热交换器的制作方法

本发明涉及用于通过热气体(例如烟道气体)流来加热水的热交换器的领域。烟道气体可以由集成在可以设置在热交换器中的燃烧室中的燃烧器产生。
背景技术：
：US2010/0242863A1描述了一种包括铝制的壁的热交换器。这些壁包围至少一个载水通道并具有至少一个烟道气流。至少一个壁形成载水通道与烟道气流之间的边界。至少一个壁设置有翅片和/或销，这些翅片和/或销放大热交换表面并且在烟道气流中延伸。热交换器具有至少一个载水通道，该载水通道包括由U形转弯分隔的多个连续的平行直段。热交换器包括用于安装燃烧器以生成烟道气体的燃烧室。EP16696892A2公开了一种热交换器，其具有水传送通道，该水传送通道包括由U形转弯分隔的多个连续的平行直段。U形转弯包括定位在水流通道中以偏离水流的偏转元件。偏转元件在U形转弯的一段的整个长度上延伸并且与U形转弯的壁的轮廓相对应。偏转元件据说提供更均匀的水流和减少水通道中的压降。GB1425473A公开了一种特别用于燃气或燃油热水器的区段式热交换器，其由多个并排热交换单元组成，每个热交换单元包括通过一个或多个翅片管互连的一对集管段。每个集管段在一端形成有内锥形承窝，在相对端形成外锥形表面，相邻集管段的端部对齐并相互配合地接纳在一起，以限定共同的供给和排出集管。每个管为U形管的形式，其具有通过返回弯头连接的直线部分。技术实现要素：本发明的主要目的是提供一种用于从热气体到水的热交换的热交换器；并且在一个或多个水流通道中具有减小的压降。本发明的第一方面是一种热交换器。该热交换器包括用于热气体流动的至少一个气流通道。热交换器还包括用于水流动的至少一个水流通道。热交换器还包括金属壁，其将气流通道与水流通道界定，用于在气流通道中的热气体与水流通道中的水之间交换热量，以便加热水。该至少一个水流通道包括多个连续的平行直段，其中两个连续的平行直段由壁和U形转弯分隔。该U形转弯包括上游段和下游段。上游段和下游段被限定为U形转弯的区段，一方面被将两个连续的平行直段分隔的壁的平面界定；另一方面被穿过将两个连续的平行直段分隔的壁的端部区段的平面界定，该平面平行于水流通道的宽度方向，并且垂直于将两个连续的平行直段分隔的壁的平面。上游段位于U形转弯的上游部分；并且下游段位于U形转弯的下游部分。在至少两个U形转弯中，上游段具有的体积比下游段的体积小至少20％(优选至少25％、更优选至少30％、甚至更优选至少35％)。本发明的热交换器在其使用期间显示出在其水流通道中显着降低的压降。热交换器包括用于热气体流动的至少一个气流通道，用于水流动的至少一个水流通道；以及金属壁，其将气流通道与水流通道界定，用于在气流通道中的热气体与水流通道中的水之间交换热量，以便加热水。优选地，金属壁是铸造壁。优选地，金属壁由铝制成或由铝合金制成。优选地，金属壁在气流通道的侧部处包括销和/或翅片以增加热交换表面。优选地，热交换器适用于冷凝热单元(heatcell)。优选地，热交换器是铝或铝合金热交换器。在优选的热交换器中，水流通道经由一个或多个铸造金属部件，更优选地经由一个或多个铝或铝合金铸造部件提供。优选地，在至少两个连续的U形转弯中，上游段具有的体积比下游段的体积小至少20％(优选至少25％、更优选至少30％、甚至更优选至少35％)。优选地，在至少三个(优选是连续的)U形转弯中，上游段具有的体积比下游段的体积小至少20％(优选至少25％、更优选至少30％、甚至更优选至少35％)。优选地，在至少四个(优选是连续的)U形转弯中，上游段具有的体积比下游段的体积小至少20％(优选至少25％、更优选至少30％、甚至更优选至少35％)。在优选的热交换器中，至少一个水流通道被设置用于相对于至少一个气流通道逆流。在优选实施例中，将水流通道的两个连续的平行直段分隔的壁是共用壁，优选地由金属制成，更优选地由铝制成或由铝合金制成。“水流通道的两个连续的平行直段由共用壁分隔”是指水流通道的两个连续的平行直段中的每一个平行直段中的水接触共用壁的每一侧。优选地，共用壁是实心金属壁，优选由铝制成或由铝合金制成。在优选实施例中，紧接着U形转弯的下游的平行直段的宽度小于紧接着U形转弯的上游的平行直段的宽度；和/或紧接着U形转弯的下游的平行直段的高度小于紧接着U形转弯的上游的平行直段的高度。在优选实施例中，对于在至少三个连续U形转弯之间的平行直段，下游平行直段具有比上游平行直段更长的长度。在优选实施例中，紧接着U形转弯下游的平行直段的横截面面积小于紧接着U形转弯的上游的平行直段的横截面面积。在优选实施例中，紧接着U形转弯下游的平行直段的横截面具有大致矩形的横截面；其中大致矩形的横截面的最长边与最短边的比率小于1.5；优选小于1.3。这种实施例的附加特征协同地有助于减少水流通道中的压降。优选地，大致矩形的横截面的最长边是水通道的高度；并且大致矩形的横截面的最短边是水通道的宽度。在优选实施例中，在水流通道中的第二U形转弯中，下游段与上游段之间的体积的相对差异大于20％，但小于在水流通道中到第二U形转弯的上游第一U形转弯中的下游段与上游段之间的体积的相对差异。该相对差异被定义为下游段的体积减去上游段的体积，除以下游段的体积。该实施例协同地增加了热交换器的性能。在具有气流通道相对于水流通道的逆流的优选热交换器中，该实施例解决了在热气体的温度最高的区段中使热交换器的金属壁过热的风险。在优选实施例中，热交换器包括一系列U形转弯。在一系列U形转弯中的每个U形转弯中，U形转弯的下游段与上游段之间的体积的相对差异大于20％。在一系列U形转弯中，U形转弯的下游段与上游段之间的体积的相对差异在水流通道的下游方向上减小。优选地，该系列包括至少3个U形转弯，更优选地至少4个U形转弯，甚至更优选地至少5个U形转弯。优选地，该系列U形转弯中的U形转弯是连续的U形转弯。根据这种实施例的热交换器提供了更好的功能。在具有气流通道相对于水流通道的逆流的优选热交换器中，该实施例解决了在热气体的温度最高的区段中使热交换器的金属壁过热的风险。在优选的热交换器中，水流通道包括U形转弯的下游，其中上游段的体积比下游段的体积小至少20％，还包括至少一个U形转弯(优选至少两个U形转弯，更优选地至少三个U形转弯)，其中上游段具有基本上等于或大于下游段的体积。根据这种实施例的热交换器提供了更好的功能。在具有气流通道相对于水流通道的逆流的优选热交换器中，该实施例解决了在热气体的温度最高的区段中使热交换器的金属壁过热的风险。在本发明的一个实施例中，热交换器是区段式热交换器。该区段式热交换器包括两个端部段和设置在该两个端部段之间的一个或多个中间段。该一个或多个中间段和两个端部段在热交换器中被组装。在区段式热交换器中设置有燃烧室，优选地垂直于一个或多个中间段。该一个或多个中间段中的每个中间段包括至少一个水流通道。在每两个连续段之间存在至少一个气流通道，并且气流通道从燃烧室延伸。至少一个中间段，优选每个中间段以及优选地两个端部段包括至少一个水流通道，该水流通道包括多个连续的平行直段，其中两个连续的平行直段由壁和U形转弯分隔。该U形转弯包括上游段和下游段。上游段和下游段被限定为U形转弯的区段，一方面被将平行直段分隔的壁的平面界定；另一方面被穿过将连续的平行直段分隔的壁的端部区段的平面界定，该平面平行于水流通道的宽度方向，并且垂直于将连续的平行直段分隔的壁的平面。上游段位于U形转弯的上游部分；并且下游段位于U形转弯的下游部分。在至少两个(优选至少三个、更优选至少四个)U形转弯(优选至少两个连续U形转弯、更优选至少三个连续U形转弯，甚至更优选至少四个连续的U形转弯)中，上游段具有比下游段的体积小至少20％(优选至少25％、更优选至少30％、甚至更优选至少35％)的体积。本实施例的不同子实施例的所述优选特征可以彼此组合，同时保持在本发明的范围内。在优选实施例中，热交换器是单铸金属热交换器，例如由铝或铝合金制成。优选的热交换器包括燃烧室，其用于安装燃烧器，优选地用于安装预混合气体燃烧器，更优选地表面稳定的预混合气体燃烧器。在优选的热交换器中，U形转弯的上游段的外部部分包括具有最小曲率半径R1的弯曲部分；并且U形转弯的下游段的外部部分包括具有最小曲率半径R2的弯曲部分。最小曲率半径R2为至少20mm；优选至少25mm。R1/R2的比率高于1.5；优选高于1.66；更优选高于2；更优选高于2.33；更优选高于2.66；更优选高于3。本发明的第二方面是一种热单元，其包括如本发明的第一方面的任何实施例中的热交换器。热交换器包括燃烧室。在热交换器的燃烧室中设置有燃烧器，优选预混合气体燃烧器，更优选表面稳定的预混合气体燃烧器。优选地，热单元是冷凝热单元。优选地，热单元包括冷凝槽，以收集来自在热交换器中产生的烟气体的冷凝物。本发明的第三方面是一种锅炉，包括如本发明的第一方面的热交换器或如本发明的第二方面的热单元。优选地，锅炉是冷凝锅炉。优选地，热单元包括冷凝槽，以收集来自在热交换器中产生的烟气体的冷凝物。附图说明图1示出了本发明的热交换器的水流通道的一部分的横截面。图2示出了根据本发明的区段式热交换器的燃烧室的纵向方向上的横截面。图3示出了垂直于根据本发明的区段式热交换器的燃烧室的水流通道的横截面。图4示出了根据本发明的区段式热交换器的垂直于燃烧室的两个区段之间的横截面。具体实施方式图1示出了本发明的热交换器的水流通道100的一部分的横截面。图1示出了水流通道100的两个连续的平行直段103、105。两个连续的平行直段103、105由壁109和U形转弯111分隔。U形转弯111包括上游段113和下游段115。当热交换器运行时，水的流动方向由箭头117示出。上游段113和下游段115被限定为U形转弯111的区段，其一方面被将连续的平行直段(103和105)分隔的壁109的平面119界定；另一方面被穿过将连续的平行直段(103和105)分隔的壁109的端部区段108的平面121界定，该平面121平行于水流通道100的宽度方向并且垂直于将两个连续的平行直段(103和105)分隔的壁109的平面。上游段113位于U形转弯111的上游部分。下游段115位于U形转弯111的下游部分。图1示出了水流通道的横截面。然而，必须理解，上游段113和下游段115是体积而不是表面。U形转弯111的上游段113的外部部分114包括具有最小曲率半径R1的弯曲段(参见图1)；并且U形转弯111的下游段115的外部部分116包括具有最小曲率半径R2的弯曲段(参见图1)。图2、图3和图4示出了根据本发明的区段式热交换器的横截面。图2示出了根据本发明的区段式热交换器的燃烧室225的纵向方向上的横截面。图3示出了垂直于根据本发明的区段式热交换器的燃烧室的水流通道235的横截面。图4示出了根据本发明的区段式热交换器的垂直于燃烧室225的两个区段之间的横截面。示例性区段式热交换器包括两个端部段204和设置在两个端部段204之间的三个中间段220。三个中间段220和两个端部段204在热交换器中组装。燃烧室225设置在区段式热交换器中，垂直于一个或多个中间段220。中间段220和端部段204可以经由铝铸造制成。例如柱形预混合燃烧器230(图4中所示，图2中未示出)之类的燃烧器可以安装在燃烧室225中，从而形成包括区段式热交换器和燃烧器230的热单元。在优选实施例中，使用具有与燃烧室225的直纵向轴线对准的直纵向轴线的燃烧器。三个中间段220中的每一个中间段包括用于待加热的水的水流通道235。在每两个连续的段(端段204或中间段220)之间存在用于烟道气体的气流通道231、233。气流通道231、233从燃烧室225延伸，允许由在燃烧室225中的燃烧器230生成的烟道气体通过用于烟道气体的流动通道231、233从燃烧室225流过。在至少一个水通道235与气流通道231、233之间的中间段220的和端部段204的铝壁241、243可以设置有以下装置——例如从壁241、243延伸到烟道气体通道231、233中的销271——以增加热烟道气体与水之间的热传递。在该示例中，端部段204的水流通道235和中间段220的水流通道235以并排流动连接方式连接。在该示例中，中间段220中的和端部段204中的水流通道235被设置用于待加热的水相对于烟道气通体道231、233中的烟道气体的流动方向的逆流。在根据本发明的示例性区段式热交换器中，中间段220和两个端部段204均包括水流通道235，该水流通道235包括多个连续的平行直段，其中两个连续的平行直段103、105由壁和U形转弯(301、311、321、331、341、351、361、371、381)分隔。将水流通道的两个连续的平行直段103、105分隔的壁是共用铝壁。水流方向通过箭头117表示。U形转弯包括上游段113和下游段115，其中上游段113和下游段115被限定为U形转弯的区段，其一方面被将两个连续的平行直段分隔的壁的平面界定；另一方面被穿过将连续的平行直段分隔的壁的端部区段的平面界定，该平面平行于水流通道的宽度方向，并且垂直于将连续的平行直段分隔的壁的平面。上游段113位于U形转弯的上游部分；并且下游段115位于U形转弯的下游部分。示例性热交换器的水通道235在水流的下游方向上具有多个连续的U形转弯301、311、321、331、341、351、361、371和381。U形转弯的上游段与U形转弯的下游段的相对差异(该相对差异被定义为下游段的体积减去上游段的体积，除以下游段的体积，并表示为百分比)是-对于第一U形转弯301：30％-对于第二U形转弯311：37％-对于第三U形转弯321：37％-对于第四U形转弯331：28％-对于第五U形转弯341：14％-对于第六U形转弯351：4％-对于第七U形转弯361：2％-对于第八U形转弯371：1％-对于第九U形转弯381：14％表1列出了本发明示例性热交换器的连续平行直段的尺寸。该示例的平行直段具有矩形横截面。表I：本发明示例性热交换器的连续平行直段的尺寸(平行直段1号是热交换器中最上游的平行直段，平行直段2号是紧接着平行直段1号的下游的平行直段，等等)表II提供了——对于示例性热交换器的水流通道中的不同U形转弯——U形转弯的上游段的外部部分的弯曲段的最小曲率半径R1的值；以及U形转弯的下游段的外部部分的弯曲段的最小曲率半径R2的值。R1和R2在图1中解释。U形转弯R1(mm)R2(mm)1(图3中的301)100302(图3中的311)90303(图3中的321)80304(图3中的331)70305(图3中的341)60306(图3中的351)50307(图3中的361)50308(图3中的371)50309(图3中的381)3030表II：对于连续U形转弯的最小曲率半径R1和R2(mm)已经将本发明的热交换器的示例的水通道235中的压降与类似的热交换器(但是在U形转弯中具有相同体积的上游段和下游段)中相同流速下的压降进行了比较：-在点A与B之间的压降(图3)：对于本发明的热交换器是82mbar；对于相比较的现有技术热交换器是101mbar-在点B与C之间的压降(图3)：对于本发明的热交换器是92mbar；对于相比较的现有技术热交换器是116mbar-在点C与D之间的压降(图3)：对于本发明的热交换器是97mbar；对于相比较的现有技术热交换器是103mbar。当前第1页1 2 3