技术领域
[0001] 本实用新型属于提高
能量利用效率、节能环保的热交换换热器领域，具体涉及一种气电耦合极限冷凝的铸铝硅镁燃气热水炉结构。
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主要采用
铸铁模
块换热器、
焊接不锈
钢管换热器、铸铝硅镁
合金模块换热器及全
铜管换热器形式。铸铝硅镁合金不似共晶
铸铁导热系数较低，多回程大烟
风阻
力的设计且体积大显笨重，全程无冷凝等特性，也没有焊接
不锈钢管导热系数低且焊接之后在冷凝水活性离子和焊接残余
应力的双重作用会发生应力
腐蚀开裂(SCC)等问题，价格也远比导热系数高的全铜管低廉。铸铝硅镁合金商用燃气采暖热水炉采用
铸造的模块化冷凝换热器能有效地避免焊接工艺使用，兼具安装方便，易于检修，设计灵活等多种优势。尤其是Cl-离子含量小于100mg/L时，铸铝硅镁合金具有较好的抗腐蚀能力，铸铝硅镁合金导热系数比较高，是不锈钢的8倍，冷凝换热器非常紧凑，显著提高冷凝换热系数，极大地减轻设备重量。这些优势使得铸铝硅镁商用燃气采暖热水炉在清洁供暖改造中获得巨大的市场份额。
[0004] 但目前在售的商用燃气采暖热水炉宣传达到高于108％的超高效率均是在较低负荷(小于20％)下换热器充分吸收烟气中热能时测得，但商用燃气采暖热水炉都是变负荷运行，随着负荷的提高商用燃气采暖热水炉的热效率逐渐降低，同时对于有较高的出水(80℃)、回水 (60℃)温度时，商用燃气采暖热水炉的热效率都较为低下(～96％)。据统计，燃气采暖每年消耗我国天然气总量的17％，若采用本
专利进行深度节能，克服高负荷极少
潜热利用的
缺陷，若都实现烟气的极限降温每年可节约天然气约50亿m3，减少PM2.5排放4672吨，减少 NOx排放33340吨，节约天然气直接经济效益达150亿元。同时商用燃气采暖热水炉结构设计上依旧存在诸多问题，首先典型的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、WO2016/055392A1等，该结构易出现
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，其次由于大多数商用燃气采暖热水炉在供暖季的冷凝潜热吸收量极低，使得炉片采用单一的圆形截面针翅结构，而在采用
热泵辅助深度冷凝的超高效铸铝硅镁燃气采暖炉系统中冷凝换热段的针翅结构需要作出相应的调整，有效撕裂壁面及针翅上的冷凝液膜以确保炉片高的传热传质性能。
发明内容
[0005] 为了解决上述商用燃气采暖热水炉随着负荷的提高热效率降低，对于高参数出水、回水温度烟气潜热回收量少热的难题，并强化
热交换器的传热、传质能力，充分利用天然气的
燃烧热供暖，同时解决商用燃气采暖热水炉下降水道导致的过冷沸腾导致的传热恶化现象。本实用新型提供一种气电耦合极限冷凝的铸铝硅镁燃气热水炉结构。
[0006] 本实用新型通过以下技术方案予以实现：
[0007] 一种气电耦合极限冷凝的铸铝硅镁燃气热水炉结构，包括多个模块化换热炉片1，通过管道2连接多个模块化换热炉片1与
板式换热器3及热泵4形成供暖回路，管道2的连通由位于板式换热器3的回水管道支路、热泵4冷端及冷端与热端交汇处的
阀组5控制；
[0008] 所述模块化换热炉片1包含进出口
流体接口11，固定
耳12及位于模块化换热炉片1侧面上的
型砂孔13，模块化换热炉片1的
辐射受热区尾部有导流肋14，模块化换热炉片1
对流换热面上按规律排布着组合针翅15，模块化换热炉片1一侧开有清灰口16模块化换热炉片1内部包含上部水道171与下部水道172。
[0009] 所述模块化换热炉片1的换热区域厚度为5～7mm，为节省材料并保证结构强度，非换热区的设计壁厚为8～30mm。
[0010] 所述进出口流体接口11用以连接管道2，采用与模块化换热炉片1端面齐平或凸台设计，顶端开有深度为2～4mm直径比进出口流体接口11大10～15mm的凹槽用以放置
密封圈，进出口流体接口11 上下方开有
螺纹孔用以连接
螺栓保证模块化换热炉片1与管道2紧密连接防止冷工质
泄漏。
[0011] 所述导流肋14排布在模块化换热炉片1辐射受热区尾部，为具有提高换热系数和导流功能的等翅高且截面呈类半圆形、按一定的间距规则排列的纵向肋片。
[0012] 所述组合针翅15为多种截面形状的组合型翅片，采用均匀的一排或两排为一组的高低错列针翅型设计，能够有效地防止烟气走廊现象，组合针翅15在模块化换热炉片1辐射与对流受热面过渡面上的截面呈圆形，高度较低且分布稀疏，随着烟气温度、辐射量降低，针翅的高度也逐步提高，在烟温低于500℃的对流受热面上针翅高度达到最大且
密度最高，可采用加强肋垂直连接结构，有效加强针翅结构强度，降低拔模难度并增大对流换热面积并起到烟气导流作用；在烟温达到65℃以下的冷凝换热区域采用菱形针翅结构，或采用菱形针翅加上斜肋形成“正八字”型结构，也可采用截面呈上半圆形下半菱形且随着高度方向菱形长度越短的三维结构针翅，这种结构能够保证足够的换热面积并有效撕裂冷凝水液膜使冷凝液顺着针翅流向模块化换热炉片1壁面开有的沟槽中，强化模块化换热炉片1冷凝换热段的传热传质性能，组合针翅15的高度和错列间距及的组合排列分布根据模拟计算及实验具体确定，模块化换热炉片1的冷凝换热区采用三
角形直角三角形、等腰三角形或矩形的钝体突起设计，该结构对冷凝液膜的强烈换向形成前后侧液膜射流，强烈对冲针翅和壁面撕裂液膜以强化传热传质性能。
[0013] 所述清灰口16开设在与进出口流体接口11相对的侧面，囊括整个烟气对流集中区，有效避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉片整体拆封，采用与之配套的密封盖密封防止烟气泄漏。
[0014] 所述下部水道172为2个管程，呈矩形截面，流通截面厚度为有 20～30mm，用以流通从热泵4冷端出水，充分吸收模块化换热炉片1 冷凝换热区烟气中冷凝潜热使系统效率时刻最大化；所述上部水道 171为4～8个管程，对应模块化换热炉片1的辐射受热区采用分流水道设计，全程无下降水道，防止过冷沸腾现象及非供暖期需长时间干法保护而冷工质难以排除导致的腐蚀等问题，上部水道171与下部水道172内采用
重心偏向来流方向的风筝形及近壁面的半风筝形截面拉筋以增强模块化换热炉片1结构强度并增大换热面积强化换热效果的同时能有效撕裂减薄液膜厚度减小尾迹区，保证工质
流动阻力小流动均匀，上部水道171与下部水道172转弯上部采用横向部分与水平呈4～10°夹角的弧形截面拉筋以消除冷工质流动惯性导致的流速流量分配不均现象，将进出口流体接口11出口布置在模块化换热炉片1顶端保证上部水道171分流后阻力大致相同，同时在不采用热泵 4的情况下可以将下部水道172与上部水道171连接即可贯通模块化换热炉片1内水道获取最大换热效果。
[0015] 所述模块化换热炉片1的冷凝换热区采用四面体凸起设计，有效撕裂壁面厚液膜加强冷凝液流动并增大换热面积；模块化换热炉片1 的对流换热面上采用表面纵向波纹设计，波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数
波形，增大模块化换热炉片1的换热面积并增强流体扰动，提高传热效果，在具体制作生产时根据制作成本，换热效率和工质流动情况选择波纹形状并确定各个表面波纹长度与高度。
[0016] 所述模块化换热炉片1的前后端面及具有进出口流体接口11的端面经
铣床加工并进一步打磨
抛光，确保端面平整并同处于一个面上，之后再在模块化换热炉片1的前后端面预设
位置上开具2～5mm 宽的方形槽密封槽，并根据其具体的尺寸生产配套的密封
垫圈或直接涂塞具弹性、耐高温特性的
密封胶，使用螺杆穿过固定耳12使多个模块化换热炉片1之间紧密连接防止漏气。
[0017] 所述模块化换热炉片1采用整体铸造工艺，选用ZL101、ZL102、 ZL104或AlSi10Mg牌号铸铝硅镁合金，模块化换热炉片1的冷凝换热区壁面及针翅上构建超疏水膜，使之具有超疏水性、自清洁性和
耐腐蚀性，使模块化换热炉片1烟气
侧壁面耐腐蚀、传热传质性能提高，表面光洁度提高，防积灰。
[0018] 与
现有技术相比较，本实用新型具有如下优点：
[0019] 1、本实用新型采用耦合热泵设计，使整个供暖系统在高参数的出、回水及高负荷运行条件依旧能保证最多的利用烟气中水蒸气冷凝潜热使供暖系统热效率一直处于最高水平。
[0020] 2、本实用新型采用模块化换热炉片双水道设计可实现外接热泵耦合及在热泵工作效率不高的条件下商用燃气采暖热水炉直供的循环形式，合理的管道设计及智能化操作使两种循环方式迅速切换。
[0021] 3、本实用新型采用辐射受热区分流水道设计，全程无下降水道，在保证型砂能倒出且流量分布均匀的同时扩大了辐射受热面积并杜绝了过冷沸腾导致传热恶化现象的发生，同时解决了非供暖期需长时间干法保护而冷工质难以排除导致的腐蚀等问题。
[0022] 4、本实用新型采用均匀的一排或两排为一组的高低错列的多种截面形状的组合型翅片及冷凝换热区的钝体突起设计，可有效地防止烟气走廊现象并降低组装难度同时能够加强烟气对翅片的冲刷，冷凝换热区的三维结构针翅有效撕裂针翅上液膜并一定的斜度使液滴沿翅流动至壁面沟槽中，极大地增强了商用燃气采暖热水炉传热传质性能，利用钝体突起对冷凝液膜的强烈换向形成前后侧液膜射流，强烈对冲针翅和壁面撕裂液膜以强化传热传质性能，这是传统结构所不具备的最大优势，传统结构烟道两侧液膜只是顺着各自壁面向下流动，仅依靠针翅扰流撕裂液膜，缺少两侧烟道壁面液膜的液体强烈对冲、射流冲击的强烈强化传热传质的作用。
[0023] 5、本实用新型中模块化换热炉片对流换热区壁面、冷凝换热段钝体突起可采用表面纵向波纹设计，模块化换热炉片对流换热区壁面同样可采用四面体凸起设计，有效增大换热面积并增强流体扰动，提高传热效果。
附图说明
[0024] 图1为本实用新型气电耦合极限冷凝的铸铝硅镁燃气热水炉结构系统连接示意图。
[0025] 图2为圆形与三维结构的组合型针翅模块化换热炉片示意图，其中图2a为主视图，图2b为侧视图，图2c为水道剖面图，图2d为拉筋示意图(图2d1为半风筝形截面拉筋，图2d2为风筝形截面拉筋)，图2e为针翅高低错列示意图(图2e1为一排为一组的高低错列针翅，图2e2为两排为一组的高低错列针翅)，图2f为三维结构针翅与沟槽示意图。
[0026] 图3为冷凝换热区示意图。
[0027] 图4为对流换热集中区错列针翅及加强肋示意图。
[0028] 图5为冷凝换热区菱形翅及斜肋示意图，其中图5a为主视图，图5b为立体示意图。
[0029] 图6为冷凝换热区钝体突起示意图，其中图6a为主视图，图6b 为侧视剖面图。
[0030] 图7为进出口流体接口凸台设计示意图。
[0031] 图8为冷凝换热区壁面四面体凸起结构示意图。
[0032] 图9为冷凝换热区矩形、锯齿形、或正弦函数波形表面波纹示意图示意图。
具体实施方式
[0033] 下面结合附图和具体
实施例对本实用新型作进一步地详细描述：
[0034] 如图1所示，本实用新型一种气电耦合极限冷凝的铸铝硅镁燃气热水炉结构，包括多个模块化换热炉片1，通过管道2连接多个模块化换热炉片1与板式换热器3及热泵4形成供暖回路，管道2的连通由位于板式换热器3的回水管道支路、热泵4冷端及冷端与热端交汇处的阀组5控制。
[0035] 实施案例一
[0036] 如图2a、图2b、图2c所述模块化换热炉片1包含进出口流体接口11，固定耳12及位于模块化换热炉片1侧面上的型砂孔13，模块化换热炉片1的辐射受热区尾部有导流肋14，模块化换热炉片1对流换热面上按规律排布着组合针翅15，模块化换热炉片1一侧开有清灰口16，模块化换热炉片1内部包含上部水道171与下部水道172。
[0037] 所述模块化换热炉片1换热区域厚度为5～7mm，为节省材料并保证结构强度，非换热区的设计壁厚为8～30mm。
[0038] 如图2b所示，所述进出口流体接口11用以连接管道2，顶端开有深度为2～4mm直径比进出口流体接口11大10～15mm的凹槽以供放置密封圈，进出口流体接口11上下方开有
螺纹孔用以连接螺栓保证模块化换热炉片1与管道2紧密连接防止冷工质泄漏。
[0039] 如图2a所示，所述导流肋14排布在模块化换热炉片1辐射受热区尾部，为具有提高换热系数和导流功能的等翅高且截面呈类半圆形、按一定的间距规则排列的纵向肋片。
[0040] 所述组合针翅15为多种截面形状的组合型翅片，如图2e所示采用均匀的一排(图2e1)或两排(图2e2)为一组的高低错列针翅型设计，能够有效地防止烟气走廊现象，组合针翅15在模块化换热炉片1辐射受热区尾部与对流受热面过渡面上的截面呈圆形，高度较低且分布稀疏，随着烟气温度、辐射量降低，针翅的高度也逐步提高，在烟温低于500℃的对流受热面上针翅高度达到最大且密度最高；如图3所示在烟温达到65℃以下的冷凝换热区域采用截面呈上半圆形下半菱形且随着高度方向菱形长度越短的三维结构针翅，这种结构能够保证足够的换热面积并有效撕裂冷凝水液膜使冷凝液顺着针翅流向模块化换热炉片1壁面开有的沟槽中，强化模块化换热炉片1冷凝换热段的传热传质性能，组合针翅15的高度和错列间距及的组合排列分布根据模拟计算及实验具体确定。
[0041] 如图2a所示，所述清灰口16开设在与进出口流体接口11相对的侧面，囊括整个烟气对流集中区，有效避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉片整体拆封，采用与之配套的密封盖密封防止烟气泄露。
[0042] 如图2c所示，所述下部水道172为2个管程，呈矩形截面，流通截面厚度为有20～30mm，用以流通从热泵4冷端出水，充分吸收模块化换热炉片1冷凝换热区烟气中冷凝潜热使系统效率时刻最大化；所述上部水道171为4～8个管程，对应模块化换热炉片1的辐射受热区采用分流水道设计，全程无下降水道，防止过冷沸腾现象及非供暖期需长时间干法保护而冷工质难以排除导致的腐蚀等问题，上部水道171与下部水道172内采用如图2d1、图
2d2所示的重心偏向来流方向的风筝形及近壁面的半风筝形截面拉筋以增强模块化换热炉片1结构强度并增大换热面积强化换热效果的同时能有效撕裂减薄液膜厚度减小尾迹区，保证工质流动阻力小流动均匀，上部水道171 与下部水道172转弯上部采用横向部分与水平呈4～10°夹角的弧形截面拉筋以消除冷工质流动惯性导致的流速流量分配不均现象，将进出口流体接口11出口布置在模块化换热炉片1顶端保证上部水道 171分流后阻力大致相同，同时在不采用热泵4的情况下可以将下部水道172与上部水道171连接即可贯通模块化换热炉片1内水道获取最大换热效果。
[0043] 如图8所示，所述模块化换热炉片1的冷凝换热区采用四面体凸起设计，有效撕裂壁面厚液膜加强冷凝液流动并增大换热面积；如图 9所示，模块化换热炉片1的对流换热面上采用表面纵向波纹设计，波纹形式为锯齿形、矩形或正弦函数波形，增大模块化换热炉片1的换热面积并增强流体扰动，提高传热效果，在具体制作生产时根据制作成本，换热效率和工质流动情况选择波纹形状并确定各个表面波纹长度与高度。
[0044] 所述模块化换热炉片1的前后端面及具有进出口流体接口11的端面经铣床加工并进一步打磨抛光，确保端面平整并同处于一个面上，之后再在模块化换热炉片1的前后端面在合适位置上开具2～5mm 宽的方形槽密封槽14，并根据其具体的尺寸生产配套的密封垫圈或直接涂塞具弹性、耐高温特性的密封胶，使用螺杆穿过固定耳12使多个模块化换热炉片1之间紧密连接防止漏气。
[0045] 实施案例二
[0046] 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。
[0047] 所述模块化换热炉片1的壁厚较薄，沟槽难以铸造的情况下，如图2e所示可采用菱形凸台设计，菱形凸台高度为5～10mm，通过加高菱形对流换热面使模块化换热炉片1壁面相对形成“沟槽”起冷凝液导流作用。
[0048] 实施案例三
[0049] 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。
[0050] 所述模块化换热炉片1的对流换热集中区错列圆形针翅采用如图4所示厚度为2～4mm、高度为5～15mm的加强肋连接，有效加强针翅结构强度降低拔模难度的同时增大对流换热面积并起到烟气导流作用。
[0051] 实施案例四
[0052] 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。
[0053] 所述模块化换热炉片1的冷凝换热区采用如图5中的图5a和图 5b所示的错列菱形针翅，并有2～4个为一组错列连接针翅的斜肋形成“正八字”型结构，斜肋高度为5～10mm或与菱形翅等高，冷凝换热区末端需留出4排以上的菱形翅以保证均流烟气，这种菱形针翅与斜肋的组合结构能有效撕裂针翅上液膜并使冷凝液顺沿斜肋向两侧流动，为中心烟气扩大流动区域，减小烟气中水蒸气扩散至针翅及壁面阻力，强化冷凝换热区传热传质能力。
[0054] 实施案例五
[0055] 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。
[0056] 如图6中的图6a和图6b所示，所述模块化换热炉片1的冷凝换热区启凝后错列菱形间隙中处添加截面为三角形或其他合理形状的钝体突起，起到冷凝液膜形成后的强烈换向使之射流，强烈对冲针翅和壁面撕裂液膜以强化传热传质性能。
[0057] 实施案例六
[0058] 在本实施例中，可采用上述任一案例中的模块化换热元件1结构进行连接组合。
[0059] 所述进出口流体接口11采用如图7所示的凸台设计，可有效减少加工面，降低加工成本。
