CN107192282A - 一种结构紧凑的燃烧余热利用换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃烧余热利用换热装置，包括换热芯体、换热芯体前支撑体和换热芯体后支撑体，所述换热芯体、前支撑体和后支撑体设置在废气烟道内，所述换热芯体包括外壳和多根换热管，所述前支撑体和后支撑体分别位于换热芯体两端，与换热芯体共同形成换热装置的气侧通道；所述前支撑体连接换热芯体外壳和烟道管壁，所述后支撑体连接换热芯体外壳和烟道管壁，所述前支撑体、后支撑体、换热芯体外壳和烟道管壁共同形成换热装置的液体进口集箱和出口集箱。本发明利用烟道管壁形成换热装置的进口集箱和出口集箱，将换热装置整体都设置在废气烟道内，避免单独设置进口集箱和出口集箱，使得换热装置占据空间少，结构紧凑。

Description

一种结构紧凑的燃烧余热利用换热装置

技术领域

本发明属于换热领域，具体涉及一种余热利用的管壳式换热装置。

背景技术

近十年来，由于能源紧张，随着节能工作进一步开展。各种新型，节能先进炉型日趋完善，且采用新型耐火纤维等优质保温材料后使得炉窑散热损失明显下降。采用先进的燃烧装置强化了燃烧，降低了不完全燃烧量，空燃比也趋于合理。然而，降低排烟热损失和回收烟气余热的技术仍进展不快。为了进一步提高窑炉的热效率，达到节能降耗的目的，回收烟气余热也是一项重要的节能途径。

烟气是一般耗能设备浪费能量的主要途径，比如锅炉排烟耗能大约在15％，而其他设备比如印染行业的定型机、烘干机以及窑炉等主要耗能都是通过烟气排放。烟气余热回收主要是通过某种换热方式将烟气携带的热量转换成可以利用的热量。

烟气余热回收途径通常采用二种方法:一种是预热工件；二种是预热空气进行助燃。烟气预热工件需占用较大的体积进行热交换，往往受到作业场地的限制。预热空气助燃是一种较好的方法，一般配置在加热炉上，也可强化燃烧,加快炉子的升温速度，提高炉子热工性能。

我国幅员辽阔，气候与地形环境复杂，特种车辆动力传动系统面临极寒环境下摩擦副抱死、润滑不良、蓄电池供电能力下降及低气压环境下发动机点火困难等不利因素，大大降低了车辆的可靠性。加温器作为一种燃烧换热装置，通过冷却液传递热量，可以在极端环境下对车辆的冷却系统、润滑系统、传动系统、动力系统等进行加温，使各系统达到最佳工作状态，消除车辆起动面临的不利因素。同时，车辆的轻量化及多种极端环境条件的适应性对加温器提出了高功率密度，高度集成，高效低耗，高自适应性的要求。这样既满足工艺的要求，最后也可获得显著的综合节能效果。

现有加温器普遍面临热流密度与换热效率较低的问题，解决这些问题关键在于增加换热面积、降低流动阻力、提高换热介质温差及对流换热系数等，相同体积的情况下，传统换热结构已无法满足现实需要，基于以上背景技术和试验研究，本发明提出一种换热装置。

发明内容

本发明的目的在于解决现有余热利用换热装置换热效率低、重量大、占据体积大、耐高温性能差的问题，提出一种结构紧凑、耐高温、功率密度大、换热效率高的换热装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种废气余热利用换热装置，包括换热芯体、换热芯体前支撑体和换热芯体后支撑体，所述换热芯体、前支撑体和后支撑体设置在废气烟道内，所述换热芯体包括盖板和多根换热管，所述前支撑体和后支撑体分别位于换热芯体两端，与换热芯体共同形成换热装置的气侧通道；所述前支撑体连接换热芯体盖板和烟道管壁，所述后支撑体连接换热芯体盖板和烟道管壁，所述前支撑体、后支撑体、换热芯体盖板和烟道管壁共同形成换热装置的液体进口集箱和出口集箱。

作为优选，所述前支撑体和后支撑体为管状结构，所述前支撑体管壁两端连接盖板和烟道管壁，后支撑体的管壁两端连接盖板和烟道管壁。

作为优选，所述换热装置的进口管和出口管分别设置在烟道管壁上并分别连通进口集箱和出口集箱。

作为优选，进口集箱位于烟道的下部，出口集箱位于烟道的上部。

作为优选，所述废气烟道是燃烧室安装筒，换热装置的废气入口温度为1200－1400摄氏度。

作为优选，所述换热装置设置第一排气口和第二排气口，所述第一排气口设置在上集箱的废气烟道的管壁上，所述第二排气口设置在出水管上。

作为优选，前支撑体与后支撑体为中空的方-圆过渡结构，一侧端面为方形，一侧端面为圆形，其中，前支撑体的方形端面与换热芯体圆管一侧端面相连并固定、密封，圆形端面与前部燃烧室安装筒后端面出风口处固定、密封；后支撑体的方形端面与换热芯体扁管一侧端面相连并固定、密封，圆形端面与后部法兰装置出风口处固定、密封。

作为优选，所述换热管包括圆管，所述圆管内分段设置多个分散换热结构，所述分散换热结构包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括由若干数量的格栅片排列组合而成，格栅片之间连接形成格删孔。

作为优选，所述换热管内壁设置凹槽，所述分散换热结构的外壳设置在凹槽内，所述外壳的内壁与圆管的内壁对齐。

作为优选，相邻分散换热结构之间的距离为L，分散换热结构的长度为C，换热管的直径为D，格删孔的流体流通面积为A，格删孔的流体流通的周长为Z，满足如下要求：

L/C＝a-b*LN(D/E)；

E＝4*A/Z；

其中LN是对数函数，a,b是参数，其中4.9<a<6.1,1.3<b<2.1；

其中分散换热结构的间距是以相邻分散换热结构相对的两端之间的距离；

10<D<18mm；

8<C<15mm；

25<L<35mm。

作为优选，格删孔为正方形。

作为优选，所述的余热利用换热装置设置在燃烧器的废气烟道中，优选为加温器的烟道。

与现有技术相比较，本发明的具有如下的优点：

1)本发明所述的换热装置，利用烟道管壁形成换热装置的进口集箱和出口集箱，避免单独设置进口集箱和出口集箱，使得换热装置占据空间少，降低换热芯体体积与重量，结构紧凑。

2)本发明所述的换热装置，换热芯体采用圆管形换热管，所述换热管直径沿着烟气流动方向逐渐变小，可有效降低水侧的膜态沸腾现象，增加了水侧对流换热强度，降低了换热芯体的热负荷，提高了换热效率。

3)本发明所述的换热装置，圆管内的分散换热结构的间距随着距离圆管入口的距离不断的减小，可有效降低水侧的膜态沸腾现象，增加了水侧对流换热强度，降低了换热芯体的热负荷，提高了换热效率。

4)本发明所述的换热装置，圆管内的分散换热结构的长度随着距离圆管入口的距离不断的减小，可有效降低水侧的膜态沸腾现象，增加了水侧对流换热强度，降低了换热芯体的热负荷，提高了换热效率。

5)本发明所述的换热装置，在换热管内设置格删式分散换热结构，对换热管内的汽水混合物进行分隔，有效降低水侧的膜态沸腾现象，增加了水侧对流换热强度，降低了换热芯体的热负荷，提高了换热效率。

6)本发明对分散换热结构的结构进行了优化设计通过大量的数值模拟及其实验得到了最佳的分散换热结构优化尺寸，进一步提高换热效率。

7)本发明所述的换热装置，所述换热芯体为圆管-扁管组合式换热结构，换热芯体前端采用薄壁圆管形换热结构，在换热芯体后端采用多排薄壁扁管式换热结构，在不同位置根据吸热量不同采用不同的换热结构，有效降低水侧的膜态沸腾现象，降低了换热芯体的热负荷，提高了换热效率。

8)本发明所述的换热装置，热交换体上、下壳体上设有挡板与导流板，用于引导水侧液体按数值模拟优化结论流动，进入进水管的液体在下壳体底面及侧面挡板的阻挡作用下，大部分进入换热芯体周围的水侧通道内，并在下壳体底面半缺口的两导流板分流下，由换热芯体底部由下向上流经圆管与扁管内部并进入出水管，在提高换热温差的同时降低了换热芯体的热负荷。同时，进入前支撑体与热交换体壳体之间的液体对前支撑体起到了冷却作用，提高了其可靠性，后支撑体周围的液体与燃烧排气进行换热，提高了热量利用率。

9)本发明所述的换热装置，热交换体上、下壳体在对接处采用覆盖结构，可以起到加强结构稳定性的作用，上壳体方形结构中间区域设置有向外的方形凹槽，同时方形结构前、后两端设置的挡板上开有通孔，便于换热装置内部气体向出水管处聚集和排出，避免因积气造成换热装置热负荷增加。

10)本发明所述的一种换热装置，前端设置有燃烧室安装结构，后端设置有排烟装置固定法兰结构，提高了燃烧换热装置的集成度，便于燃烧与换热装置的维护、保养。

附图说明

图1是本发明的换热装置的一种实施例的主视图；

图2是本发明的换热装置的一种实施例的右视图；

图3是本发明的换热芯体水侧结构图；

图4是本发明的换热芯体气侧结构图；

图5是本发明的热交换体上壳体结构图；

图6是本发明的热交换体下壳体结构图；

图7是本发明分散换热结构横截面结构示意图；

图8是本发明分散换热结构在换热管内布置示意图；

图9是是本发明分散换热结构在换热管内布置的另一个示意图。

图10是是本发明分散换热结构在换热管内布置横截面示意图。

图中：1.换热芯体；2.前支撑体；3.后支撑体；4.热交换体上壳体；5.热交换体下壳体；6.上壳体前框式挡板；7.上壳体后框式挡板；8.下壳体侧挡板；9.下壳体后框式挡板；10.前导流板；11.后导流板；12.燃烧室安装筒；13.固定法兰；14.出水管；15.前放气口；16.后放气口；17.圆管；18.扁管；19.水侧盖板；20.气侧盖板；21.直齿形紊流片；22.锯齿形翅片；23.上壳体上挡板；24.上壳体侧挡板；25.下壳体侧挡板；26.下壳体上挡板；27.下壳体前导流板；28.下壳体后导流板；29.轴向下挡板；30.轴向侧挡板；31.进水管；32、分散换热结构，33分散换热结构外壳，34格栅孔，35格栅片，36换热芯体上盖板，37进口集箱，38出口集箱，中间部件39，下盖板40。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1-6所示的一种废气余热利用换热装置，包括换热芯体1、换热芯体前支撑体2和换热芯体后支撑体3，所述换热芯体1、前支撑体2和后支撑体3设置在废气烟道12内，所述换热芯体1包括上盖板36、下盖板40和多根换热管，换热管连接贯穿上盖板36和下盖板40，所述前支撑体2和后支撑体3分别位于换热芯体1两端，与换热芯体1共同形成换热装置的气侧通道；所述前支撑体1连接换热芯体上盖板36、下盖板40和烟道12管壁，所述后支撑体2连接换热芯体上盖板36、下盖板40和烟道12管壁，所述前支撑体2、后支撑体3、换热芯体盖板36和烟道12管壁共同形成换热装置的液体进口集箱37和出口集箱38。

本发明所述的换热装置，将管壁作为换热装置的进口集箱和出口集箱的一个部件，利用烟道管壁形成换热装置的进口集箱和出口集箱，将换热装置整体都设置在废气烟道内，避免单独设置进口集箱和出口集箱，使得换热装置占据空间少，降低换热芯体体积与重量，结构紧凑。

作为优选，所述前支撑体2和后支撑体3为管状结构，所述前支撑体2管壁两端连接盖板36、40和烟道管壁，后支撑体3的管壁两端连接盖板36、40和烟道管壁。

通过如此设置，使得前支撑体2和后支撑体3分别形成换热装置废气侧的废气入口和废气出口，进一步使得结构紧凑。

作为优选，所述的前支撑体2、后支撑体3的管壁通过中间部件39连接烟道12管壁，所述中间部件39为弯曲的板状结构，如图1所示。

作为优选，所述换热装置的进水管31和出水管14分别设置在烟道12管壁上并分别连通进口集箱和出口集箱。

作为优选，进口集箱38位于烟道的下部，出口集37管位于烟道的上部。

作为优选，所述换热管包括圆管17，所述圆管17垂至于废气流动方向布置，沿着废气流动方向，圆管17的直径越来越小。设距离废气入口的距离为S，则圆管的内径为D，设D＝F(S)，则F’(S)<0，F’(S)是F(S)的一次导数。

因为余热利用换热装置的进口废气温度很高，因此使得换热管内的液体形成汽水混合物，而且沿着烟气的流动方向，形成汽水混合物中的汽相比例越来越低，液相比例越来越高。因为前端的汽相比例高，因此占据的空间必然大，因此通过圆管直径的变化，使得换热装置的前端的圆管横截面积大，从而使得内部空间足以满足液相的分布以及满足换热管压力的要求，避免前部换热管压力过大，从而使得换热芯体整体所有换热管内压力均匀，避免具有压力过大，延长换热装置的使用寿命。

作为优选，则F”(S)>0，F”(S)是F(S)的二次导数。即沿着废气流动方向，圆管的直径越来越小的幅度不断增加。

通过实验发现，通过上F”(S)>0的设置，可以进一步满足不同位置圆管内的压力分布，进一步保证换热管内压力分布均匀。

作为优选，如图3所示，沿着烟气的流动方向，圆管17设置为多排，所述圆管17为错列结构，相邻圆管17的圆心之间的间距为圆管17外径的1.1-1.3倍。圆管17外径为相邻两根换热管外径的平均值。

作为优选，沿着废气流动方向，后一排圆管17的直径是相邻前排圆管直径的0.93-0.98倍。

上述的比例关系是通过大量的实验的最优的比例关系。通过上述的管径以及间距尺寸的设置，能够使得压力分布达到最优。

作为优选，前支撑体2形成气侧的进口通道，后支撑体3形成气侧的出口通道。

作为优选，所述换热管包括圆管17，所述圆管17内分段设置多个分隔换热结构32，所述分隔换热结构32包括芯体和外壳33，所述芯体设置在外壳33中，所述外壳33与圆管17内壁连接固定，所述芯体包括由若干数量的格栅片35，格栅片35之间连接形成格删孔34。

因为废气温度很高，使得圆管内的流程会形成汽液两相流，本发明在圆管内设置格栅换热分散换热结构，通过分散换热结构将两相流体中的液相和气相进行分离，将液相分散成小液团，将气相分散成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果。同时，本发明通过设置格栅分散换热结构，相当于在换热管内增加了内翅片，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将气液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分散，从而在整个换热管截面上实现气液界面以及气相边界层的分散与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

作为优选，所述分隔换热结构32的芯体是一体成型。

作为优选，所述分隔换热结构32的芯体是通过格栅片35焊接而成。

作为优选，作为优选，所述格栅片35上设置连通孔。通过连通孔实现格栅孔34之间的连通。

通过设置连通孔，可以保证相邻的格栅孔之间互相连通，能够均匀格栅孔之间的压力，使得高压流道的流体流向低压，同时也可以在流体流动的同时进一步分隔液相和气相，有利于进一步稳定两相流动。

作为优选，沿着圆管17内流体的流动方向(即图8的高度方向)，圆管17内设置多个分散换热结构32，从圆管的入口到圆管的出口，相邻分散换热结构之间的距离越来越短。设距离圆管入口的距离为H，相邻分散换热结构之间的距离为L，L＝F₁(H)，即L是以高度H为变量的函数，L’是L的一次导数，满足如下要求：

L’<0；

主要原因是因为圆管内的汽体在上升过程中会携带者液体，在上升过程中，圆管不断的受热，导致气液两相流中的汽体越来越多，因为汽液两相流中的汽相越来越多，圆管内的换热能力会随着汽相增多而相对减弱，震动及其噪音也会随着汽相增加而不断的增加。因此需要设置的相邻分散换热结构之间的距离越来越短。

此外，从圆管出口到上集管这一段，因为这一段的空间突然变大，空间的变化会导致气体的快速向上流出和聚集，因此空间变化会导致聚集的汽相(汽团)从圆管位置进入冷凝集管，由于气(汽)液密度差，气团离开接管位置将迅速向上运动，而气团原空间位置被气团推离壁面的液体同时也将迅速回弹并撞击壁面，形成撞击现象。气(汽)液相越不连续，气团聚集越大，水锤能量越大。撞击现象会造成较大的噪声震动和机械冲击，对设备造成破坏。因此为了避免这种现象的发生，此时设置的相邻分散换热结构之间的距离越来越短，从而不断的在流体输送过程中分隔气相和液相，从而最大程度上减少震动和噪音。

通过实验发现，通过上述的设置，既可以最大程度上减少震动和噪音，同时可以提高换热效果。

进一步优选，从圆管17的入口到圆管17的出口，相邻分散换热结构之间的距离越来越短的幅度不断增加。即S”是S的二次导数，满足如下要求：

L”>0；

通过实验发现，通过如此设置，能够进一步降低10％左右的震动和噪音，同时提高11％左右的换热效果。

作为优选，每个分散换热结构32的长度保持不变。

作为优选，除了相邻的分散换热结构32之间的距离外，分散换热结构其它的参数(例如长度、管径等)保持不变。

作为优选，沿着圆管17的高度方向，圆管17内设置多个分散换热结构32，从圆管17的入口到圆管17的出口，分散换热结构32的长度越来越长。即分散换热结构的长度为C，C＝F₂(X)，C’是C的一次导数，满足如下要求：

C’>0；

进一步优选，从圆管的入口到圆管的出口，分散换热结构的长度越来越长的幅度不断增加。即C”是C的二次导数，满足如下要求：

C”>0；

具体理由如相邻分散换热结构之间的距离的变化相同。

作为优选，相邻分散换热结构之间的距离保持不变。

作为优选，除了分散换热结构的长度外，分散换热结构其它的参数(例如相邻的间距、管径等)保持不变。

作为优选，沿着圆管17的高度方向，圆管17内设置多个分散换热结构，从圆管17的入口到圆管17的出口，不同分散换热结构32内的格栅孔41的水力直径越来越小。即分散换热结构的格栅孔水力直径为Z，Z＝F₃(X)，Z’是Z的一次导数，满足如下要求：

Z’<0；

作为优选，从圆管的入口到圆管的出口，分散换热结构的格栅孔水力直径越来越小的幅度不断增加。即

Z”是Z的二次导数，满足如下要求：

Z”>0。

具体理由如相邻分散换热结构之间的距离的变化相同。

作为优选，分散换热结构的长度和相邻分散换热结构的距离保持不变。

作为优选，除了分散换热结构的格栅孔水力直径外，分散换热结构其它的参数(例如长度、相邻分散换热结构之间的距离等)保持不变。

进一步优选，如图3所示，所述圆管17内部设置凹槽，所述分散换热结构32的外壳33设置在凹槽内。

作为优选，外壳33的内壁与圆管17的内壁对齐。通过对齐，使得圆管内壁面表面上达到在同一个平面上，保证表面的光滑。

作为优选，外壳33的厚度小于凹槽的深度，这样可以使得圆管内壁面形成凹槽，从而进行强化传热。

进一步优选，如图4所示，圆管17为多段结构焊接而成，多段结构的连接处设置分散换热结构32。这种方式使得设置分散换热结构的圆管的制造简单，成本降低。

通过分析以及实验得知，分散换热结构之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，格栅孔的外径也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力(总承压为2.5Mpa以下，或者单根圆管的沿程阻力小于等于5Pa/M)的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，相邻分散换热结构之间的距离为L，分散换热结构的长度为C，换热管的直径为D，格删孔的流体流通面积为A，格删孔的流体流通的周长为Z，满足如下要求：

L/C＝a-b*LN(D/E)；

E＝4*A/Z；

其中LN是对数函数，a,b是参数，其中4.9<a<6.1,1.3<b<2.1；

10<D<18mm；

8<C<15mm；

25<L<35mm。

作为优选，5.4<a<5.8,1.6<b<1.9；

作为优选，a＝5.52，b＝1.93。

其中分散换热结构的间距S是以相邻分散换热结构相对的两端之间的距离；即前面分散换热结构的尾端与后面分散换热结构的前端之间的距离。具体参见图9的标识。

换热管的直径D是指内径和外径的平均值。

作为优选，圆管长度S为140－200mm之间。进一步优选，160－180mm之间。

通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。

进一步优选，随着D/E的增加，a不断减小，b不断的增加。

对于其他的参数，例如管壁、壳体壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

作为优选，格栅孔34在分散换热结构32的整个长度方向延伸。即格栅孔34的长度等于分散换热结构32的长度。

通过上述设置，可以进一步强化传热，能够提高换热效率。

作为优选，所述换热管内壁设置凹槽，所述分散换热结构的外壳设置在凹槽内，所述外壳的内壁与圆管的内壁对齐。

作为优选，除了外壳33形成的格栅孔，其余的格删孔为正方形。

作为优选，所述的换热管包括圆管17和扁管18，所述圆管17分布在扁管18的前端。即沿着废气的流动方向，依次分布圆管17和扁管18。

主要原因在于废气入口侧温度高，因此液体容易沸腾，从而形成汽液两相流，因为圆管的形状为圆形，即使在相同换热面积情况下，圆管流通面积大，使得承压力能力强，而随着烟气的换热，后端的烟气温度相对较低，因此可以使用扁管，扁管因为形状为扁长形，流通空间小，液体在后端不会沸腾，因此不需要大通道可以满足压力要求，而且扁管换热面积大，从而使得强化传热。因此通过扁管和圆管的分布，使得换热装置整体上压力分布相对均匀，避免出现压力过大，而且换热能力相对增加。

作为优选，单根圆管的流体流通面积大于单根扁管。

作为优选，单根圆管的流体流通面积是单根扁管流通面积的2－3倍。

作为优选，所述的圆管17放置于换热芯体前侧，圆管17具有多排，每排含多个圆管17，相邻两排圆管17交错分布。所述的扁管18分多排紧邻圆管换热结构布置于换热芯体后侧，每排含多个扁管18，且相邻两排扁管前、后一一对应。

扁管18的延伸方向平行于烟气的流动方向。

作为优选，所述圆管17和扁管18内液体的流动方向都垂至于废气的流动方向。

作为优选，扁管内部设置翅片，将扁管内液体流道分为多个小流道。作为优选，沿着废气流动的方向，不同扁管内的小流道水力直径不断变小。设距离废气入口的距离为S，则扁管小流道的水力直径为d，设d＝F(S)，则F’(S)<0，F’(S)是F(S)的一次导数。

主要原因是沿着废气的流动方向，扁管内需要承受的压力越来越小，因此可以将水力直径变小，而且通过将水力半径变小，可以增加换热面积，提高换热能力。因此通过上述特征的设置，既可以满足压力要求，又可以实现强化传热。

作为优选，沿着废气流动方向，扁管小流道的水力直径为d的幅度不断增加。即F”(S)>0，F”(S)是F(S)的二次导数。

对于F”(S)>0，可以显著提高换热效果，并且实现压力平衡。上述的结果是通过大量的数值模拟和实验得到的结论。

作为优选，作为优选，沿着液体流动的方向，同一扁管内的小流道水力半径不断变小。设距离废气入口的距离为S，则扁管小流道的水力直径为d，设d＝F(S)，则F’(S)<0，F’(S)是F(S)的一次导数。

作为优选，沿着废气流动方向，同一扁管小流道的水力直径为d的幅度不断增加。则F”(S)>0，F”(S)是F(S)的二次导数。具体原因如同前面。

作为优选，扁管内的小流道横截面为长方形，尺寸为2x4mm。

作为优选，扁管间的小流道横截面为三角形。

作为优选，前支撑体与后支撑体为中空的方-圆过渡结构，一侧端面为方形，一侧端面为圆形，其中，前支撑体的方形端面与换热芯体圆管一侧端面相连并固定、密封，圆形端面与前部燃烧室安装筒后端面出风口处固定、密封；后支撑体的方形端面与换热芯体扁管一侧端面相连并固定、密封，圆形端面与后部法兰装置出风口处固定、密封。

作为优选，所述的余热利用换热装置设置在燃烧器的废气烟道中，优选为加温器的烟道。

作为优选，所述废气烟道12是燃烧室安装筒12。

作为优选，换热装置的废气入口温度为1200－1400摄氏度，优选为1300摄氏度。作为优选，前排圆管为耐高温不锈钢。

作为优选，所述换热装置设置排气口15，16，所述排气口15设置在上集箱的废气烟道17的管壁上，所述排气口16设置在出水管上。作为优选，排气口15，16根据压力情况自动排气。

下面结合附图对本发明具体优选的实施例进行详细说明。

本优选实施例中所涉及的换热装置包括换热芯体1，前支撑体2，后支撑体3，热交换体上壳体4及其上设置的上壳体前框式挡板6、上壳体后框式挡板7，热交换体下壳体5及其上设置的下壳体侧挡板8、下壳体后框式挡板9，前导流板10，后导流板11，进水管31，出水管14，燃烧室安装筒12，固定法兰13等。

所述换热芯体1为薄壁式圆管-管带组合换热结构，圆管17与扁管18内部为液体流动区域，圆管与圆管、扁管与扁管之间的区域为气体流动区域，每排扁管的相邻扁管之间设置有锯齿形翅片22，用于增加气侧通道换热面积，扁管内部设置有直齿形紊流片21，用于增加对流动液体的扰动。所述前支撑体2、后支撑体3的方形端面分别与换热芯体2气体流动区域两端面通过焊接固定，所述前支撑体2圆形端面与燃烧室安装筒12的后侧端面出气口连接、固定，所述后支撑体3圆形端面与固定法兰小直径端面圆孔对齐并固定，所述热交换体上壳体4与换热芯体水侧通道相对，位于换热芯体1与支撑体(2、3)上侧，所述热交换体下壳体5位于换热芯体2与支撑体(2、3)下侧，与热交换体上壳体4在两侧自由边处固定。上、下壳体(4、5)前、后端面分别与燃烧室安装筒12外侧面、固定法兰13小直径端外侧面固定、密封。所述热交换体上壳体前框式挡板6、后框式挡板7依壳体形状横向固定于方形部分的前、后两端，所述热交换体下壳体侧挡板25位于方形部分的前端，左、右两侧各固定一个，所述热交换体下壳体后框式挡板9依壳体形状横向固定于方形部分的后端，所述的阶梯形前导流板10、后导流板11固定于热交换体下壳体5底面、换热芯体2圆管所对应区域，挡板与导流板共同用于组织液体流场。所述进水管31、出水管14分别与热交换体上壳体4、热交换体下壳体5连接，用作换热装置与外界连接桥梁，与热交换体壳体4和5、换热芯体1液体流动区域及芯体支撑体2和3共同形成水侧流道。所述燃烧室安装筒12、前支撑体2、换热芯体1气体流动区域、后支撑体3、固定法兰13共同组成气侧流道。所述换热装置在实现流动换热的同时，具有耐高温、结构紧凑、换热效率及功率密度高的特点。

具体的，见图3和图4，换热芯体包括3排前、后交错排列的耐高温不锈钢圆管17、2排前、后对齐排列的不锈钢扁管18、2个水侧盖板19、2个气侧盖板20、42个锯齿形翅片22、40个直齿形紊流片21，其中圆管换热结构中的第一排与第三排圆管数量为9，第二排圆管数量为8，圆管壁厚为1mm，扁管换热结构中每排扁管数量为21，扁管壁厚为0.5mm，直齿形紊流片21与锯齿形翅片22皆为独立结构，采用钎焊工艺分别固定于扁管18内侧面与外侧面上。水侧盖板19上设置有与圆管17和扁管18数量一致的圆孔与长孔，孔径与圆管和扁管尺寸相配合，水侧盖板19与气侧盖板20的盖板边缘设置有90°折边，便于固定。换热芯体1各部件通过钎焊工艺进行固定与密封，具有良好的强度与工艺性特征，焊接后的换热芯体1的体积为160×180×168(mm)，换热面积为3.62m²，换热效率可达92％。

具体的，所述前支撑体2与后支撑体3为中空的方-圆过渡结构，一侧端面为方形，一侧端面为圆形，其中，前支撑体2的方形端面与换热芯体1前端面相连并焊接固定、密封，圆形端面套入燃烧室安装筒12小直径圆筒后焊接固定、密封；后支撑体的方形端面与换热芯体后端面对接并焊接固定、密封，圆形端面在固定法兰13前端面进风口处焊接固定、密封，优选的，前、后支撑体厚度为1.5mm。

具体的，所述热交换体上壳体4、热交换体下壳体5的壳体形状与固定后的前支撑体2、换热芯体1、后支撑体3相似，前部为圆-方过渡结构、中间为方形结构、后部为方-圆过渡结构，上壳体4与下壳体5两侧面自由边对接后可以将芯体支撑体(2、3)及换热芯体1包围在其中，并与燃烧室安装筒外侧面、固定法兰小径端外侧面固定、密封后共同形成换热装置的气侧通道。

具体的，见图2，热交换体上壳体4、热交换体下壳体5两侧面自由边对接处为覆盖固定结构，即上壳体的一侧平面在对接处附近向外扩展并具有向下的延伸部，作为优选扩展距离与壳体厚度相同，下壳体的另一侧平面具有向下的延伸部，两个延伸部固定，当上、下壳体对接时在对接边处形成相互覆盖的结构，便于焊接固定，同时可以起到加强结构稳定性的作用。

具体的，热交换体上壳体4圆-方过渡结构底面临近前端面处设有排气附座，便于排除前端水侧流道内的空气。热交换体上壳体4方形结构中间区域设置有向外的方形凹槽，便于换热装置内部气体的集聚和排出。热交换体上壳体4方形凹槽中心区域设置有圆形出水孔与传感器附座安装孔，下壳体右侧端面前端的圆-方过渡结构上设置有圆形进水孔，进水孔与出水孔直径相同，用于安装水管，同时，进、出水孔旁设有传感器附座安装孔，用于安装传感器附座，便于采集换热装置进、出水温度。安装在热交换体上壳体4上的出水管14设置有排气附座，便于换热装置排出空气。

具体的，见图5，热交换体上壳体4设置有结构相同的上壳体前框式挡板6和上壳体后框式挡板7，分别由1个上壳体上挡板23和2个上壳体侧挡板24组成，上挡板23上部中间区域开有贯穿挡板的半圆形孔，便于上挡板23前侧空间内的气体通过此孔排出换热装置。前框式挡板6的上挡板23横向放置于热交换体上壳体4方形结构前端、换热芯体1前端面所在平面，其长度为上壳体两侧面间的距离，高度同上壳体与换热芯体1上盖板间的距离相同，固定于热交换体上壳体4内侧面；前框式挡板6的侧挡板24位于前框式挡板6上挡板23后部、换热芯体左右两侧，其高度与所在方形结构侧面一致，宽度与上壳体4侧面到换热芯体同侧面的距离相同，固定于热交换体上壳体4内侧面与前框式挡板6的上挡板23前端面上。同样的，后框式挡板7的上挡板23前端面位于换热芯体1后端面所在平面，后框式挡板7的侧挡板24前端面位于后框式挡板7的上挡板23后端面所在平面。

具体的，见图6，热交换体下壳体5设置有下壳体侧挡板25、下壳体上挡板26、下壳体前导流板27(即图1的导流板11)、下壳体后导流板28(即图1的导流板12)、轴向下挡板29、轴向侧挡板30。热交换体下壳体5在与上壳体方形结构前、后端左、右两侧相近位置处设置有侧挡板25，其结构特征与上壳体侧挡板24相同，当上、下壳体对接时，两壳体相同位置的侧挡板前、后重叠，即上壳体挡板后侧面与下壳体挡板前侧面重合。下壳体后端底面上、后侧挡板25前横向设置有下壳体上挡板26，上挡板26后侧面与侧挡板前端面重合，固定于下壳体底面内侧，下挡板中间无开孔。轴向下挡板29焊接固定在热交换体下壳体5前端圆-方过渡段底面内侧中间区域，轴向侧挡板30焊接固定于下壳体右侧面中间高度处，进水口位于挡板下部，轴向下挡板29与轴向侧挡板30长度与前支撑体轴向长度一致。下壳体前导流板27、下壳体后导流板28横向固定于热交换体下壳体5底面上，长度与热交换体下壳体底面宽度一致，且导流板位于换热装置中心轴纵向垂面右侧部分的高度为另一侧高度的1/2。在换热装置轴向方向上，下壳体前导流板27放置在与换热芯体1前两排圆管轴心所在平面平行且等距的平面上，下壳体后导流板28放置在换热芯体1第二排圆管轴心所在平面上。

作为优选，下挡板29高度在轴向上随前支撑体2底面与热交换体下壳体5间的距离而变化，以保证下挡板29与前支撑体间的距离在轴向上保持一致，通过此处的流体流量满足设计要求。

作为优选，轴向侧挡板30高度在轴向上随前支撑体2右侧面与热交换体下壳体5间的距离而变化，以保证轴向侧挡板30与前支撑体间的距离在轴向上保持一致，通过此处的流体流量满足设计要求。

设置导流板和挡板的目的是进行流量分配。轴向下挡板与梯形导流板中间位置对齐，引导由进水管进入的绝大部分液体经梯形结构较低的边进入换热芯体，少部分液体经轴向下挡板和轴向上挡板与前支撑体间的空隙进入前支撑体与热交换体间的区域，对燃烧室和壳体起到冷却作用，此流体经上壳体上设置的挡板中心的小孔流入换热芯体出水空间。

功能方面，冷却液由进水口进入换热芯体后根据挡水板的位置进行流量分配，一级换热圆管占全部水流量42％，二级换热扁管占流量30％，三级换热扁管占流量20％，一级换热圆管主要与高温燃气进行强制热交换，降低高温燃气温度，保证二、三级换热扁管使用寿命，二、三级换热扁管由于内部安装了换热翅片，换热面积大幅提高，保证了整机换热性能。为实现此流量分配，在上、下壳体上设置了相应的导流板与挡板。其中，轴向下挡板与轴向侧挡板固定于下壳体上，挡板高度随前支撑体形状变化且与前支撑体外侧面间隔2mm，进入换热装置的流体中约8％经此缝隙进入上壳体与前支撑体间的空间，并经上壳体前框式挡板与换热芯体间的缝隙流入芯体上部空间，进而由出水口流出换热装置，此部分流体主要用于冷却前支撑体，提高换热装置可靠性。在换热芯体一级换热圆管底部的下壳体上设置下壳体前导流板和下壳体后导流板，前导流板位于第一排换热管与第二排换热管之间，后倒流板位于第二排换热管中心面上，两导流板呈梯形结构，沿废气流动方向，由中心位置开始导流板左侧高度大于右侧。设置梯形结构导流板的目的在于将部分流体拦截在换热圆管底部以提高一级换热圆管流量，放行一部分流体确保换热扁管流量。其中，下壳体前导流板与后导流板共同作用保证一级换热圆管中第二排换热管与第三排换热管的流量，同时，经数值模拟计算与试验验证，后导流板放置于第二排换热管中心平面上既可以确保所需流量，还可以平衡各排换热管的热负荷。

作为优选，所述上外壳下外壳构成了废气通道管壁的一部分。

1.本发明所述一种热交换装置，燃烧产生的高温废气由气侧通道流经热交换装置，通过气侧通道壁面及换热芯体翅片将热量传递给水侧通道内的液体，实现对液体进行加温，采用的薄壁式换热结构可有效减小换热热阻，降低换热芯体体积与重量，具有耐高温、结构紧凑、换热效率及功率密度高的特点。

2.本发明所述的一种热交换装置，换热芯体前端采用薄壁圆管形换热结构，圆管材料选用耐高温不锈钢，可以提高换热芯体的耐高温强度，有效减小燃烧换热装置的体积。

3.本发明所述的一种热交换装置，换热芯体后端采用多排薄壁扁管式换热结构，扁管之间设有直齿形翅片，增加了气侧通道换热面积，提高了热交换装置的换热效率。扁管内部设有锯齿形紊流片，可有效降低水侧的膜态沸腾现象，增加了水侧对流换热强度，降低了换热芯体的热负荷，提高了换热效率。

4.本发明所述的一种热交换装置，热交换体上、下壳体上设有挡板与导流板，用于引导水侧液体按设计方式流动，进入进水管的液体在下壳体底面及侧面挡板的阻挡作用下，大部分进入换热芯体周围的水侧通道内，并在下壳体底面半缺口的两导流板分流下，由换热芯体底部由下向上流经圆管与扁管内部并进入出水管，在提高换热温差的同时降低了换热芯体的热负荷。同时，进入前支撑体与热交换体壳体之间的液体对前支撑体起到了冷却作用，提高了其可靠性，后支撑体周围的液体与燃烧排气进行换热，提高了热量利用率。

5.本发明所述的一种热交换装置，热交换体上、下壳体在对接处采用覆盖结构，可以起到加强结构稳定性的作用，上壳体方形结构中间区域设置有向外的方形凹槽，同时方形结构前、后两端设置的挡板上开有通孔，便于热交换装置内部气体向出水管处聚集和排出，避免因积气造成热交换装置热负荷增加。

6.本发明所述的一种热交换装置，前端设置有燃烧室安装结构，后端设置有排烟装置固定法兰结构，提高了燃烧换热装置的集成度，便于燃烧与热交换装置的维护、保养。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种燃烧余热利用换热装置，包括换热芯体、换热芯体前支撑体和换热芯体后支撑体，所述换热芯体、前支撑体和后支撑体设置在废气烟道内，所述换热芯体包括盖板和多根换热管，所述盖板包括上盖板和下盖板，所述换热管连接上盖板和下盖板；所述前支撑体和后支撑体分别位于换热芯体两端，与换热芯体共同形成换热装置的气侧通道；所述前支撑体连接换热芯体盖板和前烟道管壁，所述后支撑体连接换热芯体盖板和后烟道管壁，所述前支撑体、后支撑体、换热芯体盖板和烟道管壁共同形成换热装置的液体进口集箱和出口集箱。

2.如权利要求1所述的换热装置，所述前支撑体和后支撑体为管状结构，所述前支撑体管壁两端连接盖板和烟道管壁，后支撑体的管壁两端连接盖板和烟道管壁。

3.如权利要求1所述的换热装置，所述换热装置的进口管和出口管分别设置在烟道管壁上并分别连通进口集箱和出口集箱。

4.如权利要求1所述的换热装置，进口集箱位于烟道的下部，出口集箱位于烟道的上部。

5.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述废气烟道是燃烧室安装筒，换热装置的废气入口温度为1200－1400摄氏度。

6.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述换热装置设置第一排气口和第二排气口，所述第一排气口设置在上集箱的废气烟道的管壁上，所述第二排气口设置在出水管上。

7.如权利要求5所述的换热装置，其特征在于，前支撑体与后支撑体为中空的方-圆过渡结构，一侧端面为方形，一侧端面为圆形，其中，前支撑体的方形端面与换热芯体一侧端面相连并固定、密封，圆形端面与前部燃烧室安装筒后端面出风口处固定、密封；后支撑体的方形端面与换热芯体另一侧端面相连并固定、密封，圆形端面与后部法兰装置出风口处固定、密封。

8.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，所述换热管包括圆管，所述圆管内分段设置多个分散换热结构，所述分散换热结构包括芯体和外壳，所述芯体设置在外壳中，所述外壳与换热管内壁连接固定，所述芯体包括由若干数量的格栅片排列组合而成，格栅片之间连接形成格删孔。

9.如权利要求1所述的换热装置，其特征在于，相邻分散换热结构之间的距离为L，分散换热结构的长度为C，换热管的直径为D，格删孔的流体流通面积为A，格删孔的流体流通的周长为Z，满足如下要求：

L/C＝a-b*LN(D/E)；

E＝4A/Z；

其中LN是对数函数，a,b是参数，其中4.9<a<6.1,1.3<b<2.1；

其中分散换热结构的间距是以相邻分散换热结构相对的两端之间的距离；

10<D<18mm；

8<C<15mm；

25<L<35mm。

10.如权利要求9所述的换热装置，其特征在于，格删孔为正方形。