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[其它相关] 观千剑而后识器——2019法兰克福供热展后有感【西安交大】

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[LV.9]比调大火

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沃姆韦尔科技无锡有限公司
发表于 2019-5-16 13:40:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
观千剑而后识器
桂雍,邓世丰,商俊奇,赵钦新
(西安交通大学,热流科学与工程教育部重点实验室,710049
摘要:小康社会的推进使民众对生活有更高质量的追求,新型商用燃气采暖炉在采暖供热行业具有良好的发展前景及市场。法兰克福供热展作为国际平台,充分展现出分布式供暖领域前瞻技术及各种高端领先采暖设备系统,令人思维开疆拓宇,再起头脑风暴。
关键词:商用燃气采暖炉;铸铝硅;不锈钢。
     法兰克福供热展开阔、开放,是采暖行业最大的国际展会之一。操千曲而后晓声,观千剑而后识器,秉承积极观摩的学习态度前往法兰克福参展并有幸在此介绍盛会期间的所见所闻,所感所想。

1.     铝硅商用采暖炉
2019年法兰克福展会展出的铝硅材料制成的壁挂炉、落地炉和商用燃气采暖炉几乎用尽了传统的铸造、锻压和焊接工艺。这其中就有砂铸铝、压铸铝等铸造产品;也有冷冲压和热挤压等锻压产品,更有铜管和铝板翅的焊接产品。
铸铝硅壁挂炉、落地炉和商用燃气采暖炉采用砂型铸造或低压铸造工艺,是目前在欧洲发展时间最长,品种最多,结构和工艺最复杂的一类冷凝式采暖炉。发展至今,铸铝硅商用采暖炉复杂的结构形式已经让热工设计及美观感受趋于完美,很难再取得跃迁式的创新设计。目前大多数小功率壁挂炉和更大功率的落地炉其形式大同小异,均由辐射炉膛,烟气侧圆柱或菱柱形强化换热针翅和S形水道组成。铸铝硅商用采暖炉采用全水冷流道覆盖设计,包括高温辐射炉膛,有效防止受热面干烧导致的超温安全问题并最大限度的吸收烟气热量,从而无需额外敷设保温材料。
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图1铸铝硅商用采暖炉产品

令人耳目一新的德国博世(BOSCH)铸铝硅商用采暖炉整体为圆柱形设计,针翅呈四组中心对称平行布置而非径向辐射布置,防止针翅顶部间距缩小,有效降低模具制造难度。圆柱形铸铝硅商用采暖炉设计亮点集中体现在可自主清扫炉体积灰和表面积炭,如图2所示,能够节省可观的维护费用。
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图2博世(BOSCH)圆柱形铸铝硅商用采暖炉

德国沃夫(WOLF)采用热挤压铝工艺制造的商用采暖炉使用钢制挡板迫使高温烟气沿周侧挤压铝翅片通道流动与供暖水换热,有效换热体积小使炉体大而功率低。沃夫的大胆尝试也验证了作者所在团队2018年最新提出的创新思想:优先开拓热挤压铝商用燃气采暖炉新风向、新市场。作者所在团队设计的板式烟管及水管形式的挤压铝商用采暖炉具有结构紧凑、换热效率高、连接可靠等特点,并已布局专利知识产权,目前正处于材料投用可行性的最终确认阶段。         
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图3热挤压铝商用采暖炉

据展会现场咨询了解,其中还有一些采用尾部受热面突出空腔用以减小热噪的新创意,还有一些“新瓶装旧酒”的手段:采用铸造工艺实现不锈钢窄间隙层流强化设计的平椭圆盘管(俗称腰圆管,也有矩形管)壁挂炉和铜管铝翅壁挂炉的功能结构。总体而言受铸造工艺条件限制,铸铝硅炉体的型腔和壁厚不能做到很薄而使整体紧凑程度减弱,就目前产品设计原理和工程应用考察而言,此种做法似乎成效不佳。     
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图4其他铸铝硅商用采暖炉

铸铝硅商用采暖炉选用AlSi10Mg作为单一的铸造材料,经时效处理后其表面能形成稳定厚度的致密氧化膜,防止酸性腐蚀或氧腐蚀,同时其中较高的Si含量有效强化了炉体对抗冷凝水腐蚀性能,铸铝硅商用采暖炉的服役寿命可大于12年。欧科(ELCO)展出了不锈钢与铝翅管服役年后的腐蚀情况,肉眼可见铝翅管腐蚀明显,而不锈钢则“岿然不动”。事实上或是无心或是有意,消费者容易产生铝制换热产品不行的第一印象,然而铝翅管的硅含量不足1%与铸铝硅商用采暖炉所用AlSi10Mg大相径庭,抗冷凝水腐蚀性能自然不能相与。
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图5欧科(ELCO)不锈钢和铝管翅腐蚀实验展示

2.     不锈钢商用采暖炉
和铝硅材料的铸造、锻压和焊接工艺生产的多样性成形工艺相比,不锈钢壁挂炉、落地炉和商用燃气采暖炉产品几乎都是焊接生产,既有传统高频焊焊管及管翅焊接工艺,也有氩弧焊(TIG)接工艺,再有更先进的激光焊接工艺,也是琳琅满目,花样繁多,有直管焊接,也有盘管焊接。
不锈钢燃气采暖炉是最先投入到市场中的冷凝式锅炉,在漫长的发展过程中衍生出了包括壁挂炉、落地炉和商用燃气采暖炉在内的不同结构、各种型号的采暖炉。根据不锈钢热水锅炉的管内工质可分为烟管式和水管式,烟管式主要包含扁烟管、内插螺旋扰流子烟管、内插挤压铝翅片烟管等;水管式主要有平椭圆盘管、翅片管、光管、冲压板等。目前不锈钢平椭圆盘管在不锈钢壁挂炉市场中占有率最高,大型的不锈钢商用采暖炉市场中不锈钢光管和翅片管组合锅炉占据主导地位。
不锈钢烟管采暖炉的烟气在管内流动,水在管外吸热,整体由辐射炉膛区、对流冷却区和冷凝区三部分组成。为强化烟气冷却冷凝、缩小锅炉体积、提升锅炉效率,烟管采暖炉采用多种方式离散烟气侧核心高温区、增大烟气侧换热面积、破坏烟管内壁面层流边界层的设计技术。AIC和皓欧(Hoval)的冷凝式烟管采暖炉采用了上述方式:如图6(a)所示,烟气在2~6mm的扁烟管空间中流动,烟气与壁面充分接触,消除了烟气侧核心高温区;如图6(b)所示,在圆形烟管内插入螺旋扰流子,破坏烟气内壁面的流动边界层、离散中心高温区,但此法可能会带来无用功耗;如图6(c)所示,在圆形烟管内插入中心面对称的梳齿型铝翅管,增大烟气侧换热面积的同时消除烟气侧核心高温区。
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图6不锈钢烟管采暖炉

不锈钢烟管采暖炉的水侧空间为容积式空间,可作为锅炉系统的储热空间从而实现锅炉与储热水箱的一体化,节约锅炉系统占地面积。爱赛为(ACV)推出了一种多罐双冷凝技术。在采暖炉外壳与烟管之间的供暖回水空间内放置了两个生活用水水罐,下部的水罐是自来水进水储存罐,温度为5~25℃,通过冷却供暖回水间接冷凝烟气达到二次冷凝效果并防止直接冷却高温烟气带来的过高壁温导致水侧结垢问题。上部的水罐无异于其他烟管采暖炉,用以提供采暖热水,该套采暖炉系统可提供采暖热水及生活热水并实现双冷凝有效提高采暖炉效率,作者遍观展会供热产品后认为,采暖和热水复合生产是未来智能、舒适家居供热发展的方向,此款设计深谙未来供热高端市场需求,设计理念先进,值得国内商家学习借鉴。

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图7爱赛为(ACV)双冷凝采暖炉

不锈钢水管采暖炉组成与烟管采暖炉无异。由于水侧对流换热系数是烟气侧的10倍左右,因此对烟气侧进行强化,可有效缩小锅炉体积、提高采暖炉效率。锅炉的炉膛多采用传统的水冷炉膛结构,但冷却与冷凝段的强化方式千差万别,从结构方面可分为翅片强化和窄间隙层流强化两种。传统的不锈钢螺旋翅片管多采用高频焊接翅片,但高频焊的焊接热影响区大,存在焊接残余应力,在冷凝液中的酸根离子腐蚀作用下易出现翅片应力腐蚀开裂(SCC)。新型的不锈钢螺旋翅片管采用激光焊接方式,热影响区更小,翅间距可降至2mm,将圆形翅片压成扁圆翅片,螺旋翅片管可与挡板或相邻翅片管紧贴,形成多数平行窄间隙烟气通道,从微观角度分析,现有的新型螺旋翅片管也可归类为窄间隙层流强化。
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图8 不锈钢翅片管及光管采暖炉

不锈钢水管采暖炉的另一种典型结构是平椭圆盘管炉。受单根管长和水流速的限制,不锈钢壁挂炉需由多组扁圆盘管并联组成,连接的过渡缝隙及起始、结尾处会导致烟气短路降低换热效率,采用形变管将过渡缝隙填补或壳体挡板可有效解决此类问题。舒美达(Sermeta)展示了19kW~1600kW的平椭圆管锅炉,利用后置或顶置的冷凝段深度冷却冷凝烟气。200kW以上的大容量平椭圆管采暖炉直接将多组双层的平椭圆管焊接在顶部集箱上。就工艺而言,消除了连接段的过渡大缝隙而变得结构简易但明显增加了焊接工作量,所谓“简单却繁琐”。相邻盘管之间的缝隙处于80μm~1500μm之间,经过大量而详细的理论热力计算和数值模拟可以发现,窄间隙中的主流烟气全部处于换热旺盛的边界层区域内,换热系数可达传统错列光管的5倍以上。
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图9不锈钢平椭圆盘管采暖炉

展会中斯密(Sime)是唯一一家采用不锈钢壁挂炉与热泵串并联耦合的公司。斯密采用小型R134a工质热泵与采暖炉合二为一的形式,整装入壁挂炉系统中。细致观察不难发现斯密采用热泵的耦合仅是降低传统壁挂炉的排烟温度或给平椭圆管壁挂炉再添空气源热泵增大功率,合理使用低谷电的作用与作者所在团队采用热泵耦合,智能气电调控充分回收烟气潜热,极限冷凝多能增效的概念形式一致但机理迥异。
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图10 热泵耦合采暖炉系统

3.     微型热电联产系统
微型热电联产(MCHP)系统或装置是所谓的分布式能源(DER)在房屋或小型企业中的具体重要运用形式之一。产电中部分可以完全供给与家庭或商业使用,其余的产电如果电网管理允许,则被卖回电网。在法兰克福生活的期间向当地民众了解到:当地电价为25欧分,自产电被卖回电网索取价为50欧分,价格足足翻了一番,由此可见该产品在欧洲具有巨大市场前景。
展会中展出的微型热电联产系统基本类型包括3种技术:内燃机,燃料电池(SOFC)和太阳能光热一体化。内燃机和太阳能光热一体化系统产电量较低,供热量是产电量的2~3倍,以SENERTEC为例,其内燃机微型热电联产系统各型号参数如图10(b)所示。燃料电池采用质子交换膜技术将甲烷和天然气等燃气的化学能直接转变为电能,以菲斯曼(Viessmann)的BlueGen燃料电池系统为例,如图10c所示,其产电量1.5kWel,是供热量0.6kWth的2.5倍。
此外,我们了解到微型热电联产系统项目已得到欧盟2020年氢研究计划和参考编号为NO700339的“fuel cells and hydrogen 2”联合倡议资助资金支持。以BlueGen燃料电池系统为例,其总价为25000欧元,能得到政府补贴总计16050欧元,如此高额的补贴政策下不难想象微型热电联产系统的巨大隐形市场。
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图11 微型热电联产系统

    以目前中国各自为战的壁挂炉、落地炉和商用燃气采暖炉制造企业的能力和发展前景估计,要在短时间实现以上内燃机,燃料电池(SOFC)和太阳能光热一体化产品及系统的技术进步有很大难度,因此,以上3种产品是欧盟阻断中国同类型企业跟进西方微型热电联产产品及系统的绝对优势。

4.        可再生能源供热
欧洲对可再生能源极为重视,其目标是碳的完全零排放。在法兰克福参展期间作者居住在格拉斯许藤,一个距展会车程一小时的偏远乡镇,属于小型热电联产系统的住宅级太阳能光伏(PV)阵列在这样的乡镇住房上随处可见。甚至还有太阳能耦合热泵(PV+CHP)的混合系统,不仅具有从根本上减少现有电力和供暖系统中的能源浪费的潜力,而且还使太阳能光伏的份额能够扩大约5倍。
氢能是目前已知的 “完美”能源,氢能技术愈发成熟的同时也逐步渐入人们视野。氢燃料电池,氢气甲烷掺混共燃等均为我们所熟知,展会中也不乏氢能换热器,如DEJATECH的挤压铝氢能换热器等。我国已进入天然气时代,未雨绸缪,为赶上时代的潮流,打破技术垄断,开发下一代的氢燃料电池以及配套氢燃料电池的紧凑新材料换热器也显得十分重要。
展会上琳琅满目的储能罐正是可再生能源供热的中介。储能罐能有效储存稳定的氢能天然气燃烧后烟气的热能和不稳定的地热能、太阳能等。多能并行互补进入储能,需要时再以热水为介质输出热能。储能罐在展会中的大数量占比也体现了当下多能互补,增效耦合的供热发展大趋势。
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图12 各种形式的储能罐

5.        结语
法兰克福供热展所展现出的前瞻技术虽让人赞叹但却也完全符合作者团队的创新概念思想和未来市场预期。消化吸收再创新是推动供暖领域发展的重要战略思想,在追求超低氧、超低氮、超高效燃烧效率和超高效紧凑换热的永恒信条的基础上,不断思考商用燃气采暖炉的市场风向和技术前瞻是业内我们每个人的共同职责;另外,通过这次展会我们深刻地感受到,国内企业必须重视创新研发才能赶上西方供热产品的发展步伐。(注:本论文属原创文章,如若转载须与原作者或青戈尔资讯联系。)
燃烧器网管理员与作者赵钦新老师
同在德国ISH展会期间的合影)

注:
此文章已经通过燃烧器网冷凝炉专区
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声明:燃烧器网授权转载发布
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