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在提倡節(jié)能環(huán)保，低碳生活的21世紀(jì)，在世界采暖行業(yè)中，冷凝式采暖壁掛爐的研制將是一個(gè)必然的趨勢(shì)。開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的冷凝式壁掛爐，已不單是為用戶節(jié)省開(kāi)支，而是實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展觀的需要，而要實(shí)現(xiàn)壁掛爐的冷凝，必須要深入研究冷凝式換熱器和全預(yù)混燃燒器。

關(guān)鍵詞：冷凝式壁掛爐冷凝式換熱器全預(yù)混燃燒器冷凝水熱效率防腐蝕

燃?xì)獗趻鞝t具有強(qiáng)大的家庭中央供暖功能，能滿足多居室的采暖需求，各個(gè)房間能夠根據(jù)需求隨意設(shè)定舒適溫度，也可根據(jù)需要決定某個(gè)房間單獨(dú)關(guān)閉供暖，并且能夠提供大流量恒溫衛(wèi)生熱水，供家庭沐浴、廚房等場(chǎng)所使用。在歐洲，燃?xì)獗趻鞝t已有近百年歷史，是一個(gè)非常成熟發(fā)達(dá)的行業(yè)。燃?xì)獗趻鞝t以其節(jié)能、環(huán)保、靈活、舒適等優(yōu)點(diǎn)得到了人們的認(rèn)可，也成為最流行的采暖方式。目前國(guó)內(nèi)的壁掛爐市場(chǎng)格局主要由國(guó)產(chǎn)、合資、外資三部分組成，國(guó)內(nèi)壁掛爐發(fā)展的基礎(chǔ)也是基于國(guó)外的技術(shù)。在倡導(dǎo)低碳生活的今天，無(wú)疑給制造行業(yè)的企業(yè)提出了更高的要求，即如何低碳生產(chǎn)、如何生產(chǎn)出低碳產(chǎn)品成為了能源領(lǐng)域必然的要求，開(kāi)發(fā)高效節(jié)能的冷凝式壁掛爐，已不單是為用戶節(jié)省開(kāi)支，而是實(shí)現(xiàn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要，實(shí)現(xiàn)科學(xué)發(fā)展觀的需要。

對(duì)燃?xì)獗趻鞝t來(lái)說(shuō)，提高熱效率的有效途徑有三：

一是燃?xì)獗M可能多的釋放熱量

二是換熱器盡可能多的吸收熱量

三是盡可能少的減少各項(xiàng)熱量損失。

要使燃?xì)馊紵尫懦霰M可能多的熱量，必須注意兩點(diǎn)：

一是燃?xì)庖耆急M。研究指出，為使燃?xì)馊急M需要燃?xì)馀c空氣之間充分、均勻的混合，并提供燃燒所需的充足的氧氣

二是需把排煙溫度降到煙氣露點(diǎn)以下，使煙氣中的水蒸氣冷凝釋放出其潛熱，燃?xì)忉尫懦龅目偀崃勘阍黾印?/p>

要使換熱器盡可能多的吸收熱量，有三種方法可供考慮：

一是增加換熱器面積，盡可能多地布置換熱面，這是最簡(jiǎn)便易行而可靠的方法。

二是合理分配輻射與對(duì)流受熱面。三是增加強(qiáng)化元件。

如在水管增加肋片、燃燒室內(nèi)壁增加針狀突起，水道中增加換熱槽等。要使壁掛爐盡可能少的減少各項(xiàng)熱量損失，就必須控制好排煙損失，化學(xué)與物理不完全燃燒損失及各部位的散熱損失。冷凝式壁掛爐的燃?xì)夂涂諝庠谌紵澳艿玫骄鶆蚧旌喜⒈３址€(wěn)定的比值，使燃料燃燒充分，同時(shí)特殊的換熱器結(jié)構(gòu)形式與制作工藝能將排煙溫度降到露點(diǎn)以下，煙氣中大量水蒸汽冷凝并釋放出汽化潛熱，熱效率比常規(guī)設(shè)計(jì)鍋爐高10%以上，具有明顯的節(jié)能效果。而冷凝式壁掛爐的一個(gè)主要特點(diǎn)是在設(shè)計(jì)工況下煙氣中有較多的水蒸汽冷凝，釋放出汽化潛熱，并使熱效率有明顯升高。如果煙氣中水蒸汽冷凝份額很少，對(duì)提高熱效率貢獻(xiàn)不大，這種設(shè)計(jì)就沒(méi)有多大的實(shí)際意義了。

因此，要想設(shè)計(jì)一個(gè)比較優(yōu)化的冷凝式壁掛爐換熱系統(tǒng)和燃燒系統(tǒng)，必須要清楚以下三個(gè)方面：

首先，要清楚在冷凝式壁掛爐上實(shí)現(xiàn)水蒸汽冷凝的條件。水蒸汽的冷凝與換熱器冷凝段的熱交換過(guò)程密切相關(guān)。觀察高溫?zé)煔饨?jīng)冷凝段肋片管換熱器的加熱過(guò)程：煙氣首先把熱量傳遞給肋片(加熱肋片)，肋片再把吸收的熱量傳遞到肋片根部，經(jīng)管壁最終加熱管內(nèi)的水。所以，在加熱過(guò)程中必然是煙溫大于肋片溫度，肋片溫度大于水溫。要注意，肋片溫度不是一個(gè)定值，它與肋片上的位置有關(guān)。觀察煙氣出口側(cè)，在肋片根部肋片溫度最低，在肋片頂端，肋片溫度升高。而在煙氣入口側(cè)肋片溫度會(huì)比出口側(cè)的要高。在冷凝段換熱器上由于吸熱量小，肋片根部與水溫間的溫差也小，一般為1～2℃左右。肋片上的溫降約為5℃。排煙溫度與肋片頂端間的溫差在設(shè)計(jì)中宜大于20℃。按我國(guó)供暖規(guī)范，供暖熱水溫度為95℃，回水溫度為70℃。按歐洲供暖規(guī)范，供暖熱水溫度為75℃，回水溫度為50℃(當(dāng)用地板供暖時(shí)，熱水溫度為40℃，回水溫度為30℃)。按歐洲規(guī)范，取回水溫度為50℃。此時(shí)，如果仍采用大氣式燃燒方式(過(guò)剩空氣系數(shù)=1.7，露點(diǎn)49℃)與肋片管換熱器，則肋片頂端溫度便會(huì)升到56℃，排煙溫度會(huì)隨之升到70℃附近。均大于煙露點(diǎn)，水蒸氣一點(diǎn)也不會(huì)冷凝。研究指出：在兩用爐上要實(shí)現(xiàn)水蒸氣冷凝，只有采用完全預(yù)混低氧燃燒方式，使過(guò)?？諝庀禂?shù)從1.7降到1.2，露點(diǎn)溫度相應(yīng)地從49℃提高到54℃，高于回水溫度。同時(shí)，將肋片管換熱器改為光管換熱器，使管外壁溫度下降到51℃左右。這樣，便能滿足換熱器壁面溫度低于煙氣露點(diǎn)，出現(xiàn)水蒸氣冷凝，實(shí)現(xiàn)冷凝運(yùn)行方式。所以，歐洲的冷凝式兩用爐都幾乎采用光管換熱器，完全預(yù)混燃燒器，低氧燃燒。這種做法是為了實(shí)現(xiàn)冷凝運(yùn)行方式而必須采取的措施，而不是其他目的。前面的分析中已明確指出：提高壁掛爐熱效率的一個(gè)主要手段是布置更多的受熱面以降低排煙溫度。但是，排煙溫度的降低是受到限制的，因?yàn)榕艧煖囟纫欢ㄒ笥诶咂隹陧敹藴囟?。但是?dāng)排煙溫度逐漸下降接近肋片溫度時(shí)，由于溫差下降，換熱面的吸熱量急速下降，再增加換熱面積便顯得不經(jīng)濟(jì)。所以，正確選定排煙溫度設(shè)計(jì)值是一件重要的事，冷凝式壁掛爐設(shè)計(jì)時(shí)必須仔細(xì)權(quán)衡熱效率的升高與換熱材料耗熱量的增加之間的利弊關(guān)系，合理確定一個(gè)設(shè)計(jì)工作點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)排煙溫度為60℃時(shí)，水蒸氣冷凝放熱占壁掛爐輸入熱量(即燃?xì)獾蜔嶂?的6%左右，可見(jiàn)，冷凝放熱在提高熱效率上的作用是很顯著的。

其次，過(guò)?？諝庀禂?shù)對(duì)熱效率的影響也比較大，所以，必須要合理選擇過(guò)剩空氣系數(shù)。過(guò)剩空氣系數(shù)不一樣，煙氣中的水蒸氣的露點(diǎn)溫度也不相同。過(guò)剩空氣系數(shù)越小，煙氣中的水蒸氣的露點(diǎn)溫度就越高，煙氣中水蒸氣的冷凝比額就越高，熱效率也就相對(duì)提高。實(shí)驗(yàn)表明：在相同的排煙溫度下，過(guò)剩空氣系數(shù)從1.7(煙氣中的O2含量9.1%)下降到1.2(煙氣中O2含量3.7%)，熱效率提高了3%～4%。而要把煙氣中的O2含量從9.1%下降到3.7%，必須改變大氣式燃燒器為完完全預(yù)混式燃燒器，這種改動(dòng)需要付出較大的研發(fā)代價(jià)。所以，在冷凝式壁掛爐設(shè)計(jì)中，多數(shù)廠家保留了大氣燃燒方式，而采用布置冷凝段以降低排煙溫度提高熱效率，這是一種可以接受的方案，也是合理的。不過(guò)，完全預(yù)混低氧燃燒方式在減少煙氣中有害物質(zhì)CO，NOx，SOx，CO2排放量(環(huán)保)，提高熱效率(節(jié)能)方面有顯著的優(yōu)勢(shì)，是一個(gè)性能優(yōu)良的燃燒技術(shù)，應(yīng)積極給予推廣。再次，在冷凝式壁掛爐的設(shè)計(jì)過(guò)程中，防腐蝕是一個(gè)必須要考慮的問(wèn)題。防止酸性冷凝液的腐蝕：冷凝式壁掛爐的水蒸氣冷凝時(shí)首先生成水霧，均勻散布在水冷凝區(qū)的煙氣中。同時(shí)，煙氣中也含有燃燒生成的酸性氣體NOx，SOx，CO2及燃?xì)猓諝庵泻械奈廴疚?氯化物與氟化物)的分解物。有研究指出：燃?xì)馀c空氣中的污染物的影響非常重要，即使少量的污染物也會(huì)在冷凝水中產(chǎn)生明顯的氯離子與氟離子。這些酸性氣體溶于冷凝水后，冷凝水便含有碳酸、硫酸、硝酸、鹽酸、氫氟酸等，并由它們組成弱酸溶液。而冷凝水中的氯離子對(duì)某些種類的不銹鋼材料具有明顯的腐蝕作用，造成較大危害。這些酸性冷凝液黏附在換熱器表面上，從而對(duì)換熱器產(chǎn)生腐蝕。主要表現(xiàn)三個(gè)方面：

一是肋片管均勻腐蝕減薄，

二是肋片管表面出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕，三是在肋片管表面產(chǎn)生腐蝕產(chǎn)物并黏附在其表面上。比較起來(lái)，腐蝕對(duì)冷凝式壁掛爐安全運(yùn)行帶來(lái)的主要危害不是肋片管均勻腐蝕減薄，而是肋片管表面出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕和腐蝕產(chǎn)物的玷污。它們可能造成水管腐蝕泄露和煙道阻塞而使壁掛爐不能安全運(yùn)行。

為了避免酸性冷凝液對(duì)換熱器的腐蝕，可以采用兩種方法：

一是在原來(lái)的銅肋片管換熱器的煙氣側(cè)表面浸涂有機(jī)耐溫防腐蝕涂料，

二是用耐腐蝕的不銹鋼、鋁合金等材料制作換熱器。在歐洲冷凝式鍋爐標(biāo)準(zhǔn)EN677中也明確提出：鍋爐的熱交換器應(yīng)由有防腐蝕能力的材料或具有適宜涂層保護(hù)的材料構(gòu)成。在常規(guī)兩用爐上，為了防止酸性腐蝕(特別是燃用含H2S高的天然氣)多采用在換熱器表面浸涂耐溫防腐涂料(國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的兩用爐多采用在換熱器上浸涂改性鋁粉有機(jī)硅耐溫防腐涂料)。很明顯，采用傳熱與加工性能優(yōu)良的銅材作換熱器，而在換熱器表面浸涂耐溫防腐蝕涂料以防止酸性腐蝕，這種方式已被證明是可以采用的。多數(shù)生產(chǎn)廠家沒(méi)有采用傳熱與加工性能較差的不銹鋼取代銅材制作換熱器。但這種方法在冷凝式壁掛爐上是否會(huì)暴需出其他問(wèn)題?這是需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的，也是下一步試驗(yàn)研究的一個(gè)重點(diǎn)。冷凝壁掛爐的問(wèn)世，是在上世紀(jì)70年代末。1979年，荷蘭成功研制出了第一臺(tái)冷凝式燃?xì)獗趻鞝t，次年得到批準(zhǔn)使用。其后，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、日本也開(kāi)始研制冷凝式燃?xì)獗趻鞝t和冷凝式壁掛爐。

目前，冷凝式壁掛爐在發(fā)達(dá)國(guó)家約占壁掛爐總產(chǎn)量的15%以上。與常規(guī)的燃?xì)獗趻鞝t相比，特殊的換熱器結(jié)構(gòu)形式與制作工藝是冷凝式壁掛爐的一個(gè)重要特點(diǎn)。下面將介紹幾種目前市場(chǎng)上的冷凝式壁掛爐燃燒換熱結(jié)構(gòu)。

(1)大氣式燃燒方式+二次換熱器(見(jiàn)圖1)這種所謂冷凝式壁掛爐就是在常規(guī)壁掛爐的排煙口增加一個(gè)肋片式的二次換熱器,通過(guò)較低溫度的供暖回水冷卻較高煙氣中的水蒸氣。燃燒方式仍采用大氣式燃燒方式(過(guò)?？諝庀禂?shù)為=1.7，露點(diǎn)49℃壁掛爐在最小負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，雖然供暖回水溫度會(huì)在30℃左右。相應(yīng)地，肋片頂端最高溫度會(huì)升到40℃左右，排煙溫度仍可保持在45℃附近，低于煙氣露點(diǎn)。所以，也會(huì)有部分冷凝水在肋片表面生成。但是壁掛爐在最大負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，供暖回水溫度會(huì)在60℃左右。相應(yīng)地，肋片頂端最高溫度會(huì)升到70度左右，排煙溫度也保持在70℃附近，均大于煙露點(diǎn)，水蒸氣一點(diǎn)也不會(huì)冷凝。所以只能少部分提高熱效率，但這種結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造成本也相對(duì)較低。

(2)全預(yù)混倒置燃燒方式+整體式銅肋片管換熱器(見(jiàn)圖2)這種冷凝式壁掛爐的熱交換器采用整體式銅肋片管結(jié)構(gòu)，為避免酸性腐蝕在熱交換器表面浸涂了有機(jī)硅耐溫防腐蝕涂料，而燃燒采用全預(yù)混的陶瓷孔板燃燒器，布置在燃燒室的上方，燃?xì)馀c風(fēng)機(jī)送來(lái)的燃燒所需空氣按比例預(yù)先混合后，從頂部的燃燒器噴出，點(diǎn)燃后在較小的燃燒空間內(nèi)燃盡。高溫?zé)煔庀蛳铝鲃?dòng)，經(jīng)換熱器后由排煙口排出。煙氣中的水蒸氣在換熱器冷凝段冷凝成水滴，落入集水盒。酸性的冷凝水經(jīng)中和或稀釋后排入下水道。這種自上而下的排煙方式有助于舒暢地排出冷凝水，避免其滯留在熱交換器表面。同時(shí)燃?xì)饪諝獗壤{(diào)節(jié)，數(shù)碼恒溫。燃燒過(guò)剩空氣系數(shù)能降低到1.2，且煙氣中CO含量低于1.010-4，NOx含量低于1.010-5，壁掛爐調(diào)節(jié)范圍從15%～100%，與常規(guī)壁掛爐相比節(jié)能10%以上，相應(yīng)CO2總排放量也減少10%以上，其科技含量較高。

(3)全預(yù)混燃燒方式+扁形不銹鋼管組成的輻射對(duì)流盤(pán)管式換熱器(見(jiàn)圖3、圖4)這種冷凝式壁掛爐在結(jié)構(gòu)上的一個(gè)重要特點(diǎn)是采用了由扁形不銹鋼管組成的輻射對(duì)流盤(pán)管式換熱器，其燃燒室是由不銹鋼盤(pán)管構(gòu)成，以便充分吸收燃燒時(shí)輻射放熱。但燃燒室不是封閉的，扁形不銹鋼管的外部尺寸約為36mm10mm,管間的凈間隙約為0.8mm，該間隙便是燃燒室內(nèi)高溫?zé)煔饬鞒龅耐ǖ?。高溫?zé)煔饬鬟^(guò)扁形不銹鋼管時(shí)，煙氣由于對(duì)流換熱的作用被盤(pán)管內(nèi)的水強(qiáng)烈冷卻。當(dāng)管內(nèi)水溫低于露點(diǎn)溫度時(shí),在扁管外表面會(huì)產(chǎn)生冷凝水。從燃燒室盤(pán)管流出的煙氣，再進(jìn)入由扁形不銹鋼管組成的冷凝段換熱器，煙氣進(jìn)一步被冷卻后從排煙口流入大氣。同時(shí)此冷凝式壁掛爐采用了完全預(yù)混燃燒器，燃燒器呈水平布局，燃燒過(guò)?？諝庀禂?shù)能降低到1.2，熱效率高達(dá)95%(按高熱值計(jì)算),負(fù)荷調(diào)節(jié)達(dá)20%～100%，煙氣中CO含量低于1.010-4，NOx含量低于6.010-5，與常規(guī)壁掛爐相比節(jié)能10%以上，相應(yīng)CO2總排放量也減少10%以上，換熱器由扁形不銹鋼管制作,耐腐蝕性能好,此種冷凝式壁掛爐代表了當(dāng)前先進(jìn)水平。

(4)全預(yù)混燃燒方式+鑄砂鋁式冷凝換熱器(見(jiàn)圖5、圖6)鑄砂鋁式冷凝換熱器是目前在歐洲發(fā)展時(shí)間最長(zhǎng)，品種最多，結(jié)構(gòu)也最復(fù)雜的一類冷凝鍋爐換熱器。由于材料的原因，鋁制換熱器的壁厚超過(guò)不銹鋼很多，這可以耐受很高的壓力，保證鍋爐長(zhǎng)期在高壓系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)定運(yùn)行以及鍋爐壽命。當(dāng)前的新款鑄鋁換熱器均為全水冷設(shè)計(jì)，燃燒室被水道環(huán)繞，有效吸收熱量冷卻煙氣，因而不需要額外的保溫材料。對(duì)于大功率的商用冷凝鍋爐來(lái)說(shuō)，鑄鋁的換熱器只有少數(shù)幾條平行水道，維護(hù)保養(yǎng)非常簡(jiǎn)單。同時(shí)鋁材有其獨(dú)到之處：鋁的導(dǎo)熱系數(shù)是不銹鋼的8倍，所以在燃燒室以及水路的設(shè)計(jì)上給出了較大的余地在抗腐蝕性上，不銹鋼和鋁各有特點(diǎn)：眾所周知，鋁是一種很活潑的金屬，在自然條件下在鋁材的表面能夠形成一層致密的氧化層，可以有效防止酸性腐蝕和氧蝕雖然鋁對(duì)堿性腐蝕的抵抗能力不強(qiáng)，但是考慮到冷凝水是酸性污水，而系統(tǒng)循環(huán)水一般情況下均添加了抗腐蝕的藥劑，所以鋁的可靠性還是很高的，長(zhǎng)達(dá)40年以上的使用歷史也證明了這一點(diǎn)從原材料價(jià)格，加工性和加工成本上來(lái)看鋁具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)：我國(guó)在鋁礦方面儲(chǔ)量豐富，需求不足導(dǎo)致鋁材價(jià)格長(zhǎng)期穩(wěn)定在較低水平。另外，鋁的熔點(diǎn)較低，在高溫鑄造時(shí)擁有很高的流動(dòng)性，產(chǎn)品的鑄造和加工性好，成本低。此冷凝式壁掛爐同樣采用了完全預(yù)混燃燒器，燃燒過(guò)剩空氣系數(shù)能降低到1.2，高溫?zé)煔庾陨舷蛳铝鲃?dòng)，水流自下向上流動(dòng)，相對(duì)不銹鋼產(chǎn)品的平滑表面設(shè)計(jì)，鋁制換熱器在燃燒室有針狀突起，水道中有換熱槽，優(yōu)化換熱效果并且有效增加換熱器的單位熱負(fù)載,熱效率高達(dá)107%(按低熱值計(jì)算)，負(fù)荷調(diào)節(jié)達(dá)25%～100%，煙氣中CO含量低于1.010-4，NOx含量低于6.010-5，與常規(guī)壁掛爐相比節(jié)能10%以上，相應(yīng)CO2總排放量也減少10%以上。

在2008年度，鋁制換熱器的使用率已經(jīng)占到了歐洲冷凝鍋爐銷售量的57%左右，而且目前歐洲主要廠商的新品研發(fā)中均為鑄鋁式的換熱器。這正說(shuō)明，鑄鋁式的換熱器經(jīng)過(guò)了短暫的低潮以后其一些特點(diǎn)正逐漸為各大生產(chǎn)廠商所認(rèn)同。由此可知，冷凝換熱器的研制和全預(yù)混燃燒技術(shù)的研制是實(shí)現(xiàn)冷凝技術(shù)、低碳生活必不可少的兩部分。隨著世界范圍內(nèi)對(duì)節(jié)能環(huán)保的呼聲越來(lái)越高，在采暖行業(yè)中，冷凝式壁掛鍋爐的研制將是社會(huì)發(fā)展的一個(gè)必然的趨勢(shì)。為適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)將會(huì)加大力度研制冷凝式壁掛鍋爐，冷凝技術(shù)也必將會(huì)有新的突破。