通用暖風機高原耐久性試驗故障分析與排除

李俊 鐘華 劉劍飛 高懷斌

1 陸軍研究院特種勤務研究所

2 西安科技大學機械工程學院

0 引言

部隊暖風機的研制歷程已經歷20 多年，研制開發了不同規格的平原型、高原型暖風機[1]，滿足不同使用面積的帳篷、活動房使用，解決了部隊冬季在不同地域、不同海拔高度野外取暖問題。由于平原暖風機在高海拔區域不能正常使用，根據部隊要求，暖風機進行了統型，形成了通用暖風機系列，可以在不同地域使用。通用暖風機是一種通過燃燒輕柴油或煤油，加熱空氣送熱風取暖的設備[2]，除用于取暖外，還可用于通風換氣。本文就新開發的通用暖風機在高原耐久性試驗過程中出現的故障問題做以分析，并給出解決思路與方法，供大家參考。

1 暖風機的結構和工作原理

1.1 暖風機組成及結構

暖風機由回風管，煙囪，殼體，送風管，供油系統，燃燒器，控制系統，燃燒換熱器和風機等部分組成，見圖1。

圖1 暖風機構造

1.2 暖風機工作原理

開機后，燃燒器電機運轉，與電機同軸的風機、油泵同時工作，點火電極開始打火。13 s 左右，供油電磁閥打開，高壓油經油嘴霧化噴出與風機提供的空氣混合，被點火電極產生的電火花點燃并在燃燒室燃燒。燃燒產生的高溫煙氣，從燃燒室底部的兩個出煙口流進換熱器，經換熱后再流經煙囪排出。換熱室內感溫探頭溫度上升45 ℃左右，送風機啟動將帳篷外空氣或帳篷內循環空氣送進換熱室，流過換熱器和燃燒室外側被加熱，被加熱的熱風經送風管送入帳篷內的熱風分配管網，由分配管網均勻地分送到帳篷內各部位加熱空氣取暖。暖風機在運行過程中，由控制系統自動控制。暖風機用于取暖的工作原理見圖2。

圖2 暖風機供熱原理圖

2 故障現象與分析

2.1 耐久性試驗中燃燒器停機

試驗地點在青海省格爾木市，海拔2800 m，中午1:00 時開始啟機，運行到晚上19:00 時，通用暖風機突然停機，再次啟動時，燃燒器不能啟動，按壓燃燒器復位按鈕，不能復位。大約10 min 后，再次按壓燃燒器復位按鈕，啟動暖風機，運行正常，再過大約3 h 后，出現同樣現象。

2.2 故障分析

查找暖風機使用說明書中常見故障與排除方法，亦未見該種情況。停機后檢查出風口溫度，略高于環境溫度，與平常出風口停機時溫度基本一致，說明運行過程中沒有出現過熱保護。控制面板沒有故障代碼提示，說明暖風機控制系統功能正常。燃燒器復位后，亦能正常工作，說明燃油系統暢通，沒有堵塞問題。燃燒器程序控制器能夠正常控制燃燒器，說明燃燒器程序控制器正常。燃燒器結構示意圖見圖3。

通常情況下，燃燒器出現故障后，燃燒器程控器會自我保護，2 min 內，按壓燃燒器復位按鈕，一般不能立即復位，需過2 min 后按壓才會復位。第二次停機后，過3 min 按壓燃燒器復位按鈕，沒有立即復位，說明燃燒器有異常。觸碰燃燒器電機，感覺發熱溫度比平時更高。用熱電偶測量電機溫度，各處溫度見表1。

圖3 燃燒器結構示意圖

表1 燃燒器電機表面溫度分布

表1 中，靠左部分明顯高于其他部位，靠左部位靠近暖風機前隔板，燃燒器電機該處溫度偏高，說明在該區域有外部熱源存在，通過觸摸前隔板溫度，發現前隔板溫度明顯偏高，測量最高溫度處達98 ℃，燃燒器電機距前隔板約10 cm，電機明顯受到輻射傳熱影響。該機在無錫（海拔10 m）運行了140 多小時，一直正常，運行環境溫度（26～34 ℃）遠高于在格爾木（-3～15 ℃）的環境溫度。暖風機燃燒換熱系統結構示意圖見圖4。

圖4 暖風機燃燒換熱系統結構示意圖

2.2.1 環境溫度下降對前隔板的影響

本機組的換熱可大致表述為圖5 所示的換熱網絡圖，其中tlk為進入的冷空氣溫度，tsl為換熱器上部換熱后的空氣溫度，txl為換熱器下部換熱后的空氣溫度，thk為熱風送風溫度。由于該機組采用變頻技術，送風溫度thk為恒定值75 ℃。tsl和txl為并聯結構，當環境溫度下降時，換熱器上部阻力小，tsl↓，txl↑，結果在前隔板兩側溫差增大，使底部向外側的傳熱量增加，前隔板溫度上升。

圖5 換熱網絡圖

2.2.2 氣壓下降對前隔板散熱的影響

海拔增高時，空氣密度會下降，空氣的密度可表述為：

自然對流散熱可表述為：

式中：tk為環境溫度；tw為前隔板外側壁面溫度。

在格爾木，空氣密度下降為海平面的72%，由于定壓比熱Cp基本不變，在環境溫度一定時，自然對流換熱能力亦下降72%。

2.2.3 氣壓下降對燃燒器電機散熱的影響

燃燒器運行時，電機會發熱，主要通過自然對流散熱，正常情況下會達到自然平衡，不會高于電機的過熱保護溫度。在高海拔地域，由于空氣密度降低，自然對流散熱能力下降，在同一環境溫度下，格爾木的自然對流散熱能力下降28%。

3 故障排除

燃燒器電機溫度上升產生過熱保護，是由于前隔板溫度升高，進而對燃燒器電機產生輻射傳熱，加之高原空氣密度降低，自我散熱能力下降所致，采取措施是切斷輻射，增加自然對流換熱能力，或進一步提高電機的耐高溫性能。由于提高燃燒器電機的耐高溫性能在現場無法實施，需后續在設計中提出更高要求，現場采取了阻隔熱輻射的措施，在燃燒器電機與前隔板之間增加了擋板，切斷了輻射傳熱，同時打開燃燒器室前蓋，盡量提高燃燒器電機的自然對流散熱能力。結果表明措施得當，再未出現燃燒器過熱現象。

4 結語

1）增加前隔板處保溫層的厚度，避免壁面溫度升高對燃燒器電機產生高溫輻射。

2）選用耐高溫的電機，提高燃燒器電機的過熱保護溫度，以避免高海地域拔使用時，電機自然散熱能力下降而出現的過熱保護現象。

3）設計時考慮燃燒器室散熱的需要，不能完全封閉，設計必要的氣流通道，滿足燃燒器室熱量的揮發與流出。

4）在低海拔區域或高海拔的低溫環境（-10 ℃以下），該種燃燒器電機過熱保護現象一般不會出現，設計中對前隔板的保溫估計不足，容易為未來運行出現故障帶來隱患。