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CN111829179B - 一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉 - Google Patents

一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉 Download PDF

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CN111829179B
CN111829179B CN202010688233.0A CN202010688233A CN111829179B CN 111829179 B CN111829179 B CN 111829179B CN 202010688233 A CN202010688233 A CN 202010688233A CN 111829179 B CN111829179 B CN 111829179B
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Abstract

本发明公开了一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其本体由轴对称单锅片替代三种不锅片串接而成，上部由水冷燃烧头和前、后盖板封闭而成的燃烧室辐射区、中部对流区和冷凝区以及下部的异形烟箱构成。轴对称单锅片的燃烧室中心设置有一个环形、两根平行上升或炉膛顶部两侧设置的水冷通道构成水冷燃烧头，混合气经其上设置的防回火肋和稳焰柱喷出后点火燃烧，高温烟气从炉膛辐射区依次向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，汇集于异形烟箱转弯后向上排出。水道通过内置集箱而非外接，减少密封工作量，提高生产效率，使整体更加紧凑。本发明实现水冷燃烧与水冷换热一体化，降低燃烧区温度，抑制NOx产生，使氮氧化物进一步降低。

Description

一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉
技术领域
本发明属于热能工程领域，具体涉及一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉。用于提高生产效率、降低成本、节能环保和提高产品质量和可靠性的锅炉设备技术领域。
背景技术
根据《2020中国能源化工产业发展报告》，2020年我国天然气需求将达3290亿立方米，同比增长8.8％，天然气已然成为我国能源结构调整的重要方向性能源以及改善居民生活质量的关键替代性能源。于是，在节能减排、可再生能源利用、“煤改气”等政策的多重影响下，整个燃气采暖炉行业也迎来了崭新的发展机遇和更加激烈的行业竞争。而对于被逐渐应用于学校、酒店、医院、社区的商用燃气采暖炉，如何更加有效地控制成本，以及如何更加高效地节能降耗，是其在技术与发展上必须面对的两个问题。
在控制成本方面，目前商用冷凝燃气采暖炉多以铸铝硅冷凝采暖炉为主，其兼具高热导率，易于安装维护，设计相对灵活，且耐蚀性较好等优点，因此在燃气采暖炉中占有较大份额。然而，现在市场上绝大多数的铸铝硅冷凝采暖炉采用1个前锅片、若干个中锅片以及1个后锅片模块式的组合结构。其中前锅片连接燃烧器头部，后锅片封闭烟气流动兼支撑燃烧头尾部，而前锅片和后锅片的中间依次串接串接1～12个相同结构的中锅片。因此，要想制造生产某功率范围的铸铝硅燃气采暖炉，至少需要3套不同模具分别生产前锅片、中锅片和后锅片，致使铸造模具成本极高。尤其对于大功率、大尺寸的铸铝硅商用燃气采暖炉，每一级锅片的重量约为70～100kg，其对应的模具费用更加昂贵。然而，连接燃烧器的前锅片和后锅片，其实际生产数量一般仅为中锅片的10～20％，因此如果能够实现上述三种锅片铸件在结构上的相对统一，模糊其在非关键细节上的区别，以1种单锅片同时完成上述3种不同结构锅片的功能，就能将铸造模具缩减为原来的1/3，从而有效降低生产成本，提高生产效率，减少废品率，也利于增多产品系列，显著提高产品质量和可靠性。
而在节能降耗方面，由于铸铝硅商用燃气采暖炉结构非常紧凑，因此目前燃气燃烧器普遍选用火焰长度较短的全预混金属纤维表面燃烧器，但较小的炉膛尺寸使全预混燃烧器的容积热负荷极高，额定负荷下，氮氧化物排放往往超过30mg/m3，不能满足全国主要城市污染物排放指标要求，将造成锅炉降低负荷运行。然而表面全预混燃烧技术也存在着一些难题，一方面随着空燃预混比例的增大，火焰的稳定燃烧范围变小，这就限制了全预混燃烧器的大型化；另一方面，全预混燃烧由于已完成精确比例混合，燃烧完全，燃烧速度快，火焰温度高，因此常规的全预混表面燃烧技术往往需要大量的过量空气来冷却燃烧区温度，从而减少燃烧过程中氮氧化物的生成，然而较高的过量空气系数导致排烟热损失增加，直接降低锅炉热效率。
为改善高过量空气系数燃烧与易回火的问题，国内外技术人员在全预混表面燃烧技术的基础上研发出全预混水冷燃烧技术，通过采用高传热系数的水冷管束组成燃烧器头部，预混后通过水冷管束间的狭缝喷出后点火燃烧，水冷管束在火焰根部将预混火焰产生的高温迅速带走，有效降低燃烧区温度，进一步抑制了热力型NOx的产生。同时水冷管束的“冷壁效应”起到熄火保护作用，能有效地降低燃烧头的回火风险。因此，全预混水冷燃烧技术也成为很多冷凝锅炉的首选。另外目前市场上的铸铝硅冷凝燃气锅炉几乎全部都选配全预混金属纤维表面燃烧器，这种燃烧器所配风机需要防静电风机，功率较小，若有突破功率限制，在技术上自主突破，减少对国外技术的依赖，也必须选用全预混水冷燃烧器。目前还没有先例把全预混水冷燃烧器和铸铝硅组合在一起，更不用说将全预混水冷燃烧器和铸铝硅一体化的产品了。
发明内容
为了同时实现成本控制和节能降耗、降低烟气氮氧化物排放的三重目的，降低铸铝硅冷凝采暖热水炉在生产过程中的非必要投入，本发明将水冷燃烧头和轴对称换热锅片有机地结合在一起，从而提供了一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其主体结构根据容量需求，由2～12个轴对称单锅片1前后端面依次密封后用螺栓4串接而成；轴对称单锅片1中的前锅片炉膛中心布置有前盖板5，前盖板5向内连接圆柱形均流孔板3，且支撑在环形水冷燃烧头2的环形内壁面上，圆柱形均流孔板3穿过每个轴对称单锅片1的环形水冷燃烧头2，前盖板5向外通过连接弯头6与预混器相连，轴对称单锅片1中的前、后锅片针翅部分布置有内衬隔热盖板7；前锅片顶端和底端设置有水侧集箱密封端盖8，后锅片炉膛中心布置有耐火隔热内衬的后盖板12，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的水侧进口集箱13和水侧出口集箱14；在主体结构左右两侧，设置有可拆卸清灰挡板10和排沙堵头11；在主体结构底端，设置有异形烟箱9；
所述轴对称单锅片1的外部前后两侧自上而下依次分为辐射区、对流区和冷凝区，其中辐射区燃烧室中心布置有与轴对称单锅片1同为一体或分体的环形水冷燃烧头2，环形水冷燃烧头2包括一个环形水冷通道101，环形水冷通道101表面以中心对称的形式设置有防回火肋102和稳焰柱103；轴对称单锅片1辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形针肋104和腰圆针肋106；轴对称单锅片1底部两侧的第一基座108用来与异形烟箱9连接；燃气和空气混合气从连接弯头6进入圆柱形均流孔板3，经过均流后流经环形水冷燃烧头2，并沿相邻各轴对称单锅片1的环形间隙均匀喷出后点火，沿环形圆柱面轴向间隔燃烧；高温烟气充盈热水炉炉膛周围辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个轴对称单锅片1形成的主体结构底端流入异形烟箱9，烟气汇集转弯向上排出；轴对称单锅片1的内部为中空腔体，回水从底端的第一水道进口集箱接口109进入，从位于顶端的第一水道出口集箱接口110流出。
所述防回火肋102呈玉米粒截面结构，沿圆周排布后相邻两个防回火肋102的间距沿径向处处相等，且间距为1～10mm，防回火肋102的高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰柱103位于防回火肋102的外侧且与防回火肋102交错布置以稳定火焰，稳焰柱103的高度与防回火肋102保持一致；辐射区燃烧室壁面四周布置有环向基肋113，环向基肋113上均匀布置4～8个开设有螺纹孔的孔座111，轴对称单锅片1中的前、后锅片通过孔座111分别与前盖板5和后盖板12相连。
所述轴对称单锅片1沿烟气流动方向，圆形针肋104和腰圆针肋106的排布方式并不相同；辐射区的圆形针肋104与对流区的圆形针肋相比高度较低，直径及横纵截距较大；随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形针肋104的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上呈紧密错列正三角形排布，肋间最短距离为3～4mm；在高度上，圆形针肋104为等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形针肋104以及长径与烟气流动方向一致的腰圆针肋106，腰圆针肋106的短径与冷凝区的圆形针肋104的直径相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行；整个冷凝区沿烟气流动方向宽度逐渐减小，使整个轴对称单锅片1的下半部分外围整体呈“∪”形。
所述轴对称单锅片1的内部中空腔体为水道空间，水道空间整体由沿竖直方向的纵肋115以及多个沿水平方向的横肋116划分而成，纵肋115将整个水道空间沿左右一分为二，每两个横肋116的间距为40～120mm不等，且从下至上，相邻横肋116间的纵向距离逐层减小；水流在烟气冷凝区和对流区对应的水道空间内沿蛇形弯转向上直至辐射区底端；对流区上部的横肋116与水平方向存在0～10°的倾斜角，并在端部加工第一放汽孔114；轴对称单锅片1辐射区对应的水道结构有两种：一种水道结构由辐射区炉膛中心的环形水冷通道101以及环向基肋113外侧即炉膛两侧的侧面水道112共同构成，这种结构下水流在辐射区底端分流，分别沿环形水冷通道101和侧面水道112两路并行上升，最后在第一水道出口集箱接口110处汇合流出；另一种水道结构中，环向基肋113的侧面水道112被分割肋118分为上升水道119和下降水道120，因此整个水道结构由环形水冷通道101、上升水道119以及下降水道120共同构成，这种结构下水流在辐射区底端并不分流，而是向左右流动到炉膛两侧面折转90度进入上升水道119，上行至第一水道出口集箱接口110附近时向内折转180度向下进入下降水道120，并至炉膛底部后向内折转90度流动至轴对称单锅片1的纵肋115处再折转90度向上汇合并入环形水冷通道101上升，最终在第一水道出口集箱接口110处汇合流出。
所述轴对称单锅片1的两侧布置有成对的螺栓连接孔105、清灰口107和排沙口117；螺栓连接孔105将2～12个轴对称单锅片1的前后端面对齐串接后用螺栓4连接起来；清灰口107的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与可拆卸清灰挡板10进行装配；排沙口117在位置上与横肋116正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与排沙堵头11进行装配。
所述前盖板5和后盖板12整体结构相似，通过一套模具制成，其成型方法采用铸造或冲压；前盖板5和后盖板12均为类圆盘结构，外围边界处存在周向开孔501，用来与轴对称单锅片1的环向基肋113相连接；在类圆盘结构的内侧布置四个向心的支撑肋504，用来支撑圆柱形均流孔板3；由后盖板12加工为前盖板5的方法具体为：在经过铸造或冲压得到后盖板12后，将后盖板12的中心开孔以便置入圆柱形均流孔板3，同时在类圆盘结构的外侧端面处增设螺纹孔502，并在外侧端面表面加工或增设包括点火孔、火焰监测孔、压力监测孔在内的集成监测系统503。
所述轴对称单锅片1采用整体铸造工艺，选用ZL101、ZL102、ZL104或AlSi10Mg牌号铸铝硅镁合金，轴对称单锅片1的冷凝区能够构建超疏水膜，使之具有超疏水性、自清洁性和耐腐蚀性，使烟气侧壁面耐腐蚀、传热传质性能提高，表面光洁度提高，防积灰；所述盖板7在材料上选用不锈钢，整体冲压成型；所述异形烟箱9在材料上选用塑料，如PTFE、PVC、PP或ABS等，在结构上由承露盘901及排烟出口902构成，承露盘901为异形多面体，其局部截面积沿长度方向、宽度方向及高度方向均逐渐减小，确保结构上存在最低点。
当所述的环形水冷燃烧头2和轴对称单锅片1间采用分体式结构时，环形水冷燃烧头2由多个水冷环形腔15，进出口独立集箱16以及前端法兰盘17共同装配而成；，水冷环形腔15的主体结构包括环形的水冷通道1501，防回火翅1502和稳焰肋1503；水冷环形腔15的数量与轴对称单锅片1的数量相同，水冷环形腔15的环形内壁面两侧分别开有进出水孔1504，用来与进出口独立集箱16对接装配，从而实现分体式结构内部的水循环独立；与轴对称单锅片1的前锅片匹配的水冷环形腔15的前端连接有前端法兰盘17，用来与铸铝硅热水炉的前盖板5以及连接弯头6相连；同时，水冷环形腔15内壁面装有两块圆弧形均流孔板18，圆弧形均流孔板18的开孔位置正对于防回火翅1502间隙，开孔形状为圆形、腰圆形或椭圆形，两块圆弧形均流孔板18的边缘位于进出口独立集箱16的上下两侧；此时，燃气和空气的混合气充分混合后首先经均圆弧形均流孔板18均流，然后经过各水冷环形腔15间的防回火翅1502和稳焰肋1503，最后均匀喷出后点火沿圆柱面周向缝隙间隔燃烧。
当所述的环形水冷燃烧头2和轴对称铸铝硅单锅片1间采用分体式结构时，环形水冷燃烧头2为整体单独浇铸而成，主体包括，环形水冷空间201、防回火柱202、稳燃柱203以及集箱总管204；其中，防回火柱202和稳燃柱203以中心对称均布于环形水冷空间201表面，防回火柱202呈玉米粒截面结构，沿圆周排布后应确保两个对称的防回火柱202的间距沿径向处处相等，且间距为1～10mm；防回火柱202的高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳燃柱203位于防回火柱202的外侧且与防回火柱202交错布置以稳定火焰，稳燃柱203高度与防回火柱202保持一致；集箱总管204的外截面形状为圆形、长圆形、椭圆形或腰圆形，由中间肋将集箱总管204分为进水管路205和出水管路206；环形水冷燃烧头2的工质水从进水管路205进入后，分配至各个环形水冷空间201，经周向流动换热后在出水管路206汇集，完成独立水循环；同时，环形水冷燃烧头2内壁装有圆弧形均流孔板18，圆弧形均流孔板18的开孔位置正对于防回火柱202间隙，开孔形状为圆形、腰圆形或椭圆形；此时，燃气和空气的混合气充分混合后首先经均圆弧形均流孔板18均流，然后经过环形水冷燃烧头2的防回火柱202和稳燃柱203，最后均匀喷出后点火沿圆柱面周向缝隙间隔燃烧。
一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其主体结构根据容量需求，由2～12个轴对称锅片19前后端面依次密封后用螺栓串接而成；轴对称锅片19的前锅片炉膛前布置有前端盖板22，其向内连接有矩形均流孔板21，且支撑在平行水冷燃烧头20的内壁面上，矩形均流孔板21穿过每个轴对称锅片19的平行水冷燃烧头20，前端盖板22向外通过弯头23与预混器相连，轴对称锅片19中的前、后锅片针翅部分布置有隔热板24；此外，前锅片顶端和底端设置有进出口集箱密封端盖25，后锅片炉膛中心布置有耐火隔热内衬的后端盖板29，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的进水总管30-1和出水总管30-2；在主体结构左右两侧，设置有清灰挡板27和堵头28；在主体结构底端，设置有烟箱26；所述轴对称锅片19的外部前后两侧自上而下依次分为辐射区、对流区和冷凝区，其中辐射区燃烧室中心布置有与轴对称锅片19同为一体的平行水冷燃烧头20，平行水冷燃烧头20包括中心矩形截面腔体1904两边的平行水冷通道1901，平行水冷通道1901表面以轴对称的形式设置有防回火筋1902和稳焰翅1903；轴对称锅片19辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形针翅1905和腰圆针翅1907；轴对称锅片19底部两侧的底座1909用来与烟箱26连接；燃气和空气混合气从弯头23进入矩形均流孔板21，均流后经中心矩形截面腔体1904沿锅片间隙向两侧均匀喷出后点火沿平面间隔燃烧；高温烟气充盈热水炉炉膛周围辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个轴对称锅片19形成的主体结构底端流入烟箱26，烟气汇集转弯向上排出；轴对称锅片19的内部为中空腔体，回水从底端的水道进口接口1910进入，从位于顶端的第二水道出口集箱接口1911流出。
所述防回火筋1902和稳焰翅1903以轴对称的方式均布于两个平行水冷通道1901表面，防回火筋1902呈长圆形或矩形截面结构，相邻防回火筋间距为1～10mm，高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰翅1903位于防回火筋1902的外侧且与防回火筋1902交错布置以稳定火焰；辐射区燃烧室炉膛壁面四周布置有环向肋1913，环向肋1913上均匀布置4～8个螺孔座1914，轴对称锅片19中的前、后锅片通过螺孔座1914分别与前端盖板22和后端盖板29相连。
所述轴对称锅片19沿烟气流动方向，圆形针翅1905和腰圆针翅1907的排布方式并不相同；辐射区的圆形针翅1905与对流区的圆形针翅相比高度较低，直径及横纵截距较大；随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形针翅1905的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上呈紧密错列正三角形排布，肋间最短距离为3～4mm；在高度上，圆形针翅1905为等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形针翅1905以及长径与烟气流动方向一致的腰圆针翅1907，腰圆针翅1907的短径与冷凝区的圆形针翅1905的直径相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行；整个冷凝区沿烟气流动方向宽度逐渐减小，使整个轴对称锅片19的下半部分外围整体呈“∪”形。
所述轴对称锅片19的内部中空腔体为水道空间，水道空间整体由沿竖直方向的纵向肋1916以及多个沿水平方向的横向肋1917划分而成，纵向肋1916将整个水道空间沿左右一分为二，每两个横向肋1917的间距为40～120mm不等，且从下至上，相邻横向肋1917的间距逐层减小，辐射区炉膛外围为外侧水道1912；水流在烟气冷凝区和对流区对应的水道空间内沿蛇形弯转向上直至辐射区底端，然后在辐射区底端分流，分别沿平行水冷通道1901和外侧水道1912两路并行上升后，在第二水道出口集箱接口1911处汇合流出；对流区上部的横向肋1917与水平方向存在0～10°的倾斜角，并在端部加工第二放汽孔1915。
所述轴对称锅片19的两侧布置有成对的连接孔1906、清灰槽1908和排沙孔1918；连接孔1906将2～12个轴对称锅片19的前后端面对齐串接起来；清灰槽1908的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与清灰挡板27进行装配；排沙孔1918在位置上与横向肋1917正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与堵头28进行装配。
所述前端盖板22和后端盖板29整体结构相似，通过一套模具制成，其成型方法采用铸造或冲压；前端盖板22和后端盖板29均为类盘状结构，外围边界处存在周向孔2201，用来与轴对称锅片19的环向肋1913相连接；在类圆盘结构的内侧布置有加强肋2204，用来支撑矩形均流孔板21；由后端盖板29加工为前端盖板22的方法具体为：在经过铸造或冲压得到后端盖板29后，在后端盖板29中心处开设矩形孔，同时在类圆盘结构的外侧端面处增设螺孔2202，并使其定位于加强肋2204上，并在外侧端面表面加工或增设包括点火孔、火焰监测孔、压力监测孔在内的监测系统集成座2203
一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其主体结构根据容量需求，由2～12个对称单锅片31前后端面依次密封后用螺栓串接而成；对称单锅片31的顶部两侧安装有等压风仓分配器32；对称单锅片31的前、后锅片针翅部分布置有阻热隔板33；此外，前锅片顶端和底端设置有集箱封盖，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的进水总管路37-1和出水总管路37-2；在主体结构左右两侧，设置有清灰盖板35和密封堵头36；在主体结构底端，设置有排烟箱34；
所述对称单锅片31的外部前后两侧自上而下可依次分为辐射区、对流区和冷凝区；燃气和空气从预混器统一充分混合后分流送入位于对称单锅片31炉膛顶部两侧的等压风仓分配器32中，均流后沿各对称单锅片31的间隙均匀喷出点火燃烧；这种结构下炉膛顶部两侧水道3101作为水冷燃烧头，其上设置防回火鳍片3102和稳焰筋3103；辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形肋3104和腰圆肋3106；对称单锅片31底部两侧的第二基座3108用来与排烟箱34连接；炉膛辐射区成为火焰的辐射空间，高温烟气充盈炉膛辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个对称单锅片31形成的主体结构底端流入排烟箱34，烟气汇集转弯向上排出；对称单锅片31的内部为中空腔体，回水从底端进口3109进入，从顶端出口3110流出。
混合气流经防回火鳍片3102和稳焰筋3103后点火燃烧；其中，防回火鳍片3102呈矩形或长圆形截面结构，相邻防回火鳍片3102的间距为1～10mm，高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰筋3103位于防回火鳍片3102的外侧且与防回火鳍片3102交错布置以稳定火焰，高度与防回火鳍片3102保持一致；对称单锅片31的顶端两侧布置有多个带有螺栓孔的支撑孔座3111，用来与等压风仓分配器32相连接。
所述对称单锅片31沿烟气流动方向，圆形肋3104和腰圆肋3106的排布方式并不相同，辐射区的圆形肋3104与对流区的圆形针肋相比，高度较低，直径及横纵截距则较大，而随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形肋3104的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上，圆形肋3104呈紧密错列正三角形排布，圆形肋3104间的最短距离为3～4mm；在高度上，圆形肋3104等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不应大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形肋3104以及长径与烟气流动方向一致的腰圆肋3106，腰圆肋3106短径与冷凝区的圆形肋3104相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行；冷凝区沿烟气流动方向，宽度逐渐减小，使整个对称单锅片31的下半部分外围呈“∪”形。
所述对称单锅片31的内部中空腔体为水通道，水通道是由沿竖直方向的中心肋3114以及多个沿水平方向的平直肋3115划分而成，中心肋3114将整个水道空间沿左右一分为二，每两个平直肋3115的间距为40～120mm不等，且随着整体高度的增加，截面高度逐层减小，并保证在辐射区周围的截面高度约为最大截面高度的1/2左右，中心肋3114和平直肋3115形成左右的对称蛇形水道3112；对流区上部的的平直肋3115存在0～10°的倾斜角，其端部加工卸汽孔3113；在这种结构下，系统回水进入各对称单锅片31后，沿左右的对称蛇形水道3112一路弯转上升，最终折转至炉膛顶部两侧水道3101，直至在顶端出口3110汇合流出。
所述对称单锅片31的两侧布置有成对的前后连接孔3105、积灰清扫口3107和铸造排沙口3116；前后连接孔3105将2～12个对称单锅片31的前后端面对齐串接连接起来；积灰清扫口3107的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与清灰盖板35进行装配；铸造排沙口3116在位置上与平直肋3115正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与密封堵头36进行装配。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、将水冷预混燃烧技术和单锅片串接结构应用于铸铝硅冷凝采暖热水炉，产生能够精简铸造模具、减低成本和提高产品质量和可靠性的设计方案；以锅片的部分换热结构充当全预混水冷燃烧器的燃烧头，使燃烧器和铸铝硅本体换热器实现一体化，燃烧器中有换热器，换热器中有燃烧器
2、本发明基于水冷预混燃烧原理，在燃烧室中以不同形式增加了水冷通道，可以使全预混燃烧器产生的火焰高温被迅速带走，从而有效抑制热力型NOx的产生，配合全预混燃烧器抑制燃料型、快速型NOx的技术特点，能够使氮氧化物进一步降低。
3、本发明的主体部分结构对称。基于一套对称模具，将传统铸铝硅冷凝采暖炉需要前、中后三部分加热片才能形成一个完整炉体的设计，优化为仅需一件通用模具即可完成，不仅简化了生产流程，同时能够有效控制铸造成本
4、本发明为满足大容量需求，采用左右分流水道设计，因此换热单元更宽，冷凝式锅炉的最大容量较传统设计能够提高30％左右。此外，对于每一个独立水道，工质在流动中全程无下降，在保证型砂能够倒出且流量分布均匀的同时杜绝了由于过冷沸腾导致的传热恶化现象，并解决了非供暖期需长时间干法保护而冷工质难以排除导致的腐蚀问题。集箱内置而非外接水箱，则进一步精简装配工序，减少密封工作量，提高生产效率，使冷凝式锅炉整体更加紧凑。
5、本发明在烟气对流受热面采用局部渐缩和延长主流区域的双“∪”字出口设计，在保证流速均匀变化的同时，提高了单位面积的换热强度，有效减少了换热面积冗余，从而降低了冷凝式锅炉重量和成本。另外，烟气侧采用均匀的一至三排为一组的高低错列的组合型翅片，在对流受热面后半段(冷凝换热区)以顺流腰圆针翅为主，两腰圆肋间的平行通道能够为烟气提供足够且连续的冷凝空间，使冷凝液可以在主流烟气的携带下更容易被排出，从而提高整体传热传质性能。
附图说明
图1a为本发明的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉轴侧图。
图1b为本发明的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉前视图。
图2a为本发明的轴对称单锅片的轴侧图。
图2b为本发明的轴对称单锅片的前视图。
图2c为本发明的轴对称单锅片的右视图。
图2d为本发明的轴对称单锅片的全剖图。
图2e为另一种方案的轴对称单锅片的全剖图。
图3为一体式轴对称单锅片的水冷通道示意图。
图4a为轴对称单锅片冷凝换热区顺流腰圆针翅结构的轴侧图。
图4b为轴对称单锅片冷凝换热区顺流腰圆针翅结构的前视图。
图5a为前盖板的前视图。
图5b为前盖板的后视图。
图6a为后盖板的前视图。
图6b为后盖板的后视图
图7a为异形烟箱的前视图。
图7b为异形烟箱的右视图。
图8a为由水冷环形腔装配而成的水冷燃烧头轴测图。
图8b为由水冷环形腔装配而成的水冷燃烧头前视图。
图8c为由水冷环形腔装配而成的水冷燃烧头的A-A剖视图
图9a为水冷环形腔的前视图
图9b为水冷环形腔的右视图。
图9c为水冷环形腔基于A-A剖视图的水流示意图。
图10a为本发明的环形水冷环形燃烧头的轴测图。
图10b为本发明的环形水冷环形燃烧头的前视图。
图10c为本发明的环形水冷环形燃烧头的左视图。
图10d为本发明的环形水冷环形燃烧头的A-A剖视图。
图10e为本发明的环形水冷环形燃烧头为反映水流过程的B-B剖视图。
图11a为本发明的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉的轴侧图。
图11b为本发明的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉的前视图。
图12a为本发明的轴对称锅片的前视图。
图12b为本发明的轴对称锅片的左视图。
图12c为本发明的轴对称锅片的剖视图。
图13为轴对称锅片的水冷通道示意图。
图14a为前端盖板的前视图。
图14b为前端盖板的后视图。
图15a为后端盖板的前视图。
图15b为后端盖板的后视图
图16a为本发明中，由对称单锅片与等压风仓分配器组合装配而成的耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉轴测图。
图16b为上述串接铸铝硅热水炉的前视图
图17a为对称单锅片的前视图。
图17b为对称单锅片的右视图。
图17c为对称单锅片的全剖图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细描述：
实施案例一
如图1a和图1b所示，本发明所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其主体结构根据容量需求，由2～12个轴对称单锅片1前后端面依次密封后用螺栓4串接而成；轴对称单锅片1中的前锅片炉膛中心布置有前盖板5，前盖板5向内连接圆柱形均流孔板3，且支撑在环形水冷燃烧头2的环形内壁面上，圆柱形均流孔板3穿过每个轴对称单锅片1的环形水冷燃烧头2，前盖板5向外通过连接弯头6与预混器相连，轴对称单锅片1中的前、后锅片针翅部分布置有内衬隔热盖板7；前锅片顶端和底端设置有水侧集箱密封端盖8，后锅片炉膛中心布置有耐火隔热内衬的后盖板12，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的水侧进口集箱13和水侧出口集箱14；在主体结构左右两侧，设置有可拆卸清灰挡板10和排沙堵头11；在主体结构底端，设置有异形烟箱9。
如图2a，图2b，图2c所示，所述轴对称单锅片1的外部前后两侧自上而下依次分为辐射区、对流区和冷凝区，其中辐射区燃烧室中心布置有与轴对称单锅片1同为一体或分体的环形水冷燃烧头2，环形水冷燃烧头2包括一个环形水冷通道101，环形水冷通道101表面以中心对称的形式设置有防回火肋102和稳焰柱103；轴对称单锅片1辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形针肋104和腰圆针肋106；轴对称单锅片1底部两侧的第一基座108用来与异形烟箱9连接；燃气和空气混合气从连接弯头6进入圆柱形均流孔板3，经过均流后流经环形水冷燃烧头2，并沿相邻各轴对称单锅片1的环形间隙均匀喷出后点火，沿环形圆柱面轴向间隔燃烧；高温烟气充盈热水炉炉膛周围辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个轴对称单锅片1形成的主体结构底端流入异形烟箱9，烟气汇集转弯向上排出；轴对称单锅片1的内部为中空腔体，回水从底端的水道进口集箱接口109进入，从位于顶端的第一水道出口集箱接口110流出。
所述轴对称单锅片1的两侧布置有成对的螺栓连接孔105、清灰口107和排沙口117；螺栓连接孔105将2～12个轴对称单锅片1的前后端面对齐串接后用螺栓4连接起来；清灰口107的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与可拆卸清灰挡板10进行装配；排沙口117在位置上与横肋116正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与排沙堵头11进行装配。
如图2d和图3所示，所述防回火肋102呈玉米粒截面结构，沿圆周排布后相邻两个防回火肋102的间距沿径向处处相等，且间距为1～10mm，防回火肋102的高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰柱103位于防回火肋102的外侧且与防回火肋102交错布置以稳定火焰，稳焰柱103的高度与防回火肋102保持一致；辐射区燃烧室壁面四周布置有环向基肋113，环向基肋113上均匀布置4～8个开设有螺纹孔的孔座111，轴对称单锅片1中的前、后锅片通过孔座111分别与前盖板5和后盖板12相连。
此外，所述轴对称单锅片1的内部中空腔体为水道空间，水道空间整体由沿竖直方向的纵肋115以及多个沿水平方向的横肋116划分而成，纵肋115将整个水道空间沿左右一分为二，每两个横肋116的间距为40～120mm不等，且从下至上，相邻横肋116间的纵向距离逐层减小；水流在烟气冷凝区和对流区对应的水道空间内沿蛇形弯转向上直至辐射区底端；对流区上部的横肋116与水平方向存在0～10°的倾斜角，并在端部加工第一放汽孔114；轴对称单锅片1辐射区对应的水道结构由辐射区炉膛中心的环形水冷通道101以及环向基肋113外侧即炉膛两侧的侧面水道112共同构成，这种结构下水流在辐射区底端分流，分别沿环形水冷通道101和侧面水道112两路并行上升，最后在第一水道出口集箱接口110处汇合流出。
如图4a和图4b所示，所述轴对称单锅片1沿烟气流动方向，圆形针肋104和腰圆针肋106的排布方式并不相同；辐射区的圆形针肋104与对流区的圆形针肋相比高度较低，直径及横纵截距较大；随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形针肋104的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上呈紧密错列正三角形排布，肋间最短距离为3～4mm；在高度上，圆形针肋104为等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形针肋104以及长径与烟气流动方向一致的腰圆针肋106，腰圆针肋106的短径与冷凝区的圆形针肋104的直径相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行。
如图5a，图5b，图6a和图6b所示，所述前盖板5和后盖板12整体结构相似，通过一套模具制成，其成型方法采用铸造或冲压；前盖板5和后盖板12均为类圆盘结构，外围边界处存在周向开孔501，用来与轴对称单锅片1的环向基肋113相连接；在类圆盘结构的内侧布置四个向心的支撑肋504，用来支撑圆柱形均流孔板3；由后盖板12加工为前盖板5的方法具体为：在经过铸造或冲压得到后盖板12后，将后盖板12的中心开孔以便置入圆柱形均流孔板3，同时在类圆盘结构的外侧端面处增设螺纹孔502，并在外侧端面表面加工或增设包括点火孔、火焰监测孔、压力监测孔在内的集成监测系统503。
如图7a和图7b所示，所述异形烟箱9在材料上选用塑料，如PTFE、PVC、PP或ABS等，在结构上由承露盘901及排烟出口902构成，承露盘901为异形多面体，其局部截面积沿长度方向、宽度方向及高度方向均逐渐减小，确保结构上存在最低点。
实施案例二
在本实施例中，对于与实施案例一相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
图2e为轴对称单锅片1辐射区的另一种水道结构：环向基肋113的侧面水道112被分割肋118分为上升水道119和下降水道120，因此整个水道结构由环形水冷通道101，上升水道119以及下降水道120共同构成，这种结构下水流在辐射区底端并不分流，而是向左右流动到炉膛两侧面折转90度进入上升水道119，上行至第一水道出口集箱接口110附近时向内折转180度向下进入下降水道120，并至炉膛底部后向内折转90度流动至轴对称单锅片1的纵肋115处再折转90度向上汇合并入环形水冷通道101上升，最终在第一水道出口集箱接口110处汇合流出。
实施案例三
在本实施例中，对于与实施案例一和实施案例二相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
图8a，8b，8c，9a，9b和9c共同给出了所述环形水冷燃烧头2和轴对称单锅片1间的分体式结构：环形水冷燃烧头2由多个水冷环形腔15，进出口独立集箱16以及前端法兰盘17共同装配而成；水冷环形腔15的主体结构包括环形的水冷通道1501，防回火翅1502和稳焰肋1503；水冷环形腔15的数量与轴对称单锅片1的数量相同，水冷环形腔15的环形内壁面两侧分别开有进出水孔1504，用来与进出口独立集箱16对接装配，从而实现分体式结构内部的水循环独立；与轴对称单锅片1的前锅片匹配的水冷环形腔15的前端连接有前端法兰盘17，用来与铸铝硅热水炉的前盖板5以及连接弯头6相连；同时，水冷环形腔15内壁面装有两块圆弧形均流孔板18，圆弧形均流孔板18的开孔位置正对于防回火翅1502间隙，开孔形状为圆形、腰圆形、椭圆形或长圆形，两块圆弧形均流孔板18的边缘位于进出口独立集箱16的上下两侧；此时，燃气和空气的混合气充分混合后首先经均圆弧形均流孔板18均流，然后经过各水冷环形腔15间的防回火翅1502和稳焰肋1503，最后均匀喷出后点火沿圆柱面周向缝隙间隔燃烧。
实施案例四
在本实施例中，对于与实施案例一至三相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
图10a，10b，10c，10d和10e为所述的环形水冷燃烧头2和轴对称铸铝硅单锅片1间的另一种分体式结构：环形水冷燃烧头2为整体单独浇铸而成，主体包括，环形水冷空间201、防回火柱202、稳燃柱203以及集箱总管204；其中，防回火柱202和稳燃柱203以中心对称均布于环形水冷空间201表面，防回火柱202呈玉米粒截面结构，沿圆周排布后应确保两个对称的防回火柱202的间距沿径向处处相等，且间距为1～10mm；防回火柱202的高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳燃柱203位于防回火柱202的外侧且与防回火柱202交错布置以稳定火焰，稳燃柱203高度与防回火柱202保持一致；集箱总管204的外截面形状为圆形、长圆形、椭圆形或腰圆形，由中间肋将集箱总管204分为进水管路205和出水管路206；环形水冷燃烧头2的工质水从进水管路205进入后，分配至各个环形水冷空间201，经周向流动换热后在出水管路206汇集，完成独立水循环；同时，环形水冷燃烧头2内壁装有圆弧形均流孔板18，圆弧形均流孔板18的开孔位置正对于防回火柱202间隙，开孔形状为圆形、腰圆形、椭圆形和或长圆形；此时，燃气和空气的混合气充分混合后首先经均圆弧形均流孔板18均流，然后经过环形水冷燃烧头2的防回火柱202和稳燃柱203，最后均匀喷出后点火沿圆柱面周向缝隙间隔燃烧。
实施案例五
在本实施例中，对于与实施案例一至四相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图11a和11b所示，一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其主体结构根据容量需求，由2～12个轴对称锅片19前后端面依次密封后用螺栓串接而成；轴对称锅片19的前锅片炉膛前布置有前端盖板22，其向内连接有矩形均流孔板21，且支撑在平行水冷燃烧头20的内壁面上，矩形均流孔板21穿过每个轴对称锅片19的平行水冷燃烧头20，前端盖板22向外通过弯头23与预混器相连，轴对称锅片19中的前、后锅片针翅部分布置有隔热板24；此外，前锅片顶端和底端设置有进出口集箱密封端盖25，后锅片炉膛中心布置有耐火隔热内衬的后端盖板29，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的进水总管30-1和出水总管30-2；在主体结构左右两侧，设置有清灰挡板27和堵头28；在主体结构底端，设置有烟箱26。
如图12a，12b和12c共同所示，所述轴对称锅片19的外部前后两侧自上而下依次分为辐射区、对流区和冷凝区，其中辐射区燃烧室中心布置有与轴对称锅片19同为一体的平行水冷燃烧头20，平行水冷燃烧头20包括中心矩形截面腔体1904两边的平行水冷通道1901，平行水冷通道1901表面以轴对称的形式设置有防回火筋1902和稳焰翅1903；轴对称锅片19辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形针翅1905和腰圆针翅1907；轴对称锅片19底部两侧的底座1909用来与烟箱26连接；燃气和空气混合气从弯头23进入矩形均流孔板21，均流后经中心矩形截面腔体1904沿锅片间隙向两侧均匀喷出后点火沿平面间隔燃烧；高温烟气充盈热水炉炉膛周围辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个轴对称锅片19形成的主体结构底端流入烟箱26，烟气汇集转弯向上排出；轴对称锅片19的内部为中空腔体，回水从底端的水道进口接口1910进入，从位于顶端的第二水道出口集箱接口1911流出。
所述轴对称锅片19的内部中空腔体为水道空间，水道空间整体由沿竖直方向的纵向肋1916以及多个沿水平方向的横向肋1917划分而成，纵向肋1916将整个水道空间沿左右一分为二，每两个横向肋1917的间距为40～120mm不等，且从下至上，相邻横向肋1917的间距逐层减小，辐射区炉膛外围为外侧水道1912；水流在烟气冷凝区和对流区对应的水道空间内沿蛇形弯转向上直至辐射区底端，然后在辐射区底端分流，分别沿平行水冷通道1901和外侧水道1912两路并行上升后，在第二水道出口集箱接口1911处汇合流出；对流区上部的横向肋1917与水平方向存在0～10°的倾斜角，并在端部加工第二放汽孔1915。
所述轴对称锅片19的两侧布置有成对的连接孔1906、清灰槽1908和排沙孔1918；连接孔1906将2～12个轴对称锅片19的前后端面对齐串接起来；清灰槽1908的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与清灰挡板27进行装配；排沙孔1918在位置上与横向肋1917正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与堵头28进行装配。
如图13所示，所述防回火筋1902和稳焰翅1903以轴对称的方式均布于两个平行水冷通道1901表面，防回火筋1902呈长圆形或矩形截面结构，相邻防回火筋间距为1～10mm，高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰翅1903位于防回火筋1902的外侧且与防回火筋1902交错布置以稳定火焰；辐射区燃烧室炉膛壁面四周布置有环向肋1913，环向肋1913上均匀布置4～8个螺孔座1914，轴对称锅片19中的前、后锅片通过螺孔座1914分别与前端盖板22和后端盖板29相连。
如图14a，图14b，图15a和图15b所示，所述前端盖板22和后端盖板29整体结构相似，通过一套模具制成，其成型方法采用铸造或冲压；前端盖板22和后端盖板29均为类盘状结构，外围边界处存在周向孔2201，用来与轴对称锅片19的环向肋1913相连接；在类圆盘结构的内侧布置有加强肋2204，用来支撑矩形均流孔板21；由后端盖板29加工为前端盖板22的方法具体为：在经过铸造或冲压得到后端盖板29后，在后端盖板29中心处开设矩形孔，同时在类圆盘结构的外侧端面处增设螺孔2202，并使其定位于加强肋2204上，并在外侧端面表面加工或增设包括点火孔、火焰监测孔、压力监测孔在内的监测系统集成座2203。
实施案例六
在本实施例中，对于与实施案例一至五相同的结构，给予相同的符号，并省略相同的说明。
如图16a和图16b所示，一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其主体结构根据容量需求，由2～12个对称单锅片31前后端面依次密封后用螺栓串接而成；对称单锅片31的顶部两侧安装有等压风仓分配器32；对称单锅片31的前、后锅片针翅部分布置有阻热隔板33；此外，前锅片顶端和底端设置有集箱封盖，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的进水总管路37-1和出水总管路37-2；在主体结构左右两侧，设置有清灰盖板35和密封堵头36；在主体结构底端，设置有排烟箱34；
如图17a所示，所述对称单锅片31的外部前后两侧自上而下可依次分为辐射区、对流区和冷凝区；燃气和空气从预混器统一充分混合后分流送入位于对称单锅片31炉膛顶部两侧的等压风仓分配器32中，均流后沿各对称单锅片31的间隙均匀喷出点火燃烧；这种结构下炉膛顶部两侧水道3101作为水冷燃烧头，其上设置防回火鳍片3102和稳焰筋3103；辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形肋3104和腰圆肋3106；对称单锅片31底部两侧的第二基座3108用来与排烟箱34连接；炉膛辐射区成为火焰的辐射空间，高温烟气充盈炉膛辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个对称单锅片31形成的主体结构底端流入排烟箱34，烟气汇集转弯向上排出；对称单锅片31的内部为中空腔体，回水从底端进口3109进入，从顶端出口3110流出。
混合气流经防回火鳍片3102和稳焰筋3103后点火燃烧；其中，防回火鳍片3102呈矩形或长圆形截面结构，相邻防回火鳍片3102的间距为1～10mm，高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰筋3103位于防回火鳍片3102的外侧且与防回火鳍片3102交错布置以稳定火焰，高度与防回火鳍片3102保持一致；对称单锅片31的顶端两侧布置有多个带有螺栓孔的支撑孔座3111，用来与等压风仓分配器32相连接。
所述对称单锅片31沿烟气流动方向，圆形肋3104和腰圆肋3106的排布方式并不相同，辐射区的圆形肋3104与对流区的圆形针肋相比，高度较低，直径及横纵截距则较大，而随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形肋3104的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上，圆形肋3104呈紧密错列正三角形排布，圆形肋3104间的最短距离为3～4mm；在高度上，圆形肋3104等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不应大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形肋3104以及长径与烟气流动方向一致的腰圆肋3106，腰圆肋3106短径与冷凝区的圆形肋3104相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行；冷凝区沿烟气流动方向，宽度逐渐减小，使整个对称单锅片31的下半部分外围呈“∪”形。
如图17b所示，所述对称单锅片31的两侧布置有成对的前后连接孔3105、积灰清扫口3107和铸造排沙口3116；前后连接孔3105将2～12个对称单锅片31的前后端面对齐串接连接起来；积灰清扫口3107的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与清灰盖板35进行装配；铸造排沙口3116在位置上与平直肋3115正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与密封堵头36进行装配。
如图17c所示，所述对称单锅片31的内部中空腔体为水通道，水通道是由沿竖直方向的中心肋3114以及多个沿水平方向的平直肋3115划分而成，中心肋3114将整个水道空间沿左右一分为二，每两个平直肋3115的间距为40～120mm不等，且随着整体高度的增加，截面高度逐层减小，并保证在辐射区周围的截面高度约为最大截面高度的1/2左右，中心肋3114和平直肋3115形成左右的对称蛇形水道3112；对流区上部的的平直肋3115存在0～10°的倾斜角，其端部加工卸汽孔3113；在这种结构下，系统回水进入各对称单锅片31后，沿左右的对称蛇形水道3112一路弯转上升，最终折转至炉膛顶部两侧水道3101，直至在顶端出口3110汇合流出。

Claims (11)

1.一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：主体结构根据容量需求，由2～12个轴对称单锅片(1)前后端面依次密封后用螺栓(4)串接而成；轴对称单锅片(1)中的前锅片炉膛中心布置有前盖板(5)，前盖板(5)向内连接圆柱形均流孔板(3)，且支撑在环形水冷燃烧头(2)的环形内壁面上，圆柱形均流孔板(3)穿过每个轴对称单锅片(1)的环形水冷燃烧头(2)，前盖板(5)向外通过连接弯头(6)与预混器相连，轴对称单锅片(1)中的前、后锅片针翅部分布置有内衬隔热盖板(7)；前锅片顶端和底端设置有水侧集箱密封端盖(8)，后锅片炉膛中心布置有耐火隔热内衬的后盖板(12)，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的水侧进口集箱(13)和水侧出口集箱(14)；在主体结构左右两侧，设置有可拆卸清灰挡板(10)和排沙堵头(11)；在主体结构底端，设置有异形烟箱(9)；
所述轴对称单锅片(1)的外部前后两侧自上而下依次分为辐射区、对流区和冷凝区，其中辐射区燃烧室中心布置有与轴对称单锅片(1)同为一体或分体的环形水冷燃烧头(2)，环形水冷燃烧头(2)包括一个环形水冷通道(101)，环形水冷通道(101)表面以中心对称的形式设置有防回火肋(102)和稳焰柱(103)；轴对称单锅片(1)辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形针肋(104)和腰圆针肋(106)；轴对称单锅片(1)底部两侧的第一基座(108)用来与异形烟箱(9)连接；燃气和空气混合气从连接弯头(6)进入圆柱形均流孔板(3)，经过均流后流经环形水冷燃烧头(2)，并沿相邻各轴对称单锅片(1)的环形间隙均匀喷出后点火，沿环形圆柱面轴向间隔燃烧；高温烟气充盈热水炉炉膛周围辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个轴对称单锅片(1)形成的主体结构底端流入异形烟箱(9)，烟气汇集转弯向上排出；轴对称单锅片(1)的内部为中空腔体，回水从底端的水道进口集箱接口(109)进入，从位于顶端的第一水道出口集箱接口(110)流出；
所述防回火肋(102)呈玉米粒截面结构，沿圆周排布后相邻两个防回火肋(102)的间距沿径向处处相等，且间距为1～10mm，防回火肋(102)的高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰柱(103)位于防回火肋(102)的外侧且与防回火肋(102)交错布置以稳定火焰，稳焰柱(103)的高度与防回火肋(102)保持一致；辐射区燃烧室壁面四周布置有环向基肋(113)，环向基肋(113)上均匀布置4～8个开设有螺纹孔的孔座(111)，轴对称单锅片(1)中的前、后锅片通过孔座(111)分别与前盖板(5)和后盖板(12)相连；
所述轴对称单锅片(1)沿烟气流动方向，圆形针肋(104)和腰圆针肋(106)的排布方式并不相同；辐射区的圆形针肋(104)与对流区的圆形针肋相比高度较低，直径及横纵截距较大；随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形针肋(104)的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上呈紧密错列正三角形排布，肋间最短距离为3～4mm；在高度上，圆形针肋(104)为等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形针肋(104)以及长径与烟气流动方向一致的腰圆针肋(106)，腰圆针肋(106)的短径与冷凝区的圆形针肋(104)的直径相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行；整个冷凝区沿烟气流动方向宽度逐渐减小，使整个轴对称单锅片(1)的下半部分外围整体呈“∪”形；
所述轴对称单锅片(1)的内部中空腔体为水道空间，水道空间整体由沿竖直方向的纵肋(115)以及多个沿水平方向的横肋(116)划分而成，纵肋(115)将整个水道空间沿左右一分为二，每两个横肋(116)的间距为40～120mm不等，且从下至上，相邻横肋(116)间的纵向距离逐层减小；水流在烟气冷凝区和对流区对应的水道空间内沿蛇形弯转向上直至辐射区底端；对流区上部的横肋(116)与水平方向存在0～10°的倾斜角，并在端部加工第一放汽孔(114)；轴对称单锅片(1)辐射区对应的水道结构有两种：一种水道结构由辐射区炉膛中心的环形水冷通道(101)以及环向基肋(113)外侧即炉膛两侧的侧面水道(112)共同构成，这种结构下水流在辐射区底端分流，分别沿环形水冷通道(101)和侧面水道(112)两路并行上升，最后在水道出口集箱接口(110)处汇合流出；另一种水道结构中，环向基肋(113)的侧面水道(112)被分割肋(118)分为上升水道(119)和下降水道(120)，因此整个水道结构由环形水冷通道(101)、上升水道(119)以及下降水道(120)共同构成，这种结构下水流在辐射区底端并不分流，而是向左右流动到炉膛两侧面折转90度进入上升水道(119)，上行至水道出口集箱接口(110)附近时向内折转180度向下进入下降水道(120)，并至炉膛底部后向内折转90度流动至轴对称单锅片(1)的纵肋(115)处再折转90度向上汇合并入环形水冷通道(101)上升，最终在水道出口集箱接口(110)处汇合流出。
2.根据权利要求1所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：所述轴对称单锅片(1)的两侧布置有成对的螺栓连接孔(105)、清灰口(107)和排沙口(117)；螺栓连接孔(105)将2～12个轴对称单锅片(1)的前后端面对齐串接后用螺栓(4)连接起来；清灰口(107)的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与可拆卸清灰挡板(10)进行装配；排沙口(117)在位置上与横肋(116)正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与排沙堵头(11)进行装配。
3.根据权利要求1所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：所述前盖板(5)和后盖板(12)整体结构相似，通过一套模具制成，其成型方法采用铸造或冲压；前盖板(5)和后盖板(12)均为类圆盘结构，外围边界处存在周向开孔(501)，用来与轴对称单锅片(1)的环向基肋(113)相连接；在类圆盘结构的内侧布置四个向心的支撑肋(504)，用来支撑圆柱形均流孔板(3)；由后盖板(12)加工为前盖板(5)的方法具体为：在经过铸造或冲压得到后盖板(12)后，将后盖板(12)的中心开孔以便置入圆柱形均流孔板(3)，同时在类圆盘结构的外侧端面处增设螺纹孔(502)，并在外侧端面表面加工或增设包括点火孔、火焰监测孔、压力监测孔在内的集成监测系统(503)。
4.根据权利要求1所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：所述轴对称单锅片(1)采用整体铸造工艺，选用ZL101、ZL102、ZL104或AlSi10Mg牌号铸铝硅镁合金，轴对称单锅片(1)的冷凝区能够构建超疏水膜，使之具有超疏水性、自清洁性和耐腐蚀性，使烟气侧壁面耐腐蚀、传热传质性能提高，表面光洁度提高，防积灰；所述盖板(7)在材料上选用不锈钢，整体冲压成型；所述异形烟箱(9)在材料上选用塑料，在结构上由承露盘(901)及排烟出口(902)构成，承露盘(901)为异形多面体，其局部截面积沿长度方向、宽度方向及高度方向均逐渐减小，确保结构上存在最低点。
5.根据权利要求1所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：当所述的环形水冷燃烧头(2)和轴对称单锅片(1)间采用分体式结构时，环形水冷燃烧头(2)由多个水冷环形腔(15)，进出口独立集箱(16)以及前端法兰盘(17)共同装配而成；，水冷环形腔(15)的主体结构包括环形的水冷通道(1501)，防回火翅(1502)和稳焰肋(1503)；水冷环形腔(15)的数量与轴对称单锅片(1)的数量相同，水冷环形腔(15)的环形内壁面两侧分别开有进出水孔(1504)，用来与进出口独立集箱(16)对接装配，从而实现分体式结构内部的水循环独立；与轴对称单锅片(1)的前锅片匹配的水冷环形腔(15)的前端连接有前端法兰盘(17)，用来与铸铝硅热水炉的前盖板(5)以及连接弯头(6)相连；同时，水冷环形腔(15)内壁面装有两块圆弧形均流孔板(18)，圆弧形均流孔板(18)的开孔位置正对于防回火翅(1502)间隙，开孔形状为圆形、腰圆形或椭圆形，两块圆弧形均流孔板(18)的边缘位于进出口独立集箱(16)的上下两侧；此时，燃气和空气的混合气充分混合后首先经均圆弧形均流孔板(18)均流，然后经过各水冷环形腔(15)间的防回火翅(1502)和稳焰肋(1503)，最后均匀喷出后点火沿圆柱面周向缝隙间隔燃烧。
6.根据权利要求1所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：当所述的环形水冷燃烧头(2)和轴对称铸铝硅单锅片(1)间采用分体式结构时，环形水冷燃烧头(2)为整体单独浇铸而成，主体包括，环形水冷空间(201)、防回火柱(202)、稳燃柱(203)以及集箱总管(204)；其中，防回火柱(202)和稳燃柱(203)以中心对称均布于环形水冷空间(201)表面，防回火柱(202)呈玉米粒截面结构，沿圆周排布后应确保两个对称的防回火柱(202)的间距沿径向处处相等，且间距为1～10mm；防回火柱(202)的高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳燃柱(203)位于防回火柱(202)的外侧且与防回火柱(202)交错布置以稳定火焰，稳燃柱(203)高度与防回火柱(202)保持一致；集箱总管(204)的外截面形状为圆形、长圆形、椭圆形或腰圆形，由中间肋将集箱总管(204)分为进水管路(205)和出水管路(206)；环形水冷燃烧头(2)的工质水从进水管路(205)进入后，分配至各个环形水冷空间(201)，经周向流动换热后在出水管路(206)汇集，完成独立水循环；同时，环形水冷燃烧头(2)内壁装有圆弧形均流孔板(18)，圆弧形均流孔板(18)的开孔位置正对于防回火柱(202)间隙，开孔形状为圆形、腰圆形或椭圆形；此时，燃气和空气的混合气充分混合后首先经均圆弧形均流孔板(18)均流，然后经过环形水冷燃烧头(2)的防回火柱(202)和稳燃柱(203)，最后均匀喷出后点火沿圆柱面周向缝隙间隔燃烧。
7.一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：主体结构根据容量需求，由2～12个轴对称锅片(19)前后端面依次密封后用螺栓串接而成；轴对称锅片(19)的前锅片炉膛前布置有前端盖板(22)，其向内连接有矩形均流孔板(21)，且支撑在平行水冷燃烧头(20)的内壁面上，矩形均流孔板(21)穿过每个轴对称锅片(19)的平行水冷燃烧头(20)，前端盖板(22)向外通过弯头(23)与预混器相连，轴对称锅片(19)中的前、后锅片针翅部分布置有隔热板(24)；此外，前锅片顶端和底端设置有进出口集箱密封端盖(25)，后锅片炉膛中心布置有耐火隔热内衬的后端盖板(29)，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的进水总管(30-1)和出水总管(30-2)；在主体结构左右两侧，设置有清灰挡板(27)和堵头(28)；在主体结构底端，设置有烟箱(26)；所述轴对称锅片(19)的外部前后两侧自上而下依次分为辐射区、对流区和冷凝区，其中辐射区燃烧室中心布置有与轴对称锅片(19)同为一体的平行水冷燃烧头(20)，平行水冷燃烧头(20)包括中心矩形截面腔体(1904)两边的平行水冷通道(1901)，平行水冷通道(1901)表面以轴对称的形式设置有防回火筋(1902)和稳焰翅(1903)；轴对称锅片(19)辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形针翅(1905)和腰圆针翅(1907)；轴对称锅片(19)底部两侧的底座(1909)用来与烟箱(26)连接；燃气和空气混合气从弯头(23)进入矩形均流孔板(21)，均流后经中心矩形截面腔体(1904)沿锅片间隙向两侧均匀喷出后点火沿平面间隔燃烧；高温烟气充盈热水炉炉膛周围辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个轴对称锅片(19)形成的主体结构底端流入烟箱(26)，烟气汇集转弯向上排出；轴对称锅片(19)的内部为中空腔体，回水从底端的水道进口接口(1910)进入，从位于顶端的第二水道出口集箱接口(1911)流出；
所述防回火筋(1902)和稳焰翅(1903)以轴对称的方式均布于两个平行水冷通道(1901)表面，防回火筋(1902)呈长圆形或矩形截面结构，相邻防回火筋间距为1～10mm，高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰翅(1903)位于防回火筋(1902)的外侧且与防回火筋(1902)交错布置以稳定火焰；辐射区燃烧室炉膛壁面四周布置有环向肋(1913)，环向肋(1913)上均匀布置4～8个螺孔座(1914)，轴对称锅片(19)中的前、后锅片通过螺孔座(1914)分别与前端盖板(22)和后端盖板(29)相连；
所述轴对称锅片(19)沿烟气流动方向，圆形针翅(1905)和腰圆针翅(1907)的排布方式并不相同；辐射区的圆形针翅(1905)与对流区的圆形针翅相比高度较低，直径及横纵截距较大；随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形针翅(1905)的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上呈紧密错列正三角形排布，肋间最短距离为3～4mm；在高度上，圆形针翅(1905)为等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形针翅(1905)以及长径与烟气流动方向一致的腰圆针翅(1907)，腰圆针翅(1907)的短径与冷凝区的圆形针翅(1905)的直径相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行；整个冷凝区沿烟气流动方向宽度逐渐减小，使整个轴对称锅片(19)的下半部分外围整体呈“∪”形；
所述轴对称锅片(19)的内部中空腔体为水道空间，水道空间整体由沿竖直方向的纵向肋(1916)以及多个沿水平方向的横向肋(1917)划分而成，纵向肋(1916)将整个水道空间沿左右一分为二，每两个横向肋(1917)的间距为40～120mm不等，且从下至上，相邻横向肋(1917)的间距逐层减小，辐射区炉膛外围为外侧水道(1912)；水流在烟气冷凝区和对流区对应的水道空间内沿蛇形弯转向上直至辐射区底端，然后在辐射区底端分流，分别沿平行水冷通道(1901)和外侧水道(1912)两路并行上升后，在第二水道出口集箱接口(1911)处汇合流出；对流区上部的横向肋(1917)与水平方向存在0～10°的倾斜角，并在端部加工第二放汽孔(1915)。
8.根据权利要求7所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：所述轴对称锅片(19)的两侧布置有成对的连接孔(1906)、清灰槽(1908)和排沙孔(1918)；连接孔(1906)将2～12个轴对称锅片(19)的前后端面对齐串接起来；清灰槽(1908)的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与清灰挡板(27)进行装配；排沙孔(1918)在位置上与横向肋(1917)正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与堵头(28)进行装配。
9.根据权利要求7所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：所述前端盖板(22)和后端盖板(29)整体结构相似，通过一套模具制成，其成型方法采用铸造或冲压；前端盖板(22)和后端盖板(29)均为类盘状结构，外围边界处存在周向孔(2201)，用来与轴对称锅片(19)的环向肋(1913)相连接；在类圆盘结构的内侧布置有加强肋(2204)，用来支撑矩形均流孔板(21)；由后端盖板(29)加工为前端盖板(22)的方法具体为：在经过铸造或冲压得到后端盖板(29)后，在后端盖板(29)中心处开设矩形孔，同时在类圆盘结构的外侧端面处增设螺孔(2202)，并使其定位于加强肋(2204)上，并在外侧端面表面加工或增设包括点火孔、火焰监测孔、压力监测孔在内的监测系统集成座(2203)。
10.一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：主体结构根据容量需求，由2～12个对称单锅片(31)前后端面依次密封后用螺栓串接而成；对称单锅片(31)的顶部两侧安装有等压风仓分配器(32)；对称单锅片(31)的前、后锅片针翅部分布置有阻热隔板(33)；此外，前锅片顶端和底端设置有集箱封盖，后锅片的底端和顶端分别设置有用来实现水循环的进水总管路(37-1)和出水总管路(37-2)；在主体结构左右两侧，设置有清灰盖板(35)和密封堵头(36)；在主体结构底端，设置有排烟箱(34)；
所述对称单锅片(31)的外部前后两侧自上而下可依次分为辐射区、对流区和冷凝区；燃气和空气从预混器统一充分混合后分流送入位于对称单锅片(31)炉膛顶部两侧的等压风仓分配器(32)中，均流后沿各对称单锅片(31)的间隙均匀喷出点火燃烧；这种结构下炉膛顶部两侧水道(3101)作为水冷燃烧头，其上设置防回火鳍片(3102)和稳焰筋(3103)；辐射区燃烧室外侧、对流区和冷凝区按规律布置圆形肋(3104)和腰圆肋(3106)；对称单锅片(31)底部两侧的第二基座(3108)用来与排烟箱(34)连接；炉膛辐射区成为火焰的辐射空间，高温烟气充盈炉膛辐射区后向下冲刷对流区和冷凝区的针翅受热面，并从2～12个对称单锅片(31)形成的主体结构底端流入排烟箱(34)，烟气汇集转弯向上排出；对称单锅片(31)的内部为中空腔体，回水从底端进口(3109)进入，从顶端出口(3110)流出；
混合气流经防回火鳍片(3102)和稳焰筋(3103)后点火燃烧；其中，防回火鳍片(3102)呈矩形或长圆形截面结构，相邻防回火鳍片(3102)的间距为1～10mm，高度为6～30mm，具体取值应保证混合气经过间隙时的气体喷出平均速度为2～3m/s；稳焰筋(3103)位于防回火鳍片(3102)的外侧且与防回火鳍片(3102)交错布置以稳定火焰，高度与防回火鳍片(3102)保持一致；对称单锅片(31)的顶端两侧布置有多个带有螺栓孔的支撑孔座(3111)，用来与等压风仓分配器(32)相连接；
所述对称单锅片(31)沿烟气流动方向，圆形肋(3104)和腰圆肋(3106)的排布方式并不相同，辐射区的圆形肋(3104)与对流区的圆形针肋相比，高度较低，直径及横纵截距则较大，而随着烟气温度与辐射量沿烟气流动方向降低，圆形肋(3104)的高度逐步提高，在烟温低于500℃的对流区上，圆形肋(3104)呈紧密错列正三角形排布，圆形肋(3104)间的最短距离为3～4mm；在高度上，圆形肋(3104)等高，或采用均匀的一排或两排为一组的高低错列设计，且高度差不应大于平均高度的1/3；在烟温低于65℃的冷凝区，采用圆形肋(3104)以及长径与烟气流动方向一致的腰圆肋(3106)，腰圆肋(3106)短径与冷凝区的圆形肋(3104)相同，肋间的平行通道能够为烟气冷凝提供足够的换热面积，保证冷凝过程的连续进行；冷凝区沿烟气流动方向，宽度逐渐减小，使整个对称单锅片(31)的下半部分外围呈“∪”形；
所述对称单锅片(31)的内部中空腔体为水通道，水通道是由沿竖直方向的中心肋(3114)以及多个沿水平方向的平直肋(3115)划分而成，中心肋(3114)将整个水道空间沿左右一分为二，每两个平直肋(3115)的间距为40～120mm不等，且随着整体高度的增加，截面高度逐层减小，并保证在辐射区周围的截面高度为最大截面高度的1/2，中心肋(3114)和平直肋(3115)形成左右的对称蛇形水道(3112)；对流区上部的的平直肋(3115)存在0～10°的倾斜角，其端部加工卸汽孔(3113)；在这种结构下，系统回水进入各对称单锅片(31)后，沿左右的对称蛇形水道(3112)一路弯转上升，最终折转至炉膛顶部两侧水道(3101)，直至在顶端出口(3110)汇合流出。
11.根据权利要求10所述的一种耦合预混水冷燃烧的单锅片串接铸铝硅热水炉，其特征在于：所述对称单锅片(31)的两侧布置有成对的前后连接孔(3105)、积灰清扫口(3107)和铸造排沙口(3116)；前后连接孔(3105)将2～12个对称单锅片(31)的前后端面对齐串接连接起来；积灰清扫口(3107)的开度保证能够清扫到对流区的1/3～1/2，避免采暖季中需要清灰时将已密封好的炉体拆封，并与清灰盖板(35)进行装配；铸造排沙口(3116)在位置上与平直肋(3115)正对，在深度上直接贯穿至水道内部，并与密封堵头(36)进行装配。
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