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1、浅谈冷凝壁挂炉燃烧换热结构2013-12-26 15:42:03 來源：中国壁挂炉网 人气：182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-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
2、量恒温中生热水，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：-是燃气尽可能多的释放热
3、 量；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：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
4、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
5、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和关。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丁肋片温度，肋片温度大于水温。要 注意，肋片温度不是个定值，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12C左右。肋片上 的温降约为5Co排烟温度与肋片顶端间的温差在设计中宜大于 2
6、0Co按我国供暖规范，供暖热水温度为95C,回水温度为70Co 按欧洲供暖规范，供暖热水温度为75C,回水温度为50C （当用地 板供暖时，热水温度为40C,回水温度为30C） o按欧洲规范，取 凹水温度为50Co此吋，如果仍采用大气式燃烧方式（过剩空气系 数二1. 7,露点49C ）与肋片管换热器，则肋片顶端温度便会升到56C, 排烟温度会随之升到70C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 49C提高到54C,高于凹水温度。同时，将肋片管换热器改为光管 换热器，使管
7、外壁温度下降到51C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：捉高壁挂炉热效率的-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丁肋片出口顶端温度。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件重要的事，冷凝式壁挂炉设 计吋必须仔细权衡热效率
8、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60C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17 （烟气中的02含量 9. 1%）下降到1.2 （烟气中02含量3. 7%）,热效率提高了 3%4%。 而
9、要把烟气中的02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，这种改动需耍付出较大的研发代价。所以， 在冷凝式壁挂炉设计中，多数厂家保昭了大气燃烧方式，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, C02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。
10、同时，烟气中也含有燃烧生 成的酸性气体NOx, SOx, C02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纶明显的氯离了与氟离 子。这些酸性气体溶丁冷凝水后，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
11、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
12、料）。很明显，采用 传热与加丁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并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 制岀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。冃 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
13、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）? mailEX MHI.4：井極水俣假同覘 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 49C壁挂炉在最小负荷下运行时，虽然供暖回水温度会在30C左右。 相应地，肋片顶端最高温度会升到40C左右，排烟温度仍可保持在 45C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
14、温度会在60C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70C 附近，均大丁烟露点，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
15、，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而。同时燃气一空气比例 调节，数码恒温。燃烧过剩空气系数 能降低到12,且烟气中CO含 量低于1.0X10= NOx含量低于1.0X103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CO?总排放量也减少10% 以上，其科技含量较高。Itw图2(3) 全预混燃烧方式+扁形不锈钢管组成的辐射一对流盘管式换热 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 钢管组成的辐射一对流盘管式换热器，其燃烧室是由不锈钢盘管构 成，以便
16、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36mmX 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Q能降低到12,热效率高达 95%（按高热值计算），负荷调节达20%100%,烟气中C0含量低于1. 0 X104, NOx含量低于6. 0X10 5,与常规壁挂炉相比节能10%以上, 相应g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。
