全預(yù)混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞保護優(yōu)化設(shè)計研究

林林勇

（廣東萬和熱能科技有限公司 佛山 528325）

引言

近年來，國家政策鼓勵市場推出高效、節(jié)能、綠色環(huán)保的產(chǎn)品，全預(yù)混冷凝壁掛爐[1]以其燃燒充分、換熱效率[2]高、排放低等特點逐步吸引消費者的目光，出色的節(jié)能效果深受廣大消費者的青睞，銷量年年攀升，趨勢向好。全預(yù)混冷凝壁掛爐燃燒過程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠趽Q熱器上與水充分換熱，煙溫逐漸下降而煙氣中的水蒸氣大量冷凝為液態(tài)冷凝水[3]，所形成的冷凝水被冷凝水收集裝置收集后再逐漸排出機體外。由于國內(nèi)部分地區(qū)存在空氣灰塵、雜質(zhì)多、燃氣不純凈等因素的影響，在燃燒后，煙氣中附著的灰塵及雜質(zhì)顆粒隨冷凝水的沖刷流入冷凝水收集裝置；隨著雜質(zhì)顆粒逐步增加，可能會造成冷凝水排水系統(tǒng)的堵塞，甚至?xí)輷Q熱器隔熱板、燃燒器，進而倒灌入風(fēng)機及燃氣閥，造成零部件損壞，影響全預(yù)混冷凝爐的使用壽命。為保證全預(yù)混冷凝壁掛爐的正常運行，需設(shè)計有可靠的冷凝水堵塞保護措施，在出現(xiàn)冷凝水堵塞時能及時進入安全保護狀態(tài)，避免零部件受損而影響使用壽命。

1 冷凝水堵塞原因分析

全預(yù)混冷凝壁掛爐的燃燒換熱原理是燃氣與空氣在預(yù)混器中充分混合后，在燃燒器的表面進行燃燒，燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠趽Q熱器上與水進行換熱之后，煙氣溫度下降并達到其露點溫度，煙氣中的水蒸氣冷凝為液態(tài)冷凝水，所形成的冷凝水在煙氣氣流沖擊及自身重力作用下，沿著換熱器的內(nèi)壁往下流，并匯集于虹吸管中再排放出壁掛爐外部，如圖1所示。

圖1 全預(yù)混冷凝壁掛爐原理圖

經(jīng)過分析，造成冷凝水堵塞的原因主要有以下三種：①全預(yù)混冷凝壁掛爐外接的冷凝水排水管存在扭曲折疊或結(jié)冰導(dǎo)致冷凝水無法正常向外排放；②參與燃燒的燃氣和空氣中存在無法燃燒的雜質(zhì)顆粒沒能隨著煙氣排出，而在冷凝水的沖刷下，堆積在壁掛爐內(nèi)部的冷凝水排水通道上，造成虹吸管排水口堵塞，如圖2所示；③壁掛爐內(nèi)部冷凝水排水通道設(shè)計不合理，而冷凝水在排水過程中需要克服水封段空氣阻力，若排水管徑過小，傾斜角度偏小將造成排水不暢，如圖3所示。

圖2 虹吸管中的雜質(zhì)

圖3 壁掛爐內(nèi)部排水管積水

一旦出現(xiàn)冷凝水堵塞，而壁掛爐又不能及時識別，燃燒換熱持續(xù)進行，冷凝水將逐漸堆積并向上漫延至換熱器內(nèi)，水位升高后將從燃燒器倒灌到風(fēng)機及燃氣閥，造成零部件受損，同時也會導(dǎo)致燃燒工況惡化，煙溫急劇升高，降低全預(yù)混冷凝壁掛爐的使用壽命。因此，在冷凝水出現(xiàn)堵塞時，全預(yù)混冷凝壁掛爐應(yīng)能及時識別堵塞并停止燃燒工作，才可有效避免零部件損壞。全預(yù)混冷凝壁掛爐應(yīng)具備可靠的冷凝水堵塞保護，盡可能避免冷凝水對壁掛爐造成損傷，以保障全預(yù)混冷凝壁掛爐的高效運行。

2 堵塞保護方案研究及優(yōu)化

目前對全預(yù)混冷凝壁掛爐的冷凝水堵塞保護，主要有兩類方法來進行檢測：①利用火焰探針檢測反饋電流強度來判別冷凝水是否堵塞；②在虹吸管上增設(shè)液位開關(guān)或風(fēng)壓開關(guān)，通過電路通斷方式判別冷凝水是否堵塞。

2.1 火焰探針檢測方案

在壁掛爐工作過程中，火焰探針用于檢測燃燒火焰所產(chǎn)生的離子電流，主控板檢測到固定的電流信號值時，則說明點火成功且正常燃燒。全預(yù)混冷凝壁掛爐燃燒換熱產(chǎn)生的冷凝水呈弱酸性并具有導(dǎo)電的特性，若冷凝水堵塞至液面與火焰探針接觸時，火焰探針通過冷凝水與機殼形成導(dǎo)通接地，主控板檢測到電流信號值異常即可判定為冷凝水堵塞，進入熄火安全保護狀態(tài)。

經(jīng)測試，在待機無火焰的狀態(tài)下，火焰探針檢測到的電流強度模擬信號Ad值為252，而正常燃燒時，Ad值為0。將冷凝水排水口堵住，使冷凝水水位逐步上升，隨著冷凝水漫延至換熱器內(nèi)，火焰探針周圍的火焰信號強度逐漸削弱，火焰離子電流強度模擬信號Ad值呈逐步上升趨勢，此階段可能造成燃燒火焰因氣流不均而局部出現(xiàn)離焰狀態(tài)；隨著冷凝水水位繼續(xù)上升，冷凝水液面開始漫延至火焰探針處，此時火焰探針通過冷凝水與機殼導(dǎo)通接地，Ad值穩(wěn)定在147，如圖4所示。由此可見，從熄火狀態(tài)到正常燃燒再到冷凝水漫至火焰探針，火焰離子電流強度模擬信號Ad值出現(xiàn)較為明顯變化，由此可用來判定全預(yù)混冷凝壁掛爐的工作運行狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)冷凝水堵塞時，及時有效識別出來并進入安全保護并停止工作。

圖4 冷凝水堵塞過程電流Ad值變化

為驗證環(huán)境濕度對火焰離子電流強度模擬信號Ad值是否存在影響，將該全預(yù)混冷凝壁掛爐置于恒溫恒濕測試箱中，在常溫30 ℃下進行測試。使壁掛爐處于待機狀態(tài)，打開全預(yù)混換熱器的燃燒門，使火焰探針暴露在恒溫恒濕的環(huán)境中，通過逐漸增加火焰探針周圍環(huán)境濕度，濕度范圍在（40～95）%變化，讀取火焰離子電流強度模擬信號Ad值，如圖5所示，可見Ad值保持不變，由此得出火焰離子電流強度模擬信號Ad值不易受環(huán)境濕度影響。同樣保持環(huán)境濕度為95 %，逐漸增加火焰探針周圍溫度，溫度范圍在（30～90）℃變化，讀取火焰離子電流強度模擬信號Ad值，如圖6所示，可見Ad值仍保持不變，由此得出火焰探針信號值在高溫高濕狀態(tài)下，依然保持穩(wěn)定的火焰離子電流強度模擬信號Ad值。

圖5 溫度30 ℃時，濕度對電流Ad值的影響

圖6 濕度95 %時，溫度對電流Ad值的影響

綜合上述試驗及分析，此安全保護方案可有效判定全預(yù)混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞且不易受環(huán)境因素影響產(chǎn)生誤報。但為避免冷凝水漫至換熱器后流入燃燒器并浸泡風(fēng)機等零部件，需將火焰探針進行優(yōu)化以確保冷凝水液面與火焰探針接觸時，水位仍低于燃燒器的最低位置，如圖7所示。然而，即使優(yōu)化火焰探針的位置，使此方案雖可有效防止冷凝水浸泡燃燒器且避免風(fēng)機和燃氣閥等關(guān)鍵零部件受損，但仍會對換熱器隔熱板產(chǎn)生浸泡，降低其使用壽命，如圖7所示。

圖7 燃燒器和換熱器內(nèi)部圖片

2.2 液位開關(guān)檢測方案

采用液位開關(guān)來判別冷凝水堵塞的方案，是一個直接檢測冷凝水水位的方案。此方案是通過在虹吸管增設(shè)一個用于檢測冷凝水水位的液位開關(guān)，如圖8所示，該液位開關(guān)帶有磁性浮球，正常狀態(tài)下，浮球受重力作用自然下垂，液位開關(guān)內(nèi)部電路處于接通狀態(tài)并與主控板形成回路。若冷凝水出現(xiàn)堵塞，冷凝水水位逐漸上升，浮球在冷凝水的作用下浮起，浮球上浮至固定行程時，由于其磁性作用使液位開關(guān)內(nèi)部電路處于斷開狀態(tài)，主控板檢測到回路斷開，即判定為冷凝水堵塞并停止工作。此方案的優(yōu)點在于無需對控制程序進行變更，僅需將液位開關(guān)導(dǎo)線串聯(lián)入現(xiàn)有電路中即可全過程監(jiān)測冷凝水是否堵塞，且液位開關(guān)內(nèi)置電路是全密閉的，不受環(huán)境影響，可靠性高。

圖8 液位開關(guān)方案設(shè)計圖

根據(jù)虹吸管結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計液位開關(guān)安裝方案時可選擇設(shè)在形成水封段的前端與后端，如圖8所示。綜合考慮實際使用的情況，在全預(yù)混冷凝壁掛爐的工作過程中，冷凝水不斷產(chǎn)生并流入虹吸管內(nèi)，而隨著冷凝水沖刷下來的雜質(zhì)大部分沉積在虹吸管最低端和粘附在側(cè)壁，即容易在水封段的前端出現(xiàn)堵塞；若液位檢測開關(guān)安裝在水封段后端則檢測不到此處的冷凝水堵塞，僅有壁掛爐外部的冷凝水排水管路出現(xiàn)堵塞時才能檢測出來，因此液位開關(guān)設(shè)計在虹吸管水封段的前端更為合理有效。同時考慮到部分用戶的使用環(huán)境差異，在使用全預(yù)混冷凝壁掛爐時在壁掛爐外部冷凝水排水管未能接入下水道，而是采用水桶收集冷凝水，這將導(dǎo)致冷凝水排水管內(nèi)形成一段密閉空間，形成空氣堵塞，不利于排水，虹吸管水封前端水位會有一定的上升，因此在設(shè)計液位開關(guān)位置時需考慮該段上升的水位影響，或者在虹吸管的水封段的后端，設(shè)計一個與大氣相通的孔位，以避免產(chǎn)生壓力。

結(jié)合上述分析，全預(yù)混冷凝壁掛爐在虹吸管增設(shè)液位開關(guān)可及時有效地檢測虹吸管和外部排水管道的冷凝水堵塞，并可在冷凝水漫延至換熱器前進入安全保護，避免浸泡換熱器隔熱板等零部件的情況發(fā)生。

3 堵塞安全保護方案選擇

為了及時識別外部冷凝水排水管道及虹吸管內(nèi)部通道堵塞，防止冷凝水漫延至換熱器造成隔熱板浸泡，在設(shè)計全預(yù)混冷凝壁掛爐時建議在虹吸管水封前端增設(shè)液位開關(guān)作為第一道冷凝水堵塞保護，盡可能避免因冷凝水堵塞造成的零部件損壞；另外，為避免虹吸管與換熱器連接管因意外堵塞造成的冷凝水漫延，可通過優(yōu)化火焰探針結(jié)構(gòu)及主控板程序設(shè)計來作為第二道冷凝水堵塞保護，在冷凝水水位漫延到燃燒器之前，火焰探針及時檢測堵塞，主控板進入冷凝水堵塞保護，及時熄火阻止冷凝水的產(chǎn)生，從而避免冷凝水對風(fēng)機、預(yù)混器和燃氣閥的浸泡和損壞。在全預(yù)混冷凝爐上優(yōu)化設(shè)計，通過兩種方案相結(jié)合，能全方位有效判別冷凝水堵塞問題，及時判別并及時止損，為全預(yù)混冷凝壁掛爐的高效節(jié)能保駕護航，以達到有效延長全預(yù)混冷凝壁掛爐使用壽命的目的。

4 結(jié)語

1）通過火焰探針來檢測冷凝水堵塞，具有可靠性高，不易受環(huán)境濕度、溫度影響，缺點是一旦出現(xiàn)冷凝水堵塞后，容易浸泡換熱器上的隔熱棉，影響其使用壽命。

2）在虹吸管水封前端增設(shè)液位開關(guān)，可以避免因灰塵雜質(zhì)在冷凝水的沖刷下快速堆積虹吸管中造成堵塞，避免造成壁掛爐零部件的損壞，并可提示用戶及時清理。

3）采用火焰探針及液位開關(guān)兩種安全保護方法結(jié)合，可以最大限度避免因各種原因引起的冷凝水堵塞給全預(yù)混冷凝壁掛爐造成的影響。

通過優(yōu)化全預(yù)混冷凝壁掛爐冷凝水堵塞保護的設(shè)計，有效及時地檢測出冷凝水堵塞，從而有效保護全預(yù)混冷凝壁掛爐的零部件，以達到減少維護成本、延長全預(yù)混冷凝壁掛爐的使用壽命的目的。