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套管与板换壁挂炉测试对比分析2
2018/8/4 16:31:55

由于套管式与板换式壁挂炉在卫浴制热水方式上有很大不同,因此其结构性能也有部分差异。本文从壁挂炉的结构原理、使用性能、使用舒适度、整机故障率等方面对套管式壁挂炉和板换式壁挂炉进行了剖析,分析了两种结构的优劣势,对比了其性能的差异。


1 国内壁挂炉市场现状

上个世纪末,燃气采暖热水炉开始进入中国市场,燃气采暖热水炉已经成为继燃气热水器、燃气灶具后的第三大燃气具产品。从在普通热水器上加循环水泵到单暖机,到板换机再到套管机,其结构历史已经发展了二十几年。

目前国内大气式燃烧结构仍然占主体地位,主要为套管式结构和板换式结构,冷凝机由于其结构和加工工艺的限制均为板换机,同时若将冷凝机(包括全预混和烟气回收型冷凝机)做成套管式结构,则在卫浴状态下二级换热器中(或集成式换热器中)管中管结构外层水温(供暖回路水温)较高、传热效果较差,不利于烟气中水蒸气的冷凝,也就达不到冷凝机的效果,其热效率也相对较低,因此冷凝机的结构全部都是板换式结构。而作为市场主力军普通非冷凝壁挂炉又以套管式结构为主,本文将对占市场主体地位、结构性能均非常成熟稳定的套管式壁挂炉与普通板换式壁挂炉进行剖析。

2 卫浴制热水原理

2.1 套管机卫浴制热水原理

套管式壁挂炉结构如图1所示,自来水经生活进水阀26后,进水温度传感器将进水温度反馈给主控制器,主控制器通过进水温度和水流量传感器的水流量大小信号,快速、粗略地计算燃气量。水流则直接进入换热器3内层进行加热,达到指定的温度后自出水阀29流出,同时主控制器会通过洗浴出水温度探头11的温度精确地调节燃气量,使出水达到指定的温度,提供给用户使用。套管机的换热器管中管剖面结构如图2所示,在卫浴状态下采暖水静止不动,采暖水吸收到热量以后直接传给卫浴水,通过管中管来进行二次换热将卫浴水加热。


图1 套管式壁挂炉结构原理


图2 套管机管中管剖面结构


2.2 板换机卫浴制热水原理


板换式壁挂炉结构原理如图3所示,自来水经过进水阀带动水流传感器,信号传到主板,主板控制三通阀6,其动作时壁挂炉进入洗浴状态。供暖回路通过板式换热器形成内循环,将热量传递给板换。同时卫浴水进入板换,与板换进行换热后经出水阀流出,流经出水阀是洗浴温度传感器7将温度信号反馈给主板,主板通过燃气比例阀5精确控制燃气量,从而使水温达到指定温度,提供给用户使用。


板换式壁挂炉主换热器中没有类似于套管机的管中管结构,卫浴制热水是通过板式换热器来进行二次换热的。板式换热器的结构如图4所示,其蜂窝状结构一层走洗浴水一层走供暖内循环水,相互交错,并且水流方向相反进行壁面换热。


图3 板换式壁挂炉结构原理


图4 板式换热器内部剖面结构

3 套管式壁挂炉与板换式壁挂炉结构性能分析

3.1 热效率

燃气壁挂炉的热输入总量:

 

燃气壁挂炉的热输出总量:


由能量守恒定律可知:

其中:——燃烧空气带入的热;

     ——燃气带入的物理热;

   ——燃气带入的化学热(按低热值计算);

    ——被加热水获得的有效热量;

    ——烟气带走的热;

    ——设备散热损失;

由上式可以看出:燃气壁挂炉的热损失主要是设备热损失和烟气带走的热损失,因此非冷凝壁挂炉的实际热效率(假设水蒸气没有一点冷凝):

其中:——设备热损失;——烟气带走的热损失;

壁挂炉的散热损失与壁挂炉的结构形式和设备表面温度有关,可按下式计算:

其中:——壁挂炉对环境空气表面换热系数;

     ——壁挂炉散热表面积;

        ——壁挂炉外表面平均温度;

        ——环境空气温度;

由上式计算可得:壁挂炉散热损失在1%~7%之间。


烟气带走的热损失与过剩空气系数、排烟温度有直接的联系。非冷凝式壁挂炉为了防止冷凝水的产生,国家标准强制规定排烟温度必须大于110℃,市场大多数壁挂炉温度均在130℃左右。为保证燃气的充分燃烧,过剩空气系数一般在1.8左右。因此:

其中:——烟气的体积;

    ——烟气的定压比热;

     ——排烟温度;

    ——空气的体积;

    ——空气的定压比热;

    ——空气的温度;

   ——燃气的体积;

  ——燃气的定压比热;

  ——燃气的温度;


由上式计算得:烟气损失热效率在6%~8%之间。因此壁挂炉实际计算效率在85%~93%之间。目前无论是板换机型还是套管机型、(非冷凝机)热效率均可达到90%以上,由于局部空气分布的不均匀,若将非冷凝机热效率再向上提升,将在集烟罩、风机等局部产生冷凝水。冷凝水倒流回热交换器将腐蚀热交换器,导致热交换器的寿命将大大下降。因此板换机和套管机在热效率方面都没有明显差异。

3.2 停水温升


3.2.1停水温升形成原理


即热式燃气壁挂炉由于热交换器的热惰性都会产生停水温升,停水、停气后能量守恒方程(在此没考虑热交换器向空气中的散热)如下:

其中: ——最高出热水温度;

      ——热交换器中卫浴水路容积;

      ——水的比热容;

      ——热交换器平均温度;

     ——热交换器的体积;

    ——热交换器的比热容;

    ——壁挂炉燃烧稳态下热交换器内平均水温;  


 因此壁挂炉的停水温升:


  

由于热交换器平均温度始终大于壁挂炉燃烧稳态下热交换器内平均水温,因此T>0。也就是说壁挂炉只要不通过其他方式将热交换器内的余热带走,其停水温升是始终存在的。且主要影响因素是由热交换器的体积热交换器的比热容、热交换器中卫浴水路容积决定的。然而壁挂炉热交换器内的温度分布并不是均匀分布的,其热量是连续变化的过程,因此上述算法只能反映停水温升的形成基本原理及影响要素。


3.2.2 套管机的停水温升  


洗浴水的热量均来自于供暖水对它的二次传热,因此其停水温升的形成与供暖水的温度有莫大的关系,供暖水温度高停水温升越高、供暖水温度低停水温升越低。


我们先看一看国标GB 25034-2012中停水温升的检测条件:7.8.1试验条件中明确规定“除非另有规定,器具需在‘夏季’模式下进行生活热水测试”。在“夏季”模式下供暖水路的水处于冷态(18℃~22℃),当洗浴水关闭后由于水泵后循环的作用测得的停水温升为负值,图5为某一普通26kW燃气采暖热水炉按国标检测方法在不同停水时间内测得的停水温升。



图5 套管机“夏季”模式下停水温升曲线


上述检测方法只检测到用户在非供暖季节感受到的停水温升,在供暖季节用户体验到的停水温升如图6(用户实际体验,冬季模式供暖出水温度80℃、回水温度60℃,洗浴水设定温度为45℃)。


图6 套管机“冬季”模式停水温升曲线


从图6可以看出:


(1)用户洗浴用水流量越大则停水温升越高,其原因是洗浴水流量越大则燃气采暖热水炉热负荷越大,用户关闭洗浴水后残留在热交换器的热量越大,因此停水温升越高。


(2)停水温升在洗浴水关闭后20s左右,停水温升大幅上升,其原因是在冬季模式下洗浴水关闭后10s燃气采暖热水炉进入供暖状态,执行再点火程序。


3.2.3 板换机的停水温升


板换机由于卫浴水关闭后板式换热器中的水都是静止不动的,因此其停水温升与在“冬季”模式还是“夏季”模式、是否再点火都没有关系。图7为某一板换机按用户体验模式,洗浴水设定温度为45℃情况下测得的停水温升曲线图。


从图7可以看出,板换机的停水温升最高可达11K,用户设定温度为45℃,则最高温度可达55℃,而用户实际使用情况下,用户体验的停水温升也有6K左右,是套管机停水温升的一倍多。

图7 板换机用户体验模式停水温升曲线


3.3 废气排放比较


表1 套管机与板换机废气排放成分比较



从表1可以看出板换机与套管机的烟气排放含量没有太大差别,都在同一个水平。


3.4 卫浴水路水阻


图8 套管机与板换机卫浴水路水阻曲线图


由于中国的自来水水源压力不一致,在某些时段自来水压力可能非常低。在此时想要达到正常的洗浴水流量,就对壁挂炉卫浴水路水阻提出了更高的要求。从图8可以得知:板换机比套管机卫浴水阻稍大,但都还在同一个水平,其差值在0.005MPa以内,用户均可正常使用。


4 关键零部件寿命分析


4.1 水泵寿命分析


水泵作为壁挂炉关键零部件之一,其运行时间较长、寿命要求较高。由于套管机和板换机卫浴制热水方式的差异,其水泵运行的时间也有较大差异,水泵运行时间表如表2所示:


表2 套管机与板换水泵运行时间表


从表2可以看出套管机在“卫浴状态”水泵不运转,所以在非供暖季节长达7个月或者更长的时间里水泵几乎不运行(卫浴关水后,水泵只后循环运转10秒)。在供暖季节,水泵在卫浴时期每天也会得到“短暂的休息”。板换机型在供暖季节,水泵全天24小时运转,非供暖季节水泵每天也要运行30至60分钟,水泵在整个生命周期中“休息”的时间相对较少,并且在冬季大多数会连续运行几个月,在同等条件下套管机的水泵寿命相对较长。


4.2 热交换器寿命分析


热交换器的寿命主要受其温度分布影响,热交换器的最高温度点在翅片下部最尖端位置,比较此点温度就可以比较热交换器的寿命。因此对热交换器的五个特征点进行了测试,其布点图9所示,测得结果如表3所示:


表3 套管机与板换机热交换器温度测试表



图9 套管机与板换机热交换器温度测试布点图


从表3可以看出:除点3以外,其他点的温度板换机与套管机相差不大,并且均在热交换器安全温度(250℃)以内。点3的温度差异主要原因在于套管机的供暖回路是并联的,点3刚好处于供暖水低温点,因此温度较套管机低。但二者的热交换器最高温度点均在250℃安全温度以内,因此同等工艺下二者无明显区别。


4.3 三通阀寿命分析


板换机电动三通阀在每一次洗浴需求都会有两次动作,每一次动作密封圈都会与出水阀摩擦,推杆处的密封圈会与推杆摩擦,在80℃的高温下这些密封圈、推杆反复动作都易疲劳、老化从而导致漏水、三通阀不动作等整机故障。实践证明电动三通阀是壁挂炉维修中的易损件,一旦损坏只能整体更换(若只更换部分零部件,不一定能保证其密封性),并且其价格不菲。


套管机由于其结构的不同,不需要三通阀这个零部件,其水路较为简洁、接口较少、此处漏水率为零、故障率为零。


5 卫浴水路结垢分析


在卫浴水路中套管机在供暖状态下,卫浴水路“管中管”的水是不流动的,此时“外管”水路温度较高(60℃~80℃),管内的水易结垢。但由于“管中管”的水不流动,在供暖状态下只要没有洗浴需求,其管中的水垢量是一定的,形成后就不会产生新的水垢。套管机的内管口径较大(如图2所示)虽然在部分时期易结垢,但是不容易堵塞。


板换机在供暖时管内不易结垢,但一旦结垢很容易堵塞,原因在于其板式换热器薄板之间的间隙非常小,层与层之间相交处最小间隙仅为2mm左右(如图4所示),易受到水垢及其他水中杂质堵塞。


无论是板换机还是套管机其结垢堵塞后,均可用清洗剂清洗。在南方3至5年清洗一次,在水质较硬的北方(如山西、陕西等地区)2至3年清洗一次。


6 结论


在国内占市场主体地位的大气式燃烧壁挂炉,无论是套管式还是板换式壁挂炉均能满足普通家庭供暖、卫浴需求。由于卫浴制热水方式的差异,套管式壁挂炉与板换式壁挂炉在使用性能、环境适应能力、整机故障率等有一定差异。由于不同厂家的制造工艺和制造水平的差异,即使是同一类型的壁挂炉,其使用性能也存在较大差距。因此消费者在选购壁挂炉产品时不仅要注意壁挂炉的结构,更要注重对壁挂炉品牌的选择。


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