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浅谈冷凝壁挂炉燃烧换热结构
2013-12-26 15:42:03   来源: 中国壁挂炉网   人气:

 

    摘要:在提倡节能环保,低碳生活的21世纪,在世界采暖行业中,冷凝式采暖壁挂炉的研制将是一个必然的趋势。开发高效节能的冷凝式壁挂炉,已不单是为用户节省开支,而是实现国民经济可持续发展的需要,实现科学发展观的需要,而要实现壁挂炉的冷凝,必须要深入研究冷凝式换热器和全预混燃烧器。

关键词:冷凝式壁挂炉  冷凝式换热器  全预混燃烧器  冷凝水  热效率  防腐蚀

燃气壁挂炉具有强大的家庭中央供暖功能,能满足多居室的采暖需求,各个房间能够根据需求随意设定舒适温度,也可根据需要决定某个房间单独关闭供暖,并且能够提供大流量恒温卫生热水,供家庭沐浴、厨房等场所使用。在欧洲,燃气壁挂炉已有近百年历史,是一个非常成熟发达的行业。燃气壁挂炉以其节能、环保、灵活、舒适等优点得到了人们的认可,也成为最流行的采暖方式。目前国内的壁挂炉市场格局主要由国产、合资、外资三部分组成,国内壁挂炉发展的基础也是基于国外的技术。

在倡导低碳生活的今天,无疑给制造行业的企业提出了更高的要求,即如何低碳生产、如何生产出低碳产品成为了能源领域必然的要求,开发高效节能的冷凝式壁挂炉,已不单是为用户节省开支,而是实现国民经济可持续发展的需要,实现科学发展观的需要。对燃气壁挂炉来说,提高热效率的有效途径有三:一是燃气尽可能多的释放热量;二是换热器尽可能多的吸收热量;三是尽可能少的减少各项热量损失。

要使燃气燃烧释放出尽可能多的热量,必须注意两点:一是燃气要完全燃尽。研究指出,为使燃气燃尽需要燃气与空气之间充分、均匀的混合,并提供燃烧所需的充足的氧气;二是需把排烟温度降到烟气露点以下,使烟气中的水蒸气冷凝释放出其潜热,燃气释放出的总热量便增加。

要使换热器尽可能多的吸收热量,有三种方法可供考虑:一是增加换热器面积,尽可能多地布置换热面,这是最简便易行而可靠的方法。二是合理分配辐射与对流受热面。三是增加强化元件。如在水管增加肋片、燃烧室内壁增加针状突起,水道中增加换热槽等。要使壁挂炉尽可能少的减少各项热量损失,就必须控制好排烟损失,化学与物理不完全燃烧损失及各部位的散热损失。

冷凝式壁挂炉的燃气和空气在燃烧前能得到均匀混合并保持稳定的比值,使燃料燃烧充分,同时特殊的换热器结构形式与制作工艺能将排烟温度降到露点以下,烟气中大量水蒸汽冷凝并释放出汽化潜热,热效率比常规设计锅炉高10%以上,具有明显的节能效果。而冷凝式壁挂炉的一个主要特点是在设计工况下烟气中有较多的水蒸汽冷凝,释放出汽化潜热,并使热效率有明显升高。如果烟气中水蒸汽冷凝份额很少,对提高热效率贡献不大,这种设计就没有多大的实际意义了。

因此,要想设计一个比较优化的冷凝式壁挂炉换热系统和燃烧系统,必须要清楚以下三个方面:

首先,要清楚在冷凝式壁挂炉上实现水蒸汽冷凝的条件。水蒸汽的冷凝与换热器冷凝段的热交换过程密切相关。观察高温烟气经冷凝段肋片管换热器的加热过程:烟气首先把热量传递给肋片(加热肋片),肋片再把吸收的热量传递到肋片根部,经管壁最终加热管内的水。所以,在加热过程中必然是烟温大于肋片温度,肋片温度大于水温。要注意,肋片温度不是一个定值,它与肋片上的位置有关。观察烟气出口侧,在肋片根部肋片温度最低,在肋片顶端,肋片温度升高。而在烟气入口侧肋片温度会比出口侧的要高。在冷凝段换热器上由于吸热量小,肋片根部与水温间的温差也小,一般为1~2℃左右。肋片上的温降约为5℃。排烟温度与肋片顶端间的温差在设计中宜大于20℃。按我国供暖规范,供暖热水温度为95℃,回水温度为70℃。按欧洲供暖规范,供暖热水温度为75℃,回水温度为50℃(当用地板供暖时,热水温度为40℃,回水温度为30℃)。按欧洲规范,取回水温度为50℃。此时,如果仍采用大气式燃烧方式(过剩空气系数=1.7,露点49℃)与肋片管换热器,则肋片顶端温度便会升到56℃,排烟温度会随之升到70℃附近。均大于烟露点,水蒸气一点也不会冷凝。研究指出:在两用炉上要实现水蒸气冷凝,只有采用完全预混低氧燃烧方式,使过剩空气系数从1.7降到1.2,露点温度相应地从49℃提高到54℃,高于回水温度。同时,将肋片管换热器改为光管换热器,使管外壁温度下降到51℃左右。这样,便能满足换热器壁面温度低于烟气露点,出现水蒸气冷凝,实现冷凝运行方式。所以,欧洲的冷凝式两用炉都几乎采用光管换热器,完全预混燃烧器,低氧燃烧。这种做法是为了实现冷凝运行方式而必须采取的措施,而不是其他目的。

前面的分析中已明确指出:提高壁挂炉热效率的一个主要手段是布置更多的受热面以降低排烟温度。但是,排烟温度的降低是受到限制的,因为排烟温度一定要大于肋片出口顶端温度。但是当排烟温度逐渐下降接近肋片温度时,由于温差下降,换热面的吸热量急速下降,再增加换热面积便显得不经济。

所以,正确选定排烟温度设计值是一件重要的事,冷凝式壁挂炉设计时必须仔细权衡热效率的升高与换热材料耗热量的增加之间的利弊关系,合理确定一个设计工作点。实验证明当排烟温度为60℃时,水蒸气冷凝放热占壁挂炉输入热量(即燃气低热值)的6%左右,可见,冷凝放热在提高热效率上的作用是很显著的。

其次,过剩空气系数 对热效率的影响也比较大,所以,必须要合理选择过剩空气系数。过剩空气系数不一样,烟气中的水蒸气的露点温度也不相同。过剩空气系数越小,烟气中的水蒸气的露点温度就越高,烟气中水蒸气的冷凝比额就越高,热效率也就相对提高。实验表明:在相同的排烟温度下,过剩空气系数从1.7(烟气中的O2含量9.1%)下降到1.2(烟气中O2含量3.7%),热效率提高了3%~4%。而要把烟气中的O2含量从9.1%下降到3.7%,必须改变大气式燃烧器为完完全预混式燃烧器,这种改动需要付出较大的研发代价。所以,在冷凝式壁挂炉设计中,多数厂家保留了大气燃烧方式,而采用布置冷凝段以降低排烟温度提高热效率,这是一种可以接受的方案,也是合理的。不过,完全预混低氧燃烧方式在减少烟气中有害物质CO,NOx,SOx,CO2排放量(环保),提高热效率(节能)方面有显著的优势,是一个性能优良的燃烧技术,应积极给予推广。

再次,在冷凝式壁挂炉的设计过程中,防腐蚀是一个必须要考虑的问题。防止酸性冷凝液的腐蚀:冷凝式壁挂炉的水蒸气冷凝时首先生成水雾,均匀散布在水冷凝区的烟气中。同时,烟气中也含有燃烧生成的酸性气体NOx,SOx,CO2及燃气,空气中含有的污染物(氯化物与氟化物)的分解物。有研究指出:燃气与空气中的污染物的影响非常重要,即使少量的污染物也会在冷凝水中产生明显的氯离子与氟离子。这些酸性气体溶于冷凝水后,冷凝水便含有碳酸、硫酸、硝酸、盐酸、氢氟酸等,并由它们组成弱酸溶液。而冷凝水中的氯离子对某些种类的不锈钢材料具有明显的腐蚀作用,造成较大危害。这些酸性冷凝液黏附在换热器表面上,从而对换热器产生腐蚀。主要表现三个方面:一是肋片管均匀腐蚀减薄,二是肋片管表面出现点腐蚀,三是在肋片管表面产生腐蚀产物并黏附在其表面上。比较起来,腐蚀对冷凝式壁挂炉安全运行带来的主要危害不是肋片管均匀腐蚀减薄,而是肋片管表面出现点腐蚀和腐蚀产物的玷污。它们可能造成水管腐蚀泄露和烟道阻塞而使壁挂炉不能安全运行。为了避免酸性冷凝液对换热器的腐蚀,可以采用两种方法:一是在原来的铜肋片管换热器的烟气侧表面浸涂有机耐温防腐蚀涂料,二是用耐腐蚀的不锈钢、铝合金等材料制作换热器。在欧洲冷凝式锅炉标准EN677中也明确提出:锅炉的热交换器应由有防腐蚀能力的材料或具有适宜涂层保护的材料构成。在常规两用炉上,为了防止酸性腐蚀(特别是燃用含H2S高的天然气)多采用在换热器表面浸涂耐温防腐涂料(国内生产的两用炉多采用在换热器上浸涂改性铝粉有机硅耐温防腐涂料)。很明显,采用传热与加工性能优良的铜材作换热器,而在换热器表面浸涂耐温防腐蚀涂料以防止酸性腐蚀,这种方式已被证明是可以采用的。多数生产厂家没有采用传热与加工性能较差的不锈钢取代铜材制作换热器。但这种方法在冷凝式壁挂炉上是否会暴需出其他问题?这是需要进行试验验证的,也是下一步试验研究的一个重点。

冷凝壁挂炉的问世,是在上世纪70年代末。1979年,荷兰成功研制出了第一台冷凝式燃气壁挂炉,次年得到批准使用。其后,英国、法国、德国、日本也开始研制冷凝式燃气壁挂炉和冷凝式壁挂炉。目前,冷凝式壁挂炉在发达国家约占壁挂炉总产量的15%以上。与常规的燃气壁挂炉相比,特殊的换热器结构形式与制作工艺是冷凝式壁挂炉的一个重要特点。

下面将介绍几种目前市场上的冷凝式壁挂炉燃烧换热结构。

(1)大气式燃烧方式+二次换热器(见图1)

这种所谓冷凝式壁挂炉就是在常规壁挂炉的排烟口增加一个肋片式的二次换热器,通过较低温度的供暖回水冷却较高烟气中的水蒸气。燃烧方式仍采用大气式燃烧方式(过剩空气系数为=1.7,露点49℃壁挂炉在最小负荷下运行时,虽然供暖回水温度会在30℃左右。相应地,肋片顶端最高温度会升到40℃左右,排烟温度仍可保持在45℃附近,低于烟气露点。所以,也会有部分冷凝水在肋片表面生成。但是壁挂炉在最大负荷下运行时,供暖回水温度会在60℃左右。相应地,肋片顶端最高温度会升到70度左右,排烟温度也保持在70℃附近,均大于烟露点,水蒸气一点也不会冷凝。所以只能少部分提高热效率,但这种结构比较简单,制造成本也相对较低。

(2)全预混倒置燃烧方式+整体式铜肋片管换热器(见图2)

这种冷凝式壁挂炉的热交换器采用整体式铜肋片管结构,为避免酸性腐蚀在热交换器表面浸涂了有机硅耐温防腐蚀涂料,而燃烧采用全预混的陶瓷孔板燃烧器,布置在燃烧室的上方,燃气与风机送来的燃烧所需空气按比例预先混合后,从顶部的燃烧器喷出,点燃后在较小的燃烧空间内燃尽。高温烟气向下流动,经换热器后由排烟口排出。烟气中的水蒸气在换热器冷凝段冷凝成水滴,落入集水盒。酸性的冷凝水经中和或稀释后排入下水道。这种自上而下的排烟方式有助于舒畅地排出冷凝水,避免其滞留在热交换器表面。同时燃气—空气比例调节,数码恒温。燃烧过剩空气系数 能降低到1.2,且烟气中CO含量低于1.0×10-4,NOx含量低于1.0×10-5壁挂炉调节范围从15%~100%,与常规壁挂炉相比节能10%以上,相应CO2总排放量也减少10%以上,其科技含量较高。

(3)全预混燃烧方式+扁形不锈钢管组成的辐射—对流盘管式换热器(见图3、图4)

这种冷凝式壁挂炉在结构上的一个重要特点是采用了由扁形不锈钢管组成的辐射—对流盘管式换热器,其燃烧室是由不锈钢盘管构成,以便充分吸收燃烧时辐射放热。但燃烧室不是封闭的,扁形不锈钢管的外部尺寸约为36mm×10mm,管间的净间隙约为0.8mm,该间隙便是燃烧室内高温烟气流出的通道。高温烟气流过扁形不锈钢管时,烟气由于对流换热的作用被盘管内的水强烈冷却。当管内水温低于露点温度时,在扁管外表面会产生冷凝水。从燃烧室盘管流出的烟气,再进入由扁形不锈钢管组成的冷凝段换热器,烟气进一步被冷却后从排烟口流入大气。同时此冷凝式壁挂炉采用了完全预混燃烧器,燃烧器呈水平布局,燃烧过剩空气系数α能降低到1.2,热效率高达95%(按高热值计算),负荷调节达20%~100%,烟气中CO含量低于1.0×10-4,NOx含量低于6.0×10-5,与常规壁挂炉相比节能10%以上,相应CO2总排放量也减少10%以上,换热器由扁形不锈钢管制作,耐腐蚀性能好,此种冷凝式壁挂炉代表了当前先进水平。

 

(4)全预混燃烧方式+铸砂铝式冷凝换热器(见图5、图6)

铸砂铝式冷凝换热器是目前在欧洲发展时间最长,品种最多,结构也最复杂的一类冷凝锅炉换热器。由于材料的原因,铝制换热器的壁厚超过不锈钢很多,这可以耐受很高的压力,保证锅炉长期在高压系统内的稳定运行以及锅炉寿命。当前的新款铸铝换热器均为全水冷设计,燃烧室被水道环绕,有效吸收热量冷却烟气,因而不需要额外的保温材料。对于大功率的商用冷凝锅炉来说,铸铝的换热器只有少数几条平行水道,维护保养非常简单。同时铝材有其独到之处:铝的导热系数是不锈钢的8倍,所以在燃烧室以及水路的设计上给出了较大的余地;在抗腐蚀性上,不锈钢和铝各有特点:众所周知,铝是一种很活泼的金属,在自然条件下在铝材的表面能够形成一层致密的氧化层,可以有效防止酸性腐蚀和氧蚀;虽然铝对碱性腐蚀的抵抗能力不强,但是考虑到冷凝水是酸性污水,而系统循环水一般情况下均添加了抗腐蚀的药剂,所以铝的可靠性还是很高的,长达40年以上的使用历史也证明了这一点;从原材料价格,加工性和加工成本上来看铝具有绝对的优势:我国在铝矿方面储量丰富,需求不足导致铝材价格长期稳定在较低水平。另外,铝的熔点较低,在高温铸造时拥有很高的流动性,产品的铸造和加工性好,成本低。此冷凝式壁挂炉同样采用了完全预混燃烧器,燃烧过剩空气系数α能降低到1.2,高温烟气自上向下流动,水流自下向上流动,相对不锈钢产品的平滑表面设计,铝制换热器在燃烧室有针状突起,水道中有换热槽,优化换热效果并且有效增加换热器的单位热负载,热效率高达107%(按低热值计算),负荷调节达25%~100%,烟气中CO含量低于1.0×10-4,NOx含量低于6.0×10-5,与常规壁挂炉相比节能10%以上,相应CO2总排放量也减少10%以上。在2008年度,铝制换热器的使用率已经占到了欧洲冷凝锅炉销售量的57%左右,而且目前欧洲主要厂商的新品研发中均为铸铝式的换热器。这正说明,铸铝式的换热器经过了短暂的低潮以后其一些特点正逐渐为各大生产厂商所认同。

由此可知,冷凝换热器的研制和全预混燃烧技术的研制是实现冷凝技术、低碳生活必不可少的两部分。随着世界范围内对节能环保的呼声越来越高,在采暖行业中,冷凝式壁挂锅炉的研制将是社会发展的一个必然的趋势。为适应行业的发展,越来越多的企业将会加大力度研制冷凝式壁挂锅炉,冷凝技术也必将会有新的突破。

 

参考文献:

[1]姜正候,郭文博《燃气燃烧与应用》北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]EN 667 欧洲冷凝式锅炉(两用炉)标准.

[3]夏昭知,徐建彭.燃气快速热水器受热面合理设计的探讨[J]。煤气与热力,1993.

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