【知识】冷凝式壁挂炉在国内的适应性探讨

摘  要：目前国内冷凝壁挂炉按燃烧方式分主要分为全预混冷凝壁挂炉和烟气回收型冷凝壁挂炉，本文从结构原理、材料、温度、寿命试验等角度分析了两种冷凝壁挂炉对国内气源、水源等实际用户环境的适应性。

关键词：壁挂炉；冷凝；适应性

1 国内冷凝壁挂炉现状

目前国内冷凝壁挂炉按燃烧方式分主要分为全预混冷凝壁挂炉和烟气回收型冷凝壁挂炉，由于欧洲等发达国家全预混冷凝壁挂炉已经成为主流机型，国内大部分生产厂家都认定欧洲壁挂炉的发展方式和结果是国内壁挂炉发展的向导。因此国内在全预混冷凝壁挂炉上大力投入和研发，一系列全预混冷凝壁挂炉以各大品牌核心技术的姿态登上市场舞台，但在几年的市场试探后发现：全预混冷凝壁挂炉在国内却不怎么受欢迎。消费者使用一段时间后发现漏水、噪音、堵塞等问题，其稳定性还不如常规壁挂炉。于是消费者将目光转向原装进口全预混冷凝壁挂炉，但是一段时间后也发现在欧洲使用得很好的原装进口全预混冷凝壁挂炉在国内却出现“水土不服”现象，与国内的全预混冷凝壁挂炉一样出现相同的质量问题。

2 两种结构的冷凝壁挂炉的工作原理

2.1 全预混冷凝壁挂炉的工作原理

全预混冷凝壁挂炉结构原理图如图1所示，燃气经过比例阀后进入预混腔与空气混合（前预混），混合后的混合气体由风机鼓入燃烧器燃烧，燃烧后的高温烟气经过热交换器快速换热、冷凝，剩余的废气由烟管排出。

水路闭路系统由水泵提供原动力，经由外部散热末端或板式换热器后的低温水流进入水泵，水泵提供动力后将水压入热交换器进行换热，流回到散热末端或板式换热器，如此循环、连续换热。

由于全预混燃烧壁挂炉在燃气燃烧前就已经将燃气与空气充分混合且燃烧的速度非常快，因此预混的燃气与空气的比例由控制系统精确控制，并且预混的比例是由控制系统预设的，其燃气的量是根据预混腔的压力变化即风机的转速控制的，空气量发生变化燃气量会根据控制系统预设的比例自动调整燃气的量。但是由于燃气热值的变化需要更多或更少的空气量时，此时的控制系统是无法分辨的，其空气量仍然按预设燃气热值所需要的空气进行匹配燃烧。

2.2 烟气回收型冷凝壁挂炉的工作原理

烟气回收型冷凝壁挂炉结构原理图如图2所示，其基本构架是在普通壁挂炉上增加了一个烟气回收冷凝装置，其燃烧和一次换热与常规大气式燃烧壁挂炉没有太大差异。其燃气通过比例阀调节后进入大气式燃烧器进行部分预混式燃烧，火焰呈淡蓝色。燃烧后的高温烟气经过无氧铜主热交快速进行一次换热，一次排放130℃左右的烟气进入二级冷凝热交换器进行二次换热，换热后烟温可降到65℃左右（当回水温度较低时，排烟温度还会进一步下降），然后排出室外。

烟气回收型冷凝壁挂炉的水路系统与全预混冷凝壁挂炉的水路系统没有太大差异，其工作原理相同在此不再赘述。

由于大气式燃烧器的空气与燃气的配比是由燃烧器的结构控制的，其配置比例不受控制系统的影响。这种传统经典的引射式燃烧器对燃气的热值、压力等具有自适应匹配性，其过剩空气系数的控制比全预混燃烧的要高。

3 两种结构的冷凝壁挂炉在国内的适应性探讨

3.1 对气源的适应性

(1) 全预混冷凝壁挂炉对国内气源的适应性

 由全预混冷凝壁挂炉的控制原理可知：全预混燃烧的燃气与空气的配比是由控制系统预设的，其匹配的步骤是安装人员到用户家中根据用户当时的燃气性质和烟气排放的参数进行匹配，其匹配的原始依据是燃气的热值。

众所周知，我国大部分地区特别是北方地区的燃气压力和热值是不稳定的，在采暖季节燃气成分和热值都会产生较大波动，当燃气热值偏高时CO排放明显升高，更重要的是燃烧不充分的状态下将会在热交换器的表面产生积碳效应，积碳会使热交换效率下降，加上冷凝水的作用热交换器的耐腐蚀性能也会有所下降，全预混燃烧火焰短、温度高再加上燃气中有部分硫化物将会大大加速热交换的腐蚀速度，因此用户使用一段时间后出现热交换器漏水、烟道堵塞等质量问题。当燃气热值偏低时，燃气中可能混有部分空气（气站压力不足），其燃烧配比逐渐向天然气爆炸极限（天然气与空气体积比5%～15%）靠近，壁挂炉同样不会处于正常燃烧状态，产生爆燃等燃烧噪音。

因此全预混冷凝壁挂炉的燃烧对气质成分要求较高，在欧洲其管路、设备、气质成分等都远远优于国内水平，所以在欧洲全预混壁挂炉的能效、排放等指标能达到实验室设计水平，更重要的是使用稳定性和寿命也都能达到设计时的要求。就在上述条件都满足的情况下售后服务系统还会对全预混壁挂炉的热交换器中的杂质（主要是积碳和热交换器被腐蚀后的残留物质）等进行定期维护、清理。

在国内气源条件、售后服务系统跟不上的情况下原装进口全预混冷凝壁挂炉才会出现“水土不服”的现象。

(2) 烟气回收型冷凝壁挂炉对国内气源的适应性

在国内普通大气式燃烧壁挂炉市场保有量在500万台以上，其使用性能和可靠性已经得到市场和广大消费者的认可。由烟气回收型冷凝壁挂炉结构原理图可知：其燃烧系统与普通壁挂炉是一模一样的，其大气式燃烧器对气源热值、压力变化有很强的适应性，其空气系数控制得比较高（a=1.8左右），当燃气热值发生波动时燃烧器的一次与二次空气系数会自动匹配使燃烧始终处于正常燃烧状态。

3.2 寿命分析

(1) 材料及温度

全预混冷凝壁挂炉的寿命瓶颈仍然在冷凝热交换器，其材料主要有不锈钢和铝材，不锈钢的导热系数很低，在热流传递方向上的温度梯度值较大。全预混冷凝热交换器内表面多为光管、光滑表面，在材料的厚度方向上温度由上千度高温瞬间下降到100℃左右的温度，其热胀冷缩疲劳强度很大，对材料的寿命有一定影响。而承受大疲劳强度这一部分材料还要对水路侧起到密封作用，因此一旦发生疲劳、腐蚀就很容易漏水。铝材的导热系数较高，热不均匀性要好得多，但铝材本身的材料防腐性能又不如不锈钢，因此做冷凝热交换器其寿命还不如不锈钢寿命长。

烟气回收型冷凝壁挂炉燃烧为大气式燃烧，其燃烧温度要低于全预混燃烧，一次主热交换器的材料为无氧铜，其导热系数远远高于不锈钢和铝材，因此在热流传递方向上的温度梯度值要远低于全预混冷凝热交换器，因此其热胀冷缩疲劳强度相对较小。一次主热交换器为管翅片结构，其热流梯度大的地方在翅片上，而翅片是不承担水路密封作用的。假设在条件下翅片损坏，其一次主热交换器也不会因漏水而无法使用。

然而无氧铜（即使在外层加了涂层）是不具有防腐性能的，因此国家标准明确规定普通壁挂炉的排烟温度不得低于110℃，保证了一次热交换处不会产生冷凝水。烟气回收型冷凝壁挂炉在一次排烟之前的燃烧换热系统与普通壁挂炉是相同的，因此其一次侧的排烟温度设定在130℃，这样就有效地保护了一次主热交换器的寿命。当130℃烟气进入不锈钢二级换热器时水蒸气开始冷凝，但其换热强度、温度、温度的不均匀性等已经远远低于全预混冷凝热交换器，因此其可靠性和寿命远远高于全预混冷凝热交换器。图3为全预混冷凝热交换器内部光滑圆管结构，图4为烟气回收型一次热交换器管翅片结构。

  (2) 冷凝水的PH

无论是不锈钢、铝材或者是无氧铜其材料被腐蚀的主要原因是：水蒸气在冷凝的过程中溶解了烟气中部分的CO2、NOx、SOx等，使冷凝水中含有碳酸、硝酸、硫酸等物质。这些酸性物质会对各种材料造成不同程度的腐蚀，而且其酸的浓度（表征温溶液的PH）越高腐蚀性越强。

由于全预混冷凝壁挂炉的燃烧空气系数控制在1.3左右，烟气回收型的空气系数控制在1.8左右，因此燃烧后烟气中的CO2、NOx、SOx的浓度要比全预混冷凝壁挂炉低，溶解在水中的酸性物质也相对较少。试验测试发现全预混冷凝壁挂炉的冷凝水的PH在3～4左右，而烟气回收型冷凝壁挂炉的冷凝水的PH在4～6左右，因此烟气回收型冷凝壁挂炉的冷凝水的腐蚀性要弱一些。空气系数的不同也是两种结构壁挂炉的高能效差异的主要原因。

(3) 寿命试验比较

冷凝式壁挂炉的寿命主要决定于冷凝热交换器，因此我们对全预混和烟气回收型的冷凝热交换器进行了对比分析。经第三方国家检测机构检测，每天以大负荷工作8小时，5个月耐久试验后两种结构冷凝热交换器（材料均为不锈钢）腐蚀程度见图5、图6。

由耐久试验分析可以看出：在同等耐久试验条件下全预混冷凝热交换器被腐蚀的较为严重，内表面不锈钢材料开始脱落，大量的积碳、硫化物等附着在冷凝热交换器上。而烟气回收型冷凝热交换器的受腐蚀程度较轻，不锈钢材料还处于光亮状态，甚至氩弧焊接接头位置也保存得相当完好。