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节能冷凝式燃气热水器研究及其进展点击：1908 日期：[ 2014-04-26 21:53:28 ] |
| 节能冷凝式燃气热水器研究及其进展 蓝少健，朱冬生 (华南理工大学化学与化工学院，传热强化与节能教育部重点实验室，广东，广州，510640) 摘要：冷凝式燃气热水器是一种高科技高效节能的新产品，比普通燃气热水器节能10%以上，对于节约能源，提高燃气热水器产品的行业技术水平及市场竞争力都具有极其重要的意义。本文简要介绍了冷凝式燃气热水器的结构及工作原理，综述了冷凝式燃气热水器的研究进展，提出了冷凝式燃气热水器存在的问题及解决方案，最后展望了冷凝式燃气热水器的发展前景。 关键词：冷凝式；燃气热水器；节能 前言 近年来，随着我国经济的快速发展，我国能源供应不足的矛盾有所加剧，对国内生产和人民生活产生了负面影响。从我国长期能源供应情况来看，虽然我国煤炭资源总量还比较丰富，但是石油、天然气资源相对贫乏。因此，节能是缓解能源约束矛盾的现实选择，是解决能源环境问题的根本措施。2004年11月国家发改委向全社会发布《节能中长期专项规划》，规划的目标之一是：主要耗能设备能效指标到2010年达到或接近国际领先水平，其中家用燃气热水器热效率到2010年达到90%～95%。我国从20世纪70年代末开始生产燃气热水器以来，经过近40年的发展，我国居民家庭拥有燃气热水器约为7000万台，因而燃气热水器将是我国燃气方面节能的重点，存在着巨大的节能潜力[1]。 目前，普通燃气热水器效率已达到80～85%，用传统方法已无法进一步提高其热效率，然而利用特殊的换热器结构形式与制作工艺的冷凝式热水器至少可以比普通燃气热水器节能10%以上[2]，因而对节能冷凝式燃气热水器的研究更是重中之重。 1·冷凝式燃气热水器的结构及工作原理 如图1所示，冷凝式燃气热水器主要由燃烧系统、换热系统、抽排风系统以及自动和安全控制系统所组成。其整机结构主要包括燃烧器、换热器、凝结水收集器、排风机和自动控制、安全控制装置等部分[3]。 燃气燃烧可供利用的热量包括烟气的显热和烟气中水蒸汽的潜热两部分。普通型燃气热水器受其换热器结构的限制，排烟温度高，只能利用燃气的低热值部分；冷凝式燃气热水器由于排烟温度很低，不仅能够充分吸收烟气的显热还能吸收潜热，利用的是烟气的高热值。因此，冷凝式燃气热水器的热能利用效率可以大大提高。 冷凝式燃气快速热水器与普通式燃气快速热水器在结构上有很大的改变，主要在于换热系统的构造不同，为了充分吸收高温烟气的热量及收集凝结水，其一般采用二次换热方式，即有两个换热器，除具有普通燃气热水器的显热换热器外，还有一个冷凝热交换器。根据整机的结构特点，即在普通燃气快速热水器显热换热器的上方设置冷凝换热器，两者之间设置冷凝水收集器，同时采用中和剂对排放的冷凝水进行无害处理。工作时，高温烟气依次由下至上进入显热换热器和冷凝换热器，而水流方向正好相反，先经过冷凝换热器，冷水在冷凝换热器吸收高温烟气余热后，再进入主换热器吸收火焰显热，两部分叠加起来使它的热效率远高于普通燃气热水器。换热器吸收显热和潜热后烟气温度将降至常温，由上部烟道排出，为了安全可靠的排出烟气，冷凝式热水器采用强制排烟的方式排出烟气，因普通燃气热水器未考虑烟气潜热的利用问题，排烟温度必须高于烟气的露点温度以避免烟气中的水蒸汽的凝结，因此普通燃气热水器根本无法利用水蒸汽的潜热，相反，冷凝式燃气热水器希望烟气中的水蒸汽尽量多凝结，被加热的水吸收的潜热量和显热量就越多，其节能效果就越好。故冷凝式燃气热水器之所以能节能省气，完全是因为利用了普通燃气热水器作为排烟损失掉的热量，把排烟热损失变为了有用的热，这部分热量有效利用的程度决定了冷凝式燃气热水器的节能效果。 2·冷凝式燃气热水器的研究进展 2.1冷凝式燃气热水器的发展历史 早在20世纪中东石油危机之后，为节约能源，在欧洲便研制出了高热效率的冷凝式锅炉，其显著特点是热效率比常规设计锅炉提高10%以上。由于使锅炉的排烟温度降低到露点以上，烟气中大量水蒸汽冷凝并释放出汽化潜热，具有明显的节能效果，冷凝式燃气就是根据其原理研制而成。荷兰是最早研究这种热水器的国家，1979年第一台冷凝式热水器样机研制成功，1980年得到批准使用，其后英国、法国、德国、美国等国家也开始了相应的研究。1995年冷凝式热水器首先在欧洲使用，1997年12月联合国气候变化纲要公约第三次缔约国大会所采纳的要削减发达国家温室气体排放量的《京都议定书》，使欧洲国家及日本等国相应制定了严格的能效目标，修订了燃气热水器的能效标准，欧洲及日本政府采取产业支持和提供财政补助，为培养冷凝式燃气热水器需求市场起了很大的推动作用，加速了冷凝式燃气热水器的发展。日本在2002～2004年就已有一百多种产品研发成功，日本政府也大力支持冷凝式燃气热水器的推广与应用，日本政策规定，每售出一台产品政府给企业补助四万日元，希望2010年达到年产280万台冷凝式燃气热水器的产量[4]。另外，在欧洲许多大公司如A.O.SMITH、AERCO、VAILLANT等均有此产品生产，而且已广泛投入使用。在国内，万和、万家乐也从2004年开始推出冷凝式燃气热水器，而且目前国内已有其它公司也在开发冷凝式燃气热水器。 2.2冷凝式燃气热水器理论方面的研究 对于冷凝式燃气热水器热工性能方面，重庆大学、同济大学、北京建筑工程学院等都做了相应的研究工作。重庆大学的谭顺民、郑利平[5]等对冷凝式燃气热水器的节能效果进行了分析，通过实验表明天然气冷凝式热水器与普通燃气热水器相比，可节气13%。另外，重庆大学[6]也对改装的天然气冷凝式热水器进行了研究，对5L/min、8L/min、10L/min的冷凝式热水器的实验结果表明，其热效率可以比普通热水器净增12%，还对影响节能效果的因素进行了分析。同济大学的魏敦崧[7]等人通过对倒置冷凝式燃气热水器试验研究，结果表明冷凝式燃气快速式热水器采用燃烧器在顶部倒置的燃烧方式，可以避免冷凝水的下落对燃气燃烧及烟气换热的影响，不会对热水器的热效率产生影响，而且燃烧工况与原型热水器相近。北京建筑工程学院的艾效逸、王义[8]等对通过增设冷凝式换热器的方式，对10L/min的冷凝式家用燃气热水器和冷凝式热水炉进行了热效率测试，结果表明与相同条件件下的非冷凝式产品相比，热水器的热效率高出9%～10%。曹彦彬、艾效逸[9]通过实验，对塔板式换热器和肋片板式换热器的冷凝式换热器，伴随有水蒸汽凝结的烟气受迫对流换热过程进行了实验研究，得出有水蒸汽凝结时的烟气的对流换热系数远大于无凝结时的换热系数，可提高数倍，塔板式换热器的换热系数大于肋片板式换热器。 对于冷凝式燃气热水器防腐性能方面，各高校及科研单位学者同样做了相应的研究工作。同济大学的潘新新、魏敦崧[10]等人分析了电化学腐蚀的机理以及冷凝水的pH值、温度、溶存氧和溶解盐等因素对冷凝式燃气热水器腐蚀的影响，探讨了冷凝式燃气热水器腐蚀防护的措施以及提出以天然气作为气源，材料进行化学镀处理，采用倒置式换热器可减少冷凝区域酸性腐蚀。另外，魏敦崧、桂璐廷[11]等人选出合适的防腐蚀涂料，并对这些耐腐蚀涂料的冷凝式燃气热水器热交换器进行耐久性试验，结果表明低温段环氧酚醛涂层、高温段有机硅铝粉涂层的换热器具有很好的耐高温、防腐性能。北京建筑工程学院王随林[12]等分别对镀锡、镀镍、非晶态镍磷化学镀膜以及非晶态镍铜磷复合化学镀膜四种防腐镀膜换热器进行了实验研究，换热试验结果表明，在换热工况相同的情况下，换热性能从好到差的排序依次为：非晶态镍铜复合镀膜换热器、非晶态镍磷镀膜换热器、镀镍换热器以及传统镀锡换热器；而这种四种材料防腐性能好坏的排序亦是如此。国际铜业协会、广东万和集团以及重庆大学等单位及高校[13]，对冷凝式燃气热水器换热器低温段进行了防腐试验研究，结果表明，干粉环氧树脂的耐温与抗酸腐蚀性可以满足使用要求；另外还研究了冷水温度和防腐涂层对热水器热效率的影响，结果表明，有机防腐涂层对于热水器的热效率影响较小，热水器使用有防腐涂层的铜换热器时，在连续运行1200h以后，热效率下降为6.1%～8.5%。而在使用防腐金属材料方面，早在1996年，我国部分企业就提出了铝合金替代铜设想，并进行科技攻关。广东万和集团也在此方面做了深入研究，并在2007年做出了第一台铝合金替代铜样机，铝合金热交换器采用的焊料为铝硅，采用日本全自动进口整体焊炉，保证了肋片与水管结合紧密，提高了铝合金热交换器的整体换热能力，使铝合金燃气热水器比传统热水器更节能，在防腐蚀方面，铝合金在高温下会生成一层致密的氧化膜（或钝化膜），保护基体不被氧化和腐蚀。另外笔者所在课题组与广东万和集团正致力于研究以不锈钢材料替代铜材料以达到节能节材的目的，该项目已取得阶段性的成果。 3·冷凝式燃气热水器存在的问题 3.1冷凝换热器的酸性腐蚀问题影响冷凝式燃气热水器腐蚀的主要因素有烟气成分、水质的腐蚀性和结垢性、冷凝水的pH值、冷凝水温度、冷凝水中的溶解盐、溶解气体和传热过程等[14]。在冷凝式热水器上必须把烟气温度降到很低，因此不可避免会在换热器表面产生酸性冷凝液，并引起换热面强烈的酸性腐蚀。酸性冷凝液有两种：一种是在酸露点下产生的冷凝硫酸液雾；二是在露点下产生的酸性冷凝水。前者的腐蚀较后者强烈，危害更大。酸性冷凝液引起的腐蚀主要表现为：产生腐蚀产物粘附在换热表面上，引起排烟受阻，燃烧工况恶化，产生点腐蚀，严重时会引起水管穿孔泄漏，而且使换热片减薄，引起吸热量下降，同时，冷凝段产生的冷凝水也阻碍烟气的排出。防止酸性冷凝液的腐蚀是冷凝式热水器设计上的关键技术。目前，常采用两种防腐措施：一是在铜换热器表面浸涂防腐涂料；二是用防腐金属材料（如不锈钢，铝合金等）制作换热器。生产厂家大多采用前一种方法，原因是铜的加工与导热性能好，而且在制作铜换热器方面已积累了丰富的经验，相应的工艺设备已经完善，因此，加工成本会明显降低。前文已经提到，国内科研工作者经过近几年的试验研究，已经找到可用于冷凝式换热器上的几种有机耐温防腐涂料并在产品上使用，效果良好。另外，在防腐金属材料研究方面也取得了阶段性的进展。 3.2蒸汽的冷凝传热问题 在冷凝式热水器的冷凝段换热器上会遇到冷凝换热过程，这是一种具有相变的换热过程，当蒸汽和低于露点的壁面相接触时，在壁面上就会发生凝结，此时蒸汽放出汽化潜热而凝结成液体，凝结液成为一项新的热阻。由于汽、液之间界面上往往界限分开不明确，因此，对凝结过程的理论分析较困难，现有对冷凝换热的研究主要基于实验结果。制冷、动力等领域经常能遇到蒸汽的冷凝传热问题，这就使得这些介质蒸汽的冷凝器传热效能相对低，因而必须进行冷凝传热的强化。理论和实验数据都表明，凝结换热的热阻主要在凝结膜的表面，为了提高换热效率，必须设法加速凝结液的排泄，减薄液膜厚度。传统强化凝结换热的方法[15]主要有：粗糙表面法、采用各种形式的强化传热管以及应用纵向肋或凹槽等。 3.3其它制约问题 国内的冷凝式燃气热水器价格较贵，现在还无法到全民推广、取代传统燃气热水器的地步。除此之外，还有如下制约因素。首先是安装麻烦，目前国内的冷凝式热水器，安装时需要增加一条管道，专门用来排放冷凝水。按照现在国内的住宅条件，热水器习惯安装在厨房，多数消费者不会愿意在厨房的墙上打洞。其次是结构复杂，目前国内冷凝式热水器是在日本同类产品技术基础上，进行了部分改进。它具有两个换热器，内部结构比普通燃气热水器复杂很多，因此，在对机器的整体性能稳定方面的测试以及实用性改造方面还存在一些问题。最后是环保问题，由于烟气燃烧中产生大量有害气体CO、NOx，在冷凝成水时，含有大量的酸性物质，虽然在管道中采用中和物质进行无害处理，但是目前还不能做到100%的中和；另外，冷凝水排出室外后，对周围环境的污染也成为要解决的问题之一。 4·结语 冷凝式燃气热水器作为一种高科技高效节能的新产品，研究前景广阔，且对于节约能源，减少环境污染，提高燃气热水器产品的行业技术水平及市场竞争力都具有极其重要的意义。研究发展冷凝式热水器是进一步提高热水器节能，环保水平的有效手段与必然选择。虽然目前冷凝式燃气热水器还没达到全民推广，取代传统热水器的阶段，但只要通过不断地改进，提高产品性能，降低生产成本，将来一定可以加速产品的市场推广，使广大群众享受到科技进步带来的利益。 参考文献： [1]郑永新,叶远璋等.冷凝式燃气热水器[M].重庆大学出版社.2008:10 [2]张玉梅,刘永志.冷凝式燃气热水器热工性能的研究.煤气与热力[J].1998.18(3):38-40 [3]谭顺民,罗贤成等.冷凝式燃气热水器研究.天然气工业[J].2002.22(4):98-101 [4]卢文武.当前冷凝式燃气热水器技术特点及发展前景.现代家电[J].2005.22:50 [5]谭顺民,郑利平等.冷凝式燃气热水器的节能分析.煤气与热力[J].2003.23(5):287-289 [6]马祖林.冷凝式燃气快速热水器研究.重庆建筑工程学院学报[J].1993.15(3):94-98 [7]娄桂云,魏敦崧.冷凝式燃气热水器的试验研究.煤气与热力[J].2006.26(2):24-27 [8]艾效逸,王义等.高效燃气热水器的实验研究和分析.工业加热[J].2002(5):50-52 [9]曹彦斌,艾效逸等.伴随有水蒸汽凝结的烟气对流换热的实验研究.工程热物理学报[J].2000.21(6):729-733 [10]潘新新,魏敦崧.冷凝式燃气热水器的腐蚀防护.煤气与热力[J].2005.25(8):11-15 [11]桂璐廷,魏敦崧.冷凝式燃气热水器热交换器的防腐蚀研究.上海煤气[J].2008(1):34-36 [12]王随林,刘贵昌等.新型防腐镀膜烟气冷凝换热器换热实验研究.暖通空调[J].2005.35(2):71-74 [13]郑永新,赵恒谊等.冷凝式燃气热水器换热器低温段防腐试验研究.煤气与热力[J].2007.27(7):35-41 [14]郭联捷,刘卫东等.家用采暖热水两用燃气炉的利弊分析.建筑科学[J].2001.17(5):47-49 [15]郑永新,叶远璋等.冷凝式燃气热水器[M].重庆大学出版社.2008:39-42 |
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