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铁铬铝纤维织物在燃气热水器行业应用展望

发布时间:2021-08-16 17:23所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:随着燃烧技术的不断创新及环保意识的提升,家用燃气热水器的能效和消费体验越来越重要。本文总结了燃气燃烧方式和燃气热水器的三个发展方向,对全预混表面燃烧技术工作原理做了描述,并介绍了一种全预混铁铬铝纤维表面燃烧技术,在实现高能效、低排放

  摘要:随着燃烧技术的不断创新及环保意识的提升,家用燃气热水器的能效和消费体验越来越重要。本文总结了燃气燃烧方式和燃气热水器的三个发展方向,对全预混表面燃烧技术工作原理做了描述,并介绍了一种全预混铁铬铝纤维表面燃烧技术,在实现高能效、低排放的同时,还能提高舒适性和消费体验,最后对铁铬铝纤维燃气热水器的市场前景进行了分析与展望。

  关键词:燃气热水器;全预混燃烧;表面燃烧;铁铬铝纤维织物

燃气热水器

  世界上第一台燃气热水器在十九世纪末诞生于德国,随着科技的进步、天然气和液化气开采能力和民用消费的提升,燃气热水器经历了直排式、烟道式、强排式、强制平衡式及目前的冷凝式发展历程[1]。近年来,各国对家用燃气具能效的重视程度也逐渐提高,在燃气热水器市场,高效率、低排放的燃气热水器已成为新宠。在提高热效率、消费体验的同时,降低CO和NOx的排放是燃气热水器最重要的发展方向。

  1家用燃气热水器发展现状

  因为地理环境、居住条件及供暖方式的差异,使得燃气热水器技术创新朝着不同的方向发展,综合国内外各个地区热水器特点,燃气热水器的发展方向主要以下三类[2]:

  1.1燃气壁挂炉

  燃气壁挂炉(简称“壁挂炉”)在二十世纪五十年代起源于欧洲,是为家庭提供四季生活热水和冬季供暖的家用燃气设备。主要是由供气系统、燃烧换热系统、排烟系统、水力系统、安全控制系统等组成。随着技术的不断改进,安全性、自动化程度得到质的提升,具有结构紧凑、性能优越、安全可靠、自动化程度高等特点,以节能、环保、舒适等优点得到了用户的广泛认可。壁挂炉在20世纪末开始进入中国市场,目前不但在北方市场逐渐普及,在南方分户供暖市场也快速兴起。

  1.2容积式燃气热水器

  容积式燃气热水器主要由燃烧系统、储水系统、排烟系统等组成,其底部为燃烧器,上方为储水罐,储水罐中央为烟道,储水罐中可以储存一些预先加热的热水,容积式燃气热水器一般带有温控装置,用于控制罐内的水温,具有热水舒适性好、安全性高等优点,但也因为储水罐的存在,容积式燃气热水器存在体积较大、占地多的缺点。在美国、加拿大、澳大利亚等国,居民生活水平较高,居住条件较为宽敞,容积式热水器占用空间大的缺点可以忽略,因此在这些国家家用热水器主要以具有储水优势的容积式燃气热水器为主。容积式燃气热水器因体积大、占空间,国内的家庭用户极少使用。

  1.3燃气快速热水器

  在东亚地区,由于人均居住面积较小,家用热水器主要以日本开发的燃气快速热水器为主,其结构紧凑、体积较小、电子化及自动化程度高。我国的燃气热水器起步较晚,主要参考日本路线,1979年中国第一台燃气热水器在南京诞生,标志着中国人民的洗浴方式从锅烧水时代进入自动热水时代。四十多年来,中国家用燃气快速热水器发展迅速,从强排式到冷凝式,再到零冷水式,燃气快速热水器在节能减排、提高热效率的同时,用户的沐浴体验也得到了明显提升。

  2全预混表面燃烧技术

  为提高燃烧效率,降低环境污染,政府部门对燃气具的能效和排放提出了严苛的要求。现行标准如GB6932-2015《家用燃气快速热水器》和GB25034-2020《燃气采暖热水炉》对燃气热水器的热效率及烟气中CO、NOx的排放做了严格规定。为进一步提高能效,降低有害物质排放,需对燃气热水器在燃烧技术方向进行优化。

  2.1燃气燃烧方式

  燃气在燃烧器内的燃烧方式主要分为三种[3]:大气扩散式燃烧、部分预混式燃烧及全预混式燃烧。其中大气扩散式燃烧是指燃气直接自燃烧器头部火孔喷出,燃料气体依靠扩散作用与周围空气混合而燃烧,一次空气系数为零,燃烧稳定,运行可靠,但燃烧不充分,随着技术的发展,目前基本处于淘汰状态;部分预混式燃烧是将燃气与部分空气(一次空气系数α<1)相混合后自燃烧器头部喷出,点燃后在火孔上方呈内、外双层火焰,燃烧较为充分。

  为防止烟气中的CO含量过高,部分预混式燃烧需要二次空气,但当一、二次空气不能合理分配时,会导致烟气中CO和NOx排放的增加;全预混式燃烧是指燃气燃烧反应发生前将燃气和燃烧所需要的全部空气按最佳比例一次性混合均匀,在到达燃烧区后能瞬间完全燃烧,优点是火焰短、温度高、燃烧充分、热效率高、有害气体如NOx和CO排放少[4],但控制设备和程序相对较为复杂。

  2.2全预混表面燃烧工作原理

  预混气流穿过导流板,到多孔材料下表面后渗透进入,当气流达到着火温度后进行燃烧反应,火焰锚定于多孔材料表面或内部,从而以热辐射或热对流的方式向外传热。当燃烧强度较低时,火焰存于多孔材料内部,纤维被加热到白炽状态,热量主要以红外辐射的方式释放到外界环境,为红焰辐射燃烧;在脱火极限范围内,当预混气流速率较高时,会将火焰推至多孔材料表面,火焰变蓝色,呈波浪形浮于多孔材料表面,燃烧强度较高,此时热量主要以对流传热方式进行释放,为蓝焰对流燃烧。

  2.3铁铬铝纤维表面燃烧

  全预混表面燃烧技术通过多孔材料来实现,目前主要有陶瓷多孔板、多孔片叠层及金属纤维材料三种。金属纤维材料通透性强,厚度小,能保证燃烧工况下的均匀温度分布,对抑制NOx的生成及促进CO的充分燃烧具有良好的效果。铁铬铝纤维由铁铬铝丝以集束拉拔工艺制备而成,铁铬铝中Cr、Al成分较高,在高温状态下纤维表面会形成一层致密的氧化膜,保护纤维不被氧化,提高了材料的使用寿命,具有良好的耐高温氧化性、耐机械及热冲击等性能[6]。

  目前国际上最先进的全预混表面燃烧器就是以铁铬铝纤维织物作为燃烧头的表面包覆材料。铁铬铝纤维织物是由丝径为20~70um的铁铬铝拉拔纤维织造,具有比表面积大、孔隙率高、透气性好(3000~5000L/min·dm2)等优点。但其弹性较大,不做任何处理直接制备的燃烧头,在红焰/蓝焰燃烧模式切换时可能出现蓬松问题。为此,需对铁铬铝纤维针织物进行退火处理,以减小织物内部应力,降低弹性,避免蓬松问题,同时又增大负荷调节范围,在燃烧过程中,燃烧充分,排烟损失小,进而降低了CO的排放;燃烧更加均匀,避免出现局部高温,从而有效降低了NOx的排放。

  3应用前景

  随着居民生活水平的提高,对家用燃气热水器的性能及消费体验要求也越来越高,家用燃气热水器市场竞争趋于白热化,产品性能是核心竞争力。燃气热水器同电热水器相比,舒适型好,安全新高,从能源利用角度来说更为节能环保,近年来在国内热水器市场增长极为明显。全预混铁铬铝纤维燃烧技术因其所具备的高效率、低排放特性,可以更好的利用天然气、液化气等气体燃料,更加节能环保,同时还具有噪声低、回火安全性好等优点,进一步提升了用户体验,具有广阔的应用前景。

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  4结论

  在低碳经济的发展背景下,全预混铁铬铝纤维表面燃烧技术燃烧效率高,可实现天然气、液化气等气体燃料的充分燃烧,节能效果显著,同时能够有效降低烟气中CO和NOx含量,实现超低排放,为我国推进“碳达峰”工作、力争在2060年前完成“碳中和”目标贡献力量。

  参考文献:

  [1]张政.冷凝式燃气热水器换热器设计及优化[D].济南:山东大学,2020.

  [2]汤成杰.新型外表面式换热燃气热水器性能研究[D].南京:东南大学,2019.

  [3]阴建华,吴红艳,高冀强等,铁铬铝金属纤维产品在燃烧器上的应用与展望[J].上海纺织科技,2018(11):1-2,48.

  [4]孙鱼铭,黄小美,向熹等.家用燃气快速热水器低NOx燃烧技术[J].煤气与热力,2018(11):A42-A45.

  作者:李凯凯张国朋*原锋辉彭海军

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