頂置式燃氣全預混液槽加熱器的研究

同濟大學機械與能源工程學院 孟莉莉 馮 良 齊亞騰 王會詳

頂置式燃氣全預混液槽加熱器的研究

同濟大學機械與能源工程學院 孟莉莉 馮 良 齊亞騰 王會詳

針對目前國內(nèi)液槽加熱器的存在現(xiàn)狀，設計了一套頂置式的燃氣全預混燃燒液槽加熱系統(tǒng)，將加熱浸管改造為可拆卸移動的箱狀吊裝入液槽內(nèi)，解決了改造老式液槽(特別是非金屬液槽)需在側(cè)面液位下方開孔的難題，優(yōu)化了燃氣液槽加熱器的結(jié)構，保證了其更為便捷可移動的效果。對樣機進行了測試，分析了在某功率不同過?？諝庀禂?shù)下的CO和NOx排放量等實驗數(shù)據(jù)，為進一步研究和設計金屬纖維燃氣全預混小功率液槽加熱系統(tǒng)打下良好基礎。

液槽加熱 頂置式加熱器 全預混燃燒 金屬纖維燃燒器

0 前言

目前采用清潔能源燃氣的液槽加熱器逐步被大眾接受，較其它采用熱水、蒸汽、導熱油或電等二次能源的傳統(tǒng)液槽，具有獨特的優(yōu)勢。燃氣液槽加熱器可直接利用燃氣燃燒后的高溫煙氣加熱液槽中的液體，減少熱媒介質(zhì)(熱水、蒸汽、導熱油)的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)輸及換熱環(huán)節(jié)，降低能量損失，提高能源利用率。此外，燃氣液槽加熱器無需設置中央鍋爐、輸送管網(wǎng)、閥門附件、換熱裝置等，節(jié)省了空間資源，同時也降低了運行維護的費用。燃氣液槽加熱器采用燃氣全預混燃燒的方式，具有燃燒速度快、燃燒完全性好等優(yōu)點，因此在液槽加熱的應用上可以達到熱效率高、加熱器結(jié)構緊湊、污染物排放低等的良好效果。頂置式燃氣全預混液槽加熱器不僅能發(fā)揮燃氣液槽加熱器的優(yōu)點，節(jié)省空間資源、提高能源利用率，降低污染物排放，解決了改造老式液槽(特別是非金屬液槽)需在側(cè)面液位下方開孔的難題，優(yōu)化了燃氣液槽加熱器的結(jié)構，保證了其更為便捷可移動的效果，填補國內(nèi)對此類小功率燃氣全預混液槽加熱器研究的空白。

1 頂置式燃氣全預混液槽加熱器系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

目前國內(nèi)市場上存在的液槽燃燒器較少，其原因在于加熱浸管的存在使燃燒室的燃燒背壓較高，傳統(tǒng)燃燒方式使排放性能較差等技術問題的困擾。全預混燃燒具有燃燒速度快、燃燒完全性好、污染物排放較低等優(yōu)點，因此本設計選擇燃氣全預混燃燒器。

頂置式燃氣全預混液槽加熱器系統(tǒng)包括燃燒器、液槽加熱器、控制系統(tǒng)等組成部分。其工作原理見圖1。

圖1 燃氣液槽加熱器原理

燃氣和空氣按照一定比例在混合器中混合均勻，預混后的空氣和燃氣進入金屬纖維燃燒器頭部，并被點火針點燃，在燃燒室燃燒后的高溫煙氣通過煙道與液槽里的液體進行熱交換，獲得高溫液體，燃燒器頭部有離子火焰探測器對火焰進行實時監(jiān)控，如果燃燒器未點燃或者熄火時自動關閉燃氣閥，進行熄火后吹掃，并報警，確保燃燒安全。

1.2 燃燒器

燃燒器部分包括燃燒器頭部、混合器、燃氣電磁閥、助燃風機、燃燒器控制器、點火器、點火針及離子火焰探測器等。

(1)燃燒器頭部(見圖2)，采用金屬纖維多孔介質(zhì)，利于燃氣、空氣的混合氣體均勻分布在金屬纖維表面進行穩(wěn)定、完全的燃燒。離子火焰探測器實時監(jiān)控火焰的存在，如果燃燒器沒有火焰或者燃燒過程中發(fā)生熄火，則自動關閉燃氣閥，進行后吹掃，并報警。

圖2 燃燒器頭部結(jié)構示意

(2)混合器，選用文丘里式混合器，利于空氣和燃氣混合均勻。

(3)燃氣電磁閥，選用西門子VGU82組合式燃氣伺服閥，保證空燃比恒定。

(4)助燃風機，選用上海梅帝燃氣設備有限公司生產(chǎn)的型號RG128/1300—3612的脈寬可調(diào)型直流無刷風機，該風機占空比PWM的調(diào)節(jié)范圍為30%~99%，可通過改變?nèi)紵^程中的空氣量，引射不同燃氣量，從而實現(xiàn)對負荷的控制。

(5)燃燒控制器，選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司的DFC-1控制器。

(6)溫度控制器，選用日本SHIMAX公司的MAC50D溫度控制器。

1.3 液槽

實驗液槽尺寸為860×300×545mm，結(jié)構如圖3所示。圖3所示空間為放置加熱浸管箱體部分。此設計利于加熱浸管直接吊裝入液槽，無需在液槽下方設計加熱空間，且便于拆卸移動，節(jié)省維修管理費用。

圖3 液槽結(jié)構示意

1.4 加熱浸管

加熱浸管部分包括燃燒室、煙道和尾箱，其結(jié)構如圖4所示。預混充分的燃氣和空氣從燃燒器頭部流出并被點火針點燃，在加熱浸管的燃燒室燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣在煙道中受迫流動，降低煙氣溫度，最終低溫煙氣經(jīng)尾箱排出。燃燒室浸沒在液體中，起到了冷卻作用。煙道是整個液槽加熱系統(tǒng)中最主要的熱交換場所，為增大換熱效果，煙管需直徑小，但增大了流動阻力。由于液槽內(nèi)液體溫度較低，煙管傳熱充分，高溫煙氣中的水蒸氣遇到較冷的煙管壁面發(fā)生冷凝，析出水分，因此為解決冷凝水排放問題，在尾箱收集冷凝水，并通過在尾箱下部的一根冷凝水排放管排出冷凝水，尾箱底部冷凝水入口高度越高于液槽底部冷凝水出口高度，越利于冷凝水的收集。尾箱不僅利于冷凝水的收集和排放，還起到消聲減震、延長煙氣停留時間、增強換熱的作用。加熱浸管的管徑和長度受燃燒功率的影響，燃燒功率越大，所需加熱浸管的管徑相對增大，長度增長，反之亦然。

圖4 加熱浸管結(jié)構示意

表1 頂置式液槽加熱器結(jié)構尺寸

1.5 控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)自動化控制，本液槽加熱器選用上海梅帝燃氣設備技術有限公司研發(fā)的一套綜合全預混燃燒控制系統(tǒng)。主要的設備有燃燒器控制器、丹佛斯點火變壓器052F0040點火器、點火針、離子火焰探測器等。燃燒器的運行模式可分為ON-OFF模式和功率調(diào)節(jié)模式兩種。

2 燃燒性能測試及分析

本實驗中采用的天然氣：表壓力為2 KPa、低熱值為34.2 MJ/m3、相對密度為0.594。設定液槽加熱器樣機燃燒功率為6 kW時，在不同過?？諝庀禂?shù)下進行測試，測試結(jié)果見表2。

測試數(shù)據(jù)反應出，此小功率加熱器的燃燒性能卓越，煙氣排放中的有害氣體成分CO、NOx濃度較低，在過?？諝庀禂?shù)1.22以上，污染物濃度均在35×10-6以下，完全符合低污染物排放標準。此加熱器的最大燃燒功率為7 kW，負荷調(diào)節(jié)比相對較小，適用于小型液槽加熱。

表2 頂置式液槽加熱器實驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

(1)此液槽加熱器采用燃氣全預混金屬纖維燃燒器，具備全預混燃燒的優(yōu)點，燃燒速度快，燃燒完全，能適應液槽加熱器狹小燃燒空間等特點。

(2)采用煙氣加熱液槽內(nèi)液體的方式，減少熱媒介質(zhì)的生產(chǎn)、輸送等環(huán)節(jié)，降低熱損失，提高了能源利用率，同時節(jié)省空間資源，降低維護管理費用。

(3)在傳統(tǒng)燃氣液槽加熱器的基礎上進行了結(jié)構改進，使加熱浸管能吊裝入液槽，節(jié)省在液槽下部設計燃燒換熱的空間，且方便拆卸移動，維修保養(yǎng)更加便捷。

(4)本設計的燃燒器率小，適用于小型液槽加熱。如果條件允許，可生產(chǎn)稍大功率的頂置式燃氣全預混液槽加熱器。

Research on Overhead Heater of Liquor Tank with Fully Pre-mixed Gas Combustion

School of Mechanical and Engineering Tongji University
Meng Lili Feng Liang Qi Yateng Wang Huixiang

Based on the current situation of heating liquor tank in China, a heating system of overhead liquor tank with fully pre-mixed gas combustion has been designed. The prototype has been tested and the experimental datum of CO and NOXat different excess air ratio have been analyzed., which lays a good foundation for advanced study and design for the small power heating system of liquor tank with fully pre-mixed metal fiber burner.

heating liquor tank, overhead heater, fully pre-mixed combustion, metal fiber burner