摘要：冷凝式燃?xì)鉄崴髯鳛楦咝У娜細(xì)馊紵O(shè)備，具有較大的節(jié)能潛力，但由于目前國(guó)內(nèi)天然氣價(jià)格各地差異較大，其在不同地區(qū)使用后的經(jīng)濟(jì)效益差別也較大。為此，介紹了冷凝式熱水器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況，闡述了目前冷凝式熱水器所采用的換熱器結(jié)構(gòu)形式和原理，提出了防腐的技術(shù)對(duì)策，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)較為典型的城市天然氣價(jià)格及冷凝式熱水器的銷(xiāo)售價(jià)格，采用凈現(xiàn)值法對(duì)其進(jìn)行了節(jié)能效益分析，指出在目前民用天然氣價(jià)格條件下，冷凝式熱水器與常規(guī)熱水器相比，前者節(jié)能效果顯著，尤其在天然氣價(jià)格較高地區(qū)，冷凝式燃?xì)鉄崴餍试礁摺⑷萘吭酱?，其?jié)能效益就越顯著。

關(guān)鍵詞：冷凝式熱水器；換熱器；防腐；節(jié)能效益；效率；容量

    家用燃?xì)饪焖贌崴?span>(下簡(jiǎn)稱(chēng)熱水器)是民用燃?xì)獾闹饕脑O(shè)備。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)熱水器年消耗天然氣約170×10⁸m^3[1](非天然氣按熱值折算為天然氣)。熱水器能效國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 20665—2006于2007年7月]日正式實(shí)施，將熱水器能效等級(jí)分為3級(jí)，其中1級(jí)熱效率不低于96%，2級(jí)熱效率不低于88%，3級(jí)熱效率不低于84%，不符合國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)的熱水器禁止上市銷(xiāo)售。國(guó)家燃?xì)赓|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)家用燃?xì)饪焖贌崴鳟a(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果表明熱水器的平均熱效率為86.7%^[2]，其中煙道式和強(qiáng)排式的平均效率均為85%左右。因此，若將熱水器效率提高至1級(jí)水平，其節(jié)能潛力是非常巨大的。要實(shí)現(xiàn)1級(jí)能效水平，大力發(fā)展冷凝式熱水器是一條可循之路。

    冷凝式換熱技術(shù)最早被西方國(guó)家應(yīng)用于鍋爐。Carlyle Ashley 1928年設(shè)計(jì)了一個(gè)被稱(chēng)為“Weather-maker”的燃?xì)鈱?zhuān)利產(chǎn)品，這是第一個(gè)將煙氣中水蒸氣的冷凝用于采暖空調(diào)領(lǐng)域的高效率燃?xì)饧訜釥t。20世紀(jì)70年代早期的能源危機(jī)促進(jìn)了高效率冷凝式鍋爐的發(fā)展。整體式冷凝式鍋爐的大規(guī)模研究始于1978年，冷凝式熱水器是在20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的新一代高效節(jié)能熱水器，其工作原理和冷凝式鍋爐相似。需要說(shuō)明的是，歐洲國(guó)家的冷凝式熱水器，一般是指冷凝式兩用爐。荷蘭是最早研究這種熱水器的國(guó)家，1979年第一臺(tái)冷凝式熱水器樣機(jī)研制成功，1980年得到批準(zhǔn)使用，到20世紀(jì)90年代初期，冷凝式壁掛爐鍋爐除了具有傳統(tǒng)鍋爐的共性之外，更是在制熱機(jī)理上進(jìn)行了大革命與突破。其后英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)等國(guó)家也開(kāi)始了相應(yīng)的研究。在上述歐美等國(guó)，由于政府鼓勵(lì)，冷凝式燃?xì)獗趻鞝t的需求量不斷增加^[3]。目前，國(guó)外這種熱水器產(chǎn)品已占熱水器總量的1O%～15%。歐洲的熱水器市場(chǎng)已經(jīng)相對(duì)成熟，對(duì)冷凝式產(chǎn)品已經(jīng)建立了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，并采用標(biāo)簽等級(jí)的制度，根據(jù)不同的能效范圍劃分不同產(chǎn)品等級(jí)，同時(shí)各個(gè)國(guó)家對(duì)可在市場(chǎng)上出售產(chǎn)品等級(jí)的要求也越來(lái)越高。

    國(guó)內(nèi)對(duì)冷凝式熱水器的研制開(kāi)發(fā)相對(duì)較晚。在理論研究方面，同濟(jì)大學(xué)、北京建筑工程學(xué)院、重慶大學(xué)等都在熱工性能、防腐等方面做了相應(yīng)的工作^[4]。潘新新、魏敦崧等^[5]分析了電化學(xué)腐蝕的機(jī)理及冷凝水的pH值、溫度、溶解氧和溶解鹽等因素對(duì)冷凝式燃?xì)鉄崴鞲g的影響，提出了以天然氣為氣源，對(duì)材料進(jìn)行化學(xué)鍍處理，采用分離倒置式換熱器可減少冷凝區(qū)域酸性腐蝕的方案。曹彥彬、艾效逸^[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)塔板式換熱器和肋片板式換熱器在伴有水蒸氣凝結(jié)的煙氣中的受迫對(duì)流換熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：有水蒸氣凝結(jié)時(shí)的對(duì)流換熱系數(shù)可數(shù)倍于無(wú)凝結(jié)時(shí)的換熱系數(shù)，塔板式換熱器的換熱系數(shù)大于肋片板式換熱器。艾效逸、王義等^[7]通過(guò)增設(shè)冷凝式換熱器的方式，對(duì)10L/min的冷凝式熱水器和冷凝式熱水爐進(jìn)行了熱效率測(cè)試，結(jié)果表明：與相同條件下的非冷凝式產(chǎn)品相比，冷凝式熱水器的熱效率可增加9%～10%。此外，楊冬梅^[8]和呂照、王隨林等^[9]針對(duì)特定的樣機(jī)，對(duì)冷凝換熱器的防腐和冷凝式燃?xì)鉄崴疇t的換熱進(jìn)行了研究。譚順民、鄭利平等^[10]對(duì)經(jīng)改裝產(chǎn)率為1OL/min的冷凝式熱水器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：其熱效率可比普通熱水器凈增12%。

    直接接觸式換熱就是指將燃燒后的高溫?zé)煔庵苯优c水接觸進(jìn)行換熱(圖1)。首先將進(jìn)水通過(guò)噴嘴均勻分流，然后將分流后的水噴入由陶瓷或金屬片等裝填的填料塔內(nèi)，高溫?zé)煔庥上露贤ㄟ^(guò)填料層，從而使煙氣與水在填料層內(nèi)發(fā)生逆流接觸式換熱。由于填料層的作用，大大增加了煙氣與水的接觸面積，同時(shí)延長(zhǎng)了煙氣與水在逆流換熱過(guò)程中的接觸時(shí)間，因此這種換熱方式在化工領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。當(dāng)將其用于熱水器時(shí)，需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：首先是由于燃?xì)馊紵髸?huì)產(chǎn)生SO_x、NO_x等酸性氣體，當(dāng)這些氣體與水直接接觸時(shí)會(huì)溶于水，而熱水是要與人的皮膚直接接觸的，因此使用這種換熱方式的燃?xì)鉄崴饕话阒荒苁褂锰烊粴饣蛘咭夯蜌猓胰紵鞅仨毥?jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì)，同時(shí)配合復(fù)雜的水質(zhì)處理系統(tǒng)；另外，填料塔的換熱效率將對(duì)整個(gè)換熱器的效能起決定作用，而控制煙氣的離塔溫度直接影響填料塔的換熱效率，當(dāng)煙氣的離塔溫度超過(guò)煙氣的露點(diǎn)溫度時(shí)，換熱效率將急劇下降。

 

    間接式換熱采用間壁式換熱器進(jìn)行換熱，高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)間壁式換熱器加熱(圖2)。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的冷凝式熱水器大多采用這種形式。一般采用兩個(gè)換熱器，一個(gè)為顯熱換熱器，保持較高的煙氣溫度，煙氣不產(chǎn)生冷凝，僅吸收煙氣中的顯熱；另一個(gè)換熱器為潛熱換熱器，煙氣流過(guò)時(shí)，水蒸氣發(fā)生冷凝，同時(shí)釋放顯熱和潛熱。煙氣中的酸性氣體會(huì)溶于冷凝水從而生成腐蝕性液體。圖示結(jié)構(gòu)布置是諸多采用間壁式冷凝換熱形式中的一種，采用“倒燒”形式主要是便于冷凝水的排放以及有利于增大煙氣側(cè)換熱系數(shù)。

 

    冷凝式熱水器由于需要利用煙氣中的潛熱，因而必須降低排煙溫度，從而會(huì)產(chǎn)生冷凝水，并且煙氣中的酸性氣體會(huì)溶于冷凝水，從而形成酸性冷凝水。因此，采用間接換熱方式的冷凝式燃?xì)鉄崴饔袃蓚€(gè)不同于普通熱水器的技術(shù)問(wèn)題：一個(gè)是酸性冷凝水的產(chǎn)生和排放問(wèn)題；另一個(gè)就是酸性冷凝水對(duì)換熱器表面的腐蝕問(wèn)題。

    1) 當(dāng)煙氣溫度冷卻至露點(diǎn)溫度，煙氣中的水蒸氣便開(kāi)始冷凝、析出。由于冷凝水呈酸性，因此對(duì)其排放前必須進(jìn)行中和處理。設(shè)計(jì)安裝酸性冷凝水處理排放裝置需考慮如下原則：①便于用戶(hù)拆裝、清洗檢修；②可收集冷凝換熱時(shí)產(chǎn)生的全部冷凝水；③中和劑可保證有效地中和酸性冷凝水，最好能在熱水器壽命期限內(nèi)長(zhǎng)期使用；④由于設(shè)置冷凝水排放管道，需保證當(dāng)煙氣出口阻塞時(shí)，煙氣不會(huì)從冷凝水管道逸出。

    2) 由于冷凝式熱水器的排煙溫度降低，煙氣中的CO₂、SO_x、NO_x等酸性氣體會(huì)溶于冷凝水從而產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)。為避免這些物質(zhì)對(duì)換熱器的腐蝕，一般采用兩種方法：①對(duì)常用換熱器進(jìn)行表面處理，一般是浸涂耐高溫防腐涂層；②直接采用耐腐蝕的不銹鋼等材料作為換熱器。目前絕大部分都采用前者。

    采用直接接觸式換熱技術(shù)的冷凝式快速燃?xì)鉄崴髟趪?guó)內(nèi)尚屬空白。日本和美國(guó)已利用此技術(shù)制造、生產(chǎn)了冷凝式熱水器(熱水爐)，均使用天然氣，煙氣與水直接接觸，可溶性氣體溶于大量的水，濃度非常低，完全在安全使用范圍內(nèi)，同時(shí)發(fā)揮了冷凝式燃?xì)鉄崴鞲咝实奶攸c(diǎn)。國(guó)內(nèi)學(xué)者武立云等^[11]對(duì)浸沒(méi)燃燒熱水器的開(kāi)發(fā)研究也初步證實(shí)了其可行性。結(jié)論是：只要燃料中的S含量符合要求，煙氣與水直接接觸的浸沒(méi)燃燒熱水器的水質(zhì)和排放廢氣是符合國(guó)家和地方法規(guī)要求的。

    2005年起，國(guó)內(nèi)部分熱水器廠家開(kāi)始生產(chǎn)銷(xiāo)售冷凝式熱水器，其中部分產(chǎn)品的熱工性能已達(dá)到或超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品?，F(xiàn)采用凈現(xiàn)值法對(duì)冷凝式熱水器的節(jié)能情況做一簡(jiǎn)略分析。

    以市場(chǎng)上典型的1級(jí)冷凝式燃?xì)鉄崴鳛槔瑹崴a(chǎn)率為12L/min，熱效率為98%，對(duì)比市場(chǎng)上同樣熱水產(chǎn)率的3級(jí)普通熱水器，消費(fèi)者購(gòu)買(mǎi)冷凝式熱水器多花費(fèi)約1700元，此即初投資。按熱水器使用年限8a，運(yùn)行時(shí)間1200h計(jì)，則每年共節(jié)省天然氣約55m³。由于各地民用管輸天然氣價(jià)格差別較大，取一些典型城市的氣價(jià)為代表，按照氣價(jià)不變與銀行存款年利率不變，計(jì)算出冷凝式熱水器在各地使用后的折算現(xiàn)值，若折算現(xiàn)值大于初投資，則說(shuō)明節(jié)能效益顯著，消費(fèi)者在經(jīng)濟(jì)上合算。

    某效率為98%的冷凝式燃?xì)鉄崴鞴?jié)能分析見(jiàn)圖3。從圖3可以看出，此款冷凝式燃?xì)鉄崴髟诓煌牡貐^(qū)帶來(lái)的節(jié)能效益是不同的，只有當(dāng)天然氣價(jià)格高于4.3元/m³時(shí)，消費(fèi)者從經(jīng)濟(jì)上才合算。

 

 

(本文作者：熊超 秦朝葵 戴萬(wàn)能 陳志光 同濟(jì)大學(xué)機(jī)械學(xué)院)