全預(yù)混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

林林勇

（廣東萬(wàn)和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

近年來(lái)，國(guó)家政策鼓勵(lì)市場(chǎng)推出高效、節(jié)能、綠色環(huán)保的產(chǎn)品，全預(yù)混冷凝壁掛爐[1]以其燃燒充分、換熱效率[2]高、排放低等特點(diǎn)逐步吸引消費(fèi)者的目光，出色的節(jié)能效果深受廣大消費(fèi)者的青睞，銷量年年攀升，趨勢(shì)向好。全預(yù)混冷凝壁掛爐燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠趽Q熱器上與水充分換熱，煙溫逐漸下降而煙氣中的水蒸氣大量冷凝為液態(tài)冷凝水[3]，所形成的冷凝水被冷凝水收集裝置收集后再逐漸排出機(jī)體外。由于國(guó)內(nèi)部分地區(qū)存在空氣灰塵、雜質(zhì)多、燃?xì)獠患儍舻纫蛩氐挠绊懀谌紵?，煙氣中附著的灰塵及雜質(zhì)顆粒隨冷凝水的沖刷流入冷凝水收集裝置；隨著雜質(zhì)顆粒逐步增加，可能會(huì)造成冷凝水排水系統(tǒng)的堵塞，甚至?xí)輷Q熱器隔熱板、燃燒器，進(jìn)而倒灌入風(fēng)機(jī)及燃?xì)忾y，造成零部件損壞，影響全預(yù)混冷凝爐的使用壽命。為保證全預(yù)混冷凝壁掛爐的正常運(yùn)行，需設(shè)計(jì)有可靠的冷凝水堵塞保護(hù)措施，在出現(xiàn)冷凝水堵塞時(shí)能及時(shí)進(jìn)入安全保護(hù)狀態(tài)，避免零部件受損而影響使用壽命。

1 冷凝水堵塞原因分析

全預(yù)混冷凝壁掛爐的燃燒換熱原理是燃?xì)馀c空氣在預(yù)混器中充分混合后，在燃燒器的表面進(jìn)行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠趽Q熱器上與水進(jìn)行換熱之后，煙氣溫度下降并達(dá)到其露點(diǎn)溫度，煙氣中的水蒸氣冷凝為液態(tài)冷凝水，所形成的冷凝水在煙氣氣流沖擊及自身重力作用下，沿著換熱器的內(nèi)壁往下流，并匯集于虹吸管中再排放出壁掛爐外部，如圖1所示。

圖1 全預(yù)混冷凝壁掛爐原理圖

經(jīng)過(guò)分析，造成冷凝水堵塞的原因主要有以下三種：①全預(yù)混冷凝壁掛爐外接的冷凝水排水管存在扭曲折疊或結(jié)冰導(dǎo)致冷凝水無(wú)法正常向外排放；②參與燃燒的燃?xì)夂涂諝庵写嬖跓o(wú)法燃燒的雜質(zhì)顆粒沒(méi)能隨著煙氣排出，而在冷凝水的沖刷下，堆積在壁掛爐內(nèi)部的冷凝水排水通道上，造成虹吸管排水口堵塞，如圖2所示；③壁掛爐內(nèi)部冷凝水排水通道設(shè)計(jì)不合理，而冷凝水在排水過(guò)程中需要克服水封段空氣阻力，若排水管徑過(guò)小，傾斜角度偏小將造成排水不暢，如圖3所示。

圖2 虹吸管中的雜質(zhì)

圖3 壁掛爐內(nèi)部排水管積水

一旦出現(xiàn)冷凝水堵塞，而壁掛爐又不能及時(shí)識(shí)別，燃燒換熱持續(xù)進(jìn)行，冷凝水將逐漸堆積并向上漫延至換熱器內(nèi)，水位升高后將從燃燒器倒灌到風(fēng)機(jī)及燃?xì)忾y，造成零部件受損，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致燃燒工況惡化，煙溫急劇升高，降低全預(yù)混冷凝壁掛爐的使用壽命。因此，在冷凝水出現(xiàn)堵塞時(shí)，全預(yù)混冷凝壁掛爐應(yīng)能及時(shí)識(shí)別堵塞并停止燃燒工作，才可有效避免零部件損壞。全預(yù)混冷凝壁掛爐應(yīng)具備可靠的冷凝水堵塞保護(hù)，盡可能避免冷凝水對(duì)壁掛爐造成損傷，以保障全預(yù)混冷凝壁掛爐的高效運(yùn)行。

2 堵塞保護(hù)方案研究及優(yōu)化

目前對(duì)全預(yù)混冷凝壁掛爐的冷凝水堵塞保護(hù)，主要有兩類方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)：①利用火焰探針檢測(cè)反饋電流強(qiáng)度來(lái)判別冷凝水是否堵塞；②在虹吸管上增設(shè)液位開(kāi)關(guān)或風(fēng)壓開(kāi)關(guān)，通過(guò)電路通斷方式判別冷凝水是否堵塞。

2.1 火焰探針檢測(cè)方案

在壁掛爐工作過(guò)程中，火焰探針用于檢測(cè)燃燒火焰所產(chǎn)生的離子電流，主控板檢測(cè)到固定的電流信號(hào)值時(shí)，則說(shuō)明點(diǎn)火成功且正常燃燒。全預(yù)混冷凝壁掛爐燃燒換熱產(chǎn)生的冷凝水呈弱酸性并具有導(dǎo)電的特性，若冷凝水堵塞至液面與火焰探針接觸時(shí)，火焰探針通過(guò)冷凝水與機(jī)殼形成導(dǎo)通接地，主控板檢測(cè)到電流信號(hào)值異常即可判定為冷凝水堵塞，進(jìn)入熄火安全保護(hù)狀態(tài)。

經(jīng)測(cè)試，在待機(jī)無(wú)火焰的狀態(tài)下，火焰探針檢測(cè)到的電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值為252，而正常燃燒時(shí)，Ad值為0。將冷凝水排水口堵住，使冷凝水水位逐步上升，隨著冷凝水漫延至換熱器內(nèi)，火焰探針周圍的火焰信號(hào)強(qiáng)度逐漸削弱，火焰離子電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值呈逐步上升趨勢(shì)，此階段可能造成燃燒火焰因氣流不均而局部出現(xiàn)離焰狀態(tài)；隨著冷凝水水位繼續(xù)上升，冷凝水液面開(kāi)始漫延至火焰探針處，此時(shí)火焰探針通過(guò)冷凝水與機(jī)殼導(dǎo)通接地，Ad值穩(wěn)定在147，如圖4所示。由此可見(jiàn)，從熄火狀態(tài)到正常燃燒再到冷凝水漫至火焰探針，火焰離子電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值出現(xiàn)較為明顯變化，由此可用來(lái)判定全預(yù)混冷凝壁掛爐的工作運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)冷凝水堵塞時(shí)，及時(shí)有效識(shí)別出來(lái)并進(jìn)入安全保護(hù)并停止工作。

圖4 冷凝水堵塞過(guò)程電流Ad值變化

為驗(yàn)證環(huán)境濕度對(duì)火焰離子電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值是否存在影響，將該全預(yù)混冷凝壁掛爐置于恒溫恒濕測(cè)試箱中，在常溫30 ℃下進(jìn)行測(cè)試。使壁掛爐處于待機(jī)狀態(tài)，打開(kāi)全預(yù)混換熱器的燃燒門，使火焰探針暴露在恒溫恒濕的環(huán)境中，通過(guò)逐漸增加火焰探針周圍環(huán)境濕度，濕度范圍在（40～95）%變化，讀取火焰離子電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值，如圖5所示，可見(jiàn)Ad值保持不變，由此得出火焰離子電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值不易受環(huán)境濕度影響。同樣保持環(huán)境濕度為95 %，逐漸增加火焰探針周圍溫度，溫度范圍在（30～90）℃變化，讀取火焰離子電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值，如圖6所示，可見(jiàn)Ad值仍保持不變，由此得出火焰探針信號(hào)值在高溫高濕狀態(tài)下，依然保持穩(wěn)定的火焰離子電流強(qiáng)度模擬信號(hào)Ad值。

圖5 溫度30 ℃時(shí)，濕度對(duì)電流Ad值的影響

圖6 濕度95 %時(shí)，溫度對(duì)電流Ad值的影響

綜合上述試驗(yàn)及分析，此安全保護(hù)方案可有效判定全預(yù)混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞且不易受環(huán)境因素影響產(chǎn)生誤報(bào)。但為避免冷凝水漫至換熱器后流入燃燒器并浸泡風(fēng)機(jī)等零部件，需將火焰探針進(jìn)行優(yōu)化以確保冷凝水液面與火焰探針接觸時(shí)，水位仍低于燃燒器的最低位置，如圖7所示。然而，即使優(yōu)化火焰探針的位置，使此方案雖可有效防止冷凝水浸泡燃燒器且避免風(fēng)機(jī)和燃?xì)忾y等關(guān)鍵零部件受損，但仍會(huì)對(duì)換熱器隔熱板產(chǎn)生浸泡，降低其使用壽命，如圖7所示。

圖7 燃燒器和換熱器內(nèi)部圖片

2.2 液位開(kāi)關(guān)檢測(cè)方案

采用液位開(kāi)關(guān)來(lái)判別冷凝水堵塞的方案，是一個(gè)直接檢測(cè)冷凝水水位的方案。此方案是通過(guò)在虹吸管增設(shè)一個(gè)用于檢測(cè)冷凝水水位的液位開(kāi)關(guān)，如圖8所示，該液位開(kāi)關(guān)帶有磁性浮球，正常狀態(tài)下，浮球受重力作用自然下垂，液位開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路處于接通狀態(tài)并與主控板形成回路。若冷凝水出現(xiàn)堵塞，冷凝水水位逐漸上升，浮球在冷凝水的作用下浮起，浮球上浮至固定行程時(shí)，由于其磁性作用使液位開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路處于斷開(kāi)狀態(tài)，主控板檢測(cè)到回路斷開(kāi)，即判定為冷凝水堵塞并停止工作。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需對(duì)控制程序進(jìn)行變更，僅需將液位開(kāi)關(guān)導(dǎo)線串聯(lián)入現(xiàn)有電路中即可全過(guò)程監(jiān)測(cè)冷凝水是否堵塞，且液位開(kāi)關(guān)內(nèi)置電路是全密閉的，不受環(huán)境影響，可靠性高。

圖8 液位開(kāi)關(guān)方案設(shè)計(jì)圖

根據(jù)虹吸管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)液位開(kāi)關(guān)安裝方案時(shí)可選擇設(shè)在形成水封段的前端與后端，如圖8所示。綜合考慮實(shí)際使用的情況，在全預(yù)混冷凝壁掛爐的工作過(guò)程中，冷凝水不斷產(chǎn)生并流入虹吸管內(nèi)，而隨著冷凝水沖刷下來(lái)的雜質(zhì)大部分沉積在虹吸管最低端和粘附在側(cè)壁，即容易在水封段的前端出現(xiàn)堵塞；若液位檢測(cè)開(kāi)關(guān)安裝在水封段后端則檢測(cè)不到此處的冷凝水堵塞，僅有壁掛爐外部的冷凝水排水管路出現(xiàn)堵塞時(shí)才能檢測(cè)出來(lái)，因此液位開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)在虹吸管水封段的前端更為合理有效。同時(shí)考慮到部分用戶的使用環(huán)境差異，在使用全預(yù)混冷凝壁掛爐時(shí)在壁掛爐外部冷凝水排水管未能接入下水道，而是采用水桶收集冷凝水，這將導(dǎo)致冷凝水排水管內(nèi)形成一段密閉空間，形成空氣堵塞，不利于排水，虹吸管水封前端水位會(huì)有一定的上升，因此在設(shè)計(jì)液位開(kāi)關(guān)位置時(shí)需考慮該段上升的水位影響，或者在虹吸管的水封段的后端，設(shè)計(jì)一個(gè)與大氣相通的孔位，以避免產(chǎn)生壓力。

結(jié)合上述分析，全預(yù)混冷凝壁掛爐在虹吸管增設(shè)液位開(kāi)關(guān)可及時(shí)有效地檢測(cè)虹吸管和外部排水管道的冷凝水堵塞，并可在冷凝水漫延至換熱器前進(jìn)入安全保護(hù)，避免浸泡換熱器隔熱板等零部件的情況發(fā)生。

3 堵塞安全保護(hù)方案選擇

為了及時(shí)識(shí)別外部冷凝水排水管道及虹吸管內(nèi)部通道堵塞，防止冷凝水漫延至換熱器造成隔熱板浸泡，在設(shè)計(jì)全預(yù)混冷凝壁掛爐時(shí)建議在虹吸管水封前端增設(shè)液位開(kāi)關(guān)作為第一道冷凝水堵塞保護(hù)，盡可能避免因冷凝水堵塞造成的零部件損壞；另外，為避免虹吸管與換熱器連接管因意外堵塞造成的冷凝水漫延，可通過(guò)優(yōu)化火焰探針結(jié)構(gòu)及主控板程序設(shè)計(jì)來(lái)作為第二道冷凝水堵塞保護(hù)，在冷凝水水位漫延到燃燒器之前，火焰探針及時(shí)檢測(cè)堵塞，主控板進(jìn)入冷凝水堵塞保護(hù)，及時(shí)熄火阻止冷凝水的產(chǎn)生，從而避免冷凝水對(duì)風(fēng)機(jī)、預(yù)混器和燃?xì)忾y的浸泡和損壞。在全預(yù)混冷凝爐上優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)兩種方案相結(jié)合，能全方位有效判別冷凝水堵塞問(wèn)題，及時(shí)判別并及時(shí)止損，為全預(yù)混冷凝壁掛爐的高效節(jié)能保駕護(hù)航，以達(dá)到有效延長(zhǎng)全預(yù)混冷凝壁掛爐使用壽命的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)火焰探針來(lái)檢測(cè)冷凝水堵塞，具有可靠性高，不易受環(huán)境濕度、溫度影響，缺點(diǎn)是一旦出現(xiàn)冷凝水堵塞后，容易浸泡換熱器上的隔熱棉，影響其使用壽命。

2）在虹吸管水封前端增設(shè)液位開(kāi)關(guān)，可以避免因灰塵雜質(zhì)在冷凝水的沖刷下快速堆積虹吸管中造成堵塞，避免造成壁掛爐零部件的損壞，并可提示用戶及時(shí)清理。

3）采用火焰探針及液位開(kāi)關(guān)兩種安全保護(hù)方法結(jié)合，可以最大限度避免因各種原因引起的冷凝水堵塞給全預(yù)混冷凝壁掛爐造成的影響。

通過(guò)優(yōu)化全預(yù)混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞保護(hù)的設(shè)計(jì)，有效及時(shí)地檢測(cè)出冷凝水堵塞，從而有效保護(hù)全預(yù)混冷凝壁掛爐的零部件，以達(dá)到減少維護(hù)成本、延長(zhǎng)全預(yù)混冷凝壁掛爐的使用壽命的目的。