空氣過濾裝置在全預(yù)混冷凝壁掛爐上的應(yīng)用探討

徐麥建 林林勇 陳全興

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

隨著全預(yù)混冷凝壁掛爐的發(fā)展和普及，全預(yù)混冷凝壁掛爐在中國市場銷量逐年遞增，然而受國內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量、燃氣含雜質(zhì)多等因素影響，全預(yù)混冷凝壁掛爐出現(xiàn)燃燒器、換熱器不同程度的堵塞現(xiàn)象，引起運行噪音大，熱效率[3]下降，功率輸出下降，嚴重影響用戶使用。如圖1所示，全預(yù)混冷凝壁掛爐在市場上運行了1個采暖季后，燃燒火焰強度[4]明顯減弱，經(jīng)測試功率下降至80 %，對其燃燒器進行清理后，燃燒工況有明顯改善，功率恢復(fù)標定值。全預(yù)混燃燒器一般為不銹鋼沖孔，或不銹鋼表面增加金屬纖維，由于孔徑比常規(guī)爐的燃燒器要小，因此更容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

圖1 金屬纖維燃燒器堵塞

如圖2所示，換熱器采用的是盤管式，其煙氣側(cè)的間隙為0.6～0.85 mm，由于管壁會產(chǎn)生冷凝水，同時燃氣含有少量的粘稠物會依附在管壁上，對燃燒顆粒產(chǎn)物及雜質(zhì)會逐漸粘附管壁上造成堵塞。

圖2 盤管換熱器煙氣側(cè)堵塞

經(jīng)過對堵塞物分析，主要是由燃氣中雜質(zhì)以及參與燃燒的空氣中雜質(zhì)堆積而形成。全預(yù)混燃燒中的燃氣與空氣量比例接近1∶10[4]，空氣中的灰塵或雜質(zhì)最容易引起燃燒系統(tǒng)的堵塞，因此對空氣中的灰塵或雜質(zhì)進行有效過濾，減少其對燃燒器及換熱系統(tǒng)的影響，對提升全預(yù)混冷凝壁掛爐的環(huán)境適應(yīng)性有著重要意義。

1 空氣過濾裝置設(shè)計及選型

空氣過濾器作為凈化系統(tǒng)的核心設(shè)備，在空調(diào)、空氣凈化器上應(yīng)用非常廣泛?？諝饬鹘?jīng)過濾器后，空氣中的塵埃粒子將粘符在濾棉上，可有效的凈化空氣，隨著積塵的增加，空氣阻力將逐漸增大，其通風(fēng)量將會降低，當(dāng)其阻力增大到某一規(guī)定值時，過濾器將報廢。因此，在采暖爐上設(shè)計空氣過濾裝置，應(yīng)合理設(shè)計過濾器的過濾效果并同時掌握其使用周期，已達到延長壁掛爐維護周期的目的。在過濾器沒有損壞的情況下，通常以阻力來判定使用壽命，主要與過濾材料、過濾面積、結(jié)構(gòu)設(shè)計、初始阻力等，還與空氣中的含塵濃度、實際使用風(fēng)量、終阻力的設(shè)定等因素有關(guān)。

1.1 空氣過濾器阻力

新裝過濾器的阻力稱為“初阻力”；對應(yīng)過濾器報廢的阻力值稱為“終阻力”。終阻力的選擇直接關(guān)系到過濾器的使用壽命、系統(tǒng)風(fēng)量變化范圍以及系統(tǒng)能耗，空氣過濾器的選型需對終阻力進行考慮，大多數(shù)情況下，終阻力是初阻力的2～4倍。過濾器使用過程中，其阻力隨時間變化如圖3所示。

圖3 過濾器阻力變化圖

1.2 空氣過濾器的容塵量

容塵量是指過濾器最大允許的積塵量，當(dāng)積塵量超過此值后，過濾器阻力將大大增加，過濾效率明顯下降甚至失效，因此容塵量是設(shè)計采暖爐空氣過濾器的一個重要指標，直接關(guān)乎維護周期及更換成本。容塵量的大小，跟過濾材料以及過濾面積有關(guān)。當(dāng)過濾器的過濾面積越大，其所能容納的粉塵就越多，其使用壽命也就越長。過濾面積大，氣流穿過材料的速度就低，過濾器的阻力就小。增加過濾面積是延長過濾器使用壽命的最有效手段。

經(jīng)驗表明，對于同種結(jié)構(gòu)、同樣濾材的過濾器，當(dāng)終阻力確定時，過濾面積增加50 %，其使用壽命會延長70～80 %；面積增加一倍，過濾器的使用壽命約是原來的3倍。

1.3 空氣過濾器等級劃分

對于通風(fēng)用的過濾器，國家標準GB 12218-89和GB/T 14295-93按新過濾器的計數(shù)法效率分別將過濾器分為五個和四個等級。如表1所示。

表1 國標過濾器分級表

歐洲現(xiàn)行標準EN 779：1993和EN 1882-1:1998根據(jù)過濾效率，將過濾器劃分為十七個等級[1]。等級定義和測試方法跟國標不一樣，具體如表2所示。

表2 歐標過濾器分級表

過濾效率等級按立徑大小及計數(shù)效率進行劃分，相比國標，歐標分類更加細化。并根據(jù)經(jīng)驗，空氣過濾器終阻力的設(shè)計值與過濾等級關(guān)系如表3所示。

表3 終阻力設(shè)計值與過濾等級關(guān)系表

2 空氣過濾裝置設(shè)計及選型分析

通過對采暖爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將空氣過濾裝置安裝在空氣進入預(yù)混腔之前所流經(jīng)的位置上，對參與燃燒的空氣進行前期過濾，凈化參與燃燒的空氣，以改善全預(yù)混冷凝壁掛爐的燃燒工況[4]，減少燃燒物對換熱器造成堵塞?？諝膺^濾裝置的布置位置直接影響其容塵量，維護周期，拆卸清理的便捷性，以下列出3種空氣過濾裝置在壁掛爐上的設(shè)計方案進行對比分析，如圖4所示。

圖4 設(shè)計方案布局圖

1）方案1：將空氣過濾裝置設(shè)計為圓筒形轉(zhuǎn)接式結(jié)構(gòu)，安裝在煙管彎頭與壁掛爐連接處，對同軸煙管的進風(fēng)管通道進行過濾，空氣過濾裝置處于壁掛爐外部，拆卸維護更加便捷，但影響整體安裝美觀度。

2）方案2：將空氣過濾裝置設(shè)計為平板式，內(nèi)置在空氣箱頂端靠近壁掛爐進風(fēng)口位置，此處空間較為充裕，可以擴大過濾器的面積，但維護時需要拆開機器。

3）方案3：將空氣過濾裝置設(shè)計為圓筒形結(jié)構(gòu)，安裝在壁掛爐預(yù)混器進風(fēng)口處，此方案結(jié)構(gòu)小巧，但受空間限制。

以一臺外形尺寸為740*410*330 mm的壁掛爐為例，使用φ60*φ100 mm的同軸煙管來計算過濾面積，具體方案對比如表4所示。

表4 壁掛爐方案設(shè)計對比

綜合上述分析，方案2的空氣過濾裝置，其過濾面積是方案3的過濾面積的4.3倍，是方案1的過濾面積的16.2倍，由此可見，方案2的空氣過濾裝置的安裝設(shè)計具有過濾面積大、容塵量大的特點。

選用過濾器過濾效率等級，不僅考慮環(huán)境空氣的顆粒物大小，同時結(jié)合全預(yù)混冷凝壁掛爐所采用的燃燒器火孔大小，換熱器盤管間隙進行選型。當(dāng)選用的等級越高，過濾的顆粒物越細，過濾效果就越好，但是會縮短過濾器的使用周期，造成維護成本高。最好讓未參與燃燒顆粒物可以隨排煙系統(tǒng)或冷凝水排出換熱器，避免燃燒換熱系統(tǒng)造成堵塞，又可以延長過濾器的使用壽命。

按表5所示，根據(jù)全預(yù)混冷凝壁掛爐所采用的燃燒器火孔大小，換熱器盤管間隙，選用G4等級的粗效過濾棉進行適配，可過濾粒徑大于5.0 um的塵埃、雜質(zhì)，其設(shè)計終阻力150～250 Pa。對凈化參與壁掛爐預(yù)混燃燒的空氣有著更好的效果。

表5 全預(yù)混燃燒換熱系統(tǒng)間隙

3 空氣過濾裝置的應(yīng)用及維護

結(jié)合上述分析，選用G4等級空氣過濾裝置，采用平板型的空氣過濾器，拆分為兩塊設(shè)計,即方便拆卸又保證具有較大的容塵量，如圖5所示，該壁掛爐額定功率28 kW，最大轉(zhuǎn)速6 200 r/min，無安裝過濾器時，測量風(fēng)機在預(yù)混腔處產(chǎn)生的風(fēng)壓值為260 Pa。

圖5 空氣過濾裝置裝機效果圖

按上述設(shè)計安裝空氣過濾裝置后，所產(chǎn)生的風(fēng)壓值約為260 Pa，該過濾器初始阻力相對值視為0 Pa。本實驗通過貼密封條的方式模擬過濾器逐步積塵而形成堵塞的過程，壁掛爐保持最大轉(zhuǎn)速運行，對比1 m煙管和3 m煙管的差異，測試不同堵塞程度下所產(chǎn)生的風(fēng)壓值變化。堵塞過程如圖6所示

圖6 過濾器堵塞過程

由圖7測試數(shù)據(jù)可知，隨著過濾器堵塞面積逐漸增大，所產(chǎn)生的風(fēng)壓值也逐漸增大，當(dāng)堵塞面積達到95 %時，所產(chǎn)生的最大風(fēng)壓值為322 Pa，即可知過濾器終極阻力相對值為162 Pa，此時壁掛爐功率降為27.3 kW。

圖7 過濾器堵塞過程風(fēng)壓變化

圖7 試用后燃燒系統(tǒng)狀況

經(jīng)上述分析可知，隨著過濾器堵塞面積逐漸增大，所產(chǎn)生的風(fēng)壓值也逐漸增大。為使用戶能及時了解過濾器的堵塞情況，并確保壁掛爐的正常使用，通過增設(shè)風(fēng)壓傳感器，實時檢測壁掛爐運行過程中風(fēng)壓值變化，設(shè)置過濾器保養(yǎng)提醒功能和風(fēng)壓安全保護功能。保養(yǎng)提醒功能，當(dāng)風(fēng)壓達到其設(shè)定值時，壁掛爐發(fā)出保養(yǎng)提醒，但壁掛爐仍可正常使用一段時間；風(fēng)壓安全保護功能，當(dāng)風(fēng)壓達到其設(shè)定值時，壁掛爐進入安全保護，停機熄火。

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)分析，當(dāng)堵塞面積達到80 %以上時，壁掛爐應(yīng)啟動保養(yǎng)提醒功能，則將保養(yǎng)提醒功能風(fēng)壓設(shè)定值設(shè)為285～310 Pa，壁掛爐通過顯示屏或手機APP提示保養(yǎng)，讓用戶了解過濾器快達到使用壽命，以便及時更換。當(dāng)堵塞面積達到95 %以上時，壁掛爐應(yīng)啟動風(fēng)壓安全保護功能，則將安全保護功能風(fēng)壓值設(shè)為≥310 Pa，此時壁掛爐進入安全保護，停機熄火，必須進行維護保養(yǎng)后才能使用。

4 全預(yù)混冷凝壁掛爐實際運行效果

對內(nèi)設(shè)有G4級過濾網(wǎng)，額定功率為28 kW全預(yù)混冷凝壁掛爐，通過在陜西省西安市長安區(qū)文苑南路西北大學(xué)家屬院進行為期兩個采暖季試運行，試用情況如表6所示，分析空氣過濾器對全預(yù)混燃燒系統(tǒng)堵塞起的實際效果。

表6 試用機運行參數(shù)

如表7所示，完成兩個采暖季運行后，通過測試，整機輸入功率下降2 %，額定冷凝熱效率[2]下降1.4 %，煙氣變化不明顯，因此性能變化很小。如圖8所示，將機器拆開后，燃燒器沒有出現(xiàn)堵塞，而換熱器盤管顏色略有變化，盤管之間的縫隙有沒出現(xiàn)明顯堵塞，而過濾網(wǎng)顏色變暗，有明顯的灰塵粘附，因此過濾網(wǎng)發(fā)揮了明顯作用。

表7 試用后采暖爐性能變化

通過實際應(yīng)用證明，選用G4等級的過濾棉能更有效地減少空氣中塵埃顆粒對壁掛爐燃燒工況的影響，減少燃燒換熱系統(tǒng)的堵塞，且經(jīng)過兩個采暖季運行，仍然未提示更換過濾棉，因此該選型是合理的，適應(yīng)全預(yù)混冷凝壁掛爐在國內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用。

5 結(jié)語

1）選用G4等級的過濾棉，既減少燃燒系統(tǒng)阻力，又能有效的減少空氣的灰塵及雜質(zhì)對燃燒器及換熱器的堵塞影響。

2）空氣過濾裝置在全預(yù)混冷凝壁掛爐上的安裝位置，對容塵量、維護周期、拆裝的便捷性有重要影響，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮。

3）采用風(fēng)壓傳感器對過濾裝置堵塞進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)明顯堵塞時，可以及時提示用戶進行維護，避免造成故障，影響用戶正常使用。

通過對帶空氣過濾裝置的全預(yù)混冷凝壁掛爐設(shè)計分析，優(yōu)化空氣過濾裝置在全預(yù)混冷凝壁掛爐上的安裝方案及控制程序可有效的減少空氣中雜質(zhì)顆粒對燃燒系統(tǒng)的堵塞，保證全預(yù)混冷凝壁掛爐持續(xù)高效運行，延長使用壽命及維護周期，提升全預(yù)混冷凝壁掛爐在中國環(huán)境的適應(yīng)性。