專利名稱：向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種向上燃燒型冷凝鍋爐(upward combustion typecondensing boiler)的熱交換器，更具體地講，涉及這樣一種向上燃燒型冷凝鍋爐，其中，顯熱交換器和 潛熱交換器順序設(shè)置在向上燃燒型燃燒器上方。
背景技術(shù)：
當前制造的鍋爐是包括熱交換器以增加熱效率的鍋爐。這樣的熱交換器由顯熱 交換單元和潛熱交換單元組成。顯熱交換單元吸收從燃燒室產(chǎn)生的排氣(exhaust gas) 的顯熱，潛熱交換單元從已經(jīng)在顯熱交換單元中進行過熱交換的排氣吸收潛熱和剩余的熱 (residual heat)。這樣類型的鍋爐被稱為冷凝鍋爐。已經(jīng)將這樣的冷凝鍋爐作為使用油燃料的燃油鍋爐和使用諸如LNG或LPG的氣 體燃料的燃氣鍋爐投放到實際的應(yīng)用中，從而對鍋爐效率的增加和燃料成本的減少做出貢 獻。圖1是傳統(tǒng)的向下燃燒型冷凝鍋爐的示意圖。參照圖1，當通過顯熱交換器13時，從向下燃燒型燃燒器12產(chǎn)生的排氣被冷卻到 200°C。然后，當通過潛熱交換單元14時，所述排氣進一步被冷卻到約40-70°C。在經(jīng)過熱交換單元13和14時加熱的熱水通過供應(yīng)管15被傳送到房間內(nèi)部，以傳 遞熱能，熱水然后變涼，以返回到回收管16。返回到回收管16的熱水必須被引入到潛熱交 換器14，從而潛熱交換器14可有效地吸收潛熱。這是因為當經(jīng)過顯熱交換器13的排氣被 設(shè)置成等于或小于露點溫度時，包含在排氣中的蒸汽(H2O)可被冷凝，以將潛熱傳遞給熱循 環(huán)水。在向下燃燒型冷凝鍋爐中，冷凝水由于重力而墜落的方向(即，向下的方向)自然 地與經(jīng)過顯熱交換單元和潛熱交換單元的排氣的流動方向一致。這是增加冷凝鍋爐效率的 非常重要的因素。S卩，當排氣經(jīng)過潛熱交換單元時，排氣中的水蒸氣被冷凝，以將潛熱傳遞給熱循環(huán) 水，排氣明顯冷卻。因此，由于冷凝水托盤17的內(nèi)部溫度明顯降低，所以可以最小化液化成 冷凝水的水蒸氣的再蒸發(fā)導(dǎo)致的熱量損失。向下燃燒型冷凝鍋爐被認為是具有可以最大化地回收潛熱的最佳冷凝鍋爐結(jié)構(gòu)。 然而，向下燃燒型冷凝鍋爐必須裝配有向下燃燒型燃燒器。通常，可將應(yīng)用到鍋爐的燃燒器分成本生燃燒器(Bimsen burner)和預(yù)混燃燒器。 在本生燃燒器中，用于噴射氣體的噴嘴單元供應(yīng)燃燒需要的最少的一次空氣，并將額外的 二次空氣供應(yīng)到火焰形成的部分，從而執(zhí)行理想的燃燒。本生燃燒器燃燒穩(wěn)定性高。然而， 由于火焰由二次空氣形成，所以火焰變長，不能向下燃燒。即，由于與二次空氣起反應(yīng)的火 焰(外焰)的長度大且火焰密度低，所以火焰往往是面向上。因此，本生燃燒器僅僅可應(yīng)用 到向上燃燒型冷凝鍋爐。預(yù)混燃燒器燃燒通過在混合室中預(yù)混燃氣和空氣而獲得的預(yù)混的氣體。在預(yù)混燃燒器中，火焰形成的部分不存在剩余的空氣。此外，火焰的長度很小，且火焰的密度高。因 此，可以安裝這種燃燒器而不管燃燒的方向如何(向上、向下和側(cè)向)。然而，由于應(yīng)該預(yù) 混燃燒所需的預(yù)定量的空氣，所以燃燒控制非常復(fù)雜。此外，由于預(yù)混燃燒器容易被干擾影 響，所以它的燃燒穩(wěn)定性低。如上所描述的，為了最大化冷凝鍋爐的效率，使冷凝水的墜落方向和排氣的流動 方向與重力方向一致是重要的。因此，通常使用可以執(zhí)行向下燃燒的預(yù)混燃燒器。然而，預(yù)混燃燒器的燃燒穩(wěn)定性低，并且應(yīng)該使用昂貴的控制系統(tǒng)以執(zhí)行復(fù)雜的 燃燒控制。為了解決這樣的問題，已經(jīng)提出了利用向上燃燒型本生燃燒器來構(gòu)造冷凝鍋爐的 熱交換器的多種方法。在圖2中示出了一個這樣的熱交換器的例子。圖2是傳統(tǒng)的向上燃燒型冷凝鍋爐的示意圖。參照圖2，潛熱交換單元24傾斜地布置在顯熱交換單元23上，經(jīng)過顯熱交換器23 的排氣經(jīng)由冷凝水托盤27的側(cè)部通過顯熱交換器24。針對潛熱交換器24，已經(jīng)提出了鋁 軋管(aluminum rolled pipe)或不銹柔性管。在圖2中，由于潛熱交換單元24布置在顯熱交換單元23上，所以可以相對容易地 構(gòu)造冷凝鍋爐且可減小尺寸。然而，與傳統(tǒng)的向下燃燒型冷凝鍋爐相比，向上燃燒型冷凝鍋爐的冷凝效率減小 了差不多3-5%。由于下面兩個原因，冷凝效率發(fā)生減小。(1)由于冷凝水托盤27恰好位于顯熱交換單元23上，所以冷凝水托盤27被加熱 到高溫。因此，雖然在排氣經(jīng)過潛熱交換單元24時產(chǎn)生的冷凝水落到冷凝水托盤27，但是 通過被加熱的冷凝水托盤27會蒸發(fā)相當大的量的冷凝水。因此，由于通過冷凝回收的潛熱 以蒸發(fā)熱的形式放出，所以不能獲得最大的蒸發(fā)效率。為了解決這樣的問題，絕熱板25可 用在冷凝水托盤27中。然而，這僅僅具有有限的效果。(2)冷凝效率減小的最基本原因是經(jīng)過顯熱交換單元23的高溫濕排氣(排氣包括 水蒸氣)接觸冷凝水。這不可避免地發(fā)生，因為冷凝水的墜落方向被設(shè)置成垂直于排氣的 流動方向。因此，冷凝幾乎不發(fā)生在與高溫濕排氣接觸的部分。結(jié)果，潛熱交換單元24的 很大一部分不可靠地執(zhí)行它的冷凝回收的基本功能。因此，當潛熱交換單元24的尺寸與顯 熱交換單元23相比顯著地增加時，冷凝鍋爐的經(jīng)濟效率降低。圖3是普通的翅片管式熱交換器的示意圖。將通常用作顯熱交換單元的翅片管式熱交換器(參照圖3)應(yīng)用到傳統(tǒng)的向上燃 燒型冷凝鍋爐存在困難。翅片管式熱交換器由換熱管31和傳熱翅片32組成。翅片管式熱交換器通常由銅 (Cu)或不銹鋼形成并通過銅焊來結(jié)合。由于翅片管式熱交換器具有小尺寸且可確保大的傳 熱區(qū)域，所以翅片管式熱交換器廣泛地用作鍋爐的熱交換器。當使用翅片管式熱交換器時， 將排氣的流動方向設(shè)置成垂直于圖3的紙表面是自然而然的。然而，當將翅片管式熱交換器應(yīng)用到傳統(tǒng)的向上燃燒型冷凝鍋爐的潛熱交換單元 時，排氣的流動方向被設(shè)置成排氣順序地流入多個管的豎直方向(圖3的方向B)或水平方 向(圖3的方向A)。然后，由于排氣的壓力損失過多地增加，所以不能在實踐中進行所述應(yīng) 用。因此，由于具有與顯熱交換單元中使用的熱交換器不同的結(jié)構(gòu)的熱交換器應(yīng)該被獨立地制造，所以冷凝鍋爐的經(jīng)濟效率減少。冷凝鍋爐的冷凝水通過冷凝水排放口 28和連接到冷凝水排放口 28的獨立軟管排 放到外部。然而，當冷凝水排放軟管彎曲或例如在冬天被凍結(jié)時，冷凝水不能順暢地排放。在這種情況下，如圖2中所示，冷凝水充滿到超過與冷凝水托盤27的上端27a對 應(yīng)的冷凝水的表面A的高度，從而從冷凝水托盤27溢出。從冷凝水托盤27溢出的冷凝水 通過顯熱交換單元23墜落到燃燒器22的燃燒單元。由于顯熱交換單元23通常由對冷凝 水不具有抗蝕性的材料形成，所以顯熱交換單元23會被腐蝕，從而其壽命減少。在典型的鍋爐中，安裝了諸如風(fēng)壓開關(guān)或傳感器的安全裝置，用于檢測排氣煙道 29是否關(guān)閉然后給出停止鍋爐的指令。然而，如圖2中所示，由于冷凝水托盤27的上端27a 位于比排氣煙道29的入口部分29a低的位置，所以與排氣煙道29相通的路徑?jīng)]有關(guān)閉，甚 至當冷凝水填充到表面A時。因此，風(fēng)壓開關(guān)或傳感器不產(chǎn)生指示排氣煙道29關(guān)閉的信號。為了解決這樣的問題，傳統(tǒng)的向上燃燒型冷凝鍋爐應(yīng)該包括檢測冷凝水排放部分 是否關(guān)閉的獨立的安全裝置，例如，水平面?zhèn)鞲衅?，在冷凝水的水平面超過預(yù)定值時檢測停 留在冷凝水托盤的上部中的冷凝水的水平面并停止鍋爐的操作。因此，冷凝鍋爐的結(jié)構(gòu)變 得復(fù)雜，而且制造成本增加。標號11和21表示鍋爐，標號18表示冷凝水排放口，標號19表示排放煙道，標號 22表示燃燒器。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器，通過使排氣在潛熱交換單元中的流 動方向與冷凝水的流動方向一致，所述熱交換器可最大化潛熱回收效率。本發(fā)明還針對向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器，其中，相同的翅片管式熱交換器 應(yīng)用到顯熱交換單元和潛熱交換單元，從而不需要單獨地制造顯熱交換單元。本發(fā)明還針對向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器，所述熱交換器在沒有獨立的裝置 的情況下可安全地停止操作，甚至當鍋爐被冷凝水阻塞時。技術(shù)方案根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器包括顯熱交換單 元，吸收從向上燃燒型燃燒器產(chǎn)生的顯熱；潛熱交換單元，吸收已經(jīng)在顯熱交換單元中進行 過熱交換的排氣中含有的水蒸氣的潛熱；冷凝水托盤，排放從潛熱交換單元產(chǎn)生的冷凝水。 經(jīng)過顯熱交換單元的排氣的向上流動被轉(zhuǎn)變成向下的流動，以經(jīng)過潛熱交換單元，潛熱交 換單元以這樣的方式安裝經(jīng)過潛熱交換單元的排氣的流動方向與從潛熱交換單元產(chǎn)生的 冷凝水的墜落方向豎直地一致。潛熱交換單元可包括盒形主體，所述盒形主體的頂表面和底表面是敞開的且側(cè)表 面是封閉的；多個換熱管，安裝在主體內(nèi)部以在水平方向上彼此隔開預(yù)定的距離。顯熱交換單元和潛熱交換單元分別具有安裝在它們內(nèi)部的翅片管式換熱管，所述 翅片管式換熱管結(jié)合到傳熱翅片上。冷凝水托盤的上端部的高度被設(shè)置成等于或高于排出煙道入口部分的高度，排氣 通過所述排出煙道入口部分排出。
有益效果根據(jù)本發(fā)明，由于使排氣在潛熱交換單元中的流動方向與冷凝水的墜落方向一 致，所以可最大化潛熱回收效率。進一步，由于相同的翅片管式熱交換器應(yīng)用到顯熱交換單 元和潛熱交換單元，所以顯熱交換單元不需要被單獨地制造。進一步，由于可以減小潛熱交 換單元的尺寸，所以可以減小整個鍋爐的尺寸。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顯熱交換單元上，這使得可以在沒有單獨的裝置的情況下安全地停 止操作。


圖1是傳統(tǒng)的向下燃燒型冷凝鍋爐的示意圖。圖2是傳統(tǒng)的向上燃燒型冷凝鍋爐的示意圖。圖3是普通的翅片管式熱交換器的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的向上燃燒型冷凝鍋爐的示意圖。
具體實施例方式以下，將參照附圖詳細描述本發(fā)明的示例實施例。圖4是根據(jù)本發(fā)明的示例實施例的向上燃燒型冷凝鍋爐的示意圖。根據(jù)本發(fā)明的冷凝鍋爐包括向上燃燒型燃燒器120，安裝在鼓風(fēng)機110正上方以 形成向上的火焰；顯熱交換單元130，吸收從燃燒器120產(chǎn)生的顯熱；潛熱交換單元150，吸 收已經(jīng)在顯熱交換單元130中進行過熱交換的排氣中含有的水蒸氣的潛熱。對于燃燒器120，可以使用本生燃燒器和預(yù)混燃燒器中的任一種。本生燃燒器將燃 燒需要的最少量的一級空氣供應(yīng)到管嘴單元，并將二級空氣供應(yīng)到火焰形成的部分。預(yù)混 燃燒器預(yù)混燃氣和空氣然后燃燒燃氣和空氣。安裝在燃燒器120正上方的顯熱交換單元130具有多個換熱管131，所述換熱管 131平行布置并在水平方向彼此隔開預(yù)定的距離。圖4示出了換熱管131安裝為一行的狀 態(tài)。然而，換熱管131可被安裝為兩行或更多行。顯熱交換單元130是這樣的翅片管式熱 交換器，其中，如圖3中所示的傳熱翅片被結(jié)合到換熱管131的外圓周表面。經(jīng)過顯熱交換單元130的排氣通過寬度狹窄的氣流通道單元140被引入到潛熱交 換單元150中。形成氣體流動通道單元140的殼體141以下側(cè)寬和寬度向著上側(cè)變窄的形狀形 成。因此，排氣的氣流朝向殼體141的右側(cè)傾斜。沿著殼體141的內(nèi)側(cè)向上流動的排氣的流動方向在殼體141的上端部分轉(zhuǎn)變成向 左的方向，然后轉(zhuǎn)變成豎直方向，從而排氣被引入到潛熱交換單元150中。潛熱交換單元150包括盒形主體152，其頂部表面和底部表面敞開；多個換熱管 151，所述多個換熱管151安裝在主體152內(nèi)部，并在水平方向上彼此隔開預(yù)定的距離。換 熱管151可安裝為一行或多行。潛熱交換單元150是如圖3中所示的傳熱翅片結(jié)合到換熱管151的外圓周表面的 翅片管式熱交換器?？梢詰?yīng)用所述翅片管式熱交換器，因為如圖3中所示，換熱管151被安 裝為在水平方向上彼此隔開預(yù)定距離后，在潛熱交換單元150中流動的排氣的流動不受傳熱翅片的影響。從而，由于顯熱交換單元140的換熱管141以及潛熱交換單元150的換熱管151 被構(gòu)造成翅片管型，所以潛熱交換單元150不需要單獨地被制造，這使得可以減少不便。進 一步，由于可以減少潛熱交換單元150的尺寸，所以可減小產(chǎn)品的總尺寸。主體152的頂表面和底表面是敞開的，但是主體152的側(cè)表面是封閉的。因此，排 氣的流動在右方向和左方向沒有傾斜，而是被引導(dǎo)為沿豎直方向?qū)?。因此，從換熱管151產(chǎn)生以在豎直方向落下的冷凝水的流動與排氣的流動一致。為了在潛熱交換單元150中獲得最大的冷凝效率，需要使冷凝水接觸濕排氣的可 能性最小化，而且僅僅低溫干排氣可接觸冷凝水。即，當排氣與從換熱管151的表面產(chǎn)生的 冷凝水接觸的次數(shù)增加時，在排氣和換熱管151之間的熱傳遞的量減小，而且由于高溫排 氣和冷凝水之間的熱交換引起的冷凝水的再蒸發(fā)。因此，冷凝不可靠地發(fā)生。因此，當使排氣的流動方向與冷凝水的墜落方向一致以減小排氣與冷凝水接觸的 可能性時，可靠地發(fā)生冷凝，可以最大化潛熱回收效率。從潛熱交換單元150的上側(cè)到下側(cè)經(jīng)過潛熱交換單元150的排氣被充分地冷卻， 排氣中含有的水蒸氣在潛熱交換單元150的換熱管151中被冷凝，以將潛熱傳遞到熱循環(huán) 水。從潛熱交換單元150產(chǎn)生的冷凝水墜落，以被傾斜的冷凝水托盤160收集，然后被 排放到外部。經(jīng)過潛熱交換單元150的排氣的流動方向轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏系姆较颍瑥亩艢馔ㄟ^排出 煙道170排放到外部。為了最大化冷凝潛熱的回收，形成潛熱交換單元150和顯熱交換單元130之間的 邊界的冷凝水托盤160可由內(nèi)側(cè)裝有隔熱體180不銹鋼形成。因此，即使邊界表面被經(jīng)過 顯熱交換單元130的高溫余熱加熱，也可以防止落在冷凝水托盤160上的一部分冷凝水再蒸發(fā)。同時，冷凝水托盤160的上端部160a的高度被設(shè)置成等于或大于排出煙道入口部 分171的高度，排氣通過所述排出煙道入口部分171排出。因此，即使當排放冷凝水的軟管關(guān)閉使得冷凝水填充到排出煙道入口部分171的 高度時，也能防止冷凝水落到顯熱交換單元130上，這使得可以防止顯熱交換單元130的耐 久性劣化。進一步，當冷凝水填充到排出煙道入口部分171的高度時，具有與在排放煙道170 關(guān)閉時相同的效果。在這種情況下，可以使用諸如風(fēng)壓開關(guān)或傳感器的典型排放安全裝置 來檢測冷凝水排放部分是否關(guān)閉。因此，不需要使用諸如水平面?zhèn)鞲衅鞯莫毩⒌陌踩b置。在這種情況下，如圖4中所示，潛熱交換單元150的主體152可被固定并結(jié)合到排 放煙道入口部分171以及冷凝水托盤160的上端部160a。產(chǎn)業(yè)上的可利用性根據(jù)本發(fā)明的向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器可通過使?jié)摕峤粨Q單元中冷凝水 墜落的方向與排氣的流動方向一致來最大化潛熱回收效率，因而具有產(chǎn)業(yè)上的可利用性。
權(quán)利要求
一種向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器，包括顯熱交換單元，吸收從向上燃燒型燃燒器產(chǎn)生的顯熱；潛熱交換單元，吸收已經(jīng)在顯熱交換單元中進行過熱交換的排氣中含有的水蒸氣的潛熱；冷凝水托盤，排放從潛熱交換單元產(chǎn)生的冷凝水，其中，經(jīng)過顯熱交換單元的排氣的向上流動被轉(zhuǎn)變成向下的流動，以經(jīng)過潛熱交換單元，將潛熱交換單元安裝為使得經(jīng)過潛熱交換單元的排氣的流動方向與從潛熱交換單元產(chǎn)生的冷凝水的墜落方向豎直地一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，所述潛熱交換單元包括盒形主體，所述盒形主體的頂表面和底表面是敞開的且側(cè)表面是封閉的； 多個換熱管，安裝在主體內(nèi)部并在水平方向上彼此隔開預(yù)定的距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器，其中，顯熱交換單元和潛熱交換單元分別具有安 裝在它們內(nèi)部的翅片管式換熱管，所述翅片管式換熱管結(jié)合到傳熱翅片。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的熱交換器，其中，冷凝水托盤的上端部的高度被設(shè)置成等 于或高于排出煙道入口部分的高度，排氣通過所述排出煙道入口部分排出。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種向上燃燒型冷凝鍋爐的熱交換器，所述熱交換器通過使?jié)摕峤粨Q單元中排氣的流動方向與冷凝水墜落的方向一致來最大化潛熱回收效率。熱交換器包括顯熱交換單元，吸收從向上燃燒型燃燒器產(chǎn)生的顯熱；潛熱交換單元，吸收已經(jīng)在顯熱交換單元中進行過熱交換的排氣中含有的水蒸氣的潛熱；冷凝水托盤，排放從潛熱交換單元產(chǎn)生的冷凝水。經(jīng)過顯熱交換單元的排氣的向上流動被轉(zhuǎn)變成向下的流動，以通過潛熱交換單元，潛熱交換單元以這樣的方式安裝經(jīng)過潛熱交換單元的排氣的流動方向與從潛熱交換單元產(chǎn)生的冷凝水的墜落方向豎直地一致。
文檔編號F24H1/40GK101903711SQ200880121895
公開日2010年12月1日 申請日期2008年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月21日
發(fā)明者金容范, 閔明基 申請人:慶東納碧安株式會社