徐麥建 林林勇 陳全興

（廣東萬(wàn)和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

隨著全預(yù)混冷凝壁掛爐的發(fā)展和普及，全預(yù)混冷凝壁掛爐在中國(guó)市場(chǎng)銷(xiāo)量逐年遞增，然而受?chē)?guó)內(nèi)環(huán)境空氣質(zhì)量、燃?xì)夂s質(zhì)多等因素影響，全預(yù)混冷凝壁掛爐出現(xiàn)燃燒器、換熱器不同程度的堵塞現(xiàn)象，引起運(yùn)行噪音大，熱效率[3]下降，功率輸出下降，嚴(yán)重影響用戶(hù)使用。如圖1所示，全預(yù)混冷凝壁掛爐在市場(chǎng)上運(yùn)行了1個(gè)采暖季后，燃燒火焰強(qiáng)度[4]明顯減弱，經(jīng)測(cè)試功率下降至80 %，對(duì)其燃燒器進(jìn)行清理后，燃燒工況有明顯改善，功率恢復(fù)標(biāo)定值。全預(yù)混燃燒器一般為不銹鋼沖孔，或不銹鋼表面增加金屬纖維，由于孔徑比常規(guī)爐的燃燒器要小，因此更容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

圖1 金屬纖維燃燒器堵塞

如圖2所示，換熱器采用的是盤(pán)管式，其煙氣側(cè)的間隙為0.6～0.85 mm，由于管壁會(huì)產(chǎn)生冷凝水，同時(shí)燃?xì)夂猩倭康恼吵砦飼?huì)依附在管壁上，對(duì)燃燒顆粒產(chǎn)物及雜質(zhì)會(huì)逐漸粘附管壁上造成堵塞。

圖2 盤(pán)管換熱器煙氣側(cè)堵塞

經(jīng)過(guò)對(duì)堵塞物分析，主要是由燃?xì)庵须s質(zhì)以及參與燃燒的空氣中雜質(zhì)堆積而形成。全預(yù)混燃燒中的燃?xì)馀c空氣量比例接近1∶10[4]，空氣中的灰塵或雜質(zhì)最容易引起燃燒系統(tǒng)的堵塞，因此對(duì)空氣中的灰塵或雜質(zhì)進(jìn)行有效過(guò)濾，減少其對(duì)燃燒器及換熱系統(tǒng)的影響，對(duì)提升全預(yù)混冷凝壁掛爐的環(huán)境適應(yīng)性有著重要意義。

1 空氣過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)及選型

空氣過(guò)濾器作為凈化系統(tǒng)的核心設(shè)備，在空調(diào)、空氣凈化器上應(yīng)用非常廣泛?？諝饬鹘?jīng)過(guò)濾器后，空氣中的塵埃粒子將粘符在濾棉上，可有效的凈化空氣，隨著積塵的增加，空氣阻力將逐漸增大，其通風(fēng)量將會(huì)降低，當(dāng)其阻力增大到某一規(guī)定值時(shí)，過(guò)濾器將報(bào)廢。因此，在采暖爐上設(shè)計(jì)空氣過(guò)濾裝置，應(yīng)合理設(shè)計(jì)過(guò)濾器的過(guò)濾效果并同時(shí)掌握其使用周期，已達(dá)到延長(zhǎng)壁掛爐維護(hù)周期的目的。在過(guò)濾器沒(méi)有損壞的情況下，通常以阻力來(lái)判定使用壽命，主要與過(guò)濾材料、過(guò)濾面積、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、初始阻力等，還與空氣中的含塵濃度、實(shí)際使用風(fēng)量、終阻力的設(shè)定等因素有關(guān)。

1.1 空氣過(guò)濾器阻力

新裝過(guò)濾器的阻力稱(chēng)為“初阻力”；對(duì)應(yīng)過(guò)濾器報(bào)廢的阻力值稱(chēng)為“終阻力”。終阻力的選擇直接關(guān)系到過(guò)濾器的使用壽命、系統(tǒng)風(fēng)量變化范圍以及系統(tǒng)能耗，空氣過(guò)濾器的選型需對(duì)終阻力進(jìn)行考慮，大多數(shù)情況下，終阻力是初阻力的2～4倍。過(guò)濾器使用過(guò)程中，其阻力隨時(shí)間變化如圖3所示。

圖3 過(guò)濾器阻力變化圖

1.2 空氣過(guò)濾器的容塵量

容塵量是指過(guò)濾器最大允許的積塵量，當(dāng)積塵量超過(guò)此值后，過(guò)濾器阻力將大大增加，過(guò)濾效率明顯下降甚至失效，因此容塵量是設(shè)計(jì)采暖爐空氣過(guò)濾器的一個(gè)重要指標(biāo)，直接關(guān)乎維護(hù)周期及更換成本。容塵量的大小，跟過(guò)濾材料以及過(guò)濾面積有關(guān)。當(dāng)過(guò)濾器的過(guò)濾面積越大，其所能容納的粉塵就越多，其使用壽命也就越長(zhǎng)。過(guò)濾面積大，氣流穿過(guò)材料的速度就低，過(guò)濾器的阻力就小。增加過(guò)濾面積是延長(zhǎng)過(guò)濾器使用壽命的最有效手段。

經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于同種結(jié)構(gòu)、同樣濾材的過(guò)濾器，當(dāng)終阻力確定時(shí)，過(guò)濾面積增加50 %，其使用壽命會(huì)延長(zhǎng)70～80 %；面積增加一倍，過(guò)濾器的使用壽命約是原來(lái)的3倍。

1.3 空氣過(guò)濾器等級(jí)劃分

對(duì)于通風(fēng)用的過(guò)濾器，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 12218-89和GB/T 14295-93按新過(guò)濾器的計(jì)數(shù)法效率分別將過(guò)濾器分為五個(gè)和四個(gè)等級(jí)。如表1所示。

表1 國(guó)標(biāo)過(guò)濾器分級(jí)表

歐洲現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)EN 779：1993和EN 1882-1:1998根據(jù)過(guò)濾效率，將過(guò)濾器劃分為十七個(gè)等級(jí)[1]。等級(jí)定義和測(cè)試方法跟國(guó)標(biāo)不一樣，具體如表2所示。

表2 歐標(biāo)過(guò)濾器分級(jí)表

過(guò)濾效率等級(jí)按立徑大小及計(jì)數(shù)效率進(jìn)行劃分，相比國(guó)標(biāo)，歐標(biāo)分類(lèi)更加細(xì)化。并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空氣過(guò)濾器終阻力的設(shè)計(jì)值與過(guò)濾等級(jí)關(guān)系如表3所示。

表3 終阻力設(shè)計(jì)值與過(guò)濾等級(jí)關(guān)系表

2 空氣過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)及選型分析

通過(guò)對(duì)采暖爐的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將空氣過(guò)濾裝置安裝在空氣進(jìn)入預(yù)混腔之前所流經(jīng)的位置上，對(duì)參與燃燒的空氣進(jìn)行前期過(guò)濾，凈化參與燃燒的空氣，以改善全預(yù)混冷凝壁掛爐的燃燒工況[4]，減少燃燒物對(duì)換熱器造成堵塞?？諝膺^(guò)濾裝置的布置位置直接影響其容塵量，維護(hù)周期，拆卸清理的便捷性，以下列出3種空氣過(guò)濾裝置在壁掛爐上的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)方案布局圖

1）方案1：將空氣過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)為圓筒形轉(zhuǎn)接式結(jié)構(gòu)，安裝在煙管彎頭與壁掛爐連接處，對(duì)同軸煙管的進(jìn)風(fēng)管通道進(jìn)行過(guò)濾，空氣過(guò)濾裝置處于壁掛爐外部，拆卸維護(hù)更加便捷，但影響整體安裝美觀度。

2）方案2：將空氣過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)為平板式，內(nèi)置在空氣箱頂端靠近壁掛爐進(jìn)風(fēng)口位置，此處空間較為充裕，可以擴(kuò)大過(guò)濾器的面積，但維護(hù)時(shí)需要拆開(kāi)機(jī)器。

3）方案3：將空氣過(guò)濾裝置設(shè)計(jì)為圓筒形結(jié)構(gòu)，安裝在壁掛爐預(yù)混器進(jìn)風(fēng)口處，此方案結(jié)構(gòu)小巧，但受空間限制。

以一臺(tái)外形尺寸為740*410*330 mm的壁掛爐為例，使用φ60*φ100 mm的同軸煙管來(lái)計(jì)算過(guò)濾面積，具體方案對(duì)比如表4所示。

表4 壁掛爐方案設(shè)計(jì)對(duì)比

綜合上述分析，方案2的空氣過(guò)濾裝置，其過(guò)濾面積是方案3的過(guò)濾面積的4.3倍，是方案1的過(guò)濾面積的16.2倍，由此可見(jiàn)，方案2的空氣過(guò)濾裝置的安裝設(shè)計(jì)具有過(guò)濾面積大、容塵量大的特點(diǎn)。

選用過(guò)濾器過(guò)濾效率等級(jí)，不僅考慮環(huán)境空氣的顆粒物大小，同時(shí)結(jié)合全預(yù)混冷凝壁掛爐所采用的燃燒器火孔大小，換熱器盤(pán)管間隙進(jìn)行選型。當(dāng)選用的等級(jí)越高，過(guò)濾的顆粒物越細(xì)，過(guò)濾效果就越好，但是會(huì)縮短過(guò)濾器的使用周期，造成維護(hù)成本高。最好讓未參與燃燒顆粒物可以隨排煙系統(tǒng)或冷凝水排出換熱器，避免燃燒換熱系統(tǒng)造成堵塞，又可以延長(zhǎng)過(guò)濾器的使用壽命。

按表5所示，根據(jù)全預(yù)混冷凝壁掛爐所采用的燃燒器火孔大小，換熱器盤(pán)管間隙，選用G4等級(jí)的粗效過(guò)濾棉進(jìn)行適配，可過(guò)濾粒徑大于5.0 um的塵埃、雜質(zhì)，其設(shè)計(jì)終阻力150～250 Pa。對(duì)凈化參與壁掛爐預(yù)混燃燒的空氣有著更好的效果。

表5 全預(yù)混燃燒換熱系統(tǒng)間隙

3 空氣過(guò)濾裝置的應(yīng)用及維護(hù)

結(jié)合上述分析，選用G4等級(jí)空氣過(guò)濾裝置，采用平板型的空氣過(guò)濾器，拆分為兩塊設(shè)計(jì),即方便拆卸又保證具有較大的容塵量，如圖5所示，該壁掛爐額定功率28 kW，最大轉(zhuǎn)速6 200 r/min，無(wú)安裝過(guò)濾器時(shí)，測(cè)量風(fēng)機(jī)在預(yù)混腔處產(chǎn)生的風(fēng)壓值為260 Pa。

圖5 空氣過(guò)濾裝置裝機(jī)效果圖

按上述設(shè)計(jì)安裝空氣過(guò)濾裝置后，所產(chǎn)生的風(fēng)壓值約為260 Pa，該過(guò)濾器初始阻力相對(duì)值視為0 Pa。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)貼密封條的方式模擬過(guò)濾器逐步積塵而形成堵塞的過(guò)程，壁掛爐保持最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行，對(duì)比1 m煙管和3 m煙管的差異，測(cè)試不同堵塞程度下所產(chǎn)生的風(fēng)壓值變化。堵塞過(guò)程如圖6所示

圖6 過(guò)濾器堵塞過(guò)程

由圖7測(cè)試數(shù)據(jù)可知，隨著過(guò)濾器堵塞面積逐漸增大，所產(chǎn)生的風(fēng)壓值也逐漸增大，當(dāng)堵塞面積達(dá)到95 %時(shí)，所產(chǎn)生的最大風(fēng)壓值為322 Pa，即可知過(guò)濾器終極阻力相對(duì)值為162 Pa，此時(shí)壁掛爐功率降為27.3 kW。

圖7 過(guò)濾器堵塞過(guò)程風(fēng)壓變化

圖7 試用后燃燒系統(tǒng)狀況

經(jīng)上述分析可知，隨著過(guò)濾器堵塞面積逐漸增大，所產(chǎn)生的風(fēng)壓值也逐漸增大。為使用戶(hù)能及時(shí)了解過(guò)濾器的堵塞情況，并確保壁掛爐的正常使用，通過(guò)增設(shè)風(fēng)壓傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)壁掛爐運(yùn)行過(guò)程中風(fēng)壓值變化，設(shè)置過(guò)濾器保養(yǎng)提醒功能和風(fēng)壓安全保護(hù)功能。保養(yǎng)提醒功能，當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到其設(shè)定值時(shí)，壁掛爐發(fā)出保養(yǎng)提醒，但壁掛爐仍可正常使用一段時(shí)間；風(fēng)壓安全保護(hù)功能，當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到其設(shè)定值時(shí)，壁掛爐進(jìn)入安全保護(hù)，停機(jī)熄火。

根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)分析，當(dāng)堵塞面積達(dá)到80 %以上時(shí)，壁掛爐應(yīng)啟動(dòng)保養(yǎng)提醒功能，則將保養(yǎng)提醒功能風(fēng)壓設(shè)定值設(shè)為285～310 Pa，壁掛爐通過(guò)顯示屏或手機(jī)APP提示保養(yǎng)，讓用戶(hù)了解過(guò)濾器快達(dá)到使用壽命，以便及時(shí)更換。當(dāng)堵塞面積達(dá)到95 %以上時(shí)，壁掛爐應(yīng)啟動(dòng)風(fēng)壓安全保護(hù)功能，則將安全保護(hù)功能風(fēng)壓值設(shè)為≥310 Pa，此時(shí)壁掛爐進(jìn)入安全保護(hù)，停機(jī)熄火，必須進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)后才能使用。

4 全預(yù)混冷凝壁掛爐實(shí)際運(yùn)行效果

對(duì)內(nèi)設(shè)有G4級(jí)過(guò)濾網(wǎng)，額定功率為28 kW全預(yù)混冷凝壁掛爐，通過(guò)在陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)文苑南路西北大學(xué)家屬院進(jìn)行為期兩個(gè)采暖季試運(yùn)行，試用情況如表6所示，分析空氣過(guò)濾器對(duì)全預(yù)混燃燒系統(tǒng)堵塞起的實(shí)際效果。

表6 試用機(jī)運(yùn)行參數(shù)

如表7所示，完成兩個(gè)采暖季運(yùn)行后，通過(guò)測(cè)試，整機(jī)輸入功率下降2 %，額定冷凝熱效率[2]下降1.4 %，煙氣變化不明顯，因此性能變化很小。如圖8所示，將機(jī)器拆開(kāi)后，燃燒器沒(méi)有出現(xiàn)堵塞，而換熱器盤(pán)管顏色略有變化，盤(pán)管之間的縫隙有沒(méi)出現(xiàn)明顯堵塞，而過(guò)濾網(wǎng)顏色變暗，有明顯的灰塵粘附，因此過(guò)濾網(wǎng)發(fā)揮了明顯作用。

表7 試用后采暖爐性能變化

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用證明，選用G4等級(jí)的過(guò)濾棉能更有效地減少空氣中塵埃顆粒對(duì)壁掛爐燃燒工況的影響，減少燃燒換熱系統(tǒng)的堵塞，且經(jīng)過(guò)兩個(gè)采暖季運(yùn)行，仍然未提示更換過(guò)濾棉，因此該選型是合理的，適應(yīng)全預(yù)混冷凝壁掛爐在國(guó)內(nèi)環(huán)境的應(yīng)用。

5 結(jié)語(yǔ)

1）選用G4等級(jí)的過(guò)濾棉，既減少燃燒系統(tǒng)阻力，又能有效的減少空氣的灰塵及雜質(zhì)對(duì)燃燒器及換熱器的堵塞影響。

2）空氣過(guò)濾裝置在全預(yù)混冷凝壁掛爐上的安裝位置，對(duì)容塵量、維護(hù)周期、拆裝的便捷性有重要影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

3）采用風(fēng)壓傳感器對(duì)過(guò)濾裝置堵塞進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)明顯堵塞時(shí)，可以及時(shí)提示用戶(hù)進(jìn)行維護(hù)，避免造成故障，影響用戶(hù)正常使用。

通過(guò)對(duì)帶空氣過(guò)濾裝置的全預(yù)混冷凝壁掛爐設(shè)計(jì)分析，優(yōu)化空氣過(guò)濾裝置在全預(yù)混冷凝壁掛爐上的安裝方案及控制程序可有效的減少空氣中雜質(zhì)顆粒對(duì)燃燒系統(tǒng)的堵塞，保證全預(yù)混冷凝壁掛爐持續(xù)高效運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命及維護(hù)周期，提升全預(yù)混冷凝壁掛爐在中國(guó)環(huán)境的適應(yīng)性。