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冷凝式燃气采暖热水炉节能效果不宜盲目夸大
浏览量:521次 发布日期:2016-3-25 10:42:32

冷凝式燃气采暖热水炉节能效果不宜盲目夸大


从理论上分析,冷凝式燃气采暖热水炉(简称“冷凝炉”)的热效率可以达到106%。但事实上,冷凝炉要达到这种热效率离不开良好的使用条件。否则,冷凝率的高效率将无从谈起。

       根据热力学第二定律分析,要想让被加热的物体达到与热源相同的温度,理论上需要无限长的时间。按照使用水流式热值仪的经验分析,当本生灯(用煤气作为燃料的一种加热器具)的热负荷大于1.163千瓦时,排烟温度会比进水温度高出0.2摄氏度。而燃气采暖热水炉的热负荷都在18千瓦以上,所以,排烟温度至少比进入炉子的回水温度高出1摄氏度。即:冷凝炉在与地暖系统配套时,排烟温度要31摄氏度,在与散热器采暖系统配套时,排烟温度要大于46摄氏度。

       在标准状态下,1立方米天然气(假设为纯甲烷,下同)完全燃烧,需要2立方米氧气,会产生1立方米二氧化碳和2立方米水蒸气。由于干空气中的氧气含量为20.9%,因此,可以算出,在标准状态下,1立方米天然气完全燃烧的过程需要9.56立方米的干空气。燃气在全预混燃烧时,按照最小的空气系数α=1.05计算,每立方米天然气在完全燃烧期间实际需要的干空气量为:Va=1.05×9.56=10.04立方米。烟气在冷凝之前的总含水量等于空气中的含水量加上燃烧产物的含水量之和。以北京为例,该地区冬季气候比较干燥,平均气温大概在零下2摄氏度左右。由此可以计算,上述10.04立方米的空气中仅含有0.0225立方米水蒸气。加上燃气燃烧后产生2立方米的水蒸气,烟气在冷凝之前的总含水量为2.0225立方米。根据相应的公式可以计算得出,包含湿空气的烟气量为11.06立方米。这样的话,水蒸气占全部烟气的体积比例为18.291%,水蒸气的分压为18.53千帕。

       当空气温度达到58摄氏度时,空气的饱和蒸汽压为18.159千帕。当空气温度达到59摄氏度时,空气饱和蒸汽压为19.028千帕。烟气中因含有大量的三原子气体(如二氧化碳),故其露点温度稍高于空气的露点温度。试验证明,含水量为18.667%的烟气的露点温度为59摄氏度。也就是说,烟气被冷却到59摄氏度时就开始有冷凝水产生,直至冷却至31摄氏度被排放出去之前,都一直在生成冷凝水。实际燃烧1立方米的天然气所产生的烟气,其冷凝后产生的水蒸气体积为1.531立方米,质量约1.275千克。这些冷凝水在由气态冷凝成液态的过程中,释放出的热量约3051.01千焦。这就是被冷凝炉回收利用的冷凝潜热。

       除了回收利用冷凝潜热以外,烟气温度在下降的过程中也可以为冷凝炉节约部分热量从而使冷凝炉的热效率提高,这就是由于烟气温度降低而被利用的显热。

       1立方米的天然气完全燃烧生成的烟气产物,在温度升高或降低1摄氏度时,所吸收或放出的热量总计为14.764千焦。

       非冷凝炉的排烟温度一般大于110摄氏度,假设冷凝炉排烟温度可以降低到30摄氏度,则显热得到的热量为1181.12千焦,潜热和显热共同作用的结果是多利用了4232.13千焦的热量。

       锅炉效率的定义公式是:η=Q1/B×QDWy×100%。即,效率=锅炉有效利用热÷输入锅炉的热量的百分数。这里输入锅炉的热量就是燃料的低位发热量,在标准温度为0℃时,天然气的低热值为35888kJ/m3,那么,δ=4232.13kJ/35888kJ=11.79%,即全预混冷凝炉比非全预混冷凝炉的热效率提高了11.79%。

       以上计算结果是在空气系数为1.05、排烟温度为31摄氏度以下的条件下得出的。而目前的全预混燃烧采暖炉空气系数在1.1~1.3之间,大多数冷凝炉并没有做到真正的全预混燃烧,即使冷凝炉在额定热负荷状态是全预混燃烧,它在非额定热负荷状态也不是全预混燃烧。再者,冷凝炉整个采暖季的实际运行情况是:大多数时间室外温度不低于0摄氏度。

      如果冷凝炉不采用全预混燃烧方式,它的热效率会更低。而且,冷凝炉的热效率还在很大程度上受到空气系数的影响。

      例如,当空气系数α=1.75时,1立方米天然气完全燃烧实际所需干空气量为16.73立方米。水蒸气占全部烟气的百分比为11.5%,水蒸气的分压为11.62千帕。当空气温度达到49摄氏度时,空气的饱和蒸汽压为11.745千帕。即烟气露点温度为49摄氏度。而如上所述,当空气系数α=1.05时,烟气露点温度为59摄氏度。

       由此可知,空气系数加大,烟气的露点温度会下降;当空气系数大于1.75、排烟温度大于49摄氏度时,就不能产生冷凝水了。再加上进入炉内的空气量大,烟气排出时带走的热量多,冷凝炉的热效率会更低。

       可见,只有在空气系数较小的条件下,冷凝炉才能有很高的热效率,随着空气系数的加大,冷凝炉的热效率会降低。实验证明,全预混燃烧的冷凝炉与地暖系统配套时,如果设定的出水温度低于50摄氏度,就能够发挥出很好的节能效果,如果不是全预混燃烧的冷凝炉则没有实际节能效果。冷凝炉在与散热器采暖系统配套时,因为回水温度较高,排烟温度不可能很低,基本上不会产生冷凝水,也就没有可利用的冷凝潜热,因此没有节能效果。

       而要大面积推广普及冷凝炉,必须开发能对冷凝炉中的燃气在燃烧期间所用的空气进行预热的烟气冷凝器。目前欧洲在这方面没有成功的先例,这可能是因为这种烟气冷凝器的制造成本较高以及排烟出口结冰等设计方面的技术难题一直没有被攻克等原因所致。

       总之,冷凝炉只有在良好的使用条件下,其热效率才能达到很高的数值。我们要正确评价冷凝炉的实际热效率,盲目夸大宣传冷凝炉的节能效果,对推广普及冷凝炉并不能起到积极的作用。



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