CN101903711A - 向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器，所述热交换器通过使潜热交换单元中排气的流动方向与冷凝水坠落的方向一致来最大化潜热回收效率。热交换器包括：显热交换单元，吸收从向上燃烧型燃烧器产生的显热；潜热交换单元，吸收已经在显热交换单元中进行过热交换的排气中含有的水蒸气的潜热；冷凝水托盘，排放从潜热交换单元产生的冷凝水。经过显热交换单元的排气的向上流动被转变成向下的流动，以通过潜热交换单元，潜热交换单元以这样的方式安装：经过潜热交换单元的排气的流动方向与从潜热交换单元产生的冷凝水的坠落方向竖直地一致。

Description

向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器

技术领域

本发明涉及一种向上燃烧型冷凝锅炉(upward combustion typecondensing boiler)的热交换器，更具体地讲，涉及这样一种向上燃烧型冷凝锅炉，其中，显热交换器和潜热交换器顺序设置在向上燃烧型燃烧器上方。

背景技术

当前制造的锅炉是包括热交换器以增加热效率的锅炉。这样的热交换器由显热交换单元和潜热交换单元组成。显热交换单元吸收从燃烧室产生的排气(exhaust gas)的显热，潜热交换单元从已经在显热交换单元中进行过热交换的排气吸收潜热和剩余的热(residual heat)。这样类型的锅炉被称为冷凝锅炉。

已经将这样的冷凝锅炉作为使用油燃料的燃油锅炉和使用诸如LNG或LPG的气体燃料的燃气锅炉投放到实际的应用中，从而对锅炉效率的增加和燃料成本的减少做出贡献。

图1是传统的向下燃烧型冷凝锅炉的示意图。

参照图1，当通过显热交换器13时，从向下燃烧型燃烧器12产生的排气被冷却到200℃。然后，当通过潜热交换单元14时，所述排气进一步被冷却到约40-70℃。

在经过热交换单元13和14时加热的热水通过供应管15被传送到房间内部，以传递热能，热水然后变凉，以返回到回收管16。返回到回收管16的热水必须被引入到潜热交换器14，从而潜热交换器14可有效地吸收潜热。这是因为当经过显热交换器13的排气被设置成等于或小于露点温度时，包含在排气中的蒸汽(H₂O)可被冷凝，以将潜热传递给热循环水。

在向下燃烧型冷凝锅炉中，冷凝水由于重力而坠落的方向(即，向下的方向)自然地与经过显热交换单元和潜热交换单元的排气的流动方向一致。这是增加冷凝锅炉效率的非常重要的因素。

即，当排气经过潜热交换单元时，排气中的水蒸气被冷凝，以将潜热传递给热循环水，排气明显冷却。因此，由于冷凝水托盘17的内部温度明显降低，所以可以最小化液化成冷凝水的水蒸气的再蒸发导致的热量损失。

向下燃烧型冷凝锅炉被认为是具有可以最大化地回收潜热的最佳冷凝锅炉结构。然而，向下燃烧型冷凝锅炉必须装配有向下燃烧型燃烧器。

通常，可将应用到锅炉的燃烧器分成本生燃烧器(Bunsen burner)和预混燃烧器。在本生燃烧器中，用于喷射气体的喷嘴单元供应燃烧需要的最少的一次空气，并将额外的二次空气供应到火焰形成的部分，从而执行理想的燃烧。本生燃烧器燃烧稳定性高。然而，由于火焰由二次空气形成，所以火焰变长，不能向下燃烧。即，由于与二次空气起反应的火焰(外焰)的长度大且火焰密度低，所以火焰往往是面向上。因此，本生燃烧器仅仅可应用到向上燃烧型冷凝锅炉。

预混燃烧器燃烧通过在混合室中预混燃气和空气而获得的预混的气体。在预混燃烧器中，火焰形成的部分不存在剩余的空气。此外，火焰的长度很小，且火焰的密度高。因此，可以安装这种燃烧器而不管燃烧的方向如何(向上、向下和侧向)。然而，由于应该预混燃烧所需的预定量的空气，所以燃烧控制非常复杂。此外，由于预混燃烧器容易被干扰影响，所以它的燃烧稳定性低。

如上所描述的，为了最大化冷凝锅炉的效率，使冷凝水的坠落方向和排气的流动方向与重力方向一致是重要的。因此，通常使用可以执行向下燃烧的预混燃烧器。

然而，预混燃烧器的燃烧稳定性低，并且应该使用昂贵的控制***以执行复杂的燃烧控制。

为了解决这样的问题，已经提出了利用向上燃烧型本生燃烧器来构造冷凝锅炉的热交换器的多种方法。在图2中示出了一个这样的热交换器的例子。

图2是传统的向上燃烧型冷凝锅炉的示意图。

参照图2，潜热交换单元24倾斜地布置在显热交换单元23上，经过显热交换器23的排气经由冷凝水托盘27的侧部通过显热交换器24。针对潜热交换器24，已经提出了铝轧管(aluminum rolled pipe)或不锈柔性管。

在图2中，由于潜热交换单元24布置在显热交换单元23上，所以可以相对容易地构造冷凝锅炉且可减小尺寸。

然而，与传统的向下燃烧型冷凝锅炉相比，向上燃烧型冷凝锅炉的冷凝效率减小了差不多3-5％。由于下面两个原因，冷凝效率发生减小。

(1)由于冷凝水托盘27恰好位于显热交换单元23上，所以冷凝水托盘27被加热到高温。因此，虽然在排气经过潜热交换单元24时产生的冷凝水落到冷凝水托盘27，但是通过被加热的冷凝水托盘27会蒸发相当大的量的冷凝水。因此，由于通过冷凝回收的潜热以蒸发热的形式放出，所以不能获得最大的蒸发效率。为了解决这样的问题，绝热板25可用在冷凝水托盘27中。然而，这仅仅具有有限的效果。

(2)冷凝效率减小的最基本原因是经过显热交换单元23的高温湿排气(排气包括水蒸气)接触冷凝水。这不可避免地发生，因为冷凝水的坠落方向被设置成垂直于排气的流动方向。因此，冷凝几乎不发生在与高温湿排气接触的部分。结果，潜热交换单元24的很大一部分不可靠地执行它的冷凝回收的基本功能。因此，当潜热交换单元24的尺寸与显热交换单元23相比显著地增加时，冷凝锅炉的经济效率降低。

图3是普通的翅片管式热交换器的示意图。

将通常用作显热交换单元的翅片管式热交换器(参照图3)应用到传统的向上燃烧型冷凝锅炉存在困难。

翅片管式热交换器由换热管31和传热翅片32组成。翅片管式热交换器通常由铜(Cu)或不锈钢形成并通过铜焊来结合。由于翅片管式热交换器具有小尺寸且可确保大的传热区域，所以翅片管式热交换器广泛地用作锅炉的热交换器。当使用翅片管式热交换器时，将排气的流动方向设置成垂直于图3的纸表面是自然而然的。

然而，当将翅片管式热交换器应用到传统的向上燃烧型冷凝锅炉的潜热交换单元时，排气的流动方向被设置成排气顺序地流入多个管的竖直方向(图3的方向B)或水平方向(图3的方向A)。然后，由于排气的压力损失过多地增加，所以不能在实践中进行所述应用。因此，由于具有与显热交换单元中使用的热交换器不同的结构的热交换器应该被独立地制造，所以冷凝锅炉的经济效率减少。

冷凝锅炉的冷凝水通过冷凝水排放口28和连接到冷凝水排放口28的独立软管排放到外部。然而，当冷凝水排放软管弯曲或例如在冬天被冻结时，冷凝水不能顺畅地排放。

在这种情况下，如图2中所示，冷凝水充满到超过与冷凝水托盘27的上端27a对应的冷凝水的表面A的高度，从而从冷凝水托盘27溢出。从冷凝水托盘27溢出的冷凝水通过显热交换单元23坠落到燃烧器22的燃烧单元。由于显热交换单元23通常由对冷凝水不具有抗蚀性的材料形成，所以显热交换单元23会被腐蚀，从而其寿命减少。

在典型的锅炉中，安装了诸如风压开关或传感器的安全装置，用于检测排气烟道29是否关闭然后给出停止锅炉的指令。然而，如图2中所示，由于冷凝水托盘27的上端27a位于比排气烟道29的入口部分29a低的位置，所以与排气烟道29相通的路径没有关闭，甚至当冷凝水填充到表面A时。因此，风压开关或传感器不产生指示排气烟道29关闭的信号。

为了解决这样的问题，传统的向上燃烧型冷凝锅炉应该包括检测冷凝水排放部分是否关闭的独立的安全装置，例如，水平面传感器，在冷凝水的水平面超过预定值时检测停留在冷凝水托盘的上部中的冷凝水的水平面并停止锅炉的操作。因此，冷凝锅炉的结构变得复杂，而且制造成本增加。

标号11和21表示锅炉，标号18表示冷凝水排放口，标号19表示排放烟道，标号22表示燃烧器。

发明内容

技术问题

本发明针对向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器，通过使排气在潜热交换单元中的流动方向与冷凝水的流动方向一致，所述热交换器可最大化潜热回收效率。

本发明还针对向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器，其中，相同的翅片管式热交换器应用到显热交换单元和潜热交换单元，从而不需要单独地制造显热交换单元。

本发明还针对向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器，所述热交换器在没有独立的装置的情况下可安全地停止操作，甚至当锅炉被冷凝水阻塞时。

技术方案

根据本发明的一个方面，一种向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器包括：显热交换单元，吸收从向上燃烧型燃烧器产生的显热；潜热交换单元，吸收已经在显热交换单元中进行过热交换的排气中含有的水蒸气的潜热；冷凝水托盘，排放从潜热交换单元产生的冷凝水。经过显热交换单元的排气的向上流动被转变成向下的流动，以经过潜热交换单元，潜热交换单元以这样的方式安装：经过潜热交换单元的排气的流动方向与从潜热交换单元产生的冷凝水的坠落方向竖直地一致。

潜热交换单元可包括盒形主体，所述盒形主体的顶表面和底表面是敞开的且侧表面是封闭的；多个换热管，安装在主体内部以在水平方向上彼此隔开预定的距离。

显热交换单元和潜热交换单元分别具有安装在它们内部的翅片管式换热管，所述翅片管式换热管结合到传热翅片上。

冷凝水托盘的上端部的高度被设置成等于或高于排出烟道入口部分的高度，排气通过所述排出烟道入口部分排出。

有益效果

根据本发明，由于使排气在潜热交换单元中的流动方向与冷凝水的坠落方向一致，所以可最大化潜热回收效率。进一步，由于相同的翅片管式热交换器应用到显热交换单元和潜热交换单元，所以显热交换单元不需要被单独地制造。进一步，由于可以减小潜热交换单元的尺寸，所以可以减小整个锅炉的尺寸。此外，即使冷凝水排放口被冷凝水阻塞，仍然可以防止冷凝水落到显热交换单元上，这使得可以在没有单独的装置的情况下安全地停止操作。

附图说明

图1是传统的向下燃烧型冷凝锅炉的示意图。

图2是传统的向上燃烧型冷凝锅炉的示意图。

图3是普通的翅片管式热交换器的示意图。

图4是根据本发明的示例实施例的向上燃烧型冷凝锅炉的示意图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细描述本发明的示例实施例。

图4是根据本发明的示例实施例的向上燃烧型冷凝锅炉的示意图。

根据本发明的冷凝锅炉包括：向上燃烧型燃烧器120，安装在鼓风机110正上方以形成向上的火焰；显热交换单元130，吸收从燃烧器120产生的显热；潜热交换单元150，吸收已经在显热交换单元130中进行过热交换的排气中含有的水蒸气的潜热。

对于燃烧器120，可以使用本生燃烧器和预混燃烧器中的任一种。本生燃烧器将燃烧需要的最少量的一级空气供应到管嘴单元，并将二级空气供应到火焰形成的部分。预混燃烧器预混燃气和空气然后燃烧燃气和空气。

安装在燃烧器120正上方的显热交换单元130具有多个换热管131，所述换热管131平行布置并在水平方向彼此隔开预定的距离。图4示出了换热管131安装为一行的状态。然而，换热管131可被安装为两行或更多行。显热交换单元130是这样的翅片管式热交换器，其中，如图3中所示的传热翅片被结合到换热管131的外圆周表面。

经过显热交换单元130的排气通过宽度狭窄的气流通道单元140被引入到潜热交换单元150中。

形成气体流动通道单元140的壳体141以下侧宽和宽度向着上侧变窄的形状形成。因此，排气的气流朝向壳体141的右侧倾斜。

沿着壳体141的内侧向上流动的排气的流动方向在壳体141的上端部分转变成向左的方向，然后转变成竖直方向，从而排气被引入到潜热交换单元150中。

潜热交换单元150包括：盒形主体152，其顶部表面和底部表面敞开；多个换热管151，所述多个换热管151安装在主体152内部，并在水平方向上彼此隔开预定的距离。换热管151可安装为一行或多行。

潜热交换单元150是如图3中所示的传热翅片结合到换热管151的外圆周表面的翅片管式热交换器。可以应用所述翅片管式热交换器，因为如图3中所示，换热管151被安装为在水平方向上彼此隔开预定距离后，在潜热交换单元150中流动的排气的流动不受传热翅片的影响。

从而，由于显热交换单元140的换热管141以及潜热交换单元150的换热管151被构造成翅片管型，所以潜热交换单元150不需要单独地被制造，这使得可以减少不便。进一步，由于可以减少潜热交换单元150的尺寸，所以可减小产品的总尺寸。

主体152的顶表面和底表面是敞开的，但是主体152的侧表面是封闭的。因此，排气的流动在右方向和左方向没有倾斜，而是被引导为沿竖直方向导向。

因此，从换热管151产生以在竖直方向落下的冷凝水的流动与排气的流动一致。

为了在潜热交换单元150中获得最大的冷凝效率，需要使冷凝水接触湿排气的可能性最小化，而且仅仅低温干排气可接触冷凝水。即，当排气与从换热管151的表面产生的冷凝水接触的次数增加时，在排气和换热管151之间的热传递的量减小，而且由于高温排气和冷凝水之间的热交换引起的冷凝水的再蒸发。因此，冷凝不可靠地发生。

因此，当使排气的流动方向与冷凝水的坠落方向一致以减小排气与冷凝水接触的可能性时，可靠地发生冷凝，可以最大化潜热回收效率。

从潜热交换单元150的上侧到下侧经过潜热交换单元150的排气被充分地冷却，排气中含有的水蒸气在潜热交换单元150的换热管151中被冷凝，以将潜热传递到热循环水。

从潜热交换单元150产生的冷凝水坠落，以被倾斜的冷凝水托盘160收集，然后被排放到外部。

经过潜热交换单元150的排气的流动方向转变为向上的方向，从而排气通过排出烟道170排放到外部。

为了最大化冷凝潜热的回收，形成潜热交换单元150和显热交换单元130之间的边界的冷凝水托盘160可由内侧装有隔热体180不锈钢形成。因此，即使边界表面被经过显热交换单元130的高温余热加热，也可以防止落在冷凝水托盘160上的一部分冷凝水再蒸发。

同时，冷凝水托盘160的上端部160a的高度被设置成等于或大于排出烟道入口部分171的高度，排气通过所述排出烟道入口部分171排出。

因此，即使当排放冷凝水的软管关闭使得冷凝水填充到排出烟道入口部分171的高度时，也能防止冷凝水落到显热交换单元130上，这使得可以防止显热交换单元130的耐久性劣化。

进一步，当冷凝水填充到排出烟道入口部分171的高度时，具有与在排放烟道170关闭时相同的效果。在这种情况下，可以使用诸如风压开关或传感器的典型排放安全装置来检测冷凝水排放部分是否关闭。因此，不需要使用诸如水平面传感器的独立的安全装置。

在这种情况下，如图4中所示，潜热交换单元150的主体152可被固定并结合到排放烟道入口部分171以及冷凝水托盘160的上端部160a。

产业上的可利用性

根据本发明的向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器可通过使潜热交换单元中冷凝水坠落的方向与排气的流动方向一致来最大化潜热回收效率，因而具有产业上的可利用性。

Claims (4)

1.一种向上燃烧型冷凝锅炉的热交换器，包括：

显热交换单元，吸收从向上燃烧型燃烧器产生的显热；

潜热交换单元，吸收已经在显热交换单元中进行过热交换的排气中含有的水蒸气的潜热；

冷凝水托盘，排放从潜热交换单元产生的冷凝水，

其中，经过显热交换单元的排气的向上流动被转变成向下的流动，以经过潜热交换单元，将潜热交换单元安装为使得经过潜热交换单元的排气的流动方向与从潜热交换单元产生的冷凝水的坠落方向竖直地一致。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述潜热交换单元包括：

盒形主体，所述盒形主体的顶表面和底表面是敞开的且侧表面是封闭的；

多个换热管，安装在主体内部并在水平方向上彼此隔开预定的距离。

3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，显热交换单元和潜热交换单元分别具有安装在它们内部的翅片管式换热管，所述翅片管式换热管结合到传热翅片。

4.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中，冷凝水托盘的上端部的高度被设置成等于或高于排出烟道入口部分的高度，排气通过所述排出烟道入口部分排出。

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