燃氣熱水器的幾項關鍵技術探討

　　燃氣熱水器種類繁多，外形適中，易于安裝，使用方便，價格適宜，貼合大眾消費；即時工作，產熱水快，溫度調節(jié)快捷；可利用燃氣資源豐富，如液化石油氣、天然氣等化石及生物燃料，工作能效高達80%以上。在當今市場，消費者對熱水器產品舒適性、安全性、能效性的綜合要求日趨明顯，直排、煙道、強排、平衡、恒溫，再到最新型的冷凝式熱水器的產品類型更新歷程，反映了燃氣熱水器行業(yè)先進技術對熱水器產品結構、功能、性能的全面提升。

　　燃燒技術

　　燃氣熱水器利用了氣體燃料的化學能，將之轉化為熱能，再對水進行加熱。這個過程中，燃燒技術起著關鍵的作用，一方面燃燒工作狀況的好壞決定了燃燒效率的高低，燃燒不充分，則影響到燃料化學能的完全釋放，使之效率降低；另一方面，燃燒工作狀況的好壞影響到環(huán)境污染的程度，燃燒不充分、燃料能量不能完全釋放的同時，會生成大量對環(huán)境有害的氣體，有損人體健康，并形成環(huán)境污染。

　　燃燒技術的好壞，主要在體現(xiàn)在整機的燃燒系統(tǒng)結構上。不同的燃燒系統(tǒng)，在結構上有不同的側重點，但大同小異，不能忽略的是燃氣在燃燒器火排上的均勻分配和合理噴射問題、燃氣與空氣的混合比例問題、點火傳火的可靠性問題等。

　　燃氣經氣閥調節(jié)并形成一定的流量后，以一定的流速從火排噴出，因此火排結構是否合理、加工工藝是否精密，能影響到燃燒火焰的清晰度、火焰的對稱和整體感、燃燒效率的高低、熱交換的效率等后續(xù)技術問題。火排結構表現(xiàn)為火排形狀、外形尺寸，火排結構決定了正常燃燒后的火焰具體形狀，如果出口設計較窄，燃氣流速快，火焰高度較高；出口設計寬，火焰高度較低。長火排易于設計安裝，但是燃氣均勻分配有一定困難，短火排燃氣分配較為均勻，燃燒情況可靠，但是點火、傳火存在一定隱患。加工工藝的精密性則決定了火排的工作壽命和火焰整體外觀的質感，給人直觀印象。

　　燃燒系統(tǒng)決定火排的大致結構和安裝尺寸，但燃燒的關鍵技術在于如何讓燃氣充分、有效地燃燒，這就牽涉到燃氣與空氣的混合比例分配問題。一定量的燃氣完全燃燒需消耗的空氣，稱為理論空氣需要量，而實際供給空氣量一般大于理論空氣需要量，二者比值稱為過?？諝庀禂?alpha;（α＞1），α過大，則影響換熱效率，α過小，則影響燃燒效率。燃氣流量較小，則所需空氣量較少，反之則相反。對于半密閉式燃燒系統(tǒng)而言，其空氣供給充分，因此燃燒效率較好，煙氣情況趨好，強抽風式燃氣熱水器一般選擇此類系統(tǒng)；密閉式燃燒系統(tǒng)所需空氣完全由驅動風機提供，因此燃氣與空氣的混合比例分配問題較為突出，需要合理協(xié)調燃氣流量和供風量，使供風量隨燃氣流量變化而呈現(xiàn)一定規(guī)律的匹配關系，燃燒、煙氣等情況正常，強排、平衡式燃氣熱水器一般為此系統(tǒng)。在強排式燃氣熱水器中，由于風機供風需要合理分散，使得火排各處的空氣供給均勻、穩(wěn)定，因此在火排的下方，采用開孔數量和密度依據風力大小呈反向變化的控風板，能夠有效達到目的。

　　燃燒系統(tǒng)還受到其他因素的影響，如氣源種類、燃氣閥噴嘴口徑、噴嘴引射角等問題影響到燃氣的工作狀況和燃燒效率，風機供風量與燃氣閥開度、燃氣流量的合理跟隨關系，燃燒系統(tǒng)的抗外界干擾能力等。

　　燃燒技術從能效的角度出發(fā)，注重的是改善燃燒工作狀況，更好地利用能源和提高效率。

　　換熱技術

　　燃氣熱水器利用燃氣熱能，是為了達到使冷水加熱以供使用的目的，因此換熱技術在熱交換過程中尤為關鍵。換熱的效率高低，主要取決于熱交換器材質和及其內部構造、水管結構位置及環(huán)繞方式，熱交換器決定熱傳遞效果，水管結構與環(huán)繞方式決定換熱效率的高低程度。

　　熱交換器材料一般用鋁、銅等金屬材料，但燃氣熱水器熱交換器一般選擇銅材，因為銅的熱傳導系數較高，同種條件下熱傳導效率較好。但由于燃氣熱水器是利用明火加熱，因此熱交換器直接暴露在火焰的高溫燒烤之下，雖然銅的化學性能較為穩(wěn)定，但在高溫狀態(tài)下同樣容易發(fā)生反應，其所形成的氧化物會影響換熱效果。因此在工藝上，部分廠家選擇將熱交換器鍍上一層更為活潑的金屬物，其形成的氧化物保護膜，能夠保護銅材質不受氧化，同時達到保持高換熱性能的目的。進水管同樣采用銅材，質地柔軟，吸熱效率高，便于加工。進水管在進入熱交換器前環(huán)繞在其表面幾圈，充分吸收熱交換器外部的散熱。

　　熱交換器一般位于燃燒器上方，處于火焰直接加熱的位置。出于節(jié)約材料考慮，也考慮到避免過多熱量通過熱交換器外壁散失，熱交換器壁可加工成內部為熱傳導系數較低、耐熱的其他材質、外面覆蓋上一層銅材的結構，這樣能夠達到既換熱又阻止熱量流失的工藝目的。熱交換器的換熱片部分采用翅片疊合結構，翅片也是銅材，數量多，厚度小，受熱面積大；同時加熱水管環(huán)繞幾組，貫穿在其中，增大了換熱面積和換熱容量。換熱翅片受熱位置為火焰外焰，熱量較為集中，加熱均勻，換熱效率高。

　　經過一次換熱后，燃燒釋放的熱量大部分被熱交換器吸收并轉移到冷水中去，目前，按照國家二級能效要求，燃氣熱水器的換熱效率最低標準在88%以上。

　　換熱技術的應用充分實現(xiàn)了熱量的較大限度轉換，同樣體現(xiàn)了注重能效的技術出發(fā)點。

　　恒溫技術

　　恒溫技術滿足了人們對燃氣熱水器產品使用實用性、舒適性的綜合要求。

　　在非恒溫的燃氣熱水器機型中，由于氣閥、水閥缺少精密控制，熱負荷也是固定設置的，因此在外界變化條件干擾下，如水壓、水流量、燃氣壓力等的變化，容易出現(xiàn)燃燒情況不穩(wěn)定、水溫忽冷忽熱等令用戶感覺不適的情況，也不能精確地確定一個所需要的具體熱水溫度。恒溫技術的運用，則有效地解決了上述問題。

　　恒溫技術是用控制的手法，實時監(jiān)控一切和溫度相關的參數、變量，如進水溫度、出水溫度、燃氣閥開度、水流量大小等，通過單片機運算和程序控制，即時調整燃氣閥的開度，或者切換燃燒方式，進而達到在較短時間內維持設定溫度并使之恒定的目的。

　　恒溫燃氣熱水器需要一個功能強大的指揮中心，這就是恒溫控制器。恒溫控制器通過硬件電路設計，將所有與燃燒、恒溫相關的信息用電信號有機聯(lián)結起來。與燃燒有關的有火焰信號、開關閥的開與關、氣閥的開與關、驅動風機的運轉等，與恒溫相關的有進水溫度、出水溫度、水流傳感信號、燃氣閥的開度調節(jié)、風機轉速的跟隨變化等，所有這些制約因素在控制器的全盤計劃和安排下，協(xié)調地工作：水流傳感器將水流信號輸送給單片機，進、出水傳感器也將水溫信號輸送給單片機，單片機根據設置的溫度，與進水溫度、實際出水溫度比較計算，決定燃氣閥的開度大小的增減，在穩(wěn)定的情況下趨于恒溫；當外界條件變化時，控制器單片機通過類似的方式進行快速響應，并做出預判和細調，改變氣閥開度和風機轉速，對應改變燃燒情況及加熱強度，達到出水溫度恒定的目的。

　　熱水器工作中的恒溫情況并不是如上述情況穩(wěn)定和規(guī)范，變化的外部工作條件才能真正考驗恒溫技術的優(yōu)越及成熟與否。恒溫技術中最大難點是對溫度超調的小范圍快速調整、對燃燒方式切換時的周密銜接。外界改變溫度設置，或者水流量發(fā)生較大變化，都會引起控制系統(tǒng)做出最快的調整，但是燃燒換熱對于溫度的變化具有一定的滯后性，因此容易引起較大幅度的溫度超調；此外，在高端恒溫熱水器的燃燒系統(tǒng)中，分段燃燒技術應用較為廣泛，在燃燒段數切換的過程中，也存在燃燒狀況的較大改變、溫度較大幅度超調等性能隱患。

　　對于上述兩種不利的變化情況，恒溫技術上，一般采用設計周密的控制軟件予以解決，同時也需要大量的試驗工作來驗證。改變溫度設置、水流大幅度波動、分段燃燒變化所導致的熱負荷變化和溫度超調，通過控制軟件的修飾、完善，是能夠控制在一定的變化范圍內的。

　　恒溫技術中不應忽略的技術方面在于，控制器系統(tǒng)在合理調節(jié)恒溫的同時，需兼顧燃燒情況。任何為達到恒溫的指令，均意味著熱水器工作熱負荷的變化，也伴隨著燃氣閥開度的調節(jié)，為了保證高質量的燃燒工況，應使得風機轉速以一個合理的取值跟隨變化，才能滿足熱負荷、燃燒工況的要求。所以，恒溫技術綜合了燃燒技術，是燃氣熱水器技術中最富技術含量的關鍵技術之一。

　　故障處理技術

　　燃氣熱水器使用的是氣體燃料，其生成物一般含有污染物，如不完全燃燒生成的一氧化碳，對人體有毒，其他酸性氣體，容易污染大氣；氣體燃料還容易引發(fā)爆炸，具有一定的危險性；加熱水溫過高，容易燙傷用戶等。因此，保證燃氣熱水器正常的運行狀態(tài)，是一項重要的技術指標。

　　故障處理技術考量了燃氣熱水器產品安全性、可靠性、實用性等方面，主要是通過控制器來完成對燃氣熱水器工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，在熱水器異常時停止工作，并進入故障鎖定狀態(tài)，這樣能夠降低產品使用事故的發(fā)生概率。

　　燃氣熱水器的工作介質是火焰，因此對火焰的實時監(jiān)控是必須的，燃氣熱水器一般設計有一個火焰感應針，該部件的作用是在火焰的高溫作用下，產生一個反向的電壓作用，這個電壓信號反饋給控制器，后者再做出即時反應，識別出正常的工作狀態(tài)，工作期間火焰消失，電壓信號不再存在，控制器馬上轉入故障鎖定狀態(tài)，保障安全。

　　燃氣熱水器在工作期間，會因為水流量的大幅度減少、燃氣壓力的大幅度增加、閥體故障等原因，以及溫度控制技術上的不足，導致瞬時高溫現(xiàn)象，水溫能飆升至80℃或者更高，用戶容易被燙傷，這是極為危險的。因此，燃氣熱水器一般在水路管道中安裝超溫保護裝置，當溫度達到一個極限高溫，超溫保護裝置能給控制器一個控制信號，使之做出故障處理響應，進入故障鎖定狀態(tài)。

　　零部件異常監(jiān)控是保證重要零部件在正常的狀態(tài)下工作，如果在工作期零部件發(fā)生故障，但熱水器控制器不能辨別異常，這也是十分危險的。因此燃氣熱水器的關鍵部件，如燃氣開關閥、進出水溫度傳感器、超溫保護裝置、風機、燃氣分段閥等，均有對應的故障處理方式，確保這些部件在一個正常的工作狀態(tài)下運行。

　　風壓開關故障是燃氣熱水器的一種常見工作故障。當外界風壓過大，會形成對燃燒器內燃燒情況的干擾，使之出現(xiàn)黃焰、黑煙、熄火、爆燃等異常情況，為保證合理的工作風壓，在風壓干擾達到一定程度時，風壓開關觸發(fā)動作，給控制器發(fā)出一個故障信號，控制器進行故障鎖定處理，使熱水器結束非正常的工作狀態(tài)。

　　冷凝技術

　　冷凝技術是在新能源時代，因“節(jié)能、環(huán)保”的產品要求而發(fā)展起來的一種最新型燃氣熱水器技術。冷凝式熱水器能最大限度地吸收燃氣燃燒熱能，具有高能效性和節(jié)能效果，是目前唯一能達到國家一級能效標準的燃氣熱水器產品，冷凝式熱水器也能吸收、處理煙氣中的有毒氣體，降低排放指標，達到環(huán)保的目的。

　　冷凝式熱水器利用了“二次換熱”的原理。結構上與普通熱水器最大的不同是在熱交換器之外增加一個冷凝器，冷水先流經冷凝器，吸收經一次換熱后煙氣中的顯熱，使煙氣溫度進一步降低，煙氣中部分水蒸氣凝結成水，其釋放的潛熱也被冷水吸收，達到了對煙氣降溫、吸熱的處理目的。同時，冷凝水充分吸收煙氣中C、N、S等元素的酸性氧化物，其所形成的冷凝液經由冷凝管收集另作處理，因而大大降低了排出煙氣中的污染物含量，使得處理后的煙氣低溫、低毒，基本上對環(huán)境無污染。

　　冷凝器是冷凝式熱水器上的一個關鍵技術問題，具有較高的技術創(chuàng)新價值。冷凝式燃氣熱水器的冷凝器設計外觀形式多樣，其在熱水器內部的位置也因實際需要而定。其內部結構形式類似于熱交換器，目的是讓流動的冷水吸收煙氣中的熱量，并生成冷凝水，因此冷水管一般貫穿在換熱片之中，易于冷凝水形成和流動。工作期間，依據具體設計要求，煙氣流向與冷凝水灑落方向可相同，也可相反。生成的冷凝水通過一定通道匯集、回收，能淡化冷凝器下部酸性環(huán)境并降低冷凝器溫度。

　　在冷凝技術中，如何降低冷凝器的設計和生產成本，并達到比較滿意的冷凝效果，以及冷凝水的收集處理方案，都是值得人們深入研究的地方。

　　冷凝技術的應用，使燃氣熱水器實際節(jié)氣率可達12.8%，同種耗氣條件下的熱水產率提高達14.6%，總體節(jié)能效果為15%～20%，具有巨大的經濟效益和社會效益。

　　環(huán)境適應技術

　　燃氣熱水器在市場上使用廣泛，其地域、氣候條件不一，地理、季節(jié)、氣候、安裝位置等導致的溫度、氣源、氣壓、水壓、外界風等因素，以及個人使用習慣等變換條件，都會對產品構成一定的不良質量因素。因此燃氣熱水器產品需針對不同的外界環(huán)境條件，具備較強的環(huán)境適應能力。

　　氣源因素。燃氣種類較多，如液化石油氣、天然氣等各有不同分類，每一類氣體的物理化學成分都有區(qū)別，其物理參數也不一致，如燃氣熱值及華白數等，因此針對不同的氣源條件應配置不同的機型，使得負荷、煙氣或其他性能指標符合設計和使用要求。同時氣源氣壓的變化也能夠導致燃燒工況不正常，影響熱水器正常工作。因此在設計熱水器的時候，應該把氣源氣壓的變化因素考慮進去，讓產品具備較強的氣源壓力適應能力。

　　地理、季節(jié)、氣候因素。地理位置或天候條件的不同，使各地的氣候、溫度、水壓等不盡相同，如進水溫度過高，會導致用戶在夏天因為最低溫升過高而無法使用；環(huán)境溫度過低，在低于冰點的情況下，會導致熱水器水箱凍壞。針對此類情況，熱水器應采取改變熱負荷設計的辦法，或者運用熱水器電加熱、防凍管路等防凍技術來達到目的。

　　安裝位置因素，主要是具體的用戶安裝條件所決定。如樓層過高，會因為水壓過低而無法使用，因此應調整用戶供水條件。而對于強排機型，由于排煙管朝向戶外，容易受到外界風力的干擾影響，外界風通過排煙管倒灌進燃燒系統(tǒng)，影響燃燒工況，甚至出現(xiàn)熄火、爆燃等嚴重后果。此類情況，可以利用風壓開關的保護作用，或者增加一定的防倒風設施等技術手段來予以消除。

　　(責編 邱麥平)