铜翼热水锅炉技术分析  一、     前言           铜翼热水锅炉是美国Lochinvar （烈骑）公司于1954年开发出-纯铜翼片整体式换热管，应用于锅炉内的换热。美国Lochinvar Corporation 创建于1919年，是全球最大的专业水暖制造企业之一。公司座落于美国田纳西州，公司一直致力于热水及供暖系统设备的研究、生产、销售，始终领导着水暖行业的技术进步与行业发展。经过近百年的努力，公司已经发展成为一家全球性的跨国公司，分公司及科研机构遍布全球众多国家和地区。现在每年在美国国内市场上销售的燃气、电热水器（锅炉）超过40万台，其中燃气锅炉所占的市场份额超过 30％，电热水器所占的市场份额接近20％。烈骑公司自2007年进入中国市场，天津天骑集团（先北京天骑）作为其中国总代理，负责中国区烈骑燃气锅炉的代理。目前，中国面临能源结构的重大调整，天然气作为清洁能源逐步受到重视，加上未来中国城市化进程的推进，高效的燃气锅炉必将快速发展。铜翼燃气热水锅炉作为其性能最卓越，综合成本最优的产品，必将在市场中得到重视。二、     铜翼热水锅炉技术的原理及技术优势锅炉技术涉及两个关键部分，一是燃烧，另一部分是热交换。经过大半个世纪的技术改良和新技术的研发，锅炉的节能环保技术已经日趋成熟。1.       我们首先在热交换和燃烧两个方面对该技术进行简单阐述：（1）一体化纯铜翼管热交换器目前，我国锅炉均采用钢或铸铁作为热交换设备换热材质。由于其换热系数低，致使锅炉体积大，换热效率低，调节不灵活等问题。一体化纯铜翼管热交换器（见图1），其优秀的性能完全解决上述问题。这里说的纯铜也就是紫铜，含铜99.9%。铜是热的优良传导体，传热系数为钢铁的9倍。铜的耐腐蚀性能也远高于不锈钢。为了增加受热面积，在整体铜管外壁压出每英寸7片翼片，即一体化的铜翼管。换热面积比光铜管增加了10倍。强化的热传导，使热交换器在同等功率输出情况下，体积很小，锅炉的水容量也很少，例如，0.8吨的锅炉只有20升的水容量。这样锅炉的待机损失很低，几乎瞬时升温，大大提升热效率。铜管热交换器的内壁还设置类似来复线的螺纹槽，当高速水流通过时，产生紊流，破坏层流对热交换的不良影响，使工质的热交换更快更充分。这个高速旋转的水流不断冲刷管壁，防止水垢生成和沉积，这样的热交换器具有极强的抗水垢特性，完全可以直接加热硬度高达435ppm的硬水，而不需要软化水处理。 图1：铜翼管（2）微焰燃烧技术传统的大气燃烧技术对燃烧状况控制有限，火焰比较长，因此燃烧室需要体积比较大，锅炉也要体积大。目前发展起来的预混燃烧技术，对燃料和空气进行了精密的调节和控制，保证燃烧充分。先进的微焰燃烧技术在功率输出的调节幅度和氮氧化合物的排放都具有最大的优势，但由于传统钢制锅炉或铸铁锅炉换热器体积庞大，预混燃烧火焰太短，所以很难在传统锅炉上应用。铜翼管换热器的传热系数是钢和铸铁的90倍，高效的换热效率大大减小了换热器体积，与微焰预混燃烧完美结合，减小了整个锅炉体积同时，体积只有常规锅炉的1/10～1/6，热效率提高2%～5%，同时大幅度降低污染排放。全预混微焰燃烧的关键是燃烧器表面。这种燃烧器使用特种金属纤维作为燃烧表面，因为纤维的开口很小，因而多孔的纤维表面产生很均匀的小火焰。纤维具有无比的柔性，几乎完全没有热冲击现象存在。燃烧强度可以达到2500kw/m²。这种燃烧技术广泛应用在微型涡轮机上。根据输出功率的大小不同，火焰有两个基本模式，最大功率输出时是蓝火焰，燃烧特征是：1. 火焰在纤维表面外形成；2. 辐射能量最少，大部分热能量存在于燃烧产物；3. 纤维表面温度低。另一个火焰模式是最低功率输出时的红外辐射模式，燃烧特征是： 1. 燃烧在纤维表面发生；2.辐射能量要红外线为主；3.纤维表面温度高。调节功率输出时，火焰就在这两种模式之间变化。由于微焰燃烧的火焰很小，发热均匀，基本杜绝燃烧室的极端高温，因此，氮氧化物的排放非常低，是最环保的燃烧方式（NOx排放小于20ppm，CO排放小于10ppm）。图2为蓝火焰模式(满功率输出)  图2：预混燃烧器表面 目前，把最好的热交换器技术和最先进燃烧技术结合起来，就是目前我们使用的纯铜数字化全变频锅炉，目前最环保节能的锅炉，热效率达92～95%（非冷凝，冷凝可达103～106%），排放优于全球最严格的排放标准。该锅炉体积小，重量轻，不需要传统的锅炉房，甚至可以室外安装，全自动化无人值守。 2.       铜翼热水锅炉特点铜翼管技术与微焰预混燃烧技术完美结合，与传统钢制或铸铁锅炉对比如下：特点 分析全预混纯铜变频锅炉其它铸铁和钢制大气式或枪式燃烧锅炉产品★热效率①铜管锅炉抗腐蚀(单位面积1㎜2的铜需25年才受腐蚀),抗氧化性强，热传输效率高。铜翼技术:是在直铜管的外表面于每英寸(25.4㎜)长度平均攻出七片,从而增加热面积。铜翼管的导热率远远优于钢和铸铁，而其传热效率为普通铜管的九倍。是钢和铸铁的九十多倍②比例式燃烧比例式燃烧采用变频控制系统，根据负载的不同，同时调整进入封闭燃烧室的燃气/空气比例，确保充分和完全的燃烧，使其输出精确地跟踪负载，误差在百分之一(称为无级比例燃烧)，系统的热效率任何时候都保持最佳状态。单一控制燃气量或者分多级燃烧控制输出，其产生结果为多余的燃料浪费,降低热效率.③无耐火材料封闭燃烧室燃烧室采用锁热陶瓷（卧式锅炉）或全封闭水室（立式锅炉）。封闭燃烧能防止热损失，提高热效率，并且体积更小、重量更轻，热容量更大。燃烧室有不参与换热的耐火材料，需定期更换,并且造成热量散失,重量大，体积大.④炉水容量小纯铜锅炉炉水容量最多为60公升，待机热耗低。尤其在夏季节能显著,启动速度快,随时满足用户的热水需求.水容量1500公升，热惯性大,待机热耗高。存在安全隐患 ★噪音低全新高技术部件系统德国EBM变频直流无刷铝合金风机,精密高速轴承,比利时贝卡尔特金属表面燃烧技术.美国霍尼韦尔文丘里混气系统.运行噪音小于50分贝如同燃气大灶和喷火枪的燃烧器,开敞式燃烧室,噪音不可避免.运行噪音大于80分贝★氮氧化合物排放低比例燃烧无火焰燃烧比例燃烧系统保证燃气的充分燃烧，避免氮氧化物的生成，曼驰锅炉的烟气排放量远低于国家标准，其氮氧化物排放更是低于30PPM，超过德国蓝天使环保标志的标准。是目前世界上最环保的燃气锅炉氮氧化物高于80PPM甚至200PPM★抗水垢 ①热交换器与燃烧器的排列形状匹配热交换器为双层环状直管排列结构，受热面积大且避免了产生水垢的边角位，不会产生局部高温，所以不存在水垢生成环境。 热交换器的叠式排列和构造不但会引起局部高温，而且大量的边角位给水垢的生成提供了落脚点，导致锅炉寿命的缩短。②热交换器内的水流很高内部流量为120升／分－240升／分，将热能迅速带走，不会产生高温，避免水垢生成，同时，铜管内表面刻有螺纹槽，使流过铜管的水流在被加热的同时产生强烈的湍流来防止水垢的生成和沉积。不能有此湍流效果产生，因而也就极易产生局部高温。不适应硬水环境 ③适应硬水环境锅炉设计适应硬度环境为300－500ppm。本身结构存在缺陷因而不能有此项保证。★连续运行保证智能冗余系统安装有主要控制部件冗余系统，当锅炉某一部位出现故障，不影响锅炉运行,保证用户连续性使用的要求。如产生故障必须停机，从而导致供暖的停顿，影响极大。★性能①高效率热效率92%（卧式）～95%（立式）。冷凝式系统效率高达106％其他锅炉热效率70-88%②热表面点火系统是当今最先进、最可靠的技术，碳化钢电极通强电流产生炽热高温点燃火焰功能。长明火点火：易被风吹灭。电火花点火：日久积碳易引起短路失效。③占地面积极小占地面积为０.62平方米(立式)或双层叠放为1.5平方米（卧式）同样功率为600KW的锅炉占地面积至少4平米以上④重量轻600公斤功率为600KW至少2000公斤以上★锅炉房投资系统简单占地面积小,因而土地面积使用小，烟道口径小，铜的抗腐蚀性可以免除锅炉房的除氧设备，其结果可节约相当的设备成本。需专门的锅炉房，占地面积大,附属设备多,成本较高。★运行费用①单台高效率95%的高效率,可节省20%以上的燃料费.75-88%的效率,能耗大.②模块化运行多台锅炉模块化组合使每一台锅炉运行在最佳状态，因此，热负荷变化时系统整体效率保持最佳，气候补偿功能降低能耗25％。单台锅炉在低负荷运行时效率很低。★保用时间纯铜换热本体和不锈钢集烟室无氧铜换热本体,不受水的侵蚀,也不怕冷凝水寿命长20-30年,维护简单.易生锈,最怕氧腐蚀,寿命短5-10年,维修量大.★成本 高（综合成本低）中等（综合成本高）★寿命 ≥40年10～15年 3.       铜翼热水锅炉常见结构形式目前，铜翼锅炉主要有卧式和立式两种形式。(一)卧式铜翼热水锅炉 图3：卧式铜翼热水锅炉（二）立式铜翼热水锅炉 图4：立式燃气锅炉4.  应用铜翼锅炉供暖系统特点依托铜翼热水锅炉优异的性能，是锅炉供暖系统更加高效、灵活。具体特点如下：（1） 模块化设计模块化设计，多台互为备用，输出调节更加灵活高效，是顺应未来趋势的节能产品。配合气候补偿系统，节能10-15%。结合国情开发的节能系统，最大节能效果达50%。供暖、供热水的热负荷长期是在一个动态波动状态，这是因为每一天的环境温度与风力是变化的，且白天、夜晚相差较大，初冬和严冬相差甚大，季节性的温差相差更大。锅炉设计热负荷均较高，这也是在额定状态下实际测量的，但单台低负荷运行，热效率就要大打折扣。而模块锅炉的最大优势是节能，因为模块化锅炉在控制器的联机模式下运行，完全是按照当时所需热负荷，全自动地控制工作锅炉台数。如12台的模块炉就可以分12块调动，从而保证所供热负荷和所需热负荷的平衡。保证在工作中的锅炉都在高效率下工作，节能10—30%。（2）安装方式灵活，占地面积更小可以安装在楼顶或地下室在和加拿大，大部分的高层楼都把锅炉房安装在楼顶，综合起来有如下优点：节省昂贵的土地面积，楼顶一般可以安装诸如空调，水箱，天线等设备，如果利用这些空间安装锅炉，则可以节省地面锅炉房的占地。下图为南京180医院锅炉房改造前后对比图，左图为改造前锅炉房，占地面积大，空间利用不合理，右边为改造后锅炉房，右侧大部分面积改造成门诊楼。其运营成本也从每年600～800万元降低到300万元以内。 图5：南京180医院改造前后对比图节省管线损失，楼顶锅炉房从顶楼铺设热水供应同一建筑物，避免中央锅炉房需要铺设的中央供应管道，大大节省管道的热损失，据资料统计，可以最多节能40%。节省烟囱的安装成本，楼顶锅炉房只需要很短的烟囱就可以满足排放的要求，比地面锅炉房大大节省烟囱的建设费用有维护费用。比地面锅炉房或地下锅炉房更安全，如果万一发生燃气泄漏，不会危及整个建筑物。（3）运行可靠该锅炉采取了多项措施来提高锅炉运行的可靠性：锅炉采取模块化设计，可以优化组合；它的自控系统可以测定系统回水的参数通过电脑自动调节输出功率，操作非常简单，运行安全可靠;产品采用了二次备用系统，保证了用户连续性使用的要求。同时，锅炉的无水垢设计及先进的燃烧方式也保证了锅炉的绝对安全运行。  众所周知，锅炉水垢问题是制约锅炉热效率、使用寿命及安全性的主要因素之一,也是一个长期困扰我们的难题。应用纯铜整体螺旋式（铜翼）换热管技术，推出了以铜翼管锅炉为核心设备的模块化供热系统，可以解决长期困扰我们的水垢问题。由于铜的导热系数较高，一般铜管均具有换热性能好的特点。铜翼燃气锅炉的热交换器为均匀分布的铜翼管，采用特殊技术在直铜管的外表面于每英寸长度内均匀挤轧出7片翼片（专业称为“外加肋”）加工出来的铜翼管，在其它换热条件相同的情况下，由于换热面积大大增加，换热条件被强化，其换热效率可以高达普通铜管的9倍、铸铁的90倍。铜翼片是直接在直铜管外表面上利用特殊工艺加工出来的，而不是将事先加工好的翼片焊在铜管上，因此完全避免了后者很难克服的由于焊接质量差异而导致的较大的局部传热热阻，从而保证了铜翼管超强的换热性能。“外加肋”增加了铜翼管换热元件的受热面积，这样就把火焰与铜管肋片之间形成的辐射换热和烟气与肋片形成的对流换热大大增强，使燃气燃烧时所产生的热量更加充分地被铜翼管所吸收，从而最大幅度的提高了换热器的换热效果和节能效果。同时，在铜翼管内表面具有螺纹槽（专业称为“内加肋”）。“内加肋”的设计目的就是破坏高速流水在铜管内壁形成的层流层，增加水与铜管的换热效果，使水与铜管之间形成的对流换热大大增强。这样在结构相同、换热参数相同的条件下，高温烟气所携带的热量可以更加充分地被炉水吸收，从而明显提高锅炉的热效率。当锅炉内部循环水流量达到238升/分—340升/分，使流过铜管的水流在被加热的同时将铜翼管的热能迅速带走，不会产生局部高温，和管内强烈的湍流来双重防止水垢的生成和沉积，由此避免因水垢产生而使热效率下降的现象。该锅炉无水垢设计水硬度环境高达425ppm。采用热表面点火技术，可省燃气也可防止日久积碳引起短路点火失误问题，进一步提高了锅炉使用的安全性。采用先进的微焰预混燃烧，避免了火焰带来的局部高温点，完全避免锅炉因燃烧控制等问题带来的安全问题，彻底杜绝安全隐患。5.        运行费用低铜翼管锅炉较高的热效率及先进的自控系统，使得其运行费用比同类产品低20%以上。三、     铜翼热水锅炉在我国发展前景在我国，受各方面因素影响，供暖行业一直以煤炭为主要能源，所占比例达到90%以上。由于煤炭热效率低、污染大，所以中国一直大力发展集中供暖，以提高燃煤锅炉的热效率，同时在一定程度上控制大气污染。与中国不同，国外发达国家在供暖行业一直以天然气为主要能源。在美国，在供暖行业，天然气占整个能源比重达到98%，这使燃气锅炉在技术上得到了快速发展。我国今年受能源、环境等因素制约，开始快速调整能源结构，尤其天然气在能源结构所占比例逐年上升。根据权威人士预测，国内天然气市场未来十年内将保持在8～10%的速度增长，到2020年达到2000亿立方米（2009年为875亿立方米），占总能源消耗的10%。其新增天然气主要用于民用燃气和冬季取暖。同时，各地也纷纷出台政策，鼓励在供暖行业煤改气。预计，十年内该行业将呈现快速增长，甚至有逐步取代集中供暖的趋势。作为基本国策，城市化进程在十年内也将持续下去。这必将是城市规模继续扩大，带动一批新的供暖项目。铜翼热水锅炉作为性能最为优越，综合成本最低的燃气供暖锅炉，2007年进入中国，市场认知程度不高，但每年仍以100%以上的速度增长。预期在5年后，必将成为燃气锅炉的主流产品。四、     铜翼热水锅炉应用效果的案例分析1.        兰州解放军第一医院采暖节能环保项目：1.项目简介解放军第一医院即兰州三爱堂医院是一所具有光荣传统和历史的中心医院，1939年创建干革命圣地延安，前身是“白求恩国际和平医院”。著名国际友人白求恩、柯棣华等大夫曾在医院工作过。医院地处兰州市中心，实力雄厚，交通便利，管理规范，设有近40个科室，有高级技术职务人员60余名，博士和硕士研究生40余名， 实际展开床位500余张，年门诊量20余万人次。医疗区，住宅区，代供区供暖面积约11万余m2，楼层最高12层。2.医院现行的做法：1、采暖使用燃煤热水锅炉，优点：运行成本低；缺点：1）锅炉房、煤场占地面积庞大，2)运行中污染严重，不利于环境保护。3)需要的员工人数多，职工的劳动强度大，工作环境恶劣，4)对医院的整体环境影响较大，不利于病人的息养恢复，2、热水锅炉现状采用2台无锡太湖锅炉厂1995年7月出厂的双锅桶卧室热水锅炉，型号为SZL10.5MW-1.0par、SZL7MW-1.0par 各一台。总功率约为17.5兆瓦【约为25蒸吨】2台炉子已使用14年，快达到锅炉使用的最高年限，为落实节能减排方针，改善医院环境、创造和谐社会。改建使用燃气锅炉。改造后采用16台美国烈骑卧式锅炉，工程总造价：364万元人民币经济分析: 改造前三爱堂医院实际供暖面积为110000平方米，每年的蒸汽锅炉加热水锅炉交给城关物业的能耗费用为600万元。技改完成后运行一个采暖季，年运行费用目前为187万元人民币。年节能费用为元6000000—1870000元=4130000元同时，锅炉房环境大大改观，更加清洁、安全。注：兰州天然气民用1.3元/m3，且其使用锅炉年限过长。其他地区天然气费用在2～4元/m3，新的燃煤锅炉运行要低于燃气锅炉成本，综合成本比较还有根据各地区具体条件不同而有所不同。