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全预混冷凝壁挂炉技术特点及发展方向

大连渤尔科技有限公司 邵信宏



摘  要 本文介绍了全预混冷凝炉的燃烧方式及技术特点,分析了冷凝壁挂炉问题及解决方案。

关键词 全预混冷凝壁挂炉;大气式燃烧;全预混燃烧


一 全预混燃烧

燃气的全预混燃烧是指燃气在燃烧前与足够的空气进行充分混合,在燃烧的过程中不再需要供给空气的燃烧方式。

全预混燃烧的火焰短且传播速度快,燃烧器与换热器距离短,提高了换热系数,燃烧室容积热强度很高,能在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧(通常α=1.05~1.1)。以往的大气式燃烧有过多的过剩空气进入炉腔(α=1.2~2)不参与燃烧只带走热量,降低热效率。

全预混燃烧不产生燃料型氮氧化物,不产生快速型氮气化物,降低了温度型氮氧化物的生成浓度。全预混燃烧方式降低了CO浓度。CO是由碳燃料氧化而产生的一种中间产物,燃料中最初的碳都先被氧化成CO,再进一步被氧化成CO2,由于全预混燃烧在燃烧前已经完成了燃气与过剩空气的均匀混合,可以在很大程度上保证每一个燃气分子周围都有充分的氧气分子存在,因此全预混燃烧的CO排放浓度很低。


二 冷凝式热交换器

燃气中有大量氢离子(CH4:甲烷,天然气含98%)。一个甲烷分子燃烧就产生2个水分子,以往只能随高温烟气排放。冷凝式热交换器,以其超大的换热面积能及时吸收燃烧产生的热量,使烟气温度大幅度降低。烟气中的水蒸汽在热交换器低温段冷凝成冷凝水,放出汽化潜热提高热交换器的热效率。另外,全预混燃烧方式与以往大气式燃烧方式相比,进入炉腔的空气大幅度减少。过多的空气进入炉腔将降低炉腔烟气中的湿度,从而大大降低冷凝效果。这就是大气式燃烧方式的冷凝炉热效率低的原因。


三 控制

全预混冷凝壁挂炉风机采取智能化控制,风机全程变频调速,燃烧功率全程无极变化,可以在加热初期以额定功率加热。当出水温度达到设定温度时,自动转换成小功率保温,达到恒温控制。以智能控制的方式使燃烧功率的变化与水温度变化匹配,从而杜绝了燃气的浪费。


四 大气式燃烧与全预混燃烧方式对比

大气式燃烧也称“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与没充分燃烧的燃气形成二次燃烧,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(130mm左右),否则火焰接触到换热器会形成不完全燃烧。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,若想增大接触概率则需加大过剩空气数α。不参与燃烧的二次空气虽然使燃烧充分、CO减少,但带走了炉腔热量,使效率降低,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。另外,大气式燃烧由于燃烧不充分产生积碳会损坏机器和污染环境。全预混燃烧火焰温度高,火焰短,离换热器近,换热系数高,效率较高。


五 全预混燃烧方式的缺点

全预混燃烧方式的稳定性较差,稳定燃烧的范围较小,当燃气与空气的配比不对时点火困难,这就要求安装调试人员必须具备专业的安装调试技能,才能使机器安全、稳定工作。

全预混燃烧若回火会产生严重后果,特别是金属纤维燃烧器。燃烧器由减压板和外网组成,钢桶式燃烧器减压板与外网板有3mm间隙,回火时在减压板与外网板间产生爆燃。而金属纤维与减压板紧贴一起,回火将引起减压板内混合燃气爆炸。所以调试燃烧状态时,尽量远离回火区。


六 冷凝壁挂炉换热器的选择

换热器是壁挂炉最为主要的部件,一旦选择不当,将造成整机运行失败。

冷凝壁挂炉换热器由主换热器与冷凝换热器组成。最佳的选择是将二者合二为一,形成一体式。这样结构紧凑,减小热损失,节约成本。目前流行的一体式换热器有三种:1、铸铝换热器;2、不锈钢光管;3、不锈钢翅片管。

1、铸铝换热器炉腔和水腔有密集的传热导柱。初期使用时效果较好,长期使用后,炉腔易被不燃灰尘堵塞。另外,铝材质抗蠕变能力较差。水腔由于翻砂表面粗糙易结垢。整体热效率下降。此外,铝材质抗电化学腐蚀能力较差,在与其他不同金属水管接口处产生电化学腐蚀在所难免。家庭用较小功率壁挂炉不建议采用,但较大功率的商用炉由于炉腔、水腔空间较大,粉尘堵塞与水垢对炉子的影响相对较小,功率与体积之比很大,水管接口处可用绝缘胶垫与其他金属隔离,不易产生电化学腐蚀。

2、不锈钢光管分为单根矩形管与双根矩形管缠绕两种方式。

A:单根矩形管截面为10×36mm,壁厚1.2mm。管道侧边有0.8mm的高凸台做限位作用。管与管之间形成0.8×36mm缝隙,热烟在狭长缝隙通过时,通道中心处与管壁处烟温梯度很小,从而提高了传热系数。由于矩形管水口处必须采取焊接工艺,国外的进口品牌可以采用,国产的材质及不锈钢焊接工艺都达不到要求,易造成焊口处晶间腐蚀,故而不建议采纳。

B:双根矩形管并联截面尺寸为5×13mm,壁厚0.6mm。管与管之间的缝隙更小,易被不燃灰尘堵塞而增大排烟阻力,降低燃烧功率。主换热器侧的矩形管迎火面宽度为5mm。侧面堵塞不吸热,温度下降而易产生冷凝水,使之腐蚀。另外,由于双管并联水流不均,水流慢的水温过高,沉淀物易结垢,而后水流更慢,水温更高,导致恶性循环,直至烧蚀漏水。国内空气中颗粒物较多,水质较差,国内厂家不宜采用此方案。

3、不锈钢翅片管是截面为直径20mm、壁厚1.5mm的无缝不锈钢管,外部焊有不锈钢翅片。整根管无焊口,不会产生不锈钢焊接晶间腐蚀。1.5mm的壁厚使之使用寿命更长。管外的2.2mm间隙翅片加大了换热面积,减小了火焰对钢管的热冲击,灰尘堵塞的概率很小,是冷凝壁挂炉的理想选择。


七 不锈钢换热器的缺点

不锈钢换热器是绕水平轴缠绕而成的。每圈都有封闭高点,若管截面大,水流慢,气泡尺寸则大。水流带气泡能力低,排气困难。建议提高水流速度,延长排气时间。


八 冷凝壁挂炉问题及解决方案

1、因为冷凝壁挂炉比常规壁挂炉有更大的换热面积,其水阻要比常规壁挂炉大,而其加热能力比常规壁挂炉加热能力强,加热建筑面积大,外部水阻也大。要提高水泵输水能力,想办法降低外部水阻。两用炉左阀沿用老式壁挂炉方式,水阻过大;旁通阀弊大于利,应该去掉。

2、全预混冷凝壁挂炉稳定燃烧的范围较小,这就要求安装调试人员具备专业的安装调试技能。建议在控制面板设置风机转速微调按钮,当燃气热值及压力产生变化而安装调试人员不在现场时,由现场人员在安装调试人员远程指导下调整机器燃烧状态。

3、另外,建议在换热器上设置观火孔,这样调试人员可根据风机的转速参数及机器燃烧功率、烟气检测仪显示的各项参数与火焰燃烧状态联系起来,更针对性地调整机器。


九 全预混冷凝壁挂炉技术进一步发展

全预混冷凝壁挂炉稳定燃烧范围小,对安装调试人员提出了更高的要求。若研发出自适应燃烧技术产品不仅节约了现场维修调试成本更减少了生产、出厂检验调试成本,缩小了产品使用时因调试不当产生的故障率。

现如今,比较成熟的技术是加装氧传感器的自适应系统。但氧传感器有“中毒”损坏、长期使用检测灵敏度易下降的问题。传统氧传感器自适应系统为即时检测、即时电控改变燃气阀开口度,达到闭环控制。氧传感器全程工作,大大缩短了氧传感器的使用寿命。如果改变检测程序,只是在每次点火时进行短时段烟气检测、调整,而后关闭进入氧传感器的烟气通道,设定当达到烟气超标前的一个适当检测值即关闭传感器烟气通道,保护氧传感器,避免“中毒”。并在每次点火前,校正氧传感器灵敏度,使之灵敏度曲线下降时系统根据下降的参数做出调整,使检测精度不下降。这样可大大提高氧传感器使用寿命。但这种方式不能使用即时电控燃气阀,只能使用间歇调整燃气阀。

另一项自适应技术为采用热电耦检测火焰温度。当燃气量不变时改变风量,每组三种风量变化值,当有中间风量值为热电偶检测火焰温度最高时,此刻的电控燃气阀开口量与此刻的风量是匹配的。(过量的和少量的空气都会使火焰温度降低)。


主编点评:

本文是一篇介绍性的短文,对全预混冷凝炉做了一些解释和比较,介绍了优缺点和改进的方式,提出一些建议。不同的人群可以得到不同的理解方式。值得一看!


 
 


  
 
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