一种三盘管燃气烟气紊流换热装置的制作方法

本实用新型涉及强化传热高效节能技术领域，具体为一种三盘管燃气烟气紊流换热装置。

背景技术：

天然气作为一种洁净环保的优质能源正在被广泛应用，燃气盘管锅炉作为节能环保产品也是未来发展趋势所需。目前所使用的燃气盘管锅炉，一是两个换热盘管相互独立设置，堆叠在一起，运行时只有单个盘管换热使得热效率低下，无法物尽其能；二是布置的内外层盘管均为扁盘管，液压成型的扁盘管制造工艺复杂，需采用钢板卷制焊接成圆管，再将圆管冷加工挤压变形为长圆形截面扁管，将直扁管冷加工绕制成盘管，最后去应力退火得到成品盘管单元；盘管加工中冷加工变形量大，存在着残余应力和晶格缺陷；加工工艺繁琐，良品率低，要缩小盘管间缝隙必须增加盘管圈数，这就大大增加了盘管换热总面积和锅炉重量；三是传统燃气盘管锅炉在对换热量有特殊要求的场合，换热器体积大，烟风阻力大，初投资和运行成本均较高，排烟温度达不到要求，难以适用。

另外，每1m³天然气(甲烷占85％左右)的燃烧产物中约有2.1—2.3m³的潜热蒸汽，按照每立方米天然气的热值8000-8500大卡，0.1mpa、100℃下水蒸气的潜热2257kj/kg换算，低位发热量中蒸汽的潜热损失约占天然气燃烧总热量的9.57％，而现行锅炉中尚未能完全利用这部分热量，使得燃气锅炉对天然气的需求一直居高不下，造成巨大的能源损失。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种三盘管燃气烟气紊流换热装置，结构简单，设计合理，有效提升了锅炉的热效率，同时也能够稀释烟气中的有害物质，减少燃气使用量，降低盘管燃气锅炉的价格和运行费用，节省能源，降低排放，减少成本，促进盘管燃气锅炉技术的发展。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种三盘管燃气烟气紊流换热装置，包括外壳，同轴线设置在外壳内的内层圆盘管、中层圆盘管和外层扁盘管，以及沿轴线插入外壳上端设置的燃烧器；

所述外壳的下端连通设置有排烟口，上端设置有上盖板，内部设置有下盖板；内层圆盘管、中层圆盘管和外层扁盘管的上下端分别与上下盖板密闭设置；

所述的内层圆盘管和中层圆盘管的换热管呈错列排布，形成辐射封闭的炉膛；内层圆盘管和中层圆盘管之间形成内中层盘管间隙；内层圆盘管和中层圆盘管的两端分别连接内层集箱；

所述的外层扁盘管内侧与中层盘管呈间歇设置，外侧与外壳内壁呈间隙设置形成近壁面烟气通道，相邻换热管直接设置扁盘管间隙；近壁面烟气通道与排烟口连通；外层扁盘管的两端分别连接外层集箱；扁盘管间隙小于内中层盘管间隙；

外层集箱的外层集箱回水入口设置在外壳外作为换热装置的回水入口，外层集箱出口与内层集箱的入口连接，内层集箱的内层集箱回水出口设置在外壳外作为换热装置的回水出口。

优选的，内层圆盘管和中层圆盘管的螺距相同、管径相同和壁厚相同；内层圆盘管和中层圆盘管的螺距为40mm—64mm，管径为24mm—44mm，壁厚为1.5mm—3mm；内层圆盘管的螺旋线半径为320mm—580mm，中层圆盘管的螺旋线半径为370mm—650mm；内层圆盘管和中层圆盘管形成横向节距与螺距相同，纵向节距小于螺距的两排错列炉膛水冷壁；内层圆盘管和中层圆盘管各自均采用多管圈并联结构，内层圆盘管和中层圆盘管之间也采用并联结构。

优选的，所述燃烧器的横截面呈圆形，直径为60mm—350mm，长度为450mm—780mm；燃烧器外表面与内层圆盘管内表面预留45mm～950mm的接触空间。

优选的，内层集箱设置在中层圆盘管与外层扁盘管之间；内层圆盘管的两端圆管90度外翻转弯时逐渐变为椭圆管，从两圈中层圆盘管的缝隙处伸出与内层集箱连接；中层圆盘管的两端圆管90度外翻转弯与内层集箱连接。

优选的，外层集箱设置在外壳外壁面，外层扁盘管的两端分别通过90度弯头与外层集箱连接；内层圆盘管、中层圆盘管和外层扁盘管形成处于同一平面的进出水口。

优选的，所述的外壳包括呈筒状设置的炉体段和呈倒锥形设置的变径段；炉体段和变径段之间设置下盖板，下盖板上包裹有耐火泥；内层圆盘管、中层圆盘管和外层扁盘管支撑在下盖板上设置在炉体段内；近壁面烟气通道经变径段连接排烟口。

优选的，所述内层圆盘管、中层圆盘管和外层扁盘管分别设置1～40个盘管单元，每盘管单元管圈数为1～50圈；外层扁盘管的上下盘管单元叠放设置，盘管单元之间的缝隙设置定位垫片、定位梳齿或鼓包凸起进行定位。

优选的，所述的外层集箱回水入口设置在外层集箱上端与外入水集腔连通，外出水集腔与外层集箱下端设置弯头连通，弯头与内层集箱下端设置的入口连通；内层集箱的入口与内入水集腔连通，内层集箱回水出口经穿过外壳的弯管与内出水集腔连通，弯管的连接端设置在内层集箱下端；

所述的外层扁盘管中的冷却水均为上进下出，内层圆盘管和中层圆盘管中的冷却水均为下进上出。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型一种三盘管燃气烟气紊流换热装置，以燃烧器、内层圆盘管、中层圆盘管和外层扁盘管为主体，采用内中外三层盘管设计，内中部两层的光管盘管错列排布，形成辐射封闭的炉膛，外层采用扁盘管冷却冷凝烟气，有效提升了锅炉的热效率；在冷却冷凝烟气的同时，增加烟气粘滞阻力，使烟气流动状态实现由紊流向层流的转变，增大换热系数，增强烟气冷却冷凝能力。并且内层圆盘管与中层圆盘管错列排布，形成辐射封闭的炉膛，根据辐射四次方定律，可对由燃烧器排出的烟气大幅吸收辐射热量，相比目前服役的一回程扁盘管换热壁，制造工艺更加简单，换热盘管更加紧凑，造价成本更加低廉。

进一步的，本实用新型按换热回程设置回水环路，一回程中内层圆盘管通过变径设计与内层集箱相连，二回程中外层扁盘管通过90度弯头与外层集箱相连；回水系统中，回水首先进入外层集箱，上进下出后从底部进入内层集箱，然后从内层集箱底部流出系统循环利用或作为其他机组的工艺用水。合理的回水系统设计，使得整个装置具有较低的回水阻力，提高水资源的利用率，有效节约水资源。

附图说明

图1为本实用新型实例所述装置整体结构剖面图。

图2a为本实用新型实例所述内层圆盘管结构轴测图。

图2b为本实用新型实例所述内层圆盘管结构俯视图。

图3为本实用新型实例所述外层扁盘管结构示意图。

图4为本实用新型实例所述内层集箱结构示意图。

图5为本实用新型实例所述外层集箱结构示意图。

图中：外层集箱回水入口1、外层集箱2、燃烧器闭口3、燃烧器4、扁盘管接口5、外层集箱接口6、内层圆盘管接口7、内层集箱内层接口8、中层圆盘管接口9、内层集箱中层接口10、内层集箱11、外层扁盘管12、扁盘管间隙13、定位垫片14、近壁面烟气通道15、内层圆盘管16、内层圆盘管变径管口16-1、中层圆盘管17、内中层盘管间隙18、内层集箱回水出口19、弯头20、耐火泥21、排烟口22、外壳23。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

本实用新型一种三盘管燃气烟气紊流换热装置，为一种采用内外三层设计的紧凑高效三盘管燃气锅炉设备，内中两层的光管盘管错列排布，形成辐射封闭的炉膛，外层设置扁盘管冷却冷凝烟气，有效提升换热装置的热效率，达到节省能源、降低排放、减少成本的目的。

具体的，如图1所示，本实用新型包括外层集箱回水入口1、外层集箱2、燃烧器闭口3、燃烧器4、扁盘管接口5、外层集箱接口6、内层圆盘管接口7、内层集箱内层接口8、中层圆盘管接口9、内层集箱中层接口10、内层集箱11、外层扁盘管12、扁盘管间隙13、定位垫片14、近壁面烟气通道15、内层圆盘管16、内层圆盘管变径管口16-1、中层圆盘管17、内中层盘管间隙18、内层集箱回水出口19、弯头20、耐火泥21、排烟口22和外壳23。

其中，燃烧器4排出的烟气先流经内层圆盘管16与中层圆盘管17错列排布形成的内中层盘管间隙18即炉膛水冷壁间隙，吸收辐射热，烟气从换热管直径方向之间的炉膛水冷壁间隙中流动，大幅降低外层扁盘管12烟气入口处温度，并使燃烧器出口的紊流烟气惯性力减小，黏性阻力增大，实现流动状态由紊流到层流的转变；随后流经外层扁盘管12的扁盘管间隙13进行二回程冷却冷凝烟气，冷却冷凝能力和换热系数都得到增强，所需要的外层盘管圈数与总面积也更小，有效节省耗材。本优选实例中，设置的燃烧器4为圆柱形的全预混燃烧器，设置在外壳23的中心，燃烧器直径为100mm，长约685mm，易于燃烧低热值燃气，且燃气不完全燃烧较少，节省燃气资源。炉体段底部设置包裹耐火泥21的下盖板，烟气先后经过内、中、外三层盘管，沿外层扁盘管12的外壁面在近壁面烟气通道15内流动汇集至耐火泥21下方的变径段，排入排烟口22。

本实用新型所述的三盘管燃气烟气紊流换热装置，采用内中外三层盘管设计，内层圆盘管16及中层圆盘管17的内壁面和上盖板及后盖板形成封闭的炉膛，吸收烟气辐射热及对流热，外层扁盘管12深度冷却冷凝烟气，烟气先后经三层盘管进行二回程换热，沿壳体近壁面烟气通道15流至排烟口22。

如图1所示，内层圆盘管16和中层圆盘管17是两层圆盘管，错列排布。内层圆盘管16和中层圆盘管17的螺距相同、管径相同和壁厚相同，根据装机容量及实际情况，盘管螺距可取40mm—64mm，管径可取24mm—44mm，壁厚可取1.5mm—3mm；内层圆盘管16的螺旋线半径可取320mm—580mm，中层圆盘管17的螺旋线半径可取370mm—650mm；内层圆盘管16和中层圆盘管17形成横向节距与螺距相同，纵向节距小于螺距的两排错列炉膛水冷壁；内层圆盘管16和中层圆盘管17各自均采用多管圈并联结构，内层圆盘管16和中层圆盘管17之间也采用并联结构。所述圆形横截面燃烧器4直径为60mm—350mm，长度为450mm—780mm，易于燃烧低热值燃气，且燃气不完全燃烧较少，节省燃气资源。燃烧器4设置在炉膛中心，匹配内中层圆盘管确保烟气沿圆周均衡分布，圆形横截面燃烧器4外表面与内层圆盘管16内表面预留45mm～950mm的接触空间，以避免火焰直接冲刷内层圆盘管16的内表面致使燃烧不完全引起积碳，降低盘管换热效率。

根据换热装置功率的差异，所述内层圆盘管16、中层圆盘管17和外层扁盘管12分别设置1～40个盘管单元，每盘管单元管圈数为1～50圈.外层扁盘管12的上下盘管单元叠放设置，盘管单元之间的缝隙设置定位垫片14、定位梳齿或鼓包凸起进行定位。

所述的外层集箱回水入口1设置在外层集箱2上端与外入水集腔连通，外出水集腔与外层集箱2下端设置弯头20连通，弯头20与内层集箱11下端设置的入口连通；内层集箱11的入口与内入水集腔连通，内层集箱回水出口19经穿过外壳23的弯管与内出水集腔连通，弯管的连接端设置在内层集箱11下端；

所述的外层扁盘管12中的冷却水均为上进下出，内层圆盘管16和中层圆盘管17中的冷却水均为下进上出。

工质首先进入外层集箱2，从左上角进入。沿外层集箱2左侧的外进水集腔向下流动，外层集箱接口6与外层扁盘管12的90度弯头相连，将工质均匀分配给所有外层扁盘管单元12，工质在外层扁盘管12内部吸收烟气热量并下降流动汇集进入外层集箱2右侧的外出水集腔，右侧的外出水集箱中的工质下降流动至底部，通过弯头20与内层集箱11的右侧集箱底部连接，再经内层集箱11分配到内层圆盘管16和中层圆盘管17中吸收烟气辐射热及对流热，最后汇集于内层集箱11的左侧内出水集腔，从左侧内出水集腔的底部经内层集箱回水出口19流出锅炉，工质可循环利用或作为其他机组的工艺用水，合理的回水系统设计，使得整个装置具有较低的回水阻力。

本实用新型一种三盘管燃气烟气紊流换热装置，使用时，包括两个回程的冷却冷凝；

烟气的一回程冷却冷凝；从燃烧器4排出的烟气先流经内中层盘管间隙18，吸收辐射热，烟气从圆盘管的间隙中流动，先后经过内层圆盘管16和中层圆盘管17，增加烟气粘滞阻力，使燃烧器出口的紊流烟气由紊流转变为层流，以吸收辐射热和对流热为主；

烟气的二回程冷却冷凝；层流烟气流经扁盘管间隙13进行二回程冷却冷凝烟气后，沿近壁面烟气通道15流动汇集排入排烟口22。

其中，烟气的一回程冷却冷凝的烟气入口烟温950-1200℃，出口烟温360-420℃左右；烟气的二回程冷却冷凝的烟气进口烟温330-390℃，出口烟温可降低至30-47℃。

通过两个回程换热，在一回程中吸收烟气辐射热和对流热，并使烟气黏性阻力增大，实现流动状态由紊流到层流的转变，大幅降低烟气温度，在二回程设置极小间隙的扁盘管并联结构，深度冷却冷凝烟气，增大换热系数，增强冷却冷凝能力，可是排烟温度降至30—47℃，助力节能减排。

本优选实例中，如图2a和图2b所示，内层圆盘管圆心所在螺旋线的直径为400mm，螺距50mm，管子直径32mm，壁厚2mm，共16圈；中层圆盘管圆心所在螺旋线的直径为460mm，螺距50mm，管子直径32mm，壁厚2mm，共16圈；内层圆盘管16和中层圆盘管17形成横向节距50mm，纵向节距30mm的两排错列炉膛水冷壁，吸收辐射热，烟气从管子直径的间隙即内中层盘管间隙18中流动，烟气入口烟温约1050℃，出口烟温390℃。为降低水侧流速，内层与中层各自均采用4管圈并联结构，内层圆盘管16和中层圆盘管17之间也是并联连接，整体相当于8管圈结构，水侧流速1.7m/s，烟气侧流速3.52m/s，传热系数44.5w，阻力约为20pa。内层圆盘管16的圆盘管与内层集箱11连接，但管子横向节距只有50mm，内层管无法伸出，如图2a和图2b所示，设计内层圆盘管变径管口16-1，内层圆盘管16的圆管90度外翻转弯时逐渐变为椭圆管，在竖直方向上为短轴，长轴与原直径相等，从两圈中层管直径的缝隙处伸出与内层集箱11连接。

如图3所示，本优选实例中，外层扁盘管12圆心所在螺旋线设计直径为680mm，螺距27.3mm，扁管缝隙0.8mm，共32圈，每4圈为一个单元，共8个单元并联；扁管壁厚2.3mm，总宽80mm，高26.5mm，圆角半径13mm；扁盘管12进口烟温360℃，由于设置更小的扁盘管间隙13为0.8mm，从而大幅增加二回程扁盘管的对流换热系数，经过扁盘管间隙13换热后，出口烟温可降低至47℃。以140℃作为分界，140℃以上时冷凝量极少，按对流换热来计算，烟气流速12m/s，换热系数141w；140℃～47℃之间水蒸气开始大量凝结，烟气流速6.7m/s，平均换热系数可达231w。外层扁盘管12采用90度弯头与盘管两端焊接，形成端面处于同一平面的进出水口，考虑到90度弯头占用部分空间，每个盘管单元为3.92圈，空出0.08圈作为弯头占用区；上下盘管单元叠放在一起，盘管单元之间的缝隙采用定位垫片14定位；如图5所示，所有扁盘管中的水均是上进下出，左半部分的口均为进水口，右半部分为水口。本优选实例中，外层扁盘管12采用积顿的扁盘管。

如图1所示，内层集箱11设置在外层扁盘管12与中层圆盘管17之间，如图4所示，本优选实例中外层扁盘管12的水从底部进入内层集箱11的右侧内进水集腔，将水分配给8根圆盘管；8根圆盘管的水沿盘管上升流动汇集于左侧内出水集腔，从左侧内出水集腔的底部经内层集箱回水出口19流出锅炉。内层集箱11上分别设置有内层接口8和中层接口10，通过内层接口8与内层圆盘管变径管口16-1相连，通过中层接口10与中层圆盘管17相连。内层集箱11的具体形状可以根据工艺来调整，内进水集腔和内出水集腔由隔板分隔内层集箱11形成。

如图1和图5所示，系统回水首先进入外层集箱2，从左上角进入。沿外层集箱2左侧的外进水集腔向下流动，外层集箱接口6与外层扁盘管12的90度弯头相连，将工质均匀分配给8根扁盘管，工质在外层扁盘管12内部吸收烟气热量并下降流动汇集进入外层集箱2右侧的外出水集腔，右侧的外出水集箱中的工质下降流动至底部，经弯头20与内层集箱11的右侧集箱底部连接，再经内层集箱11分配到内层圆盘管16和中层圆盘管17中吸收烟气辐射热及对流热，最后汇集于内层集箱11的左侧内出水集腔，从左侧内出水集腔的底部经内层集箱回水出口19流出锅炉，可循环利用或作为其他机组的工艺用水，合理的回水系统设计，使得整个装置具有较低的回水阻力。外层扁盘管12的两端分别通过90度弯头穿过外壳后与外层集箱2上的外层集箱接口6连接，外进水集腔和外出水集腔由隔板分隔外层集箱2形成。所述外层扁盘管12设置在外壳23外部，其的外壁面与外壳23外壁面相距60mm，扁盘管圆心所在螺旋线的直径为680mm，螺距27.3mm，扁管缝隙0.8mm，共32圈，每4圈为一个单元，共8个单元并联；扁管壁厚2.3mm，总宽80mm，高26.5mm，圆角半径13mm。

所述的外壳23包括呈筒状设置的炉体段和呈倒锥形设置的变径段；炉体段和变径段之间设置下盖板，下盖板上包裹有耐火泥21；内层圆盘管16、中层圆盘管17和外层扁盘管12支撑在下盖板上设置在炉体段内；近壁面烟气通道15经变径段连接排烟口22；内层圆盘管16、中层圆盘管17和外层扁盘管12的上下端分别与上下盖板密闭设置；具体的各层盘管上下端与上下盖板之间的缝隙通过填补密闭。各盘管进出口之间的缝隙也需要填补，以免形成烟气走廊，加重管壁磨损。本优选实例中，外壳23的直径800mm，炉体部分总高1000mm，锅炉设计功率700kw，锅炉本体总重约396kg，采用316l材料。

本实用新型所述装置中，锅炉本体由内敷耐火材料的上下盖板、内中双层圆盘管、外层扁盘管和外壳组成。上盖板固定燃烧器，圆形横截面燃烧器匹配圆盘管确保烟气沿圆周均衡分布，烟气从圆盘管的间隙中流动，增加烟气粘滞阻力，使烟气流动状态实现由紊流向层流的转变，从而使烟气获得深度冷却和冷凝，出口烟温可降低至47℃以下。锅炉回水从外层集箱分配给所有外层扁盘管单元，经一回程吸热后导入内层集箱，再分配给内中双层圆盘管进行二回程冷却冷凝烟气。三盘管燃气烟气紊流换热装置结构紧凑，回水阻力低，冷却冷凝能力强。

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