一种热换器及热换方法

技术领域

本发明涉及热换器技术领域，尤其涉及一种热换器及热换方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

现有的桶式热换器主要是在桶壁上设置水容腔，在桶内设置燃烧器，向水容腔内注水，通过燃烧器燃烧产生的热量对水容腔内的水进行加热，从而使水容腔内的水变为蒸汽排出，当前的热换器主要通过增加热换器的体积，来提高热换效率，导致热换器整体体积较大，且热能利用率较低，为此，在热换器的基础上增加烟气余热回收装置对热量交换后的余热进行回收，将回收的热量回输至热换器桶内，重新参与至与水的热交换过程中，该种方法受热换面积及热换强度的影响，热换效率依然较低。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种热换器及热换方法，提高了热换器的热换效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，提出了一种热换器，包括第一薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器；第一薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器的水容腔依次连通；第一薄壁桶式热换器的水容腔连通蒸汽出口管路，第三薄壁桶式热换器的水容腔连通第三进水管；第三进水管中的水能够通过三个水容腔后经蒸汽出口管路排出；第一薄壁桶式热换器的桶内容腔为第一烟气容腔，第二薄壁桶式热换器套于第一薄壁桶式热换器外部，两者之间设置第二烟气容腔；第三薄壁桶式热换器套于第二薄壁桶式热换器外部，两者之间设置第三烟气容腔；第一烟气容腔、第二烟气容腔和第三烟气容腔依次连通；第一烟气容腔与燃烧器连接；燃烧器产生的烟气能够进入第一烟气容腔、第二烟气容腔和第三烟气容腔，与第一薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器水容腔中的水进行热量交换。

第二方面，提出了第一方面提出的一种热换器的热换方法，包括：

第三进水管中的水依次通过第三薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第一薄壁桶式热换器的水容腔；

控制燃烧器进行燃烧，燃烧产生的烟气依次进入第一烟气容腔、第二烟气容腔和第三烟气容腔，与第一薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器水容腔中的水进行热量交换；

第一薄壁桶式热换器水容腔中的水与第一烟气容腔及第二烟气容腔中的烟气进行热量交换后，形成蒸汽从蒸汽出口管路排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明通过将第一薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器套设在一起，并将三个热换器的水容腔相连通，将三个烟气容腔相连通，从而能够利用燃烧器为第一薄壁桶式热换器水加热后的热量，对第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器中的水进行加热，实现了对燃烧器余热的回收利用，同时，通过第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器提高了水与余热的热交换面积，有效提升换热效率。

2、本发明利用最低温的烟气对最低温的水进行加热，利用中间温度的烟气对中间温度的水进行加热，利用最高温的烟气对最高温度的水进行加热，有效提升了热换强度，进一步保证换热效率。

3、本发明第一薄壁桶式热换器和第二薄壁桶式热换器的内筒壁和外筒壁均能与燃烧器产生的烟气进行换热，进一步提高了换热效率和换热强度。

4、本发明在内筒壁和外筒壁之间连接多个定位柱，能够保证内筒壁和外筒壁之间水容腔的均匀性，避免蒸汽流动紊乱，避免局部干烧；增大换热面积和换热强度；提升筒壁的承压强度。

5、本发明在第一薄壁桶式热换器的下端和第二薄壁桶式热换器的下端均设置加强柱，并在加强柱上设置漏水孔，在保证热换器强度的基础上，避免换热器内部漏水时，不能及时排出的问题。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例公开热换器的整体结构示意图；

图2为实施例公开第一薄壁桶式换热器的主视图；

图3为实施例公开第一薄壁桶式换热器的俯视图；

图4为实施例公开第二薄壁桶式换热器的主视图；

图5为实施例公开第二薄壁桶式换热器的俯视图；

图6为实施例公开第三薄壁桶式换热器的主视图；

图7为实施例公开第三薄壁桶式换热器的俯视图；

图8为实施例公开的定位柱结构图。

其中：1、燃烧器，42、燃烧器圆柱燃烧头，43、第一薄壁桶式换热器，44、第二薄壁桶式换热器，45、第三薄壁桶式换热器，57、第二连通管，60、第一连通管，61、第一进水管，62、紧固螺杆，63，第一环板，64、第二环板，65、竖向外筒壁，66、竖向内筒壁，67、锥形外筒壁，68、通烟管，69、锥形内筒壁，70、第三环板，71、第四环板，72、第一加强柱，74、支撑桶，75、支撑筋板，76、定位柱，77、第一圈板，7、蒸汽出口管路，78、第二出水管，79、第五环板，80、第二圈板，81、第六环板，82、竖向外筒壁，83、竖向内筒壁，84、第七环板，85、第八环板，86、加强柱，87、第二进水管，88、第三圈板，89、第四圈板，90、加强管，91、第九环板，92、第十环板，93、竖向外筒壁，94、竖向内筒壁，95、第三进水管，96、筋板，97、螺柱，98、第十一环板。99、第五圈板，100、第十二环板，101、第三出水管，102、第十三环板，103、第六圈板，a、台面，b、台阶，c、台面。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1

在该实施例中，公开了一种薄壁桶式热换器，如图1-图8所示，包括第一薄壁桶式热换器43、第二薄壁桶式热换器44和第三薄壁桶式热换器45；第一薄壁桶式热换器43、第二薄壁桶式热换器44和第三薄壁桶式热换器45的水容腔依次连通；第一薄壁桶式热换器43的水容腔连通蒸汽出口管路7，第三薄壁桶式热换器45的水容腔连通第三进水管95；第三进水管95中的水能够通过三个水容腔后经蒸汽出口管路7排出；第一薄壁桶式热换器43的桶内容腔为第一烟气容腔，第二薄壁桶式热换器44套于第一薄壁桶式热换器43外部，两者之间设置第二烟气容腔；第三薄壁桶式热换器45套于第二薄壁桶式热换器44外部，两者之间设置第三烟气容腔；第一烟气容腔、第二烟气容腔和第三烟气容腔依次连通；第一烟气容腔与燃烧器1连接；燃烧器产生的烟气能够进入第一烟气容腔、第二烟气容腔和第三烟气容腔，与第一薄壁桶式热换器43、第二薄壁桶式热换器44和第三薄壁桶式热换器45水容腔中的水进行热量交换。

其中，第一薄壁桶式热换器43、第二薄壁桶式热换器44和第三薄壁桶式热换器45均包括内筒壁和外筒壁，内筒壁和外筒壁之间设置容纳水的水容腔；第一薄壁桶式热换器43的内筒壁内部为第一烟气容腔；第一薄壁桶式热换器43的外筒壁与第二薄壁桶式热换器44的内筒壁之间为第二烟气容腔，第三薄壁桶式热换器45的内筒壁与第二薄壁桶式热换器44的外筒壁之间为第三烟气容腔。

优选的，第一薄壁桶式热换器43、第二薄壁桶式热换器44和第三薄壁桶式热换器45的内筒壁和外筒壁之间均连接多个定位柱76；多个定位柱76在内筒壁和外筒壁之间均布设置。

本实施例还在第一薄壁桶式热换器的下端和第二薄壁桶式热换器的下端分别设置加强柱，加强柱的一端与热换器自身的内筒壁连接，另一端与热换器自身的外筒壁连接，加强柱上还设置漏水孔。

为了提升热换效率，本实施例将第一薄壁桶式热换器的上端与燃烧器连接；

第一薄壁桶式热换器43水容腔的下端与蒸汽出口管路7连通，第一薄壁桶式热换器43水容腔的上端与第二薄壁桶式热换器44水容腔的上端连通；第二薄壁桶式热换器44水容腔的下端与第三薄壁桶式热换器45水容腔的下端连通，第三薄壁桶式热换器45水容腔的上端与第三进水管95连通，水能够通过第三进水管95进入第三薄壁桶式热换器45的水容腔，该水容腔中的水进行热量交换后，经该水容腔的下端进入第二薄壁桶式热换器44水容腔的下端，第二薄壁桶式热换器44水容腔中的水进行热量交换后，经第二薄壁桶式热换器44水容腔的上端进入第一薄壁桶式热换器43水容腔的上端，第一薄壁桶式热换器43水容腔的水进行热量交换后，由第一薄壁桶式热换器43水容腔的下端进入蒸汽出口管路7中，由蒸汽出口管路7排出。将第一烟气容腔的下端与第二烟气容腔的下端相连通；第二烟气容腔的上端与第三烟气容腔的上端相连通；第三烟气容腔中的烟气由第三烟气容腔的下端排出，将每个水容腔的进水端与出水端设置于水容腔的两端，有效提高热换面积及热换效率。

优选的，第一薄壁桶式热换器的下端设置通烟管，通烟管的一端与第一烟气容腔连通，另一端与第二烟气容腔连通；通过通烟管能够将第一烟气容腔中的烟气导入第二烟气容腔中。

第二薄壁桶式热换器的上端开口，下端与第一薄壁桶式热换器的下端连接，第二薄壁桶式热换器的上端开口与第三烟气容腔相连通，第二烟气容腔中的烟气经第二薄壁桶式热换器的上端开口进入第三烟气容腔。

第三薄壁桶式热换器的上端与第一薄壁桶式热换器的上端连接，第三薄壁桶式热换器的下端开口，第三烟气容腔中的烟气由第三薄壁桶式热换器的下端开口排出。

如图2、图3所示，第一薄壁桶式热换器43包括第二环板64、竖向内筒壁66、锥形内筒壁69、第三环板70、第一环板63、竖向外筒壁65、锥形外筒壁67、第四环板71和第一圈板77，第二环板64、竖向内筒壁66、锥形内筒壁69和第三环板70依次连接形成第一薄壁桶式热换器43的内筒壁，第一环板63、竖向外筒壁65、锥形外筒壁67和第四环板71依次连接形成第一薄壁桶式热换器43的外筒壁，第一圈板77位于第一薄壁桶式热换器43的上端，外筒壁套于内筒壁外部，内筒壁和外筒壁均与第一圈板77连接，在内筒壁、外筒壁和第一圈板77之间设置水容腔。

优选的，第二环板64和第一环板63与第一圈板77连接，位于第一薄壁桶式热换器43的上端，锥形内筒壁69和锥形外筒壁67位于第一薄壁桶式热换器43的下端，形成锥形水容腔。

第一环板63上均匀分布多个第一进水管61，多个第一进水管61与第二环板64和第一环板63之间的水容腔连通，第一进水管61通过第一连通管60与第二出水管78连通，蒸汽水混合体在第二薄壁桶式换热器换热完毕后通过第二出水管78、第一连通管60和第一进水管61进入第一薄壁桶式换热器的水容腔。第二环板64、第一环板63及竖向内筒壁66与竖向外筒壁65的上部形成上通流腔，用于均匀的分集蒸汽，避免第一薄壁桶式热换器43内部局部布汽不均，造成局部干烧等情况发生。

第四环板71的中心焊接蒸汽出口管路7，蒸汽出口管路7与第一薄壁桶式热换器43的水容腔相连通，通过蒸汽出口管路7将第一薄壁桶式热换器43的水容腔热交换产生的蒸汽输出换热器。

第一薄壁桶式热换器43内筒壁的内部为第一烟气容腔，第一环板63上还均匀分布多个紧固螺杆62，燃烧器通过紧固螺杆62与第一环板63连接，并将燃烧器圆柱燃烧头42伸入第一烟气容腔中，燃烧器圆柱燃烧头42燃烧产生的烟气直接进入第一烟气容腔。

此外，第一薄壁桶式热换器43的下端还设置支撑桶74，用于对换热器进行辅助支撑。支撑桶74与第四环板71相连接。

第一桶式换热器43的下端还设置有四个第一加强柱72，用于增强底部腔体承压，且其中一个第一加强柱72的中心有孔洞，形成漏水孔，第一加强柱72的一端与第三环板70连接，另一端与第四环板71连接，漏水孔为通孔，且一端与第一烟气容腔相连通，避免第一桶式换热器43内部漏水时，不能及时排出，对燃烧器燃烧产出危险。

第一桶式换热器43的上端外部还设置有多个支撑筋板75，支撑筋板75与第三薄壁桶式换热器45的上端连接，通过支撑筋板75对第三薄壁桶式换热器45进行定位及辅助支撑作用。

在第一桶式换热器43的锥形水容腔处设置多个通烟管68，通烟管68与第一烟气容腔和第二烟气容腔均连通，通过通烟管68的设置，能够增强锥形腔体内部耐压强度，也能够将第一烟气容腔中的高温烟气导流至第二烟气容腔中，进入后续的对流换热。

优选的，第一桶式换热器43的内筒壁与外筒壁的厚度为2mm，且该内筒壁与外筒壁之间的间隙为2mm。为了保证内筒壁与外筒壁之间间隙的均匀性，本实施例在内筒壁与外筒壁之间连接多个定位柱76，多个定位柱76在内筒壁和外筒壁之间均布设置。

具体的，第一桶式换热器43的内筒壁和外筒壁都设置有一系列的孔洞，且内筒壁和外筒壁上孔洞相互对应，孔洞中安装有相应数量的定位柱76进行连接，如图8所示，定位柱76中台阶b的高度为2mm，与内筒壁和外筒壁之间的2mm间隙形成过度配合，支撑于内筒壁和外筒壁之间，从而保证内筒壁和外筒壁四周间隙均匀。定位柱76台面a嵌入序号外筒壁65的孔洞中，充当焊接体，并与外筒壁焊接，台面a的高度只有0.5mm，同理台面c嵌入序号内筒壁66的孔洞中，并与内筒壁焊接。定位柱76的作用有四点：第一是保证内筒壁和外筒壁之间的间隙均匀，避免蒸汽流动紊乱，避免局部干烧；第二是增强第一薄壁桶式换热器的承压强度，筒壁2mm厚度的情况下承压可达2.5MPa；第三是使蒸汽与水蒸气的混合体产生绕流效果，增强换热强度；第四是通过定位柱增大换热面积。

本实施例可以通过设置内筒壁和外筒壁的直径大小来调整内筒壁和外筒壁间水容腔的通流面积，保证蒸汽流速以合理的速度进行通流，避免高压组产生，同时此种设置，在水容积得以控制的前提下，极大的提高了换热器的换热面积，此薄壁桶式换热器的内筒壁和外筒壁均可与烟气或者火焰进行相应的辐射或者对流换热，极有效的提高的换热器的换热强度，从而实现小容积和大换热强度，在小于30L容积的限制下，蒸汽的发生量远远大于其他结构的热换器。

如图4、图5所示，第二薄壁桶式换热器44包括第五环板79、第二圈板80、第六环板81、竖向内筒壁83、竖向外筒壁82、第七环板84、第八环板85和第三圈板88，第五环板79、第二圈板80和第六环板81位于第二薄壁桶式换热器44的上端，第七环板84、第八环板85和第三圈板88位于第二薄壁桶式换热器44的下端，第五环板79、竖向内筒壁83与第七环板84依次连接，形成第二薄壁桶式换热器44的内筒壁；第六环板81、竖向外筒壁82与第八环板85依次连接，形成第二薄壁桶式换热器44的外筒壁，第五环板79和第六环板81均与第二圈板80连接，第八环板85与第七环板84还均与第三圈板88连接，在第二圈板80、第三圈板88与第二薄壁桶式换热器44的内筒壁及外筒壁之间形成第二薄壁桶式换热器44的水容腔。在第二薄壁桶式换热器44的内筒壁于第一薄壁桶式换热器43的外筒壁之间形成第二烟气容腔。

第五环板79、第六环板81、第二圈板80与竖向内筒壁83及竖向外筒壁82的上部形成第二薄壁桶式换热器的上通流腔，用于均匀的分集蒸汽，避免第一换热器内部局部布汽不均，造成局部干烧等情况发生。第五环板79上均匀分布若干第二出水管78，第二出水管78通过第一连通管60和第一进水管61连通，蒸汽水混合体在第二薄壁桶式换热器换热完毕后通过此管道进入第一薄壁桶式换热器。竖向内筒壁83及竖向外筒壁82的下部与第八环板85、第七环板84及第三圈板88焊接，形成第二薄壁桶式换热器的下通流腔，下通流腔下面布置有第二进水管87，第二进水管87通过第二连通管57与第三出水管101连通，下通流腔是原理与作用和上通流腔作用相同，亦是用于均匀的分集蒸汽，避免第二、三薄壁桶式换热器内部局部布汽不均，造成局部干烧等情况发生。

优选的，第二进水管87与第八环板85连接。

第二薄壁桶式换热器44的下端还设置有四个第二加强柱86，用于增强底部腔体承压，且其中一个第二加强柱86的中心有孔洞，形成漏水孔，第二加强柱86的一端与第七环板84连接，另一端与第八环板85连接，漏水孔为通孔，且一端与第二烟气容腔相连通，避免第二薄壁桶式换热器44内部漏水时，不能及时排出，对燃烧器燃烧产出危险。

第二出水管78与第五环板79连接，并与第二薄壁桶式换热器44的水容腔相连通，第二出水管78通过第一连通管60和第一进水管61连通。

第二薄壁桶式换热器44的内筒壁与外筒壁的厚度为2mm，且该内筒壁与外筒壁之间的间隙为2mm。为了保证内筒壁与外筒壁之间间隙的均匀性，本实施例在第二薄壁桶式换热器44的内筒壁与外筒壁之间连接多个定位柱76，多个定位柱76在第二薄壁桶式换热器44的内筒壁和外筒壁之间均布设置。该处定位柱76与第二薄壁桶式换热器44的连接方式，与定位柱76与第一桶式换热器43的连接方式相同。

如图6、图7所示，第三薄壁桶式换热器45包括第九环板91、第十环板92、竖向内筒壁94、竖向外筒壁93、第十一环板98、第五圈板99、第十二环板100、第十三环板102、第四圈板89、第六圈板103、第三出水管101和第三进水管95；第十环板92、竖向内筒壁94和第十二环板100连接构成第三薄壁桶式换热器45的内筒壁，第九环板91、竖向外筒壁93、第五圈板99和第十二环板100连接构成第三薄壁桶式换热器45的外筒壁，第三薄壁桶式换热器45的内筒壁与外筒壁之间形成第三薄壁桶式换热器45的水容腔，第三薄壁桶式换热器45的内筒壁与第二薄壁桶式换热器44的外筒壁之间形成第三烟气容腔。第九环板91和第十环板92均与第四圈板89相连，竖向内筒壁94还与第六圈板103相连。

第四圈板89与支撑筋板75连接，第六圈板103形成第三薄壁桶式换热器45的下端开口，第三烟气容腔与该下端开口连通。

第九环板91、第十环板92、第四圈板89与竖向内筒壁94及竖向外筒壁93的上部，焊接组成第三薄壁桶式换热器的上通流腔，用于均匀的分集蒸汽，避免第三薄壁桶式换热器内部局部布汽不均，造成局部干烧等情况发生。第十环板92下面均匀分布若干第三进水管95，第三进水管95与第三薄壁桶式换热器45的水容腔相连通，蒸汽水混合体通过第三进水管95进入第三薄壁桶式换热器。竖向内筒壁94及竖向外筒壁93的下部与第十一环板98、第十二环板100及第五圈板99焊接形成第三薄壁桶式换热器的下通流腔，下通流腔的下面与第三出水管101相连通，下通流腔是原理与作用和上通流腔作用相同，亦是用于均匀的分集蒸汽，避免第二、三换热器内部局部布汽不均，造成局部干烧等情况发生。

此外，第三薄壁桶式换热器45的上端还设置多个加强管90，加强管90的一端第九环板91相连，另一端与第十环板92相连，用于增强上通流腔体承压，在每个加强管90的中间设置通孔，第二出水管78穿过该通孔与第一进水管61相连通。

第三薄壁桶式换热器45的内筒壁与外筒壁的厚度为2mm，且该内筒壁与外筒壁之间的间隙为2mm。为了保证内筒壁与外筒壁之间间隙的均匀性，本实施例在第三薄壁桶式换热器45的内筒壁与外筒壁之间连接多个定位柱76，多个定位柱76在第三薄壁桶式换热器45的内筒壁和外筒壁之间均布设置。该处定位柱76与第三薄壁桶式换热器45的连接方式，与定位柱76与第一桶式换热器43的连接方式相同。

此外，第十一环板98上还设置多个螺柱97，用于将本实施例公开的热换器与其他零件进行连接。

本实施例公开的一种热换器在工作时，由燃烧器圆柱燃烧头42外表面产生短小火焰，为换热提供高温烟气，该烟气对第一薄壁桶式换热器43的内筒壁进行辐射换热，燃烧后产生的高温烟气，通过四个通烟管68快速流动至第二烟气容腔中，并在此空间内由下自上快速流动，冲刷第一薄壁桶式换热器的外筒壁与第二薄壁桶式换热器的内筒壁，产生强烈的对流换热。烟气通过第二薄壁桶式换热器的顶部，进入第三烟气容腔中，并在此空间由上至下快速流动，冲刷第二薄壁桶式换热的外筒壁与第三薄壁桶式换热器的内筒壁，产生强烈对流换热，之后烟气从第三薄壁桶式换热器的下端排出。水通过第三进水管58进入第三薄壁桶式换热器45的水容腔内，与第三烟气容腔中烟气进行热交换。由于壁厚只有2mm，这就强有力的提高了烟气与水的换热强度，再加上薄壁结构中定位柱，加强柱等的扰流作用，使得水吸热转换为蒸汽的过程更加有效更加均匀。相类似的，第三薄壁桶式换热器45的水容腔中水热交换后进入第二薄壁桶式换热器44的水容腔，在该水容腔中与第三烟气容腔及第二烟气容腔中烟气均进行热交换，提高热交换面积及效率，第二薄壁桶式换热器44的水容腔中水热交换后进入第一薄壁桶式换热器43的水容腔，在该水容腔中与第二烟气容腔及第一烟气容腔中烟气均进行热交换，经过对流、辐射等换热方式最终得到高品质蒸汽，蒸汽最终通过蒸汽出口管路7排出，完成整体运行换热。

综上，本实施例的特点在于通过第一薄壁桶式换热器43、第二薄壁桶式换热器44和第三薄壁桶式换热器45及相关的结构设置，能够有效的在小容积下，实现更大强度的换热效率。所有管路均为内部管路，均可作为换热结构，将所有耗占容积的结构尽最大所能参与换热。降低热量损失，提高整机热效率。

实施例2

在该实施例中，公开了实施例1公开的一种热换器的热换方法，包括：

第三进水管中的水依次通过第三薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第一薄壁桶式热换器的水容腔；

控制燃烧器进行燃烧，燃烧产生的烟气依次进入第一烟气容腔、第二烟气容腔和第三烟气容腔，与第一薄壁桶式热换器、第二薄壁桶式热换器和第三薄壁桶式热换器水容腔中的水进行热量交换；

第一薄壁桶式热换器水容腔中的水与第一烟气容腔及第二烟气容腔中的烟气进行热量交换后，形成蒸汽从蒸汽出口管路排出。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。