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壁挂炉发展技术分析
发布时间:2014-11-17        浏览次数:270        返回列表
 大连渤尔科技总工程师邵信宏
壁挂炉的历史可以追溯到100多年前,发展到今天,燃烧方式由大气式燃烧到全预混燃烧,热交换器由普通式到冷凝式。
一、壁挂炉冷凝吸热原理
壁挂炉燃烧器燃烧的热烟经过换热器的一次换热器,大部热量被一次换热器吸收,温度已大大降低,再经过二次换热器(低温回水先进入二次换热器),烟气温度被进一步降低到露点以下,烟气中的水蒸气在二次换热器外表面生成冷凝水,其汽化潜热被二次换热器吸收。
二、燃烧方式对比

  1. 大气式燃烧
大气式燃烧也叫部分预混燃烧,靠燃气压力通过喷咀喷射,利用引射器引入部分一次空气达到部分混合,混合了部分一次空气的燃气从燃烧器火孔喷出进行不完全燃烧;将二次空气引入到火焰周围形成二次燃烧,一次燃烧与二次燃烧火焰相加火焰长度较长,火焰温度较低。换热器设置较远(120mm左右),否则火焰接触到换热器形成不完全燃烧。二次空气靠热交换器上部的风机吸入炉腔,炉腔内为负压,燃烧热质点密度小,不利于换热器换热。另外,一次火焰燃烧后没燃烧的燃气分子接触到二次空气才燃烧,接触的概率相对减少了。若想增大接触概率则需加大过剩空气数α。过多的不参与燃烧的二次空气虽然使燃烧充分了,CO减少了,但带走了炉腔热量,效率降低了。过剩的氧气与氮气生成了NOx,大气式燃烧CO、NOx较高,效率较低。
  1. 全预混燃烧
全预混燃烧采用变速风机送风,风机将燃气燃烧所需要的空气吸入文丘里混合器,空气流量的变化导致文丘里内燃气入口处气压改变,使燃气与空气比例阀的阀口开度产生变化,使得燃气与空气形成比例关系,调整阀上的调节螺钉以达到所需比例,当燃气与空气以所需比例进入燃烧器,燃烧时已不需要另外的空气就能达到完全燃烧。风机变速,风量改变,燃气阀开口改变,燃烧负荷改变,燃气与空气比例不变。
全预混燃烧由于在燃烧前燃气分子与氧气分子已充分混合,在空气过剩系数α很小的情况下(α =1.05~1.1)也能充分燃烧,CO很小,火焰温度很高,火焰很短,可以离换热器很近(35~40m m)(热强度与距离平方成反比),加热效率很高。另外,全预混燃烧是风机抽取燃气管道内的燃气进行燃烧,燃气阀的二次压为负压,燃气管道气压变化对燃烧影响较小。全预混燃烧在炉腔内形成正压,热质点密度较大,有利于换热器换热。虽然火焰温度很高,但由于过剩空气系数α很小,已经没有多余的氧气生成氮氧化物了,所以NOx排放也很小。
三、换热器对比
换热器分为普通型,冷凝型,冷凝型又分一次和二次换热一体与分开的两种。

  1. 普通型
普通型为单层平面翅片管换热器,换热面积小,热烟通过距离短,只有单面接受热辐射,排烟温度高,热损率大,效率低。
  1. 冷凝型
(1)铸造型
现有铸造型均为铝合金铸造,由于型腔较复杂只能采用翻沙铸造,因为铝金属比重较低(2.7×10kg/m3),铸造时浇不满,在铝中加入比重较大的合金以提高浇铸质量,所以整机重量很大。铸造成型的换热器所用金属重量及体积与换热面积之比很大,材料利用率低。因此重力铸造致密度低,使用寿命短。
(2)不锈钢光管型
不锈钢光管型为不锈钢距形管螺旋缠绕成型,管与管之间有0.6~0.8mm窄缝,缝长为27~36mm,若缝宽超过0.6~0.8mm,排烟温度会升高,为了保证0.8mm间隔,矩形管侧面有0.8mm凸包,做限位。但矩形管壁厚很薄(0.6mm),当管内水流产生气泡时,很容易烧蚀损坏,国内燃气燃烧后颗粒物较多,很容易将0.8mm窄缝堵塞。
(3)不锈钢翅片管型
不锈钢翅片管型采用直径20mm、壁厚1.5mm不锈钢无缝管外面焊接间隔2~2.2mm翅片以加大换热面积,不锈钢翅片管多层缠绕形成冷凝换热器。
(4)一次、二次换热型式
a一次二次换热分开型
一些厂家的冷凝换热器,多采用一次二次换热分开型。一次换热采用普通平面式换热器,另外在一次换热器上面或排烟道内放置二次换热器。
b铝合金铸造,不锈钢光管,不锈钢翅片管均为一次二次换热一体型
四、冷凝换热器材质对比
业界多个公司80年代生产铝质换热器,腐蚀损坏很大,90年代生产铜质换热器,腐蚀损坏较大,2000年后生产不锈钢换热器,抗腐蚀能力很强。由此可见,不锈钢材质是冷凝换热器最佳选择。但不锈钢高温焊接造成铬逃逸,焊缝组织变性,形成电化学腐蚀,抗腐蚀能力巨幅下降,在设计生产中必须足够重视。
五、燃烧器位置对比
燃烧器位置有顶置平面型,底置平面型,内置圆型。
顶置平面型因为热量上升,散热不好,寿命短,火焰距换热器距离远,效率低,不能小火燃烧,有回火危险;底置平面型,距离远,单面辐射,不锈钢光管、不锈钢翅片管均为圆型内置,距离近且均匀,换热效率高。
六、燃烧方式对冷凝吸热比较
1kg水从0℃加热到100℃需要100千卡(显热)热量,1kg水从100℃加热汽化成100℃水蒸气需要599千卡(潜热)热量。潜热比显热大6倍,所以有没有冷凝吸热、冷凝吸热程度大小对壁挂炉效率影响巨大。
燃气中含有大量氢离子,燃烧过程生成大量水蒸汽分子,以天然气(CH4)为例:
α=1时:CH4+2(O2+3.76N2)=CO2+2H2O+7.52N2
(空气中氮气含量为79%,所以氧气与氮气的比例为1:3. 76)
此时水蒸汽饱和分压为:2/(1+2+7.52)=0.19bar
α=2时:CH4+4(O2+3.76N2)=CO2+2H2O+2O2+15.04N2
此时水蒸汽饱和分压为:2/(1+2+2+15.04)=0.09975bar=0.1 bar
查表得出:0.19bar时冷凝水露点为58.3摄氏度;0.1bar时冷凝水露点为45.5摄氏度(全预混燃烧方式α=1,大气式燃烧方式α=2)。
由此可见全预混燃烧方式其结露点温度大大高于大气式燃烧,冷凝效果远远超出。
大气式燃烧为了燃烧充分,降低CO排放,过剩空气系数α一般为1.6~2.0,
过多的干燥空气进入炉腔降低了炉腔内的水蒸汽饱和分压,大大降低了冷凝效果。
七、控制方式
普通壁挂炉采用交流单速风机,按照最大燃烧功率给风,功率小时给风量不变;过剩空气系数α变大,效率很低。所以程序控制采暖加热时均以最大功率燃烧,当出水温度达到设置温度时熄火,出水温度低于回差温度时再次点火,大功率燃烧,周而循环,每次从点火到正常燃烧,又废气,排放又不好,效率很低。而国家检测时用水流控制水温不变化,不停机。检测结果,效率还不是很低。实际在客户家使用不具备检测时的水流条件,频繁开、关机,效率大大降低。而全预混壁挂炉采用变速风机,燃烧负荷变化是随着风量的变化而变化,程序控制对出水温度是恒温控制的,小负荷燃烧时空气、燃气量按比例缩减,过剩空气系数α不变。而小负荷燃烧时排烟温度很低,恰恰是效率最高的,所以实际应用,比普通壁挂炉效率成倍增加。另外,由于全预混冷凝壁炉燃烧负荷变化随风机转速变化而变化,负荷范围非常大,并可随意设定。同一台机器,可以采暖负荷和生活用水负荷分别设定,这样既可保证采暖在经济高效的模式下又保证生活用水的高温大流量。
八、燃气热值变化对燃烧的影响
各地的燃气热值均有不同,对全预燃烧方式来说,在壁挂炉进入客户家安装时,安装工人通过调节燃气阀调整螺钉改变燃气与空气的配比即可使燃烧正常。而大气式燃烧方式必须更换不同孔径喷咀才能保证配比,很是麻烦。并且燃气多大热值,配多大孔径喷咀,数值太多,不可能完美匹配。
九、壁挂炉最大负荷变化对使用的影响
壁挂炉的最大负荷合理匹配对客户使用的经济性是有影响的,全预混燃烧的壁挂炉最大负荷参数在显示器上即可改变设置参数完成,而大气式燃烧的壁挂炉现场不可改变。
十、全预混冷凝壁炉国内现状
全预混燃烧由于燃气阀需要较大风压控制,风机必须具备大风压、小风量性能,而燃气阀开口变化量既壁挂炉燃烧负荷变化是受风机风量变化控制的,风机必须具备调速功能,此项意大利西特公司的直流无刷变速风机最好,国内恒益风机、科信特风机也能达到此项要求。另外,西特公司、霍尼韦尔公司生产的燃气阀良好的体现了空气与燃气的比例控制,国内艾柯公司、精鼎公司生产的燃气阀也能达到此项要求。全预混燃烧器生产厂家,进口厂家有法国贝卡尔特,国内有大连渤尔科技、湖南惠同。
大连渤尔科技公司是国内率先研制生产全预混冷凝壁挂炉企业,其全预混燃烧冷凝式燃气热水锅炉产品从家庭用的壁挂式到商用落地式、采暖面积从50平米到1200平米均有不同型号产品对应,已形成批量生产能力。经过多年潜心研发,已有不锈钢螺旋翅片管冷凝换热器、钢筒式全预混燃烧器、全预混文丘里混合器、全预混冷凝炉控制器等多项研发成果。国内最早通过全预混冷凝壁挂炉形式检验、生产许可证检验。其中多层带翅片不锈钢螺旋管换热器获国家专利。换热器采用直径20mm壁厚1.5mm不锈钢无缝管外面低温焊接间隔2~2.2mm翅片以加大换热面积。并且整根不锈钢翅片管从回水口到出水口之间没有焊接,杜绝了不锈钢焊接变性而产生的耐腐蚀能力巨幅下降的问题。文丘里混合器是全预混冷凝壁炉的关键部件。空气流经文丘里内缩孔管时流速加大,气压降低,在缩口处设有燃气入口,风量改变,缩口处气压改变,燃气与空气比例阀开口度改变,燃气量随之改变。现有文丘里混合器基本采取缩孔管形式来实现空气与燃气的有效混合,这种缩孔管结构的混合器在实际应用时存在不足;空气通过缩孔管内孔,在缩孔管缩口处产生的负压太小,导致空气的流量变化引起燃气流量变化范围太小,并且空气流通管口截面不变,空气流量控制范围小,空气与燃气的线性混合比范围减小。燃烧设备调试、使用性能降低(普通文丘里设备负荷变化最大1:10)。大连渤尔科技公司设计发明的文丘里进气量可调,气体流速快,混合性能好,空气与燃气线性混合范围大,便于设备的调试,大大提高燃烧设备使用性能(设备负荷变化最大1:20)已获国家发明专利申请。
 
刊登于2014年8月上 供暖信息(265期)

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