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隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,我國面臨著能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力。天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的綠色能源,已成為我國能源政策推廣與普及的重要能源之一。家用燃氣熱水器和燃氣采暖熱水爐是我國居民生活用氣量比例較大的兩種家用燃具。目前,該類型燃具的燃燒器大多采用部分預混燃燒的方式設計。由于部分預混燃燒過程中,存在著內(nèi)、外焰,內(nèi)焰溫度比較高,使得NO的排放量比較高。而歐美發(fā)達國家普遍采用全預混燃燒技術進行燃氣采暖熱水爐的設計,以實現(xiàn)減排.今天小編為您介紹一下威能冷凝壁掛爐的結構形式和特點介紹。
全預混燃燒技術是一種具有燃燒速度快和火孔熱強度高等特點的燃燒方式[5-7],與目前較為普遍的部分預混燃燒技術相比,其具有過??諝庀禂?shù)低、污染物排放量低的突出優(yōu)點。由于全預混燃燒過程中過??諝庀禂?shù)較低,使得煙氣中的水蒸氣分壓力較大,冷凝溫度較高,這意味著燃氣采暖熱水爐采用全預混燃燒技術后,會帶來主換熱器的冷凝水腐蝕問題。為了兼顧氮氧化物排放要求,同時解決冷凝水腐蝕問題,歐洲燃氣采暖熱水爐多采用全預混燃燒技術和冷凝換熱技術進行整機設計。市場上大約80%以上的威能壁掛爐 均為歐洲企業(yè)生產(chǎn)。本文旨在介紹威能冷凝壁掛爐的典型結構形式和特點,希望能夠給我國燃氣采暖熱水爐的設計提供一些參考。
威能冷凝壁掛爐怎么樣?基本原理
威能冷凝壁掛爐主要包括預混系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)和換熱系統(tǒng),見圖1。燃氣和空氣在文丘里混合器進行充分混合后,經(jīng)燃燒器均勻分布的火孔流出,燃氣-空氣混合物在燃燒室內(nèi)被點燃,燃燒產(chǎn)物經(jīng)過冷凝式換熱器,將熱量傳遞給供暖循環(huán)水。普通燃氣采暖熱水爐充分利用了煙氣的顯熱,熱效率(燃氣熱值以低熱值計算,以下同)為92%~94%。理論上,燃燒煙氣中約含有11%的冷凝潛熱還可以被利用。通過冷凝式換熱器吸收煙氣中水蒸氣的顯熱和潛熱,威能冷凝壁掛爐的熱效率可以大幅度提高,最高可達104%。此外,威能冷凝壁掛爐燃燒產(chǎn)物中的氮氧化物和一氧化碳排放量也大幅度降低,分別由原來的80×10-6和100×10-6降低為40×10-6和60×10-6左右。圖1為采用不銹鋼換熱器的威能冷凝壁掛爐。圖2為采用鑄鋁換熱器的威能冷凝壁掛爐。這兩種結構是目前市場上常見的典型威能冷凝壁掛爐。
威能冷凝壁掛爐怎么樣?預混系統(tǒng)
威能冷凝壁掛爐燃氣和空氣預混系統(tǒng)主要包括風機、文丘里混合器和燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥。與普通燃氣采暖熱水爐相比,這三個部件有明顯的不同。
①風機
威能冷凝壁掛爐采用的風機配用BLDC電機和調(diào)速系統(tǒng)
BLDC電機是一種無刷直流電機,它克服了有刷直流電機的先天性缺陷,以電子換向器取代了機械換向器,既具有直流電機良好的調(diào)速性能,又具有交流電機結構簡單、無換向火花、運行可靠和易于維護等優(yōu)點。同時,在BLDC電機中還設有霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,使用傳感器連續(xù)檢測電機轉(zhuǎn)速,可通過霍爾轉(zhuǎn)速控制器,使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號對風機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。此外,風機采用防靜電葉輪,具有防爆功能。
②文丘里混合器
在全預混燃燒系統(tǒng)中,一般采用文丘里混合器來實現(xiàn)燃氣與空氣的充分混合。圖3為后預混型文丘里混合器的結構,風機出口的空氣流經(jīng)后預混型文丘里混合器,在喉部形成負壓,燃氣由喉部進入混合器后與空氣混合??諝馊涵h(huán)室設在后預混型文丘里混合器的入口處,利用空氣靜壓控制燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥,使燃氣流量和空氣流量的比值維持恒定[8]。
圖4為后預混型文丘里混合器在系統(tǒng)中的安裝位置。
③燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥
由于威能冷凝壁掛爐普遍采用全預混式燃燒器,因此,在供暖熱負荷變化過程中始終保證燃氣與空氣的混合比例恒定,是保證穩(wěn)定、高效、低排放燃燒的先決條件。燃氣采暖熱水的預混系統(tǒng)中,燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥分為機械式燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥和電子式燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥。
目前在威能冷凝壁掛爐中最廣泛使用的是機械式燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥。以圖4為例,機械式燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥與后預混型文丘里混合器相結合的比例調(diào)節(jié)控制過程如下:首先通過測量燃氣采暖熱水爐供回水溫度以及供回水流量,計算得到負荷調(diào)節(jié)信號,并將此信號送至控制器。由控制器向風機電機提供轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號,調(diào)節(jié)風機電機轉(zhuǎn)速后,風壓隨之改變。 然后依靠文丘里混合器入口與燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥之間的空氣取壓管,將空氣的壓力變化直接作用在燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥內(nèi)部指揮閥的膜片,通過調(diào)節(jié)指揮閥口的開度來間接調(diào)整燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥的開度,進而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的燃氣、空氣的比例控制。
電子式燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)是燃氣采暖熱水爐行業(yè)研究人員將燃氣發(fā)動機的電子式燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)技術引入到燃氣應用行業(yè)中。該技術是通過標準檢火針充當實現(xiàn)檢測燃燒工況的傳感器。燃氣燃燒時檢火針與燃燒器之間存在著燃燒反應產(chǎn)物形成的原子團,通過連續(xù)施加變化的電壓來激蕩這個原子團,再測量燃燒器與檢火針之間的電壓變化;通過電壓信號可以估算空氣與燃氣的比例;當電壓信號偏離給定的空氣與燃氣的比例對應的電壓信號值時,向燃氣-空氣比例調(diào)節(jié)閥發(fā)送電流信號,調(diào)節(jié)其開度,進而控制燃氣的流量,實現(xiàn)整個系統(tǒng)的燃氣、空氣的比例控制[5]。目前,這種技術還處于試驗階段。
4 預混燃燒器
全預混燃燒器的頭部一般使用不銹鋼和金屬纖維材質(zhì),分別稱為不銹鋼燃燒器和金屬纖維燃燒器。不銹鋼圓筒燃燒器均勻布置許多直徑約0.8 mm的火孔,燃氣-空氣混合物從火孔噴出后,在燃燒室內(nèi)燃燒。雖然金屬纖維燃燒器的頭部也均勻分布火孔,燃氣-空氣混合物也從火孔噴出后在燃燒室內(nèi)燃燒,但是待燃燒器頭部溫度達到燃氣-空氣混合物的著火溫度時,燃氣-空氣混合物在火孔內(nèi)部發(fā)生燃燒反應,頭部呈現(xiàn)紅色,此時,換熱方式以輻射換熱為主。
5 換熱器
歐洲燃氣采暖熱水爐采用全預混燃燒加冷凝換熱方式,充分利用了煙氣中水蒸氣的冷凝潛熱來提高熱效率,但容易造成換熱器冷凝液腐蝕。為了防止冷凝液腐蝕,換熱器一般使用不銹鋼和硅鋁材質(zhì)制造。
①不銹鋼換熱器
與銅相比,不銹鋼的導熱性相對較差,但具有良好的耐腐蝕性,能有效防止冷凝液的腐蝕;與鋁相比,不銹鋼材質(zhì)導熱性較好和耐化學腐蝕性好,耐熱應力腐蝕較差。不銹鋼材質(zhì)的換熱器多采用單扁管環(huán)繞型結構,見圖7。管內(nèi)水環(huán)向流動,扁管之間的間隙約0.8 mm,燃氣燃燒產(chǎn)生的煙氣徑向高速流過扁管間的間隙,徑向路徑長度約36 mm,煙氣溫度由900 ℃降低為45 ℃,完成冷凝換熱。因為燃氣采暖熱水爐的空氣進氣通道不設過濾裝置,所以不銹鋼換熱器的小換熱間隙設計,使得換熱器外壁會附著灰塵或積碳等物質(zhì)。當換熱器內(nèi)壁積聚物使得導熱熱阻增大,導熱能力降低時,高溫煙氣與換熱器間的傳熱就會受到影響,進而產(chǎn)生換熱器外壁的熱應力腐蝕。
②鑄硅鋁合金換熱器
鑄硅鋁合金換熱器材料的主要元素為Al和Si,其質(zhì)量分數(shù)分別為85%和11%左右,其次是Mn、Mg等其他元素。鑄硅鋁合金換熱器一般為水套式換熱器,煙氣被水套包圍,煙氣和水逆向流動,煙氣沖刷水套換熱器內(nèi)壁形成對流換熱。為了增強換熱,擴大換熱面積,水套內(nèi)側(cè)布置許多針狀肋片,針狀肋片間距最小為3 mm。鑄硅鋁合金換熱器的內(nèi)壁厚度約5 mm,經(jīng)過硅樹脂強化處理后,可以抵抗發(fā)生在威能冷凝壁掛爐中的酸性液體腐蝕。為了增加水套水道側(cè)換熱面積,水道內(nèi)壁還設有V型槽。
6 結語
威能冷凝壁掛爐在節(jié)能環(huán)保方面具有明顯的優(yōu)勢,是分戶式供暖熱源設備的最佳選擇。隨著我國采暖市場對冷凝式壁掛爐需求量的增大,越來越多的大型廠家開始開發(fā)適合中國供暖市場的冷凝鍋爐,以適應未來燃氣采暖熱水爐市場的需求。
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