“篓”状三维变空间冷凝式燃气热水炉.pdf

1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 202021780821.9 (22)申请日 2020.08.24 (73)专利权人 中国科学院广州能源研究所 地址 510640 广东省广州市天河区五山能 源路2号 (72)发明人 朱冬生莫逊王飞扬 (74)专利代理机构 广州科粤专利商标代理有限 公司 44001 代理人 周友元莫瑶江 (51)Int.Cl. F24H 8/00(2006.01) F24H 9/00(2006.01) F24H 9/18(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用

2、新型名称 一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉 (57)摘要 本实用新型提供一种 “篓” 状三维变空间冷 凝式燃气热水炉， 主要由热水炉壳体、“篓” 状三 维变空间换热芯、 导流筒、 隔断层和燃烧机组成， 其中换热芯由单层或多层的 “篓” 状盘管组成， 并 由进水集管与出水集管连接，“篓” 状盘管由三维 变空间管制作而成， 燃烧机生成的高温烟气进入 “篓” 状三维变空间换热芯与管内介质进行高效 热交换。 采用这种三维变空间变截面的 “篓” 状换 热芯， 可以有效地提升燃气热水炉换热器的换热 系数， 从而提高热水炉的换热效率， 有利于缩小 热水炉的总体积， 减轻重量， 节省材料， 降低成

3、本。 另外， 便于清灰清垢， 延长维护周期。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 212339635 U 2021.01.12 CN 212339635 U 1.一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉， 其特征在于： 包括热水炉壳体及设置在 热水炉壳体内的 “篓” 状三维变空间换热芯、 导流筒、 隔断层和燃烧机； “篓” 状三维变空间换热芯由单层或多层的 “篓” 状盘管组成，“篓” 状盘管由三维变空间 管绕制而成， 两端分别与进水集管和出水集管连接； 导流筒为圆锥管状结构， 隔断层为圆台状结构， 隔断层同轴设置在导流筒中， 构成沿轴 向内径依次缩小的环形换热室，“篓” 状三维变空间

4、换热芯安装在环形换热室中， 环形换热 室内径较大的一端为进气端， 内径较小的一端为排气端； 燃烧机靠近环形换热室进气端布置， 生成的高温烟气进入 “篓” 状三维变空间换热芯与 管内介质进行热交换。 2.根据权利要求1所述的一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉， 其特征在于： 所述 的三维变空间管由椭圆管经螺旋扭曲而成。 3.根据权利要求1所述的一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉， 其特征在于： 所述 的 “篓” 状三维变空间换热芯内径较小的一端为进水端， 内径较大的一端为出水端， 管内外 介质进行全逆流换热。 4.根据权利要求1所述的一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉，

5、其特征在于： 所述 的多层的 “篓” 状盘管采用顺列或错列布置。 5.根据权利要求1所述的一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉， 其特征在于： 所述 的 “篓” 状三维变空间换热芯内径较大的一端还连接有辐射盘管， 燃烧机安装在辐射盘管中 心轴线。 6.根据权利要求1所述的一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉， 其特征在于： 所述 的隔断层靠近燃烧机的一端呈内凹的弧形面。 权利要求书 1/1 页 2 CN 212339635 U 2 一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉 技术领域 0001 本实用新型涉及热水炉技术领域， 具体涉及一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热 水炉。

6、背景技术 0002 在现有技术中， 普通冷凝式燃气热水炉由燃烧器、 盘管换热芯和壳体等部件组成。 盘管换热芯采用圆形基管压制成扁管， 然后绕成螺旋状的盘管。 扁管状盘管水平布置， 燃烧 器水平布置于盘管形成的圆筒轴向， 当经过预混的天然气通过进气管道进入燃烧器燃烧后 产生的高温烟气沿着径向横向冲刷穿过盘管的方式对管内的介质进行加热， 再通过盘管与 壳体之间的流通通道进行汇集后从设置于顶部的烟气出口排出。 0003 该类型的热水炉存在的致命的技术问题： 0004 其一， 高温烟气与介质水进行热量交换时， 呈交叉流的方式， 热交换温差小， 无法 最大限度发挥高温流体与低温流体的热交换的驱动力。 其

7、二， 由于烟气沿着筒状盘管的径 向流动， 因此筒状侧面的缝隙就是其流动截面积。 该面积对于对应的烟气量显得太大， 造成 了烟气流速过慢， 换热效率过低， 无法满足冷凝式炉子的技术要求。 其三， 扁管盘管是通过 定距装置来保证盘管的扁管间距， 该距离太小， 并且间隙还十分不均匀， 加上是简单的一维 结构通道结构， 使得烟气经过冷凝后析出的硫化物组织会造成管间隙通道的严重堵塞而失 效， 引起重大技术事故。 其四， 由于其不合理的结构造成烟气流场严重不均匀， 偏流情况严 重， 水平布置的盘管下半部几乎无参与热交换， 利用率很低， 严重影响换热效果。 其五， 盘管 是由普通扁管构成， 没有经过深度强化

8、手段， 换热元件的换热系数过低。 实用新型内容 0005 针对上述待解决的技术问题， 本实用新型提供一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气 热水炉， 采用 “篓” 状三维变空间变截面换热芯， 改善烟气侧和水侧的流场， 提高流场维度， 烟气流道和水流道呈三维变空间变截面流动模式， 提高换热元件的换热系数和热交换温 差， 并且使得流场均匀， 不存在流动死角， 不易结垢， 容易清洗， 提高维护周期。 0006 为实现上述目的， 本实用新型的技术方案为： 0007 一种 “篓” 状三维变空间冷凝式燃气热水炉， 包括热水炉壳体及设置在热水炉壳体 内的 “篓” 状三维变空间换热芯、 导流筒、 隔断层和燃烧机

9、； 0008 “篓” 状三维变空间换热芯由单层或多层的 “篓” 状盘管组成，“篓” 状盘管由三维变 空间管绕制而成， 两端分别与进水集管和出水集管连接； 0009 导流筒为圆锥管状结构， 隔断层为圆台状结构， 隔断层同轴设置导流筒中， 构成沿 轴向内径依次缩小的环形换热室，“篓” 状三维变空间换热芯安装在环形换热室中， 环形换 热室内径较大的一端为进气端， 内径较小的一端为排气端； 0010 燃烧机靠近环形换热室进气端布置， 生成的高温烟气进入 “篓” 状三维变空间换热 芯与管内介质进行热交换。 说明书 1/4 页 3 CN 212339635 U 3 0011 本实用新型的燃气热水炉， 采用

10、三维变空间变截面的 “篓” 状换热芯，“篓” 状换热 芯采用高效换热异型管， 可以大幅度提高换热芯的换热效率， 进而提高热水炉的换热效率， 有利于缩小热水炉的总体积， 减轻重量， 节省材料， 降低成本。 0012 本实用新型的 “篓” 状换热芯， 可以同时实现径向和轴向的变空间结构， 均匀化烟 气流场。 0013 本实用新型的 “篓” 状换热芯， 将一维流动模式转化为三维流动模式， 提高维度可 以消除流动死区及涡流点， 且增大换热元件之间的流道尺寸， 杜绝结垢， 便于清灰清垢， 延 长维护周期。 0014 本实用新型的 “篓” 状换热芯， 可以实现流动横截面积由大逐渐变小的特点， 满足 烟气随

11、着温度不断下降其体积流量也不断变小的特性， 使得烟气速度流场尽可保持一致， 减小流动能量损失。 0015 本实用新型的 “篓” 状换热芯， 由单层或多层的 “篓” 状盘管组成， 并由进水集管与 出水集管连接而成， 可根据热水炉的负荷大小灵活调整层数。 0016 本实用新型的 “篓” 状换热芯， 两侧设置导流筒和隔断层， 迫使烟气沿着 “篓” 状盘 管的母线流动， 提高烟气的流速从而进一步提高其换热系数， 且满足自清垢的流速要求。 0017 作为本实用新型的一种改进， 所述的三维变空间管由椭圆管经螺旋扭曲而成。 介 质侧的单根盘管流道外形近似麻花状， 截面近椭圆状， 水介质流形成螺旋流体， 产生

12、二次流 旋流破坏热边界层， 强化热交换， 不仅换热系数得到强化， 而且流速得到提高而满足自介质 侧自清垢要求。 0018 作为本实用新型的一种改进， 所述的 “篓” 状三维变空间换热芯内径较小的一端为 进水端， 内径较大的一端为出水端， 管内外介质进行全逆流换热。 烟气在 “篓” 状盘管间的流 动方向与 “篓” 状盘管内的介质的流动方向相反， 几乎满足全逆流结构特点， 提高了热交换 的温差， 减小换热面积， 实现减材。 0019 作为本实用新型的一种改进， 所述的多层的 “篓” 状盘管采用顺列或错列布置。 可 以根据燃气燃烧后产生的烟气物理特性来灵活采用顺利或错列布置盘管， 满足不同地区的 燃

13、气特点， 使得主次矛盾灵活转化， 并降低制造成本及材料消耗。 0020 作为本实用新型的一种改进， 所述的 “篓” 状三维变空间换热芯内径较大的一端还 连接有辐射盘管， 燃烧机安装在辐射盘管中心轴线。 在 “篓” 状换热芯前端设置辐射盘管， 将 燃烧机完全包裹， 不仅充分利用空间来布置换热面积以满足换热需要， 并且可以以水道来 阻断高温烟气对壳体外表温度的影响， 减少热损失， 提高安全性。 0021 作为本实用新型的一种改进， 所述的隔断层靠近燃烧机的一端为内凹的弧形面。 可以优化烟气流场， 使得燃烧机产生的高温烟气顺利进入 “篓” 状换热芯。 0022 与现有技术相比， 本实用新型的有益效果

14、是： 0023 本实用新型采用三维变空间变截面盘管， 提高换热模块的换热效率， 优化烟气和 水侧的流场， 减少局部死角， 使得两侧流场更加均匀， 不易结垢， 延长换热器的维护周期， 降 低维护难度。 另外， 减少两侧流体的运行阻力， 降低泵与鼓风机的运行功率， 减少运行费用， 降低运行成本， 达到节能减排的目的。 再者， 提高换热效率， 可降低换热面积， 减少换热器的 耗材和体积， 减少制造和运输费用。 最后， 降低热水炉的占有空间， 提高安装的灵活度和适 应性。 说明书 2/4 页 4 CN 212339635 U 4 附图说明 0024 图1为本实用新型的结构示意图。 0025 图2为图1

15、的A-A截面剖面示意图。 0026 图3为图1构件2结构类型之一的3D示意图(单层 “篓” 状盘管” )。 0027 图4为图1构件2结构类型之一的3D示意图(3层 “篓” 状盘管” )。 0028 附图标记说明： 1-辐射盘管； 2- “篓” 状三维变空间换热芯； 3-导流筒； 4-烟气出口 法兰； 5-烟箱； 6-弧形隔断层； 7-燃气进气口； 8-燃烧机； 9-进水集管； 10-出水集管。 具体实施方式 0029 为使本实用新型的上述目的、 特征和优点能够更加明显易懂， 下面结合附图和具 体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。 0030 如图1和图2所示， 一种 “篓” 状三维变空间

16、冷凝式燃气热水炉， 包括热水炉壳体及 设置在热水炉壳体内的辐射盘管1、“篓” 状三维变空间换热芯2、 导流筒3、 烟箱5、 弧形隔断 层6和燃烧机8。 0031 “篓” 状三维变空间换热芯2的外形似编织的日用品 “竹篓” ， 水平布置在热水炉壳 体中部， 本实施例中，“篓” 状三维变空间换热芯2采用3层 “篓” 状盘管顺列排布而成。“篓” 状 盘管由三维变空间管绕制而成， 三维变空间管由椭圆管经螺旋扭曲而成， 形成三维变空间 变截面盘管， 如图3或图4所示。“篓” 状三维变空间换热芯2内径较小的一端为进水端， 与进 水集管9相连， 内径较大的一端为出水端， 与出水集管10相连。 0032 导流

17、筒3为圆锥管状结构， 弧形隔断层6为圆台状结构， 弧形隔断层6同轴设置在导 流筒3中， 构成沿轴向内径依次缩小的环形换热室，“篓” 状三维变空间换热芯2安装在环形 换热室中， 环形换热室内径较大的一端为进气端， 内径较小的一端为排气端。 0033 辐射盘管1布置在热水炉壳体前端， 与 “篓” 状三维变空间换热芯2内径较大的一端 的相连。 燃烧机8安装在辐射盘管1中心轴线处， 前端与燃气进气口7相连， 后端延伸至弧形 隔断层6的弧形面。 0034 烟箱5布置在热水炉壳体前端， 与环形换热室排气端相连通， 烟箱5顶面设置烟气 出口法兰4。 0035 使用时， 天然气首先通过燃气进气口7进入位于 “

18、篓” 状三维变空间换热芯2中心轴 线的燃烧机8进行燃烧， 所产生的烟气分别在弧线隔断层6和导流筒3的作用下沿着辐射盘 管1和 “篓” 状三维变空间换热芯2的母线流动， 并以辐射传热的方式与辐射盘管1进行热交 换、 以横向冲刷对流传热的方式与 “篓” 状盘管进行热交换， 烟气被充分吸收其冷凝热， 产生 的冷凝水从冷凝水排液口排出， 干烟气进入烟箱5经顶端的烟气出口法兰4排走。 在这一过 程， 烟气随着温度的下降，“篓” 状三维变空间换热芯2的流动截面积也相应变小， 保证了烟 气流速在合理区间， 且不产生太大波动， 减小流动能量损失。 同时， 烟气的三维流动状态， 消 除了死区及涡流， 杜绝污垢沉

19、淀形成结垢， 达到自清垢的目的。 0036 在水侧， 软化水通过进水集管9平均分配到多层并列的 “篓” 状三维变空间换热芯2 的内部， 分别沿着 “篓” 状盘管和辐射盘管螺旋线与烟气呈逆进行流热交换， 完成换热后经 过出水集管10汇集后出来并送到用户。 在这一过程管内是通过强化手段使得水介质流形成 螺旋流体， 产生二次流旋流破坏热边界层， 强化换热， 不仅换热系数得到强化， 而且流速得 说明书 3/4 页 5 CN 212339635 U 5 到提高而满足自介质侧自清垢要求。 0037 上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明， 该实施例并非用以限制 本实用新型的专利范围， 凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更， 均应包含于本案的 专利范围中。 说明书 4/4 页 6 CN 212339635 U 6 图1 图2 说明书附图 1/2 页 7 CN 212339635 U 7 图3 图4 说明书附图 2/2 页 8 CN 212339635 U 8