摘要：本文將翅片管直流式熱水器和容積式熱水器的優點相結合，提出了家用鍋爐的創新結構。通過測試證實了此結構的合理性，這對于指導實際工程設計具有十分重要的意義。
關鍵詞： 家用鍋爐 創意設計 獨特結構
中國圖書分類號:TK16 文獻標識碼: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
隨著人們生活水平的提高及環保要求的日益嚴格，家用壁掛爐的使用變得越來越普及。由于壁掛爐體積小，熱效率高，安裝方便，因此受到人們的普遍歡迎。進口壁掛爐大都采用大氣式燃燒器[1 2 3 4 5]，其結構大同小異[6 7 8 9]，如圖1所示：
圖1
由圖1不難看出，進口壁掛鍋爐的結構非常復雜。主機內部設有循環泵，閉式膨脹水箱、熱交換器、補水裝置、安全卸壓閥、壓力表、自動排氣閥和引風機等裝置，相當于一個功能齊全的小型鍋爐房。其自動控制系統部件包括電動三通閥、比例燃氣調節控制閥、極限恒溫器和NTC感溫探頭（采暖、熱水溫度檢測及控制）、衛生水流量開關、自動旁通閥、采暖水壓開關、風壓開關、低壓探測管、極限恒溫器、自動旁通閥等裝置，用來實現循環泵過熱、缺相保護、電系統過壓保護、采暖系統膨脹水箱緩沖保護、采暖系統水流檢測、防止干燒、采暖系統過壓安全保護、防凍保護、防過熱保護、低水流自動旁通保護等功能。如此復雜的結構設計不僅使壁掛爐的價格居高不下，同時也導致故障點增多，運行維護十分不變。目前，中國燃氣壁掛爐主要適合于在集中供熱延伸不到的地方靈活快捷為地為人們提供熱能，洗浴并不是其主要目的，而進口壁掛爐的高昂價格也非一般用戶所能承受。因此，研制低價格、高可靠、免維護、高效率的家用鍋爐已經成為市場發展的必然趨勢。
2、家用采暖壁掛鍋爐的創意設計
(1)、結構設計
目前，進口家用壁掛爐都以強制循環的直流式翅片管作為受熱面，冷水流經水管的瞬間即被加熱，屬于一種閉式系統，靠膨脹水箱來定壓。這種換熱方式雖然結構緊湊，但是必須在系統中安裝循環泵，而且要求循環泵與燃燒器聯鎖控制。一旦循環泵出現故障，燃燒器必須立刻熄火。否則翅片管內的循環水會汽化，從而導致換熱管燒毀。另外，由于翅片管的內徑較小，外側又與高溫火焰接觸，很容易造成水管結垢或堵塞而影響使用。同時還必須注意到，因為翅片管煙氣流動阻力較大，所以必須安裝引風機來保證燃燒的順利進行。壁掛爐的這種結構導致了其具有價格昂貴(須安裝水泵、風機、閉式膨脹水箱及復雜的自控系統)，故障點多(水泵、風機、聯鎖控制系統均易出故障)，維護工作量大等缺點。為了在不影響熱效率的前提下大幅度降低價格，同時提高運行的可靠性，盡量做到免維護，本文綜合了容積式和直流式翅片管熱水器的優點，提出了水套翅片式家用采暖壁掛鍋。它一方面具有容積式熱水器對水質要求低、不怕干燒、煙氣流動阻力低的特點；另一方面，又擁有翅片管熱水器傳熱性能好、熱效率高的優點，實際上是二者結合的產物。其具體結構見圖2：
圖2
此鍋爐由3個彼此相連的水套組成，內外水套之間用翅片焊接相連。煙從翅片之間曲折流過完成整個換熱過程。系統回水進入水套后依靠自然循環被加熱，屬于容積式加熱方式，無需安裝水泵，不會發生干燒現象，使用安全可靠。另外，與翅片管相比，水套間連接翅片的煙氣流動面積相對較大，煙氣流動阻力低，無需加裝引風機。依靠煙囪自然通風的抽力就可以將室外空氣引入爐內燃燒，從而實現平衡式通風，滿足國家對熱水器排放的嚴格規定。不但節省了成本和電力消耗，而且降低了故障率，可謂一舉兩得。
(2)、翅片結構設計
水套之間的翅片在鍋爐中充當擴展受熱面，又稱二次傳熱面，在傳熱的同時還在兩相鄰水套間起加強作用。其強化傳熱機理主要是提供比一次受熱面大得多的擴展受熱面積，同時改變流體的流動方式來達到強化傳熱的目的。因此，采用何種結構的翅片對鍋爐的熱效率影響極大，是鍋爐設計成敗的關鍵。普通換熱設備采用的大都是平直翅片，其制造簡單，流動阻力小。但是它所形成的流體通道與直管幾乎沒有什么區別，只是增加了傳熱面積，所以傳熱效果不好，不適用于本產品設計。
因此，本產品采用人字形翅片，又稱波紋形翅片。它和平直翅片都屬于連續型翅片，即翅片沿流體流動方向是連續不間斷的。它是在翅片上沿流動方向壓制出人字形波紋而成的。流體在通道流動時，由于不斷改變流向而產生二次流及邊界層分離，從而強化傳熱。波紋愈密，波幅愈大，其傳熱效果越好，但流動阻力也相應增加。經過綜合考慮和實驗，翅片間距取10～15mm比較合適。
3、測試結果
為了驗證設計效果，本文對按此設計思想自行設計的16KW家用采暖鍋爐進行了整機測試，其測試結果如下：
熱效率(%) 排煙溫度(°C) 燃燒狀況 CO濃度(ppm) NOx濃度(ppm)
87.5>80(合格) 165 穩定 105<1000(合格) 56<100(合格)
由上表不難看出，此種鍋爐的各項指標均達到了國家要求，完全可以滿足市場需求。這說明設計是成功的，完全可以推廣應用。
4、鍋爐性能特點
由上文的論述不難看出，此種新型鍋爐具有以下特點：
(1)、無需安裝水泵、風機，運行安全可靠，價格低。
(2)、無需復雜的自控系統，故障率低。
(3)、對鍋爐水質敏感性低，對水處理設備無特殊要求。
(4)、采用容積式加熱方式，可以避免結垢和干燒現象，可靠性大大提高。
5、結論
綜上所述，此種鍋爐具有體積小、價格低、故障少、可靠性高等特點，值得大力推廣。
6、參考文獻
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(9)、王天飛，傅忠誠. 引射式低NOx燃氣兩段燃燒裝置的研究[J]. 煤氣與熱力，1992，(5)：29－31.
作者簡介
劉效洲(1971－)，男，山東青島人，現在華南理工大學迪森公司博士后工作站工作。
地址：中國廣州經濟技術開發區東區宏明路迪森工業園。
郵編：510760。
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