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关于冷凝炉开发中有关问题的探讨

上海林内有限公司 沈黎峰 施勇文 榊原大十



摘 要 现阶段采暖行业崇尚节能环保的理念,这往往只是体现在终端,即热效率、烟气排放产物等指标上。作为产品设计者,更多需要关注并考虑的是开发过程,包括产品结构、燃烧性能、耐久性能等方面。

关键词 冷凝炉;不锈钢;锈蚀;结构


1 引言

从客观看,国内现阶段的使用环境,极易引起全预混式冷凝式燃气采暖热水炉(以下简称“冷凝炉”)积碳、噪声等问题,厂家需要对器具及采暖系统进行定期清理维护。从主观讲,全预混技术对使用环境的气候、空气质量、水(气)质成分和海拔高度等有一定的要求,都必须满足条件才能投入市场。为了优化并充分发挥器具的全预混燃烧性能。笔者从实际的研发过程阐述一下个人观点,与大家一同探讨。


2 燃烧温度的考虑

冷凝锅炉从核心部件——热交换器来区分,大致可分为铸铝式及不锈钢式。笔者从316不锈钢制热交着手,进行论述。在316不锈钢材质中,存在铬、镍、钼等基本元素,其中铬的含量在16.29%左右,它能与氧作用,在钢表面形成一层薄状氧化膜(即自钝化膜),作用是阻止钢的基体进一步腐蚀。可见,不锈钢是靠其表面形成一层极薄而坚固细密稳定的富铬氧化膜(防护膜),防止氧原子的继续渗入、氧化,而获得抗锈蚀的能力。一旦有某种原因,这种薄膜遭到了不断地破坏,空气或液体中氧原子就会不断渗入或金属中铁原子不断地析离出来,形成疏松的氧化铁,金属表面也就受到不断地锈蚀。回到冷凝炉热交内部燃烧腔结构来看,在器具正常运行时,燃烧腔内的不锈钢表面将会存积含有其他金属元素的粉尘或异类金属颗粒的附着物,在潮湿的空气中,附着物与不锈钢间的冷凝水,将二者连成一个微电池,引发了电化学反应,保护膜受到破坏,即发生了电化学腐蚀。同时,在有污染的空气中(如含有大量硫化物、氧化碳、氧化氮的大气),遇冷凝水,形成硫酸、硝酸、醋酸液点,引起化学腐蚀。以上情况均可造成不锈钢表面防护膜的破坏引发锈蚀,图1为表面锈蚀现象。


冷凝炉燃烧腔内(即由316不锈钢材质组成的燃烧环境)温度的这一因素,是至关重要的。温度升高会产生以下几方面的结果[1]:

(1)使各种化学反应速率增加:生成钝化膜的阳极反应、钝化膜的化学溶解速率增加,导致阳极电流起伏涨落的绝对数值增加;Fe2+的水解平衡反应速率增加,并促进水解,使溶液的pH值降低,这有利于自催化作用的加剧,使不锈钢更容易发生点蚀。

(2)使材料各成分的活性增加,使溶液中的各种离子的活度增加,体系的稳定性降低,使不锈钢更容易发生点蚀。

(3)溶液中各种离子的扩散系数增加,浓度的稳定性更好,使不锈钢不易发生点蚀。但是由于钝化膜表面的凹凸不平,特别是凹坑的出现,减弱了温度对H+扩散的促进作用。故最终温度的升高还是表现了对自催化效应的增强,促进了不锈钢点蚀的发展。  

          

3 燃烧产物的分析

持续对现有器具的燃烧运行状况进行跟踪,以及对燃烧腔内的燃烧产物进行了检测分析。检测仪器:傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),电子扫描电镜/能谱仪。测试标准:参考GB/T 6040-2002,GB/T 17359-2012,燃烧样本参见图2。



傅里叶变换红外光谱(FTIR)的测试步骤见图3。



傅里叶变换红外光谱谱图见图4。根据傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试,褐色异物的主要成分是硫酸盐,扫描电镜&能谱(SEM/EDS)测试步骤见图5。


SEM/EDS是一种定性——半定量的仪器分析方法,可以用来检测元素周期表中硼(B)到铀(U)的元素。此方法具有一定的局限性,所以结果仅供参考。

样品的扫描电镜照片见图6。


样品的能谱图见图7,测试部位元素分析见表1。


结论:根据傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电镜&能谱(SEM/EDS)测试,燃烧腔内褐色异物主成分为水、铁氧化物及含铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)等物质。


4 耐久测试方案探讨

通过第三方措施,来进行定期维护。如FERNOX的干式清理方案。在这一点上,可以延伸出两个问题:第一,器具清理的最佳周期;第二,器具清理部位的售后可操作性。

燃烧工况在很大程度上反映了整机的性能,所以器具内的燃烧环境需要引起设计者的注意。各厂家的冷凝炉,因其结构及性能等不同,导致其燃烧腔的利用程度存在差异。为让器具性能达到最佳,工厂需要制定合理的耐久过程测试及耐久后评价方案,同时还需通过测试结果来较精准判断器具(燃烧腔)的最佳清理周期。我司根据长期跟踪一款冷凝器具的用户试用及耐久情况,现与大家一同探讨。

4.1 耐久试验方式

(1)连续耐久

使用0-2气,供水压力为0.1MPa,额定电压,将冷凝式器具设置为采暖模式,在1.05倍的额定负荷下,进出水温度为60℃/80℃、50℃/50℃下,各1000小时连续运行,测定冷凝炉,应符合5.1.2的规定,并进行标准清理作业,继续运行,重复测定,耐久性试验循环次数为5次,累计循环6000小时,重复测定冷凝炉,应符合2.1的规定。试验后,检查器具能否正常工作。

(2)断续耐久

使用0-2气,供水压力为0.1MPa,额定电压,将冷凝式器具设置为采暖模式,在1.05倍的额定负荷下,进出水温度为60℃/80℃下,运行60秒后,器具停止运行60秒,此设为一个循环,器具不断重复循环且连续运行,每8.5万次,测定冷凝炉,应符合2.1的规定,并进行标准清理作业,继续运行,重复测定,耐久性试验循环次数为5次,累计循环25.5万次,重复测定冷凝炉,应符合5.1.2的规定。试验后,检查器具是否能够正常工作。

(3)最终寿命耐久

器具参照如上1.1或1.2试验方式持续循环运行,直至器具出现非易失锁定,且不可恢复状态,记录其运行时间(次数)。

4.2 冷凝热交换器耐久性

热交换器和可能与冷凝水接触的其他部件均应耐腐蚀。在1.1和1.2规定的试验条件下,进行耐久性试验,试验结果应符合以下规定:

(1)耐久试验后,按GB 25034-2010中7.7.1重复测试热效率时,热效率应符合CJ/T 395-2012中6.6.1的规定。

(2)耐久试验后,按GB 25034-2010中7.5.1进行热负荷试验,试验数值应符合9.1.1的规定(标称值的偏差范围,待实验室数据出来再补充)。

(3)耐久试验后,按GB 25034-2010中7.1.2进行燃烧产物采样及烟气温度测量,采样及测量结果应符合9.5.1.4-f的规定。对于冷凝式器具:a.应提供器具在大小火状态的烟气成分值(CO2含量);b.应提供器具在额定负荷情况下,NOx浓度上限/(mg/kWh)、烟气温度。

(4)使用0-5气,在额定负荷下,进行冷、热态点火,器具应能正常点火运行。

(5)耐久试验后,热交换器和可能与冷凝水接触的其他部件应无明显腐蚀现象;点火及检测部件应无明显腐蚀现象。

(6)耐久性试验后(建议6000小时后),按GB 25034-2010中7.9测试采暖系统水阻增加应不大于原值的15%。

(7)耐久性试验后(建议6000小时后),按GB 25034-2010中7.2.5进行水路系统密封性试验,应无泄漏、无变形。

关于结构的可操作性,从设计者的角度,需要考虑后期清理热交的方便可行性,故在处理主热交换器结构布局时,需要将热交盘管与壳体设计成可自由拆装的结构,设计一款便于拆卸清理的主热变得极为重要。如现在比较成熟的SERMETA系列产品(原GIANNONI产品,见图8)。它的设计理念是:单层盘管上下叠加,便于杂质在清理时能及时分离排出,防止堵塞。


笔者通过实际开发经验,考虑到热交主体与外壳内壁间的杂质,若清理不畅,会产生堵塞通道现象。从售后维护时便于操作,将热交与外壳进行可脱离式设计(见图9)。



5 结论

对于冷凝炉,从设计者的角度,关键是让其适应使用环境,攻克其“水土不服”的难题,在结构设计阶段,尤为重要。厂家在产品开发阶段,进行苛刻的耐久试验来评价器具的使用性能。由于笔者经验有限,上述观点仅代表个人观点。


参考文献

[1]316不锈钢的临界点蚀温度及其离子协同作用研究-廖家兴

[2]P.Ernst,R.C.Newman.Pit growth studies in stainless steel foils.II.Effeet of temperature, chloride concentration and sulphate addition [ J ] ,Corrosion  Science,2002,44(5):943-954

[3] GB 25034-2010燃气采暖热水炉

[4] CJ/T 395-2012冷凝式燃气暖浴两用炉


主编点评

本文对于全预混冷凝炉,从设计者的角度,关键是让其适应使用环境,克服其“水土不服”的特点以及在结构设计上做了一些研究。但是还需要继续深入,特别是本文以316不锈钢作为样本来做的研究,而实际上现在才有316不锈钢的除了诺科和菲斯曼之外,其他品牌Condevo,Valmax和semita都是才有441或者304不锈钢,希望有人对这类材质做进一步研究。材质之外还有缝隙和效率之间的关系持续研究。

 
 


  
 
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