一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉及系统

文档序号：1685202 发布日期：2020-01-03 浏览：20次 >En<

阅读说明：本技术 一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉及系统 (Mixed heat exchange efficient condensation gas water heater and system ) 是由赵钦新桂雍梁志远王云刚邵怀爽于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉及系统,该热水炉包括燃烧器,换热器,将直接接触换热的喷淋系统与换热器隔开的等压烟罩以及烟囱；合理的热工设计使高温烟气经换热器换热后降温并无冷凝水产生,换热器因无需考虑冷凝水腐蚀,可降低间壁换热器材料级别和工艺成本；直接接触换热的喷淋系统雾化喷出循环喷淋液充分吸收低温烟气潜热,循环喷淋液可采用安全无毒、导热性好、粘度低且疏水的有机工质或水工质；高效冷凝燃气热水炉与热泵连接形成增效节能系统,降低循环喷淋液温度并进一步提升低温烟气冷凝传热效率从而提高热水炉及系统整体运行效率,该发明有效提高整体系统运行效率,并通过喷淋系统进一步降低烟气碳排量。(The invention discloses a mixed heat exchange efficient condensation gas water heater and a system, wherein the water heater comprises a burner, a heat exchanger, an isobaric smoke hood and a chimney, wherein the isobaric smoke hood separates a spraying system which directly contacts with the heat exchanger for heat exchange from the heat exchanger; the reasonable thermal design ensures that the high-temperature flue gas is cooled after heat exchange by the heat exchanger and no condensed water is generated, and the heat exchanger does not need to consider condensed water corrosion, so that the material grade and the process cost of the dividing wall heat exchanger can be reduced; the spray system directly contacting with the heat exchange atomizes and sprays out circulating spray liquid to fully absorb the latent heat of low-temperature flue gas, and the circulating spray liquid can adopt safe and nontoxic organic working media or water working media with good heat conductivity, low viscosity and hydrophobicity; the high-efficiency condensation gas water heater is connected with the heat pump to form a synergistic energy-saving system, the temperature of circulating spray liquid is reduced, the condensation heat transfer efficiency of low-temperature flue gas is further improved, and therefore the overall operation efficiency of the water heater and the system is improved.)

技术领域

本发明属于提高能量利用效率、节能环保的热交换换热器领域，具体涉及一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉及系统。

背景技术

低氮高效冷凝燃气热水炉是为应对世界范围内日益严格的节能环保排放要求经过多年的技术研发定型的新生代具有技术先进性和市场推广潜力的升级换代热水炉。现有低氮高效冷凝燃气热水炉有机结合超高效紧凑的换热器和超低氮、高效的全预混燃烧器，集成了热能工程领域气体低氮排放、辐射换热、紊流及冷凝强化传热、水循环、新材料、新工艺和气候补偿动态控制等多项关键技术，共同实现超低排放和超高效余热回收的双重技术目标。该技术目标可以大大提高天然气清洁供热利用效率，使低氮高效冷凝燃气热水炉成为替代传统钢制和铸铁燃气锅炉的的刚性选择。低氮高效冷凝燃气热水炉按照供热功率大小可以分为家用冷凝燃气热水炉和商用冷凝燃气热水炉，家用冷凝燃气热水炉的容量小于100kW，家用冷凝燃气热水炉可以细分为家用冷凝燃气壁挂热水炉(≤50kW)和冷凝燃气落地热水炉(＜100kW)，而商用燃气热水炉容量大于或等于100kW至2800kW，但其模块集成数目可至28MW(相当于传统40t/h的锅炉供热能力，可供40万m²建筑采暖)依然存在技术经济性。无论是冷凝燃气壁挂炉、冷凝燃气落地炉还是商用冷凝燃气热水炉，其基本构成就是超低氮全预混无焰燃烧器和超高效紧凑换热器的有机组合成的专门应用于民生供应生活热水和采暖热水的产品,其中冷凝燃气壁挂炉、冷凝燃气落地炉主要应用于家庭同时供应生活热水和采暖热水，而商用冷凝燃气热水炉主要应用于学校、医院、商用住宅、生活小区同时供应生活热水和采暖热水，或可单供采暖水。家用冷凝燃气热水炉和商用冷凝燃气热水炉在结构上会有一些产别，但总体技术原理和核心相同。

大功率低氮高效冷凝燃气热水炉的投入使用虽然有效节约能源，但其制造成本居高不下，主要原因在于大功率所对应的热水炉换热器本体体积重量大。在烟气温度较高的区域由于端差大而换热能力强；在烟气温度较低的区域，端差小，热流密度小，换热器换热能力弱，所需要的换热面积、体积很大。烟气温度较低的低效换热区域是影响热水炉换热器质量及控制成本的关键因素。对于小端差换热，采用喷淋方式的直接接触换热方式热阻明显小于采用换热器的间接换热方式，采用直接接触换热方式可以有效降低换热器成本。

发明内容

为了有效降低低氮高效冷凝燃气热水炉的成本并进一步地提高低氮高效冷凝燃气热水炉的换热效率，本发明提供一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉及系统。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉，包括燃烧产生高温烟气的燃烧器1，吸收高温烟气热量的换热器2，将喷淋系统4与换热器2隔离并在换热器2外壁形成烟气等压通道的等压烟罩3，包覆燃烧器1、换热器2、等压烟罩3和喷淋系统4的外壳5，设置在外壳5上的烟囱6；经换热器2放热后的低温烟气经过外壳5与等压烟罩3间通道进一步地被喷淋系统4吸收显热及潜热后最后从烟囱6排出；

所述燃烧器1截面形状为圆形、腰圆形或椭圆形，布置在热水炉整体中心线上或偏置热水炉整体中心线以优化烟气流动，减小流动阻力；

所述换热器2包含换热器主体21，与换热器主体21连通的换热器进水口22和换热器出水口23；

所述等压烟罩3包含盖板31和低温烟气出口32；

所述喷淋系统4包含位于外壳5顶端或外壳5周侧的喷淋进液口41，当喷淋进液口41位于外壳5顶端时，包括连接喷淋进液口41和环管43的均流管42，在垂直方向上环管43位于均流管42与盖板31之间且环管43与均流管42构成90°～120°夹角，当喷淋进液口41位于外壳5周侧时，采用高压均流喷淋方式以消除均流管42结构，简化制造工艺并保证结构强度，环管43则与喷淋进液口41高度平行；还包括位于环管43底端的雾化喷嘴44，位于外壳5底端的冷凝水排出口45和喷淋液出口46；

所述外壳5内顶部设置烟囱连接通道51，底部设置呈露盘52。

所述换热器主体21在任何工况下控制壁面温度高于60℃，控制排烟温度在110～260℃范围，使换热器壁面不产生冷凝水，由于不会出现冷凝水腐蚀问题，换热器主体21采用铸铝、铸铁、碳钢、焊接不锈钢、铜或铜翅片管材质。

所述换热器进水口22和换热器出水口23根据换热器主体21的选型不同均置于换热器主体21底部或分别布置于底部或顶部。

所述等压烟罩3采用单独制造或与外壳5一体成型方式制造，等压烟罩3采用底部的低温烟气出口32时与竖直方向呈预设角度，或等压烟罩3表面具有均匀的屋脊式排气口时采用垂直布置形式，均能使额定负荷下烟气等压的流通过等压烟罩3与换热器主体21间的烟气等压通道，保证换热器主体21内高温烟气均匀换热，等压烟罩3的盖板31根据换热器进水口22和换热器出水口23布置方式设计为顶部、底部或顶部与底部双重布置以确保换热器2能够放置于等压烟罩3内，位于等压烟罩3底部的低温烟气出口32为均匀4～24个环向开孔，两两之间具有辐条，强化结构强度，低温烟气出口32所在平面与水平方向夹角呈0～60°，等压烟罩3与外壳5一体成型制造时，顶部盖板31兼具了低温烟气出口32结构。

所述喷淋进液口41位于外壳5顶端时喷淋进液口41与环管43间有3～9个均流管42连接，使喷淋液均匀的从喷淋进液口41流入环管43中，所述环管43截面为腰圆形、方形、圆形或椭圆形，并且环管43周向上布置6～18个雾化喷嘴44，径向上同时布置1～4个雾化喷嘴44，所述雾化喷嘴44截面为腰圆形、方形、圆形或椭圆形，且与垂直方向呈角度θ为0～90°，所述环管43采用单环管或多环管形成单级或多级的喷淋系统4，喷淋系统4采用顶置或倒置或顶置与倒置结合的喷淋形式实现高效传热。

所述冷凝水排出口45为U型结构使呈露盘52能积蓄一定液位，在热水炉持续运行中所产生的冷凝水从冷凝水排出口45排出，喷淋液出口46用于排出循环喷淋液，同样位于外壳5底端但其位置高于冷凝水排出口45，循环喷淋液采用安全无毒、导热性好、粘度低且疏水的有机工质或采用水工质。

所述外壳5采用耐冷凝水腐蚀的不锈钢、铸铝硅或塑料材质，呈露盘52具有一定的高度以容纳循环喷淋液与冷凝水，同时能使循环喷淋液采用安全无毒、导热性好、粘度低且疏水的有机工质与冷凝水分液，使冷凝水和循环喷淋液分别从底部冷凝水排出口45和喷淋液出口46排除。

采用所述的一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉的增效节能系统，包括热泵系统7、板式换热器8、阀组9以及所述的一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉，所述换热器2与热泵系统7中的冷凝器72构成主体换热子系统，主体换热子系统的连接方式为：换热器出水口23、板式换热器8进口、板式换热器8出口—冷凝器72进口、冷凝器72出口、换热器进水口22依次连接，所述喷淋系统4与热泵系统7中的蒸发器71构成次级喷淋换热子系统，次级喷淋换热子系统的连接方式为：喷淋液出口46、蒸发器71进口、蒸发器71出口、喷淋液进口41依次连接；所述热泵系统7中的蒸发器71和冷凝器72的进出口管道均安装有阀91形成阀组9，冷凝器72进出口短接管道上安装有短接阀92，当热泵系统7启用时，短接阀92关闭，阀组9中所有阀91打开，当热泵系统关闭时，阀组9中所有阀91关闭。

降低循环喷淋液温度进一步强化低温烟气的冷凝传热效率，提高换热器进水口22回水温度，使热水炉与热泵增效耦合，有效提高整体系统运行效率，并降低负荷回水温度波动对运行效率的敏感性。

间接与直接接触换热一体化的高效燃气热水炉内所有部件灵活配置，整体可呈包围式布置、左右布置和上下布置形式。

与现有技术相比较，本发明具有如下优点：

1、本发明热水炉采用间接与直接接触复合换热形式，换热器主体在任何工况下控制壁面温度高于60℃，优选地排烟温度控制在180～300℃范围，使换热器壁面不产生冷凝水，不会出现冷凝水腐蚀等问题，可以采用铸铝、铸铁、碳钢、焊接不锈钢、铜翅片管材质且任意工艺及结构的换热器，降低换热器使用门槛。

2、本发明热水炉采用间接与直接接触复合换热形式，用喷淋直接接触换热方式取代换热器中烟气温度较低、端差小、热流密度小且换热能力弱的区域，从而削除大量换热器低效区，有效降低换热器原材料用量及工艺成本。

3、本发明热水炉在端差小的低温烟气换热中采用喷淋直接接触换热方式强化冷凝换热有效缩小热水炉体积使炉体更紧凑。

4、本发明系统采用耦合热泵设计，降低循环喷淋液温度进一步强化低温烟气的冷凝传热效率，提高换热器进水口回水温度，使热水炉与热泵增效耦合，有效提高整体系统运行效率，并降低负荷回水温度波动对运行效率的敏感性。

附图说明

图1为本发明一体化的高效冷凝燃气热水炉与热泵耦合构成增效节能系统的整体示意图。

图2为间接与直接接触换热一体化的高效冷凝燃气热水炉三维视图，其中图2(a)为主视图，图2(b)为半剖图。

图3为采用等压烟罩3与外壳5整体注塑成型的间接与直接接触换热一体化的高效冷凝燃气热水炉三维视图，其中图3(a)为主视图，图3(b)为半剖图。

图4为采用喷淋进液口41布置于外壳5外侧，采用单侧或双侧进液方式的一体化的高效冷凝燃气热水炉三维视图，其中图4(a)为主视图，图4(b)为半剖图，图4(c)为俯视剖面图。

图5为采用屋脊式排气口等压烟罩3的一体化的高效冷凝燃气热水炉三维视图，其中图5(a)为主视图，图5(b)为半剖图，图5(c)为俯视剖面图，图5(d)为屋脊式排气口示意图。

图6为采用多级的喷淋形式的一体化的高效冷凝燃气热水炉三维视图，其中图6(a)为主视图，图6(b)为半剖图，图6(c)为俯视剖面图。

图7为采用倒置喷淋形式的一体化的高效冷凝燃气热水炉三维视图，其中图7(a)为主视图，图7(b)为半剖图。

图8为采用顶置与倒置喷淋结合的一体化的高效冷凝燃气热水炉三维视图，其中图8(a)为主视图，图8(b)为半剖图。

图9为喷淋系统细节图，其中图9(1a)、9(2a)、9(3a)和9(4a)分别环管43截面为腰圆形、方形、圆形和椭圆形环向单级或多级雾化喷嘴44布置示意图，图9(1b)、9(2b)、9(3b)和9(4b)分别为雾化喷嘴44为腰圆形、方形、圆形和椭圆形外观示意图，图9(c)为雾化喷嘴44与垂直方向所呈角度示意图。

图10为燃烧器1多种外观示意图，其中图10(a)、图10(b)和图10(c)分别为圆形、腰圆形和椭圆形。

图11为左右布置的间接与直接接触换热一体化的高效冷凝燃气热水炉示意图。

图12为上下布置的间接与直接接触换热一体化的高效冷凝燃气热水炉示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述：

实施例一

如图2中图2(a)和图2(b)所示，本发明一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉，包括燃烧产生高温烟气的燃烧器1，包裹住燃烧器1吸收高温烟气热量的换热器2，设置在换热器(2)上的喷淋系统(4)，将喷淋系统(4)与换热器(2)隔离并在换热器(2)外壁形成烟气等压通道的等压烟罩(3)，包覆燃烧器(1)、换热器(2)、等压烟罩(3)和喷淋系统(4)的外壳(5)，设置在外壳(5)上的烟囱(6)；经换热器(2)放热后的低温烟气经过外壳5与等压烟罩3间通道进一步地被喷淋系统4吸收显热及潜热后最后从烟囱6排出。

所述换热器2包含换热器主体21、与换热器主体(21)连通的换热器进水口22和换热器出水口23。

所述等压烟罩3包含盖板31和位于等压烟罩3底端的低温烟气出口32。

所述喷淋系统4包含位于外壳5顶端的喷淋进液口41，连接喷淋进液口41和环管43的均流管42及位于环管43底端的雾化喷嘴44，在垂直方向上环管43位于均流管42与盖板31之间且环管43与均流管42构成90°～120°夹角，位于外壳5底端的冷凝水排出口45和喷淋液出口46。

所述外壳5包含位于外壳5顶部的烟囱连接通道51和底部的呈露盘52。

所述换热器主体21在任何工况下控制壁面温度高于60℃，优选地排烟温度在任何工况下控制在200℃左右，使换热器壁面不产生冷凝水。

所述换热器主体21因任何工况下不产生冷凝水不会出现冷凝水腐蚀等问题，采用带有集水盘结构的铜翅片管换热器，使其形成四回程的水工质流道。

所述换热器进水口22和换热器出水口23布置于带有集水盘结构的铜翅片管换热器底部，与换热器底部的集水盘相连。

所述等压烟罩3与竖直方向所呈角度能使额定负荷下烟气等压的流通过等压烟罩3与换热器主体21间的烟气等压通道，保证换热器主体21内高温烟气均匀换热，所述盖板31根据换热器进水口22和换热器出水口23布置方式设计为顶部、底部或顶部与底部双重布置以确保换热器2能够放置于等压烟罩3内，位于等压烟罩3底部的低温烟气出口32为均匀18个环向开孔，两两之间具有辐条，强化结构强度，低温烟气出口32所在平面与水平方向夹角呈45°。

等压烟罩3独立制造，采用换热系数低且耐温的塑料、不锈钢或玻璃钢材质防止喷淋液与低温烟气换热使等压烟罩3内壁产生冷凝水。

所述位于外壳5顶端的喷淋进液口41布置在热水炉中心轴上，环管43与喷淋进液口41间有3个均流管42连接，使喷淋液均匀的从喷淋进液口41流入环管43中，喷淋液由位于均流管42底端18个雾化喷嘴44雾化喷出。

所述冷凝水排出口45位于外壳5底端，其U型结构使呈露盘52可积蓄一定液位，在热水炉持续运行中所产生的冷凝水从冷凝水排出口45排出，喷淋液出口46用于排出循环喷淋液，同样位于外壳5底端但其位置高于冷凝水排出口45，循环喷淋液采用安全无毒、导热性好、粘度低且疏水的有机溶液。

所述外壳5采用耐冷凝水腐蚀的不锈钢、铸铝硅或塑料材质，呈露盘52具有一定的高度以容纳循环喷淋液与冷凝水，同时能使循环喷淋液采用导热油或其他安全无毒、导热性好、粘度低且疏水的有机溶液与冷凝水分液，让冷凝水和循环喷淋液分别从底部冷凝水排出口45和喷淋液出口46排除。

如图1所示，一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉的增效节能系统，包括热泵系统7、板式换热器8、阀组9以及所述的一种混合热交换的高效冷凝燃气热水炉，所述换热器2与热泵系统7中的冷凝器72构成主体换热子系统，主体换热子系统的连接方式为：换热器出水口23、板式换热器8进口、板式换热器8出口—冷凝器72进口、冷凝器72出口、换热器进水口22依次连接，所述喷淋系统4与热泵系统7中的蒸发器71构成次级喷淋换热子系统，次级喷淋换热子系统的连接方式为：喷淋液出口46、蒸发器71进口、蒸发器71出口、喷淋液进口41依次连接；所述热泵系统7中的蒸发器71和冷凝器72的进出口管道均安装有阀91形成阀组9，冷凝器72进出口短接管道上安装有短接阀92，当热泵系统7启用时，短接阀92关闭，阀组9中所有阀91打开，当热泵系统关闭时，阀组9中所有阀91关闭。热泵系统7的并联能降低循环喷淋液温度进一步强化低温烟气的冷凝传热效率，提高换热器进水口22回水温度，使热水炉与热泵增效耦合，有效提高整体系统运行效率，并降低负荷回水温度波动对运行效率的敏感性。

实施案例二