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「供暖系統漫談」冷凝壁掛爐與常規壁掛爐的區別及應用(上)

時間:2019-05-31    來源:博容節能    閱讀數:

 
導讀:自2015年3月15日北京出臺規定,要求從2015年5月1日起,將能效標識為二級的燃氣壁掛爐列入禁止使用的設備。但一級能效要求效率達到94%以上,這樣一來市場上主流的常規壁掛爐基本很難達到要求,從而使得冷凝壁掛爐幾乎成為北京市場的唯一選擇。同樣,從2015年1月1日開始,歐盟地區二級能效的燃氣壁掛爐不再被允許銷售,所有分戶供暖家庭將全部更新為更節能、環保的一級能效的冷凝式燃氣壁掛爐。那么為什么北京及歐盟會強制推行價格更加高昂的冷凝壁掛爐,而淘汰“物美價廉”的常規壁掛爐呢?這兩種鍋爐有什么不同,如何更好地發揮各自的優勢?本文分兩期為您一一道來。
 
◎什么是常規壁掛爐?
 
其實并沒有一種產品叫常規壁掛爐,所謂的常規壁掛爐就是傳統的壁掛爐,我們國家的標準叫法為燃氣壁掛式快速采暖熱水器,只是為了與后來出現的冷凝而生生造出了一個說法——常規壁掛爐。
 
圖1常規壁掛爐工作原理示意圖
 
作為一種歷史悠久的采暖設備,壁掛爐的出現最早可以追溯到1961年,由威能發明,而同時具備采暖和生活熱水功能的壁掛爐產品,則是1967年由威能發明,并沿用至今。常規壁掛爐工作原理示意圖如圖1所示。具體的工作原理,簡單來講就是——燃氣通過比例閥的調節進入燃燒室,同時,外部的空氣通過平衡式煙道也進入了燃燒室,在點火電極作用下燃氣燃燒,產生1500℃的高溫火焰和輻射熱量,通過上部的換熱器加熱水,這些熱水作為采暖和生活熱水之用。而經過換熱器之后的熱空氣,還有190℃左右的溫度,在平衡式煙道排煙的過程中,與管道外部的冷空氣進行換熱,其部分熱量被冷空氣吸收,提高了進水燃燒室的空氣溫度,最終大概會有140℃左右的煙氣排到外面。從上面的描述可以看出,常規壁掛爐就是一種非常正常的燃燒設備,同時提供采暖和生活熱水的功能,具有以下幾個特點:
圖2 常規壁掛爐結構圖
 
★ 因為常規壁掛爐有一部分熱量是被高溫煙氣帶走的,并不能完全被熱水吸收,通常燃氣效率能夠達到88%~92%。
 
★ 這種燃氣在空氣中燃燒的方式叫大氣式燃燒,燃燒器的特點決定了常規壁掛爐調節熱功率的范圍大概在30%~100%,用戶分戶采暖時,當末端采暖面積小的時候功率過大,系統工作不節能,而在夏天洗浴時也可能導致水溫過高或者不穩定。
 
★ 燃燒后的高溫排氣中,有大量化學反應產生的水蒸氣,這些水蒸氣一旦冷卻到大氣中的露點溫度之下(一般在55℃左右),會凝結在換熱器表面,產生結露現象,會腐蝕換熱器,這些凝結水如果滴落在燃燒器上,也會導致燃燒器的腐蝕和損壞,為保證不出現結露現象,供回水溫度不可過低。
 
★ 由于燃燒室、燃燒器、風機等配件的特點,傳統壁掛爐的設計壽命一般是15年,實際使用根據水質及具體使用情況,一般在8~10年左右。
 
★ 天然氣燃燒后的煙氣中,含有大量的氮氧化物,據了解,一般情況下這類燃燒廢氣中有害物氮氧化物含量為150mg/kWh~200mg/kWh、一氧化碳含量為120mg/kWh~200mg/kWh,這些污染物會對大氣造成不利的影響。
 
如何才能解決上述問題呢?用傳統的方式已經無法解決,而正是為了解決上述問題,2000年左右出現了冷凝壁掛爐。
 
◎什么是冷凝壁掛爐?
 
冷凝壁掛爐能夠將排煙溫度降低到露點溫度之下,一方面要求換熱器吸熱能力強,能夠將水溫降到更低,另一方面要確保冷凝水不能損壞換熱器或者燃燒器,因此冷凝爐的結構和材質與普通壁掛爐有很大的差異。
 
從下面圖3的冷凝壁掛爐結構圖可以看出,其使用的換熱器和燃燒器,與常規壁掛爐有很大不同。冷凝壁掛爐的燃燒室是一個密封的結構,燃燒器處于中間位置,這樣一來,產生的冷凝水從下面流出,不會造成燃燒器的損壞。此外,為了提高燃燒效率,圖3所展示的冷凝爐所采用的“全預混燃燒”技術,就是在燃燒之前將燃氣和需要的空氣混合好,而不是讓燃氣在燃燒時與空氣混合,這樣在燃燒的時候會實現瞬間燃燒,表面只有藍色的、很短的火苗,幾乎看不到普通燃氣燃燒中的黃色火焰,且熱量更多以輻射熱的形式傳遞出去。
 

 
圖3 冷凝壁掛爐結構圖
 
在冷凝壁掛爐中,高效的換熱結構能夠將煙氣冷卻到40℃后進行排放,這樣煙氣中的水蒸氣也會成為凝結水,并釋放出汽化潛熱讓水帶走,排煙溫度低加上汽化潛熱的吸收使得冷凝壁掛爐效率可達到109%,幾乎比常規爐高20%。
 
◎為什么冷凝壁掛爐效率可以高于100%?
 
按道理來說,燃氣壁掛爐就算將燃燒的熱量全部利用起來也不過100%,怎么可能超出100%呢?
 
這個問題是對的,一個燃燒設備不可能產生多余的熱量,出現這種現象的原因在于我們對燃燒效率的標定方式。
 
大家都知道,燃氣壁掛爐效率的定義公式是:η=Q1/B×QDWy×100(%),即效率=鍋爐有效利用熱÷輸入鍋爐的熱量的百分數。
 
式中,Q1表示鍋爐有效熱,B表示燃料的消耗量,QDWy表示燃料的應用基低位發熱量,其中Q表示燃料的發熱量。
 
燃料發熱量有高位和低位之分,高位發熱量是指燃料完全燃燒釋放出的全部熱量,此熱量包括了燃料燃燒后所產生的水蒸氣所含有的熱量;燃料低位發熱量是高位發熱量扣除燃料中的水分汽化潛熱而得到。
 
導致冷凝爐效率高于100%的原因為我們標定效率時是用天然氣的低位發熱值標定的,以天然氣為例,其高位發熱值約為低位發熱值的111%,當以高位發熱值做到效率接近100%的時候,低位發熱值最高理論效率約111%,這也是冷凝爐效率高于100%的原因。
 
下圖可以比較兩者產生效率差異的原因。
 
圖4 效率差異對比圖
 
◎冷凝爐的特點總結
 
★ 從上面的分析可以看出,燃燒效率高是冷凝爐的突出優勢,一般能夠比普通壁掛爐高百分之十幾,也就是產生同樣的熱量可省氣省錢百分之十幾。
 
★ 氮氧化物排放低是冷凝爐能夠大行其道的主要原因。氮氧化物是天然氣在燃燒過程中,里面含氮元素的可燃氣體被氧化而成的,其的產生與燃燒的空氣過剩系數(對應燃燒多余的氧氣)有關,也與煙氣高溫有關,因此降低氮氧化物含量首先要減少多余的空氣,即降低燃燒的空氣過剩系數。常規壁掛爐空氣過剩系數一般在1.5~1.8,而全預混的冷凝爐空氣過剩系數只有1.05~1.1,從而降低了氮氧化物的含量;另一方面全預混方式燃燒的高溫火焰極短,甚至沒有火焰,也減少了煙氣在火焰中停留的時間,進一步降低了氮氧化物的產生;最后由于冷凝爐排煙的時候已經將煙氣中的水蒸氣進行冷凝回收了,在冷凝的同時煙氣中的氮氧化物會溶解在水中,隨著冷凝水排走而不是通過煙氣排放到大氣中。
 
★ 輸出功率調節范圍大。由于采用精確控制的全預混方式,因此全預混壁掛爐的輸出功率調節范圍可以做到10%~100%(不同廠家型號有所差異),比常規壁掛爐更適合低負荷運行,這對提高系統低負荷穩定性和夏季洗浴水溫的穩定都有好處。
 
★ 冷凝爐更適合低溫水的地暖系統使用。由于要將煙氣溫度降低到55℃以下才能冷凝,因此冷凝爐要求回水溫度低于55℃,并且越低越好,同時低負荷的時候冷凝效果更好,因此低溫水供熱或者低負荷運行都更適合冷凝爐的工況。
 
★ 冷凝爐需要對比例閥進行調整。前面說到冷凝爐的空氣過剩系數在1.05~1.1,這是一個非常精確的控制范圍,但是這個出廠預設的數值在實際使用時由于各地天然氣成分的不同,甚至大
氣壓的不同都會導致燃燒工況的改變,如果燃燒不充分會造成積碳現象,嚴重影響到工作穩定性和效率。
 
★ 冷凝爐對燃氣純凈度、燃氣壓力、水質、水中空氣等因素比較敏感,因此后期維護工作要求比常規壁掛爐更高。
 
基于以上特點,冷凝爐在歐洲成為強制標配,同時北京也為了提高空氣質量而強制推行,但是從中國整體壁掛爐銷量來看,冷凝爐目前占比還是很少的,2018年總銷量只有二十多萬臺,整體壁掛爐里面占比不到10%。那么,是什么原因導致了冷凝壁掛爐的推廣受到影響呢?成本當然是一個重要原因,冷凝爐作為一個歷史只有十來年的產品,還有有一定的技術門檻,不像常規壁掛爐那么成熟,同時技術要求更高,產品成本也更高,真正能夠比較全面掌握冷凝爐技術的廠家相對較少,市場價格遠遠沒有做到“爛”的地步,對于很多用戶來說冷凝爐還是較為昂貴。此外,歐洲大行其道的冷凝爐在中國也有“水土不服”的問題,含天然氣品質不統一、雜質相對較高、水質不好、安裝施工不到位、調試麻煩、后期維護麻煩等原因,導致冷凝爐使用中故障率高于普通壁掛爐,廠家售后維護更加麻煩。
 
當然中國人的創造力是無窮的,針對上述問題國內有廠家研發了一種新的“大氣式冷凝爐”,這個產品的出現讓“真假冷凝爐”的口水仗打到今天,具體細節下回分解。
 
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