技术领域
[0001] 本
发明属于提高
能量利用效率、节能环保的辐射换热器领域，具体涉及一种模块化商业燃气采暖挤压
铝合金辐射炉膛。
背景技术
[0002] 近年来，雾霾问题持续、频发，北方供暖季间雾霾现象更为严重。为治理雾霾，保卫蓝天，供暖行业提出了《北方地区冬季清洁取暖规划2017-2021》，其中2019年清洁取暖率50％代替散烧
煤0.74亿吨，新增气131亿m3；2021年清洁取暖率70％代替散烧煤1.5亿吨，新增气278亿m3；2021年供暖
天然气需求达641亿m3以上等诸多要求。为达到规划要求，采用商业燃气采暖炉作为分布式供热方式必不可少，商业燃气采暖炉是将天然气的
化学能转变成
热能实现采暖的供应终端，是分布式供热的最好选择。其技术核心是通
过热源、环境、建筑系统节能理念将天然气进行超低
氧、超低氮、超高效率燃烧后的烟气进行超高效紧凑换热并将排烟
温度降低到
水露点温度以下，实现系统深度动态节能减排。目前在售的商用燃气采暖热水炉已经实现NOx排放小于30mg，同时
锅炉效率普遍在96％以上，采用商用燃气采暖热水炉供暖是一种极为清洁高效的方式。拥有超低氧、超低氮、超高燃烧效率、超高效换热、超结构紧凑和超高热效率等优势标示着商用燃气采暖热水炉蕴藏着极其巨大的市场需求与发展前景。
[0003] 商用燃气采暖热水炉经过长时的发展，现主要采用一体式既辐射炉膛与
对流板式换热炉片为一体的结构形式，便于装配。
燃烧器方面也是从大气式燃烧器转为全预混燃烧器的使用，这是由于全预混燃烧器的
过量空气系数低(～1.2)提高了燃烧后烟气的露点，有利于吸收烟气中水蒸气的
潜热，更适合
冷凝式锅炉，同时全预混燃烧器的燃烧温度低，燃烧过程中产生的NOx浓度低。但是理想不同于现实，全预混燃烧器经实测发现烟气中氧含量较高，多在7％以上且相比于大气式燃烧器全预混燃烧器的设备复杂，对
风机、燃烧头、调节
阀要求较高并且更容易产生燃烧震荡问题，易熄火和回火，最为关键的是全预混燃烧器的关键部件如阀组、控制装置均为进口，购置成本高，供暖行业被极度分润，而大气式燃烧器内全部部件均已实现国产化，随着现在研究的深入、科技的发展，大气式燃烧器几乎能做到低过量空气系数与低燃烧温度运行。由于大气式燃烧器设备体积及燃烧火焰体积较大，为适应大气式燃烧器的使用，商业燃气采暖炉需采用分体式的结构设计，扩大辐射换热炉膛的体积以容纳大气式燃烧器设备并增大辐射、对流换热量。
[0004] 商业燃气采暖炉主要有
铸铁、
焊接不锈
钢、铸铝
硅镁合金及全
铜材质。共晶
铸铁与铸铝硅镁合金都采用
铸造工艺，模具成本高且生产效率不高。共晶铸铁与焊接
不锈钢的导热系数低而铸铝硅镁合金国内工艺不成熟，能够生产的厂家寥寥无几，铜虽然导热系数高但价格高昂，强度低。挤压铝工艺成熟，是挤压截面一维方向上的延展，结构简单生产效率高导热系数高，强度高，是制造生产商业燃气采暖炉辐射炉膛的理想工艺。
[0005] 目前商用燃气采暖热水炉的辐射炉膛结构设计上依旧存在诸多问题，首先典型的一体式铸铝硅镁换热炉片通常具有下降水道结构，如荷兰著名的铸铝硅镁冷凝换热器公司贝卡尔特的
专利WO 2015/024712、WO 2016/055392A1等，该辐射段的水道结构易出现
过冷沸腾导致
传热恶化并由于气泡挤压产生噪音甚至破坏换热器结构等不良现象，其次全预混燃烧器的金属丝网和燃烧产生的高温烟气对辐射段的辐射热量仅占总热量的10％左右，而在采用挤压铝工艺的分体式辐射炉膛后水道全程无下降段并且配合大气式燃烧器可增大辐射与对流换热量，合理布局辐射炉膛内与对流板式换热炉片中吸热量配比，有效改善各种结构问题并降低成本。
发明内容
[0006] 为了解决上述商用燃气采暖热水炉辐射段存在下降水道结构和辐射换热量在总换热量的占比小的问题并适配国产圆柱形大气式燃烧器。本发明提供一种模块化商业燃气采暖挤压铝合金辐射炉膛。
[0007] 本发明通过以下技术方案予以实现：
[0008] 一种模块化商业燃气采暖挤压铝合金辐射炉膛，包括多个模块化辐射换热件1，位于模块化辐射换热件1底部的下集箱2，位于模块化辐射换热件1顶部的上集箱3，位于模块化辐射换热件1两端的前端盖41和后端盖42；
[0009] 所述模块化辐射换热件1整体形状包括底部垂直段和上端圆弧段或只有圆弧段，圆弧段的圆心能够沿着
中轴线变化，形成各种直径不同的圆弧段，满足大气式燃烧器的大体积容纳条件，同时亦能够减小模块化辐射换热件1整体形状截面积来适配低氧燃烧的全预混无焰燃烧器以满足目前燃烧器市场供应现状；
[0010] 每个所述模块化辐射换热件1包括分别开设在顶部与上集箱3连通的上集箱
接口111以及开设在两侧底部与下集箱2连通的下集箱接口112、开设在上集箱接口111和下集箱接口112两侧的固定孔12及位于模块化辐射换热件1一侧面的凹槽13和位于另一侧面与凹槽13对应的凸棱14，模块化辐射换热件1内侧的辐射受热面上具有均匀排布的周向肋15，模块化辐射换热件1两侧底端都具有两对
支撑脊16，模块化辐射换热件1内中空腔体为冷工质通道18，冷工质通道18内壁面位于固定孔12的两侧设有固定带17，用于防止固定在固定孔
12中的密封
螺栓72旋转滑移。
[0011] 所述模块化辐射换热件1厚度为3～8mm，需根据结构强度及换热量要求具体确定，上集箱3和下集箱2两侧开设腰圆形孔，使螺栓连接适应装配时上集箱3和下集箱2高度的变化；模块化辐射换热件1的上端圆弧段还具有平直顶部，能使上集箱3和下集箱2的底端为平直结构，装配简单。
[0012] 所述上集箱接口111和下集箱接口112截面形状为圆形，椭圆形或腰圆形，下集箱接口112为上集箱接口111)面积的一半，保证冷工质在模块化辐射换热件1中流速、流量均匀，上集箱接口111和下集箱接口112沿模块化辐射换热件1周向两侧开具固定孔12用以安放密封螺栓72；所述凸棱14的截面为正方形，其宽高均为1～2mm，凹槽13为与凸棱14相匹配的“T”形截面，装配时在凹槽13填入
密封胶，配合凸棱14能同时起到
定位及密封高温烟气的作用。
[0013] 所述周向肋15为具有提高模块化辐射换热件1对流换热能
力，增大模块化辐射换热件1吸热量占总换热量比例的等肋高且截面呈锯齿形、正弦函数
波形、腰圆形或长方形的周向肋片。
[0014] 每对所述支撑脊16呈对称“L”形截面，用以卡接下部呈类“凸”字截面的连接块73，支撑脊16厚度为2～8mm，长度为20～50mm以保证足够支撑连接块73上部的结构强度使模块化辐射换热件1以及连接在模块化辐射换热件1底部的对流板式换热炉片紧密连接；所述固定带17为周向延展，位于模块化辐射换热件1冷工质通道内顶侧，两条固定带17间距与密封螺栓72底部高度为10～20mm的
螺母723宽度适配，在安装密封螺栓72旋紧紧固螺母721时提供水平方向的力，防止密封螺栓72旋转滑移，同时密封螺栓72底部螺母723上放置
密封圈722，防止冷工质从固定孔12中泄露以满足模块化辐射换热件1和下集箱2或上集箱3的密封连接。
[0015] 为消除冷工质流动状态消除底部流动死区，向模块化辐射换热件1底部加塞冷工质导流件19，所述冷工质导流件19朝向下集箱接口112的一面开有与固定带17相适配的凹槽，冷工质导流件19整体采用不锈钢胀接或塑料
过盈配合形式与模块化辐射换热件1配合；所述下集箱2为分体式两个，分别设置在模块化辐射换热件1两侧，通过过渡管道6连接，或者将将下集箱2设计为整体的方形集箱布置在模块化辐射换热件1底端，整体方形结构的下集箱具有两个冷工质入口与两个“L”形互不相通的流道，整体方形结构的下集箱内充满冷工质有效冷却烟气
侧壁温。
[0016] 所述模块化辐射换热件1与连接在模块化辐射换热件1底部的对流板式换热炉片间、整体方形结构的下集箱的上端面与模块化辐射换热件1间以及整体方形结构的的下集箱下端面与连接在整体方形结构的的下集箱底部的对流板式换热炉片间安放有
密封垫片5，所述密封垫片5因内侧有一部分暴露于烟气中，需选取具有耐高温材质，且其截面呈直
角梯形，烟气侧为长边，另一侧为短边，且直角梯形斜边与直角边间的角度θ呈2～8°，以保证压紧时能完全密封防止泄露。
[0017] 所述模块化辐射换热件1装配好后能够连接铸铝硅冷凝换热器、铸铁换热器或不锈钢换热器多种形式换热器以构成完整的冷凝锅炉，过渡管道6根据连接的换热器冷工质出口情况采用一分二的分流形式或两侧直供的连接形式，分
节点处于两个下集箱2的中点，保证冷工质行程一致、阻力相同且流量均匀，过渡管道6在采用一分二的分流形式时，中间的分支节点处采用三通连接或
压板紧固连接。
[0018] 所述模块化辐射换热件1、下集箱2和上集箱3采用挤压铝合金材质，前端盖41和后端盖42以及采用整体方形结构的下集箱采用不锈钢材质，过渡管道6和冷工质导流件19采用导热系数低的钢材或塑料材质。
[0019] 所述前端盖41和后端盖42间沿端盖周向布置4～8个长螺杆(71)连接孔保证前端盖41和后端盖42与多个模块化辐射换热件1之间紧密连接，前端盖41和后端盖42的内侧即烟气侧敷设有
隔热材料以减少
散热损失，防止前端盖41和后端盖42干烧导致过热
变形，同时前端盖41具有与大气式燃烧器尺寸适配的圆孔、
火花塞孔和与大气式燃烧器
法兰连接的沉头孔，后端盖42则具有与大气式燃烧器头部适配的凸起支柱，前端盖41和后端盖42确保大气式燃烧器固定在辐射炉膛中稳定运行。
[0020] 与
现有技术相比较，本发明具有如下优点：
[0021] 1、本发明采用成熟的挤压铝工艺，是挤压截面一维方向上的延展，结构简单生产效率高导热系数高，强度高，是制造生产商业燃气采暖炉辐射炉膛的理想工艺。
[0022] 2、本发明采用分体式辐射炉膛，水道全程无下降段，解决传统辐射段的下降水道结构易出现过冷沸腾导致传热恶化并由于气泡挤压产生噪音甚至破坏换热器结构等不良现象发生等问题。
[0023] 3、本发明采用大容量分体式辐射炉膛完美配合国产大气式燃烧器，并且优化辐射炉膛结构增强对流换热能力，有效布局辐射炉膛内与对流板式换热炉片中吸热量配比，并降低成本。
[0024] 4、本发明中分体式辐射炉膛的采用全模块化螺栓连接，无焊接工艺，连接密封可靠并方便拆卸维护，满足各种换
热容量需求，市场适应能力强。
附图说明
[0025] 图1为本发明商业燃气采暖挤压铝合金辐射炉膛总示意图。
[0026] 图2为模块化辐射换热件示意图，其中：图2a1为整体圆弧形结构形状示意图，图2a2为底部垂直段和上端圆弧段及平直顶结构形状示意图，图2b为立体示意图，图2c为顶部剖面图，图2d为底部示意图。
[0027] 图3为连接件示意图，其中：图3a为密封螺栓示意图，图3b为连接块示意图。
[0028] 图4为下集箱采用整体方形结构示意图，其中：图4a为立体示意图，图4b为剖面冷工质流动示意图，图4c为装配示意图。
[0029] 图5为所述开设腰圆形孔具有弧形底面的上集箱装配示意图。
[0030] 图6为部分暴露于烟气中的密封垫片截面示意图。
[0031] 图7为关键部位装配连接示意图，其中图7a为剖视图，图7b为爆炸视图。
[0032] 图8为冷工质导流件示意图，其中图8a为立体示意图，图8b为侧半剖视图，图8c为与模块化辐射换热件装配侧半剖视图，图8d为冷工质导流件加塞入模块化辐射换热件的
位置示意图。
[0033] 图9为本发明商业燃气采暖挤压铝合金辐射炉膛与炉膛底部的对流板式换热炉片总装配示意图。
具体实施方式
[0034] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作进一步地详细描述：
[0035] 实施案例一
[0036] 如图1所示，本发明一种模块化商业燃气采暖挤压铝合金辐射炉膛，包括多个模块化辐射换热件1，位于模块化辐射换热件1底部的下集箱2，位于模块化辐射换热件1顶部的上集箱3，位于模块化辐射换热件1两端的前端盖41和后端盖42。
[0037] 如图2b、图2c、图2d所示，所述模块化辐射换热件1包括开设在顶部与上集箱3连通的上集箱接口111以及开设在两侧底部与下集箱2连通的下集箱接口112、开设在上集箱接口111和下集箱接口112两侧的固定孔12及位于模块化辐射换热件1一侧面的凹槽13和位于另一侧面与凹槽13对应的凸棱14，模块化辐射换热件1内侧的辐射受热面上具有均匀排布的周向肋15，模块化辐射换热件1两侧底端都具有两对支撑脊16，模块化辐射换热件1内中空腔体为冷工质通道18，冷工质通道18内壁面位于固定孔12的两侧设有固定带17，用于防止固定在固定孔12中的密封螺栓72旋转滑移。
[0038] 所述模块化辐射换热件1厚度为3～8mm，需根据结构强度及换热量要求具体确定，如图2a1所示，模块化辐射换热件1整体形状呈圆弧段，圆弧段的圆心可沿着中轴线变化，形成各种直径不同的圆弧段，满足大气式燃烧器的较大的体积容的纳条件，同时亦能够减小模块化辐射换热件1整体形状截面积来适配现有低氧燃烧的全预混无焰燃烧器以满足目前燃烧器市场供应现状。
[0039] 如图2b所示，所述上集箱接口111和下集箱接口112截面形状为圆形，椭圆形或腰圆形，下集箱接口112截面积为上集箱接口111的一半，保证冷工质在模块化辐射换热件1中流速、流量均匀，上集箱接口111和下集箱接口112沿模块化辐射换热件1周向两侧开具固定孔12用以安放密封螺栓72。
[0040] 如图2所示，所述凸棱14的截面为正方形，其宽高均为1～2mm，凹槽13为与凸棱14相匹配的T形截面，装配时在凹槽13填入密封胶，配合凸棱14能同时起到定位及密封高温烟气的作用。
[0041] 如图2c所示，所述周向肋15按规律均匀排布在模块化辐射换热件1的辐射受热面上，为具有提高模块化辐射换热件1对流换热能力，增大模块化辐射换热件1吸热量占总换热量比例的等肋高且截面呈锯齿形、正弦函数波形、腰圆形、长方形的周向肋片。
[0042] 如图2d所示，每对所述支撑脊16呈对称“L”形截面，用以卡接支撑连接块73，支撑脊16厚度为2～8mm，长度为20～50mm以保证结构强度使模块化辐射换热件(1)以及连接在模块化辐射换热件1底部的对流板式换热炉片紧密连接。
[0043] 如图2c、图2d所示，所述固定带17为周向延展，处于模块化辐射换热件1冷工质通道顶侧，两条固定带17间距与密封螺栓72底部高度为10～20mm的螺母723宽度适配，在安装密封螺栓72旋紧紧固螺母721时提供水平方向的力，防止密封螺栓72旋转滑移，同时密封螺栓72底部螺母723上放置密封圈722，防止冷工质从固定孔12中泄露以满足模块化辐射换热件1和下集箱2或上集箱3的密封连接。
[0044] 如图5所示，所述上集箱3和下集箱2具有与模块化辐射换热件1相配的弧形底面，两侧开设腰圆形孔使螺栓连接适应装配时上集箱3和下集箱2高度的变化。
[0045] 如图1、图4c所示，所述前端盖41和后端盖42间沿端盖周向布置4～8个长螺杆71连接孔保证前端盖41和后端盖42与多个模块化辐射换热件1之间紧密连接，前端盖41和后端盖42的烟气侧敷设有适当厚度的隔热材料以最大的减少散
热损失，防止前端盖41和后端盖42干烧导致过热变形，同时前端盖41具有与大气式燃烧器尺寸适配的圆孔、火花塞孔和与燃烧器法兰连接的沉头孔，后端盖42则具有与燃烧器头部适配的凸起支柱，前端盖41和后端盖42确保圆柱形大气式燃烧器固定在辐射炉膛中稳定运行。
[0046] 如图6所示，所述模块化辐射换热件1与连接在模块化辐射换热件1底部的对流板式换热炉片间、整体方形结构的下集箱的上端面与模块化辐射换热件1间以及整体方形结构的的下集箱下端面与连接在整体方形结构的的下集箱底部的对流板式换热炉片间安放有密封垫片5，所述密封垫片5因内侧有一部分暴露于烟气中，需选取具有耐高温材质，且其截面呈直角梯形，烟气侧为长边，另一侧为短边，且直角梯形斜边与直角边间的角度θ呈2～8°，以保证压紧时能完全密封防止泄露。
[0047] 如图9所示，所述模块化辐射换热件1装配好后可连接铸铝硅冷凝换热器、铸铁换热器或不锈钢换热器等多种形式换热器以构成完整的冷凝锅炉，过渡管道6根据连接的换热器冷工质出口情况采用一分二的分流形式或两侧直供的连接形式，分节点处于两下集箱2的中点，保证冷工质行程一致、阻力相同且流量均匀，过渡管道6在采用一分二的分流形式时，中间的分支节点处采用三通连接或压板紧固连接。
[0048] 如图1所示，所述长螺杆71用于连接多个模块化辐射换热件1和前后端盖4；如图3a所示，密封螺栓72用于连接模块化辐射换热件1，下集箱2和上集箱3；如图3b所示，连接块73用于连接模块化辐射换热件1和连接在模块化辐射换热件1底部的对流板式换热炉片。
[0049] 所述密封螺栓72底部为螺母723，高度为10～20mm，在安装密封螺栓72旋紧紧固螺母721时提供水平方向的力，防止密封螺栓72旋转滑移，密封螺栓72上部为圆柱结构，内外均开有
螺纹，外部螺纹用以旋上紧固螺母721，使密封螺栓72紧固在模块化辐射换热件1上，如图7a所示，内部螺纹旋入对应的螺栓使密封螺栓72与下集箱2或上集箱3紧密连接，密封螺栓72底部螺母结构上放置密封圈722，防止冷工质从固定孔12中泄露。
[0050] 所述连接块73底部开有
螺纹孔用以结合螺栓使模块化辐射换热件1和对流板式换热炉片紧密连接，连接块73下部呈类“凸”字截面与对称“L”形截面的支撑脊16配合卡接，连接块73上部呈方形，连接块73上部压抵支撑脊16使模块化辐射换热件1和对流板式换热炉片紧密连接，如图7a、图7b所示。
[0051] 所述模块化辐射换热件1、下集箱2和上集箱3采用挤压铝合金材质，前端盖41和后端盖42与采用底置整体方形结构的下集箱采用不锈钢材质，过渡管道6采用导热系数低的钢材或塑料材质。
[0052] 实施案例二
[0053] 图2a2为底部垂直段和上端圆弧段及平直顶结构形状的模块化辐射换热件示意图。
[0054] 在本实施例中，对于与实施案例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
[0055] 所述模块化辐射换热件1整体形状包括底部垂直段和上端圆弧段，同时上端圆弧段具有平直顶部，能使上集箱3和下集箱2的底端为平直结构，使挤压工艺与装配过程更加简单。
[0056] 实施案例三
[0057] 图4为下集箱采用整体方形结构示意图，其中：图4a为立体示意图，图4b为剖面冷工质流动示意图，图4c为装配示意图。
[0058] 在本实施例中，对于与实施案例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
[0059] 所述下集箱2为整体方形结构设计，布置在模块化辐射换热件1底端，以优化冷工质流动状态消除模块化辐射换热件1底部冷工质流动死区，下集箱2具有两个冷工质入口与两个“L”形互不相通的流道，整体方形结构的下集箱内充满冷工质有效冷却烟气侧壁温。
[0060] 实施案例四
[0061] 图8为冷工质导流件示意图，其中图8a为立体示意图，图8b为侧半剖视图，图8c为与模块化辐射换热件装配侧半剖视图，图8d为冷工质导流件加塞入模块化辐射换热件的位置示意图。
[0062] 在本实施例中，对于与实施案例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
[0063] 所述模块化辐射换热件1采用侧置两个下集箱2时，下集箱接口112与模块化辐射换热件1底端存在的高度差会导致模块化辐射换热件1底端存在冷工质流动死区，为消除死区采用冷工质导流件进行导流改善，向模块化辐射换热件1底部加塞冷工质导流件19，所述冷工质导流件19朝向下集箱接口112的一面开有与固定带17相适配的凹槽，最后冷工质流动方式如图8c中箭头指向所示，冷工质导流件19整体采用不锈钢胀接或塑料过盈配合形式模块化辐射换热件1配合。
