論空氣流動動能對燃氣熱水器燃燒工況的影響

史衍龍，李明洪，田 靖，彭 峰

隨著人們生活水平的提高，家庭生活對于大升速的燃氣熱水器的需求越來越高，目前市場上的大升速燃氣熱水器主要是以強排式下鼓供風式燃氣熱水器為主。而隨著產水能力的提升，燃氣熱水器的熱負荷的增大，燃氣熱水器燃燒所需的空氣量也同時跟著增加。改善大升數強鼓型燃氣熱水器的燃燒工況，均衡多排數燃燒器的每排燃燒器所需的二次空氣量。

1 供風動能過大對燃氣熱水器燃燒工況的影響

全負荷狀態下，燃燒器所需要的供風量最大，為了滿足全負荷狀態下的燃燒工況對于空氣量的需求，在風機出口面積A一定的條件下，只能提高風機轉速N，以提高風機出風口的流速V，這樣單位時間內空氣流量Q2也增加，風機出風口處空氣的流動動能受風機出風口結構的限制，因此影響風機出風空氣流動動能的主要影響因素就是風機出風口處的空氣流速。根據燃燒火焰狀態以及排煙條件判斷風機風速是否達到最佳狀態，當風機轉速達到最大時，如圖1所示的高速流動的空氣經風機排風口進入燃燒室腔體后，因流速較高，對于正對風機排風口位置的燃燒器單片增加了其一次空氣和二次空氣的補給量，因此，正對風機供風口位置的燃燒器單片的火焰高度很低，且單片高度不均一，火焰穩定性極差。遠離風機排風口兩側的燃燒器單片，會因為風機出風口處氣體的高速流動導致出風口處的壓強降低，壓強差的原因引起排風口兩側空間的空氣會向風機供風口處移動（圖1所示）。燃燒器兩側空氣量減少，當高速燃氣經噴嘴進入喉管處后，引射的空氣量也會減少，一次空氣系數α1與二次空氣系數α2都會降低，導致兩側燃燒所需空氣量不足，燃燒不完全，火焰高度偏高，整體煙氣偏高。

圖1 風機出風口示意圖

下面以一個50 kW額定熱負荷的甲烷為氣源的整機為例說明，調整風機轉速，直至燃燒器兩側的火排火焰燃燒穩定為止。

單位時間內燃氣流量Q=0.001 5 m3/s；

風機出口風速V=14.2 m/s；

風機出風口截面積S=0.002 6 m2；

單位時間空氣流量Q2=V·S=0.042 m3。

當完全燃燒時，單位時間內所消耗的氧含量VO2可根據單位時間內的燃氣流量確定，即：

由公式（1）可知，單位時間內，整機消耗的燃氣量所需為VO2，而空氣中氧氣的容積成分是21%，所以燃燒所需要的理論空氣量為：

此時通過風機口進入燃燒器內單位時間內的空氣量為V=S×V。

2 降低供風動能過大均衡空氣供給

通過上述可知，當滿足兩側燃燒器燃燒工況良好的情況時，正對風機出風口處的燃燒器燃燒工況偏差，所以要解決的問題就是在滿足兩側燃燒器燃燒所需空氣量的前提下，同時不會增加風機出風口平面法向的空氣流動動能，所以針對燃燒器結構進行調整，在風機出風口處增加一個空氣擾流板(圖2所示)，當在風機出風口安裝了本裝置后，高速空氣經過風機供風口進入燃燒室腔體內，高速的空氣經過本裝置在出風口位置上減緩了空氣的流速，同時，本裝置又起到了改變空氣流向的導流的作用，引導部分空氣向風口兩側流動。如圖3所示，均衡了燃燒器單片火排所需要的空氣量，改善了大負荷燃氣熱水器因空氣供給不均衡二產生的煙氣超標的問題。

圖2 空氣擾流板

圖3 擾流后空氣流動示意圖

單位時間內燃氣流量Q=0.001 5 m3/s；

風機出口正面風速V=6.8 m/s；

擾流板兩側風速V1=7.7 m/s；

風機出風口流速取正面風速與兩側風速的平均值V2=7.25 m/s；

風機出風口截面積S=0.002 6 m2；

單位時間空氣流量Q2=V·S=0.018 9 m3。

試驗觀察，此時燃燒器各排的火焰燃耗穩定，燃燒工況良好，并沒有出現離焰以及熄火現象，同時煙氣測試，排煙口煙氣測試合格。在燃燒過程中，正確的選擇和控制α是十分重要的，過小和過大都將導致不良結果，前者使燃料的化學熱能不能充分發揮，后者使煙氣體積增大，燃燒室內溫度降低，增加了排煙熱損失，其結果都將使加熱設備的熱效率下降[3]。因此，為了保證完全燃燒的情況下，均衡燃燒器單片空氣的供給量，降低風機出風口處的法向空氣流動動能，同時將空氣向兩側導流。對風機進口處的高速空氣進行降速，同時向兩側導流，不僅對整機的燃燒工況進行了改善，同時也降低了整機發生共振的風險。

3 結論

多分段燃燒，部分分段情況下，風機位置的不同導致部分分段燃燒工況供風量過大，過量空氣系數α＞1過多，導致燃氣燃燒不完全后被空氣帶走，引起煙氣過大。另一部分燃燒工況下，因二次空氣供給不足，過量空氣系數α＜1過多，導致燃燒不完全，煙氣超標[4]。為了改善因供風不平衡導致的煙氣問題，必須均衡每一排燃燒器單片的供風量。對比增加擾流裝置前后的燃燒工況，可了解到，增加擾流裝置前后的風機轉速是不變的，改變的是風口正面以及兩側的空氣流動速度。E=mV，風機轉速不變，風機出風口處的出風量基本恒定，當降低空氣流速后，空氣流動到火焰焰面的阻力也降低，同時燃燒器兩側的供風量也得到了一定的增加，整機的燃燒工況得到了改善。

參考文獻：

［1］姜正侯.燃氣燃燒理論與實踐［M］.北京：中國建筑工業出版社，1985.

［2］夏昭知，伍國福.燃氣熱水器［M］.重慶：重慶大學出版社，2002.

［3］同濟大學.燃氣燃燒與應用［M］.北京：中國建筑工業出版社，2000.

［4］錢申賢.燃氣燃燒原理［M］.北京：中國建筑工業出版社，1989.