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冷凝炉热交换器对比

中国市政工程华北设计研究总院 何贵龙



冷凝式燃气采暖热水炉,利用高效的冷凝余热回收装置来吸收锅炉排出的高温烟气中显热和水蒸汽凝结所释放的潜热,以达到提高热效率的目的。目前市场上冷凝炉热交换器材料分为不锈钢和铝,铝制热交换器又包括铸铝和带翅片的铝管;燃烧方式包括大气式和全预混。


统计产品中不锈钢热交换器68台,其中圆柱形热交换器57台;火焰在上,热交换器在下的机器11台,功能上单采暖26台,两用42台。


铸铝热交换器20台,全部都是火焰在上,热交换器在下。铝管焊接翅片3台,重力浇筑17台。功能上单采暖9台,两用11台。


大气式11台,强排7台,强鼓4台,强鼓的风机是变频风机,二次换热器材料分为不锈钢和铝。功能上来分两用的10台,单采暖1台。

1.1 60/80℃状态热效率


在60/80℃供回水状态下,回水温度高于冷凝露点温度,几乎没冷凝发生,此时热效率还不是很高。采暖热效率不锈钢比铝的和大气式的高1.1%左右。热水热效率不锈钢的比铝的高0.75%,比大气式高1.48%。

从统计数据看来,全预混的热水热效率高于采暖热效率。主要是因为统计数据中包括36台单采暖机器,同时,两用型产品多数情况下热水热负荷高于采暖热负荷,不锈钢的60%以上产品热水热负荷高于采暖热负荷。铝热交换器45%的产品热水热负荷高于采暖热负荷。由于这两方面的原因,采暖热效率和热水热效率没有可比性。

采暖热水热负荷相同的情况下,不锈钢热交换器只有16台(两用42台),采暖热效率98.81%,热水热效率98.55%,采暖效率略高于热水热效率。采暖热水热负荷相同的情况下,铝热交换器的有6台机器(两用11台),采暖热效率98.23%,热水热效率98.18%。采暖热水热负荷相同的大气式有9台,采暖热效率97.66%,热水热效率97.22%。采暖热效率还是高于热水热效率,采暖水和烟气换热,热水和采暖水换热。

68台不锈钢热交换器样品中,热效率最高值为102.6%,最低为95.7%。14.7%的产品热效率大于100%,19.2%的产品热效率在99%~99.9%的区间内,38.2%的产品热效率在98%~98.9%的区间内,20.6%的产品热效率在97%~97.9%的区间内,5.9%的产品热效率在96%~96.9%的区间内,1.8%的产品热效率在95%~95.9%的区间内。

20台铝热交换器样品中热效率最高值为101.1%,最低值为94.4%。10%产品热效率大于100%,5%的产品热效率在99%~99.9%的区间内,10%的产品热效率在98%~98.9%的区间内。25%的产品热效率在97%~97.9%的区间内,45%的产品热效率在96%~96.9%的区间内,5%的产品热效率在94%~94.9%的区间内。

11台大气式热交换器样品中热效率最高值99.8%,最低96.4%。18.1%的产品热效率在99%~99.9%的区间内,9.1%的产品热效率在98%~98.9%的区间内,36.4%的产品热效率在97%~97.9%的区间内,36.4%的产品热效率在96%~96.9%的区间内。

不锈钢热交换器68%的产品热效率大于98%。铝热交换器只有1/4的产品热效率大于98%。大气式的也只有27%的产品热效率大于98%。

1.2 排烟温度


不锈钢和大气式的排烟温度比较接近。铝的排烟温度低于不锈钢的。由于铝热交换器产品都是火焰在上,热交换器在下,烟气从燃烧室底部再返回到燃烧室顶部,排烟管的长度比不锈钢的要多出来一个燃烧室的高度,差不多40cm左右。而标准规定的测温点统一都在标准烟管末端。不锈钢的有11台也是朝下燃烧的,11台的平均排烟温度为63.4℃,也低于不锈钢热交换器的平均排烟温度67.1℃。验证了排烟通道长度不一致造成了铝的排烟温度低。

68台不锈钢热交换器样品中,60/80供回水状态排烟温度最高为85℃,最低为56℃,62%的产品排烟温度低于70℃,38%产品烟温高于70℃。20台铝热交换器样品中,60/80供回水状态排烟温度最高为81℃,最低为54℃。85%的产品排烟温度低于70℃,15%的产品高于70℃。11台大气式样品中,60/80供回水状态的最高为77℃,最低为63℃,73%的产品排烟温度低于70℃。

1.3 过剩空气系数


68台不锈钢热交换器样品中过剩空气系数最高为1.47,最低为1.11,59%的样品过剩空气系数低于1.3,37%的样品过剩空气系数在1.3~1.4之间;20台铝热交换器样品中过剩空气系数最高为1.5,最低为1.15,95%的样品过剩空气系数低于1.3,5%的样品过剩空气系数大于1.3;11台大气式样品中过剩空气系数最高为2.15,最低为1.39,45%产品过剩空气系数低于1.7,55%的样品过剩空气系数大于1.7。

全预混冷凝炉普遍为空气引射燃气,在预混腔混合后进入燃烧器燃烧,不需要二次空气,可以准确的控制所需的空气量。全预混产品过剩空气系数和NO明显低于大气式的产品。

1.4 烟气中CO含量


CJ/T 395标准要求在60/80℃供回水状态和30/50℃供回水状态下,测量极限热输入状态CO和不完全燃烧状态烟气中CO的两个指标。全预混冷凝炉30/50℃供回水状态下,燃烧室内温度低于60/80℃供回水状态,燃烧室内的压力也低于60/80℃供回水状态,30/50℃供回水状态下,热负荷会比60/80℃供回水状态的热负荷高3%~6%。换成不完全燃烧界限气后烟气中CO是极限热输入状态的烟气中CO的3倍,大气式的不完全燃烧界限气烟气中CO是极限热输入状态烟气中CO的6~7倍,其中6台产品的CO大于0.1%,最高达到了0.168%。全预混30/50℃供回水状态和60/80℃供回水状态CO含量非常接近,大气式30/50℃供回水状态CO含量低于60/80℃供回水状态CO含量。

1.5 NO含量


全预混产品NO都达到5级,68台不锈钢热交换器样品中NO最高66mg/kW·h,最低8mg/kW·h,71%的产品小于30mg/kW·h。20台铝热交换器样品中NO最高48mg/kW·h,最低6mg/kW·h,35%的产品小于30mg/kW·h。不锈钢热交换器的NO要好于铝的。11台大气式样品中10台3级,1台4级,最高133mg/kW·h,最低76mg/kW·h,73%的产品高于平均值116%mg/kW·h。

1.6 冷凝热效率


68台不锈钢热交换器样品中,热效率最高为108.43%,最低为102.55%,35.3%的产品热效率大于107%,63%的产品在103%~107%之间,1.5%小于103%。20台铝热交换器样品中热效率最高为107.3%,最低为100.49%。5%产品大于107%,85%在103%~107%之间,10%的产品小于103%。11台大气式样品中热效率最高为105.84%,最低为102.31%,72.7%产品在103%~106%之间,27.3%的产品小于103%。

从统计数据来看,热效率大于107%的,不锈钢有37%,铝有5%,大气式没有。从下面的统计数据中可以看出,大气式产品和全预混产品的排烟温度比较接近,但过剩空气系数大气式的是全预混的1.3倍,烟气带走的热量大气式的产品高于全预混的产品。

1.7 冷凝排烟温度


不锈钢热交换器排烟温度低于铝1.9℃,低于大气式1.3℃。与60/80状态刚好相反,同时每1kW,24小时产生的冷凝水量,铝热交换器的在1.2kg左右,不锈钢的在2.4kg左右,冷凝热效率不锈钢比铝的高2.4%。68台不锈钢样品中排烟温度最高为87℃(国产的),最低为36℃,75%产品排烟温度低于54℃。20台铝样品中排烟温度最高为57℃,最低为46℃,75%低于54℃。11台大气式样品中排烟温度最高为57℃,最低为45℃,82%的产品低于54℃。

1.8 冷凝过剩空气系数


不锈钢和铝的过剩空气系数差不多,大气式的要高一些。68台不锈钢热交换器样品中过剩空气系数最高为1.5,最低为1.12,57%的产品过剩空气系数小于1.3,40%的产品过剩空气系数在1.3~1.4之间。20台铝热交换器样品中过剩空气系数最高为1.34,最低为1.16,75%的产品过剩空气系数小于1.3。11台大气式样品中过剩空气系数最高为2.18,最低为1.46,64%的产品过剩空气系数小于平均值1.71。

1.9 部分负荷热效率


冷凝炉部分负荷热效率中,回水温度30℃,铝热交换器的热效率比不锈钢热交换器的热效率高0.78%,比大气式的高4.16%。68台不锈钢热交换器样品中热效率最高为109.2%,最低为102.8%,44%不锈钢热交换器样品热效率大于107%,54%的不锈钢热交换器样品热效率在105%~107%之间。20台铝热交换器样品中热效率最高为113.8%,最低为103.1%,65%铝热交换器样品热效率大于107%,25%铝热交换器样品热效率在105%~107%之间。11台大气式样品中热效率最高为106.9%,最低为99.9%,46%大气式样品热效率在105%~107%之间,45%大气式样品热效率小于103%,9%大气式样品热效率小于100%。11台大气式样品中有4台强鼓的,风机是变速的,热效率都大于106%,如果不考虑这4台,平均热效率只有101%。

1.10 采暖30%负荷状态排烟温度


三种形式排烟温度比较接近,68台不锈钢热交换器样品中排烟温度最高为56℃,最低为29℃,51%不锈钢热交换器产品排烟温度低于40℃。20台铝热交换器样品中排烟温度最高为65℃,最低为28℃,70%铝热交换器产品排烟温度低于40℃。11台大气式样品中排烟温度最高为49℃,最低为34℃,90%大气式产品排烟温度低于40℃。

1.11 采暖30%负荷状态过剩空气系数


不锈钢和铝的过剩空气系数差不多,大气式的由于风机是定速的,小负荷时氧含量高,过剩空气系数达到4.1。68台不锈钢热交换器样品中过剩空气系数最高为1.73,最低为1.19,19%不锈钢热交换器样品过剩空气系数小于1.3,59%不锈钢热交换器样品过剩空气系数小于1.5。20台铝热交换器样品中过剩空气系数最高为1.55,最低为1.24,15%铝热交换器样品过剩空气系数小于1.3,75%铝热交换器样品过剩空气系数小于1.5,10%铝热交换器样品过剩空气系数产品小于1.6。11台大气式样品中过剩空气系数最高为5.1,最低为3.11,40%产品过剩空气系数小于4,50%产品过剩空气系数小于5。

1.12 冷凝液堵塞状态烟气中CO含量


三种形式的产品监控方式不同。圆柱形不锈钢是根据冷凝水是否淹没点火针判定,点火针一般都在燃烧器中间位置,当冷凝水淹没点火针后,水面之上还有一半面积可以排气,对CO影响不大。铝热交换器是火焰在上,烟气从下往上排,冷凝水积聚到逐渐堵塞排烟通道,烟气无处可排,才切断燃气,对CO影响大。大气式的一般是在冷凝水收集装置装有水位感应装置,CO变化不大。

从热效率,排放等方面综合比较三种形式的产品。冷凝热效率和30%负荷状态热效率,大气式产品最低,不锈钢热交换器和铝热交换器基本接近。不完全燃烧状态烟气中CO含量,全预混的变化不大,大气式的CO接近0.1%。冷凝水堵塞状态CO,不锈钢和大气式都有水位探测(不锈钢的点火针也起到水位探测的作用)CO不高,铝燃烧器CO偏高。NO和全预混的都能达到5级,大气式只有1台是4级,90%大气式样品是3级。从性能指标看不锈钢热交换器的各项指标要好于铝热交换器和烟气回收式产品。


主编点评:

本文是一篇不可多得的有关全预混冷凝炉的比较分析文章。作者是华北设计院国家燃气用具质量监督检验中心多年从事一线检测的何贵龙同志。本文比较了全预混不锈钢热交换器、铝制热交换器和烟气回收型冷凝炉在热水和采暖状态下的效率差别,排烟温度差别和氮氧化物排放以及过量空气系数差异。大家可以从其中大量的实验数据中看到不同材质热交换器和不同燃烧方式的效率、排烟温度、氮氧化物、过量空气系数的差异性。对指导冷凝炉设计,使用都有很好的借鉴意义。

 
 


  
 
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