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【摘要】在提高燃气设备能效水平、节能环保的能源趋势推动下，冷凝式燃气设备已经是燃气产品的一个发展趋势。本文笔者根据自己多年的工作经验，从换热器和换热方式、燃烧器、冷凝水的排处、燃烧烟气的排出、智能型控制这几方面浅谈了冷凝式燃气设备应用技术。
【关键词】冷凝式；燃气设备
引言
冷凝式燃气设备是通过特定设计的换热器充分吸收燃气燃烧产物——将燃具设备排烟温度降低到露点以下，使烟气中的水蒸气冷凝，吸收烟气中的显热及水蒸气的潜热的燃气设备，得到比常规燃具更多的有效热量。
冷凝燃气设备的关键技术在于提高热效率和防腐。通过利用强化燃烧及其他控制技术，提高燃烧效率和烟气温度。利用强化换热技术，二次换热技术提高热交换率。利用防腐技术，防止冷凝水对热交换器的腐蚀、利用中和技术防止冷凝水排放后对下水管道的腐蚀。
燃气的热值是指1Nm3燃气完全燃烧所放出的热量。热值分为高热值和低热值，高热值指1Nm3燃气完全燃烧后，其烟气全部被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量;低热值指1Nm3燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。由此可见，燃气的高热值与低热值之差就是水蒸气的汽化潜热。以天然气为例，天然气的主要成分为CH4，CH4的燃烧化学反应式为： CH4+2O2=CO2+2H2O+△H
由上式可见，在近似假定各种气体的摩尔容积相等的前提下，每燃烧1 Nm3的CH4可以得到2Nm3水蒸气，同时放出一定热量△H。通过计算，当该燃气燃烧提供100kW的显热时，同时也提供了11kW的潜热。冷凝式燃气设备就是要将烟气温度冷却到露点温度45-80℃，回收这部分潜热，同时也获得烟气中的大部分显热。
在提高燃气设备能效水平、节能环保的能源趋势推动下，冷凝式燃气设备已经是燃气产品的一个发展趋势。
一、换热器和换热方式
冷凝式燃气设备必须具有冷凝式热交换受热面，在研究设计冷凝式换热器时，主要考虑以下问题：充分回收烟气余热，提高热效率；构造合理，使用方便；成本低廉，制造容易。
1、换热器的形状
为了降低废气温度，应尽可能地缩小废气与载热体之间的温差。换热器采用光滑管子比采用翅状管或翅状换热器效果更佳。因为“翅尖”与“翅底”间有明显的温差，“翅底”的温度往往低于露点温度。此外，还应保证冷凝液在壁面上的流动通畅。
2、换热器的材质
尽管冷凝液呈弱酸性，但冷凝器仍应具有抗连续腐蚀的性能。防腐方法有二种：
(1)采用耐腐蚀材料：由于烟气中含有三原子气体RO2，RO2的主要成份是CO2和SO2 ，其冷凝液滴具有腐蚀性。至今，尚未试用普通钢作为换热器材质的报道，常用材料有铸铁(只用于集中采暖锅炉)及铜，较少采用的是不锈钢及铝，还有使用塑料的(与传统型集中采暖锅炉相结合的冷凝热回收器)。有的把塑料作为普通钢的覆盖层使用。
(2)使用涂料保护层，特别适用于铜材，这是因为铜的导热性能良好，并且便于冷加工，但铜比较容易腐蚀，因此选用时要注意有足够厚度。也可使用金属保护层或合成树脂。当使用涂层保护时，必须注意不使涂层有隔断裂缝，否则裂缝处就会发生腐蚀。
二、燃烧器的研究
首先要注意的问题是露点温度(废气中水蒸汽开始冷凝的温度)，该温度很大程度上取决于过剩空气量。要尽可能控制过剩空气量，使它保持最低值，以达到卫生标准，并使露点温度尽可能升高。因此，要求燃烧器在最小过剩空气量的条件下运行而不产生不完全燃烧。为此可有二种燃烧器供选择：
(1)大气式燃烧器：这种燃烧器一般用于旧式燃气设备上，同样也可用于冷凝型燃气设备，除设有废气抽出装置外，其过剩空气量约40(最低35%),因此运行调节比较困难。
(2)机械预混型燃烧器：这种燃烧器的过剩空气量为30%左右(最低10%)，是一种较容易调节的燃烧器。本研究选用先进的空气/燃气按比例控制的预混型燃烧器。
燃烧前将一定比例的空气和燃气混合，然后送入燃烧器进行燃烧。预混对完全燃烧起着至关重要的作用。预混系统根据需要设计风机的位置，风机位于排气口处称为引风式，风机位于进气口处称为强制式。引风式多用于热量在空气之间的交换，强制式多用于热量在空气和液体(水)之间的交换。强制式预混的优点还在于零部件的工作温度较低，因而使用寿命较长，以及燃气和空气的充分混合，改善燃烧效果等。
三、冷凝水的排处
冷凝液具有一定的酸性并含有一些有害物质，各国对其回收装置及排放有不同的规定。我们要根据燃气设备的具体情况，在单台换热器或第二组换热器的下面设置凝结水收集盘，其作用是将含酸的凝结水集中起来导入中和器中，中和器将冷凝水中和后排出设备。中和的方法是:可以在冷凝液加入镁，用于改变水质。
下图所示是设计收集冷凝水的方法，通常使用的是抗腐蚀的材料(如铝、不锈钢、塑料等)。
四、燃烧烟气的排出
(1)自然抽风(烟囱)：由于废气温度较低，所以自然抽力降低，故要有足够直径的排烟道。燃具也不应设置挡风排气罩，必须设安全装置，以防废气回流入加热装置。由于燃烧废气含湿量呈饱和状，故需使用铝、不锈钢等材料制作烟道或烟囱。
(2)平衡烟道出风口:平衡烟道出风口应向炉体倾斜，以便使冷凝液回流进炉子。
(3)机械抽风：在机械抽风装置的燃具上应设一安全装置，即当抽力不足时能阻止废气回流。目前较多采用的为风速计装置。当排风速度不够时，炉上附加进风口处所设的装置能阻止废气回流入燃烧室。机械抽风装置应使用耐腐蚀材料(铝、不锈钢等)，管道也应采用防止冷凝液泄漏的材料。
五、智能型控制研究
1、水温控制
贮水罐内的水温和输出量通过改变进出水量加以控制。进水有一控制器给定，而控制器是由作用于其上的偏差电压来支配，此偏差电压由实际水温与给定水温的差值所确定，其中实际水温由插入贮水罐中的传感器所测得。
这种控制系统主要有三种功能：
(1)相位控制触发器的功能是按规定的水温和罐中水温之差值，对进水加以调整。
(2)沸水炉的控制是按“接通”信号和“关断”信号传感器以及作用在多功能控制器上的信号，点燃或关闭燃烧器。
(3)发光二极管数字显示器，显示由“接通”信号的传感器测得的温度;并与表示热水器正在运行中的信号灯组成一控制单元。
2、燃烧控制
预混冷凝沸水炉的控制逻辑是典型的开路控制，控制面板检测到供水需求，对时间、日期、启动特性和进程等参数进行计算，然后把计算结果转化为PWM信号输出给电机、驱动风机以新的转速转动，产生新的压差控制气阀把适量的空气和燃气送入燃烧器燃烧。控制面板通过霍尔元件持续检测风机的转动，保持新的空气和燃气的混合比例。
结束语
以上笔者对冷凝式燃气设备应用技术进行了粗略探讨，由于篇幅和时间有限，还有许多不足之处，比如冷凝式燃气设备的热效率分析等，在今后工作中，笔者将继续研究。
参考文献：
[1]吴明华，王国志.冷凝式燃气热水器的热工性能实验研究[J].机械设计与制造, 2013(12)
[2]陈杰，张策茗.冷凝式燃气热水器冷凝器性能研究[J].能源与环境,2015(2)
论文作者:苗虎林, 张变霞,杨重平
论文发表刊物:《科技中国》2016年10期
论文发表时间:2017/1/4
标签：烟气论文; 换热器论文; 燃气论文; 热值论文; 温度论文; 燃气设备论文; 废气论文; 《科技中国》2016年10期论文;