摘要：本文针对国内壁挂炉行业普通壁挂炉效率不高、全预混冷凝壁挂炉价格过高的现状，提出了一种新机型——简易冷凝壁挂炉，主要介绍了其工作原理和产品设计过程的难点问题，并结合试验数据提出了自己的解决办法。

　　关键词：简易冷凝、潜热、腐蚀、效率、流量

　　一、前言

　　随着国家供暖体制的改革和能源结构的调整，人们的供暖观念也发生了很大改变，高效清洁的壁挂炉作为家庭采暖设备的广泛应用已经成为一种趋势，并逐渐进入百姓家庭。《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》GB20665—2006中明确规定了家用燃气采暖热水炉供暖及供热水的热效率不低于84% (按低热值)，否则不能上市销售;目前国内外知名企业的燃气壁挂炉效率都已达到了88%以上，用传统的方法进一步谋求热效率的提高已非常困难，必须考虑利用降低排烟温度，充分回收烟气中的余热直至潜热来提高热效率。在欧洲更为高效的全预混冷凝壁挂炉已逐渐普及并占据了相当大的市场份额，也一直保持着较高的增长速度。近年来，我国政府也陆续出台了相关法律和政策，鼓励和要求推广高效、节能、绿色环保的节能产品，但效果一直不明显，原因就是欧洲普遍使用的全预混冷凝壁挂炉成本太高，市场售价远远超出了绝大部分中国家庭的消费能力，国内壁挂炉行业也没有一个厂家掌握全预混冷凝换热器的核心技术，已经成功开发全预混冷凝壁挂炉的厂家，其核心零部件均直接采购自欧洲，成本与欧洲进口产品相比不具有价格优势。在这种情况下，开发一种过渡产品——简易冷凝壁挂炉，成为解决上述尴尬境地的不二办法。

　　二、原理

　　简易冷凝壁挂炉是在普通壁挂炉的基础上增加一个二次冷凝换热器，通过两个换热器充分吸收燃气燃烧产物—— 烟气中的显热及水蒸气的潜热，以达到冷凝效果。燃气的热值是指标准状况下1M3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1M3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1M3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k mol容积相等的前提下，每燃烧1M3的CH4可以得到2M3水蒸气，同时放出一定热量△H。CH4的高热值Hh=39842kJ，低热值Hl=35906kJ，2 M3水蒸气凝结放出潜热39842-35906=3936kJ。汽化潜热与低热值的百分比：

　　(3936/35906)×100%≈11%

　　也就是说，当该燃气燃烧提供lOOkW的显热时，同时也提供了1lkW的潜热。冷凝式燃气壁挂炉就是要将排烟温度尽量降低，使烟气中水蒸气液化，回收这部分潜热，同时也更多的获得烟气中的显热，从而大大的提高热效率，一般可提高10%左右，壁挂炉效率按低热值计算就可能超过100%。

　　三、简易冷凝壁挂炉设计难点

　　1、冷凝换热器的选材

　　大家都知道燃气热水器早已经通过增加二次换热器实现了冷凝燃气热水器，但热水器由于使用时间较短，产生冷凝水量较小，因而对二次换热器的耐腐蚀性能要求不高，但壁挂炉在供暖季每天要使用至少十几个小时，使用过程中会产生大量的冷凝水，因而对二次换热器的耐腐蚀性要求特别高，普通的冷凝换热器根本不适用于壁挂炉，如现行热水器普遍采用的铜合金换热器表面镀防腐层的做法，其防腐性能有限，满足不了壁挂炉对二次冷凝换热器的防腐性能要求。得益于欧洲全预混冷凝换热器的灵感，目前所知以不锈钢和铸硅铝材料最佳，因材料性能和加工工艺的限制，铸硅铝换热器必须有较大的体积(主要指较大的换热面积)才能满足换热效率的要求，而基于整机布局的要求，二次冷凝换热器一般要求体积较小;不锈钢材料的杰出代表—不锈钢波纹管具有壁薄且容易成型的特点，因而成为二次冷凝换热器的首选材料。为了满足壁挂炉防腐性能的高要求，选用壁薄且容易成型的304或316L不锈钢波纹管做成不锈钢盘管二次换热器，既能达到冷凝壁挂炉的一级能效标准96%，又能有效解决冷凝水对二次换热器的腐蚀，且换热器本身体积较小，方便整机布局。

　　2、回水温度较高，效率难以达到一级标准

　　由于壁挂炉的供暖系统是一个完整的回路系统，从机器流出的高温热水经过散热器与房间空气换热后还有一定的温度，这种低温热水回流到机器中，通过二次换热器与高温烟气换热。有物理学常识知道，两个物体之间，温差越大，传热越快;温差越小传热就越慢。由于供暖回水温度相对于自来水温度较高，其与高温烟气的温差较小，换热效果就会大打折扣，最终导致排烟温度较高、整机效率较低。一般情况下，降低排烟温度，提高换热效率的方法有两种，一是增大换热器面积，二是增加扰流挡板，加大排烟阻力，打破烟气紊流平衡，使烟气与供暖回水有更充分的时间进行换热，很明显提高效率的最有效办法就是加长不锈钢盘管二次换热器的波纹管长度，增大换热面积，但整机的结构和成本又不允许这么做;那就只能采取第二种办法——增加扰流挡板，让高温烟气在冷凝换热器里面多呆一段时间，使其与波纹管内供暖回水充分换热后再排出机器，比如说增加一个扰流圆筒，增加扰流圆筒前后参数对比如下： 检验项 不带扰流圆筒 带扰流圆筒 烟温(℃) 82.4 72 O2(%) 11.3 7.0 CO(ppm) 84 180 负荷(kW) 26.2 25.9 效率(%) 94.4 99.5 上表可以看出：增加扰流圆筒可以有效打破烟气紊流、减缓排烟速度，使烟气与波纹管内回水充分换热，降低排烟温度，从而明显提高换热效率。

　　3、增加二次换热器可能增加供暖回路阻力，减小水流量，实际使用功率达不到设计功率

　　由于在供暖回路当中增加了一段不锈钢波纹管冷凝换热器，波纹管本身阻力又比较大，所以会明显增加沿程阻力，降低供暖回路的水流量，机器所能提供的输出功率也就受到了限制，机器燃气比例阀会根据实际功率需要降低燃气量，机器几乎不可能达到设计最大功率，也就是说机器在中、小负荷状态下就能满足系统需要，产品的大功率设计在实际运行当中根本用不上，浪费了产品的零部件功能，其结果会造成用户使用过程中室内温度升高较慢，既费气又不舒适。考虑到机器内部沿程阻力最大的地方就是波纹管，要加大水流量还应该从二次换热器着手，比如说两根波纹管并联代替原来的一根波纹管，总的有效长度不变，但沿程阻力却能有大幅度的降低，供暖水流量得到有效提高，既能保证其原有的高效率，又能有效解决水流量较小的问题。两根波纹管并联和一根波纹管前后参数对比如下： 检验项 一根波纹管(约6m) 两根波纹管并联(共约6m) 烟温(℃) 72 69 负荷(kW) 25.9 25.5 效率(%) 99.5 99.7 出回水温度(℃) 82.6/32 81/31.6 水流量(L) 7 11 上表可以看出：两根波纹管并联作为冷凝换热器，在保证各参数满足要求的情况下，可以显著提高水流量，有效解决单管水流量较小的问题。

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