烟气余热回收器在冷凝燃气采暖热水炉上的应用
2014-07-18 17:02 来源：来自互联网，中国壁挂炉网编辑发布 浏览量：8339
摘要：本文分析了烟气余热回收技术，并对不同类型的烟气余热回收器从结构、材料等方面进行了分析、对比，结合在燃气采暖热水炉上的应用条件，为烟气余热回收器在冷凝式燃气采暖热水炉上的应用提供了参考依据。
关键词：烟气余热回收；换热；二次换热器；冷凝；燃气采暖热水炉
1、引言
在当今社会里，节能已成为继煤炭、电力、石油和天然气之后的“第五能源”。家庭采暖行业为能源消耗的大户，作为热源的燃气采暖热水炉的高效节能、环保成为整个行业的发展方向，节能环保技术成为行业当前的第一要务。目前国际主流技术是全预混燃烧技术，但由于全预混燃烧对空燃比的要求高，我国区域性燃气成分差异大、压力不稳，再加上全预混冷凝炉的成本居高不下，故全预混燃烧在中国的推广有一定的区域局限性。
根据GB20665-2006《燃气热水器能效等级》，常规机型测试一般采暖热效率只能达到88~90%之间。国内一些大品牌及国外的一些进口机型，热效率可以做到欧洲三星能效，最高也只能做到93%左右。卫浴的热效率按照能效等级要求，一级能效需要达到96%以上，在常规机型的基础上改善，很难满足一级能效的要求。为了解决上述问题，进一步提高热效率，达到节能降耗的目的，就出现了烟气余热回收技术。
烟气余热回收主要是通过某种换热方式将烟气携带的热量转换成可以利用的热量，是一项重要的节能途径。通常一次排烟温度有130~150℃，烟气余热回收技术将这部分余热作为回水的预热，可有效提高热效率。这样既可以直接降低运行成本，增加经济效益，还可以减少对环境的污染。
2、烟气余热回收技术
排烟热损失占全部热损失的60%—80%，是各项热损失中最大的一项，是影响燃气采暖热水炉热效率高低的一个重要因素。如何降低排烟温度，减少排烟热损失，提高热效率，是设计及改造中的一项极为重要的工作，是实现低碳排放、节能降耗的有力体现。
烟气余热回收技术原理即是把烟气中的余热和相变潜热通过烟气余热回收器，将热量传递到锅炉回水端，提高回水温度，从而大大提高采暖热水炉的热效率。烟气在一级换热器中主要放出显热，一次排烟温度在130~150℃左右后进入烟气余热回收器，烟气进一步冷却，并在换热器表面低于烟气中水的露点温度下，烟气中的水蒸气冷凝，放出潜热，烟气出口温度可降至50℃左右。冷凝液通过下部的冷凝液收集器排出器外，可经过处理后排出。
以天然气为例，天然气主要成分为CH4。燃烧化学反应式为：
CH4+(2+n)02=C02+2H20+n02+△H
在理想状态下，式中n应等于O，即空燃比系数等于l，即每燃烧lm3的CH4。可以得到2m3水蒸气，同时释放一定热量△H。CH4的高热值Hs=37.78MJ/m3，低热值Hl=34.02MJ/m3，水蒸气凝结放出潜热37.78-34.02=3.76MJ/m3。汽化潜热与低热值的百分比：(3.76／34.02)×100％=11％。也就是说，当该燃气完全燃烧提供100kW的显热时，同时也提供了llkW的潜热。所以不管是冷凝式燃气燃气采暖热水炉还是冷凝换热燃气采暖热水炉都是要将排烟温度尽量降低，来提高热效率，基于理论状态以低热值计算最高的热效率可以达到111%。
经实验验证，使用烟气余热回收技术的壁挂炉的实际热效率与排烟温度成正比关系，对应关系如下图1：
图1
烟气余热回收技术除了可大幅度节约能源外，由于冷凝的作用，排入大气的有害物质也将大为减少。因此，利用烟气余热回收技术除了节能外，排烟将更加符合环保要求。
3、二次换热的结构
对于烟气余热回收进行二次换热，烟气余热回收器目前有两种形式，一种是内置式（图2），与燃气采暖热水炉整机一体化；一种是外置式（图3），独立于燃气采暖热水炉外部。
3.1内置式烟气余热回收器
一般采用内置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉，燃气采暖热水炉需要的横向面积比较大，而且一般情况下，由于体积的限制，换热器的体积要求做得比较小，就会出现换热器里面的流道小，从而会加大燃气采暖热水炉中的水阻，并且容易结垢堵塞。
强排机型一般都是同轴烟道结构，空气进风口一般位置都在顶部，采用内置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉，由于烟气余热回收器的位置通常都安置于排烟罩的上部，就会出现空气往阻力小的方向流动，阻力大的方向空气量不足，最终出现黄焰火及燃烧不充分、烟气偏高等现象。通常出现此类型的情况，都会使用扰流板来解决空气分配的问题，达到空气分配均匀。
采用内置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉的优点是一体性强，结构比较简单，成本会比外置式的低；缺点是内置式的冷凝燃气采暖热水炉的空间会比较紧凑，日后维修保养比较困难。
3.2外置式烟气余热回收器
现在冷凝换热的燃气采暖热水炉也有采用外置式的，把烟气余热回收器作为一个独立的单元，把它外置于燃气采暖热水炉的外部，通过烟管把两台机器连接在一起，烟气在烟气余热回收器中进行换热后，通过同轴烟道排出外界。
外置式的烟气余热回收器，可以不受原来的燃气采暖热水炉空间限制，而且外置的燃气采暖热水炉可塑空间很大。可以根据机型的功率不同，随意调整烟气余热回收器的大小，经过外置式烟气余热回收器换热后，一般排烟温度可以达到67℃，而且能效在采暖是可以达到95%，洗浴是可以达到97%，效率最高时可以达到103%。
采用外置式烟气余热回收器的燃气采暖热水炉的优点是外置式可以在原有的产品做延伸，通用于不同功率的机型，日常保养维护方便；缺点是成本会较内置式的要高。
4、烟气余热回收器材料分析
4.1冷凝式烟气余热回收器因常在凝露点以下温度工作，工作时容易出现腐蚀穿孔或腐蚀产物对通道的堵塞,影响换热效率和使用寿命；还会堵塞后排烟不畅，导致整机风压差报故障或烟气超标等。
冷凝水组份分析如下：
SO42-120mg/L
NO31-140mg/L
CL1-56mg/L
CO32-106mg/L
PH3.0
据国际铜业协会报告指出，当水中含盐酸根≥200ng/L，硫酸根≥100mg/L，或硝酸根≥100mg/L时，水便具有腐蚀性。要求烟气余热回收器在材料上能够防止水蒸气冷凝液的腐蚀作用。
4.2烟气余热回收器材料的选用主要受热传导系数、防腐性能及加工难易程度等方面的影响，通常情况下常用的烟气余热回收器的材料有用铜、不锈钢、铝三种不同的材料。
金属的热传导系数：
热传导系数的定义为：每单位长度、每K，可以传送多少W的能量，单位为W/mK。其中“W”指热功率单位，“m”代表长度单位米，而“K”为绝对温度单位。该数值越大说明导热性能越好。以下是几种常见金属的热传导系数表：
银429
铜401
金317
铝237
铁80
锡67
铅34.8
不锈钢：15-18
4.2.1铜制烟气余热回收器
由于铜制烟气余热回收器（图4）传热性能最好、加工容易，目前已在业界使用，特别是在热水器上应用较为普及，但由于防腐性能未获得突破，在燃气采暖热水炉上应用，只有北京建筑工程学院研制出镀镍的铜烟气余热回收器防腐性能较为优异，但成本大幅上升，较难推广普及。
铜的导热系数是401W/mK，采用铜烟气余热回收器的优点就是铜的导热系数高，加工容易，换热器体积可以做的很小，所以燃气采暖热水炉的体积可以做的相对较小。
铜的防腐蚀能力差，采用铜烟气余热回收器的缺点就是长时间在低温段工作，烟气余热回收器上很容易出现腐蚀（图5），腐蚀物粘附在肋片表面上，阻塞烟道。蓝绿色的腐蚀产物主要是硫酸铜，堵塞后出现排烟不畅，影响正常工作；还有更严重的是换热器被腐蚀，出现漏水现象。
4.2.2不锈钢盘管烟气余热回收器
由于不锈钢的防腐蚀性能佳，在燃气采暖热水炉上应用已有成功案例，不锈钢盘管的冷凝炉在欧洲已经开始有相应的产品面世。采用不锈钢盘管烟气余热回收器（图6），综合性能好，可耐多种介质腐蚀，具有很强的抗腐蚀性，有效避免冷凝水对换热器的腐蚀，而且不锈钢盘管加工容易，可以按照各种不同的技术要求，缠绕出不同的结构，给设计人员留下很大的设计空间。
但由于不锈钢的导热系数为15-18W/mK，导热系数低，采用不锈钢盘管烟气余热回收器在等同的换热效率的情况下，不锈钢制换热面积是铜制换热面积的22倍。因此不锈钢盘管烟气余热回收器体积会做的比较大，整机的外形尺寸也会随之变大。
4.2.3铝制烟气余热回收器
铝制烟气余热回收器（图7）是目前国内最先进的换热设备之一。它具有体积小、重量轻、换热效率高、坚固耐用适应性强等优点。铝的导热系数是237W/mK，所以使用铝制的烟气余热回收器的换热面积只需要铜的换热器的1.69倍，而且铝制品氧化后表面形成一层保护膜，具有很强的抗腐蚀能力。
缺点：铝制品的缺点就是加工工艺要求高，目前可以通过铸造或真空钎焊工艺进行加工。
由于不同类型的烟气余热回收器在燃气采暖热水炉上的应用都存在很多的局限性，所以在余热回收技术方面存在很大的发展空间。
5、结论
5.1外置式烟气余热回收器是在原有的产品做延伸，日常保养维护方便，有利于减少售后服务工作量；内置式烟气余热回收器成本低，有利于降低生产成本。
5.2通过对比铜、不锈钢、铝三种不同材料的烟气余热回收器优缺点，不难发现铝材料是三者之中最合适的材料，因为它具有体积小、重量轻、换热效率高、坚固耐用适应性强等特点，且铝材料防腐性能优异；不锈钢材料成本低、加工方便，防腐性能佳，但由于体积大，仅适用于外置式的烟气回收烟气余热回收器；铜材料防腐技术有待进一步研究。
5.3烟气回收的燃气采暖热水炉是大气式燃烧，对气体的依赖程度不高，适应性强，很好的解决了全预混燃烧冷凝采暖热水炉对气体稳定性要求高的问题。在中国这个气体区域性差异性大的自然环境下，无论采用内置式或者外置式的烟气余热回收器都是未来的重点发展方向。
[1]郭全,燃气壁挂锅炉及其应用技术,北京：中国建筑工业出版社，2008.
[2]GB/T13611-2006《城镇燃气分类和基本特性》
[3]GB25034-2010《燃气采暖热水炉》
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