；
[0037]
燃烧室外壁为铜，燃烧室内壁为不锈钢时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.2mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.2mm≤δ≤5.4mm；
[0038]
燃烧室外壁为不锈钢，燃烧室内壁为不锈钢时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足4.17mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足4.17mm≤δ≤5.4mm；
[0039]
燃烧室外壁为不锈钢，燃烧室内壁为铜时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的
厚度δ满足3.52mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足3.52mm≤δ≤5.4mm。
[0040]
进一步地，燃烧室外壁和燃烧室内壁均为分块结构，且两者一一对应设置，对应设置的燃烧室外壁与燃烧室内壁固定连接在一起，形成通风夹层，不同块的通风夹层相互隔离，单独的通风夹层具有上下贯通的夹层通道。
[0041]
进一步地，燃烧室外壁和燃烧室内壁之间设置有连接块，燃烧室外壁和燃烧室内壁通过连接块固定连接，并由连接块限定通风夹层的厚度δ。
[0042]
进一步地，连接块设置在燃烧室内壁上，并从燃烧室内壁朝向燃烧室外壁凸出，连接块的凸出结构的顶点位置设置有第一连接孔，燃烧室外壁上对应第一连接孔设置有第二连接孔，燃烧室外壁和燃烧室内壁通过设置在第一连接孔和第二连接孔内的螺钉固定连接。
[0043]
根据本发明的另一方面，提供了一种换热结构，包括：
[0044]
燃烧室内壁，燃烧室内壁围成燃烧室内腔；
[0045]
燃烧室外壁，围设在燃烧室内壁的外侧，并与燃烧室内壁之间形成通风夹层，通风夹层具有夹层通道；
[0046]
换热器，设置在流经燃烧室的流体的下游，从燃烧室内腔流出的流体与换热器内的液体进行换热，夹层通道与换热器连通；
[0047]
通风夹层的厚度δ与燃烧室外壁的表面温度为t，夹层风量占总风量的比值为q
x
；换热结构的热效率为η；
[0048]
燃烧室外壁为铜，燃烧室内壁为铜时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.15mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.15mm≤δ≤5.4mm；
[0049]
燃烧室外壁为铜，燃烧室内壁为不锈钢时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.2mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足5.2mm≤δ≤5.4mm；
[0050]
燃烧室外壁为不锈钢，燃烧室内壁为不锈钢时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足4.17mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足4.17mm≤δ≤5.4mm；
[0051]
燃烧室外壁为不锈钢，燃烧室内壁为铜时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足3.52mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层的厚度δ满足3.52mm≤δ≤5.4mm。
[0052]
根据本发明的另一方面，提供了一种燃气具，包括换热结构，该换热结构为上述的换热结构。
[0053]
应用本发明的技术方案，该换热结构将燃烧室外壁的表面温度t与通风夹层的厚度δ进行关联，从而能够通过燃烧室外壁的表面温度t的设定值以及燃烧室内壁和燃烧室外壁的导热系数来确定通风夹层的厚度设置范围，能够根据不同材料的特性进行通风夹层的厚度设置，使得设计出来的通风夹层的厚度与材料特性匹配，可以降低外部无盘管的换热结构燃烧室外侧表面温度，有效保证燃烧室外壁的表面温度t能够满足外表面温度限制要求；同时该换热结构将夹层风量占总风量的比值q
x
与通风夹层的厚度δ进行关联，从而能够
通过通风夹层的厚度设置来确定夹层风量占总风量的比值q
x
，而夹层风量占总风量的比值q
x
又能够对热效率产生较大影响，因此能够通过通风夹层的厚度设置来保证热效率满足需求；由于通风夹层的厚度不仅会对燃烧室的外表面温度产生较大影响，也会对燃烧室内腔的燃烧效率造成影响，通风夹层的厚度增加会使得分配至通风夹层内的夹层风量增大，夹层风量的增大会提高通风夹层的冷却效果，进而降低燃烧室的外表面温度，但是同时会降低燃烧室内腔的燃烧效率，反之，通风夹层的厚度降低会使得分配至通风夹层内的夹层风量减小，夹层风量的减小会降低通风夹层的冷却效果，进而提高燃烧室的外表面温度，但是同时会提高燃烧室内腔的燃烧效率，因此，可以通过合理设置通风夹层的厚度，既使得燃烧室外表面的温度达到温度限制要求，同时可以保证整机热效率要求。
附图说明
[0054]
构成本技术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。在附图中：
[0055]
图1示出了本发明的实施例的换热结构的立体分解结构图；
[0056]
图2示出了本发明的实施例的换热结构的示意图；
[0057]
图3示出了本发明的实施例的换热结构的传热过程分析图；
[0058]
图4示出了本发明的实施例的换热结构的热阻网络图；
[0059]
图5示出了本发明的实施例的换热结构的通风夹层结构图；
[0060]
图6示出了本发明的实施例的换热结构的通风夹层的第二种结构图；
[0061]
图7示出了本发明的实施例的换热结构的通风夹层的第三种结构图；
[0062]
图8示出了本发明的实施例的换热结构的通风夹层的第四种结构图；
[0063]
图9示出了本发明的实施例的换热结构的通风夹层厚度对监测点温度的影响曲线图。
[0064]
其中，上述附图包括以下附图标记：
[0065]
1、燃烧室内壁；2、燃烧室外壁；3、通风夹层；4、连通管；5、换热器；6、连接块。
具体实施方式
[0066]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0067]
如图1至4所示，本发明提供了一种换热结构，包括：燃烧室内壁1，燃烧室内壁1围成燃烧室内腔；燃烧室外壁2，围设在燃烧室内壁1的外侧，并与燃烧室内壁1之间形成通风夹层3，通风夹层3具有夹层通道；换热器5，设置在流经燃烧室的流体的下游，从燃烧室内腔流出的流体与换热器5内的液体进行换热，夹层通道与换热器5连通。本发明以具有该换热结构的燃气具为例进行说明。
[0068]
在燃气具工作时，进入换热结构的空气分为两部分，一部分进入燃烧室内腔与燃气混合，另一部分进入通风夹层3。通过一定比例的燃气与空气混合，在燃烧器内燃烧产生高温烟气，高温烟气在风机的作用下首先进入到燃烧室内腔，高温烟气通过对流及辐射将热量传给燃烧室内壁1，燃烧室内壁1与燃烧室外壁2之间形成通风夹层3，通风夹层3内的空气由燃烧室底部进入，流通的空气可以有效避免燃烧室内腔的热量对外辐射，降低燃烧室
外壁面的温度，之后流入到换热器中参与换热。
[0069]
流体在燃烧室内发生热传导、对流换热和辐射传热，由于风机的作用，通风夹层3内的空气沿着空气流通方向上存在一定的速度，因此在通风夹层3内的对流换热属于混合对流换热，包括自然对流换热和强制对流换热。夹层风道可以看成是竖直平板形成，图3显示出燃烧室一侧换热情况，假设传热过程均匀，燃烧室外侧环境温度t
f1
，燃烧室外侧的对流换热系数h1，燃烧室外壁2导热系数λ1，燃烧室外壁2的厚度δ1，燃烧室外壁2靠近燃烧室外的一侧温度为t
w1
，燃烧室外壁2靠近燃烧室内壁1的另一侧温度为t
w2
；通风夹层3的厚度为δ，通风夹层3的对流换热系数为h，通风夹层3内的温度为tf；燃烧室内腔温度t
f2
；燃烧室内侧的对流换热系数h2；燃烧室内壁1导热系数λ2；燃烧室内壁1的厚度δ2，燃烧室内壁1靠近通风夹层3的一侧温度为t
w3
，燃烧室内壁1靠近燃烧室内腔的另一侧温度为t
w4
。
[0070]
经研究发现，复合传热系数k与通风夹层3的厚度δ之间的关系满足无量纲公式：
[0071][0072][0073]
其中φ＝ak(t
f2-t
f1
)；
[0074]
k为复合传热系数，单位为w/(m2·
k)；φ为传热过程中的热流量，单位为w；t
f1
为燃烧室外侧环境温度，单位为℃；h1为燃烧室外侧的对流换热系数，单位为w/(m2·
k)；λ1为燃烧室外壁2导热系数，单位为w/(m
·
k)；δ1为燃烧室外壁2的厚度，单位为mm；t
f2
为燃烧室内腔温度，单位为℃；h2为燃烧室内侧的对流换热系数，单位为w/(m2·
k)；λ2为燃烧室内壁1导热系数，单位为w/(m
·
k)；δ2为燃烧室内壁1的厚度，单位为mm；a为燃烧室内壁1的传热面表面积，单位为m3；m、n、m’为与对流换热系数、换热面积、流速等有关的系数。
[0075]
高温烟气的热量由燃烧室内腔传递过程的换热方式为：燃烧室内腔的高温烟气与燃烧室内壁1靠近通风夹层3的一侧发生对流换热及辐射传热，燃烧室内壁1靠近通风夹层3的一侧与燃烧室内壁1靠近燃烧室内腔的另一侧发生热传导，燃烧室内壁1靠近燃烧室内腔的另一侧与通风夹层3内的流体发生对流换热与辐射传热，通风夹层3内的流体与燃烧室外壁2靠近燃烧室内壁1的另一侧发生对流换热及辐射传热，燃烧室外壁2靠近燃烧室内壁1的另一侧与燃烧室外壁2靠近燃烧室外的一侧发生热传导，燃烧室外壁2靠近燃烧室外的一侧与燃烧室外侧环境发生对流换热及辐射传热，均看作是一个稳态的热量传递过程，各个环节为一个串联的方式。假设燃烧室内壁1的传热面表面积为a，由于风机的作用，通风夹层内的和燃烧室内腔内的流体均存在一定的速度，属于混合对流换热，m、m’、n为与对流换热系数、换热面积、气流流速等有关的系数，经对传热过程热阻进行分析，整个传热过程与燃烧室壁厚、壁面组成材料(体现在导热系数上)、通风夹层厚度、对流换热系数等有关。传热过程越强烈，传热系数越大，反之越小，传热系数的大小与流体的种类、流体流速大小等有关。1/(ak)为传热热阻，由公式可知，传热热阻与传热面积、对流换热系数、两平板之间距离(通风夹层厚度)，燃烧室壁面材料(导热系数)有关。复合传热系数k与对流换热系数、燃烧室腔体导热系数成正比，与通风夹层厚度成反比。由此说明通风夹层3厚度影响换热结构的燃烧室外壁2表面温度。
[0076]
进入换热结构的空气分为两部分，一部分进入燃烧室内腔与燃气混合后燃烧形成高温烟气，另一部分进入通风夹层3。换热器5设置在流经燃烧室流体的下游，所以流经燃烧室内腔的高温烟气进入换热器5，高温烟气通过对流及辐射将热量传给翅片管换热器，热量通过导热方式传给铜管，再由铜管通过对流方式将热量传给流动的水，使水温快速达到使用要求。此外，夹层通道与换热器5连通，进入通风夹层3与燃烧室内壁1、外壁2、燃烧室内腔、燃烧室外侧环境发生对流换热及辐射传热，这部分气体从夹层通道流入到流出过程中温度升高，其温度相对换热器中的水的温度还是高的，所以流经夹层通道的空气也会进入换热器5进行换热。所以高温烟气与流经夹层通道的高温气体都进入换热器5，与换热器5中的液体进行热交换，换热过程中的换热比值qx为流经换热器5的液体吸收热量与燃气输入热量的比值。本发明中换热器中的液体以水为例，换热比值qx为流经换热器5的水吸收热量与燃气输入热量的比值。
[0077]
由于燃气温度、压力等因素，导致输入到换热器5的热量不能全部被换热器5中的水吸收，所以换热结构的热效率η与换热比值q
x
之间的关系满足无量纲公式：
[0078]
η＝q
x
×
α
×
β
×
100％；；
[0079][0080]
其中
[0081][0082][0083]
α为与tg相关的系数，tg为实验测量燃气流量计内的燃气温度，单位为℃；pa为实际大气压力，单位为kpa；β为与pg相关的系数，pg为燃气压力，单位为kpa；s为温度为tg时的饱和压力，单位为kpa；v为实际测量燃气流量，单位为m3/min；q1为实际测量的燃气低热值，单位为mj/m3；m为出热水量，单位为kg/min；c为水的比热，4.19
×
10-3
mj/(kg
·
k)；t
s2
为出热水水温，单位为℃；t
s1
为进水温度，单位为℃。
[0084]
由于水吸收热量与水流量、换热器5进口和出口处的水温有关、燃气输入热量与燃气流量有关，因此换热结构的热效率与燃气流量、水流量和换热器5进口和出口处的水温有关。空气在通道夹层3内的对流换热，通风夹层3的厚度太小时，通风夹层3的进口截面积占总进口截面积的比值较小，则进入到通风夹层3内的空气流量较少，在流动换热过程中换热较少即带走的热量较少，那么对燃烧室壁面的降温作用较小，不能满足温度要求；风冷通道3的夹层厚度太大，通风夹层3进口截面积占总进口截面积的比值较大，则进入到通风夹层3内的空气流量较多，燃烧室内腔参与换热的空气较少，不能保证燃气进行充分燃烧，会影响烟气排放，进入到换热器内腔的热量较少，水吸收的热量较少，最终会影响换热结构的热效率。因此，需要设计合理的通风夹层厚度来同时满足燃气具的燃烧室外表面温度限制要求以及热效率要求。q
x
作为调节热效率的重要参数，能够对热效率的调节起到重要作用。
[0085]
基于上述的分析，本发明利用q
x
来进行通风夹层的厚度δ的设计，可以获得满意的换热比值q
x
，进而保证换热结构的热效率η。
[0086]
如图1至图8所示，本发明提供了一种换热结构，包括：燃烧室内壁1，燃烧室内壁1围成燃烧室内腔；燃烧室外壁2，围设在燃烧室内壁1的外侧，并与燃烧室内壁1之间形成通风夹层3，通风夹层3具有夹层通道；通风夹层3的厚度δ与换热比值q
x
之间的关系满足无量纲公式s10：
[0087][0088]
其中k1＝0.72～0.92；k2＝-0.016～-0.013；k3＝-8.61～-7.05。
[0089]
在一个实施例中，
[0090]
k1＝0.82432
±
2.206*10-4
；k2＝-0.01476
±
1.884*10-4
；k3＝-7.83075
±
0.05731。
[0091]
在一个实施例中，k1＝0.82432；k2＝-0.01476；k3＝-7.83075，无量纲公式s11为：
[0092][0093]
在上述实施例中，进入燃烧室的流体主要包括空气和燃气，其中空气分为两部分，一部分空气与燃气混合后在燃烧器内燃烧后形成高温烟气，高温烟气流经燃烧室内腔后进入换热器5，与换热器5内的流体进行换热；另一部分空气进入通风夹层3，在通风夹层3的夹层通道内与燃烧室内壁1和燃烧室外壁2进行换热，经换热后的夹层通道内的空气进入换热器5，与换热器5内的流体进行换热。其中，进入燃烧室的空气为总风量；进入燃烧室内腔的空气为燃烧风量；进入通风夹层3的夹层通道的空气为夹层风量；总风量为燃烧风量与夹层风量之和。当总风量不变时，随着通风夹层3的厚度的增加，夹层风量逐渐增大，燃烧风量逐渐减小，可能导致燃烧不充分，换热效率不高，但是此时由于夹层风量较大，冷却效果明显，因此燃烧室的外表面温度能够显著降低；当总风量不变时，随着通风夹层3的厚度的减小，夹层风量逐渐减少，燃烧风量逐渐增大，能保证燃烧充分，提高热效率，此时夹层风量较小，冷却效果较弱，因此燃烧室的外表面温度会升高。在此基础上，同时考量夹层风量和燃烧风量的变化对热效率的影响，得出上述的通风夹层3的厚度δ与换热比值q
x
之间的关系。
[0094]
该换热结构将换热比值q
x
与通风夹层3的厚度δ进行关联，从而能够通过通风夹层3的厚度δ设置来确定换热比值q
x
，而换热比值q
x
又能够对热效率产生较大影响，因此能够通过通风夹层3的厚度δ设置来保证热效率满足需求，本发明通过上述的公式将通风夹层3的厚度δ与换热比值q
x
、热效率η关联起来，能够通过优化通风夹层3的厚度δ，保证整机热效率要求，结构更加合理，能够提供清晰准确且能满足设计要求的通风夹层3设计方案，实现换热结构的优化设计。
[0095]
此外，通风夹层3的厚度δ会对燃烧室的外表面温度产生较大影响，通风夹层3的厚度δ增加会使得分配至通风夹层3内的夹层风量增大，夹层风量的增大会提高通风夹层3的冷却效果，进而降低燃烧室的外表面温度，但是同时会降低燃烧室内腔的燃烧效率，反之，通风夹层3的厚度δ降低会使得分配至通风夹层3内的夹层风量减小，夹层风量的减小会降低通风夹层3的冷却效果，进而提高燃烧室的外表面温度，但是同时会提高燃烧室内腔的燃烧效率，因此，可以通过合理设置通风夹层3的厚度δ，使得燃烧室外表面的温度达到温度限
制要求，同时保证整机热效率要求。
[0096]
在一个实施例中，换热比值q
x
与夹层风量之间的关系满足无量纲公式s20：
[0097][0098]
其中j1＝0.673～1.148；j2＝-0.259～0.065；j3＝-1.967～0.339；其中q
x
为夹层风量占总风量的比值。
[0099]
在一个实施例中，
[0100]
j1＝0.89495
±
0.01488；j2＝-0.0886
±
0.0147；j3＝-0.7399
±
0.1048。
[0101]
在一个实施例中，j1＝0.89495；j2＝-0.0886；j3＝-0.7399，此时，换热比值q
x
与夹层风量之间的关系满足无量纲公式s21为：
[0102][0103]
该公式限定了换热比值q
x
与夹层风量占总风量的比值q
x
之间的关系，而q
x
影响到换热结构的热效率η，q
x
越大，热效率η越高，q
x
越小，热效率η越低；夹层风量占总风量的比值q
x
影响到燃烧室外表面温度，夹层风量越大，对燃烧室外表面温度的降低效果越明显，夹层风量越小，对燃烧室外表面温度的降低效果越差。两个参数之间相互关联，并且通过参数限定两者之间的关系，能够在保证燃烧室外表面温度限制要求的同时，保证整机热效率要求。
[0104]
夹层风量占总风量的比值q
x
与通风夹层3的厚度δ之间的关系满足无量纲公式s30：
[0105][0106]
其中r1＝-0.412～-0.059；r2＝0.042～0.369；r3＝-18.598～-4.924。
[0107]
在一个实施例中，
[0108]
r1＝-0.21988
±
0.01545；r2＝0.19118
±
0.01443；r3＝-11.18943
±
0.57182。
[0109]
在一个实施例中，r1＝-0.21988；r2＝0.19118；r3＝-11.18943，此时，夹层风量占总风量的比值q
x
与通风夹层3的厚度δ之间的关系满足无量纲公式s31为：
[0110][0111]
通过限定夹层风量占总风量的比值q
x
与通风夹层3的厚度δ之间的关系，能够通过合理设计通风夹层3的厚度δ的方式来调节夹层风量占总风量的比值q
x
，进而实现对燃烧室外表面温度的调节，使得通风夹层3的厚度δ的设计能够保证燃烧室外表面温度限制要求。
[0112]
在本实施例中，换热比值q
x
与通风夹层3的厚度δ之间的关系由换热比值q
x
与夹层风量之间的关系以及夹层风量占总风量的比值q
x
与通风夹层3的厚度δ之间的关系综合得出，因此该公式综合考量了燃烧室外表面温度以及热效率与通风夹层3的厚度δ之间的关系，可以通过优化通风夹层3的厚度δ，更加有效地保证换热结构既能够满足燃烧室外表面温度限制要求，又能够满足整机热效率要求。
[0113]
在一个实施例中，换热结构还包括连通管4，连通管4包括进液管和出液管，进液管
与换热器5的进口连通，出液管与换热器5的出口连通。在本实施例中，连通管4的进液管和出液管均位于燃烧室外侧，连通管4的进液管用于将换热液体输送至换热器5内，以方便换热器5与燃烧室流出的流体进行换热，连通管4的出液管用于将换热器5换热后的液体输送出去，以便实现换热液体的循环流动。在一个实施例中，换热液体为水。
[0114]
如图5所示，为通风夹层3内流体的流动，其中燃烧室投影面为图2中沿着箭头b的方向的投影面，在一些实施例中通道夹层3内的流体是空气，当然通风夹层3内的流体也可以是制冷剂、水等流体，本实施例以空气为例进行说明。
[0115]
燃烧室内腔的热量通过燃烧室内壁1传递给通风夹层3内的空气，使得通风夹层3内的空气被加热后，加热后的空气向着通风夹层3中空气流出方向继续运动，带走一部分热量，导致沿着空气流动方向空气燃烧室壁面温度会发生变化。
[0116]
以燃烧室为矩形为例，其中燃烧室内壁1和燃烧室外壁2为“回”字型设置，燃烧室内壁1与燃烧室外壁2之间的形成通风夹层3，通风夹层3的厚度是均匀的。燃烧室内壁面长宽分别为a和b，通风夹层的厚度为δ。通风夹层3内的夹层风量占总风量的比值q
x
为：
[0117][0118]
风量之比在此转化为空气进入通道的截面积之比：
[0119]
进入燃烧室内腔的风量可以用燃烧室内壁1在图2中沿着箭头b的方向的投影面积s1表征，其中s1＝a*b；
[0120]
进入燃烧室的总风量可以用燃烧室外壁2在图2中沿着箭头b的方向的投影面积s
总
表征，其中
[0121]s总
＝(a 2δ)(b 2δ)；
[0122][0123]
由此可以看出，夹层风量占总风量的比值q
x
与通风夹层3的厚度δ有关，通过调节通风夹层3的厚度δ，能够方便调节夹层风量占总风量的比值q
x
。
[0124]
基于仿真计算分析发现：当其他参数都保持不变，仅改变通风夹层3的厚度分析燃烧室外壁2的表面监测点的温度。如图9所示，通风夹层3的厚度为0，表示无盘管换热系统无夹层风道设计。燃烧室内壁1和燃烧室外壁2为同样材料构成，保持总风量不变，随着通风夹层3的厚度的增加，进入到通风夹层3内的风量增大，燃烧室壁面的温度整体趋势逐渐减小，随着通风夹层3的厚度的增加，温度降低的幅度逐渐减小。
[0125]
由图9可以看出，通风夹层3的厚度越小，燃烧室外壁2的表面温度t越大，通风夹层3的厚度越大，燃烧室外壁2的表面温度t越小；空气在通道夹层3内对流换热，通风夹层3的厚度太小时，通风夹层3的进口截面积占总进口截面积的比值较小，则进入到通风夹层3内的空气流量较少，在流动换热过程中换热较少即带走的热量较少，那么对燃烧室壁面的降温作用较小，不能满足温度要求。
[0126]
因此，需要设计合理的通风夹层厚度来满足换热结构的燃烧室外表面温度限制要求。
[0127]
基于上述的分析，在一个实施例中，通风夹层3的厚度δ与燃烧室外壁2的表面温度
t之间的关系满足无量纲公式：
[0128]
t＝k
1-k2δ2 k3δ δ(k4λ1 k5λ2)*10-3
k6λ
1-k7λ
12-k8λ2 k9λ
22
k
10
λ1·
λ2[0129]
其中k1＝441～539，k2＝2.907～3.553；k3＝65.529～80.091；k4＝1.89～2.31；k5＝3.42～4.18；k6＝0.342～0.418；k7＝6.3*10-4
～7.7*10-4
；k8＝0.126～0.154；k9＝0.9*10-4
～1.1*10-4
；k
10
＝1.8*10-4
～2.2*10-4
；
[0130]
其中t表示燃烧室外壁2表面监测点温度值，单位℃；δ为通风夹层3的厚度，单位mm；λ1为燃烧室外壁2的导热系数，单位w/(m
·
k)；λ2为燃烧室内壁1的导热系数，单位w/(m
·
k)。
[0131]
在一个实施例中，
[0132]
k1＝490
±
4.41；k2＝3.23
±
0.02907；k3＝72.81
±
0.65529；k4＝2.1
±
0.0189；k5＝3.8
±
0.0342；k6＝0.38
±
0.00342；k7＝0.0007
±
0.00005；k8＝0.14
±
0.00126；k9＝0.0001
±
0.00005；k
10
＝0.0002
±
0.00005。
[0133]
在一个实施例中，
[0134]
k1＝490；k2＝3.23；k3＝72.81；k4＝2.1；k5＝3.8；k6＝0.38；k7＝0.0007；k8＝0.14；k9＝0.0001；k
10
＝0.0002，此时通风夹层3的厚度δ与燃烧室外壁2的表面温度t之间的关系满足：
[0135]
t＝490-3.23δ2 72.81δ δ(2.1λ1 3.8λ2)*10-3
0.38λ
1-0.0007λ
12-0.14λ2 0.0001λ
22
0.0002λ1·
λ2。
[0136]
在本实施例中，通过理论分析及对不同通风夹层厚度仿真计算数据分析，选取燃烧室外壁2的上侧靠近换热器5的部位为监测点来评估表面温度值，研究了相同风量下不同的通风层厚度δ和燃烧室外侧内侧不同材料构成(不同导热系数λ1和λ2)时的温度值，得出监测点温度与通风层厚度之间的关系。
[0137]
该换热结构将燃烧室外壁2的表面温度t与通风夹层3的厚度δ进行关联，从而能够通过燃烧室外壁2的表面温度t的设定值以及燃烧室内壁1和燃烧室外壁2的导热系数来确定通风夹层3的厚度设置范围，能够根据不同材料的特性进行通风夹层3的厚度设置，使得设计出来的通风夹层3的厚度与材料特性匹配，同时可以降低外部无盘管的换热结构燃烧室外侧表面温度，有效保证燃烧室外壁2的表面温度t能够满足外表面温度限制要求。
[0138]
在上述实施例中，进入燃烧室的流体主要包括空气和燃气，其中空气分为两部分，一部分空气与燃气混合后在燃烧器内燃烧后形成高温烟气，高温烟气流经燃烧室内腔后进入换热器5，与换热器5内的流体进行换热；另一部分空气进入通风夹层3，在通风夹层3的夹层通道内与燃烧室内壁1和燃烧室外壁2进行换热，经换热后的夹层通道内的空气进入换热器5，与换热器5内的流体进行换热。其中，进入燃烧室的空气为总风量；进入燃烧室内腔的空气为燃烧风量；进入通风夹层3的夹层通道的空气为夹层风量；总风量为燃烧风量与夹层风量之和。当总风量不变时，随着通风夹层3的厚度的增加，夹层风量逐渐增大，燃烧风量逐渐减小，能够有效降低燃烧室外壁2的表面温度t。
[0139]
在一个实施例中，t≤250℃，通风夹层3的厚度δ满足无量纲公式：
[0140][0141]
在一个实施例中，t为燃烧室外壁2的表面监测点最大温度值。选取燃烧室外壁2的
表面监测点最大温度值作为燃烧室外壁2的表面温度t，使得经此设计出的通风夹层3的厚度δ可以保证燃烧室外壁2的表面监测点表面温度不会超出该最大温度，有效保证了燃烧室外壁2的表面温度t能够满足外表面温度限制要求。
[0142]
在一个实施例中，t为燃烧室外壁2的表面监测点温度平均值。一般而言，燃烧室外壁2的表面监测点温度沿着由下而上的方向依次增高，一般无法触摸到燃烧室顶部位置的箱体，只会触摸到燃烧室中部位置的箱体，因此只要能够保证燃烧室外壁2的表面监测点温度能够低于燃烧室外壁2的表面监测点温度平均值，就能够保证燃烧室外壁2的表面温度t能够满足外表面温度限制要求。
[0143]
由换热结构实际产品，考虑传热性能、耐高温、耐腐蚀等性能，燃烧室腔体一般由铜或者不锈钢构成，铜的导热系数为381w/(m
·
k)，不锈钢的导热系数为16.72w/(m
·
k)。
[0144]
在本实施例中，综合考量了通风夹层3的厚度δ对于燃烧室表面温度以及热效率的影响，进而设计出既满足燃烧室表面温度限制要求，同时满足热效率要求的燃烧室结构。
[0145]
在一个实施例中，当η≥89.5％，t≤250℃时；
[0146]
燃烧室外壁2为铜，燃烧室内壁1为铜时，通风夹层3的厚度δ满足5.15mm≤δ≤8.8mm；
[0147]
燃烧室外壁2为铜，燃烧室内壁1为不锈钢时，通风夹层3的厚度δ满足5.2mm≤δ≤8.8mm；
[0148]
燃烧室外壁2为不锈钢，燃烧室内壁1为不锈钢时，通风夹层3的厚度δ满足4.17mm≤δ≤8.8mm；
[0149]
燃烧室外壁2为不锈钢，燃烧室内壁1为铜时，通风夹层3的厚度δ满足3.52mm≤δ≤8.8mm。
[0150]
在一个实施例中，当η≥92.5％，t≤250℃时；
[0151]
燃烧室外壁2为铜，燃烧室内壁1为铜时，通风夹层3的厚度δ满足5.15mm≤δ≤5.4mm；
[0152]
燃烧室外壁2为铜，燃烧室内壁1为不锈钢时，通风夹层3的厚度δ满足5.2mm≤δ≤5.4mm；
[0153]
燃烧室外壁2为不锈钢，燃烧室内壁1为不锈钢时，通风夹层3的厚度δ满足4.17mm≤δ≤5.4mm；
[0154]
燃烧室外壁2为不锈钢，燃烧室内壁1为铜时，通风夹层3的厚度δ满足3.52mm≤δ≤5.4mm。
[0155]
通过上述的公式设计，选择不同的热效率η以及表面温度t，能够计算出满足上述的热效率η以及表面温度t要求的通风夹层3的厚度δ，进而便于对燃烧室的结构进行设计，保证最后加工出的换热结构能够满足预期的设计要求，达到所需的热效率和表面温度，提高换热结构的设计效率。
[0156]
在一个实施例中，燃烧室外壁2和燃烧室内壁1均为分块结构，且两者一一对应设置，对应设置的燃烧室外壁2与燃烧室内壁1固定连接在一起，形成通风夹层3，不同块的通风夹层3相互隔离，单独的通风夹层3具有上下贯通的夹层通道。
[0157]
在本实施例中，燃烧室为矩形结构，燃烧室的每一个侧壁由一个燃烧室外壁2的分块和一个燃烧室内壁1的分块组合而成，其中燃烧室内壁1的分块为矩形板，在矩形板的两
个相对侧分别设置有翻边，两个翻边与燃烧室外壁2的分块的壁面抵接，围成矩形的通风夹层3，两个翻边沿竖直方向延伸，并且沿水平方向布置在燃烧室内壁1的分块两侧，从而形成上下贯通的夹层通道。其中两个相对设置的燃烧室外壁2的分块两侧设置有翻边，该翻边扣压在相邻的燃烧室外壁2的边缘，翻边上设置有螺钉孔，便于将相邻的两个燃烧室外壁2的分块固定连接在一起。
[0158]
在一个实施例中，燃烧室内壁1和燃烧室外壁2之间设置有连接块6，连接块6的一端与燃烧室内壁1固定连接，连接块6的另一端与燃烧室外壁2固定连接，并由连接块6限定通风夹层3的厚度δ。燃烧室内壁1和燃烧室外壁2之间通过连接块6固定连接，能够实现燃烧室内壁1和燃烧室外壁2之间的稳定连接，保证燃烧室整体结构的稳定性和可靠性。
[0159]
在一个实施例中，连接块6设置在燃烧室内壁1上，并从燃烧室内壁1朝向燃烧室外壁2凸出，连接块6的凸出结构的顶点位置设置有第一连接孔，燃烧室外壁2上对应第一连接孔设置有第二连接孔，燃烧室外壁2和燃烧室内壁1通过设置在第一连接孔和第二连接孔内的螺钉固定连接。
[0160]
在一个实施例中，连接块6为圆台和/或圆柱，能够在空气的流动路径上形成弧形的导流面，降低对气流的流动阻力，提高气流在通风夹层3内的流动效率。
[0161]
在一个实施例中，每一侧的燃烧室内壁1和燃烧室外壁2之间的连接块6为三个，三个连接块6呈品字形排布。在本实施例中，三个连接块6呈品字形排布，可以用较少数量的连接块6实现更加稳定的结构连接，由于连接块6的数量较少，因此对空气流动造成的阻力更小，对于气流流动所造成的影响更小。
[0162]
如图6至图7所示，在一个实施例中，通风夹层3的横截面为图2的a-a处燃烧室通风夹层3的横截面，通风夹层3的截面呈直线形、曲线形或折线形。其中图6示出了本发明的实施例的换热结构的通风夹层的第二种结构图，即通风夹层3的横截面呈曲线形，图7示出了本发明的实施例的换热结构的通风夹层的第三种结构图，即通风夹层3的横截面呈矩形波形。
[0163]
图5为燃烧室在图2中沿着b方向的投影图，优选地，如图5所示，本发明的实施例的换热结构的通风夹层的第一种结构图中，通风夹层3的横截面呈直线形，通风夹层3包括多个侧部，且在各个侧部的厚度相同。图5中的矩形燃烧室由燃烧室内壁1和燃烧室外壁2围设形成。其中燃烧室内壁1具有第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁、第四内侧壁，第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁、第四内侧壁依次连接围设成燃烧室内腔；燃烧室外壁2具有第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁、第四外侧壁，第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁、第四外侧壁依次连接围设在燃烧室内壁1外侧，与燃烧室内壁1之间形成通风夹层3。第一内侧壁与第一外侧壁之间形成通风夹层第一侧部；第二内侧壁与第二外侧壁之间形成通风夹层第二侧部；第三内侧壁与第三外侧壁之间形成通风夹层第三侧部；第四内侧壁与第四外侧壁之间形成通风夹层第四侧部。通风夹层第一侧部的厚度、通风夹层第二侧部的厚度、通风夹层第三侧部的厚度、通风夹层第四侧部的厚度都相同。
[0164]
作为替换实施例，燃烧室还可为六边形、八边形等等，这里不一一列举。
[0165]
作为替换实施例，燃烧室还可为圆形燃烧室，此时燃烧室内壁1具有一个内侧壁，燃烧室外壁2具有外侧壁，燃烧室内壁1与燃烧室外壁2形成的通风夹层3具有一个侧部，通风夹层3厚度相同。
[0166]
作为替换实施例，如图8所示，本发明的实施例的换热结构的通风夹层的第四种结构图中，通风夹层3的横截面呈直线形，通风夹层3包括多个侧部，且通风夹层3在至少两个侧部的厚度不同。当通风夹层3的结构为第一至第三种结构中的任一种时，都有可能有至少两个侧部的厚度不同。
[0167]
具体而言，在本实施例中，图8为燃烧室在图2中沿着箭头b的方向的投影图，矩形燃烧室由燃烧室内壁1和燃烧室外壁2围设形成。其中燃烧室内壁1具有第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁、第四内侧壁，第一内侧壁、第二内侧壁、第三内侧壁、第四内侧壁依次连接围设成燃烧室内腔；燃烧室外壁2具有第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁、第四外侧壁，第一外侧壁、第二外侧壁、第三外侧壁、第四外侧壁依次连接围设在燃烧室内壁1外侧，与燃烧室内壁1之间形成通风夹层3。第一内侧壁与第一外侧壁之间形成通风夹层第一侧部；第二内侧壁与第二外侧壁之间形成通风夹层第二侧部；第三内侧壁与第三外侧壁之间形成通风夹层第三侧部；第四内侧壁与第四外侧壁之间形成通风夹层第四侧部。通风夹层第一侧部的厚度与通风夹层第三侧部的厚度相同，通风夹层第一侧部的厚度、通风夹层第二侧部的厚度、通风夹层第四侧部的厚度都不同，即通风夹层3中有三个侧部的厚度不同。
[0168]
当然作为替代实施例，通风夹层第一侧部的厚度与通风夹层第二侧部的厚度相同、通风夹层第三侧部的厚度与通风夹层第四侧部的厚度相同、通风夹层第一侧部的厚度与通风夹层第三侧部的厚度不相同。
[0169]
作为替换实施例，通风夹层第一侧部的厚度与通风夹层第二侧部的厚度、通风夹层第三侧部的厚度相同，通风夹层第一侧部的厚度与通风夹层第四侧部的厚度不同。
[0170]
作为替换实施例还有其他排列组合方式，只要满足通风夹层3至少两个侧部厚度不同即可，这里不一一列举。
[0171]
根据本发明的实施例，换热结构包括：燃烧室内壁1，燃烧室内壁1围成燃烧室内腔；燃烧室外壁2，围设在燃烧室内壁1的外侧，并与燃烧室内壁1之间形成通风夹层3，通风夹层3具有夹层通道；换热器5，设置在流经燃烧室的流体的下游，从燃烧室内腔流出的流体与换热器5内的液体进行换热，夹层通道与换热器5连通；通风夹层3的厚度δ与燃烧室外壁2的表面温度为t，夹层风量占总风量的比值为q
x
；换热结构的热效率为η；
[0172]
燃烧室外壁2为铜，燃烧室内壁1为铜时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足5.15mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足5.15mm≤δ≤5.4mm；
[0173]
燃烧室外壁2为铜，燃烧室内壁1为不锈钢时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足5.2mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足5.2mm≤δ≤5.4mm；
[0174]
燃烧室外壁2为不锈钢，燃烧室内壁1为不锈钢时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足4.17mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足4.17mm≤δ≤5.4mm；
[0175]
燃烧室外壁2为不锈钢，燃烧室内壁1为铜时，当η≥89.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足3.52mm≤δ≤8.8mm；当η≥92.5％，t≤250℃时，通风夹层3的厚度δ满足3.52mm≤δ≤5.4mm。
[0176]
根据本发明的实施例，燃气具包括换热结构，该换热结构为上述的换热结构。
[0177]
燃气具例如为燃气热水器或壁挂炉。
[0178]
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技术的示例性实施方式。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。
[0179]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0180]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。