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必然的趨勢。開發(fā)高效節(jié)能的冷凝式壁掛爐，已不單是為用戶節(jié)省開支，而是實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展觀的需要，而要實現(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具有強大的家庭中央供暖功能，能滿足多居室的采暖需求，各個房間能夠根據(jù)需求隨意設(shè)定舒適溫度，也可根據(jù)需要決定某個房間單獨關(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、廚房等場所使用。在歐洲，燃?xì)獗趻鞝t已有近百年歷史，是一個非常成熟發(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)點得到了人們的認(rèn)可，也成為最流行的采暖方式。目前國內(nèi)的壁掛爐市場格局主要由國產(chǎn)、合資、外資三部分組成，國內(nèi)壁掛爐發(fā)展的基礎(chǔ)也是基于國外的技術(shù)。在倡導(dǎo)低碳生活的今天，無疑給制造行業(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)省開支，而是實現(xiàn)國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的需要，實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展觀的需要。
對燃?xì)獗趻鞝t來說，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：
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，這是最簡便易行而可靠的方法。
二是合理分配輻射與對流受熱面。三是增加強化元件。
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主要特點是在設(shè)計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，對提高熱效率貢獻(xiàn)不大，這種設(shè)計就沒有多大的實際意義了。
因此，要想設(shè)計一個比較優(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方面：
首先，要清楚在冷凝式壁掛爐上實現(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)計中宜大于20℃。按我國供暖規(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，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，如果仍采用大氣式燃燒方式(過?？諝庀禂?shù)=1.7，露點49℃)與肋片管換熱器，則肋片頂端溫度便會升到56℃，排煙溫度會隨之升到70℃附近。均大于煙露點，水蒸氣一點也不會冷凝。研究指出：在兩用爐上要實現(xiàn)水蒸氣冷凝，只有采用完全預(yù)混低氧燃燒方式，使過剩空氣系數(shù)從1.7降到1.2，露點溫度相應(yīng)地從49℃提高到54℃，高于回水溫度。同時，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，出現(xiàn)水蒸氣冷凝，實現(xiàn)冷凝運行方式。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。這種做法是為了實現(xiàn)冷凝運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，因為排煙溫度一定要大于肋片出口頂端溫度。但是當(dāng)排煙溫度逐漸下降接近肋片溫度時，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。所以，正確選定排煙溫度設(shè)計值是一件重要的事，冷凝式壁掛爐設(shè)計時必須仔細(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，合理確定一個設(shè)計工作點。實驗證明當(dāng)排煙溫度為60℃時，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，冷凝放熱在提高熱效率上的作用是很顯著的。
其次，過?？諝庀禂?shù)對熱效率的影響也比較大，所以，必須要合理選擇過?？諝庀禂?shù)。過?？諝庀禂?shù)不一樣，煙氣中的水蒸氣的露點溫度也不相同。過?？諝庀禂?shù)越小，煙氣中的水蒸氣的露點溫度就越高，煙氣中水蒸氣的冷凝比額就越高，熱效率也就相對提高。實驗表明：在相同的排煙溫度下，過?？諝庀禂?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，這種改動需要付出較大的研發(fā)代價。所以，在冷凝式壁掛爐設(shè)計中，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，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，是一個性能優(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)計過程中，防腐蝕是一個必須要考慮的問題。防止酸性冷凝液的腐蝕：冷凝式壁掛爐的水蒸氣冷凝時首先生成水霧，均勻散布在水冷凝區(qū)的煙氣中。同時，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，從而對換熱器產(chǎn)生腐蝕。主要表現(xiàn)三個方面：
一是肋片管均勻腐蝕減薄，
二是肋片管表面出現(xiàn)點腐蝕，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，腐蝕對冷凝式壁掛爐安全運行帶來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行。
為了避免酸性冷凝液對換熱器的腐蝕，可以采用兩種方法：
一是在原來的銅肋片管換熱器的煙氣側(cè)表面浸涂有機耐溫防腐蝕涂料，
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暴需出其他問題?這是需要進行試驗驗證的，也是下一步試驗研究的一個重點。冷凝壁掛爐的問世，是在上世紀(jì)70年代末。1979年，荷蘭成功研制出了第一臺冷凝式燃?xì)獗趻鞝t，次年得到批準(zhǔn)使用。其后，英國、法國、德國、日本也開始研制冷凝式燃?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重要特點。下面將介紹幾種目前市場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肋片式的二次換熱器,通過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?？諝庀禂?shù)為=1.7，露點49℃壁掛爐在最小負(fù)荷下運行時，雖然供暖回水溫度會在30℃左右。相應(yīng)地，肋片頂端最高溫度會升到40℃左右，排煙溫度仍可保持在45℃附近，低于煙氣露點。所以，也會有部分冷凝水在肋片表面生成。但是壁掛爐在最大負(fù)荷下運行時，供暖回水溫度會在60℃左右。相應(yīng)地，肋片頂端最高溫度會升到70度左右，排煙溫度也保持在70℃附近，均大于煙露點，水蒸氣一點也不會冷凝。所以只能少部分提高熱效率，但這種結(jié)構(gòu)比較簡單，制造成本也相對較低。
(2)全預(yù)混倒置燃燒方式+整體式銅肋片管換熱器(見圖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)機送來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，點燃后在較小的燃燒空間內(nèi)燃盡。高溫?zé)煔庀蛳铝鲃?，?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。同時燃?xì)饪諝獗壤{(diào)節(jié)，數(shù)碼恒溫。燃燒過剩空氣系數(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流盤管式換熱器(見圖3、圖4)這種冷凝式壁掛爐在結(jié)構(gòu)上的一個重要特點是采用了由扁形不銹鋼管組成的輻射對流盤管式換熱器，其燃燒室是由不銹鋼盤管構(gòu)成，以便充分吸收燃燒時輻射放熱。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馈８邷責(zé)煔饬鬟^扁形不銹鋼管時，煙氣由于對流換熱的作用被盤管內(nèi)的水強烈冷卻。當(dāng)管內(nèi)水溫低于露點溫度時,在扁管外表面會產(chǎn)生冷凝水。從燃燒室盤管流出的煙氣，再進入由扁形不銹鋼管組成的冷凝段換熱器，煙氣進一步被冷卻后從排煙口流入大氣。同時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?？諝庀禂?shù)能降低到1.2，熱效率高達(dá)95%(按高熱值計算),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)前先進水平。
(4)全預(yù)混燃燒方式+鑄砂鋁式冷凝換熱器(見圖5、圖6)鑄砂鋁式冷凝換熱器是目前在歐洲發(fā)展時間最長，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不銹鋼很多，這可以耐受很高的壓力，保證鍋爐長期在高壓系統(tǒng)內(nèi)的穩(wěn)定運行以及鍋爐壽命。當(dāng)前的新款鑄鋁換熱器均為全水冷設(shè)計，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。對于大功率的商用冷凝鍋爐來說，鑄鋁的換熱器只有少數(shù)幾條平行水道，維護保養(yǎng)非常簡單。同時鋁材有其獨到之處：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)計上給出了較大的余地在抗腐蝕性上，不銹鋼和鋁各有特點：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堿性腐蝕的抵抗能力不強，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，長達(dá)40年以上的使用歷史也證明了這一點從原材料價格，加工性和加工成本上來看鋁具有絕對的優(yōu)勢：我國在鋁礦方面儲量豐富，需求不足導(dǎo)致鋁材價格長期穩(wěn)定在較低水平。另外，鋁的熔點較低，在高溫鑄造時擁有很高的流動性，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?？諝庀禂?shù)能降低到1.2，高溫?zé)煔庾陨舷蛳铝鲃?，水流自下向上流動，相對不銹鋼產(chǎn)品的平滑表面設(shè)計，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。這正說明，鑄鋁式的換熱器經(jīng)過了短暫的低潮以后其一些特點正逐漸為各大生產(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)對節(jié)能環(huán)保的呼聲越來越高，在采暖行業(yè)中，冷凝式壁掛鍋爐的研制將是社會發(fā)展的一個必然的趨勢。為適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展，越來越多的企業(yè)將會加大力度研制冷凝式壁掛鍋爐，冷凝技術(shù)也必將會有新的突破。