技术探讨

机械式强排燃气热水器热效率的提高及应用

一、引言
    随着社会经济建设的发展、人民生活水平的提高和农村城镇化进程的加快,人们生活中对热水用量的需求越来越多。生活用热水消耗的能源在普通居民的能耗中的占比越来越大,燃气热水器的节能问题日益受到人们的重视,怎样提高燃气热水器热效率成为当前燃气热水器行业的一个重要课题。

二、机械式强排燃气热水器结构特点介绍
    机械式强排燃气热水器属于强排式燃气热水器的一种,其主要特点就是风机位于机器的上端,采用抽风的形式获取参与燃烧的氧气。空燃比控制方式多为机械式,也有电子式的。本文主要介绍机械式控制的机型,其燃气气路系统由如下几部分组成:气阀体(含气阀芯)、分配器(含喷嘴)、燃烧器。燃气流量的大小是通过气阀芯来调节,风机风速多为单一转速,两者无法实现联动。即不论机器是在全负荷状态下还是在半负荷状态下,风速都是一样的,为燃烧所提供的空气都是一样多。这样在半负荷状态下就会有太多的过剩空气,多余的过剩空气会带走太多的热量,因而半负荷的热效率不会太高。

三、影响热效率的关键因素
    影响燃气热水器热效率的因素有很多,核心因素就是热交换器本身的热交换能力,其他比如过剩空气的匹配,减少热量损失等等,这些因素之间相互关联,互相制约。同时对燃烧性能有较大影响。
1. 首先来看核心因素:
    燃气热水器热交换器换热由两部分组成,一部分为烟气流经肋片管的对流换热(约占总换热量的80%),另一部分为燃烧室高温烟气向燃烧室壁面的辐射换热(约占总换热量的20%)。
    1.1下面我们来探讨第一部分:烟气流经肋片管的对流换热。
    高温烟气流经肋片管时,肋片如果不加扰流冲花或者冲花位置不当,就会造成高温烟气直接被风机抽走,只有直管下半部因阻挡到高温烟气的而产生强烈的对流换热,而直管的上半部分因为接触不到高温烟气,从而进行对流换热的效果不好,这样烟气流经肋片管的对流换热就会大打折扣,从而热效率较低。
    根据此种情况,更换另外一种肋片,此肋片增加了扰流冲花,改变高温烟气走向,使其能绕到直管的上半部分,从而增加了直管上半部分的对流换热,提高换热效率。具体试验数据见表一:
    由以上数据可以看出,肋片增加扰流冲花对热效率的提升起了相当大的作用。图2方案中的数据可以看出,过剩空气系数α=2.17有点偏高,且烟气中CO含量不高,这说明热效率还有提升的可能,可以将集烟罩的风口再缩小一点,将过剩空气系数α降到2.0左右,如果烟气不超标,效率还将有所提升。
    另外肋片管换热另一个关键的因素是肋片与直管的紧密结合程度。
    通常这类机型所用的热交换器都是浸铅工艺做出的,大致的工艺过程是直管套在肋片上后,先涨管,让直管与肋片接触更紧密,再通过浸铅工艺,让铅锡料填满直管与肋片间的细微间隙。如果这个工艺过程做的不好,也会导致热效率的降低。判断制造工艺是否良好可以将做好的热交换器剖开,用放大镜去观察间隙是否填满。
    1.2关于另一部分:燃烧室高温烟气向燃烧室壁面的辐射换热
    这个换热主要是在水箱壁与盘绕在壁面的水管之间完成,这个热效率的提高主要是靠加工工艺来保证,要保证壁面的平整度,保证盘管在制作和运输过程中不产生变形,合理利用工装将水管与壁面的缝隙用铅锡料均匀的填满。这些细节之处都是保证热效率的关键所在。
    2. 其次来看第二因素:燃烧空气的匹配
    提高热效率还有一个方法就是降低过剩空气,一般燃气热水器的过剩空气系数α取在1.4-2.0之间,但对于这种机械控制的上抽机型来说,过剩空气系数α取在2.0左右比较安全,也就是干烟气中氧的含量在10.5左右。
    为某种机型的集烟罩与其风口的示意图,测试时发现这个机型热效率偏低,只有85%左右。
    以上数据可以看出,图3方案中效率太低,排烟温度过高。
    方案中,在图3方案上增加了分配板。上抽型燃气热水器因为结构的原因,高温烟气在流经换热片时分配不均匀,大部分集中到风口的位置,导致此处烟温过高,氧气太少,热量流失较快,影响换热热效率,而烟罩两侧的位置烟气较少,氧含量大,烟温低,也不利于换热。此分配板最主要的作用是改变了高温烟气的流向,将高速集中冲向风口的高温烟气阻挡,让烟气流向风口两侧,让高温烟气流经换热片时分配均匀,提高热效率。同时减少了过剩空气,也有利于热效率提高。
    方案中,在图4方案的基础上,再次减少风口面积。此改进只是单纯的减少过剩空气,使得过剩空气系数α降到了1.68 。这样改进会提高热效率。但因为过剩空气太少,已经影响到了燃烧器的燃烧工况,导致烟气中的CO值偏高。
    综上所述,以上改进方案虽然让热水器各项指标都符合了标准的的要求,但显然并不是最佳的整改方案,他的缺点在于虽然提高了热效率,但过剩空气太少,不能保证良好的燃烧状况,当燃气热值或者气压等因素改变时,极有可能会导致烟气中CO超标。其实此款机型之所以热效率这么低,主要原因还是换热器中肋片的形状有关。它的肋片没有任何扰流的冲花(见图6),改进的重点应该是在肋片上增加扰流冲花来提高热效率。如做成图7所示的形状,在直管间中上方增加三角形的压型,干扰一下烟气的走向,热效率应该会有较大提升。
3、半负荷的热效率:
    机械式燃气热水器由于风机大多单一转速,在负荷变小时,风机风速并没有随之改变,匹配的风量过剩,一般热效率都较低。如果采用双速电机,在热水器负荷降至半负荷时,切换到低风速供风,匹配的合适的话,半负荷热效率甚至会高过全负荷效率。这里需注意一点,就是设计时要将半符合的状态设置在全段的状态下,如果设置到了单段的状态,风速就不能是低速了。因为单段燃烧时,前压会变大,相对于单排燃烧器来说,燃气量加大,火焰特别高,原因是二次空气不足了,此时应该用高风速来降低火焰高度,这样热效率反而更低了。
4、天然气机型与液化气机型热效率的区别
    1.表三数据中的天然气机型和液化气机型用的是相同的硬件结构,区别仅仅是喷嘴的规格不同。从低热值计算的热负荷来看,液化气比天然气负荷高,应该O2会更低些,CO会更高些。但是从表三中O2、CO等燃烧指标来看,似乎两者区别不大。为什么会有这样的现象呢,这是因为标准中计算的热负荷是按照低热值来计算的,如果按照高热值来计算,两者的热负荷是一样的,参见表三数据。实际上两者的热量输入是一样的,所以烟气的指标也就表现的相差不大。
    2.为什么同样的条件下,液化气会比天然气的效率低?
    从表三数据也可以看出,相同的条件下,液化气机型的效率要比天然气的低2-3个百分点。而实际上热效率应该是一样的,之所以有差别是因为热效率的计算公式是按低热值计算的。如果按照高热值计算,两者是一样的。因为同样的总热量下,天然气的低热量少,液化气的低热量多,而在热效率的计算公式中,低热量是在分母的位置,所以看起来似乎是液化气机型的热效率更低。
    所以,如果是用同一种结构来做天然气机型和液化气机型,天然气机型二级能效的热效率至少要做到91%-92%,才能保证液化气的热效率能符合二级能效的标准。

四、结束语
    综上所述,我们不难看出,热交换器的换热能力是影响燃气热水器热效率的关键因素,而肋片的形状又与热交换器的换热能力息息相关,把这一部分做好,再合理的调配过剩空气,整个燃气热水器就将获得比较理想的热效率。

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