非预混倒置燃烧技术在冷凝式燃气壁挂炉上的应用

      摘要:本文探讨了利用非预混技术进行倒置式燃烧在冷凝式燃气壁挂炉上的应用，这项技术简化了倒置式燃烧的结构，同时将二次冷凝换热器设计燃烧室的侧面或者后面，从而减小了零部件占有空间，使设计结构更为合理，降低了制造成本；其技术的新颖性和实用性值得同行业更深层次的关注和探讨，相信这项技术的使用会给燃气壁挂炉行业带来新的研究课题和发展空间。

      关键词：非预混技术、倒置式燃烧、二次冷凝换热器、剩空气系数、潜热、显热、冷凝段热量回收、套管换热器、板式换热器；

      1、引言：

       近年来，随着我国经济的发展，城市化进程的加快，燃气壁挂炉进入中国家庭速度呈现明显增长的趋势，经过几年发展，市场品牌逐渐增多，竞争态势日益加剧，销售情况一路看好，尤其是国家“西气东输”工程的延深，将西部丰富天然气引入中东部经济较发达地区，促进国内房地产业民用供热的市场化，人们对优质生活追求等等，都将为燃气壁挂炉提供良好的发展契机和巨大的发展空间，有数据表示，2010年中国市场销售燃气壁挂炉数量达63万台之多，每年还在以20%--50%的速度增长，这样高的增长率，势必会导致能源需求量的增大，这将在较长一段时间内面对能源供应紧张的问题，节约能源，减少排放，在燃气壁挂炉的使用中体现的尤为重要；2004年国家发改委规划的节能目标之一就是要求：主要耗能设备能效指标到2010年要达到或接近国际领先水平，其中，家用燃气壁挂炉供暖及供热水的热效率不低于84%(按低热值计算)，否则不能上市销售；由此可见，节约能源在燃气壁挂炉行业中是一项迫在眉睫，任重而道远的工作。

       普通燃气壁挂炉常采用大气式燃烧方式，其排出的烟气温度过高，大都在160℃-200℃之间，很多热量没有被充分利用而白白浪费，冷凝式燃气壁挂炉是一种耗能少，升温快，热效率高的产品，有明显的节能效果，在欧洲冷凝式燃气壁挂炉已经有几十年的生产历史，技术比较成熟，其主流设计是侧向燃烧和从上往下的倒置式全预混燃烧，显热和潜热换热融为一体，主换热器结构分为钢冷凝换热器和铸铝冷凝换热器二大流派，而关键技术在于预混燃烧和冷凝换热器两大部件，这两个部件在欧洲已被全方位进行了专利保护，所以中国企业要想开发冷凝式燃气壁挂炉必须另辟蹊径。

      从理论上来讲，燃气热值分为高热值和低热值，高热值指燃气完全燃烧后，其烟气全部被冷却至原始温度，其中的水蒸气以凝结水状态排出时所释放的热量；低热值指燃气完全燃烧，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所释放的热量，燃气的高热值与低热值之差就是水蒸气的汽化潜热，当该燃气完全燃烧提供lOOkW的显热时，同时也提供了1lkW的潜热，冷凝式燃气壁挂炉就是要将排烟温度尽量降低，使烟气中的水蒸气液化，回收这部分潜热和烟气中的显热，从而大大提高热效率；在理想状态下相对于低热值的最高热效率可以达到约111%；由此可见，要想充分利用显热和潜热，常规燃气壁挂炉是无法达到的。

     冷凝式燃气壁挂炉主要是通过二个途径来利用显热和潜热的，一是降低过剩空气系数∝；二是降低排烟温度；降低过剩空气系数∝能使热效率增加的主要原因是： 烟气带走的热量损失减少，使烟气总量减少；烟气流经换热器的流速下降，在换热器上停留时间增长，相对吸热量上升；烟气露点升高，水蒸汽冷凝量增大，放出的潜热增加；而降低排烟温度能使排烟的热焓相应下降，排烟热损失减小，资料报导，在过剩空气系数∝为1时，排烟温度从180℃降低到110℃，相应的热效率上升约2.4%（非冷凝式），若能从180℃降低到50℃，相应热效率上升约10%（冷凝式）；所以说，降低排烟温度对提高热效率的作用是非常重要的。在设计冷凝式燃气壁挂炉时，要试图降低降过剩空气系数∝来提高热效率，就必须要改变燃烧方式，倒置式全预混燃烧是目前最佳的技术方案，但这牵涉到欧洲专利的保护和成本上升；而降低排烟温度主要手段是增加换热面积，实验证明，采用这种方案能得到较好的节能效果，然而，权衡热效率的升高与换热材料成本的增加，这两者之间选择是此项技术的关键，在设计实践中证明，仍然采用大气式燃气方式，合理选择二次冷凝器的换热面积，热效率也能达到100.3%左右，高于国家规定的一级能效96%的标准，若从这点着眼，我们将会获得很大的设计空间和较好的经济效益，这也是一件非常有意义的研究工作。

      倒置燃烧套管冷凝式燃气壁挂炉采用了大气式燃烧方式，是在普通燃气壁挂炉的基础上优化设计而成，将燃烧器设计在壳体的上端，中端为燃烧室和套管换热器，风机放置在套管换热器的下端，改变了正向燃烧的方式，非常方便的实现非预混倒置燃烧，利用二次换热器进行二次换热来实现冷凝段热量回收，相对于全预混倒置式燃烧方式，降低了制造成本，具有结构简单、安装、维修、使用都很方便的优点。

      在壳体的上部安置燃烧器和燃烧室；套管换热器、烟罩和风机安置在壳体的下端，通过进烟管与二次换热器联接；在二次换热器内设置有二次供暖换热管和二次卫浴换热管，形成简单紧凑的供水通道；二次供暖换热管进端与水泵联接，出端与套管换热器相通；二次洗浴换热管进端联接冷水进管，出端与套管换热器相通；二次换热器上端为出烟管，底部为冷凝水口。

    1-出烟管、2-燃烧器、3-壳体、4-燃气管、5-燃烧室、6-套管换热器、7-热水出管、8-烟罩、9-暖水出管、10-风机、11-回水管、12-水泵、13-冷凝水口、14-进烟管、15-冷水进管、16-二次换热器

      将二次供暖换热管和二次卫浴换热管穿插在同一片换热翅片上，用隔风板将二次换热器内腔分隔几个空间，供暖水从回进口流入，从暖水出口流出；卫浴水从冷水进口流入，从卫浴水出口流出；当高温烟气从进烟管进入，从出烟管流出时，受到隔风板的阻隔，风路会形成S穿过换热翅片（箭头方向），在冷水流经二次供暖换热管或二次卫浴换热管时，冷水就会被高温烟气加热，由于两条换热管穿插在同一片换热翅片上，管内水的温度会通过换热翅片相互传递，保持两条中的水温平衡。

    图2、图3为图1二次换热器16的工作原理图；
 

    1-出烟管、2-二次供暖换热管、3-二次卫浴换热管、4-换热翅片、5-隔风板、6-进烟管、7-回水进口、8-冷水进口、9-卫浴水出口、10-暖水出口；

     当使用供暖时，风机启动，点火开始，燃气从燃气管进入燃烧室中燃烧，加热套管换热器中的冷水，排出的高温烟气从烟罩进入二次换热器进行热交换，然后再从出烟管排出（箭头方向），同时水泵工作，回水从回水管进入二次换热器中的二次供暖换热管预热，之后再进入套管换热器中加热，被加热后的水从暖水出管进入地暖管或散热器中进行供暖，为家庭提供取暖的热量；循环水流回，经回水管进入水泵，再次在套管热交换器中加热，交替循环；从烟罩排出的烟气大约在180℃-200℃之间，而通过二次换热器进行热交换之后，烟气会降低到50℃-60℃之间，热效率能达到100.3%左右，产生的冷凝水从冷凝水口流出。

      当使用热水时，冷水从冷水进管进入，在二次换热器中进行预热，之后在套管换热器中加热，之后热水从热水出管流出，供人们洗浴之用；冷水流经二次换热器与从烟罩流出的高温烟气进行换热，从而使排烟温度降低，产生的冷凝水从冷凝水口流出。

     倒置燃烧板换式燃气冷凝壁挂炉采用的是大气式燃烧方式，是在普通板换式燃气壁挂炉的基础上发展而来；将燃烧器放置在壳体的上端，中端为燃烧室和换热器，风机放置在换热器的下端，改变了正向燃烧的方式，实现倒置燃烧，利用二次换热器进行二次换热来实现冷凝段热量回收。

     在壳体的上部安置燃烧器和燃烧室；换热器、烟罩和风机安置在壳体的下端，通过进烟管与二次换热器联接，二次换热器进端与水泵联接，出端与换热器相通；换热器出端通过三通阀，一端与板式换热器相通，另一端为暖水出管；水泵的进端一端与板式换热器的出口相联，另一端为回水管；冷水进管联接在板式换热器的进端，洗浴水管联接在板式换热器的出端；二次换热器内上端为出烟管，底部为冷凝水口。
 


 

     1-出烟管、2-燃烧器、3-壳体、4-燃气管、5-燃烧室、6-换热器、7-热水出管、8-烟罩、9-风机、10-三通阀、11-供暖水管、12-洗浴水管、13-板式换热器、14-冷水管、15-回水管、16-水泵、17-冷凝水口、18-进烟管、19-二次换热管、19-二次换热器

      二次换热器中的二次换热管采用不锈钢波纹管，呈椭圆形结构，以螺旋状排列，以增大热交换面积，形成简单紧凑的供水通道；当循环水从进水口流入，从出水口流出的同时，高温烟气从进烟管进入，从出烟管流出时，（箭头方向），二次换热管中的冷水被高温烟气加热，烟气中的热量得到了充分的利用。

     图5为图4中二次换热器19结构示意图；

   1-出烟管、18-二次换热管、2-进烟管、3-进水口、4-出水口

     当使用热水时，打开水源，水泵工作，启动控制部分，三通阀转相，打开换热器与板式换热器通 道，风机工作，燃气通过燃气管进入燃烧室中燃烧（箭头方向），燃烧时产生的高温烟气经过烟罩进入二次换热器，从出烟管排出；循环水经水泵进入二次换热管与高温烟气进行热交换，预热后的水流入换热器进行再加热，形成的热水经三通阀进入板式换热器，这时冷水也从冷水管进入板式换热器中进行热交换，加热后的热水从洗浴水管流出供人们使用；当使用取暖时，三通阀转相，打开换热器与供暖水管通道，水泵工作，循环水经二次换热管、换热器和三通阀，从暖水出管流出进入暖气片或地暖管进行供暖；循环水再从暖气片或地暧管流回，经回水管进入水泵，在换热器中再次加热，交替循环；在二次换热器内产生的冷凝水从底部冷凝水口排出；从二次换热器排出的烟气会降低到50-60℃之间，热效率能达到100.3%左右。

　   5、结束语：

      非预混倒置燃烧冷式燃气凝壁挂炉热效率虽然只能达到100.3%左右，但与非冷凝式燃气壁挂炉相比，热效率可提高15%左右，节省了能源，减少了 C02及NOx的排放量，其最大的意义在于结构简单，安全可靠，制造成本低，非常适合中国家庭的消费水平和需求；目前，节约能源，减少环境污染，提倡低炭经济已成为一个热门话题，越来越受到人们的重视，在这个纷围之下，非预混倒置燃烧技术在冷凝式燃气壁挂炉上的应用，是一项非常有意义的工作，它能够给产品带来较大的市场份额和较强的竞争力，具有非常广阔的发展前景。