CN110709646A - 热交换器 - Google Patents

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CN110709646A
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Abstract

一种用于具有燃烧器的器具的热交换器，包括至少一个管状热交换器区段，该至少一个管状热交换器区段从与燃烧器对准的入口端以及出口端延伸。该入口端包括第一部分和第二部分，该第一部分具有第一内径，并且该第二部分具有大于第一直径的第二内径。

Description

热交换器
相关申请
本申请要求2017年3月17日提交的美国临时申请No.62/472,842的权益，该美国临时申请的全部内容通过援引纳入到本文中。
技术领域
本发明总体上涉及燃烧器***，并且更具体地，涉及一种用于燃烧器的热交换器。
背景
针对NOx排放的要求持续变得越来越严格。加利福尼亚州的南海岸空气质量管理区是NOx法规的世界引领者。最近颁布的针对强制空气炉的法律已引起这些产品所需的燃烧类型的转变。点火燃烧器(inshot burner)多年来一直是行业标准，但其不能满足这些新的NOx要求。点火燃烧器是相对较低的一次曝气燃烧器，其通常向管式热交换器喷火。在位于中部的火焰的周边周围引入二次空气。随着二次空气沿管子的长度向下行进，二次空气逐渐进入火焰以完成燃烧。二次空气还可保护管子入口以免在二次空气进入管子时暴露于火焰。
相比于被更高度充气的预混火焰，相对低的一次空气火焰还具有更低的火焰温度。由于大多数炉子制造商制造大量的炉子以供在全国范围内销售，因此为加利福尼亚市场制造全新的炉子模型并不实用，价格也不划算。这些制造商的期望是尽可能多地使用现有的炉子，而仅燃烧器改变以满足这些要求。用于满足这些要求的最佳选择是转换到完全预混燃烧器***。然而，该***会导致前挡板和热交换器管子过热。
概述
在一个示例中，一种用于具有燃烧器的器具的热交换器包括至少一个管式热交换器区段，该至少一个管式热交换器区段从与燃烧器对准的入口端以及出口端延伸。入口端包括第一部分和第二部分，该第一部分具有第一内径，且该第二部分具有大于第一直径的第二内径。
在另一示例中，一种炉子包括燃烧器，该燃烧器包括分配器，该分配器具有至少一个弯曲的第二部分，该第二部分用于提供火焰。连接到燃烧器的前挡板包括在燃烧器下游的、与每一第二部分对准的开口。热交换器具有至少一个管式热交换器区段，该至少一个管式热交换器区段从与该燃烧器的每一第二部分对准的入口端以及出口端延伸。入口端包括第一部分和第二部分，该第一部分具有第一内径，且该第二部分具有大于第一直径的第二内径。
在又一示例中，一种用于具有燃烧器的器具的热交换器包括多个热交换器区段，每一热交换器区段从与该燃烧器对准的入口端以及出口端延伸。入口端和出口端被定位在热交换器区段的同一侧上。每一入口端包括第一部分和第二部分，该第一部分具有第一内径，且该第二部分具有大于第一直径的第二内径。陶瓷绝缘套管被定位在每一热交换器区段的第二部分内，并具有基本上等于入口端的第一直径的内径。绝缘套管有助于保护入口端以免受到热损伤。
本发明的其他目的和优点以及对其更全面的理解可从下面的详细描述和附图中获得。
附图的简要描述
图1是根据本发明的包括热交换器的器具的示意图。
图2A是图1的器具中包括热交换器的部件的组装图。
图2B是该器具的替换部件的分解图。
图3是图2A中的热交换器的热交换器区段的侧视图。
图4是沿线4-4截取的图3的截面图。
图5是图1A的器具的前挡板的正视图。
图6是沿线6-6截取的图5的截面图。
图7A是用于图3的热交换器区段的绝缘套管的正视图。
图7B是图3的热交换器区段的一部分的放大视图，该热交换器区段包括图7A的绝缘套管。
图8是在第一示例中的热交换器的操作的示意图。
图9是在第二示例中的热交换器的操作的示意图。
详细描述
本发明总体上涉及燃烧器***，并且更具体地，涉及一种用于燃烧器的热交换器。参照图1，热交换器设置在诸如炉子10之类的器具中。在一个示例中，炉子10包括热交换器20、前挡板40、燃烧器50、垫片60、和诱导鼓风机68(图2A)。替换地，炉子10可包括热交换器20、前挡板40a、燃烧器50、垫片60、和二次热交换器80(见图2B)。燃烧器50可取决于器具10的配置而被定位成更靠近前挡板40的底部(图2A)或更靠近前挡板40a的顶部(图2B)。本说明书的其余部分涉及图2A的器具10部件配置，除非另有说明。
如图3-4中所示出的，热交换器20包括至少一个热交换器区段22。虽然示出了五个区段22，但是应理解，可提供更多或更少的区段——包括单个区段。这些区段22是中空的并且基本上彼此相同。
每一热交换器区段22都被形成为蛇形管，其沿着中心线23从第一或入口端24延伸到第二或出口端26。入口端24终止于开口25处，出口端26终止于开口27处。如图所示，入口端和出口端24、26并且由此开口25、27都被定位在热交换器区段22的同一侧[左侧]上。替换地，入口端和出口端25、26以及开口25、27可被定位在热交换区段22的相反两侧(图2B)。在任何情况下，通道30从开口25延伸区段22的整个长度到开口27。
每一热交换器区段22的入口端24包括壁70，壁70限定第一部分74和在第一部分上游的第二部分76。第一部分74具有第一内径Φ1，第二部分76具有大于第一内径的第二内径Φ2。锥形的或成角度的颈部78将第一部分74和第二部分76连接在一起。热交换器区段22可从颈部78到出口端26中的开口27具有基本相同的第一内径Φ1。替换地，第一内径Φ1可在朝向出口端26中的开口27延伸的方向上逐渐变细(未示出)。
参考图5-6，前挡板40可以是平坦的并且包括相对的侧面42、44。绝热层(未示出)可布置在侧面44的至少一部分上。第一开口43和第二开口45在侧面42、44之间完全延伸穿过前挡板40。第一开口43和第二开口45的数量各自与热交换器区段22的数量相对应。第一开口43被定位成更靠近前挡板40的底部。第二开口45被定位成更靠近前挡板40的顶部。然而，第一开口43可被定位成更靠近前挡板40a的顶部(参见图2B)。
区段22经由锻压或焊接连接46连接到前挡板40(图2A)。区段22的入口端24被定位在前挡板40的开口43中。这使入口端24中的开口25与前挡板40中的开口43对准。出口端26被定位在前挡板40中的开口45中，并通过46处的锻压或焊接而连接到前挡板40的开口45。这使出口端26中的开口27与前挡板40中的开口45对准。因此，每一区段22的流体通道30与前挡板40中的相应的一对开口43、45流体连通。
如图2A-2B所示，燃烧器50被定位在前挡板40和区段22的上游，即被固定到前挡板的侧面42。燃烧器50可构成非预混燃烧器或预混燃烧器。预混燃烧器可以是部分预混或全预混的。在一个示例中，燃烧器50是全预混的、低NOx燃烧器。燃烧器50包括壳体52，壳体52中限定有燃烧室54。分配器56被固定到壳体52以使燃烧室54闭合。
分配器56由薄的、耐用的和耐热的材料(诸如，金属、金属筛网或膨胀金属)形成。分配器56包括平坦的第一部分57以及形成或设置在第一部分上的至少一个凹部或第二部分58。在一个示例中，每一第二部分58都是弯曲的或呈凹形的，例如为圆形的、半球形的、凹形的或凸形的。每一第二部分58可具有彼此相同的配置或彼此不同的配置。凹形的第二部分58提供狭窄的、长的或细长的火焰，而凸形的第二部分将提供更宽、更分散的火焰。
第二部分58的数量、尺寸和间隔与存在的下游第一开口43和热交换器区段22的数量、尺寸和间隔一致。尤其地，每一第二部分58与相关联的热交换器区段22的入口端24对准，从而使得每一区段的端部与每一第二部分流体连通。每个第二部分58可被配置成将期望的火焰特性或轮廓从燃烧器50提供到相应的热交换器区段22。
垫片60被定位在分配器56——更具体地说是整个燃烧器50——和前挡板40的侧面42之间。垫片60包括多个开口62。每一开口62与分配器56上的第二部分58之一以及前挡板40中的第一开口43之一对准。开口62还各自与在前挡板40的相对侧面44上的区段22的入口端24之一——更具体地为入口端24中的开口25之一——对准。
参考图7A-7B，可选的绝缘套管90可***在每一热交换器区段22的第一端24中。绝缘套管90是管状的，并包括延伸在一对开口92、94之间的通道91。绝缘套管90具有内径Φ3和径向厚度“t”，内径Φ3基本上等于第一部分74的第一直径Φ1。绝缘套管90可由任何绝热材料(诸如，陶瓷或玻璃/二氧化硅纤维)制成。
绝缘套管90***在热交换器区段22的第二部分76中，直到邻近开口94的一端抵接住或紧邻于颈部78。绝缘套管90邻近开口92的另一端与前挡板40中的开口43对准。绝缘套管90通过与第二部分76、颈部78、和/或垫片60的摩檫力来保持到位。结果，每一绝缘套管90的开口92、94与前挡板40中的开口43、垫片60中的开口62、以及燃烧器50的第二部分58之一对准(参见图2B)。
绝缘套管90的第三直径Φ3和厚度t被配置成使得当该绝缘套管设置在第二部分76内时，该套管径向抵接住壁70，并且套管通道91与第一部分74纵向对准。结果，绝缘套管90和壁70之间不存在径向气隙。区段22内的径向最内部结构——绝缘套管90材料或第一区段74的壁70内表面——具有基本上恒定的直径。
如图8所示，在操作中，从每一第二部分58发出的工作火焰F延伸穿过垫片60的相关联开口62、前挡板40中的开口43，并进入在相关联的热交换区段22的入口端24处的开口25。火焰F被定制成使得每一火焰的尖端在每一区段22的入口端24中的开口25处或附近终止，即火焰可几乎不延伸到每一管子的内部，并且因此几乎不延伸到绝缘套管90中。替换地，应理解，本文中描述的绝缘套管90可从一个或多个入口端24中省略(参见图9)，并且由此，火焰F几乎不会延伸到入口端24的第二部分76中。
当燃烧器50是预混燃烧器时，非常短的火焰F和快速释放的热量可导致前挡板40和/或热交换器区段22的入口端24过热。本发明的套管90通过在热交换器区段22的入口端24内提供绝缘来帮助减轻这些过热问题。
尤其地，本文中描述的绝缘套管90有助于保护形成入口端24的材料以免受到由预混合/低NOx燃烧器50所提供的增加的热量造成的热损伤。也就是说，第二部分76的长度以及绝缘套管90的长度可被定制成在入口端24中提供期望程度的温度降低/保护。在图9中省略了绝缘套管的情况下，尺寸增大的第二部分76有助于通过以下方式来保护较小直径的第一部分74：在火焰附近/周围提供足够的空间，从而使得壁70不会被损坏或被加热到超过其额定/可允许的限值。
此外，沿着入口端24的内径的突然变化可导致入口端内的过热以及从中流过的燃烧产物的紊流。通过向每一区段22的入口端24提供基本上恒定的内径Φ1，避免了突然的直径变化，并且在绝缘套管90和颈部78之间的过渡处不会发生压力的增加。
以上已描述了是本发明的各示例。当然，不可能出于描述本发明的目的而描述每一个可构想的组件或方法组合，但是本领域的普通技术人员将认识到，本发明的许多其他组合和置换是有可能的。因此，本发明旨在涵盖落入所附权利要求书的精神和范围内的所有这样的改变、修改和变化。

Claims (24)

1.一种用于具有燃烧器的器具的热交换器，包括：
至少一个管式热交换器区段，所述至少一个管式热交换器区段从与所述燃烧器对准的入口端以及出口端延伸，其中所述入口端包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一内径，并且所述第二部分具有大于所述第一直径的第二内径。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述入口端的所述第二部分被定位在所述第一部分的上游。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，所述第二部分以所述入口端的轴向范围限定开口。
4.根据权利要求1所述的热交换器，进一步包括绝缘套管，所述绝缘套管被定位在所述第二部分内，并具有基本上等于所述入口端的所述第一直径的内径，所述绝缘套管有助于保护所述入口端以免受到热损伤。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述至少一个热交换器区段包括多个热交换器区段，每一热交换器区段包括所述第二部分以及设置在所述第二部分中的绝缘套管。
6.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述绝缘套管是管状的，并包括延伸在第一和第二开口之间的通道，所述通道与所述热交换器区段的所述第一部分对准。
7.根据权利要求2所述的热交换器，其中，所述绝缘套管是陶瓷的。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述入口端具有与所述器具的前挡板的锻压连接。
9.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述入口端和出口端被定位在所述热交换器区段的同一侧上。
10.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述入口端和出口端被定位在所述热交换器区段的相对两侧上。
11.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述入口端接收来自低NOx燃烧器的火焰。
12.一种炉子，包括：
燃烧器，所述燃烧器包括分配器，所述分配器具有至少一个弯曲的第二部分，所述第二部分用于提供火焰；
前挡板，所述前挡板连接到所述燃烧器，并包括在所述燃烧器下游的、与每一第二部分对准的开口；以及
热交换器，所述热交换器包括至少一个管状热交换器区段，所述至少一个管状热交换器区段从与所述燃烧器的每一第二部分对准的入口端以及出口端延伸，其中所述入口端包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一内径，且所述第二部分具有大于所述第一直径的第二内径。
13.根据权利要求12所述的炉子，进一步包括绝缘套管，所述绝缘套管被定位在所述热交换器区段的所述第二部分内，并具有基本上等于所述入口端的所述第一直径的内径，所述绝缘套管有助于保护所述入口端以免受到热损伤。
14.根据权利要求12所述的炉子，其中，所述入口端的所述第二部分被定位在所述第一部分的上游。
15.根据权利要求12所述的炉子，其中，所述第二部分以所述入口端的轴向范围限定开口。
16.根据权利要求12所述的炉子，进一步包括绝缘套管，所述绝缘套管被定位在所述第二部分内，并具有基本上等于所述入口端的所述第一直径的内径，所述绝缘套管有助于保护所述入口端以免受到热损伤。
17.根据权利要求16所述的炉子，其特征在于，所述至少一个热交换器区段包括多个热交换器区段，每一热交换器区段包括所述第二部分以及设置在所述第二部分中的绝缘套管。
18.根据权利要求16所述的炉子，其中，所述绝缘套管是管状的，并包括延伸在第一和第二开口之间的通道，所述通道与所述热交换器区段的所述第一部分对准。
19.根据权利要求16所述的炉子，其中，所述绝缘套管是陶瓷的。
20.根据权利要求16所述的炉子，其中，所述入口端具有与所述前挡板中的每一开口的锻压连接。
21.根据权利要求12所述的炉子，其中，所述入口端和出口端被定位在所述热交换器区段的同一侧上。
22.根据权利要求12所述的炉子，其中，所述入口端和出口端被定位在所述热交换器区段的相对两侧上。
23.根据权利要求12所述的炉子，其中，所述燃烧器是低NOx燃烧器。
24.一种用于具有燃烧器的器具的热交换器，包括：
多个热交换器区段，每一热交换器区段从与所述燃烧器对准的入口端以及出口端延伸，所述入口端和出口端被定位在所述热交换器区段的同一侧上，其中每一入口端包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有第一内径，并且所述第二部分具有大于所述第一直径的第二内径；以及
陶瓷绝缘套管，所述陶瓷绝缘套管被定位在每一热交换器区段的所述第二部分内，并具有基本上等于所述入口端的所述第一直径的内径，所述绝缘套管有助于保护所述入口端以免受到热损伤。
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