外置缩放火管式常压热水锅炉的制作方法

本实用新型涉及常压锅炉设备，尤其涉及一种外置缩放火管式常压热水锅炉。

背景技术：

现有技术中的燃气热水锅炉多为管壳式锅炉。传统的管壳式锅炉中热量通过多程换热管束对水进行热传递，提高水温并输出热水。这种热水锅炉存在占地面积大、换热效率低、易结垢等缺点，尤其是管壁结垢后导致热阻急剧增大，致使换热效率下降。另外，管壳式热水锅炉在传热过程中产生大量蒸汽，无法进入洗浴、采暖等设施，造成能源浪费。

除了管壳式锅炉，还出现了直接接触型锅炉，这类锅炉采用燃烧气体与水直接进行接触传热。这种传热结构传热迅速，水温可以快速升高，但仍存在许多弊端。首先，由于燃烧筒位于设备内部，结构布局限制了燃烧筒长度和直径，火焰无法在足够的行程及空间中完成充分燃烧；其次，燃烧筒多采用光管或波形火管，火焰在燃烧筒中局部温度过高，导致产生大量的氮氧化物NO_x，无法满足环保要求。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术中存在的问题，本实用新型提供一种外置缩放火管式常压热水锅炉，在本实用新型中使用火管外置、火管降温及新型的缩放型火管等技术，使燃烧过程中燃烧物质二次混合、燃烧强度降低，并通过控制燃烧环境温度，降低NO_x的产生，达到高热效率、低氮排放的目的。

为实现上述目的，本实用新型的提供一种外置缩放火管式常压热水锅炉，包括锅炉主体部分及与锅炉主体部分侧面连接的外置火管部分，所述外置火管部分为夹套型容器结构，包括燃烧器、缩放型火管、夹套外筒和进水管，其中，所述夹套外筒将缩放型火管套在内部，且两者间隔设置，中间形成夹套空间；所述缩放型火管包括扩张段和收缩段，扩张段和收缩段交替设置。

进一步地，所述锅炉主体部分包括锅炉筒体和锅炉筒体顶部的出烟管，所述锅炉筒体内部自下而上依次为水箱区域、烟气分配区域、热交换区域和喷淋区域，其中，

所述水箱区域包括设在水箱区域下部的出水管，以及来自外置火管部分的烟气连通管；

所述烟气分配区域包括下部与烟气连通管连接的烟气分配筒，以及安装在烟气分配筒上端的防水帽；

所述热交换区域包括填料栅板，以及设置于填料格栅上的填料；

所述喷淋区域包括安装在喷淋区域上部的喷淋管排，与喷淋管排连接的顶连接管，以及设置在锅炉筒体内顶部开口处的丝网除沫器。

进一步地，所述锅炉筒体为金属圆筒结构；所述锅炉主体部分中还包含排污阀、手孔、检测孔以及温度、水位和进水流量监测装置。

进一步地，所述锅炉主体部分中还包含排污阀、手孔、检测孔以及温度、水位和进水流量监测装置。

进一步地，所述锅炉主体部分中还包含自动控制装置及安全装置，实现水位监控、低水位报警及停机；所述燃烧器可根据进水量进行燃烧强度调节或停机。

进一步地，所述锅炉主体部分和/或外置火管部分的外部采用保温材料，以减少热量损失。

下面对本实用新型的外置缩放火管式常压热水锅炉的具体结构和各部分功能作具体描述。

本实用新型提供一种外置缩放火管式常压热水锅炉，所述常压热水锅炉使用气体燃料为采暖、洗浴等工况提供热水。本实用新型的外置缩放火管式常压热水锅炉包括锅炉主体部分(I)及与锅炉主体部分侧面连接的外置火管部分(II)。

(I)、所述锅炉主体部分包括锅炉筒体和锅炉筒体顶部的出烟管。锅炉筒体内部自下而上依次为水箱区域、烟气分配区域、热交换区域和喷淋区域。其中：

1、水箱区域包括：

出水管，设在水箱区域下部，用于热水输出；

烟气连通管，来自外置火管部分，从水箱下部横向进入水箱中，然后向上延伸，末端与烟气分配筒连接，完全浸没在水中，用于燃烧烟气的流通并与管壁外的水进行换热。

2、烟气分配区域包括：

烟气分配筒，竖直设置于烟气分配区域中，下部与烟气连通管连接，上部伸出水箱最高液位面，集中烟气并向热交换区域输送；

防水帽，安装在烟气分配筒上端，防止喷淋水进入烟气分配筒及烟气连通管。

3、热交换区域包括：

填料栅板，安装在热交换区域下部，用来承载其上的填料；

填料，设置于填料格栅上，用于热量传递；

在一个实施方案中，在热交换区域上部的锅炉筒体内壁四周还设置有挡环，其为环状结构，用于对填料顶部进行限位。

4、喷淋区域包括：

喷淋管排，安装在喷淋区域上部，由多组含喷嘴的列管组成，一端与顶连接管相连，用来使进水对填料进行喷淋；

顶连接管，一端与喷淋管排连接，另一端穿过锅炉筒体与外置火管部分相连，用于将来自外置火管部分的进水引入喷淋管排；

丝网除沫器，设置在锅炉筒体内顶部开口处，用来除去烟气夹带的残余雾沫。

锅炉筒体顶部的出烟管与顶部开口对应设置，过滤后的烟气从出烟管排出。

在一个实施方案中，丝网除沫器也可以设置在出烟管内部。

在一个实施方案中，锅炉筒体为金属圆筒结构。

在一个实施方案中，烟气分配筒在烟气出口端采用增大容积和开孔总面积的方法，增加孔径，降低烟气的出速。并且开孔采用向下倾斜的结构，既能避免对填料直吹，也可防止喷淋水进入烟气分配筒。

在一个实施方案中，烟气分配筒的筒壁上具有多个向下倾斜的开孔，开孔的中心轴与烟气分配筒侧壁的夹角为50°至70°；在一个优选实施方案中，开孔的中心轴与烟气分配筒侧壁的夹角为55°至65°；在一个优选实施方案中，开孔的中心轴与烟气分配筒侧壁的夹角为60°。

所述填料可以采用不锈钢规整填料或不锈钢阶梯环散堆填料；在一个实施方案中，所述的填料采用不锈钢规整填料，优选为不锈钢孔板波纹填料，其具有气液接触面积大、阻力小、布水布气性能好、易长膜、强度高、切割气泡等作用。当然，也可以使用本领域中已知的用于热水锅炉换热的其它填料。

在一个实施方案中，所述锅炉主体部分中还包含排污阀、手孔、检测孔以及温度、水位和进水流量监测装置等常规锅炉附件。

(II)、所述外置火管部分为夹套型容器结构，包括燃烧器、缩放型火管、夹套外筒和进水管，其中：

夹套外筒，其将缩放型火管套在内部，且两者间隔设置，中间形成夹套空间，用于容纳进水；夹套外筒上部与顶连接管相连，下部连接进水管，从而使进水从进水管进入夹套空间，并经顶连接管进入喷淋管排；

缩放型火管，顶部与燃烧器连接，底部连接烟气连通管，用于燃烧火焰和烟气的流通并与管壁外的水进行换热；所述缩放型火管包括扩张段和收缩段，扩张段和收缩段交替设置。

燃烧器，其可为变频燃烧器，采用气体燃料，为进水提供热能；

进水管，与夹套外筒连接，用来提供进水(冷水)。

在一个实施方案中，扩张段的外径为定值Φ，每一收缩段的垂直高度为2Φ/3至Φ/3，优选为Φ/2；收缩段相对于扩张段向火管内部径向收缩的最大深度为Φ/10至Φ/6，优选为Φ/8；收缩段相对于扩张段向火管内部径向收缩的最大深度处距离该收缩段底部的垂直距离为Φ/12至Φ/8，优选为Φ/10。

在一个实施方案中，扩张段的外径为定值Φ，每一收缩段的垂直高度为Φ/2，收缩段相对于扩张段向火管内部径向收缩的最大深度为Φ/8，收缩段相对于扩张段向火管内部径向收缩的最大深度处距离该收缩段底部的垂直距离为Φ/10。

在本实用新型技术方案中，所述缩放型火管包括扩张段和收缩段，扩张段和收缩段交替设置。本实用新型缩放型火管的设置具有方向性，采用的是急扩缓缩的原则。由于燃烧器火焰喷出后在前进的同时会快速向周围扩散，火管壁急扩缓缩的形状会对火焰同时产生向下方及横向垂直方向的扰动，边缘的气体不断斜向冲击中部，使火管中的气体进行二次混合并使燃烧更加充分。同时，由于火管外壁与冷水接触导致壁温骤降，壁侧火焰在扰动过程中会把中心火焰温度传导至冷水，致使火管内部温度整体下降，所以不会因剧烈燃烧而产生大量氮氧化物NO_x，从而降低了烟气中NO_x的含量。由于缩放型火管急扩缓缩的流动方式，使火管内部阻力不会过大而影响燃烧的充分性。缩放型结构具有的方向性使气流在扰动的同时平滑过渡，可以有效地降低噪音。

另外，火管的缩放结构由于扩张和收缩的不对称性，会导致介质(火焰、烟气、水)在局部产生强烈扰动。在火管外侧，冷水由下向上流动的过程中，无须在夹套中设置折流板或螺带进行强化扰流，管壁自身的缩放结构可使冷水在夹套中均匀流动。另外，管壁的缩放结构会增大冷水对管壁的冲刷，不易结垢。根据实验数据，缩放结构的热交换能力比光管提高20％～50％。

在对火管进行冷却的同时，也对进水进行预热。冷水通过夹套型容器结构预热、水箱中烟气连通管及填料热量交换进行三级加热，传热速度是其他锅炉的1.5～2倍。

上述方案中，所述的火管不处于锅炉的主体中，而是作为独立的单元与锅炉主体部分连接。火管的形状、直径、长度等不再受主体部分的限制，而可根据实际燃烧工况进行单独设置。

上述方案中，所述缩放型火管与夹套外筒构成夹套型容器结构，并通过此结构降低火管内温度。所述缩放型火管始终处于夹套水冷环境中。

本实用新型的外置缩放火管式常压热水锅炉所使用的气体燃料包括天然气、沼气、液化石油气、煤气、氢气等，从环保和安全的角度考虑，优选天然气和沼气，更优选天然气。

在一个实施方案中，本实用新型的锅炉系统包含自动控制装置及安全装置，实现水位监控、低水位报警及停机。本实用新型的锅炉系统中燃烧器可根据进水量进行燃烧强度调节或停机。

在一个实施方案中，所述热水锅炉的锅炉主体部分和/或外置火管的外部采用保温材料，以减少热量损失。保温材料可选择例如岩棉、硅酸铝纤维棉、氯酸率纤维棉、玻璃丝棉等，也可以采用保温矿棉板和保温胶泥，具体材料和施工可根据现有技术来实施。

本实用新型外置缩放火管式常压热水锅炉与现有技术比较，具有的效果是：

1.换热效率可达到92％～97％；

2.同等燃烧条件下，NO_x排放量比同类型锅炉降低30％以上；

3.水温快速提高，温升速度是其他锅炉的1.5～2倍；

4.相同燃烧器情况下，噪音降低20分贝以上。

附图说明

图1为本实用新型的外置缩放火管式常压热水锅炉的整体结构剖面图。

图2为本实用新型的外置缩放火管式常压热水锅炉的缩放火管的局部放大图，显示了火管管壁的收缩段和扩张段各尺寸的比例关系。

图3为本实用新型的外置缩放火管式常压热水锅炉的烟气分配筒的局部放大图，显示了烟气分配筒的筒壁上开孔及烟气流出的方向。

图中附图标记：

出水管(1)；锅炉筒体(2)；烟气连通管(3)；烟气分配筒(4)；防水帽(5)；填料栅板(6)；填料(7)；挡环(8)；喷淋管排(9)；丝网除沫器(10)；出烟管(11)；燃烧器(12)；缩放型火管(13)；夹套外筒(14)；进水管(15)。

具体实施方式

设备运行的流程分为燃烧程和水程，为使本实用新型目的、技术方案及特点更加清楚，下面结合附图按照不同流程分别进行描述。以下内容用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

参见图1，设备运行的燃烧程为：燃气与空气通过燃烧器12混合燃烧后形成火焰和烟气进入缩放型火管13并向下运行，随后烟气通过烟气连通管3进入锅炉筒体2下部的水箱中并经水箱向上进入烟气分配筒4，烟气分配筒4的顶部带有防水帽5以防止喷淋水进入烟气分配筒4，烟气分配筒4将烟气平缓地输出，使烟气通过填料栅板6并均匀地进入填料7中，填料7放置于填料栅板6上，其顶部通过挡环8来限位，烟气在填料7中与来自喷淋管排9的喷淋水进行接触传热，然后通过丝网除沫器10除去夹带的雾沫，最后通过出烟管11及烟囱排入大气中。

水程为：冷水通过外置火管下部的进水管15进入，沿缩放型火管13和夹套外筒14之间的夹套空间上升，通过缩放型火管13的管壁带走烟气的部分热量，降低火管13温度，在夹套空间上部经顶连接管进入喷淋管排9，并经喷淋管排9的喷嘴向填料7进行喷淋，在填料7的表面和内部与烟气进行接触换热，最终落入锅炉筒体2下部的水箱中并通过水箱下部的出水管1提供给用户。

在一个具体实施方案中，所述的烟气分配筒局部放大图如图3中所示，增大烟气出口端容积和开孔总面积，增加孔径，降低烟气的出速。并且开孔采用向下倾斜的结构，既能避免对填料直吹，也可防止喷淋水进入烟气分配筒。如图3所示，烟气分配筒的筒壁上具有多个向下倾斜的开孔，开孔的中心轴与烟气分配筒侧壁的夹角为60°。

在一个具体实施方案中，缩放型火管管壁的收缩段和扩张段各尺寸的比例关系如图2所示，扩张段的外径为定值Φ，每一收缩段的垂直高度为Φ/2，收缩段相对于扩张段向火管内部径向收缩的最大深度为Φ/8，收缩段相对于扩张段向火管内部径向收缩的最大深度处距离该收缩段底部的垂直距离为Φ/10。

在一个具体实施方案中，本实用新型的锅炉系统包含完善的自动控制装置及安全装置，实现水位监控、低水位报警及停机。本实用新型的锅炉系统中燃烧器可根据进水量进行燃烧强度调节或停机。

在一个具体实施方案中，本实用新型的锅炉系统包含排污阀、手孔、观火孔等，便于操作及维护。

在一个具体实施方案中，所述热水锅炉的锅炉主体部分和/或外置火管的外部采用保温材料，以减少热量损失。

以上所述，本实用新型外置缩放火管式常压热水锅炉，具有以下特点：高效率，热效率达到92％～97％；高环保性，氮氧化物NO_x排放量比同类型锅炉降低30％以上；高反应速度，温升速度是其他锅炉的1.5～2倍；低噪音，相同燃烧器情况下噪音降低20分贝以上。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。