摘要：本文将翅片管直流式热水器和容积式热水器的优点相结合，提出了家用锅炉的创新结构。通过测试证实了此结构的合理性，这对于指导实际工程设计具有十分重要的意义。
关键词： 家用锅炉 创意设计 独特结构
中国图书分类号:TK16 文献标识码:Ａ
The Creative Design of the Family Use Boiler
Liu xiaozhou Huaben Gengshengbin
(School of chemical Engineering ,South China University of technology, Guangzhou 510640, China)
Abstract: The paper, combining the benefits of ribbed tube cubic water heater,gives the creative structure of the family use boiler. Via test, the correctness of the creative structure is verified. This is of great value to practical engineering design.
Key words: family use boiler creative design special structure
1、前言
随着人们生活水平的提高及环保要求的日益严格，家用壁挂炉的使用变得越来越普及。由于壁挂炉体积小，热效率高，安装方便，因此受到人们的普遍欢迎。进口壁挂炉大都采用大气式燃烧器[1 2 3 4 5]，其结构大同小异[6 7 8 9]，如图1所示：
图1
由图1不难看出，进口壁挂锅炉的结构非常复杂。主机内部设有循环泵，闭式膨胀水箱、热交换器、补水装置、安全卸压阀、压力表、自动排气阀和引风机等装置，相当于一个功能齐全的小型锅炉房。其自动控制系统部件包括电动三通阀、比例燃气调节控制阀、极限恒温器和NTC感温探头（采暖、热水温度检测及控制）、卫生水流量开关、自动旁通阀、采暖水压开关、风压开关、低压探测管、极限恒温器、自动旁通阀等装置，用来实现循环泵过热、缺相保护、电系统过压保护、采暖系统膨胀水箱缓冲保护、采暖系统水流检测、防止干烧、采暖系统过压安全保护、防冻保护、防过热保护、低水流自动旁通保护等功能。如此复杂的结构设计不仅使壁挂炉的价格居高不下，同时也导致故障点增多，运行维护十分不变。目前，中国燃气壁挂炉主要适合于在集中供热延伸不到的地方灵活快捷为地为人们提供热能，洗浴并不是其主要目的，而进口壁挂炉的高昂价格也非一般用户所能承受。因此，研制低价格、高可靠、免维护、高效率的家用锅炉已经成为市场发展的必然趋势。
2、家用采暖壁挂锅炉的创意设计
(1)、结构设计
目前，进口家用壁挂炉都以强制循环的直流式翅片管作为受热面，冷水流经水管的瞬间即被加热，属于一种闭式系统，靠膨胀水箱来定压。这种换热方式虽然结构紧凑，但是必须在系统中安装循环泵，而且要求循环泵与燃烧器联锁控制。一旦循环泵出现故障，燃烧器必须立刻熄火。否则翅片管内的循环水会汽化，从而导致换热管烧毁。另外，由于翅片管的内径较小，外侧又与高温火焰接触，很容易造成水管结垢或堵塞而影响使用。同时还必须注意到，因为翅片管烟气流动阻力较大，所以必须安装引风机来保证燃烧的顺利进行。壁挂炉的这种结构导致了其具有价格昂贵(须安装水泵、风机、闭式膨胀水箱及复杂的自控系统)，故障点多(水泵、风机、联锁控制系统均易出故障)，维护工作量大等缺点。为了在不影响热效率的前提下大幅度降低价格，同时提高运行的可靠性，尽量做到免维护，本文综合了容积式和直流式翅片管热水器的优点，提出了水套翅片式家用采暖壁挂锅。它一方面具有容积式热水器对水质要求低、不怕干烧、烟气流动阻力低的特点；另一方面，又拥有翅片管热水器传热性能好、热效率高的优点，实际上是二者结合的产物。其具体结构见图2：
图2
此锅炉由3个彼此相连的水套组成，内外水套之间用翅片焊接相连。烟从翅片之间曲折流过完成整个换热过程。系统回水进入水套后依靠自然循环被加热，属于容积式加热方式，无需安装水泵，不会发生干烧现象，使用安全可靠。另外，与翅片管相比，水套间连接翅片的烟气流动面积相对较大，烟气流动阻力低，无需加装引风机。依靠烟囱自然通风的抽力就可以将室外空气引入炉内燃烧，从而实现平衡式通风，满足国家对热水器排放的严格规定。不但节省了成本和电力消耗，而且降低了故障率，可谓一举两得。
(2)、翅片结构设计
水套之间的翅片在锅炉中充当扩展受热面，又称二次传热面，在传热的同时还在两相邻水套间起加强作用。其强化传热机理主要是提供比一次受热面大得多的扩展受热面积，同时改变流体的流动方式来达到强化传热的目的。因此，采用何种结构的翅片对锅炉的热效率影响极大，是锅炉设计成败的关键。普通换热设备采用的大都是平直翅片，其制造简单，流动阻力小。但是它所形成的流体通道与直管几乎没有什么区别，只是增加了传热面积，所以传热效果不好，不适用于本产品设计。
因此，本产品采用人字形翅片，又称波纹形翅片。它和平直翅片都属于连续型翅片，即翅片沿流体流动方向是连续不间断的。它是在翅片上沿流动方向压制出人字形波纹而成的。流体在通道流动时，由于不断改变流向而产生二次流及边界层分离，从而强化传热。波纹愈密，波幅愈大，其传热效果越好，但流动阻力也相应增加。经过综合考虑和实验，翅片间距取10～15mm比较合适。
3、测试结果
为了验证设计效果，本文对按此设计思想自行设计的16KW家用采暖锅炉进行了整机测试，其测试结果如下：
热效率(%) 排烟温度(°C) 燃烧状况 CO浓度(ppm) NOx浓度(ppm)
87.5>80(合格) 165 稳定 105<1000(合格) 56<100(合格)
由上表不难看出，此种锅炉的各项指标均达到了国家要求，完全可以满足市场需求。这说明设计是成功的，完全可以推广应用。
4、锅炉性能特点
由上文的论述不难看出，此种新型锅炉具有以下特点：
(1)、无需安装水泵、风机，运行安全可靠，价格低。
(2)、无需复杂的自控系统，故障率低。
(3)、对锅炉水质敏感性低，对水处理设备无特殊要求。
(4)、采用容积式加热方式，可以避免结垢和干烧现象，可靠性大大提高。
5、结论
综上所述，此种锅炉具有体积小、价格低、故障少、可靠性高等特点，值得大力推广。
6、参考文献
(1)、同济大学等. 燃气燃烧与应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1988.
(2)、日本煤气协会. 煤气应用手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1989.
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(4)、周伟国,秦朝葵. 燃气脉冲燃烧器低NOx生成的机理[J]. 煤气与热力，1997，(4)：28－31.
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(9)、王天飞，傅忠诚. 引射式低NOx燃气两段燃烧装置的研究[J]. 煤气与热力，1992，(5)：29－31.
作者简介
刘效洲(1971－)，男，山东青岛人，现在华南理工大学迪森公司博士后工作站工作。
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