瓦楞筒消声换热结构在民用燃气灶具及采暖热水热风方面的应用研究
2020-03-17 15:36 [新能源应用] 来源于：国网牡丹江供电公司 作者：刘福贵，刘磊
导读：瓦楞筒消声换热结构在民用燃气灶具及采暖热水热风方面的应用研究 刘福贵，刘磊 (国网牡丹江供电公司 黑龙江 牡丹江 157000 ) 摘要 ：通过分析国内民用燃气灶具及燃气采暖热水装置现有结构存在问题，提出高效紧凑瓦楞筒消声换热结构应用于燃气器具的可行性，
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瓦楞筒消声换热结构在民用燃气灶具及采暖热水热风方面的应用研究
摘要：通过分析国内民用燃气灶具及燃气采暖热水装置现有结构存在问题，提出高效紧凑瓦楞筒消声换热结构应用于燃气器具的可行性，并介绍由瓦楞筒消声换热结构构成的三种民用燃气装置的结构原理；应用瓦楞筒消声换热结构的民用燃气设备，可以解决燃气灶与热水器系统集成以及燃气热水热风采暖装置的高效紧凑等问题，为助力民用燃气设备技术开发和商业化应用探索一条全新的节能减排技术路线。刘福贵，刘磊 (国网牡丹江供电公司 黑龙江 牡丹江 157000 ) 关键词：燃气灶；燃气热水器；燃气采暖炉；冷凝燃气炉；燃气热风 一、 目前民用燃气器具产品情况分析 随着家用天然气的普及发展以及人类对节能环保永恒追求,天然气用作民用炉灶能源和生活热水及采暖用能源已是一种趋势,其促进了对民用燃气具设备需求的增长，同时对安全高能效燃气具设备要求更为突出。目前民用高能效燃气热水器或热水供暖两用热水器为冷凝式燃气热水器,它能利用烟气中冷凝产物的潜热使其高热值效率可超过90 %，由于它安全、节能、低污染和安装操作方便,冷凝式燃气热水器（炉）市场占比逐年增大，特别是伴随煤改气等环保强制用能方式的改变，燃气采暖用量剧增，甚至出现了“气慌”。 1. 国内燃气热水器产品性能情况 现国内企业生产的燃气热水器，多采用管翅式或板翅式（肋片板式）换热器，并带有套筒式强制给排气和自控安全保护措施，使强排式燃气热水器达到了较高安全水平和舒适性能，其是在日本早期模式基础发展改进而来，排烟温度都在冷凝温度以上，产品能效等级为3级较多。冷凝燃气热水器能效等级为1级，是政府产业引导和相关企业追求的目标。 因冷凝回收困难，国内还没有冷凝燃气热水器采用整体式换热器结构。国产冷凝燃气热水是在现非冷凝燃气热水器基础上进行技术改造的，考虑冷凝液收集性能，不得不采用分段式换热结构，这样，造成设备管路往返连接，不但结构复杂且不紧凑、体积大，烟气流阻也大使强排风机功率大，特别是对16L以上的热水器，烟气温度降到50°C比较困难；尤其是在管翅式结构的换热器里，烟气流速低时换热系数低，为提高换热系数而增大烟气流速时又形成烟气脱体现象，不但造成传热恶化且烟阻力增加更大；板翅式冷凝燃气热水器烟侧流动方向始终与通道平行，不存在烟气脱体现象，通道压降损失也较小，解决了管翅式结构的问题，但是，管翅式或板翅式（肋片板式）换热结构决定了冷热工质流动方式为错流传热过程，而错流传热特点是，冷热工质入口相邻近部位的温差大，冷热工质出口相邻近部位的温差小，二者相差1倍左右，造成换热器传热量不均衡或换热器利用效率低而浪费资源；此外该换热结构本身还有肋传热效率问题。 总之，国产冷凝燃气热水器因起步晚，使其节能和环保性能与美日欧国家生产的先进设备性能差距较大，高效紧凑的先进换热设备均被国外强企垄断控制，国内企业要达到既不侵害知识产权又要找到改善燃烧和实现提高热效率的方法举步维艰。 2. 国内民用燃气炉灶产品性能情况 家用燃气炉灶有红外灶与大气灶两种，其1级能效分别为68%和66%、2级能效分别为64%和62%、3级能效分别为60%和58%。国内生产企业主要开发各种燃气炉灶的燃烧技术并使燃烧器将燃料充分燃烧，燃烧后的热利用技术即高温燃气与锅的传热技术开发应用少见，烟气余热尚未回收利用。目前，市场上能达到1级能效的家用燃气炉灶产品占比不足10%，大气灶有方太的高效直喷和极火直喷系列、老板的3D速火系列等，红外灶类有华帝的聚能灶等，高能效家用燃气炉具有待开发。 商用燃气炉灶，国标规定燃气炒菜灶、大锅灶、蒸箱的1级能效分别为48（32KW及以下）、65%、90%，其2级能效分别为38%、55%、80%，3级能效分别为28%、45%、70%，目前仅上海一企业（劝友节能）经多年研发公关，采用“延迟分级预混”、“涡流增压”、余热利用等创新技术，使三个系列产品均达到国家1级能效，国内其它企业的该产品性能都在国家2级能效及以下。 二、 采用原表面换热结构的技术优势分析 民用燃气灶具和燃气热风、热水器以及燃油热风热水采暖器的核心部件是燃烧室及高温燃气传热换热器，采用全新的瓦楞筒和套装的双瓦楞筒并带预热助燃空气的集成一体化消声换热结构—瓦楞筒消声换热结构，其不但结构紧凑高效而且直接将烟气温度降至冷凝温度以下、排出烟气噪声降至更低，能效更高。瓦楞筒消声换热结构是在一种原表面结构的手风琴式回热器拓展开发而来的，手风琴式回热器又是于上世纪七十年代由德国科学家提出、九十年代由美日等国批量低成本生产，因为它满足技术指标要求十分苛刻的微燃机的回热器，故在换热器技术范畴属于最高端的技术领域，将其应用于民用燃气装置领域显然是“低职高配”的技术思路，具体详见“超高效紧凑手风琴热声原件开发应用”。 西安交大能动学院的丰镇平、王秋旺教授团队，对交叉波纹形原表面回热器与板翅式回热器的换热表面进行对比研究，其结果说明交叉波纹形原表面回热器的传热系数和紧凑度略优于板翅式回热器，但总相对压损优于近50%、换热器质量和体积优于超过100%。也就是说传递相同热量的情况下，采用新型瓦楞筒消声换热结构比现在市场应用的换热结构的质量和体积最少减少一半，且换热工质流通阻力和排气噪声大大减小、筒状结构强度和抗震动冲击高并易实现自动化大批量生产，是传统燃气器具的热交换设备的颠覆性技术。 下图是波纹式瓦楞筒消声换热结构立体结构示意图：  三、 新型民用燃气器具技术介绍 瓦楞筒消声换热结构作为冷凝燃气热水器的核心部件—换热器和家用燃气炉灶烟气余热回收装置，实现高能效燃气设备。图一是瓦楞筒消声换热结构的筒立体结构示意图，图二是在图一基础上外环再加设一个外金属筒构成的燃气热风或热水器结构轴断面示意图；图三是在图二基础上构成的燃气热水炉灶结构轴断面示意图；图四是由图二基础上构成的带回热的高效燃气热风热水器（炉）结构轴断面示意图。以下分别介绍用瓦楞筒消声换热结构构成的燃气环保设备的结构技术特点。 1.全新瓦楞筒燃气热风或热水器结构 图一、二是本瓦楞筒消声换热结构构成的燃气热风或热水器结构，包括瓦楞筒1、内金属筒2（外金属筒未标）、空气入口A3（即燃烧器）和烟气出口A2，内金属筒2置于瓦楞筒1的筒腔内并与其钎焊后形成环状内微通道，空气入口A3和烟气出口A2设在瓦楞筒的下端并分别与燃烧室6和后室7联通，将瓦楞筒的内微通道端部用封堵翅带13封堵后，其上端内侧形成高温烟气入口、下端内侧形成高温烟气出口，使空气入口A3、燃烧室6、内微通道、后室7、排烟出口A2构成依次连通的高温燃气消声放热通道；瓦楞筒1外环再与另外金属圆筒（图中未标）钎焊后形成环状外微通道；瓦楞筒的外微通道下端部汇集与空气（或水）入口B联通、其上端部汇集与湿背和空气（或水）出口B1联通，空气（或水）入口B、外微通道、空气（或水）出口B1构成依次连通的吸热通道；内、外微通道构成环形相叠嵌的烟气与空气（或水）等冷热工质进行消声和热交换的通道。  2. 全新瓦楞筒燃气节能灶具结构及燃气传热过程  具体燃气传热消声过程为：燃烧器在炉膛底部中心孔燃烧燃气，一方面直接燎锅底后沿肋片槽沟螺旋斜向上对锅底加热，另一方面烟气加热螺旋肋片、肋片将热量再传导给锅底，使高温燃气以辐射形式和对流、传导形式把热量最大限度传递至圆弧锅底上；之后，与圆弧锅底换热降温后的烟气汇集到锅圈的上缘处、进入瓦楞筒上部的内瓦楞槽通道并向下流动，加热外瓦楞槽通道的水或空气等进一步放热，最后，低温烟气从筒状翅片筒下部烟管排出。对功率大、利用率要求很高的商用燃气炉灶，可用双层瓦楞筒结构，使灶具排烟温度降的更低，燃气热能综合利用效率更高。同样，与瓦楞筒燃气热风装置一样，该装置具有消声性能。 3.瓦楞筒燃气热风热水采暖装置 图四是双瓦楞筒构成的燃气热风热水装置，内层瓦楞筒的中心设置成为炉膛，烟气从中心炉膛向外径向形成S型流道，通过外筒的内瓦楞槽通道和内筒的外瓦楞槽通道加热空气形成热风的热空气通路；两层瓦楞筒之间隔一定距离形成环形“夹套管”即间锅10，其通过锅联管L与下湿背锅G连通组成加热水形成热水通路，热水通路可将热量传导给内外瓦楞筒的热空气回路,所以本结构的热风回路可独立运行。另一种结构方式是，炉膛湿背G的“夹套釜”串入内筒下端的热风出口处，环形“夹套管”即间锅10单独形成热水回路，此结构是加强热风供热量。此外，第三种结构方式是，内瓦楞筒的外瓦楞槽通道与“夹套管”串联或并联连接一并形成热水回路，外瓦楞筒的一个通道作为热风回路，此结构是加强热水热量供给。本结构由于“夹套釜”可作为热风回路（处于结构下部使热风容易导出，即使是作为热水回路其热量也能传导至热风回路中），所以装置可以在热风工况下独立运行、也可独立运行在热水工况下、还可二者同时运行，故本装置结构依据运行工况可以灵活设计，内瓦楞筒为热水回路时，瓦楞筒内温度不过热且分布均匀。 本瓦楞筒结构除具有制造成本低、冷热工质逆流使消声和换热效率高等功能特点之外，由于燃烧室、湿热换热室和冷凝换热室一体化结构且燃烧室布置灵活（可置于中心也可置于端部）、再加上换热瓦楞筒可单筒又可多筒套装，其不但具有结构紧凑同时也可构成多结构性能的装置产品的特点，以提供满足不同需求的客户。本技术构成的燃气热水灶具即节能又减少燃气对人体健康的影响，其结构简单合理并可与其它厨房器具集成于一体，其热效率很容易达到国标1级（最高台式红外线灶1级能效标准是68%）能效标准，目前市场尚未有家用类的此产品，本产品一旦推出，将对传统同类产品产生巨大冲击。 作者简介：刘福贵（1962.--），男，民族：汉族；学历：大学；职称：高级工程师；研究方向：长期从事热声节能技术研究；现供职单位：国网牡丹江供电公司。邮箱：lfg1510@126.com.cn 联系电话： 13115533366 （编辑：东北亚） |
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