冷凝式锅炉节能效果分析
宋克农1,李倩* 2，焦盈盈1
（1.山东城市建设职业学院，济南 250103；2.济南大学 化学化工学院，济南 250022）
摘 要 普通燃气锅炉具有很高的排烟温度，高温烟气直接排放到大气环境中对环境产生污染破坏，同时用浪费的大量热能，为了减轻高温烟气对环境的破坏以及回收热量、提高热效率，可以将普通锅炉改造为冷凝式锅炉。冷凝式燃气锅炉，热利用率高，可以节约资源。在对某锅炉房燃气锅炉的理论分析，得出烟气所含有的热量值，即显热和潜热，以及当排烟温度降低为25-35℃，此时锅炉的热效率大幅度提高。设计了冷凝式换热器并通过FLUENT模拟软件模拟该换热器在锅炉系统中工作状况，进而得到了最佳的排烟温度为29℃，以及在该排烟温度下热效率提高了12.1%。结论表明冷凝式燃气锅炉具有节能环保的效果，有很高的利用价值，但是冷凝式锅炉在我们国家保有量较低，冷凝式锅炉的研发力度也有待加强。
关键词 冷凝式锅炉 显热值 潜热值 排烟温度 换热器 极限热效率 Fluent模拟
中图分类号：TK229.8
Analysis of Condensing Boilers Energy Saving
The thermal efficiency of condensing boilers is very high,so more and more condensing boilers have been used.Our country commitment to the project of transformation from the gas-fired boilers to the coal-fired boilers. The flue of boiler was emitted to the atmospheric environment taken along much heat，the temperature of the smoke about 200℃. This kind of exhaust gas is emitted into the atmosphere, it would damage the environment, waste a lot of energy.In this example,a heat interchanger is designed for the boiler system. In the new system, a heat interchanger is installed,the most suitable exhaust temperature is gained by calculating. If the exhaust gas temperature is 25-35，the thermal efficiency of the boiler will be raised greatly . At last,a software,FLUENT,is used to simulate the performance of the interchanger.
Keywords：Condensing Boiler，Sensible heat value，Latent heat value，Exhaust gas temperature，heat interchanger Limit Thermal Efficiency，Fluent Simulation
1冷凝式锅炉
传统锅炉排烟温度高，热效率低。随着锅炉排烟温度的降低，烟气中含有的热量将减少，尤其是排烟温度降低到一定程度后，烟气中呈过热状态的水蒸气就会凝结而放出汽化潜热，水蒸气的汽化潜热得以回收，按低位热值发热量QDW为基准计算，热效率可以达到甚至超过100%，这类锅炉就是冷凝式锅炉 [1]。这种锅炉与传统锅炉的本质区别就是排烟温度更低。
2.1 烟气成分分析
烟气就是指燃气燃烧后的产物。在实际的燃烧过程中，为保障燃气完全燃烧，空气供应量都大于理论需求量，因此，烟气中含有空气。
本文选用四川干气（四川地区所产天然气）计算烟气量，得到燃烧过程的理论烟气量和实际烟气量。四川干气所含组份和各组份的体积百分比如表1所示。
表1 燃气成分及其容积成分
燃气成分 |
|
|
|
|
|
容积成分（%） | 98 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 1.0 |
由于空气中所含有很少的
、
、
、
，从而可以忽略不计，该大学锅炉房锅炉在工作过程中(过剩空气系数a取1.1)每小时生成的烟气量如表2所示。
表2 锅炉工作一小时所需空气量和生成的烟气量（
）
a | 空气量 | 氮气 | 水蒸气 | 氧气 | 三原子气体 | 烟气总量 |
1.1 | 5095.2 | 4029.9 | 1038 | 97.2 | 490.2 | 5655.3 |
2.2 烟气所含有的显热
烟气所含有的显热可以通过公示1计算。
(1)
式中
——烟气所含的显热，
；
——气体温度，
；
——气体体积，
。
由公式 1可以计算锅炉在不同的排烟温度下，每小时的显热损失。以排烟温度为150℃（423K）的状态作为基准，分别计算出烟气在不同温度下的显热损失，如表3所示。
表3 不同排烟温度时烟气显热损失
排烟温度（ | 显热损失（106 | 回收量（106 |
423 | 1.16 | - |
328 | 0.42 | 0.74 |
318 | 0.35 | 0.81 |
308 | 0.26 | 0.9 |
298 | 0.23 | 0.93 |
2.3 烟气所含有的潜热
烟气所含有的潜热为烟气中水蒸气的潜热，通过公式2计算。
（2）
式中
——烟气中水蒸气释放的潜热，
；
——烟气中水蒸气的冷凝比例；
——烟气所含水蒸气的质量，
；
——水蒸气的汽化潜热，
。
不同排烟温度所回收的水蒸气气候潜热量，如表4所示。
表4 不同排烟温度时水蒸气的潜热量
排烟温度（ | 回收的潜热（106 | 排放掉的潜热（106 |
328 | 0.14 | 1.62 |
318 | 0.76 | 1 |
308 | 1.16 | 0.6 |
298 | 1.33 | 0.43 |
高温烟气经过冷凝式换热器,当排烟温度分别为328
、318
、308
、298
时，烟气热损失逐渐降低。烟气热损失包括烟气显热、烟气中水蒸气的汽化潜热，与传统锅炉相比（即排烟温度为423
），冷凝式锅炉节能效果明显。
在实际工程应用中，排烟温度降低而释放的热量很难完全回收利用，即排烟温度并非越低越好。本文换热器的有效利用率取95%，各计算数据如表5所示。
表5 不同排烟温度下的各个热量值
排烟温度（ | 423 | 328 | 318 | 308 | 298 |
显热损失（106 | 1.16 | 0.42 | 0.35 | 0.26 | 0.23 |
潜热损失（106 | 1.76 | 1.62 | 1 | 0.5 | 0.43 |
烟气总热损失（106 | 2.92 | 2.04 | 1.35 | 0.76 | 0.66 |
回收热量（106 | - | 0.88 | 1.57 | 2.16 | 2.26 |
有效利用热量（106 | - | 0.84 | 1.49 | 2.05 | 2.15 |
根据有效利用热量可计算，热效率提高值。
（3）
式中
——热效率提高值；
——冷凝式锅炉相对传统锅炉实际有效回收利用的热量(又称为烟气放热量)，
——锅炉小时燃气消耗量，
；
——燃气高热值，
。
由式子3计算得到，当排烟温度分别为328
、318
、308
、298
时，与传统锅炉相比（即排烟温度为423
），热效率可以分别提高4.3%、7.8%、10.6%、11.1%。
3.1 翅片管冷凝式换热器的构造
该锅炉余热回收系统所采用的换热器是单金属整体板状翅片管换热器，采用材质是铜，其构造由铜管和铜片组成。总共有20根铜管和100片铜片组成，每根铜管实践上是由30根直管和29根半圆形弯管连接而成。
铜管的布置形式如图1所示。
图1 管子示意图
图2为冷凝式换热器的内部构造。
图2 内部构造
3.2 冷凝式换热器的热力分析
本文所设计的换热器锅炉补给水从管道内部流动，烟气从管道外部流动，在流动过程中烟气温度降低，补给水温度升高，从而完成换热。热量主要是指通过铜片和铜管以对流换热的形式传递，补给水温度升高得到的热量即为有效利用热量，通过式4计算。
（4）
式中
——经过对流受热面的传热量（
）；
——对流受热面中，管外烟气至管内工质的传热系数（
）；
——对流受热面计算传热面积（
）；
——平均温差（℃）。
在换热器，烟气通过横向冲刷错列布置的管束实现向补给水传递热量；烟气纵向冲刷铜片将热量传递给铜片，铜片再将热量传递给铜管，最终由铜管将热量传递给补给水，可以将, 该过程转换为烟气纵向冲刷管束[5]。根据上述两者情况可以得到它们各自的换热面积F1、F2和传热系数K1、K2，其中F2取铜片换热面积的0.35倍，K值可以通过式5计算得到。
(5)
根据公式4计算出不同排烟温度下的对流换热量，具体数据如表6所示。
表6 对流换热量
排烟温度（ | 328 | 318 | 308 | 298 | |
对流传热量×106（ | 2.63 | 2.37 | 2.09 | 1.75 | |
本文采用图解法：当排烟温度分别为328
、318
、308
、298
时，分别计算出各个烟气温度的实际有效回收利用的热量和对流受热面传热量数值。根据计算数值，可以做出2条最能体现实际换热器对流换热量和烟气散热量对流受热面传热量数值的两条直线，其交点所对应的温度即为实际的烟气出口温度。经过计算分析得到实际的烟气出口温度为310
，如图3所示。
图3 烟气出口温度图解法
本研究是高温烟气通过冷凝式换热器时，高温烟气与铜管、高温烟气与铜片、铜管与补给水之间的换热问题，以与铜片平行的一个面的为对象进行温度场模拟。
在边界条件设定时，最下面的一排管子假设其温度为10℃，即补给水的温度，随着补给水从下往上流动，温度逐渐升高，在流出换热器时，即在最顶端一排管子温度为50℃。
模拟结果如图6所示。
图4 温度示意图
在换热器内部，烟气自上往下流动，补给水由下往上流动，随着换热过程的进行，烟气温度逐渐降低，水温逐渐升高。在换热器内部垂直于烟气流动方向上(即水平方向)，换热条件相近，烟气的温度、水蒸气含量等性质相差不大，热量主要是通过对流和导热传送给铜管，再由铜管加热补给水；在距离铜管稍微远一点的区域，烟气热量主要是通过对流、导热传热的方式传递给铜片，铜片的热量主要是通过热传导的方式传递给铜管，最终由铜管加热补给水。在换热器内部在平行于烟气流动方向（即垂直方向），随着烟气和补给水流动，换热效果明显，烟气温度由进口处423K，出口处降低至约300K。
在出口处，大部分烟气排烟温度约为300K,与前面计算得到的结果相似，这表明本文设计的冷凝式换热器可以实现降低烟气排烟温度，回收烟气显热和烟气中部分水蒸气汽化潜热的目的，具有很高的实际工程应用价值。经计算，本冷凝式换热器可以将传统锅炉的热效率提高约12.1%，节能效果显著，具有良好的应用价值。
参考文献
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[9]ALPEMA.The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufactures’ association. Second Edition r[ M]，2016．
作者简介：
1.宋克农（1985——），男，山东临沂人，讲师，硕士，研究方向：城市燃气工程，邮箱：sonker@163.com，电话：15963126673。
2.李倩（1984——），女，山东临沂人，副教授，博士，主要从事环境催化研究。
基金项目：教育部产学合作协同育人项目：《人工智能》（201802047089）；山东省研究生教育优质课程项目：催化实验研究方法（SDYKC18031）；济南大学教学研究项目：新旧动能转换驱动下创新型化工人才培养体系的探索与实践（JZ1804）
3.焦盈盈（1982——），女，山东济南人，讲师，硕士，研究方向：锅炉水处理。
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