冷凝炉核心部件介绍
2014-01-02 09:37 来源：中国壁挂炉网 浏览量：5326
一、冷凝式燃气壁挂炉采用全预混燃烧器
目前，冷凝壁挂炉上使用的全预混燃烧器均为鼓风式全预混燃烧器，主要有：平板形、半球形和圆柱形，如下图所示，其中圆柱形应用居多。实践证明，圆筒形和半球形表面与平面相比，比较容易形成均匀的气流分布。全预混燃烧器的组成主要包括：燃烧头、鼓风机、混合器以及燃气电磁阀。
燃烧头的表面材料主要有两种：不锈钢和金属纤维编织物，其中前者应用较多。对于不锈钢圆柱形头部，是在一个不锈钢圆筒的筒壁上，按照设计的要求形成许多小孔。燃气和空气的混合物从小孔中喷出后被点燃；对于金属纤维编织物表面的燃烧头，燃气与空气的混合物透过金属纤维表面均匀渗出后被点燃。由于是全预混燃烧，因此只在筒壁上形成非常薄的一层蓝色火焰。同时，圆筒壁被加热到很高的温度，形成一个高温辐射源。因此，这种燃烧器与普通壁挂壁挂炉中使用的大气式燃烧器的另一点不同之处在于，前者对于换热器既有对流换热又有辐射换热；而后者主要为对流换热，辐射换热所占比例很小。
二、燃气/空气比例调节系统
1、对于鼓风式全预混燃烧器，在燃烧过程中，特别是在符合变化过程中始终保证燃气与空气的混合比例恒定，是保证稳定、高效、低排放燃烧的先决条件。因此，有一个精确可靠的燃气/空气比例调节系统是非常重要的。
对于普通的大气式燃烧器，由于引射器在一定范围内具有自动调节能力，即当燃气喷嘴的流量发生变化时，被引射进入的一次空气量也会随之相应的变化、这在一定程度上保证了燃气/空气比例的恒定。而在鼓风式全预混燃烧器中，由于燃气与空气的混合方式不同，燃气流量与空气流量失去了在大气式燃烧器中所具有的相互关联，因此需要使用调节装置来实现对燃气/空气比例的控制。实现这一功能的技术通常有两种：
1）电子式燃气/空气比例的控制技术。该技术是利用流量传感器检测空气流量信号，控制器根据该信号经相应的运算后控制燃气比例调节，以维持燃气与空气流量比例的恒定。这种控制方法多用于大型的燃烧系统，特别是非线性系统。由于目前技术条件限制，应用于如燃气壁挂炉这样的小型燃烧系统上，其控制精度不够理想。
2）机械式燃气/空气比例控制技术。目前在冷凝式燃气壁挂炉中广泛使用的是第二种技术，即利用风压变化自动调节燃气流量的机械式燃气/空气等比例控制技术，原理图如下：
2、风机的选择
直流无刷变频风机，采用变速原理，根据热负荷输出需求的变化调整转速来调节进空气量，即达到调节燃烧所用空气量目的；同时比例阀根据需求自动调节开度，调节燃气量。同步调节的空气量和燃气量始终处于最佳燃烧混合比，全预混技术保证了燃烧充分，热量损失减少到最低，功率调节范围为20%~100%，这是冷凝技术中最关键的技术环节。
三、文丘里型混合器
在全预混燃烧系统中，一般采用文丘里混合装置来保证燃气与空气的充分混合。燃气与空气的混合可以在风机出口进行（后预混），也可在风机入口进行（前预混）。
1、后预混型文丘里混合器
上图为混合器的结构，空气流过文丘里混合器，将在文丘里管喉部产生负压，燃气从文丘里管喉部进入后与空气混合。在文丘里管入口处设有取压环室，取出的静压用于控制燃气调节阀，实现燃气流量与空气流量的同步调节，并保持恒定比例，后预混式混合器的负荷调节范围一般为1︰5。下图给出了两种不同型号混合器的特性曲线。从曲线上可以看出，当提高风机进口压力时，在保持混合比不变的情况下增大了负荷。文丘里混合器安装在风机出口。
后预混方式与前预混方式相比，由于是在风机出口处混合，因此对风机的防爆要求比前预混低。
2、前预混文丘里混合器
前预混混合器设在风机入口处，仍为文丘里型，系统如下图：
混合器一侧的空气吸入口的开度可通过调节环进行调节，其完全打开时，对应混合器所能适用的最大输入功率；当其完全关闭时，对应混合器所能适用的最小输入功率。最大和最小输入功率与燃烧装置的特性密切相关。
下面的曲线图给出了在燃烧装置不同的额定输入功率下，且燃气进口压力降为50Pa时的文丘里混合装置的调节范围。
四、燃气阀组与调节原理
冷凝式燃气壁挂炉使用的燃气阀组由：安全切断电磁阀EV1、伺服电磁阀EV2、伺服压力调节器RP、零点迁移量调节器G/A、空燃比例调节阀RQ等组成。如下图所示，与文丘里混合器配合，在负荷调节过程中，始终保证燃气流量与空气流量的比例恒定。
1）文丘里混合器的恒混合比原理：
根据伯努利方程，流过文丘里混合器的空气流量为：
式中 Va——空气流量，m3/h
а——文丘里混合器流量系数
a——文丘里混合器过流面积，m2
Pa1——文丘里混合器前静压，Pa
Pa2——文丘里混合器喉部静压，Pa
ρa——空气密度，kg/m3
Ka——混合器阻力系数。
进入文丘里混合管的燃气流量为：
式中 Vg——燃气流量，m3/h
β——燃气喷嘴流量系数
Ag——燃气喷嘴面积，m2
Pg——燃气喷嘴前静压，Pa
Pa2——文丘里混合器喉部静压，Pa
ρg——燃气密度，kg/m3
Kg——喷嘴系数。
根据上述两个公式得到：
当Pg=Pa1时：
燃气流量与空气流量的比值为一常数。因此只要保证在负荷调节过程中维持Pg=Pa1，即可保证空燃比恒定。如欲改变燃气与空气的流量配比，只需调节Kg即可（改变燃气喷嘴）。
2）预混系统工作原理：
下图为这一系统的内部结构原理图，其工作过程如下 ：
当两个电磁阀EV1、EV2均不得电时，在阀组入口处测得燃气压力为燃气管网额定压力Pin。当电磁阀EV1打开时，点火燃烧气开始工作(如有点火燃烧器，在鼓风全预混燃烧方式的壁挂壁挂炉中均不设点火燃烧器)；当电磁阀EV2打开后，主燃烧器才能工作，此时才可测得压力Pint。
1—燃气进口 2—安全电磁阀 3—调节阀 4、6、9—联通孔 5—伺服电磁阀
7—指挥阀 8—指挥阀膜片 10—调节阀膜片 11—比例调节阀 12—鼓风压力信号管
13—燃气喷嘴 14—空气进口 15—文丘里混合器 16—混合气（燃气+空气）出口
17—零点调节螺丝 18—比例调节螺丝
当需要提高燃烧负荷时，首先提高风机转速，使风量增加，此时文丘里混合器入口静压Pa1增加，经空气取压管，使得膜片上侧压力增加，指挥阀的阀口被关小。其结果使得原经过指挥阀阀口、联通孔的燃气泄流阻力增加，进而使得经联通孔导入调节阀膜片下侧的压力增加，调节阀被开大，燃气流量增加，此时建立的压力平衡关系为：
Pint=调节阀膜片下侧压力=膜片下侧压力=膜片上侧压力Pa1+弹簧力Os
即： Pint=Pa1+Os
由于在变负荷过程中膜片上侧弹簧的位移很小，因此认为弹簧的弹性力Os恒定不变。
由式可知，此时无论风量如何变换（Pa1变换），均能保持Pint与Pa1的比例关系。通过零点调节螺丝可以改变Os值，称为“零点迁移”，如下图所示。
前预混系统与后预混原理基本相同。前预混系统所使用的文丘里型混合器安装在风机入口，文丘里管的前压Pa1为大气压，即Pa1=0。因此，无需空气取压管，阀上的取压口位置直通大气即可。Pa2为文丘里混合器出口压力，即风机进口压力，运行原理与后预混相同。
五、全预混冷凝不锈钢盘管换热器简介
最近几年的研究证明，不锈钢是制作冷凝换热器的理想材料。对于天然气冷凝壁挂炉上的换热器，可以利用不锈钢合金（主要元素是：铬、镍、钼、钛等）制作。这种合金材料能够防止冷凝液的腐蚀，因此换热器表面不需要进行防腐处理。
不锈钢的导热性能不如铜和普通钢，为弥补其导热性能差的特点，换热器在设计时应特别注意采取一些强化换热的措施。
1、不锈钢换热器的强化换热方法
在壁挂炉换热器中，要将烟气的热量有效地传递给水，就必须使烟气与换热器表面进行充分的接触。为了达到这一目的，目前最常用的方法有两种：
1）对换热器烟气侧的表面进行设计，使其在烟气流过时形成许多小的局部旋流。这样可以避免在烟气流的通道截面上中心温度过高，四周温度过低，形成过大的从通道中心到换热器壁面的温度梯度，而光滑平整的壁面是无法做到的，下图给出了两种换热器的对比：
2）使烟气产生强烈的紊流。对于提高传热系数，它的作用与方法一是相同的，目的是打破烟气通道中的温度梯度。使用矩形（或扁圆形）不锈钢管盘成螺旋形，烟气从螺旋形的中心，通过螺旋间距只有0.8mm的狭长缝隙径向冲刷不锈钢螺旋管。烟气在这些缝隙中形成薄片状层流，大大提高了传热系数。烟气经过36mm长的缝隙，温度即可从较高温度被降到50 ℃。
2、换热器中的烟气流程
上图中所示为烟气在不锈钢径向换热器中的流程，换热器被绝热隔板分割成两部分，相当于将换热器分为一级换热与二级换热。在一级换热中，烟气从中心沿径向向外冲刷盘管；二级换热器中，烟气从螺旋盘管径向向中心冲刷盘管。
3、不锈钢盘管径向换热器一般采用不锈钢管制作。首先将不锈钢盘秤直径适当的螺旋形，然后经挤压，使每一圈螺旋管形成扁圆的截面，这样可以增加换热面积。同时保证挤压后的螺旋间距。为了便于配置不同功率的换热器，一般以某一个功率为单位（8~10kW）加工不锈钢螺旋管，最终根据壁挂炉设计的功率的大小，将若干个不锈钢螺旋管组合成为所需要的换热器。
六、 冷凝水收集装置
冷凝炉所排出的冷凝水呈微酸性，PH值在3～4左右，必须通过一个塑料的收集器收集起来。此收集器同时起到一个水封的作用，防止烟气从此排出。再通过特殊的塑料连接管，把收集器内溢出来的冷凝水排到外面。同时，城市生活废水系统内的水是呈微碱性的，PH值在6.5～10左右。因此，可以将冷凝水排到生活污水系统中，正好起到一个中和的作用。通过上述几个核心部件的介绍，我们大致了解了冷凝炉的内部结构。冷凝的效率最大可达到109%，这相比于普通壁挂炉90%左右的热效率，高了将近20%。从年运行情况来看，年度效率还会更高。因此，冷凝炉最终能达到的节能量也接近20%~30%左右，大大节省了使用费用。
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