一种独立的家用节能型自动负压蒸汽供热采暖系统

2018-06-13卜银坤

中国特种设备安全 2018年5期

卜银坤

（北京航天动力研究所北京 100076）

本文提出一种独立的家用节能型自动负压蒸汽采暖供热系统，曾在笔者15m2的办公室里做过1∶1的多次试验，无须循环水泵、真空泵，利用重力低位排气法［1］，简易的自动控制技术，即可自动连续获得60～70℃的负压蒸汽，在工质两相压差的作用下循环对低位散热器系统供热采暖。该系统具有结构简单、自动化程度高、启动快、机动性强、投资少、能耗低、无噪声、无维护、高安全、热水采暖效果的特点，不仅能现场手动调节需要的采暖温度，而且能够按室内不同时段的个性需求设置永久性的全自动运行。

分析认为：该技术不仅能够全自动实现集中供热不能覆盖的北方居民、农村分散住户的冬季采暖要求，而且克服了集中供热固有的供热不均、用热计量难、费用较高、不能同时满足所有住户需求的缺点；对于我国的南方，该技术是居住、办公环境供热采暖的最佳选择；从热量的有效利用、人性化需求、合理收费方面来讲，该技术应当说比集中供热更为科学，不失为全民小康的一种路径。

1 系统介绍

图1 一种独立的家用节能型全自动负压蒸汽供热采暖系统

一种独立的家用节能型自动负压蒸汽供热采暖系统，如图1（电加热锅炉）所示，主要由负压蒸汽锅炉、仪表阀门、温度传感器、散热器、密封的管道、电器自动化装置组成。负压蒸汽锅炉主要用电加热，有条件的也可以用天然气加热。实践证明：只要设计有据，认真对待每一个细节的质量，成功并非难事；一旦设计合理、安装调试合格，将会收到一劳永逸的效果。

图2 6kW负压蒸汽可控硅全自动功率控制电器原理图

1.1 系统工作原理及必要条件

系统工作原理主要包括系统的启动过程和正常运行两个过程。

1）系统的启动过程：图1系统启动前，锅炉内部的水位和系统回水管道内的水位是在同一平面内的，该水位以上的空间与大气相通并充满环境空气；接通电源后，锅炉中的水被电热元件1加热，当温度升高到100℃（以当地大气压强下的饱和温度为准）时，受热面上的水将发生大容积饱和核态沸腾，产生的饱和蒸汽从锅炉内的水平面上逸出并顺着管道流向系统；因为水蒸汽的比重小于空气的比重，况且水蒸汽又是从系统的上部管道进入的，所以系统中原有的环境空气自然就会在系统的下部回水管中汇集并从系统末端常开电磁阀10的出口排出；因为系统启动时，电热元件1在最大的功率档位上（设计供热功率），而散热器却在最小的散热状态下，所以产生的蒸汽会很快充满系统空间，当系统末端可调温度传感器11检测到95～100℃的蒸汽信号时，系统末端常开电磁阀10在电器自动化装置12的控制下，电热元件1立即下调到较低的功率档位上，同时将系统末端常开电磁阀10关闭；所述的较低功率档位，应当是满足室内温度要求的功率，受控于可调室温传感器9的设定值，该功率必须略小于系统散热器的总散热能力，以确保锅炉在设计的负压参数下运行，实践证明，该功率档位的设计值，需要在初期的调试中确认。

2）系统正常运行过程：当系统正常启动后，因为散热器全面投入散热，其设计的散热能力大于室内需要的最大供热量，所以，即使在最大功率档位上，锅炉也会进入负压状态下产生蒸汽。要使负压蒸汽连续产生，首先必须保证系统密封并维持一定的负压，其次是系统的散热能力所凝结的水量正好是锅炉的蒸发量，而且要保证系统汽水分界面高于锅炉内的水位一定数值。

设计合格的系统，正常运行时，系统中汽水分界面应当低于散热器回水管最下母线，以充分发挥散热器的散热能力。设锅炉内的水位平面标高为h1、系统中散热器回水管的最下母线标高为h2，那么高度差存在一个最小值Hmin，即设计的图1系统，必须使否则系统将不能正常循环运行。不同的系统存在不同的Hmin值，需要根据具体热负荷的大小及其系统进行热工和阻力计算，而且需要在系统安装后的试运行调试中进行修正和确认。

实践证明：图1系统正常运行时，工质在系统中会形成自然循环回路，其运动压头主要是水位高度差该值涉及系统初次充水量的多少；系统安装后需要严格的气密性试验；鉴于气体的相互扩散，系统启动过程中，为了使系统内的环境空气彻底排出，尾部常开电磁阀10的通径不宜太小，其排气速度理论上不应高于蒸汽进入系统的速度；鉴于图1中各散热器入口的调节阀必须采用价格昂贵的真空阀，鉴于这些阀门存在的必要性，笔者建议全部取消这些阀门，如此，系统会变得更加简单、运行效果会变得更加可靠。

3）图1中锅内重力安全阀6，用于系统由于某种特殊情况超压时自动向外排气（汽），确保系统在任何工况下都是安全的，其设计的动作压力=50kPa,可以用常规家用高压锅的重力安全阀来替代。

1.2 系统设计举例

为了便于设计应用，现对100m2住房的采暖系统进行设计举例。假设：锅炉内直径Dn= 0.03m，电炉丝耐火托盘能够覆盖锅炉的全部截面；系统稳定运行时的负压蒸汽温度为tg= 60～70℃，取其平均温度为tg,pj= 65℃，则［2-3］其饱和绝对压力pg=25540Pa（现场表压值为-75785Pa≈-76kPa）、蒸汽的焓值为蒸汽比容为水的比容水的比热水的表面张力水的动力粘度水的普朗特数Pr' = 2.77、水的汽化潜热r = 2346kJ/kg、水的导热系数λ =66.35W/(m·K)。

1）最小水位高度差Hmin。

按文献［4］，对于采取节能措施的建筑，取采暖热指标为q = 50W/m2，则100m2住房需要的供热功率为Qg= 5000W（设计的最大功率，实际是在较小的功率下长时间运行），取图1中的电热元件功率为Qg=5000W，电热效率为ηg= 100%，则锅炉的最大蒸发量：

最大蒸汽量的体积为：

最大凝结水的体积为：

如果图1中的蒸汽管段的管径=0. 0 2 6m，冷凝回水管径=0. 0 20m，蒸汽含汽率为x0= 100%（因为没有必要设置汽水分离器，所以实际蒸汽含汽率约为=95%），则系统的循环倍率K = 1x0=1，锅炉出口管内蒸汽的最大流速：

系统散热器回水管内的蒸汽流速即蒸汽与冷凝水分界面上的蒸汽流速，也是系统内最小的蒸汽流速，它应当等于凝结水流入锅炉的速度：

相对锅炉出口蒸汽流速，≈0，于是，系统内蒸汽的平均速度：

取消图1中各散热器入口的调节阀，将图1中并联的散热器管折算为主蒸汽管，假设引起蒸汽流动摩擦阻力的管道，按=0. 0 2 6m、折算总长度为=20m 、局部阻力沿程折算为90°的弯头为5个，引起凝结水流动摩擦阻力的管子，按=0. 0 20m、总长度为=20 m 、局部阻力沿程折算为90°的弯头为5个，按文献[5]得蒸汽流动摩擦系数λq= 0.02635、凝结水流动摩擦系数λs= 0.02842、90°弯头局部阻力系数于是，汽路最大阻力计算值Δpq= 468.3036Pa、凝结水路最大阻力计算值为Δps=0.7006Pa，图1系统正常运行时的最小水位高度差：

根据、Dn、Hmin及系统正常运行时的汽空间体积V，不难确定系统冷态时锅炉内的理论水位的位置。为了运行的可靠性，笔者建议系统散热器回水管中心线应高于锅炉火界受热面，其距离不应低于100mm，锅炉冷态时的水位应与系统散热器的回水管中心线看齐。

2）散热器最小散热面积Fmin。

负压蒸汽供热采暖，因为是相变换热，同等情况下的散热器面积要比常规水暖的少许多，然而设计必须合理：少了会提高循环蒸汽的温度，从而导致压力升高甚至正压蒸汽运行、锅内重力安全阀6对外界排汽、锅炉水位下降直到烧干，或者是被迫在较小的功率下运行，满足不了设计的室内采暖温度；散热器的面积设计得太多是一种浪费、会失去低温自驱动相变供热采暖的先天优势；最佳散热器的面积，应当是其散热能力，即与其周围空气的热交换量，略大于锅炉提供的热量，即散热器的总散热能力应当略大于住户需要的热量。

笔者根据实践及理论分析认为，负压蒸汽在竖直管内仍然属于层流膜状凝结，很难实现滴状凝结，考虑与蒸汽同向流动的液膜向下流动速度对传热系数的正面影响[3-6]，散热器竖管内壁平均表面传热系数应当按文献［3］中的式（6－10），即

式中：

h——散热器竖管内壁表面的传热系数，W/(m2·K)；

g ——重力加速度，g = 9.81m/s2；

r ——散热器管内负压蒸汽的汽化潜热，本案

r = 2346kJ/kg；

ρ ——散热器管子内壁上冷凝液的密度，本案

λ ——散热器管子内壁面上冷凝液的导热系数，本案λ = 0.6635W/(m·K)；

η ——散热器管子内壁面上冷凝液的动力粘度，本案η = η' = 0.438×10-3kg/(m·s)；

l ——散热器管子内壁面的高度，本案取l = 1m；ts——散热器管内蒸汽的饱和温度，本案ts= 65℃；

tn——散热器管子内壁处的温度，大量实践表明，凝结换热中的∆t = ts−tn≤2 ℃，室内环境温度对其影响可以忽略，这里取tn=ts− ∆ t = 6 5−2 = 63 ℃；

代入本案有关数值，得散热器竖直管内壁表面平均传热系数：

此时散热器管内壁的液膜层流雷诺数：

该数值说明散热器垂直管内壁的液膜流态为层流，证明h = 9267W/(m2·K)数据可靠正确。

散热器垂直管内壁靠导热将热量传到外表面然后再靠对流和辐射方式将热量散发到室内空气中，取散热器及其肋片的导热系数λ = 20W/(m2·℃)、包括肋片在内的平均厚度δ = 1.5mm，则散热器外表面的温度为该温度下的散热器与室内空气的综合传热系数［7］（辐射＋对流）取值为hzh= 10W/(m2·℃)，设室内空气平均温度为=20℃，则需要的散热器总有效面积最小值为：

3）系统启动需要的时间。

假设满足系统正常运行时的最小水位高度差为Hmin，初步计算上述住户系统中的最小充水量为25kg，其中属于锅炉内的水约15kg，连同散热器在内的系统水平面以上的有效空间，折算为=0. 0 26m的

管子长度为60m，其气空间的容积为：

锅炉在设计的最大功率Qg= 5000W下启动后，首先需要将锅炉内的水加热到沸腾的温度100℃，如果环境的初始温度是10℃，电热效为100%，则加热所需时间为：

因为负压蒸汽在排除系统环境空气的同时，还要通过散热器对外不断换热而冷凝，系统是一边充汽、对外散热，一边排气，所以充汽期间内的系统对外散热功率最小值为0，设计的散热器正常时的散热功率是Qg= 5000W，故其平均值可近似为：

这说明用于排除系统环境空气的功率因为锅炉在启动过程中，排除系统环境空气的水蒸汽压力pq= 101325Pa、比容热焓所以锅炉系统充汽需要的时间：

显然，锅炉启动需要的时间：

充汽过程中蒸汽在管道内的平均流速：

4）系统末端常开电磁阀10的通径。

在tzq= 20.41s的这段时间里，系统末端常开电磁阀10应当及时排除系统内的环境空气，且速度尽可能不高于=2. 9 438ms ，建议末端常开电磁阀的通径与蒸汽管道的通径相同或较为接近，这里不能低于0.02m。

按设计的工作原理：锅炉在其最大配置功率P1= 5000W下常压启动，锅水温度达到100℃后第20.41s，电功率会自动置于P2≤5000W的某一位置负压运行；由于某种原因，系统真空度一旦不能维持需要的负压蒸汽供热，即系统尾部温度传感器检测到低于60℃的信号时，电器自动化装置将发出命令，迫使系统尾部常开电磁阀打开同时将电加热元件恢复在最大功率档，系统将自动进入上述的排气启动程序，待锅水沸腾（因为是从60℃开始加热的，所以加热时间约为8min）后20s，锅炉又将在设定的负压蒸汽参数下运行；正常情况下，只要安装时系统的密封性达到要求，这种重新排气启动过程的周期是比较长的，而且系统一次给水后无须补水或补水的周期较长。

2 负压蒸汽锅炉

负压蒸汽锅炉是系统供热的能量源头，负压蒸汽和冷凝水在系统中的流向相同，其工质循环机理类同分离式热管换热器［8］，不存在蒸汽携带水分的限制，即蒸汽携带水分的多少不会影响锅炉的正常进行。影响锅炉传热、传质能力及锅炉寿命的主要问题，首先是锅炉内的水在加热表面上的热流密度不能超过其饱和沸腾临界热流密度，其次是系统散热器的散热能力应当略大于锅炉的蒸发能力。另外，锅炉内的水位和出口蒸汽流速也是不可忽视的问题。

2.1 锅炉、供热功率及加热方式

锅炉供热功率依据地区和环境的不同而不同，文献［4］给出了具体规范。

锅炉的结构与加热方式密切相关，加热方式主要有以下三种。

1）图1中的锅炉，其加热方式为耐火托盘式的裸体电炉丝加热方式，电炉丝均匀镶嵌在烧结的耐火托盘的沟槽内，像抽屉一样可以轻松推入锅炉的腰槽内并被固定，锅炉腰槽内的上侧平面是锅炉的主要受热面，下侧及周围的锅炉受热面也可对电炉托盘有效吸热冷却，电炉盘完全置于密闭的锅炉内部，具有黑度接近1的辐射换热环境。因为是全新个性设计，能够保证大容积沸腾临界热流密度下电炉丝的温度在较低的温度水平，保证锅炉在设计的参数下稳定长寿命运行；该方式具有成本低、寿命长、启动快、方便在线更换电炉丝的特点，更重要的是可以实现其低位布置，有利于家庭环境的系统设计。

2）用电热管对锅炉进行加热产生蒸汽，要求电热管不仅要满足其耐压强度的要求，而且要满足水在电热管表面的大容积沸腾热流密度与其功率相匹配，以免电热管内的电阻丝因过热而损坏。电热管在水的加热领域应用很广，但用在蒸汽加热中的不多，鉴于电加热设备尽可能低位布置的环境要求，除特别订购外，笔者不建议将市购的电热管用于本系统的锅炉中。

3）在天然气入户的条件下，使用天然气加热时，系统中的锅炉结构、安全措施、自动化控制相对较复杂，且系统的散热器安装位置也相对较高。需要说明的是锅炉结构不同于全水管的壁挂炉，必须专业设计封闭的燃烧室、足够的受热面积和可靠的平衡强排烟装置。

2.2 锅炉受热面上饱和沸腾临界热流密度

因为锅炉虽然大部分时间是在一定的负压状态下运行，但是初期的启动却是在常压和微正压下进行的，而且可能会多次出现启动过程，所以应当按常压设计锅炉。另外，锅炉受热面或电热管外表面上水的沸腾，均属于水在大容器内的沸腾［3］，存在受热面饱和核态沸腾（也称饱和泡状沸腾）临界热流密度qj及其相应的换热壁面过热度最佳值(Δt)j。核态沸腾具有温压小、换热强的特点，超过所述的壁面最佳过热度(Δt)j，不仅不会增强换热效果从而增加换热量，而且会浪费能源、容易损坏设备。

对于不锈钢受热面，锅炉内的水在101325Pa（大气压）压力下的临界热流密度计算值，应用汽膜的泰勒不稳定性原理公式计算值［3］为qj= 1096kW/m2，将qj= 1096kW/m2代入文献［3］式（6－18），得受热壁面最佳过热度(Δt)j=9.19℃。

假设100m2家庭供热功率为Qg= 5000W，锅炉的内直径Dn= 0.2mm（需要验证），受热面板厚为δb=0.004m，导热系数λb= 22W/(m·K)，电炉丝托盘覆盖全部截面，周围及下部传热约为上部的25%，则锅炉的有效受热面积可以视为：

锅炉受热面允许热功率最大值可达：

受热面的实际热流密度：

锅炉受热面火侧的温度，启动时为：

负压工作时：

2.3 电加热中电炉丝的温度

电炉丝的温度是其连续使用时间长短的重要参数[9]，它包括启动时的表面温度和中心温度、负压工作时的表面温度和中心温度。电炉丝表面温度主要决定于外界的吸热冷却能力，同等情况下，其中心温度决定于其自身的导热系数和外表面积。

为了计算电炉丝的温度，需要做以下接近真实的经验假定：鉴于辐射环境较为密闭，所以忽略热量的损失，锅炉稳态运行时受热面的热流密度q与电炉丝的有效电功率Qg相等；电炉丝表面和锅炉受热面之间的换热全部为辐射，出于工艺和安全，锅炉受热面钢板与电炉丝之间的空气层厚度设计为δk= 0.005m；鉴于电炉丝（铁镍合金）和耐火托盘（耐火砖质）的法向发射率εn较为接近，综合分析取其黑度α = 0.80。

1）电炉丝表面的温度：

借助文献公式（6－ 47）［2］及单位换算关系，电炉丝的表面温度，锅炉启动时，由

负压工作时：

2）电炉丝中心的温度：

电炉丝自身的传热属于具有内热源的一维导热，且可认为其导热系数为常数，内部温度分布沿中心线对称均匀分布并且不随轴向位置而变化。功率Qg=5000W的电炉丝，按标准选取炉丝直径为D = 1.5mm，材质为0Cr25AL5，查表知其常温电阻为0.8036Ω/m，常温导热系数为λ = 13W/(m·K)。

电炉丝需要的长度：

电炉丝的金属体积：

电炉丝的体积热流密度：

参考文献[5]中式（2-45）的推导过程，得锅炉启动时电炉丝中心处的温度：

锅炉启动时电炉丝中心处的温度：

2.4 锅炉受热面积的多少对电加热中电炉丝温度的影响

上述定量计算表明，虽然锅炉的内直径Dn= 0.2mm远满足了水在其受热面上大容积沸腾的安全经济需要，但是却使电炉丝的工作温度临近其允许的最高工作温度，严重影响电炉丝的使用寿命。如果将锅炉的内直径改为Dn′=0.3m，按上述计算方法：有效受热面积F ′ =0. 08 836m2；受热面的实际热流密度q′ =56588Wm2；锅炉受热面火侧的温度，启动时为′=119℃，正常负压工作时为′=84±5℃；电炉丝表面温度，锅炉启动时为′=789℃，负压工作时为′=787℃；电炉丝中心温度，锅炉启动时为′=791.4℃，负压工作时为′=789.8℃。显然，锅炉直径设计为′=0.3m较为合理。

实践证明了这里涉及的传热理论：电炉丝表面与锅炉受热面火侧的绝对温度4次方之差，与锅炉受热面的实际热流密度成正比；电炉丝中心与表面的温差与电炉丝半径的平方成正比。同等情况下（主要是电功率），因为电热管外表面积的极端有限性，所以水在其上大容积沸腾的热流密度会远远超过临界值，壁面过热度会猛增几百摄氏度。另外，因为电热管中的电炉丝与电热管内壁之间充满了氧化镁粉末介质，电炉丝与电热管内壁之间只有导热没有辐射的特点，所以电炉丝表面温度较高并容易超过其允许的温度。理论计算和实践表明，电热管不宜用于蒸汽锅炉。

3 负压蒸汽锅炉的电器自动化装置

图1中的电器自动化装置12，原理如图2，按设定的室内温度传感器9的命令，调节电热元件1的供电电压以保证系统应有的输入功率。电器自动化装置可以在市购大功率可控硅手动调压器模块的基础上适当改造即可，也可以将家用电灶的电路适当改进后专门购件制作：将原有的电位器断开接入三档开关，中间档为停运空档，一侧档接原有电位器的断开端，靠电位器按原方式现场手动随意调节需要的电功率，另一侧的档如图2，将多个不同阻值的电阻串联后替代原有的电位器，再对各电阻分别并联不同定值的常闭温度传感器图1中的件9（该传感器置于能反映室内温度的室内某一位置）。所述串联的电阻大小及与其并联温度传感器的动作温度，其效果相当于手动电位器时的位置电阻及相应的室内温度，应当通过现场的多次试验最后确认，最终目的是要保证室内温度与该电阻并联的温度传感器的定值相对应。

天然气加热锅炉，借助室内设定的温度传感器命令，电动给气燃烧器在火焰监控的条件下自动改变给气量，一旦炉内燃烧熄火将按燃气锅炉特有的程序重新点火。天然气加热的负压蒸汽供热采暖系统，锅炉需要专业设计，电器自动化装置、安全保护更要专业设计。

4 负压蒸汽锅炉能耗经济性分析

基于北京2017年用电、用气价格信息［10］和冬季采暖收费标准［11］，对100m2的住户进行集中供热采暖和独立分户供热采暖的费用进行概算，数据比较见表1。

根据参考文献［10］，天然气加热的负压蒸汽供热采暖系统，热效率按90%，同等情况下，其运行费用约为1563元。鉴于本文提供的负压蒸汽供热采暖系统，无须循环泵和真空泵，相对常规的热水供热采暖，同等情况下不仅投资少，而且运行费用也会减少。

根据以上计算，天然气加热的负压蒸汽供热采暖的费用，仅是集中供热的一半，电加热的也比集中供热的少许多，进一步分析看出，集中供热的费用之所以高，主要原因是存在基本热价。

鉴于区域集中供热需要专用的大型锅炉、锅炉房和庞大的室外压力管网，建设和维护需要一定的费用，另外还要不断地消耗许多动力和散热损失，因此表1中出现固定的基本热价是可以理解的。值得注意的是，基本热价占据了总体费用的一半，是否值得和必要值得研究。

表1 北京地区100m2住户集中供热采暖和分户电供热采暖费用比较（采暖期2017.11.15～2018.3.15）

对于民宅，笔者更认为，除了加强建筑保温、密封措施外，推行“家用光电供热系统”［12］，不仅能满足人们对环境温度和用热的需求，而且还体现了新时代科技环保的特征。

5 结论

1）集中供热采暖需要大型锅炉、锅炉房、庞大的室外压力管网，虽然存在一定的基本热价，但是对于以煤为燃料的年代是必须的，基本热价和计量热价的比例也是值得的。在以天然气和电为民用主要能源的新时代，鉴于基本热价接近甚至超过了计量热价，鉴于天然气特别是电能转变为热能过程的安全性、环保性、经济性、方便性和快捷性［13］，民宅是否坚持集中供热采暖值得研究。

2）家用节能型自动负压蒸汽供热采暖系统，无须循环水泵和真空泵，即可实现60～70℃的负压蒸汽自动连续循环对外供热采暖，具有结构简单、自动化程度高、启动快、机动性强、投资少、能耗低、无噪声、无维护、高安全、热水采暖效果的特点，完全可以作为家电设备走进千家万户。对于较大面积的办公场所，可以分布实施这样的采暖技术。

3）家用节能型自动负压蒸汽供热采暖系统，天然气加热的费用仅为集中供热采暖费用的一半左右，基于充分利用谷电政策的电加热费用，虽然高于天然气加热的费用，但还是比集中供热的费用低许多。

4）家用节能型自动负压蒸汽供热采暖系统中的电加热锅炉，应当以电炉丝的表面温度不超过其寿命期的允许温度来确定锅炉受热面的大容积饱和沸腾热流密度；天然气加热的锅炉属于微型常压天然气锅炉，应当具有密闭合理的燃烧室和受热面积，需要专业设计和更多的安全措施。

5）电器自动化是系统正常运行的保证，质量必须可靠、动作必须灵敏。

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