【论文精选】烟气余热回收型冷凝式燃气暖浴两用炉热效率

作者：辛立刚，刘贵川，陈程，王家欣

第一作者单位：中国市政工程华北设计研究总院有限公司

摘自《煤气与热力》2017年6月刊

 

1   概述

随着燃气采暖热水炉在国内的快速发展，燃具的节能环保已经成为其发展的主旋律，燃气采暖热水炉的能效等级和污染物排放也逐渐被人们所重视。2015年北京市发布了DB 11/139—2015《锅炉大气污染物排放标准》，其中第4.1.4条规定“新建燃气采暖热水炉NOx排放限值不宜超过100 mg/（kW·h）”。在如此严格的要求下，只有冷凝式燃气暖浴两用炉（以下简称冷凝炉）能同时符合能效等级和污染物排放的要求。现有冷凝炉一般采用全预混冷凝技术和烟气余热回收冷凝技术。全预混冷凝技术比较复杂，关键技术掌握在国外企业和国内几家大型企业［1-2］。烟气余热回收冷凝技术主要是通过某种换热方式将烟气中的潜热转换成可利用的热量，是一项重要的节能途径。据中国土木工程学会燃气分会燃气供热专业委员会权威发布，2016年国内冷凝炉全年销售量为14.3×104 台，相比2015年（8.5×104 台）增幅为68%，占2016年国内燃气采暖热水炉全年总销售量的6.8%。冷凝炉的发展如雨后春笋，尤其是烟气余热回收型冷凝炉增长最为明显。本文结合现有对燃气采暖热水炉热效率等相关性能的研究［3-7］，通过实验检测方法，探讨烟气余热回收型冷凝炉热效率的一些问题。

 

2   实验检测系统与方法

 

烟气余热回收冷凝技术的原理主要是通过二级换热器将烟气中的潜热传递到冷凝炉的回水端，有效地降低排烟温度，提高回水温度，从而提高热效率（冷凝炉热效率计算采用燃气低热值为计算基准，以便直观地与非冷凝炉热效率进行比较）。烟气在主换热器（一级换热器）中放出显热，排烟温度一般在130~150 ℃范围，进入烟气余热回收换热器（二级换热器），烟气进一步被冷却，放出潜热，烟气温度可降至70 ℃左右，冷凝液经收集装置收集并排出。本实验测试共选取了9台国产样本和7台韩日样本，共计16个冷凝炉样本，各冷凝炉样本的额定热负荷见表1。

 

表1   各冷凝炉样本的额定热负荷

 

实验检测按照CJ/T 395—2012《冷凝式燃气暖浴两用炉》（以下简称CJ/T 395—2012）、GB 20665—2015《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》（以下简称GB 20665—2015）和GB 25034—2010 《燃气采暖热水炉》（以下简称GB 25034—2010）的要求和方法进行。根据CJ/T 395—2012，冷凝炉的换热器及可能与冷凝水接触的其他部件均应耐腐蚀。在CJ/T 395—2012规定的实验条件下，进行耐久性实验，耐久性实验后，重复测试热效率，热效率应符合标准要求。冷凝换热器耐久性实验供气压力为2 kPa，供水压力为0.1 MPa，将冷凝炉设置为供暖模式，在额定热负荷下，设置供、回水温度分别为50 ℃、30 ℃的低水温工况下，累计连续运行1 200 h后，实验结果应符合标准要求。

 

实验测试系统室内部分实物见图1，测试用主要仪器设备见表2。

图1   实验室内测试系统实物

 

表2   测试用主要仪器设备

 

3   结果与讨论

3.1  耐久性实验前热效率分析

3.1.1 测试结果

 

实验一共进行了5种不同运行工况的热效率测试，并监测了烟气温度和过剩空气系数。5种运行工况分别为：

 

①额定热负荷下供、回水温度分别为80 ℃、60 ℃时的供暖工况（以下简称工况1或额定热负荷下80/60 ℃水温供暖工况）；

 

②额定热负荷下供、回水温度分别为50 ℃、30 ℃时的供暖工况（以下简称工况2或额定热负荷下50/30 ℃水温供暖工况）；

 

③30%额定热负荷下供、回水温度分别为50 ℃、30 ℃时的供暖工况（以下简称工况3或30%额定热负荷下50/30 ℃水温供暖工况）；

 

④额定热负荷下供生活热水工况（以下简称工况4）；

 

⑤50%额定热负荷下供生活热水工况（以下简称工况5）。

 

国产样本不同测试工况下热效率对比见图2，韩日样本不同测试工况下热效率对比见图3，所有冷凝炉样本在不同测试工况下各项测试数据平均值见表3。

 

 

图2   国产样本不同测试工况下热效率对比

 

 

图3   韩日样本不同测试工况下热效率对比

 

表3   所有冷凝炉样本在不同测试工况下各项测试数据平均值

 

3.1.2 数据分析

 

对比额定热负荷下供暖工况（工况1）与供生活热水工况（工况4）发现，国产样本和韩日样本各自的烟气温度平均值、过剩空气系数平均值在两种工况下均相对接近；两类样本的供暖热效率平均值比CJ/T  395—2012要求的供暖热效率（94%）绝对值高出约2~5个百分点，但供生活热水热效率平均值基本与CJ/T 395—2012要求的供生活热水热效率（96%）持平。对于供生活热水工况热效率，实际检测中两个类别的样本都存在一次通过率小于50%的问题，因此，企业在设计开发时应重视供生活热水工况热效率的提高。

 

对比不同供、回水温度供暖工况（工况1和工况2）下的热效率发现，随着供、回水温度的降低，排烟温度也随之降低，烟气的显热和潜热损失减少，冷凝炉的供暖热效率得以显著提高，比GB 20665—2015标准1级能效值（99%）绝对值高出约4~7个百分点。

 

对比不同热负荷下供暖工况（工况2和工况3），国产样本大多数采用交流恒速风机，当热负荷在一定范围内降低时，烟气温度随之降低，烟气中氧体积分数一般在15%~18%范围，过剩空气系数增大，烟气余热损失升高，供暖热效率降低，即国产样本的工况2的供暖热效率高于工况3；而韩日样本大多数采用直流变频风机，通过改变风机转速，提高过剩空气系数，冷凝效果进一步增加，供暖热效率得以再提高，即韩日样本的工况3的供暖热效率高于工况2。

 

3.2  耐久性实验后热效率分析 

3.2.1 测试结果

 

换热器耐久性实验前后额定热负荷下热效率比较分析。将冷凝炉设置为供暖工况，在额定热负荷下，设置供、回水温度分别为50 ℃、30 ℃的低水温工况，累计连续运行1 200 h，进行耐久性实验。完成耐久性实验后，在工况1下，测试样本在额定热负荷下的供暖热效率，与耐久性实验前工况1测试情况进行比较。国产样本耐久性实验前后在工况1下供暖热效率的变化见图4，韩日样本耐久性实验前后在工况1下供暖热效率的变化见图5。耐久性实验前后在工况1下供暖热效率、烟气温度和过剩空气系数的平均值见表4。

 

图4   国产样本耐久性实验前后在工况1下的供暖热效率

 

图5   韩日样本耐久性实验前后在工况1下的供暖热效率

 

表4   耐久性实验前后在工况1下供暖热效率、烟气温度和过剩空气系数的平均值

 

3.2.2 数据分析

 

国产样本在耐久性实验后，大部分样本在额定热负荷下供暖工况的平均热效率比耐久性实验前绝对值降低约1个百分点。韩日样本在耐久性实验后，在额定热负荷下供暖工况的平均热效率比耐久性实验前绝对值降低约1~2个百分点。国产样本耐久性实验后排烟温度比耐久性实验前升高1  ℃，韩日样本耐久性实验后排烟温度比耐久性实验前升高3 ℃。究其原因，是耐久性实验后，酸性冷凝液对主换热器和二级换热器的腐蚀，并可能发生局部堵塞，使得换热器换热能力下降，排烟温度升高，热效率降低。耐久性实验后换热器腐蚀情况见图6，耐久性实验后换热器堵塞情况见图7。

 

图6   耐久性实验后换热器腐蚀情况

 

图7   耐久性实验后换热器堵塞情况

 

3.3  供暖工况与生活热水工况的能效标识分析

 

企业在按GB 20665—2015标注能效等级时，应根据产品特性，合理地标注供暖工况和供生活热水工况下的高热效率η1和低热效率η2。根据GB 20665—2015，供暖工况的η1取工况2和工况3的热效率中的较大者，η2取二者中的较小者；供生活热水工况的η1取工况4和工况5的热效率中的较大者，η2取二者中的较小者。

 

根据前面的实验测试数据分析，供暖工况下，本文所选国产样本的η1对应工况2的供暖热效率，η2对应工况3的供暖热效率；韩日样本的η1对应工况3的供暖热效率，η2对应工况2的供暖热效率。

 

根据前面的实验测试数据分析，供生活热水工况下，本文所选国产样本和韩日样本在工况5的供生活热水热效率均高于工况4的供生活热水热效率。因此，两类样本供生活热水工况的η1对应工况5的供生活热水热效率，η2对应工况4的供生活热水热效率。

 

4   结论

 

①企业在设计研发冷凝炉时应重视供生活热水工况热效率的提高，从而提高样本送检一次通过率。

 

②采用直流变频风机，通过改变风机转速来提高过剩空气系数，进一步降低排烟余热损失，供暖热效率比采用交流恒速风机显著提高。

 

③应根据产品特性，在供暖工况和供生活热水工况下按GB 20665—2015确定高热效率η1和低热效率η2。

 

④耐久性实验后，酸性冷凝液对主换热器和二级换热器产生腐蚀，并可能发生局部堵塞，使得换热器换热能力下降，排烟温度升高，热效率降低。

 

参考文献：

 

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［4］何贵龙，杨丽杰，李蓓. 燃气采暖热水炉产品性能统计分析（下）［J］. 煤气与热力，2012，32（12）：B17-B22.

 

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［6］何贵龙，高硕. 燃气采暖热水炉检验标准对比［J］. 煤气与热力，2011，31（6）：B33-B36.

 

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