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「供暖系统漫谈」冷凝壁挂炉与常规壁挂炉的区别及应用(上)

时间:2019-05-31    来源:博容节能    阅读数:

 
导读:自2015年3月15日北京出台规定,要求从2015年5月1日起,将能效标识为二级的燃气壁挂炉列入禁止使用的设备。但一级能效要求效率达到94%以上,这样一来市场上主流的常规壁挂炉基本很难达到要求,从而使得冷凝壁挂炉几乎成为北京市场的唯一选择。同样,从2015年1月1日开始,欧盟地区二级能效的燃气壁挂炉不再被允许销售,所有分户供暖家庭将全部更新为更节能、环保的一级能效的冷凝式燃气壁挂炉。那么为什么北京及欧盟会强制推行价格更加高昂的冷凝壁挂炉,而淘汰“物美价廉”的常规壁挂炉呢?这两种锅炉有什么不同,如何更好地发挥各自的优势?本文分两期为您一一道来。
 
◎什么是常规壁挂炉?
 
其实并没有一种产品叫常规壁挂炉,所谓的常规壁挂炉就是传统的壁挂炉,我们国家的标准叫法为燃气壁挂式快速采暖热水器,只是为了与后来出现的冷凝而生生造出了一个说法——常规壁挂炉。
 
图1常规壁挂炉工作原理示意图
 
作为一种历史悠久的采暖设备,壁挂炉的出现最早可以追溯到1961年,由威能发明,而同时具备采暖和生活热水功能的壁挂炉产品,则是1967年由威能发明,并沿用至今。常规壁挂炉工作原理示意图如图1所示。具体的工作原理,简单来讲就是——燃气通过比例阀的调节进入燃烧室,同时,外部的空气通过平衡式烟道也进入了燃烧室,在点火电极作用下燃气燃烧,产生1500℃的高温火焰和辐射热量,通过上部的换热器加热水,这些热水作为采暖和生活热水之用。而经过换热器之后的热空气,还有190℃左右的温度,在平衡式烟道排烟的过程中,与管道外部的冷空气进行换热,其部分热量被冷空气吸收,提高了进水燃烧室的空气温度,最终大概会有140℃左右的烟气排到外面。从上面的描述可以看出,常规壁挂炉就是一种非常正常的燃烧设备,同时提供采暖和生活热水的功能,具有以下几个特点:
图2 常规壁挂炉结构图
 
★ 因为常规壁挂炉有一部分热量是被高温烟气带走的,并不能完全被热水吸收,通常燃气效率能够达到88%~92%。
 
★ 这种燃气在空气中燃烧的方式叫大气式燃烧,燃烧器的特点决定了常规壁挂炉调节热功率的范围大概在30%~100%,用户分户采暖时,当末端采暖面积小的时候功率过大,系统工作不节能,而在夏天洗浴时也可能导致水温过高或者不稳定。
 
★ 燃烧后的高温排气中,有大量化学反应产生的水蒸气,这些水蒸气一旦冷却到大气中的露点温度之下(一般在55℃左右),会凝结在换热器表面,产生结露现象,会腐蚀换热器,这些凝结水如果滴落在燃烧器上,也会导致燃烧器的腐蚀和损坏,为保证不出现结露现象,供回水温度不可过低。
 
★ 由于燃烧室、燃烧器、风机等配件的特点,传统壁挂炉的设计寿命一般是15年,实际使用根据水质及具体使用情况,一般在8~10年左右。
 
★ 天然气燃烧后的烟气中,含有大量的氮氧化物,据了解,一般情况下这类燃烧废气中有害物氮氧化物含量为150mg/kWh~200mg/kWh、一氧化碳含量为120mg/kWh~200mg/kWh,这些污染物会对大气造成不利的影响。
 
如何才能解决上述问题呢?用传统的方式已经无法解决,而正是为了解决上述问题,2000年左右出现了冷凝壁挂炉。
 
◎什么是冷凝壁挂炉?
 
冷凝壁挂炉能够将排烟温度降低到露点温度之下,一方面要求换热器吸热能力强,能够将水温降到更低,另一方面要确保冷凝水不能损坏换热器或者燃烧器,因此冷凝炉的结构和材质与普通壁挂炉有很大的差异。
 
从下面图3的冷凝壁挂炉结构图可以看出,其使用的换热器和燃烧器,与常规壁挂炉有很大不同。冷凝壁挂炉的燃烧室是一个密封的结构,燃烧器处于中间位置,这样一来,产生的冷凝水从下面流出,不会造成燃烧器的损坏。此外,为了提高燃烧效率,图3所展示的冷凝炉所采用的“全预混燃烧”技术,就是在燃烧之前将燃气和需要的空气混合好,而不是让燃气在燃烧时与空气混合,这样在燃烧的时候会实现瞬间燃烧,表面只有蓝色的、很短的火苗,几乎看不到普通燃气燃烧中的黄色火焰,且热量更多以辐射热的形式传递出去。
 

 
图3 冷凝壁挂炉结构图
 
在冷凝壁挂炉中,高效的换热结构能够将烟气冷却到40℃后进行排放,这样烟气中的水蒸气也会成为凝结水,并释放出汽化潜热让水带走,排烟温度低加上汽化潜热的吸收使得冷凝壁挂炉效率可达到109%,几乎比常规炉高20%。
 
◎为什么冷凝壁挂炉效率可以高于100%?
 
按道理来说,燃气壁挂炉就算将燃烧的热量全部利用起来也不过100%,怎么可能超出100%呢?
 
这个问题是对的,一个燃烧设备不可能产生多余的热量,出现这种现象的原因在于我们对燃烧效率的标定方式。
 
大家都知道,燃气壁挂炉效率的定义公式是:η=Q1/B×QDWy×100(%),即效率=锅炉有效利用热÷输入锅炉的热量的百分数。
 
式中,Q1表示锅炉有效热,B表示燃料的消耗量,QDWy表示燃料的应用基低位发热量,其中Q表示燃料的发热量。
 
燃料发热量有高位和低位之分,高位发热量是指燃料完全燃烧释放出的全部热量,此热量包括了燃料燃烧后所产生的水蒸气所含有的热量;燃料低位发热量是高位发热量扣除燃料中的水分汽化潜热而得到。
 
导致冷凝炉效率高于100%的原因为我们标定效率时是用天然气的低位发热值标定的,以天然气为例,其高位发热值约为低位发热值的111%,当以高位发热值做到效率接近100%的时候,低位发热值最高理论效率约111%,这也是冷凝炉效率高于100%的原因。
 
下图可以比较两者产生效率差异的原因。
 
图4 效率差异对比图
 
◎冷凝炉的特点总结
 
★ 从上面的分析可以看出,燃烧效率高是冷凝炉的突出优势,一般能够比普通壁挂炉高百分之十几,也就是产生同样的热量可省气省钱百分之十几。
 
★ 氮氧化物排放低是冷凝炉能够大行其道的主要原因。氮氧化物是天然气在燃烧过程中,里面含氮元素的可燃气体被氧化而成的,其的产生与燃烧的空气过剩系数(对应燃烧多余的氧气)有关,也与烟气高温有关,因此降低氮氧化物含量首先要减少多余的空气,即降低燃烧的空气过剩系数。常规壁挂炉空气过剩系数一般在1.5~1.8,而全预混的冷凝炉空气过剩系数只有1.05~1.1,从而降低了氮氧化物的含量;另一方面全预混方式燃烧的高温火焰极短,甚至没有火焰,也减少了烟气在火焰中停留的时间,进一步降低了氮氧化物的产生;最后由于冷凝炉排烟的时候已经将烟气中的水蒸气进行冷凝回收了,在冷凝的同时烟气中的氮氧化物会溶解在水中,随着冷凝水排走而不是通过烟气排放到大气中。
 
★ 输出功率调节范围大。由于采用精确控制的全预混方式,因此全预混壁挂炉的输出功率调节范围可以做到10%~100%(不同厂家型号有所差异),比常规壁挂炉更适合低负荷运行,这对提高系统低负荷稳定性和夏季洗浴水温的稳定都有好处。
 
★ 冷凝炉更适合低温水的地暖系统使用。由于要将烟气温度降低到55℃以下才能冷凝,因此冷凝炉要求回水温度低于55℃,并且越低越好,同时低负荷的时候冷凝效果更好,因此低温水供热或者低负荷运行都更适合冷凝炉的工况。
 
★ 冷凝炉需要对比例阀进行调整。前面说到冷凝炉的空气过剩系数在1.05~1.1,这是一个非常精确的控制范围,但是这个出厂预设的数值在实际使用时由于各地天然气成分的不同,甚至大
气压的不同都会导致燃烧工况的改变,如果燃烧不充分会造成积碳现象,严重影响到工作稳定性和效率。
 
★ 冷凝炉对燃气纯净度、燃气压力、水质、水中空气等因素比较敏感,因此后期维护工作要求比常规壁挂炉更高。
 
基于以上特点,冷凝炉在欧洲成为强制标配,同时北京也为了提高空气质量而强制推行,但是从中国整体壁挂炉销量来看,冷凝炉目前占比还是很少的,2018年总销量只有二十多万台,整体壁挂炉里面占比不到10%。那么,是什么原因导致了冷凝壁挂炉的推广受到影响呢?成本当然是一个重要原因,冷凝炉作为一个历史只有十来年的产品,还有有一定的技术门槛,不像常规壁挂炉那么成熟,同时技术要求更高,产品成本也更高,真正能够比较全面掌握冷凝炉技术的厂家相对较少,市场价格远远没有做到“烂”的地步,对于很多用户来说冷凝炉还是较为昂贵。此外,欧洲大行其道的冷凝炉在中国也有“水土不服”的问题,含天然气品质不统一、杂质相对较高、水质不好、安装施工不到位、调试麻烦、后期维护麻烦等原因,导致冷凝炉使用中故障率高于普通壁挂炉,厂家售后维护更加麻烦。
 
当然中国人的创造力是无穷的,针对上述问题国内有厂家研发了一种新的“大气式冷凝炉”,这个产品的出现让“真假冷凝炉”的口水仗打到今天,具体细节下回分解。
 
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