真空热水锅炉的应用和分析

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真空热水锅炉的应用和分析

1 引言
在空调系统设计中，冷热源的方案选择由于其关系到一次投资及运行管理费用的大小而倍受关注，对于采用集中空调系统的工业及民用建筑的冷热源，采用冷水机组加燃油（气）热水锅炉不失为是一优选的冷热源方案。夏季采用离心（螺杆）式冷水机组提供7℃~12℃的冷水，冬季使用燃油（气）热水锅炉提供60℃~50℃的热水。而燃油（气）热水锅炉目前采用较多的有承压热水锅炉、常压热水锅炉，真空热水锅炉，而真空热水锅炉由于其安全性及高效性而被广大用户所重视。
2 热水锅炉的比较
2.1 承压热水锅炉：
承压热水锅炉是在锅筒内装满水，通过炉膛直接燃烧加热形成热水。由于锅炉出水温度较高，一般承压锅炉的进出水温为95℃~70℃。而空调系统的供回水温为50℃~60℃，这样系统就需要另设水—水换热器。这使空调热水系统中必须设有一次侧水和二次侧水两个系统，系统比较复杂，机房面积较大。
2.2 常压热水锅炉：
常压热水锅炉也称为大型燃气热水器。是锅炉燃烧加热热媒水，而将换热盘管浸在热媒水中。热媒水升温后通过水—水换热作用原理加热盘管中的空调循环水。由于锅筒内的热媒水与大气相通，至使热媒水不断蒸发，须补充热媒水，使热媒水水质恶化。水—水换热盘管的表面容易结垢，从而降低换热效率。为了提高水—水换热效率，配用了内部循环泵强制热媒水流动，又增加了运行费用。
2.3 真空热水锅炉
真空热水锅炉是利用负压状态下汽—水换热（真空凝结换热）而加热换热盘管中的空调循环水。热媒水在一密闭空间，处于蒸发和凝结的循环过程因而不会减少，水质不亦较稳定。此外，由于汽—水换热使换热效率较高，而且是在负压状态运行，更安全可靠。
3 真空热水锅炉的特点
3.1 安全可靠：
由于真空锅炉始终在负压状态下运行，所以无膨胀爆炸的危险，使其具有了常压锅炉和承压锅炉所无法比拟的安全可靠性能。
3.2 使用寿命长：
由于真空锅炉使用了高纯度及特殊脱氧处理的热媒水，使其炉内不结垢，而且炉内保持高真空的无氧状态，大大降低了炉内腐蚀，机组出厂前一次性充入热媒水，由于热媒水是在一密闭的空间内重复蒸发及冷凝的循环，所以一般在使用寿命内不需要更换，大大方便了使用者，避免了复杂的锅炉保养工作，也使真空锅炉的使用寿命较一般常压热水锅炉长很多。据有关资料显示，常压热水锅炉一般为8~10年，而真空锅炉的使用寿命一般在15年以上。
3.3 多重的安全保护，保证了真空锅炉运行的安全性。
3.4 效率高：
由于是汽--水换热，整个换热盘管被负压饱和蒸汽所包围，处于湿盘管的工作状态，换热效率大大高于水--水换热。所以真空锅炉的体积较小，效率较高，对于机房较小的场所更体现了优越性。而且由于汽水换热也使其预热时间较短，节约了运行费用。

4 真空热水锅炉的工作原理
4.1 真空热水锅炉是利用水在不同的压力下，其沸腾温度不同的特性进行工作的，例如：在一个大气压（1bar）下，水的沸腾温度为100℃。压力低于1bar，水的沸点就低于100℃：压力为0.7bar，沸点为90℃；压力为0.3bar，沸点为70℃；压力为0.1ba，沸点为40℃。（详见图一）

（图一）水在不同压力下蒸发温度
4.2 真空热水锅炉内部空间通过真空泵抽气后形成一个一定真空度的真空腔，炉膛燃烧后使热媒水在真空腔中沸腾汽化产生负压水蒸汽后，蒸汽在换热管表面凝结，将管内冷水加热升温，管内的空调循环水经空调循环泵将加热的水送至系统的末端装置。而管外的负压水蒸汽则被冷却凝结成水滴滴回液面再被加热重新汽化，从而完成整个循环过程。（详见图二）

（图二）真空锅炉原理图

4.3 真空热水锅炉一般利用出水温度控制燃烧器的开启。当空调供水温度达到60℃时，燃烧器就停止工作。由于真空锅炉在出厂前，已抽真空并使炉内绝对压力为5Pa，所以炉膛内的水蒸汽始终处于饱和状态，只要燃烧器一工作热媒水立即就会蒸发，从而保证了运行的稳定性及控制的精确度。
真空热水锅炉的运行关键是炉内真空度的保证，锅炉应始终保持炉内的真空状态。保证炉内的真空度，不仅是为保证锅炉的安全性，使其始终在负压下运行，且为保证换热器的换热效率。一旦在炉内进入少部分空气，该部分空气就会形成不凝性气体而附着在换热器的表面，从而降低换热效率。此时,可开启真空泵保证炉内的真空度。
4.4 真空热水锅炉的正常工作温度低于90℃，工作压力小于0.7bar(绝对压力)，属真空容器，在锅炉本体设计时，考虑了多重的安全保护装置：
4.4.1 温度保护装置：设有高灵敏度的温度传感器,与控制器相连，当热媒水温度超过设定温度(95℃)时，机组就自动报警并停止一切输出。
4.4.2 压力保护装置：设有高灵敏的真空压力控制器，当炉内压力高于设定压力（1.0bar）时，机组就自动报警并停止一切输出。
4.4.3 机组设有机械防爆的溶解栓：当机组在温度控制及压力控制均失效的情况下，机组所设的低溶点合金的溶解栓，在温度超过设定值时就会自动泄压，使炉内与大气相通，从根本上杜绝了机组爆炸的可能。
4.4.4 机组设有高低水位控制电极，确保炉内的热媒水量在正常范围内。如超出一定范围，机组就会自动报警提示。
5 真空热水锅炉与常压热水锅炉的价格及体积比较
由于承压热水锅炉系统比较复杂，所以目前冬季空调供热采用真空热水锅炉与常压热水锅炉居多，二者的价格体积比较如下：

以上体积比较均直接按样本计算，均不包含燃烧器部分。
从以上表格可以看出，真空热水锅炉在体积上要小于常压热水锅炉30%以上，价格基本持平，在大容量锅炉上，真空热水锅炉还略有优势。常压热水锅炉的价格较高可能是由于该锅炉的内置式换热器面积大于真空热水锅炉，且需设置内部循环泵的原因。

6 国家质量监督检验检疫总局对热水锅炉的使用要求
由于真空锅炉特有的工作原理，使其具有了广泛的应用场合。根据国家质量监督检疫总局在2002 年5 月所发的《国质检锅函（2002）288号》文件，其中第六条明确规定了真空相变锅炉的有关管理办法：“真空相变锅炉因其介质流通的压力低于大气压，因而不会发生爆炸事故。制造企业应按标准制造真空锅炉，并且承担告知用户（含锅炉安装者）安全使用，保证使用时锅炉系统始终处于真空状态的法律责任。真空相变锅炉的安装单位对安装质量符合制造企业规定的安装要求负责。符合上述要求的真空相变锅炉安装后不必由质量技术监督行政部门锅炉压力容器安全监察机构进行确认，也不必办理使用登记注册手续。”与此同时，对于承压及常压热水锅炉，技术质量监督部门仍有登记注册及年检的要求。由于真空热水锅炉不属于压力容器，使用真空热水锅炉可以免除登记注册及每年的年检，且其操作人员亦无必要持有锅炉工上岗证，这对于业主来说无疑是很方便及经济的，这也使真空热水锅炉的使用更为广阔了。

7 问题讨论
真空热水锅炉由于采用负压蒸汽间接加热，所以换热器可以承受系统较高的水压力，所以真空热水锅炉可广泛应用于大中型的空调项目作为冬季热源，在改造项目中更具有一定的优势。因为不需要经技术监督局的审核及专业的锅炉操作工，给业主的使用及管理上带来很多的便利。

7.1 消防设计上的认可
目前消防建审部门对承压热水锅炉、常压热水锅炉和真空热水锅炉没有因为其工作压力不同和工作原理的不同而区别对待，依然是一视同仁。由于真空热水锅炉工作原理的特殊性，其本体就类似于一个换热器、空气处理机或冷冻机组内的蒸发盘管，仅需对其燃料输送系统（贮油罐、日用油箱、输油管道系统或燃气输送管道系统）按照消防设计要求进行设计，而对于真空热水锅炉所在机房的位置，机房的设计要求，应予适当放宽现行标准。

7.2 同时供应空调热水与热水供应
目前真空热水锅炉的有关资料均表示如再加上一组换热盘管就可以同时提供空调供热及热水供应。但由于空调是连续运行，是一较为稳定的负荷，而热水供应是间断性供应，是一变化较大的负荷。为满足热水供应的运行，一般在空调循环水管上采用旁通的办法解决，当然应设置一定的控制装置，从而使空调循环水温度达到设计要求。

7.3 使用地域的限制
由于真空锅炉始终在负压下运行，其出水温度一般低于90℃，这使在北方地区采用自然对流采暖工程的应用上受到了一些限制。

7.4 真空锅炉是否存在正压使用的情况
在海拔很高的地区，由于当地的气压较低。(西藏拉萨冬季大气压力为0.68bar，四川甘孜冬季大气压力为0.67bar)此时，真空锅炉是否会出现炉内压力大于炉外压力，而使真空锅炉在正压下运行的情况。制造商在产品设计时是否考虑到了这个问题？

8 结论
真空热水锅炉在日本及韩国具有很大的市场，而且已经有很多年的历史。近年来在我国也逐渐有了一些使用，但由于其加工要求较高，所以在小容量机型的价格还略高于常压锅炉，使其在竞争中还没有完全占有优势。但由于其结构的特殊性，而且使用时不需经技术监督局的审核及年检，也不需要专业的锅炉操作工，这也吸引了许多的业主。在目前西气东输工程的背景下，西部丰富的油气资源即将供应到长江三角洲经济发达地区，对于我们的能源结构会有所调整，而燃气型真空锅炉将会得到更为广泛的应用。
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