燃气热水器的几项关键技术探讨

　　燃气热水器种类繁多，外形适中，易于安装，使用方便，价格适宜，贴合大众消费；即时工作，产热水快，温度调节快捷；可利用燃气资源丰富，如液化石油气、天然气等化石及生物燃料，工作能效高达80%以上。在当今市场，消费者对热水器产品舒适性、安全性、能效性的综合要求日趋明显，直排、烟道、强排、平衡、恒温，再到最新型的冷凝式热水器的产品类型更新历程，反映了燃气热水器行业先进技术对热水器产品结构、功能、性能的全面提升。

　　燃烧技术

　　燃气热水器利用了气体燃料的化学能，将之转化为热能，再对水进行加热。这个过程中，燃烧技术起着关键的作用，一方面燃烧工作状况的好坏决定了燃烧效率的高低，燃烧不充分，则影响到燃料化学能的完全释放，使之效率降低；另一方面，燃烧工作状况的好坏影响到环境污染的程度，燃烧不充分、燃料能量不能完全释放的同时，会生成大量对环境有害的气体，有损人体健康，并形成环境污染。

　　燃烧技术的好坏，主要在体现在整机的燃烧系统结构上。不同的燃烧系统，在结构上有不同的侧重点，但大同小异，不能忽略的是燃气在燃烧器火排上的均匀分配和合理喷射问题、燃气与空气的混合比例问题、点火传火的可靠性问题等。

　　燃气经气阀调节并形成一定的流量后，以一定的流速从火排喷出，因此火排结构是否合理、加工工艺是否精密，能影响到燃烧火焰的清晰度、火焰的对称和整体感、燃烧效率的高低、热交换的效率等后续技术问题。火排结构表现为火排形状、外形尺寸，火排结构决定了正常燃烧后的火焰具体形状，如果出口设计较窄，燃气流速快，火焰高度较高；出口设计宽，火焰高度较低。长火排易于设计安装，但是燃气均匀分配有一定困难，短火排燃气分配较为均匀，燃烧情况可靠，但是点火、传火存在一定隐患。加工工艺的精密性则决定了火排的工作寿命和火焰整体外观的质感，给人直观印象。

　　燃烧系统决定火排的大致结构和安装尺寸，但燃烧的关键技术在于如何让燃气充分、有效地燃烧，这就牵涉到燃气与空气的混合比例分配问题。一定量的燃气完全燃烧需消耗的空气，称为理论空气需要量，而实际供给空气量一般大于理论空气需要量，二者比值称为过剩空气系数α（α＞1），α过大，则影响换热效率，α过小，则影响燃烧效率。燃气流量较小，则所需空气量较少，反之则相反。对于半密闭式燃烧系统而言，其空气供给充分，因此燃烧效率较好，烟气情况趋好，强抽风式燃气热水器一般选择此类系统；密闭式燃烧系统所需空气完全由驱动风机提供，因此燃气与空气的混合比例分配问题较为突出，需要合理协调燃气流量和供风量，使供风量随燃气流量变化而呈现一定规律的匹配关系，燃烧、烟气等情况正常，强排、平衡式燃气热水器一般为此系统。在强排式燃气热水器中，由于风机供风需要合理分散，使得火排各处的空气供给均匀、稳定，因此在火排的下方，采用开孔数量和密度依据风力大小呈反向变化的控风板，能够有效达到目的。

　　燃烧系统还受到其他因素的影响，如气源种类、燃气阀喷嘴口径、喷嘴引射角等问题影响到燃气的工作状况和燃烧效率，风机供风量与燃气阀开度、燃气流量的合理跟随关系，燃烧系统的抗外界干扰能力等。

　　燃烧技术从能效的角度出发，注重的是改善燃烧工作状况，更好地利用能源和提高效率。

　　换热技术

　　燃气热水器利用燃气热能，是为了达到使冷水加热以供使用的目的，因此换热技术在热交换过程中尤为关键。换热的效率高低，主要取决于热交换器材质和及其内部构造、水管结构位置及环绕方式，热交换器决定热传递效果，水管结构与环绕方式决定换热效率的高低程度。

　　热交换器材料一般用铝、铜等金属材料，但燃气热水器热交换器一般选择铜材，因为铜的热传导系数较高，同种条件下热传导效率较好。但由于燃气热水器是利用明火加热，因此热交换器直接暴露在火焰的高温烧烤之下，虽然铜的化学性能较为稳定，但在高温状态下同样容易发生反应，其所形成的氧化物会影响换热效果。因此在工艺上，部分厂家选择将热交换器镀上一层更为活泼的金属物，其形成的氧化物保护膜，能够保护铜材质不受氧化，同时达到保持高换热性能的目的。进水管同样采用铜材，质地柔软，吸热效率高，便于加工。进水管在进入热交换器前环绕在其表面几圈，充分吸收热交换器外部的散热。

　　热交换器一般位于燃烧器上方，处于火焰直接加热的位置。出于节约材料考虑，也考虑到避免过多热量通过热交换器外壁散失，热交换器壁可加工成内部为热传导系数较低、耐热的其他材质、外面覆盖上一层铜材的结构，这样能够达到既换热又阻止热量流失的工艺目的。热交换器的换热片部分采用翅片叠合结构，翅片也是铜材，数量多，厚度小，受热面积大；同时加热水管环绕几组，贯穿在其中，增大了换热面积和换热容量。换热翅片受热位置为火焰外焰，热量较为集中，加热均匀，换热效率高。

　　经过一次换热后，燃烧释放的热量大部分被热交换器吸收并转移到冷水中去，目前，按照国家二级能效要求，燃气热水器的换热效率最低标准在88%以上。

　　换热技术的应用充分实现了热量的较大限度转换，同样体现了注重能效的技术出发点。

　　恒温技术

　　恒温技术满足了人们对燃气热水器产品使用实用性、舒适性的综合要求。

　　在非恒温的燃气热水器机型中，由于气阀、水阀缺少精密控制，热负荷也是固定设置的，因此在外界变化条件干扰下，如水压、水流量、燃气压力等的变化，容易出现燃烧情况不稳定、水温忽冷忽热等令用户感觉不适的情况，也不能精确地确定一个所需要的具体热水温度。恒温技术的运用，则有效地解决了上述问题。

　　恒温技术是用控制的手法，实时监控一切和温度相关的参数、变量，如进水温度、出水温度、燃气阀开度、水流量大小等，通过单片机运算和程序控制，即时调整燃气阀的开度，或者切换燃烧方式，进而达到在较短时间内维持设定温度并使之恒定的目的。

　　恒温燃气热水器需要一个功能强大的指挥中心，这就是恒温控制器。恒温控制器通过硬件电路设计，将所有与燃烧、恒温相关的信息用电信号有机联结起来。与燃烧有关的有火焰信号、开关阀的开与关、气阀的开与关、驱动风机的运转等，与恒温相关的有进水温度、出水温度、水流传感信号、燃气阀的开度调节、风机转速的跟随变化等，所有这些制约因素在控制器的全盘计划和安排下，协调地工作：水流传感器将水流信号输送给单片机，进、出水传感器也将水温信号输送给单片机，单片机根据设置的温度，与进水温度、实际出水温度比较计算，决定燃气阀的开度大小的增减，在稳定的情况下趋于恒温；当外界条件变化时，控制器单片机通过类似的方式进行快速响应，并做出预判和细调，改变气阀开度和风机转速，对应改变燃烧情况及加热强度，达到出水温度恒定的目的。

　　热水器工作中的恒温情况并不是如上述情况稳定和规范，变化的外部工作条件才能真正考验恒温技术的优越及成熟与否。恒温技术中最大难点是对温度超调的小范围快速调整、对燃烧方式切换时的周密衔接。外界改变温度设置，或者水流量发生较大变化，都会引起控制系统做出最快的调整，但是燃烧换热对于温度的变化具有一定的滞后性，因此容易引起较大幅度的温度超调；此外，在高端恒温热水器的燃烧系统中，分段燃烧技术应用较为广泛，在燃烧段数切换的过程中，也存在燃烧状况的较大改变、温度较大幅度超调等性能隐患。

　　对于上述两种不利的变化情况，恒温技术上，一般采用设计周密的控制软件予以解决，同时也需要大量的试验工作来验证。改变温度设置、水流大幅度波动、分段燃烧变化所导致的热负荷变化和温度超调，通过控制软件的修饰、完善，是能够控制在一定的变化范围内的。

　　恒温技术中不应忽略的技术方面在于，控制器系统在合理调节恒温的同时，需兼顾燃烧情况。任何为达到恒温的指令，均意味着热水器工作热负荷的变化，也伴随着燃气阀开度的调节，为了保证高质量的燃烧工况，应使得风机转速以一个合理的取值跟随变化，才能满足热负荷、燃烧工况的要求。所以，恒温技术综合了燃烧技术，是燃气热水器技术中最富技术含量的关键技术之一。

　　故障处理技术

　　燃气热水器使用的是气体燃料，其生成物一般含有污染物，如不完全燃烧生成的一氧化碳，对人体有毒，其他酸性气体，容易污染大气；气体燃料还容易引发爆炸，具有一定的危险性；加热水温过高，容易烫伤用户等。因此，保证燃气热水器正常的运行状态，是一项重要的技术指标。

　　故障处理技术考量了燃气热水器产品安全性、可靠性、实用性等方面，主要是通过控制器来完成对燃气热水器工作状态的实时监控，在热水器异常时停止工作，并进入故障锁定状态，这样能够降低产品使用事故的发生概率。

　　燃气热水器的工作介质是火焰，因此对火焰的实时监控是必须的，燃气热水器一般设计有一个火焰感应针，该部件的作用是在火焰的高温作用下，产生一个反向的电压作用，这个电压信号反馈给控制器，后者再做出即时反应，识别出正常的工作状态，工作期间火焰消失，电压信号不再存在，控制器马上转入故障锁定状态，保障安全。

　　燃气热水器在工作期间，会因为水流量的大幅度减少、燃气压力的大幅度增加、阀体故障等原因，以及温度控制技术上的不足，导致瞬时高温现象，水温能飙升至80℃或者更高，用户容易被烫伤，这是极为危险的。因此，燃气热水器一般在水路管道中安装超温保护装置，当温度达到一个极限高温，超温保护装置能给控制器一个控制信号，使之做出故障处理响应，进入故障锁定状态。

　　零部件异常监控是保证重要零部件在正常的状态下工作，如果在工作期零部件发生故障，但热水器控制器不能辨别异常，这也是十分危险的。因此燃气热水器的关键部件，如燃气开关阀、进出水温度传感器、超温保护装置、风机、燃气分段阀等，均有对应的故障处理方式，确保这些部件在一个正常的工作状态下运行。

　　风压开关故障是燃气热水器的一种常见工作故障。当外界风压过大，会形成对燃烧器内燃烧情况的干扰，使之出现黄焰、黑烟、熄火、爆燃等异常情况，为保证合理的工作风压，在风压干扰达到一定程度时，风压开关触发动作，给控制器发出一个故障信号，控制器进行故障锁定处理，使热水器结束非正常的工作状态。

　　冷凝技术

　　冷凝技术是在新能源时代，因“节能、环保”的产品要求而发展起来的一种最新型燃气热水器技术。冷凝式热水器能最大限度地吸收燃气燃烧热能，具有高能效性和节能效果，是目前唯一能达到国家一级能效标准的燃气热水器产品，冷凝式热水器也能吸收、处理烟气中的有毒气体，降低排放指标，达到环保的目的。

　　冷凝式热水器利用了“二次换热”的原理。结构上与普通热水器最大的不同是在热交换器之外增加一个冷凝器，冷水先流经冷凝器，吸收经一次换热后烟气中的显热，使烟气温度进一步降低，烟气中部分水蒸气凝结成水，其释放的潜热也被冷水吸收，达到了对烟气降温、吸热的处理目的。同时，冷凝水充分吸收烟气中C、N、S等元素的酸性氧化物，其所形成的冷凝液经由冷凝管收集另作处理，因而大大降低了排出烟气中的污染物含量，使得处理后的烟气低温、低毒，基本上对环境无污染。

　　冷凝器是冷凝式热水器上的一个关键技术问题，具有较高的技术创新价值。冷凝式燃气热水器的冷凝器设计外观形式多样，其在热水器内部的位置也因实际需要而定。其内部结构形式类似于热交换器，目的是让流动的冷水吸收烟气中的热量，并生成冷凝水，因此冷水管一般贯穿在换热片之中，易于冷凝水形成和流动。工作期间，依据具体设计要求，烟气流向与冷凝水洒落方向可相同，也可相反。生成的冷凝水通过一定通道汇集、回收，能淡化冷凝器下部酸性环境并降低冷凝器温度。

　　在冷凝技术中，如何降低冷凝器的设计和生产成本，并达到比较满意的冷凝效果，以及冷凝水的收集处理方案，都是值得人们深入研究的地方。

　　冷凝技术的应用，使燃气热水器实际节气率可达12.8%，同种耗气条件下的热水产率提高达14.6%，总体节能效果为15%～20%，具有巨大的经济效益和社会效益。

　　环境适应技术

　　燃气热水器在市场上使用广泛，其地域、气候条件不一，地理、季节、气候、安装位置等导致的温度、气源、气压、水压、外界风等因素，以及个人使用习惯等变换条件，都会对产品构成一定的不良质量因素。因此燃气热水器产品需针对不同的外界环境条件，具备较强的环境适应能力。

　　气源因素。燃气种类较多，如液化石油气、天然气等各有不同分类，每一类气体的物理化学成分都有区别，其物理参数也不一致，如燃气热值及华白数等，因此针对不同的气源条件应配置不同的机型，使得负荷、烟气或其他性能指标符合设计和使用要求。同时气源气压的变化也能够导致燃烧工况不正常，影响热水器正常工作。因此在设计热水器的时候，应该把气源气压的变化因素考虑进去，让产品具备较强的气源压力适应能力。

　　地理、季节、气候因素。地理位置或天候条件的不同，使各地的气候、温度、水压等不尽相同，如进水温度过高，会导致用户在夏天因为最低温升过高而无法使用；环境温度过低，在低于冰点的情况下，会导致热水器水箱冻坏。针对此类情况，热水器应采取改变热负荷设计的办法，或者运用热水器电加热、防冻管路等防冻技术来达到目的。

　　安装位置因素，主要是具体的用户安装条件所决定。如楼层过高，会因为水压过低而无法使用，因此应调整用户供水条件。而对于强排机型，由于排烟管朝向户外，容易受到外界风力的干扰影响，外界风通过排烟管倒灌进燃烧系统，影响燃烧工况，甚至出现熄火、爆燃等严重后果。此类情况，可以利用风压开关的保护作用，或者增加一定的防倒风设施等技术手段来予以消除。

　　(责编 邱麦平)