專利名稱：一種浸沒(méi)式冷凝換熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種冷凝換熱器，更詳細(xì)地說(shuō)，涉及一種浸沒(méi)式高效冷凝換熱器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)鍋爐和熱水器為了避免低溫?zé)煔鈱?duì)煙道及附屬設(shè)備的酸性腐蝕，排煙溫度一 般都在15(TC以上，有時(shí)甚至高達(dá)20(TC，以保證煙氣中水蒸氣不冷凝，這樣水蒸氣帶走的
潛熱造成近11%的熱損失。 20世紀(jì)70年代以來(lái)，西歐和美國(guó)等相繼研制了冷凝式鍋爐，將排煙溫度降到 4(TC 5(TC，使煙氣中的水蒸氣冷凝下來(lái)并釋放潛熱，可以使熱效率提高到100%以上(以 低位發(fā)熱量計(jì)算)。家用冷凝式熱水器比傳統(tǒng)的熱水器可節(jié)能15%左右。天然氣具有較低 的C/H比，燃燒后煙氣中水蒸氣的體積含量一般在15%到20%之間，且其中幾乎不存在硫 分，因此低溫腐蝕問(wèn)題較輕。同時(shí)，在煙氣冷凝時(shí)，煙氣中的SOx、NOx、C02、CO以及飛灰和煙 塵能部分或者全部溶解于水中，使排入大氣中的有害物質(zhì)大大減少。因此，采用冷凝式燃?xì)?鍋爐/熱水器對(duì)節(jié)能和環(huán)保都具有非常重要的意義。 冷凝式燃?xì)忮仩t或熱水器中的換熱面一般分為顯熱換熱面和冷凝換熱面兩段。顯 熱換熱面與常規(guī)熱水器中的換熱面類似。呈過(guò)熱狀態(tài)的高溫?zé)煔馐紫韧ㄟ^(guò)顯熱換熱面得到 冷卻，然后進(jìn)入冷凝換熱段，當(dāng)換熱器的表面溫度持續(xù)降低至水蒸汽飽和分壓力對(duì)應(yīng)的飽 和溫度時(shí)，水蒸氣凝結(jié)釋放出潛熱，而其余氣體則繼續(xù)冷卻并釋放出顯熱。 由傳熱學(xué)知識(shí)可知，由于密度、粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等物理性質(zhì)的巨大差異，不凝 性氣體的傳熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液體(尤其是水)的傳熱性能。冷凝式鍋爐或熱水器的冷凝 式換熱器中的傳熱屬于不凝性氣體占多數(shù)的水蒸氣冷凝傳熱，其中水蒸氣的體積含量大約 為15 20%，而不凝性氣體的體積含量可高達(dá)80% 85%。它既不同于純蒸氣的冷凝 傳熱，也不同于含有少量不凝性氣體的蒸氣冷凝傳熱，也不同于空冷器中的凝露。隨著煙 氣中水蒸汽的凝結(jié)，在換熱面上形成液膜，周圍的不凝結(jié)氣體濃度增加，形成氣體邊界層。 煙氣中的水蒸汽通過(guò)氣體邊界層擴(kuò)散到管壁面上凝結(jié)，煙氣中的顯熱和潛熱只有通過(guò)氣體 邊界層和凝結(jié)液層才能傳給管壁，導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)減小，換熱效率下降。研究表明，當(dāng)不凝 性氣體占多數(shù)時(shí)，液膜外的氣膜成為凝結(jié)換熱的主要熱阻[Webb， R丄.et al..The Effect ofNon—condensible Gases in Water Chi ller Condensers—Theoretical Analysis. ASHRAE Transactions, 1980,86， Part 1:142-159]。當(dāng)煙氣中水蒸氣含量不足20%時(shí)，伴 隨凝結(jié)的對(duì)流換熱系數(shù)比純蒸汽凝結(jié)換熱系數(shù)低數(shù)十倍，而與無(wú)凝結(jié)時(shí)氣體對(duì)流換熱系數(shù) 處于同一數(shù)量級(jí)[曹彥斌等.伴隨有水蒸氣凝結(jié)的煙氣對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)研究.工程熱物理 學(xué)報(bào)，2000， 21 (6) :729-733]。在實(shí)際熱水器中大約僅為大約150W/(m2 K)。可見(jiàn)，對(duì)于這 種不凝性氣體占多數(shù)的情況，主要熱阻集中在煙氣側(cè)的對(duì)流換熱熱阻，從而需要很大的冷 凝換熱面才能完成對(duì)流冷凝換熱任務(wù)。與無(wú)冷凝的燃?xì)忮仩t或熱水器相比，增設(shè)的冷凝換 熱器成為冷凝式鍋爐或熱水器成本顯著增加的主要原因之一，限制了其推廣應(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種浸沒(méi)式高效冷凝換熱器，以克服公知冷凝式換熱器 的缺點(diǎn)，強(qiáng)化煙氣側(cè)冷凝換熱，減少冷凝換熱面，降低冷凝換熱器以至整個(gè)冷凝式鍋爐/熱 水器的成本。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供的浸沒(méi)式冷凝換熱器主要包括 —液池，內(nèi)盛有傳熱介質(zhì)； —煙氣鼓入裝置，其出口一端插入傳熱介質(zhì)中，另一端置于能產(chǎn)生濕熱煙氣的裝 置下方； —流體通道，置于傳熱介質(zhì)中； 該流體通道的一端為進(jìn)水口，另一端為出水口 ； 濕熱煙氣由煙氣鼓入裝置的出口通入液池的傳熱介質(zhì)中，在濕熱煙氣上浮過(guò)程 中，產(chǎn)生的氣泡與液池中的傳熱介質(zhì)直接接觸換熱，將濕熱煙氣的潛熱和顯熱同時(shí)釋放到 傳熱介質(zhì)中，濕熱煙氣中的水蒸汽凝結(jié)成液態(tài)水，并與傳熱介質(zhì)中的液體混合；放熱和去濕 后的煙氣排入大氣；流體通道中的流體從傳熱介質(zhì)中吸收熱量而升溫。 本實(shí)用新型液池中的液體為任意有利于煙氣中水蒸汽冷凝的液體介質(zhì)或填充有 液體的多孔介質(zhì)(如水)。 本實(shí)用新型的吸熱流體通道為具有任意表面形態(tài)的管道型式，其表面上涂敷或電 鍍有抗腐蝕膜層；同時(shí)在液池的壁面上也涂敷或電鍍有抗腐蝕膜層。 本實(shí)用新型的液池中設(shè)置有絲網(wǎng)，利用表面張力促進(jìn)氣泡破裂并分散成大量微小 氣泡，增大氣_液接觸面積，以利于水蒸汽凝結(jié)和熱量傳遞。 本實(shí)用新型的液池壁且傳熱介質(zhì)液面上方的設(shè)置有溢流裝置和冷凝液處理裝置。 本實(shí)用新型的液池外壁之外包裹有隔音絕熱材料。 本實(shí)用新型的煙氣鼓入裝置處的入口煙溫范圍為80°C 400°C。 本實(shí)用新型的浸沒(méi)式冷凝換熱器可應(yīng)用于各種熱水器和鍋爐，可與各種換熱面布
局、各種煙氣流程布置方式、各種燃燒器類型以及各種燃燒器布置方式組合使用。 本實(shí)用新型用于回收不凝性氣體與水蒸汽混合物中的顯然和潛熱，特別地適用于
冷凝式燃?xì)鉄崴骱屠淠饺細(xì)忮仩t。濕熱煙氣與液池中的液體直接接觸換熱，另一流體
借助于吸熱流體通道與液池中的液體隔離并從液池中吸收熱量而升溫。與傳統(tǒng)的煙氣-金
屬壁面對(duì)流冷凝式換熱器相比，傳熱得到大幅度強(qiáng)化，換熱面積、裝置體積和制造成本均得
以大幅度削減。
圖1示出了一個(gè)示例性的冷凝式熱水器整體的剖面示意圖，其中包括了本實(shí)用新 型的浸沒(méi)式冷凝換熱器。
具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖來(lái)詳細(xì)描述本實(shí)用新型的具體實(shí)施例。 本實(shí)用新型的浸沒(méi)式冷凝換熱器，包括液池、煙氣鼓入和排出裝置以及浸沒(méi)在液 池中的吸熱流體通道。離開(kāi)高溫顯熱換熱器的濕熱煙氣直接通入液池下部，在煙氣上浮過(guò)程中，大量的微小氣泡與液池中溫度較低的液體直接接觸換熱，將煙氣的潛熱和顯熱同時(shí) 釋放到液池中。煙氣中的水蒸汽凝結(jié)成液態(tài)水，并與液池中的液體混合。煙氣中的S0x、N0x、 C02、C0以及飛灰和煙塵部分或者全部溶于水中。放熱和去濕后的煙氣排入大氣。另一流體 借助于吸熱流體通道與液池中的液體隔離并從液池中吸收熱量而升溫。與常規(guī)冷凝式換熱 器相比，相當(dāng)于以液體(尤其是水)代替不凝性氣體作為從煙氣到金屬壁面的傳熱介質(zhì)，顯 著削弱了氣體邊界層的阻隔作用，能夠大幅度強(qiáng)化煙氣側(cè)的傳熱，從而達(dá)到縮減換熱面和 降低成本的目的。 上述液池中的液體可為水，也可為其它液體介質(zhì)或填充有液體的多孔介質(zhì)。 上述吸熱流體通道可為任意已知的型式，比如為外側(cè)有翅片等擴(kuò)展表面的金屬管 道。 冷凝段煙氣入口的溫度范圍優(yōu)選為80°C 400°C。換言之，本實(shí)用新型的浸沒(méi)式 冷凝換熱器可直接取代原有各種冷凝式鍋爐或熱水器中的冷凝式換熱器，也可重新分配原 有顯熱換熱面與潛熱換熱面的比例，減少原有的高溫顯熱換熱面，以充分發(fā)揮本實(shí)用新型 浸沒(méi)式換熱器換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步降低成本。 本實(shí)用新型的浸沒(méi)式冷凝換熱器可與各種換熱面布局、煙氣流程布置方式、各種 燃燒器類型以及各種燃燒器布置方式組合使用。 如圖1中所示，本實(shí)用新型的浸沒(méi)式冷凝換熱器包括液池4、煙氣鼓入裝置5、煙氣 排出裝置6以及浸沒(méi)在液池4中的吸熱流體通道3。 冷凝式熱水器1中布置有燃燒室12，燃燒室12內(nèi)布置有燃燒器11以及位于燃燒 室下部的高溫顯熱換熱器6。來(lái)自燃?xì)馊肟?IO的燃?xì)夂蛠?lái)自空氣入口 15的空氣在燃燒器 11中燃燒，產(chǎn)生溫度大約為1000°C 120(TC、水蒸汽體積分?jǐn)?shù)大約15% 20%的高溫含濕 煙氣。煙氣首先沖刷高溫顯熱換熱器6，釋放出顯熱，然后經(jīng)由煙氣鼓入裝置5鼓入到液池4 中，產(chǎn)生大量微小氣泡。液池中的水溫低于煙氣中水蒸汽分壓力相對(duì)應(yīng)的飽和溫度，氣泡在 上升過(guò)程中與液池中的水直接接觸換熱，煙氣中的水蒸汽凝結(jié)并混入到水中，放出潛熱，其 余氣體也釋放出顯熱。放熱去濕后的煙氣成為大約30°C 6(TC的低溫不凝性氣體，繼續(xù)上 浮并離開(kāi)液面13，排入大氣。由于水的密度大、粘度低、導(dǎo)熱系數(shù)高、比熱大，因而具有遠(yuǎn)遠(yuǎn) 優(yōu)于煙氣中不凝性氣體的傳熱性能，而在燃?xì)鉄崴鞯娜紵a(chǎn)物中不凝性氣體占多數(shù)(大 約80% 85% )，因此以"直接接觸混合+水冷"的換熱方式來(lái)取代傳統(tǒng)的氣冷換熱方式， 顯著削弱了不凝性氣體邊界層的阻隔作用，并且大量微小氣泡在上浮過(guò)程中會(huì)對(duì)液池中的 水產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)作用，這也會(huì)顯著促進(jìn)熱量從煙氣到池水再到吸熱流體管道金屬壁面的熱 傳遞，從而能夠大幅度提高煙氣側(cè)換熱系數(shù)和換熱效率，顯著節(jié)約換熱面，進(jìn)而降低熱水器 整體的生產(chǎn)成本。同時(shí)，待加熱的冷卻水從冷水入口 2進(jìn)入本實(shí)用新型的浸沒(méi)式冷凝換熱 器吸熱流體通道3，從液池中回收煙氣所釋放的潛熱和顯熱。由于被加熱的冷卻水是通過(guò)吸 熱流體通道3與液池中用作傳熱介質(zhì)的水相隔離的，因而不存在冷卻水被污染的問(wèn)題。通 過(guò)浸沒(méi)式冷凝換熱器預(yù)熱后的冷卻水經(jīng)由連接管道7進(jìn)入高溫顯然換熱器6的水流管道 中，被進(jìn)一步加熱到預(yù)定的熱水器出水溫度，并從熱水出口 9排出系統(tǒng)。 為了充分利用本實(shí)用新型的浸沒(méi)式冷凝換熱器換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，可重新設(shè)計(jì)顯 熱換熱面與潛熱換熱面的比例。在高溫顯熱換熱面的后段，當(dāng)煙氣與冷卻水之間大傳熱溫 差的優(yōu)勢(shì)已不明顯時(shí)，用一部分本實(shí)用新型的浸沒(méi)式冷凝換熱面來(lái)取代一部分原有的高溫顯熱換熱面，從而進(jìn)一步節(jié)約熱水器整體成本。 優(yōu)選地在液池中布置有絲網(wǎng)14，利用表面張力促進(jìn)氣泡的完全破裂和水蒸汽的完
全凝結(jié)。 優(yōu)選地在液面上方的液池壁上布置有溢流和冷凝液處理裝置8。 優(yōu)選地，吸熱流體通道3和液池4的壁面上涂敷/電鍍有本領(lǐng)域中已知的抗腐蝕膜層。 優(yōu)選地在液池外壁上包裹有隔音絕熱材料。 液池中的液體優(yōu)選為水，也可為其它有利于煙氣中水蒸汽冷凝的液體介質(zhì)或填充 有液體的多孔介質(zhì)。 上述吸熱流體通道可為任意已知的型式，包括管壁外側(cè)布置有翅片等各種增強(qiáng)擾 動(dòng)、擴(kuò)展換熱表面的金屬管道。 雖然在附圖和以上相關(guān)描述中，僅示出了一種熱水器形式，但本實(shí)用新型的浸沒(méi) 式冷凝換熱器并不局限于該熱水器形式，而事實(shí)上可與各種換熱面布局、煙氣流程布置方 式、各種燃燒器類型以及各種燃燒器布置方式組合使用，而并不脫離本實(shí)用新型的范圍。
權(quán)利要求一種浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，主要包括一液池，內(nèi)盛有傳熱介質(zhì)；一煙氣鼓入裝置，其出口一端插入傳熱介質(zhì)中，另一端置于能產(chǎn)生濕熱煙氣的裝置下方；一流體通道，置于傳熱介質(zhì)中；該流體通道的一端為進(jìn)水口，另一端為出水口。
2. 如權(quán)利要求l中所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述液池中的傳熱介質(zhì)為 任意有利于煙氣中水蒸汽冷凝的液體介質(zhì)或填充有液體的多孔介質(zhì)。
3. 如權(quán)利要求1所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述吸熱流體通道為具有任 意表面形態(tài)的管道型式。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述吸熱流體通道表面上 涂敷或電鍍有抗腐蝕膜層。
5. 如權(quán)利要求1所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述液池的壁面上涂敷或電 鍍有抗腐蝕膜層。
6. 如權(quán)利要求1或5所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述液池中設(shè)置有絲網(wǎng)。
7. 如權(quán)利要求1或5所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述傳熱介質(zhì)液面上方的 液池壁上設(shè)置有溢流裝置和冷凝液處理裝置。
8. 如權(quán)利要求1或5所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述液池外壁之外包裹有 隔音絕熱材料。
9. 如權(quán)利要求1所述的浸沒(méi)式冷凝換熱器，其特征在于，所述煙氣鼓入裝置處的入口 煙溫范圍為8(TC 40(rC。
專利摘要一種浸沒(méi)式冷凝換熱器，包括浸沒(méi)式冷凝換熱器內(nèi)部自上至下依序設(shè)有空氣進(jìn)口、燃燒器、顯熱換熱器和液池；燃燒器連接一燃?xì)膺M(jìn)口；顯熱換熱器位于燃燒器的下方及液池上方；液池中設(shè)有傳熱介質(zhì)。水蒸氣含量較高的濕熱煙氣直接通入液池下部，在煙氣上浮過(guò)程中，煙氣中的水蒸汽凝結(jié)成液態(tài)水，并將煙氣的潛熱和顯熱同時(shí)釋放到液池中。放熱和去濕后的煙氣排入大氣。另一流體借助于吸熱流體通道與液池中的液體隔離并從液池中吸收熱量而升溫。
文檔編號(hào)F24H8/00GK201488286SQ20092022281
公開(kāi)日2010年5月26日 申請(qǐng)日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者曹宏章, 李志剛, 梁世強(qiáng), 袁達(dá)忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所