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冷凝式燃气热水器技术与经济分析

2010-06-19 14:02:51 来源:同济大学机械工程学院 -熊超 秦朝葵 陈志光 詹友超 浏览:
内容提要:论述了冷凝式燃气热水器的理论热效率,国内外冷凝式燃气热水器的发展概况,冷凝式燃气热水器的3种换热方式的结构原理,酸性冷凝水的产生和排放,换热器表面的防腐措施,冷凝式燃气热水器的经济性。与普通燃气热水器相比,冷凝式燃气热水器对于消费者价格偏高。
Techno-economic Analysis of Condensing Gas Water Heater
XIONG Chao,QIN Chao-kui,CHEN Zhi-guang,ZHAN You-chao
AbstractThe theoretical thermal efficiency of condensing gas water heater,the general development situation of condensing gas water heater at home and abroad,the structural principle of three heat exchange modes,the production and discharge of acid condensate,anti-corrosion measures on surface of heat exchanger and the economic efficiency of condensing gas water heater are discussed. The condensing gas water heater is more expensive than conventional gas water heater for consumers.
Key wordscondensing gas water heater;heat exchanger;thermal efficiency:indirect heat exchange;direct heat exchange;economic efficiency
1 概述
    2004年11月,中华人民共和国国家发展和改革委员会(以下简称国家发改委)发布的《节能中长期规划》的目标之一是:到2010年主要耗能设备能效指标达到或接近国际领先水平,其中家用燃气快速热水器(以下简称热水器)的热效率达到90%~95%。2007年8月30日,国家发改委研究制定的《天然气利用政策》正式颁布,明确将城市燃气列为优先类。而城镇(尤其是大中城市)居民炊事、生活热水等用气在城市燃气中始终占据着重要的位置,天然气事业的发展必将带动热水器的大发展。
    基于行业和市场发展的需要,国家标准GB 20665—2006《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》于2007年7月1日正式实施。该标准将能效等级分为3级,其中1级热效率值不低于96%,2级热效率值不低于88%,3级热效率值不低于84%,不符合国家能效标准的热水器禁止上市销售。据有关资料[1],我国热水器年消耗天然气(非天然气按热值折算为天然气)约170×108m3/a。根据国家燃气用具质量监督检验中心对家用燃气快速热水器产品的检测结果统计分析,热水器的平均热效率为86.7%。目前我国市场上比较常见的热水器主要有烟道式、强排式和强制给排气式3种。从统计数据可以看出,烟道式和强排式的平均效率都在85%左右[2]。因此,若将热水器热效率提高至1级水平,其节能潜力非常巨大。而要实现1级能效水平,大力发展冷凝式热水器是一条可循之路。
    本文介绍间壁式冷凝式热水器和其他结构型式的冷凝式热水器,对其经济性进行分析。
2 热水器的理论热效率分析
    普通型热水器受换热器结构的限制,排烟温度较高(国家标准规定排烟温度不低于110℃),远高于烟气中水蒸气的露点,气化潜热无法利用。而冷凝式热水器通过改进换热器结构、增加换热器数量或者改变换热方式等措施使排烟温度降低,不仅能够充分吸收烟气的显热,还能利用烟气中部分水蒸气的气化潜热。
国家标准GB 6932—2001《家用燃气快速热水器》规定,快速热水器的热效率以燃气低热值为基准计算,具体如下:
 快速热水器的热效率以燃气低热值为基准计算
式中η1——燃气热水器效率
    qm——出热水量,kg/min
    c——水的比热容,MJ/(kg·K)
    tw,2——热水出水温度,℃
    tw,1——热水进水温度,℃
qV——实测燃气流量,m3/min
    Ql——实测燃气低热值,MJ/m3
    tg——试验时流量计内的燃气温度,℃
    pa——试验时的大气压力(绝对压力),kPa
    pg——试验时热水器前的燃气压力,kPa
    ps——温度为tg时饱和水蒸气压力(绝对压力),kPa
令:
 
对普通型和冷凝式热水器,在同样的试验条件下,式(1)可简化为:
 
冷凝式热水器的Qval有较大程度的提高,其幅度取决于燃气的高、低热值之差。极限情况下,烟气中的水蒸气可全部冷凝下来,烟气温度降至原始温度,且燃烧为完全燃烧,则Qval=qVQh,Qh为实测燃气高热值,单位为MJ/m3。回收全部气化潜热的热水器的最高热效率为:
 
式中ηcon——冷凝式燃气热水器理论热效率
    即理论上冷凝式热水器的热效率上限为高低热值之比。对上海天然气,可超过110%,考虑实际工况及设备经济性,使用时热效率会低于此值。
3 冷凝式热水器的发展情况
    冷凝式热水器是在20世纪70年代末出现的新一代高效节能热水器。需要说明的是,欧洲国家的冷凝式热水器,一般是指既提供卫生热水又供暖的冷凝式燃气壁挂炉。荷兰是最早研究这种热水器的国家,1979年第一台冷凝式热水器样机研制成功,1980年得到批准使用。其后英国、法国、德国、美国等国家也开始了相应的研究。目前,国外冷凝式燃气热水器产品已占热水器总量的10%~15%。欧洲的热水器市场已经相对成熟,对冷凝式产品已经建立了相应的标准,并采用标签等级的制度,根据不同的能效范围而划分不同产品等级,各个国家对可在市场上出售的产品等级的要求也越来越高。日本企业多年来一直致力于冷凝式热水器研制,2002年已有69种产品开发成功。日本政府也出台相应的推广政策,希望到2010年实现生产的热水器全部是冷凝式热水器。其中日本前田铁工所生产的 CONDEC品牌的MCH-C系列的冷凝式燃气热水器,采用直接接触式换热技术,基于低热值的最高热效率已达108%。
    中国在冷凝式热水器研制开发方面相对较晚。在理论研究方面,同济大学、北京建筑工程学院、重庆大学等都在热工性能、防腐等方面做了相应的工作。潘新新等[3]分析了电化学腐蚀的机理及冷凝水的pH值、温度、溶解氧和溶解盐等因素对冷凝式燃气热水器腐蚀的影响,提出了以天然气作为气源、对材料进行化学镀处理、采用分离倒置式换热器的方案,可减少冷凝区域酸性腐蚀。艾效逸等[4]通过增设冷凝式换热器的方式,对10L/min的冷凝式热水器和冷凝式热水炉进行了热效率测试,结果表明:与相同条件下的非冷凝式产品相比,热效率可增加9~10个百分点。此外,杨冬梅[5]和吕照[6]针对特定的样机,对冷凝式换热器的防腐和冷凝式燃气热水炉的换热进行了研究。谭顺民等[7]对改装的产率为10L/min的冷凝式热水器进行了实验研究,结果表明:其热效率可比普通热水器净增12%。另外,还对影响节能效果的因素进行了分析。
    在产品市场上,广东万和、万家乐等公司相继于2005年8月在市场上推出冷凝式燃气热水器产品,其中一款冷凝式热水器的热效率可达107%。
4 冷凝式热水器换热方式分析
4.1 间接换热
    这种换热方式采用间壁式换热器进行换热,高温烟气通过间壁式换热器加热水。目前国内市场上的冷凝式热水器大多采用这种形式。其结构原理见图1。
 

间接换热冷凝式热水器结构原理图

    一般采用两个换热器,一个为显热换热器,保持较高的烟气温度,烟气不产生冷凝水,仅释放烟气的显热。另一个换热器为潜热换热器,烟气流过时,水蒸气发生冷凝,同时释放显热和潜热。烟气中的酸性气体会溶于冷凝水从而生成腐蚀性液体。图1结构布置是诸多采用间壁式冷凝换热形式中的一种,采用“倒烧”(即燃烧器头部向下,燃烧室在上侧,换热器在下侧)形式主要是便于冷凝水的排放,利于增大烟气侧换热系数[8]
4.2 质量热交换方式[9]
    质量热交换方式的结构原理见图2。
 

质量热交换方式结构原理图

    这种冷凝式热水器可以最大限度地吸收烟气中的剩余热量。它通过水的循环吸收烟气中的热量加热燃烧用的空气。热水器采用强制鼓风式燃烧器,热水器两侧分别设有质量热交换式喷淋洗涤器,在鼓风机和燃烧器之间组成了左侧的第一洗涤器,燃烧所需的空气被喷淋的循环水加湿与加热后进入燃烧器。循环水又经循环水泵送至右侧的第二洗涤器喷头,再经喷淋,使仍留在烟气中的水蒸气冷凝下来。这种装置提高了烟气的露点,即使进水温度较高(70℃),也可以获得局部冷凝。
4.3 直接接触式换热
    直接接触式换热是指将燃烧后的高温烟气直接与水接触进行换热。其结构原理见图3。
 

直接接触式换热结构原理图

    首先将进水通过喷头均匀分流,然后将分流后的水喷入由陶瓷或金属片等装填的填料塔内,高温烟气由下而上通过填料层,从而使烟气与水在填料层内发生逆流接触式换热。由于填料层的作用,大大增加了烟气与水的接触面积,延长了烟气与水在逆流换热过程中的接触时间,因此,这种换热方式在化工领域应用比较广泛。当将其用于热水器时,需要解决几个关键问题。①由于燃气燃烧后会产生S0x、NOx等酸性气体,当这些气体与水直接接触时会溶于水,而热水是要与人的皮肤直接接触的,因此,使用这种方式的燃气热水器一般只能使用天然气或者液化石油气,且燃烧器必须经过特殊的设计.配备复杂的水质处理系统。②填料塔的换热效率将对整个换热器的能效起决定性作用,而控制烟气的离塔温度直接影响填料塔的换热效率。当烟气的离塔温度超过烟气的露点时,换热效率将急剧下降[10]
5 冷凝式热水器的关键技术
    冷凝式热水器需要利用烟气中的潜热,必须降低排烟温度,必然会产生冷凝水,并且烟气中的酸性气体会溶于冷凝水,从而形成酸性冷凝水。因此,采用间接换热方式的冷凝式燃气热水器有两个不同于普通热水器的问题。一个是酸性冷凝水的产生和排放问题,另一个就是酸性冷凝水对换热器表面的腐蚀问题。
5.1 酸性冷凝水的产生和排放
    当烟气冷却至露点,烟气中的水蒸气便开始冷凝、析出。烟气露点主要取决于烟气中水蒸气的分压力,水蒸气的分压力升高,露点升高,反之亦然。当烟气温度低于露点时,水蒸气便开始局部冷凝,由于水蒸气的冷凝,水蒸气分压减小,对应的露点也降低,直到其降为与烟气温度相同,此时达到一个新的饱和水蒸气平衡状态,冷凝停止。因此,当烟温低于露点时,只是一部分水蒸气冷凝。此外,烟气露点还与燃气的组成以及燃烧的过剩空气系数等有关[9]。一般烟气的露点与燃气的含氢量正相关,与过剩空气系数反相关。由于冷凝水呈酸性,因此对其排放前必须进行中和处理。设计安装酸性冷凝水处理排放装置需考虑如下原则:便于用户拆装、清洗、检修等;可收集冷凝换热时产生的全部冷凝水;中和剂可保证有效地中和酸性冷凝水(目前国内厂家多选用碳酸钙);由于设置冷凝水排放管道,需保证当烟气出口阻塞时,烟气不会从冷凝水管道逸出。
5.2 换热器表面的防腐
    由于冷凝式热水器的排烟温度降低,烟气中的CO2、SOx、NOx等酸性气体会溶于冷凝水,从而产生腐蚀性物质。为避免这些物质对换热器的腐蚀,一般采用两种方法:①对常用换热器进行表面处理,一般是浸涂耐高温防腐涂层,常用的有Ni—P 镀层及耐高温耐腐蚀环氧树脂涂层。前者的热阻较低,费用高,后者相反,两者的共同点是可靠性都很好,但加工难度都较大。②直接采用耐腐蚀材料作为换热器材料,通常采用耐酸不锈钢和耐酸复合金属,前者工艺难度较低,后者工艺难度较高,两者的共同点是热阻都较低,加工成本都较高。,由于受不锈钢等耐腐蚀性材料加工性能的影响,用这些材料制造换热器时一般是加工成光管换热器,因此就带来了在获得同样换热效果的条件下,金属耗量和成本的增加。由于企业本身在铜、铝等换热器加工使用方面较有经验,且防腐蚀材料研究和应用日益深入,因此,目前绝大部分冷凝式换热器都采用第一种方法[11]
5.3 直接接触式换热技术和研发情况
    采用直接接触式换热技术的冷凝式快速燃气热水器,国内尚属空白。日本和美国已利用此技术制造、生产了冷凝式热水器(热水炉)。均使用天然气,烟气与水直接接触,可溶性气体溶于大量的水,浓度非常低,完全在安全使用范围内。这种热水器发挥了冷凝式燃气热水器高效率的特点。国内学者武立云等[12]在浸没燃烧热水器开发方面的研究也初步证实了其可行性,研究的结论是:只要燃料中的硫含量符合要求,烟气与水直接接触的浸没燃烧热水器的水质和排放废气就能够符合国家和地方法规的要求。
6 冷凝式热水器经济性分析
    从 2005年起,国内部分热水器厂家开始小批量生产冷凝式热水器投放市场,其中部分产品从热功率、热效率、烟气排放、冷凝水处理等方面来看,都已经达到或者超过国外同类产品。任何一种产品要真正被消费者接受,除了优良的性能以外,还必须在经济性上为消费者所接受。本文采用净现值法对冷凝式热水器进行经济性分析。以市场上典型的能效等级为1级(热效率≥96%)的某种冷凝式燃气热水器为例,其热水产率为12L/min,热效率为98%,售价为3500元/台。作为对比,市场上同样热水产率的能效等级为3级(热效率≥84%)的某种普通热水器售价为1300元/台。消费者购买1台冷凝式热水器多花2200元,看作初投资额为2200元。按热水器使用年限为8年,平均每年使用时间为150h,共运行时间为1200h计[11],则每年共节省天然气量为42.5m3/a。目前上海市天然气价格为2.5元/m3,按气价每年以10%幅度上涨,银行存款年利率为3.87%计,在冷凝式热水器使用年限内节省的燃气费用的折算现值为1114元,则节省的燃气费用的折算现值与初投资额之差所得的净现值为 -1086元。也就是对于消费者来说,节省的燃气费并不能抵消冷凝式燃气热水器与普通燃气热水器之间的差价。另外,以目前市场上效率最高的一款冷凝式热水器为例,其额定热水产率为24L/min,热效率为107%,售价为5500元/台左右,以同样方法分析,节省的燃气费用的折算现值与初投资额之差所得的净现值为-371元。必须指出,从天然气在上海的价格变化历史来看,本文取10%的上涨率是偏大的,其将导致节省的燃气费用折算现值偏大,即使如此,最后节省的燃气费用折算现值与初投资额之差所得净现值仍然为负。因此,从经济性方面考虑,目前市场上销售的冷凝式燃气热水器价格对于消费者而言偏高。
7 结语
    在人们生活水平不断提高的大背景下,将来我国会有越来越多的家庭使用燃气热水器,而冷凝式热水器由于其固有的优点,必将是燃气热水器的重点发展方向。
必须指出:冷凝式热水器的成本下降与市场的广泛接受,互为因果。政策的有效扶持与引导,对冷凝式燃气热水器的普及推广,起着至关重要的作用。
参考文献:
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[2] 刘彤,何贵龙,时淑玉. 燃气快速热水器能效测试分析及节能潜力的研究[J].城市燃气,2005,(8):3-9.
[3] 潘新新,魏敦崧.冷凝式燃气热水器的腐蚀防护[J].煤气与热力,2005,25(8):11-15.
[4] 艾效逸,王义,傅忠诚,等.高效燃气热水器的实验研究和节能分析[J].工业加热,2002,31(5):50-52.
[5] 杨冬梅.不同防腐镀层肋片冷凝换热器传热传质研究(硕士学位论文)[D].北京:北京建筑工程学院,1999.
[6] 吕照.冷凝式燃气热水炉冷凝换热及防腐研究(硕士学位论文)[D].北京:北京建筑工程学院,2001.
[7] 谭顺民,郑利平,罗贤成.冷凝式燃气热水器的节能分析[J].煤气与热力,2003,23(5):287-289.
[8] 娄桂云,魏敦崧.冷凝式燃气热水器的实验研究[J].煤气与热力,2006,26(2):24-27.
[9] 郑永新,叶远璋,姚克龙,等.冷凝式燃气热水器[M].重庆:重庆大学出版社,2008.
[10] 柯秀芳,张仁元.焓差法在烟气-水直接接触换热填料塔高度计算的应用[J].应用能源技术,2001,(6):32-34.
[11]郑永新,赵恒谊,叶远璋,等.冷凝式燃气热水器低温段防腐蚀试验研究[J].煤气与热力,2007,27(7):35-41.
[12] 武立云,马成良,杨永军.燃气浸没燃烧热水器的开发[J].工业加热,2002,31(2):10-12.
 
(本文作者:熊超 秦朝葵 陈志光 詹友超 同济大学机械工程学院 上海 201804)
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