全预混冷凝壁挂炉冷凝水堵塞保护优化设计研究

林林勇

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528325）

引言

近年来，国家政策鼓励市场推出高效、节能、绿色环保的产品，全预混冷凝壁挂炉[1]以其燃烧充分、换热效率[2]高、排放低等特点逐步吸引消费者的目光，出色的节能效果深受广大消费者的青睐，销量年年攀升，趋势向好。全预混冷凝壁挂炉燃烧过程中产生的高温烟气在换热器上与水充分换热，烟温逐渐下降而烟气中的水蒸气大量冷凝为液态冷凝水[3]，所形成的冷凝水被冷凝水收集装置收集后再逐渐排出机体外。由于国内部分地区存在空气灰尘、杂质多、燃气不纯净等因素的影响，在燃烧后，烟气中附着的灰尘及杂质颗粒随冷凝水的冲刷流入冷凝水收集装置；随着杂质颗粒逐步增加，可能会造成冷凝水排水系统的堵塞，甚至会浸泡换热器隔热板、燃烧器，进而倒灌入风机及燃气阀，造成零部件损坏，影响全预混冷凝炉的使用寿命。为保证全预混冷凝壁挂炉的正常运行，需设计有可靠的冷凝水堵塞保护措施，在出现冷凝水堵塞时能及时进入安全保护状态，避免零部件受损而影响使用寿命。

1 冷凝水堵塞原因分析

全预混冷凝壁挂炉的燃烧换热原理是燃气与空气在预混器中充分混合后，在燃烧器的表面进行燃烧，燃烧产生的高温烟气在换热器上与水进行换热之后，烟气温度下降并达到其露点温度，烟气中的水蒸气冷凝为液态冷凝水，所形成的冷凝水在烟气气流冲击及自身重力作用下，沿着换热器的内壁往下流，并汇集于虹吸管中再排放出壁挂炉外部，如图1所示。

图1 全预混冷凝壁挂炉原理图

经过分析，造成冷凝水堵塞的原因主要有以下三种：①全预混冷凝壁挂炉外接的冷凝水排水管存在扭曲折叠或结冰导致冷凝水无法正常向外排放；②参与燃烧的燃气和空气中存在无法燃烧的杂质颗粒没能随着烟气排出，而在冷凝水的冲刷下，堆积在壁挂炉内部的冷凝水排水通道上，造成虹吸管排水口堵塞，如图2所示；③壁挂炉内部冷凝水排水通道设计不合理，而冷凝水在排水过程中需要克服水封段空气阻力，若排水管径过小，倾斜角度偏小将造成排水不畅，如图3所示。

图2 虹吸管中的杂质

图3 壁挂炉内部排水管积水

一旦出现冷凝水堵塞，而壁挂炉又不能及时识别，燃烧换热持续进行，冷凝水将逐渐堆积并向上漫延至换热器内，水位升高后将从燃烧器倒灌到风机及燃气阀，造成零部件受损，同时也会导致燃烧工况恶化，烟温急剧升高，降低全预混冷凝壁挂炉的使用寿命。因此，在冷凝水出现堵塞时，全预混冷凝壁挂炉应能及时识别堵塞并停止燃烧工作，才可有效避免零部件损坏。全预混冷凝壁挂炉应具备可靠的冷凝水堵塞保护，尽可能避免冷凝水对壁挂炉造成损伤，以保障全预混冷凝壁挂炉的高效运行。

2 堵塞保护方案研究及优化

目前对全预混冷凝壁挂炉的冷凝水堵塞保护，主要有两类方法来进行检测：①利用火焰探针检测反馈电流强度来判别冷凝水是否堵塞；②在虹吸管上增设液位开关或风压开关，通过电路通断方式判别冷凝水是否堵塞。

2.1 火焰探针检测方案

在壁挂炉工作过程中，火焰探针用于检测燃烧火焰所产生的离子电流，主控板检测到固定的电流信号值时，则说明点火成功且正常燃烧。全预混冷凝壁挂炉燃烧换热产生的冷凝水呈弱酸性并具有导电的特性，若冷凝水堵塞至液面与火焰探针接触时，火焰探针通过冷凝水与机壳形成导通接地，主控板检测到电流信号值异常即可判定为冷凝水堵塞，进入熄火安全保护状态。

经测试，在待机无火焰的状态下，火焰探针检测到的电流强度模拟信号Ad值为252，而正常燃烧时，Ad值为0。将冷凝水排水口堵住，使冷凝水水位逐步上升，随着冷凝水漫延至换热器内，火焰探针周围的火焰信号强度逐渐削弱，火焰离子电流强度模拟信号Ad值呈逐步上升趋势，此阶段可能造成燃烧火焰因气流不均而局部出现离焰状态；随着冷凝水水位继续上升，冷凝水液面开始漫延至火焰探针处，此时火焰探针通过冷凝水与机壳导通接地，Ad值稳定在147，如图4所示。由此可见，从熄火状态到正常燃烧再到冷凝水漫至火焰探针，火焰离子电流强度模拟信号Ad值出现较为明显变化，由此可用来判定全预混冷凝壁挂炉的工作运行状态，当出现冷凝水堵塞时，及时有效识别出来并进入安全保护并停止工作。

图4 冷凝水堵塞过程电流Ad值变化

为验证环境湿度对火焰离子电流强度模拟信号Ad值是否存在影响，将该全预混冷凝壁挂炉置于恒温恒湿测试箱中，在常温30 ℃下进行测试。使壁挂炉处于待机状态，打开全预混换热器的燃烧门，使火焰探针暴露在恒温恒湿的环境中，通过逐渐增加火焰探针周围环境湿度，湿度范围在（40～95）%变化，读取火焰离子电流强度模拟信号Ad值，如图5所示，可见Ad值保持不变，由此得出火焰离子电流强度模拟信号Ad值不易受环境湿度影响。同样保持环境湿度为95 %，逐渐增加火焰探针周围温度，温度范围在（30～90）℃变化，读取火焰离子电流强度模拟信号Ad值，如图6所示，可见Ad值仍保持不变，由此得出火焰探针信号值在高温高湿状态下，依然保持稳定的火焰离子电流强度模拟信号Ad值。

图5 温度30 ℃时，湿度对电流Ad值的影响

图6 湿度95 %时，温度对电流Ad值的影响

综合上述试验及分析，此安全保护方案可有效判定全预混冷凝壁挂炉冷凝水堵塞且不易受环境因素影响产生误报。但为避免冷凝水漫至换热器后流入燃烧器并浸泡风机等零部件，需将火焰探针进行优化以确保冷凝水液面与火焰探针接触时，水位仍低于燃烧器的最低位置，如图7所示。然而，即使优化火焰探针的位置，使此方案虽可有效防止冷凝水浸泡燃烧器且避免风机和燃气阀等关键零部件受损，但仍会对换热器隔热板产生浸泡，降低其使用寿命，如图7所示。

图7 燃烧器和换热器内部图片

2.2 液位开关检测方案

采用液位开关来判别冷凝水堵塞的方案，是一个直接检测冷凝水水位的方案。此方案是通过在虹吸管增设一个用于检测冷凝水水位的液位开关，如图8所示，该液位开关带有磁性浮球，正常状态下，浮球受重力作用自然下垂，液位开关内部电路处于接通状态并与主控板形成回路。若冷凝水出现堵塞，冷凝水水位逐渐上升，浮球在冷凝水的作用下浮起，浮球上浮至固定行程时，由于其磁性作用使液位开关内部电路处于断开状态，主控板检测到回路断开，即判定为冷凝水堵塞并停止工作。此方案的优点在于无需对控制程序进行变更，仅需将液位开关导线串联入现有电路中即可全过程监测冷凝水是否堵塞，且液位开关内置电路是全密闭的，不受环境影响，可靠性高。

图8 液位开关方案设计图

根据虹吸管结构特点，设计液位开关安装方案时可选择设在形成水封段的前端与后端，如图8所示。综合考虑实际使用的情况，在全预混冷凝壁挂炉的工作过程中，冷凝水不断产生并流入虹吸管内，而随着冷凝水冲刷下来的杂质大部分沉积在虹吸管最低端和粘附在侧壁，即容易在水封段的前端出现堵塞；若液位检测开关安装在水封段后端则检测不到此处的冷凝水堵塞，仅有壁挂炉外部的冷凝水排水管路出现堵塞时才能检测出来，因此液位开关设计在虹吸管水封段的前端更为合理有效。同时考虑到部分用户的使用环境差异，在使用全预混冷凝壁挂炉时在壁挂炉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，这将导致冷凝水排水管内形成一段密闭空间，形成空气堵塞，不利于排水，虹吸管水封前端水位会有一定的上升，因此在设计液位开关位置时需考虑该段上升的水位影响，或者在虹吸管的水封段的后端，设计一个与大气相通的孔位，以避免产生压力。

结合上述分析，全预混冷凝壁挂炉在虹吸管增设液位开关可及时有效地检测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换热器前进入安全保护，避免浸泡换热器隔热板等零部件的情况发生。

3 堵塞安全保护方案选择

为了及时识别外部冷凝水排水管道及虹吸管内部通道堵塞，防止冷凝水漫延至换热器造成隔热板浸泡，在设计全预混冷凝壁挂炉时建议在虹吸管水封前端增设液位开关作为第一道冷凝水堵塞保护，尽可能避免因冷凝水堵塞造成的零部件损坏；另外，为避免虹吸管与换热器连接管因意外堵塞造成的冷凝水漫延，可通过优化火焰探针结构及主控板程序设计来作为第二道冷凝水堵塞保护，在冷凝水水位漫延到燃烧器之前，火焰探针及时检测堵塞，主控板进入冷凝水堵塞保护，及时熄火阻止冷凝水的产生，从而避免冷凝水对风机、预混器和燃气阀的浸泡和损坏。在全预混冷凝炉上优化设计，通过两种方案相结合，能全方位有效判别冷凝水堵塞问题，及时判别并及时止损，为全预混冷凝壁挂炉的高效节能保驾护航，以达到有效延长全预混冷凝壁挂炉使用寿命的目的。

4 结语

1）通过火焰探针来检测冷凝水堵塞，具有可靠性高，不易受环境湿度、温度影响，缺点是一旦出现冷凝水堵塞后，容易浸泡换热器上的隔热棉，影响其使用寿命。

2）在虹吸管水封前端增设液位开关，可以避免因灰尘杂质在冷凝水的冲刷下快速堆积虹吸管中造成堵塞，避免造成壁挂炉零部件的损坏，并可提示用户及时清理。

3）采用火焰探针及液位开关两种安全保护方法结合，可以最大限度避免因各种原因引起的冷凝水堵塞给全预混冷凝壁挂炉造成的影响。

通过优化全预混冷凝壁挂炉冷凝水堵塞保护的设计，有效及时地检测出冷凝水堵塞，从而有效保护全预混冷凝壁挂炉的零部件，以达到减少维护成本、延长全预混冷凝壁挂炉的使用寿命的目的。