一種設置導流結構的燃燒餘熱利用換熱裝置的製作方法
2023-06-14 19:03:31 2
本發明屬於換熱領域，具體涉及一種餘熱利用的管殼式換熱裝置。
背景技術：
近十年來，由於能源緊張，隨著節能工作進一步開展。各種新型，節能先進爐型日趨完善，且採用新型耐火纖維等優質保溫材料後使得爐窯散熱損失明顯下降。採用先進的燃燒裝置強化了燃燒，降低了不完全燃燒量，空燃比也趨於合理。然而，降低排煙熱損失和回收煙氣餘熱的技術仍進展不快。為了進一步提高窯爐的熱效率，達到節能降耗的目的，回收煙氣餘熱也是一項重要的節能途徑。
煙氣是一般耗能設備浪費能量的主要途徑，比如鍋爐排煙耗能大約在15％，而其他設備比如印染行業的定型機、烘乾機以及窯爐等主要耗能都是通過煙氣排放。煙氣餘熱回收主要是通過某種換熱方式將煙氣攜帶的熱量轉換成可以利用的熱量。
煙氣餘熱回收途徑通常採用二種方法:一種是預熱工件；二種是預熱空氣進行助燃。煙氣預熱工件需佔用較大的體積進行熱交換，往往受到作業場地的限制。預熱空氣助燃是一種較好的方法，一般配置在加熱爐上，也可強化燃燒,加快爐子的升溫速度，提高爐子熱工性能。
我國幅員遼闊，氣候與地形環境複雜，特種車輛動力傳動系統面臨極寒環境下摩擦副抱死、潤滑不良、蓄電池供電能力下降及低氣壓環境下發動機點火困難等不利因素，大大降低了車輛的可靠性。加溫器作為一種燃燒換熱裝置，通過冷卻液傳遞熱量，可以在極端環境下對車輛的冷卻系統、潤滑系統、傳動系統、動力系統等進行加溫，使各系統達到最佳工作狀態，消除車輛起動面臨的不利因素。同時，車輛的輕量化及多種極端環境條件的適應性對加溫器提出了高功率密度，高度集成，高效低耗，高自適應性的要求。這樣既滿足工藝的要求，最後也可獲得顯著的綜合節能效果。
現有加溫器普遍面臨熱流密度與換熱效率較低的問題，解決這些問題關鍵在於增加換熱面積、降低流動阻力、提高換熱介質溫差及對流換熱係數等，相同體積的情況下，傳統換熱結構已無法滿足現實需要，基於以上背景技術和試驗研究，本發明提出一種換熱裝置。
技術實現要素：
本發明的目的在於解決現有餘熱利用換熱裝置換熱效率低、重量大、佔據體積大、耐高溫性能差的問題，提出一種結構緊湊、耐高溫、功率密度大、換熱效率高的換熱裝置。
為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：
一種燃燒餘熱利用換熱裝置，包括換熱芯體和殼體，換熱芯體設置在殼體中，所述換熱芯體和殼體之間的空間形成上集箱和下集箱，其特徵在於，所述殼體包括上殼體和下殼體，所述上殼體與換熱芯體上部形成上集箱，所述下殼體與換熱芯體下部形成下集箱，上殼體設置有結構相同的上殼體前框式擋板和上殼體後框式擋板，所述分別上殼體前框式擋板由1個上殼體上擋板和2個上殼體側擋板組成，上擋板上部中間區域開有貫穿擋板的半圓形孔；前框式擋板的上擋板橫向放置於熱交換體上殼體前端、換熱芯體前端，固定於熱交換體上殼體內側；前框式擋板的側擋板位於前框式擋板上擋板後部、換熱芯體左右兩側；同樣的，後框式擋板的上擋板前端面位於換熱芯體後端，後框式擋板的側擋板前端面位於後框式擋板的上擋板後端。
作為優選，前框式擋板的上擋板位於換熱芯體前端面所在的平面；後框式擋板的上擋板前端面位於換熱芯體後端面所在的平面，後框式擋板的側擋板前端面位於後框式擋板的上擋板後端面所在的平面。
作為優選，所述熱交換體上外殼、熱交換體下外殼的前部為圓-方過渡結構、中間為方形結構、後部為方-圓過渡結構，上外殼與下外殼兩側面自由邊對接後形成外殼，將芯體支撐體及換熱芯體包圍在外殼中，並與燃燒室安裝筒外側面、固定法蘭外側面固定、密封后共同形成換熱裝置的氣側通道。
作為優選，熱交換體下殼體設置有下殼體側擋板、下殼體上擋板、下殼體前導流板、下殼體後導流板、軸向下擋板、軸向側擋板；熱交換體下殼體在與上殼體側擋板對應的位置處設置有下殼體側擋板，其結構特徵與上殼體側擋板相同，當上、下殼體對接時，兩殼體相同位置的側擋板前、後重疊，即上殼體擋板後側面與下殼體擋板前側面重合。
作為優選，下殼體後端底面上、後側擋板前橫向設置有下殼體上擋板，上擋板後側面與側擋板前端面重合，固定於下殼體底面內側，下擋板中間無開孔。
作為優選，軸向下擋板焊接固定在熱交換體下殼體前端圓-方過渡段底面內側中間區域，軸向側擋板固定於下殼體右側面中間高度處，進水口位於軸向側擋板下部，下殼體前導流板、下殼體後導流板橫向固定於熱交換體下殼體底面上，下殼體前導流板、下殼體後導流板為階梯形結構；在換熱裝置軸向方向上，下殼體前導流板放置在與換熱芯體前兩排圓管軸心所在平面平行且等距的平面上，下殼體後導流板放置在換熱芯體第二排圓管軸心所在平面上。
作為優選，進水管、出水管分別與上外殼、下外殼連接，與上下外殼、換熱芯體的液體流動區域及芯體支撐體共同形成水側流道；所述燃燒室安裝筒、前支撐體、換熱芯體氣體流動區域、後支撐體、固定法蘭共同組成氣側流道。
作為優選，所述換熱管包括圓管，所述圓管內分段設置多個分散換熱結構，所述分散換熱結構包括芯體和外殼，所述芯體設置在外殼中，所述外殼與換熱管內壁連接固定，所述芯體包括由若干數量的格柵片排列組合而成，格柵片之間連接形成格刪孔。
作為優選，相鄰分散換熱結構之間的距離為l，分散換熱結構的長度為c，換熱管的直徑為d，格刪孔的流體流通面積為a，格刪孔的流體流通的周長為z，滿足如下要求：
l/c＝a-b*ln(d/e)；
e＝4*a/z；
其中ln是對數函數，a,b是參數，其中4.9<a<6.1,1.3<b<2.1；
其中分散換熱結構的間距是以相鄰分散換熱結構相對的兩端之間的距離；
10<d<18mm；
8<c<15mm；
25<l<35mm。
作為優選，格刪孔為正方形。
作為優選，所述的餘熱利用換熱裝置設置在燃燒器的廢氣煙道中，優選為加溫器的煙道。
與現有技術相比較，本發明的具有如下的優點：
1)本發明所述的換熱裝置，熱交換體上、下殼體上設有擋板與導流板，用於引導水側液體按數值模擬優化結論流動，進入進水管的液體在下殼體底面及側面擋板的阻擋作用下，大部分進入換熱芯體周圍的水側通道內，並在下殼體底面半缺口的兩導流板分流下，由換熱芯體底部由下向上流經圓管與扁管內部並進入出水管，在提高換熱溫差的同時降低了換熱芯體的熱負荷。同時，進入前支撐體與熱交換體殼體之間的液體對前支撐體起到了冷卻作用，提高了其可靠性，後支撐體周圍的液體與燃燒排氣進行換熱，提高了熱量利用率。
2)本發明所述的換熱裝置，圓管內的分散換熱結構的長度隨著距離圓管入口的距離不斷的增加，可有效降低水側的膜態沸騰現象，增加了水側對流換熱強度，降低了換熱芯體的熱負荷，提高了換熱效率。
3)本發明所述的換熱裝置，圓管內的分散換熱結構的間距隨著距離圓管入口的距離不斷的減小，可有效降低水側的膜態沸騰現象，增加了水側對流換熱強度，降低了換熱芯體的熱負荷，提高了換熱效率。
4)本發明所述的換熱裝置，在換熱管內設置格刪式分散換熱結構，對換熱管內的汽水混合物進行分隔，有效降低水側的膜態沸騰現象，增加了水側對流換熱強度，降低了換熱芯體的熱負荷，提高了換熱效率。
5)本發明所述的換熱裝置，換熱芯體採用圓管形換熱管，所述換熱管直徑沿著煙氣流動方向逐漸變小，可有效降低水側的膜態沸騰現象，增加了水側對流換熱強度，降低了換熱芯體的熱負荷，提高了換熱效率。
6)本發明所述的換熱裝置，所述換熱芯體為圓管-扁管組合式換熱結構，換熱芯體前端採用薄壁圓管形換熱結構，在換熱芯體後端採用多排薄壁扁管式換熱結構，在不同位置根據吸熱量不同採用不同的換熱結構，有效降低水側的膜態沸騰現象，降低了換熱芯體的熱負荷，提高了換熱效率。
7)本發明所述的換熱裝置，利用煙道管壁形成換熱裝置的進口集箱和出口集箱，避免單獨設置進口集箱和出口集箱，使得換熱裝置佔據空間少，降低換熱芯體體積與重量，結構緊湊。
8)本發明對分散換熱結構的結構進行了優化設計通過大量的數值模擬及其實驗得到了最佳的分散換熱結構優化尺寸，進一步提高換熱效率。
9)本發明所述的換熱裝置採用上下雙殼體結構，使得安裝方便，結構緊湊；熱交換體上、下殼體在對接處採用覆蓋結構，可以起到加強結構穩定性的作用，上殼體方形結構中間區域設置有向外的方形凹槽，同時方形結構前、後兩端設置的擋板上開有通孔，便於換熱裝置內部氣體向出水管處聚集和排出，避免因積氣造成換熱裝置熱負荷增加。
10)本發明所述的一種換熱裝置，前端設置有燃燒室安裝結構，後端設置有排煙裝置固定法蘭結構，提高了燃燒換熱裝置的集成度，便於燃燒與換熱裝置的維護、保養。
附圖說明
圖1是本發明的換熱裝置的一種實施例的主視圖；
圖2是本發明的換熱裝置的一種實施例的右視圖；
圖3是本發明的換熱芯體水側結構圖；
圖4是本發明的換熱芯體氣側結構圖；
圖5是本發明的熱交換體上殼體結構圖；
圖6是本發明的熱交換體下殼體結構圖；
圖7是本發明分散換熱結構橫截面結構示意圖；
圖8是本發明分散換熱結構在換熱管內布置示意圖；
圖9是是本發明分散換熱結構在換熱管內布置的另一個示意圖。
圖10是是本發明分散換熱結構在換熱管內布置橫截面示意圖。
圖中：1.換熱芯體；2.前支撐體；3.後支撐體；4.熱交換體上殼體；5.熱交換體下殼體；6.上殼體前框式擋板；7.上殼體後框式擋板；8.下殼體側擋板；9.下殼體後框式擋板；10.前導流板；11.後導流板；12.燃燒室安裝筒；13.固定法蘭；14.出水管；15.前放氣口；16.後放氣口；17.圓管；18.扁管；19.水側蓋板；20.氣側蓋板；21.直齒形紊流片；22.鋸齒形翅片；23.上殼體上擋板；24.上殼體側擋板；25.下殼體側擋板；26.下殼體上擋板；27.下殼體前導流板；28.下殼體後導流板；29.軸向下擋板；30.軸向側擋板；31.進水管；32、分散換熱結構，33分散換熱結構外殼，34格柵孔，35格柵片，36換熱芯體上蓋板，37進口集箱，38出口集箱，中間部件39，下蓋板40。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明。
本文中，如果沒有特殊說明，涉及公式的，「/」表示除法，「×」、「*」表示乘法。
如圖1-6所示的一種廢氣餘熱利用換熱裝置，包括換熱芯體1、換熱芯體前支撐體2和換熱芯體後支撐體3，所述換熱芯體1、前支撐體2和後支撐體3設置在廢氣煙道12內，所述換熱芯體1包括上蓋板36、下蓋板40和多根換熱管，換熱管連接貫穿上蓋板36和下蓋板40，所述前支撐體2和後支撐體3分別位於換熱芯體1兩端，與換熱芯體1共同形成換熱裝置的氣側通道；所述前支撐體1連接換熱芯體上蓋板36、下蓋板40和煙道12管壁，所述後支撐體2連接換熱芯體上蓋板36、下蓋板40和煙道12管壁，所述前支撐體2、後支撐體3、換熱芯體蓋板36和煙道12管壁共同形成換熱裝置的液體進口集箱37和出口集箱38。
本發明所述的換熱裝置，將管壁作為換熱裝置的進口集箱和出口集箱的一個部件，利用煙道管壁形成換熱裝置的進口集箱和出口集箱，將換熱裝置整體都設置在廢氣煙道內，避免單獨設置進口集箱和出口集箱，使得換熱裝置佔據空間少，降低換熱芯體體積與重量，結構緊湊。
作為優選，所述前支撐體2和後支撐體3為管狀結構，所述前支撐體2管壁兩端連接蓋板36、40和煙道管壁，後支撐體3的管壁兩端連接蓋板36、40和煙道管壁。
通過如此設置，使得前支撐體2和後支撐體3分別形成換熱裝置廢氣側的廢氣入口和廢氣出口，進一步使得結構緊湊。
作為優選，所述的前支撐體2、後支撐體3的管壁通過中間部件39連接煙道12管壁，所述中間部件39為彎曲的板狀結構，如圖1所示。
作為優選，所述換熱裝置的進水管31和出水管14分別設置在煙道12管壁上並分別連通進口集箱和出口集箱。
作為優選，進口集箱38位於煙道的下部，出口集37管位於煙道的上部。
作為優選，所述換熱管包括圓管17，所述圓管17垂至於廢氣流動方向布置，沿著廢氣流動方向，圓管17的直徑越來越小。設距離廢氣入口的距離為s，則圓管的內徑為d，設d＝f(s)，則f』(s)0，f」(s)是f(s)的二次導數。即沿著廢氣流動方向，圓管的直徑越來越小的幅度不斷增加。
通過實驗發現，通過上f」(s)>0的設置，可以進一步滿足不同位置圓管內的壓力分布，進一步保證換熱管內壓力分布均勻。
作為優選，如圖3所示，沿著煙氣的流動方向，圓管17設置為多排，所述圓管17為錯列結構，相鄰圓管17的圓心之間的間距為圓管17外徑的1.1-1.3倍。圓管17外徑為相鄰兩根換熱管外徑的平均值。
作為優選，沿著廢氣流動方向，後一排圓管17的直徑是相鄰前排圓管直徑的0.93-0.98倍。
上述的比例關係是通過大量的實驗的最優的比例關係。通過上述的管徑以及間距尺寸的設置，能夠使得壓力分布達到最優。
作為優選，前支撐體2形成氣側的進口通道，後支撐體3形成氣側的出口通道。
作為優選，所述換熱管包括圓管17，所述圓管17內分段設置多個分散換熱結構32，所述分散換熱結構32包括芯體和外殼33，所述芯體設置在外殼33中，所述外殼33與圓管17內壁連接固定，所述芯體包括由若干數量的格柵片35，格柵片35之間連接形成格刪孔34。
因為廢氣溫度很高，使得圓管內的流程會形成汽液兩相流，本發明在圓管內設置格柵換熱分散換熱結構，通過分散換熱結構將兩相流體中的液相和氣相進行分離，將液相分散成小液團，將氣相分散成小氣泡，抑制液相的回流，促使氣相順暢流動，起到穩定流量的作用，具有減振降噪的效果。同時，本發明通過設置格柵分散換熱結構，相當於在換熱管內增加了內翅片，強化了換熱，提高了換熱效果。
本發明因為將氣液兩相在所有換熱管的所有橫截面位置進行了分散，從而在整個換熱管截面上實現氣液界面以及氣相邊界層的分散與冷卻壁面的接觸面積並增強擾動，大大的降低了噪音和震動，強化了傳熱。
作為優選，所述分散換熱結構32的芯體是一體成型。
作為優選，所述分散換熱結構32的芯體是通過格柵片35焊接而成。
作為優選，作為優選，所述格柵片35上設置連通孔。通過連通孔實現格柵孔34之間的連通。
通過設置連通孔，可以保證相鄰的格柵孔之間互相連通，能夠均勻格柵孔之間的壓力，使得高壓流道的流體流向低壓，同時也可以在流體流動的同時進一步分隔液相和氣相，有利於進一步穩定兩相流動。
作為優選，沿著圓管17內流體的流動方向(即圖8的高度方向)，圓管17內設置多個分散換熱結構32，從圓管的入口到圓管的出口，相鄰分散換熱結構之間的距離越來越短。設距離圓管入口的距離為h，相鄰分散換熱結構之間的距離為l，l＝f1(h)，即l是以高度h為變量的函數，l』是l的一次導數，滿足如下要求：
l』0；
通過實驗發現，通過如此設置，能夠進一步降低10％左右的震動和噪音，同時提高11％左右的換熱效果。
作為優選，每個分散換熱結構32的長度保持不變。
作為優選，除了相鄰的分散換熱結構32之間的距離外，分散換熱結構其它的參數(例如長度、管徑等)保持不變。
作為優選，沿著圓管17的高度方向，圓管17內設置多個分散換熱結構32，從圓管17的入口到圓管17的出口，分散換熱結構32的長度越來越長。即分散換熱結構的長度為c，c＝f2(x)，c』是c的一次導數，滿足如下要求：
c』>0；
進一步優選，從圓管的入口到圓管的出口，分散換熱結構的長度越來越長的幅度不斷增加。即c」是c的二次導數，滿足如下要求：
c」>0；
具體理由如相鄰分散換熱結構之間的距離的變化相同。
作為優選，相鄰分散換熱結構之間的距離保持不變。
作為優選，除了分散換熱結構的長度外，分散換熱結構其它的參數(例如相鄰的間距、管徑等)保持不變。
作為優選，沿著圓管17的高度方向，圓管17內設置多個分散換熱結構，從圓管17的入口到圓管17的出口，不同分散換熱結構32內的格柵孔41的水力直徑越來越小。即分散換熱結構的格柵孔水力直徑為z，z＝f3(x)，z』是z的一次導數，滿足如下要求：
z』0。
具體理由如相鄰分散換熱結構之間的距離的變化相同。
作為優選，分散換熱結構的長度和相鄰分散換熱結構的距離保持不變。
作為優選，除了分散換熱結構的格柵孔水力直徑外，分散換熱結構其它的參數(例如長度、相鄰分散換熱結構之間的距離等)保持不變。
進一步優選，如圖3所示，所述圓管17內部設置凹槽，所述分散換熱結構32的外殼33設置在凹槽內。
作為優選，外殼33的內壁與圓管17的內壁對齊。通過對齊，使得圓管內壁面表面上達到在同一個平面上，保證表面的光滑。
作為優選，外殼33的厚度小於凹槽的深度，這樣可以使得圓管內壁面形成凹槽，從而進行強化傳熱。
進一步優選，如圖4所示，圓管17為多段結構焊接而成，多段結構的連接處設置分散換熱結構32。這種方式使得設置分散換熱結構的圓管的製造簡單，成本降低。
通過分析以及實驗得知，分散換熱結構之間的間距不能過大，過大的話導致減震降噪的效果不好，同時也不能過小，過小的話導致阻力過大，同理，格柵孔的外徑也不能過大或者過小，也會導致減震降噪的效果不好或者阻力過大，因此本發明通過大量的實驗，在優先滿足正常的流動阻力(總承壓為2.5mpa以下，或者單根圓管的沿程阻力小於等於5pa/m)的情況下，使得減震降噪達到最優化，整理了各個參數最佳的關係。
作為優選，相鄰分散換熱結構之間的距離為l，分散換熱結構的長度為c，換熱管的直徑為d，格刪孔的流體流通面積為a，格刪孔的流體流通的周長為z，滿足如下要求：
l/c＝a-b*ln(d/e)；
e＝4*a/z；
其中ln是對數函數，a,b是參數，其中4.9<a<6.1,1.3<b<2.1；
10<d<18mm；
8<c<15mm；
25<l<35mm。
作為優選，5.4<a<5.8,1.6<b<1.9；
作為優選，a＝5.52，b＝1.93。
其中分散換熱結構的間距s是以相鄰分散換熱結構相對的兩端之間的距離；即前面分散換熱結構的尾端與後面分散換熱結構的前端之間的距離。具體參見圖9的標識。
換熱管的直徑d是指內徑和外徑的平均值。
作為優選，圓管長度s為140－200mm之間。進一步優選，160－180mm之間。
通過上述公式的最佳的幾何尺度的優選，能夠實現滿足正常的流動阻力條件下，減震降噪達到最佳效果。
進一步優選，隨著d/e的增加，a不斷減小，b不斷的增加。
對於其他的參數，例如管壁、殼體壁厚等參數按照正常的標準設置即可。
作為優選，格柵孔34在分散換熱結構32的整個長度方向延伸。即格柵孔34的長度等於分散換熱結構32的長度。
通過上述設置，可以進一步強化傳熱，能夠提高換熱效率。
作為優選，所述換熱管內壁設置凹槽，所述分散換熱結構的外殼設置在凹槽內，所述外殼的內壁與圓管的內壁對齊。
作為優選，除了外殼33形成的格柵孔，其餘的格刪孔為正方形。
作為優選，所述的換熱管包括圓管17和扁管18，所述圓管17分布在扁管18的前端。即沿著廢氣的流動方向，依次分布圓管17和扁管18。
主要原因在於廢氣入口側溫度高，因此液體容易沸騰，從而形成汽液兩相流，因為圓管的形狀為圓形，即使在相同換熱面積情況下，圓管流通面積大，使得承壓力能力強，而隨著煙氣的換熱，後端的煙氣溫度相對較低，因此可以使用扁管，扁管因為形狀為扁長形，流通空間小，液體在後端不會沸騰，因此不需要大通道可以滿足壓力要求，而且扁管換熱面積大，從而使得強化傳熱。因此通過扁管和圓管的分布，使得換熱裝置整體上壓力分布相對均勻，避免出現壓力過大，而且換熱能力相對增加。
作為優選，單根圓管的流體流通面積大於單根扁管。
作為優選，單根圓管的流體流通面積是單根扁管流通面積的2－3倍。
作為優選，所述的圓管17放置於換熱芯體前側，圓管17具有多排，每排含多個圓管17，相鄰兩排圓管17交錯分布。所述的扁管18分多排緊鄰圓管換熱結構布置於換熱芯體後側，每排含多個扁管18，且相鄰兩排扁管前、後一一對應。
扁管18的延伸方向平行於煙氣的流動方向。
作為優選，所述圓管17和扁管18內液體的流動方向都垂至於廢氣的流動方向。
作為優選，扁管內部設置翅片，將扁管內液體流道分為多個小流道。作為優選，沿著廢氣流動的方向，不同扁管內的小流道水力直徑不斷變小。設距離廢氣入口的距離為s，則扁管小流道的水力直徑為d，設d＝f(s)，則f』(s)0，f」(s)是f(s)的二次導數。
對於f」(s)>0，可以顯著提高換熱效果，並且實現壓力平衡。上述的結果是通過大量的數值模擬和實驗得到的結論。
作為優選，作為優選，沿著液體流動的方向，同一扁管內的小流道水力半徑不斷變小。設距離廢氣入口的距離為s，則扁管小流道的水力直徑為d，設d＝f(s)，則f』(s)0，f」(s)是f(s)的二次導數。具體原因如同前面。
作為優選，扁管內的小流道橫截面為長方形，尺寸為2x4mm。
作為優選，扁管間的小流道橫截面為三角形。
作為優選，前支撐體與後支撐體為中空的方-圓過渡結構，一側端面為方形，一側端面為圓形，其中，前支撐體的方形端面與換熱芯體圓管一側端面相連並固定、密封，圓形端面與前部燃燒室安裝筒後端面出風口處固定、密封；後支撐體的方形端面與換熱芯體扁管一側端面相連並固定、密封，圓形端面與後部法蘭裝置出風口處固定、密封。
作為優選，所述的餘熱利用換熱裝置設置在燃燒器的廢氣煙道中，優選為加溫器的煙道。
作為優選，所述廢氣煙道12是燃燒室安裝筒12。
作為優選，換熱裝置的廢氣入口溫度為1200－1400攝氏度，優選為1300攝氏度。作為優選，前排圓管為耐高溫不鏽鋼。
作為優選，所述換熱裝置設置排氣口15，16，所述排氣口15設置在上集箱的廢氣煙道17的管壁上，所述排氣口16設置在出水管上。作為優選，排氣口15，16根據壓力情況自動排氣。
下面結合附圖對本發明具體優選的實施例進行詳細說明。
本優選實施例中所涉及的換熱裝置包括換熱芯體1，前支撐體2，後支撐體3，熱交換體上殼體4及其上設置的上殼體前框式擋板6、上殼體後框式擋板7，熱交換體下殼體5及其上設置的下殼體側擋板8、下殼體後框式擋板9，前導流板10，後導流板11，進水管31，出水管14，燃燒室安裝筒12，固定法蘭13等。
所述換熱芯體1為薄壁式圓管-管帶組合換熱結構，圓管17與扁管18內部為液體流動區域，圓管與圓管、扁管與扁管之間的區域為氣體流動區域，每排扁管的相鄰扁管之間設置有鋸齒形翅片22，用於增加氣側通道換熱面積，扁管內部設置有直齒形紊流片21，用於增加對流動液體的擾動。所述前支撐體2、後支撐體3的方形端面分別與換熱芯體2氣體流動區域兩端面通過焊接固定，所述前支撐體2圓形端面與燃燒室安裝筒12的後側端面出氣口連接、固定，所述後支撐體3圓形端面與固定法蘭小直徑端面圓孔對齊並固定，所述熱交換體上殼體4與換熱芯體水側通道相對，位於換熱芯體1與支撐體(2、3)上側，所述熱交換體下殼體5位於換熱芯體2與支撐體(2、3)下側，與熱交換體上殼體4在兩側自由邊處固定。上、下殼體(4、5)前、後端面分別與燃燒室安裝筒12外側面、固定法蘭13小直徑端外側面固定、密封。所述熱交換體上殼體前框式擋板6、後框式擋板7依殼體形狀橫向固定於方形部分的前、後兩端，所述熱交換體下殼體側擋板25位於方形部分的前端，左、右兩側各固定一個，所述熱交換體下殼體後框式擋板9依殼體形狀橫向固定於方形部分的後端，所述的階梯形前導流板10、後導流板11固定於熱交換體下殼體5底面、換熱芯體2圓管所對應區域，擋板與導流板共同用於組織液體流場。所述進水管31、出水管14分別與熱交換體上殼體4、熱交換體下殼體5連接，用作換熱裝置與外界連接橋梁，與熱交換體殼體4和5、換熱芯體1液體流動區域及芯體支撐體2和3共同形成水側流道。所述燃燒室安裝筒12、前支撐體2、換熱芯體1氣體流動區域、後支撐體3、固定法蘭13共同組成氣側流道。所述換熱裝置在實現流動換熱的同時，具有耐高溫、結構緊湊、換熱效率及功率密度高的特點。
具體的，見圖3和圖4，換熱芯體包括3排前、後交錯排列的耐高溫不鏽鋼圓管17、2排前、後對齊排列的不鏽鋼扁管18、2個水側蓋板19、2個氣側蓋板20、42個鋸齒形翅片22、40個直齒形紊流片21，其中圓管換熱結構中的第一排與第三排圓管數量為9，第二排圓管數量為8，圓管壁厚為1mm，扁管換熱結構中每排扁管數量為21，扁管壁厚為0.5mm，直齒形紊流片21與鋸齒形翅片22皆為獨立結構，採用釺焊工藝分別固定於扁管18內側面與外側面上。水側蓋板19上設置有與圓管17和扁管18數量一致的圓孔與長孔，孔徑與圓管和扁管尺寸相配合，水側蓋板19與氣側蓋板20的蓋板邊緣設置有90°折邊，便於固定。換熱芯體1各部件通過釺焊工藝進行固定與密封，具有良好的強度與工藝性特徵，焊接後的換熱芯體1的體積為160×180×168(mm)，換熱面積為3.62m2，換熱效率可達92％。
具體的，所述前支撐體2與後支撐體3為中空的方-圓過渡結構，一側端面為方形，一側端面為圓形，其中，前支撐體2的方形端面與換熱芯體1前端面相連並焊接固定、密封，圓形端面套入燃燒室安裝筒12小直徑圓筒後焊接固定、密封；後支撐體的方形端面與換熱芯體後端面對接並焊接固定、密封，圓形端面在固定法蘭13前端面進風口處焊接固定、密封，優選的，前、後支撐體厚度為1.5mm。
具體的，所述熱交換體上殼體4、熱交換體下殼體5的殼體形狀與固定後的前支撐體2、換熱芯體1、後支撐體3相似，前部為圓-方過渡結構、中間為方形結構、後部為方-圓過渡結構，上殼體4與下殼體5兩側面自由邊對接後可以將芯體支撐體(2、3)及換熱芯體1包圍在其中，並與燃燒室安裝筒外側面、固定法蘭小徑端外側面固定、密封后共同形成換熱裝置的氣側通道。
具體的，見圖2，熱交換體上殼體4、熱交換體下殼體5兩側面自由邊對接處為覆蓋固定結構，即上殼體的一側平面在對接處附近向外擴展並具有向下的延伸部，作為優選擴展距離與殼體厚度相同，下殼體的另一側平面具有向下的延伸部，兩個延伸部固定，當上、下殼體對接時在對接邊處形成相互覆蓋的結構，便於焊接固定，同時可以起到加強結構穩定性的作用。
具體的，熱交換體上殼體4圓-方過渡結構底面臨近前端面處設有排氣附座，便於排除前端水側流道內的空氣。熱交換體上殼體4方形結構中間區域設置有向外的方形凹槽，便於換熱裝置內部氣體的集聚和排出。熱交換體上殼體4方形凹槽中心區域設置有圓形出水孔與傳感器附座安裝孔，下殼體右側端面前端的圓-方過渡結構上設置有圓形進水孔，進水孔與出水孔直徑相同，用於安裝水管，同時，進、出水孔旁設有傳感器附座安裝孔，用於安裝傳感器附座，便於採集換熱裝置進、出水溫度。安裝在熱交換體上殼體4上的出水管14設置有排氣附座，便於換熱裝置排出空氣。
具體的，見圖5，熱交換體上殼體4設置有結構相同的上殼體前框式擋板6和上殼體後框式擋板7，分別由1個上殼體上擋板23和2個上殼體側擋板24組成，上擋板23上部中間區域開有貫穿擋板的半圓形孔，便於上擋板23前側空間內的氣體通過此孔排出換熱裝置。前框式擋板6的上擋板23橫向放置於熱交換體上殼體4方形結構前端、換熱芯體1前端面所在平面，其長度為上殼體兩側面間的距離，高度同上殼體與換熱芯體1上蓋板間的距離相同，固定於熱交換體上殼體4內側面；前框式擋板6的側擋板24位於前框式擋板6上擋板23後部、換熱芯體左右兩側，其高度與所在方形結構側面一致，寬度與上殼體4側面到換熱芯體同側面的距離相同，固定於熱交換體上殼體4內側面與前框式擋板6的上擋板23前端面上。同樣的，後框式擋板7的上擋板23前端面位於換熱芯體1後端面所在平面，後框式擋板7的側擋板24前端面位於後框式擋板7的上擋板23後端面所在平面。
具體的，見圖6，熱交換體下殼體5設置有下殼體側擋板25、下殼體上擋板26、下殼體前導流板27(即圖1的導流板11)、下殼體後導流板28(即圖1的導流板12)、軸向下擋板29、軸向側擋板30。熱交換體下殼體5在與上殼體方形結構前、後端左、右兩側相近位置處設置有側擋板25，其結構特徵與上殼體側擋板24相同，當上、下殼體對接時，兩殼體相同位置的側擋板前、後重疊，即上殼體擋板後側面與下殼體擋板前側面重合。下殼體後端底面上、後側擋板25前橫向設置有下殼體上擋板26，上擋板26後側面與側擋板前端面重合，固定於下殼體底面內側，下擋板中間無開孔。軸向下擋板29焊接固定在熱交換體下殼體5前端圓-方過渡段底面內側中間區域，軸向側擋板30焊接固定於下殼體右側面中間高度處，進水口位於擋板下部，軸向下擋板29與軸向側擋板30長度與前支撐體軸向長度一致。下殼體前導流板27、下殼體後導流板28橫向固定於熱交換體下殼體5底面上，長度與熱交換體下殼體底面寬度一致，且導流板位於換熱裝置中心軸縱向垂面右側部分的高度為另一側高度的1/2。在換熱裝置軸向方向上，下殼體前導流板27放置在與換熱芯體1前兩排圓管軸心所在平面平行且等距的平面上，下殼體後導流板28放置在換熱芯體1第二排圓管軸心所在平面上。
作為優選，下擋板29高度在軸向上隨前支撐體2底面與熱交換體下殼體5間的距離而變化，以保證下擋板29與前支撐體間的距離在軸向上保持一致，通過此處的流體流量滿足設計要求。
作為優選，軸向側擋板30高度在軸向上隨前支撐體2右側面與熱交換體下殼體5間的距離而變化，以保證軸向側擋板30與前支撐體間的距離在軸向上保持一致，通過此處的流體流量滿足設計要求。
設置導流板和擋板的目的是進行流量分配。軸向下擋板與梯形導流板中間位置對齊，引導由進水管進入的絕大部分液體經梯形結構較低的邊進入換熱芯體，少部分液體經軸向下擋板和軸向上擋板與前支撐體間的空隙進入前支撐體與熱交換體間的區域，對燃燒室和殼體起到冷卻作用，此流體經上殼體上設置的擋板中心的小孔流入換熱芯體出水空間。
功能方面，冷卻液由進水口進入換熱芯體後根據擋水板的位置進行流量分配，一級換熱圓管佔全部水流量42％，二級換熱扁管佔流量30％，三級換熱扁管佔流量20％，一級換熱圓管主要與高溫燃氣進行強制熱交換，降低高溫燃氣溫度，保證二、三級換熱扁管使用壽命，二、三級換熱扁管由於內部安裝了換熱翅片，換熱面積大幅提高，保證了整機換熱性能。為實現此流量分配，在上、下殼體上設置了相應的導流板與擋板。其中，軸向下擋板與軸向側擋板固定於下殼體上，擋板高度隨前支撐體形狀變化且與前支撐體外側面間隔2mm，進入換熱裝置的流體中約8％經此縫隙進入上殼體與前支撐體間的空間，並經上殼體前框式擋板與換熱芯體間的縫隙流入芯體上部空間，進而由出水口流出換熱裝置，此部分流體主要用於冷卻前支撐體，提高換熱裝置可靠性。在換熱芯體一級換熱圓管底部的下殼體上設置下殼體前導流板和下殼體後導流板，前導流板位於第一排換熱管與第二排換熱管之間，後倒流板位於第二排換熱管中心面上，兩導流板呈梯形結構，沿廢氣流動方向，由中心位置開始導流板左側高度大於右側。設置梯形結構導流板的目的在於將部分流體攔截在換熱圓管底部以提高一級換熱圓管流量，放行一部分流體確保換熱扁管流量。其中，下殼體前導流板與後導流板共同作用保證一級換熱圓管中第二排換熱管與第三排換熱管的流量，同時，經數值模擬計算與試驗驗證，後導流板放置於第二排換熱管中心平面上既可以確保所需流量，還可以平衡各排換熱管的熱負荷。
作為優選，所述上外殼下外殼構成了廢氣通道管壁的一部分。
1.本發明所述一種熱交換裝置，燃燒產生的高溫廢氣由氣側通道流經熱交換裝置，通過氣側通道壁面及換熱芯體翅片將熱量傳遞給水側通道內的液體，實現對液體進行加溫，採用的薄壁式換熱結構可有效減小換熱熱阻，降低換熱芯體體積與重量，具有耐高溫、結構緊湊、換熱效率及功率密度高的特點。
2.本發明所述的一種熱交換裝置，換熱芯體前端採用薄壁圓管形換熱結構，圓管材料選用耐高溫不鏽鋼，可以提高換熱芯體的耐高溫強度，有效減小燃燒換熱裝置的體積。
3.本發明所述的一種熱交換裝置，換熱芯體後端採用多排薄壁扁管式換熱結構，扁管之間設有直齒形翅片，增加了氣側通道換熱面積，提高了熱交換裝置的換熱效率。扁管內部設有鋸齒形紊流片，可有效降低水側的膜態沸騰現象，增加了水側對流換熱強度，降低了換熱芯體的熱負荷，提高了換熱效率。
4.本發明所述的一種熱交換裝置，熱交換體上、下殼體上設有擋板與導流板，用於引導水側液體按設計方式流動，進入進水管的液體在下殼體底面及側面擋板的阻擋作用下，大部分進入換熱芯體周圍的水側通道內，並在下殼體底面半缺口的兩導流板分流下，由換熱芯體底部由下向上流經圓管與扁管內部並進入出水管，在提高換熱溫差的同時降低了換熱芯體的熱負荷。同時，進入前支撐體與熱交換體殼體之間的液體對前支撐體起到了冷卻作用，提高了其可靠性，後支撐體周圍的液體與燃燒排氣進行換熱，提高了熱量利用率。
5.本發明所述的一種熱交換裝置，熱交換體上、下殼體在對接處採用覆蓋結構，可以起到加強結構穩定性的作用，上殼體方形結構中間區域設置有向外的方形凹槽，同時方形結構前、後兩端設置的擋板上開有通孔，便於熱交換裝置內部氣體向出水管處聚集和排出，避免因積氣造成熱交換裝置熱負荷增加。
6.本發明所述的一種熱交換裝置，前端設置有燃燒室安裝結構，後端設置有排煙裝置固定法蘭結構，提高了燃燒換熱裝置的集成度，便於燃燒與熱交換裝置的維護、保養。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，但本發明並非限定於此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護範圍應當以權利要求所限定的範圍為準。