燃?xì)鉄崴骼淠稍砼c防止方案的探究

楊 湛 張 其 勞耀榮

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

燃?xì)鉄崴髟谑褂玫倪^程中，當(dāng)在小負(fù)荷分段運(yùn)行或進(jìn)水溫度較低的情況下，高溫?zé)煔庵械乃魵鈺?huì)從熱交換器翅片處析出，沿著燃燒室內(nèi)壁滴落至燃燒器上，由于煙氣中含有氮氧化物，硫化物，熱水器生成的冷凝水會(huì)呈現(xiàn)偏酸性，冷凝水長(zhǎng)時(shí)間的集聚容易導(dǎo)致熱交換器、燃燒器等零部件腐蝕，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成零部件失效和安全事故。為此，有必要對(duì)燃?xì)鉄崴骼淠纳稍砗陀绊懸蛩剡M(jìn)行深入研究，尋找影響冷凝水生成的因子，提出相應(yīng)的解決措施，以達(dá)到防止冷凝水生成和延長(zhǎng)熱交換器壽命的目的。

1 冷凝水生成原理

1.1 水氣分壓對(duì)冷凝水的影響

燃?xì)鉄崴魅紵^程中的煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度Tm時(shí)，高溫?zé)煔庵械乃魵膺_(dá)到臨界溫度液化形成小水珠，水蒸氣分壓需要達(dá)到飽和水氣分壓，氣態(tài)的水蒸氣就會(huì)析出冷凝水珠，為此，需要剖析飽和水氣分壓與露點(diǎn)溫度兩者之間的關(guān)系，根據(jù)推導(dǎo)公式：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓完全燃燒（α=1）下，燃燒產(chǎn)物中的水氣分壓為：

式中 ：

e—水氣分壓（Pa）；

m—?dú)怏w碳原子數(shù)；

n—?dú)怏w氫原子數(shù)。

燃?xì)鉄崴鬟\(yùn)行過程中生成的水蒸氣一部分來自助燃空氣，主要受空氣溫度和濕度的影響，另一部分來自燃燒產(chǎn)生的高溫水蒸氣，其中燃?xì)庵袣湓氐暮吭礁撸傻乃魵庠蕉啵畾夥謮涸礁摺Ｔ谕耆紵臈l件下，α＞1 的水氣分壓為：

式中 ：

Pn—水氣分壓（atm）；

nH— 氫元素摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

nC— 碳元素摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

nN— 氮元素摩爾分?jǐn)?shù)（%）；

α—過剩空氣系數(shù)；

nO— 氧元素摩爾分?jǐn)?shù)（%）。

對(duì)燃?xì)馊紵a(chǎn)生的煙氣進(jìn)行分析可得公式中各個(gè)生成物含量，由公式（1）（2）可知，燃?xì)獬煞种懈髟睾堪俜直燃叭紵械倪^剩空氣系數(shù)與水氣分壓有關(guān)，燃燒過程中的化學(xué)反應(yīng)程度將會(huì)影響烴類燃料的燃燒產(chǎn)物生成，由式（2）可知，水氣分壓與過剩空氣系數(shù)之間呈現(xiàn)反比例關(guān)系，即過剩空氣系數(shù) α 越大，水氣分壓越小，露點(diǎn)溫度越低，而且煙氣的露點(diǎn)溫度并不是一個(gè)固定值。由表1可以看出：水蒸氣分壓降低，露點(diǎn)也降低；煙氣中水蒸氣分壓增大，露點(diǎn)也增大。當(dāng)煙氣的水蒸氣分壓值為0.1 bar，此時(shí)煙氣露點(diǎn)為45.5 ℃。當(dāng)煙溫為55 ℃則高于露點(diǎn)，水蒸氣不會(huì)冷凝，但若把此煙氣冷卻到35.8 ℃，此時(shí)，煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度，煙氣中的水蒸氣部分冷凝析出，直到水蒸氣的分壓從0.1 bar降到0.06 bar，達(dá)到一個(gè)新的飽和水蒸氣平衡狀態(tài)。所以，煙氣中的水蒸氣并不是溫度一旦低于露點(diǎn)，便會(huì)全部冷凝，而只是一部分水蒸氣冷凝。

表1 煙氣露點(diǎn)（t）

1.2 冷凝率的探究

由于煙溫低于露點(diǎn)后煙氣中的冷凝水便開始析出，根據(jù)表1.1可計(jì)算出不同煙溫下水蒸氣的冷凝份額，假設(shè)以干燃?xì)釩H4,α=1.0，且空氣為干空氣，設(shè)水蒸氣冷凝率為m，當(dāng)前煙氣溫度下飽和水蒸氣分壓Pn，當(dāng)干燃?xì)釩H4，α=1.0時(shí)，露點(diǎn)溫度為58.3 ℃，飽和水蒸氣壓為0.19 bar，可得水蒸氣冷凝率公式：

根據(jù)上述公式可算得在不同溫度下的水蒸氣冷凝率，如表2與圖1所示，在煙溫（40～60）℃時(shí)，煙溫與冷凝率之間呈近似線性變化，但在煙溫小于40 ℃之后，冷凝率上升減緩。

圖1 不同煙溫下水蒸氣冷凝率

表2 水蒸氣冷凝率（燃?xì)釩H4,α=1.0）[2]

2 冷凝水的抑制與解決方案

上文通過對(duì)冷凝水生成機(jī)理進(jìn)行分析，探究影響冷凝水生成的幾個(gè)因子：排煙溫度、露點(diǎn)溫度、水蒸氣分壓。其他條件一定時(shí)，當(dāng)排煙溫度越高，排煙溫度與露點(diǎn)溫度的差值越大，冷凝水就越難生成，當(dāng)其他條件一定時(shí)，水蒸氣分壓越低，與之對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)溫度越低，冷凝水就越難生成。根據(jù)上述影響冷凝水生成的因素，可通過改變熱交換器的水管排布方式，增設(shè)旁通水路以改變整機(jī)的旁通水流量，從而提高排煙溫度來防止冷凝水生成；或者增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而增大風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量，提高過剩空氣系數(shù)，減少煙氣中的水蒸氣分壓，使煙氣的露點(diǎn)溫度降低，從而防止冷凝水的生成。

2.1 改變熱交換器的水管排布方式

目前，熱交換器直管排布方式，有三種排布方式，分別是逆流排布，順流排布及混合流排布，如圖2～4所示，其中高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)方向，是由下至上經(jīng)過換熱片的換熱過程，冷流體先繞行熱交換器上方再繞行下方，換熱方向與高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向相反稱為逆流排布，冷流體先繞行熱交換器下方再繞行上方，換熱方向與高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向相同稱為順流排布,冷流體既有換熱方向與高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向相同的部分，又有換熱方向與高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向相反的部分稱為混合流排布。

圖2 逆流排布

圖3 順流排布

由于逆流排布下方局部溫度過高，不利于熱交換器的壽命，生產(chǎn)應(yīng)用較少，故本文重點(diǎn)分析順流排布及混合流排布，順流排布相較于混合流排布，具有熱流體出口溫度較低的特點(diǎn)，以獲得更高的排煙溫度，減少冷凝水的生成。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方案，以24 L強(qiáng)鼓機(jī)型為例，設(shè)置溫度46 ℃，進(jìn)水溫度為15 ℃，控制不同的水流量分別對(duì)這兩種熱交換器水管排布方式進(jìn)行整機(jī)測(cè)試，對(duì)比分析兩者的排煙溫度及通過收集燃燒室內(nèi)部滴落的冷凝水，比較冷凝水的生成情況。如表3、4所示。

表3 混合流排布的排煙溫度及冷凝水生成量

表4 順流排布的排煙溫度及冷凝水生成量

通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，順流排布的平均排煙溫度比逆流排布的平均排煙溫度低了（6～8）℃，且順流排布的整機(jī)在不同水流量下的冷凝水生成量比逆流排布的冷凝水生成量要少。所以熱交換器水管排布方式選取順流排布可以有效防止冷凝水的生成。

2.2 改變整機(jī)的旁通水流量

燃?xì)鉄崴髟鲈O(shè)旁通水路后，主水路會(huì)有一部分水分流至旁通水路，如圖4所示，主水路流量減少，提高了熱交換器內(nèi)的水管壁溫度，從而提高了排煙溫度，降低了煙氣中水氣析出冷凝水的可能性。進(jìn)入旁通水路中的水流量和進(jìn)入熱交換器主水路的水流量之比為整機(jī)的旁通比，測(cè)試過程中測(cè)試整機(jī)水路中三個(gè)點(diǎn)的水路溫度即可轉(zhuǎn)化得到旁通比，這三個(gè)點(diǎn)分別是出水端的熱水溫度，進(jìn)水端的冷水溫度，熱交換器中的熱水溫度，根據(jù)能量守恒推導(dǎo)公式可知：

圖4 混合流排布

圖5 旁通水路原理示意圖

式中：

M—旁通比；

A—熱交換器中的熱水溫度；

B—出水端的熱水溫度；

C —進(jìn)水端的冷水溫度。

根據(jù)上述公式，可設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)探究整機(jī)旁通水流量對(duì)冷凝水生成量的影響，以24 L強(qiáng)鼓燃?xì)鉄崴鳈C(jī)型為例，選取冷凝水生成較多的分段，最小負(fù)荷點(diǎn)位，控制進(jìn)水流量為13 L，進(jìn)水溫度為（18±1）℃，分別控制進(jìn)入旁通水路的水流量，以得到旁通比在0 %，10 %，15 %，20 %，25 %，30 %下收集燃燒室滴落的冷凝水生成量，如表5所示。

表5 在不同的旁通流量下各個(gè)分段下最小負(fù)荷的冷凝水生成量

通過測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在旁通水流量增大的情況下，水箱直管的溫度增大，冷凝水生成量減少，并且在旁通比大于等于25 %的時(shí)候，整機(jī)燃燒過程沒有冷凝水產(chǎn)生，不過過大的旁通流量也會(huì)影響整機(jī)熱效率，所以在設(shè)計(jì)固定旁通比比值的旁通水路時(shí)，應(yīng)選取（20～25）%的旁通比比較合適。由于旁通水路的存在，部分低溫水通過旁通水路中和主水路水溫，當(dāng)設(shè)置的出水溫度一定的情況下，熱交換器直管內(nèi)的熱水需要比出水溫度更高，這樣的設(shè)計(jì)更有利于防止冷凝水的出現(xiàn)。所以，增加旁通水路是防止燃?xì)鉄崴骼淠a(chǎn)生的一種有效的設(shè)計(jì)方案。

2.3 增大空氣供氣量（提高過剩空氣系數(shù)）

通過增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而增大風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)量，提高過剩空氣系數(shù) α，在維持燃燒器穩(wěn)定燃燒的情況下，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增大可以降低整機(jī)的熱效率，改變飽和水蒸氣分壓，從而提高露點(diǎn)溫度，達(dá)到減少冷凝水生成的目的。為此，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證風(fēng)機(jī)電流與冷凝水生成量之間的關(guān)系，將燃?xì)鉄崴髟O(shè)定為19 kW并固定該負(fù)荷點(diǎn)，改變不同的風(fēng)機(jī)電流，得到對(duì)應(yīng)的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)收集燃燒室滴落的冷凝水生成量以對(duì)比風(fēng)機(jī)電流對(duì)冷凝水的影響。如表6所示。

表6 在不同的風(fēng)機(jī)電流下的冷凝水生成量

通過測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在同一負(fù)荷下，風(fēng)機(jī)電流檔位越高，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速越高，整機(jī)的過剩空氣系數(shù)越大，集煙罩口煙溫越高，冷凝水生成量越少，所以，增加風(fēng)機(jī)電流是防止燃?xì)鉄崴骼淠a(chǎn)生的一種有效的方法。

3 結(jié)論

1）冷凝水的生成與排煙溫度，露點(diǎn)溫度，水蒸氣分壓等因素有關(guān)，當(dāng)排煙溫度越高，排煙溫度與露點(diǎn)溫度的差值越大，冷凝水就越難生成，可以利用這一原理，防止熱交換器部分冷凝水的生成，提高熱交換器的壽命。

2）可以通過改變熱交換器水管排布方式，選取順流排布的方式可以有效地減少冷凝水的生成。

3）在燃?xì)鉄崴魃显黾优酝ㄋ房梢越档团艧煖囟龋瑥亩鴾p少熱交換器部位冷凝水的出現(xiàn)，可以達(dá)到防止冷凝水產(chǎn)生的目的。設(shè)計(jì)的旁通比不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致整機(jī)熱效率下降和過熱保護(hù)誤報(bào)，但也不能過小，否則防止冷凝水產(chǎn)生的效果不明顯，故建議在設(shè)計(jì)固定旁通比比值的旁通水路時(shí)，應(yīng)選取（20～25）%的旁通比。

4）在維持燃燒器穩(wěn)定燃燒的情況下，可以通過增大空氣供給量，增大過剩空氣系數(shù)，達(dá)到減少冷凝水生成的目的。