冷凝式燃气采暖炉的实际热效率

4 全预混与非全预混燃烧的对比 如果非冷凝式采暖炉不采用全预混燃烧方 式，其热效率更低。 按照空气系数α=1.75为例，计算1 m3燃 气（假设为纯甲烷，天然气）完全燃烧时的 情况。 4.1 总的排烟量 3 V =1.75 9.56=16.73 m 实际干空气量： a，air 实际的排烟量为(按干空气计算)：
2.2 烟气成分所含显热量的计算 则1 m3燃气完全燃烧的生成烟气产物，在温 度升高或降低1 K时所吸收或放出的热量总 计为：
qT,1m3 =1.67+3.016+0.065+10.004+0.009=14.764（kJ/K）/m3燃气
非冷凝式采暖炉的排烟温度一般大于110℃， 设冷凝式采暖炉排烟温度降低到30℃后排 出，则显热得到的热量为
2
2
Va, N2 =10.04 78.1%=7.84 m3
(5) Ar2 空气中含量为0.092% Va, Ar2 =10.04 0.092%=0.009 m3 由以上分析得知，1 m3燃气完全燃烧，燃烧产 物中的各种组分的实际体积及所含热量的数据见表 1。
表1 1m3燃气完全燃烧生成产物中各组分的实际体积及所含热量 气体 m3 J/(mol·K) kJ/(m³·K) kJ/K CO2 1.0035 37.28 1.664 1.67 H2O 2.0225 -1.491 3.016 O2 0.05 29.12 1.3 0.065 N2 7.84 28.58 1.276 10.004 Ar2 0.009 20.8 0.929 0.009
V 0 (1 a /101.325) 1
可以计算出各种空气过剩系数的烟气中水蒸气的分压。
式中：——烟气中水蒸气的分压，kPa； ——理论空气量，m³； ——空气过剩系数； ——水的饱和蒸汽压，kPa； ——相对湿度，%； ——实际大气压，kPa。
以北京地区为例，冬季的平均大气压为 100.9 kPa，冬季平均气温-2℃，平均相对湿 度=50%。在-2℃时，水的饱和蒸汽压=0.452 kPa，空气系数由1.05~1.95时，烟气中水蒸 气的分压见表3。
2
=2.038/17.77 100%=11.5%
(2) H2O 总的含水量是：2+0.0376=2.0376 m³ (3) O2 与空气系数有关，为：1.75-1=0.75 m³ (4) N2 空气中的含量为78.1%，实际干空气量：16.73 m³，则：16.73 m³×78.1%=13.066 m³。 (5) Ar2 空气中含量为0.092%，则氩气含量为：16.73 m³×0.092%=0.015 m³。 1m3燃气完全燃烧生成产物中各组分的实际体积 及所含热量见表2。
3 3 3 3 VC， =2.0255 m 0.492 m =1.531 m 水蒸气 / m 燃气 H2O
在标准状态下的水蒸气密度为0.833 kg/m³， 实际冷凝的水蒸气质量为：
mC, H2O =1.531 m3水蒸气 / m3燃气 0.833 kg/m3 =1.275 kg/m3燃气
表3 北京地区冬季，不同空气系数时的烟气中水蒸气的分压力
空气系数 烟气中水蒸气分压，kPa 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3 1.35 1.4 1.45 18.528 17.769 17.069 16.424 15.826 15.270 14.753 14.270 13.819
Va, CO2 =1+1.05 9.56 0.035%=1.0035 m
3
(2) H2O 3 V =2.0225 m 前面已经计算: a, H O (3) O2 3 V =1.05-1=0.05 m 与空气过剩系数有关 a, O (4) N2 设空气中的氮气含量为78.1%，实际干空气 量为：10.04 m³，则生成烟气中的总N2实 际体积为：
表2 1 m3燃气完全燃烧生成产物中各组分的实际体积及所含热量
气体 m3 J/(mol· K) kJ/(m³· K) kJ/ K
CO2 1.006 37.28 1.664 1.674
H2O 2.038 -1.491 3.038
O2 0.75 29.12 1.3 0.975
N2 13.066 28.58 1.276 16.672
正确评估冷凝式燃气采暖 炉的实际热效率
王立权 1 高文学2 步建森1， （1、冀州市冀能能源设备有限责任公司；2、中国市政工程华北设计研究总院）
• 摘要：基于（全预混的）冷凝式燃气采暖 炉与非冷凝式采暖炉这两种不同燃烧方式 的炉型，对在不同空气系数、不同排烟方 式时的采暖炉热效率进行了计算和分析， 研究发现，在相同的排烟温度（如 30℃），不同空气系数时，非冷凝式采暖 炉比冷凝式采暖炉的热效率至少降低1.7%。 燃气采暖炉较高的回水温度，限制了冷凝 式燃气采暖炉节能效果的发挥，必须正确 评估冷凝式燃气采暖炉的热效率，以防止 误导消费者。 • 关键词：评估；燃气采暖炉；热效率
3
3
包含湿空气的烟气量为：
Vw, fl =9.56 1.05 (1+0.452 0.5/101.325)+1=11.060 m3 烟气/m3燃气
则，水蒸气占全部烟气的体积比例为：
2.0225 = 100%=18.291% 11.060
水蒸气的分压为：
pH 2O =101.325 0.183=18.53 kPa
VH2O, air =9.56 1.05 (1+0.452 0.50/101.325) 0.452 0.50/100.9 =0.0225 m3 /m3
（ 1+0.452 0.5/101.325） 式中：VW =9.56 1.05 ， 为湿空气的总量；总的含水量为：
VT, H2O =2+0.0225=2.0225 m 水蒸气/m 燃气
qX =T gqT, 1m3 =(110 30) 14.764=1181.12 kJ/m3燃气
3 潜热和显热共同作用的结果
qT qQ qX =3051.01+1181.12 =4232.13 kJ/m3燃气
在标准温度为0℃时，天然气（甲烷）的低热 值为35888 kJ/m3，则有：
=
2.0376 100%=11.5% 17.77
在标准压力状态下的分压为： 而49℃时，水的饱和蒸汽压为11.745 kPa。用公式
p 101.325
（kPa） pH 2O =101.325 0.115=11.62
2 V 0 (1 a /101.325) a / ps
1 在排烟温度为31℃时产生的冷凝放热 按照燃烧反应式 CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O （1） 在标准状态下，1 m³天然气（设为纯甲 烷，下同）完全燃烧，需要2 m³氧气，产 生1 m³二氧化碳和2 m³水蒸气。干空气中 的氧气含量为20.9%，理论空气量应为：
2 V0 = =9.56 m 3空气/ m 3燃气 0.209
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Va，fl =16.73+1=17.73 m
3
包括湿空气的烟气量：
VH2O, fl = 9.56 1.75 (1+0.452 0.5/101.325)+1=17.77 m3
水蒸气占全部烟气的百分比： 水蒸气的分压： pH O =101.325 0.115=18.62 kPa 4.2 烟气成分和带走的热量 (1)CO2 空气中CO2含量为0.035%，实际干空气量： 16.73 m³×0.035%=0.006 m³，燃烧产物的CO2是1 m³，则总的CO2是1.006 m³。
在全预混燃烧时，以最小的空气系数 α=1.05计算，实际所需的干空气量为：
Va =1.05 9.56 =10.04 m 3 / m 3燃气
实际的排烟量为(按干空气计算)：
3 3
Vfl =10.04+1=11.04 m 烟气 / m 燃气
在1标准大气压下，31℃ 时，水的饱和 蒸汽压是4.495 kPa，以北京地区为例，冬季 的平均大气压为100.9 kPa，烟气中未能冷凝 的水蒸气含量为：
qS =1789.6 1181.12 =608.48 kJ/m 3燃气
由于排烟方式不同，而对燃气具热效率的影响率为：
608.48 kJ/m3燃气 1 = 100%=1.7% 3 35888 kJ/m 燃气 即：非全预混比全预混的采暖炉的热效率低1.7%。
5 空气系数对冷凝的影响 在空气系数为1.75时，由于空气中的含水量为0.0376 m³，总的含水量为2+0.0376=2.0376 m³，包括湿空气的烟 气量为 17.77 m3，则水蒸气占全部烟气的百分比为
在58℃时的空气饱和蒸汽压为18.159 kPa，59℃时的空气饱和蒸汽压为19.028 kPa，烟气中含有大量的三原子气体（如二氧 化碳），其露点温度稍高于空气的露点温 度，试验证明，含水量为18.667%的烟气的 露点温度为59℃。也即，烟气被冷却到59℃ 时就开始有冷凝水产生，直至冷却至31℃被 排放出去之前都在生成冷凝水。水蒸气在 59℃时的汽化潜热为2360.5 kJ/kg，在31℃ 时的汽化潜热为2425.4 kJ/kg，取其平均值为 2392.95 k J/kg，则实际冷凝的水蒸气体积为：
0引言 燃气采暖炉的使用条件不同于燃气热水器，热水器加热的是 15℃左右的自来水，而燃气采暖炉流入回水管的是采暖系 统内的水，只有第一次点火时水温是比较低的，正常运行 之后的回水温度最低也不能低于30℃，如果不是地板管采 暖，而是使用散热器采暖，最低的回水温度也要在45℃以 上，否则没有采暖效果。 根据热力学第二定律，不可能把热量从低温物体传向高温物 体而不引起其它变化，要想让被加热的物体达到热源相同 的温度，理论上需要无限长的时间；按照使用水流式热值 仪的经验，当本生灯的热负荷大于1.163 kW时，排烟温度 很难做到不大于进水温度0.2℃。而燃气采暖炉的热负荷 都在18 kW以上。排烟温度至少也要高于回水温度1℃以 上；即：冷凝式采暖炉在使用地板采暖时的排烟温度要大 于31℃，使用散热器时的排烟温度要大于46℃。
4232.13kJ =11.79% = 35888 kJ
即全预混冷凝式的采暖炉比非冷凝式全 预混采暖炉的热效率提高11.79%。
以上的计算结果，是在空气系数为1.05， 排烟温度为31℃以下的条件时而得出的。目 前的全预混燃烧采暖炉空气系数在1.1~1.3左 右，本人在几年前就试验过，在室外温度为5℃以下，使用了同轴烟管时，由于热烟气与 冷空气进行了热量交换，而发生过排烟温度 低于30℃的情况。分析其原因，首先，大多 数冷凝式采暖炉并没有做到真正的全预混燃 烧，即使在额定热负荷状态是全预混燃烧， 在非额定热负荷状态也不是全预混燃烧，再 者，整个采暖季实际的运行情况又是大多数 实际室外温度不是在0℃以下。
Ar2 0.015 20.8 0.929 0.014
1m3燃气完全燃烧的生成烟气产物，热量总计 为：22.37 kJ/ K，非冷凝式燃气采暖炉在排烟温度 为110℃时的放热为：
22.37 kJ/K (110 30)K=1789.6 kJ
由于排烟温度高，而使非冷凝式燃气采暖炉比冷 凝式采暖炉的带出更多的热量，其多余放热量为：
则每1 m3体积燃气燃烧，生成的烟气产物冷 凝释放出的热量为
qQ =1.275 kg 2392.95 kJ/kg 3051.0 kJ/m 燃气
3
此即为烟气冷凝对于热效率的贡献值。
2 降低排烟温度而多利用的热量 2.1 烟气成分和含量的计算 设1m3燃气完全燃烧，计算燃烧产物中的各 种组分的实际体积。 (1) CO2 标准状态下，空气中CO2含量为0.035%。则 1m3燃气完全燃烧，生成的燃烧烟气中的总 CO2实际体积为：
VH2O，fl =11.044.495/100.9=0.492 m 水 蒸 气 /m 燃 气
3 3
烟气在冷凝之前的总含水量等于空气中 的含水量加上燃烧产物的含水量之和，其中 空气中的含水量计算如下：北京地区冬季平 均气温-2℃，平均相对湿度为50%，在-2℃ 时，水的饱和蒸汽压为0.452 kPa；燃烧一立 方米天然气所需空气中的含水量为：