專利名稱：一種浸沒式冷凝換熱器和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種冷凝換熱器，更詳細地說，涉及一種浸沒式高效冷凝換熱器。本發(fā)明還涉及上述浸沒式冷凝換熱器的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)鍋爐和熱水器為了避免低溫煙氣對煙道及附屬設(shè)備的酸性腐蝕，排煙溫度 一般都在150°C以上，有時甚至高達200°C，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70年代以來，西歐和美國等相繼研制了冷凝式鍋爐，將排煙溫度降到 40°C 50°C，使煙氣中的水蒸氣冷凝下來并釋放潛熱，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，因此低溫腐蝕問題較輕。同時，在煙氣冷凝時，煙氣中的SOx、NOx、CO2> 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，采用冷凝式燃氣鍋爐/熱水器對節(jié)能和環(huán)保都具有非常重要的意義。冷凝式燃氣鍋爐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。呈過熱狀態(tài)的高溫煙氣首先通過顯熱換熱面 得到冷卻，然后進入冷凝換熱段，當換熱器的表面溫度持續(xù)降低至水蒸汽飽和分壓力對 應(yīng)的飽和溫度時，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。由傳熱學知識可知，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遠低于液體(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氣體邊界層擴散到管壁面上凝 結(jié)，煙氣中的顯熱和潛熱只有通過氣體邊界層和凝結(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，當不凝性氣體占多數(shù)時，液膜外的氣膜成為凝結(jié) 換熱的主要熱阻[Webb，R L et aL.The Effect of Non-condensible Gases in Water Chiller Condensers-Theoretical Analysis. ASHRAE Transactions, 1980，86，Part 1 142-159]。當 煙氣中水蒸氣含量不足20%時，伴隨凝結(jié)的對流換熱系數(shù)比純蒸汽凝結(jié)換熱系數(shù)低數(shù)十 倍，而與無凝結(jié)時氣體對流換熱系數(shù)處于同一數(shù)量級[曹彥斌等.伴隨有水蒸氣凝結(jié)的煙 氣對流換熱的實驗研究.工程熱物理學報，2000，21(6) 729-733]。在實際熱水器中大 約僅為大約150W/(m2 ·Κ)?？梢姡瑢τ谶@種不凝性氣體占多數(shù)的情況，主要熱阻集中 在煙氣側(cè)的對流換熱熱阻，從而需要很大的冷凝換熱面才能完成對流冷凝換熱任務(wù)。與 無冷凝的燃氣鍋爐或熱水器相比，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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種浸沒式高效冷凝換熱器，以克服公知冷凝式換熱器的 缺點，強化煙氣側(cè)冷凝換熱，減少冷凝換熱面，降低冷凝換熱器以至整個冷凝式鍋爐/ 熱水器的成本。本發(fā)明的又一目的是提供上述浸沒式高效冷凝換熱器的應(yīng)用。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的浸沒式冷凝換熱器主要包括一液池，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。本發(fā)明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)。本發(fā)明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；同時在液池的壁面上也涂敷或電鍍有抗腐蝕膜層。本發(fā)明的液池中設(shè)置有絲網(wǎng)，利用表面張力促進氣泡破裂和水蒸汽凝結(jié)。本發(fā)明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。本發(fā)明的液池外壁之外包裹有隔音絕熱材料。本發(fā)明的煙氣鼓入裝置處的入口煙溫范圍為80°C 400°C。本發(fā)明的浸沒式冷凝換熱器可應(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。本發(fā)明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 凝式燃氣熱水器和冷凝式燃氣鍋爐。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-金屬壁面對流冷凝式換熱器相比，傳熱得到大幅度強化，換熱面積、裝置體積和制 造成本均得以大幅度削減。


圖1示出了一個示例性的冷凝式熱水器整體的剖面示意圖，其中包括了本發(fā)明 的浸沒式冷凝換熱器。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖來詳細描述本發(fā)明的具體實施例。
本發(fā)明的浸沒式冷凝換熱器，包括液池、煙氣鼓入和排出裝置以及浸沒在液池 中的吸熱流體通道。離開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 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 SOx、NOx、C02、CO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，能夠大幅度強化煙氣側(cè)的傳熱， 從而達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，本發(fā)明的浸沒式冷 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)揮本發(fā)明浸 沒式換熱器換熱效率高的優(yōu)點，進一步降低成本。本發(fā)明的浸沒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，本發(fā)明的浸沒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。來自燃氣入口 10的燃氣和來自空氣入口 15的空氣在燃 燒器11中燃燒，產(chǎn)生溫度大約為1000°C 1200°C、水蒸汽體積分數(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應(yīng)的 飽和溫度，氣泡在上升過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 60°C的 低溫不凝性氣體，繼續(xù)上浮并離開液面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，因而具有遠遠優(yōu)于煙氣中不凝性氣體的傳熱性能，而在燃氣熱水器的 燃燒產(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程中會對液池中的水產(chǎn)生劇烈擾動作用，這也會顯著促進熱量從 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，進而降低熱水器整體的生產(chǎn)成本。同時，待加熱的冷卻 水從冷水入口 2進入本發(fā)明的浸沒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題。通過浸沒式冷凝換熱器預(yù)熱后的冷卻水 經(jīng)由連接管道7進入高溫顯然換熱器6的水流管道中，被進一步加熱到預(yù)定的熱水器出水 溫度，并從熱水出口 9排出系統(tǒng)。
為了充分利用本發(fā)明的浸沒式冷凝換熱器換熱效率高的優(yōu)點，可重新設(shè)計顯熱 換熱面與潛熱換熱面的比例。在高溫顯熱換熱面的后段，當煙氣與冷卻水之間大傳熱溫 差的優(yōu)勢已不明顯時，用一部分本發(fā)明的浸沒式冷凝換熱面來取代一部分原有的高溫顯 熱換熱面，從而進一步節(jié)約熱水器整體成本。優(yōu)選地在液池中布置有絲網(wǎng)14，利用表面張力促進氣泡的破裂和水蒸汽的凝結(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 擾動、擴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，但本發(fā)明的浸沒式 冷凝換熱器并不局限于該熱水器形式，而事實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，而并不脫離本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種浸沒式冷凝換熱器，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。
2.如權(quán)利要求1中所述的浸沒式冷凝換熱器，其中，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所述的浸沒式冷凝換熱器，其中，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所述的浸沒式冷凝換熱器，其中，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所述的浸沒式冷凝換熱器，其中，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所述的浸沒式冷凝換熱器， 表面張力促進氣泡破裂和水蒸汽凝結(jié)。
7.如權(quán)利要求1或5所述的浸沒式冷凝換熱器， 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所述的浸沒式冷凝換熱器， 絕熱材料。
9.如權(quán)利要求1所述的浸沒式冷凝換熱器，其中，所述煙氣鼓入裝置處的入口煙溫范 圍為 80°C 400°C。
10.—種采用權(quán)利要求1所述浸沒式冷凝換熱器的熱水器或鍋爐，其中，所述浸沒式 冷凝換熱器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。其中，所述液池中設(shè)置有絲網(wǎng)，利用 其中，所述傳熱介質(zhì)液面上方的液池 其中，所述液池外壁之外包裹有隔音
全文摘要
一種浸沒式冷凝換熱器，包括浸沒式冷凝換熱器內(nèi)部自上至下依序設(shè)有空氣進口、燃燒器、顯熱換熱器和液池；燃燒器連接一燃氣進口；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)。水蒸汽含量較高的濕熱煙氣直接通入液池下部，在煙氣上浮過程中，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F28F19/02GK102022829SQ20091009288
公開日2011年4月20日 申請日期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, 袁達忠 申請人:中國科學院工程熱物理研究所