全預混分段式燃燒系統設計與試驗研究

余浩倫 張錦梁

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

在“雙碳”政策的推動下，采暖行業將被引導著向綠色格局及綠色生態形態發展，低排放、高效率的燃氣熱水產品將更符合市場及消費者需求。全預混冷凝式壁掛爐作為熱效率高、有害氣體排放低的節能環保產品，被行業企業納入重要發展戰略規劃，將是未來市場趨勢明顯、需求強勁的明星產品，所以全預混冷凝式壁掛爐的負荷調節范圍越大，用戶的采暖舒適度和生活熱水使用體驗越好，就目前普通的全預混冷凝式壁掛爐而言，因受到傳統預混器以及燃燒器的限制影響，負荷調節范圍普遍較小。

因此本文將圍繞全預混冷凝式壁掛爐負荷調節范圍較小問題，對預混器和燃燒器的結構進行創新優化設計，實現全預混分段式燃燒，能很好的解決負荷調節范圍小的問題，實現超寬頻負荷調節性能，提升用戶采暖舒適性和生活熱水使用體驗。

1 預混器結構設計

1.1 預混器結構及原理

針對傳統預混器存在的負荷調節比較窄而固定的情況，圍繞小負荷下保持燃氣與空氣比例恒定性能要點，對預混器進行了新的結構設計。該預混器結構上采用一體式雙文丘里混合通道結構形式，分別設有小口徑文丘里混合通道和大口徑文丘里混合通道，并在其喉管處設有燃氣進氣口，如圖1 所示的雙文丘里混合通道混合管。

圖1 雙文丘里混合通道混合管

該預混器結構設計是采用風機前預混方式作為結構設計前提，在大口徑文丘里混合通道的出氣口處安裝一個電磁開關閥，通過改變電磁開關閥的開啟與閉合狀態，實現預混器混合氣出氣口單、雙通道的切換，從而起到對燃氣和空氣混合氣進行通道限流作用，如圖2 所示的預混器及其內部結構。

圖2 預混器及內部結構

如圖2 所知，當電磁開關閥接通電源時，處于開啟狀態，電磁開關閥產生的磁力克服內置彈簧力作用，閥體密封墊片打開大口徑文丘里混合通道的出氣口，同時設在其進氣口的擋片在受到預混風機卷吸抽力的作用下，將以軸桿為軸心向上擺動一定角度，此時大口徑文丘里混合通道縮管處的燃氣噴嘴也被打開，此時預混器的燃氣和空氣混合氣出氣口處于最大開度狀態，滿足最大功率輸出要求，如圖3（a）所示。

圖3 電磁開關閥開啟與關合狀態

當電磁開關閥斷開電源時，處于關閉狀態，電磁開關閥的閥體密封墊片在內置彈簧力作用下，閥體密封墊片關閉大口徑文丘里混合通道的出氣口，同時設在其進氣口的擋片沒有預混風機卷吸抽力的作用，在重力作用下復位至原來的位置狀態，此時大口徑文丘里混合通道縮管處的燃氣噴嘴被擋片關閉，只剩下雙通道文丘里混合管的小口徑文丘里混合通道縮管處的燃氣噴嘴通氣，此時預混器的燃氣和空氣混合氣出氣口處于最小開度狀態，滿足最小功率輸出要求，如圖3（b）所示。

1.2 模擬仿真分析

ANSYS 仿真分兩步進行，首先根據最大和最小負荷的所需空氣量確定大小負荷端喉管直徑，其次根據大、小端的空氣量與燃氣(甲烷)比例，確定喉管直徑。其中，最大負荷出口處的壓力是根據方案在滿足30 kW 所需空氣量的情況下，其出口負壓值作為風機提供的壓能。

經過仿真分析可知，當小口徑文丘里混合通道喉管直徑為Φ14 mm 時，此尺寸能滿足小負荷1.5 kW 需求，并可以通過加大風機轉速來提高空氣引射量。其ANSYS 仿真分析見圖4。

圖4 小口徑文丘里混合通道喉管ANSYS 分析

在確定小口徑文丘里混合通道喉管直徑后，根據最大負荷30 kW 所需空氣量來確定大口徑文丘里混合通道喉管直徑，經過多次調整大口徑文丘里混合通道直徑后，風機引射的空氣量已滿足理論空氣量，確認其喉管直徑為Φ24 mm。其ANSYS 仿真分析見圖5。

圖5 大口徑文丘里混合通道喉管ANSYS 分析

在雙通道的喉管直徑確定后，根據大小端引射的空氣量來確定所需燃氣量，燃氣量的多少主要由噴嘴直徑截面大小確定。其中初步設計空氣系數為1.3，則空氣與燃氣的比值約為12.376。

由仿真分析數據可知，大、小口徑文丘里混合通道的噴嘴直徑為Φ5 mm 和Φ3 mm 時，其大、小口徑文丘里混合通道的混合氣體與燃氣流量比分別為13.275 和13.033。此噴嘴尺寸基本能滿足所需要求。其ANSYS 仿真分析見圖6。

圖6 大、小口徑文丘里混合通道的噴嘴ANSYS 分析

1.3 預混器結構參數

通過上述ANSYS 仿真分析得知，初步設定預混器的雙通道混合管的喉管及其噴嘴的結構參數見表1。

表1 預混器結構參數

2 燃燒器結構設計

為了保證在小負荷燃燒時的燃燒穩定性，對燃燒器也進行了新的結構設計，該燃燒器采用一體式分段燃燒結構方式，燃燒器內部分成兩個獨立空間，分別是第一混合氣空間和第二混合氣空間。燃氣進氣口設置在法蘭上，設有第一進氣口和第二進氣口，第一進氣口與第一混合氣空間相連通，第二進氣口與第二混合氣空間相連通。分配管則設置在第二混合氣空間的內側空間，與殼體同軸方向設置，分配管上均勻分布有出氣分配孔，用于混合氣體的均勻分配出氣。此結構燃燒器可以實現分段燃燒效果，保證燃燒穩定性，在最小極限負荷時滿足較小功率的輸出需求。分段燃燒器及其內部結構如圖7 所示。

圖7 燃燒器及內部結構

3 燃燒系統設計與控制方法

該燃燒系統基于全預混燃燒方式進行設計，采用鼓風式前預混式分段燃燒方式，其主要包括：分段式燃燒器、輸氣蓋體、雙文丘里混合通道預混器及鼓風式變頻風機。其中輸氣蓋體的出氣口設有兩個出氣口，第一出氣口與燃燒器的第一混合氣空間相連通，第二出氣口與燃燒器的第二混合氣空間相連通，且第二出氣口可通過電磁開關閥的通、斷切換，實現燃燒器的分段燃燒狀態。該燃燒系統及其內部結構如圖8 所示。

圖8 燃燒系統及內部結構

其控制過程如下：當熱負荷需求較大時，預混器上的電磁開關閥和輸氣蓋體的電磁開關閥同時處于通電狀態，預混器中的雙通道文丘里混合管的出氣口全部打開，此時在鼓風式變頻風機的驅動下，空氣從預混器的進氣口端分別進入大口徑文丘里混合通道和小口徑文丘里混合通道，此時大口徑文丘里混合通道進氣口的擋片在受到風機卷吸空氣流作用下，將以軸桿為軸心向上擺動一定角度，大口徑文丘里混合通道喉管處的燃氣噴嘴也被打開。這時，燃氣同時從大口徑文丘里混合通道和小口徑文丘里混合通道各自的燃氣噴嘴噴入喉管與空氣進行混合，最后由預混器的出氣口端流入風機，然后進入輸氣蓋體，依次從第一出氣口和第二出氣口進入燃燒器的第一混合氣空間和第二混合氣空間，最終從燃燒器表面火孔噴出進行燃燒，如圖9 所示，此時為全負荷燃燒狀態。

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圖9 全負荷燃燒狀態

當熱負荷需求逐漸減少時，并且功率輸出需求降低到只需預混器的小口徑文丘里混合通道開啟和燃燒器第一混合氣空間進行功率輸出時，預混器上的電磁開關閥和輸氣蓋體的電磁開關閥將同時處于斷電狀態，輸氣蓋體的第二出氣口和大口徑文丘里混合通道被關閉。此時大口徑文丘里混合通道進氣口的擋片沒有預混風機卷吸抽力的作用，在重力作用下復位至原來的位置狀態，大口徑文丘里混合通道縮管處的燃氣噴嘴被擋片關閉，只剩下小口徑文丘里混合通道縮管處的燃氣噴嘴通氣，空氣只能從預混器的進氣口端進入小口徑文丘里混合通道，燃氣則只能噴入小口徑文丘里混合通道與空氣進行混合，且混合氣只能進去燃燒器的第一混合氣空間，并由燃燒器第一混合氣空間對應的火孔噴出進行燃燒。如圖10 所示，此時為燃燒器部分負荷燃燒狀態。

圖10 部分負荷燃燒狀態

4 試驗與分析

4.1 試驗設備與條件

試驗設備：冷凝式燃氣采暖熱水爐樣機、燃氣采暖熱水爐整機測試臺、煙氣分析儀。

試驗條件：使用12 T 天然氣，燃氣壓力2 000 Pa，環境溫度28.5 ℃，大氣壓力101.1 kPa，燃氣溫度28.3 ℃。

冷凝式燃氣采暖熱水爐作為載體樣機，將本文所述燃燒系統安裝于其內，進行燃燒穩定性、負荷調節比和煙氣測試，并按圖11 所示試驗臺方式進行采暖爐安裝，采用相關的測試設備進行測試。

圖11 試驗臺及樣機、燃氣流量計和煙氣分析儀

4.2 性能試驗

4.2.1 試驗一：全通道負荷燃燒狀態性能試驗

設置預混器上的電磁開關閥和輸氣蓋體的電磁開關閥都處于通電狀態，預混器混合管的大口徑文丘里混合通道處于“通啟”狀態，使燃燒器處于全負荷燃燒狀態。在此狀態下，調節測試樣機中的燃氣比例閥，使其功率輸出對應的煙氣產物達到排放合理參數值，設定最小功率風機轉速為1 500 r，最大功率輸出風機轉速為8 000 r，依次調節風機轉速，測試記錄各煙氣成分含量。

表2 全通道負荷測試數據參數

4.2.1 試驗二：全通道低負荷燃燒狀態性能試驗

設置預混器上的電磁開關閥處于斷電狀態，但輸氣蓋體的電磁開關閥處于通電狀態，使預混器混合管的大口徑文丘里混合通道處于“閉合”狀態，只有預混器的小口徑文丘里混合通道處于“通啟”狀態，但燃燒器還是處于全通道燃燒狀態。在此狀態下，設置風機轉速調節范圍為（1 500 ～3 500）r，測試記錄各煙氣成分含量。

相關測試數據如表3。

表3 全通道低負荷測試數據參數

4.2.2 試驗三：單通道部分負荷燃燒狀態性能試驗

設置預混器上的電磁開關閥和輸氣蓋體的電磁開關閥均處于斷電狀態，使預混器的大口徑文丘里混合通道處于“閉合”狀態，小口徑文丘里混合通道處于“通啟”狀態，而燃燒器處于部分負荷燃燒狀態。在此狀態下，設置風機轉速調節范圍為（1 200～ 3 000）r，測試記錄各煙氣成分含量。

相關測試數據如表4 。

表4 單通道部分負荷測試數據參數

4.3 試驗結果分析

由數據表2、表3、表4 可知，冷凝式燃氣采暖熱水爐樣機在預混器和輸氣蓋體的電磁閥都處于通電狀態時，預混器的開度和燃燒器的有效燃燒面積都處于最大狀態，測試樣機對應的最大功率為30.93 kW（對應風機轉速8 000 r），最小功率為4.62 kW（對應風機轉速1 500 r），在此狀態下負荷調節比約為6.7 ∶1，此時屬于常規全預混燃燒系統的正常調節范圍。

當預混器的電磁開關閥處于斷電但輸氣蓋體的電磁開閥處于通電狀態時，預混器的開度處于最小狀態，燃燒器的有效燃燒面積仍保持處于最大狀態，測試樣機對應的最大功率為8.48 kW（對應風機轉速3 500 r），最小功率為3.23 kW（對應風機轉速1 500 r）。

當預混器的電磁開關閥和輸氣蓋體的電磁開閥都處于斷電時，預混器的開度處于最小狀態，燃燒器的有效燃燒面積也處于最小狀態，測試樣機對應的最大功率為4.53 kW（對應風機轉速3 000 r），最小功率為1.12 kW（對應風機轉速1 200 r）。此狀態下，調節風機轉速（1 500 ～3 000）r 時仍能維持正常燃燒，當風機轉速低于1 500 r 時，則容易出現煙氣超標、無法維持正常燃燒導致熄火的狀況。

根據以上測試結果，在所述預混器和輸氣蓋體電磁開關閥相互切換控制模式下，可得到三段不同的功率輸出特性曲線，如見圖12 所示。測試樣機可調節達到的最大熱負荷為30.93 kW，最小熱負荷為1.12 kW，采用上述的雙通道文丘里管預混器和分段式燃燒器的全預混燃燒系統，全預混冷凝式壁掛爐測試樣機的熱負荷調節比可達到27 ∶1 左右，為了保證燃燒穩定和煙氣排放符合指標要求的情況下，最小負荷時則需要預混器和輸氣蓋體的電磁開閥均處于斷電狀態，且最小風機轉速設置不低于1 500 r，對應最小功率為1.53 kW，此時全預混冷凝式壁掛爐的熱負荷調節比約為20 ∶1。

圖12 功率與風機轉速運行特性

5 結論

本文對雙通道預混器和分段式燃燒器從工作原理及結構進行了介紹，并把其組合設計的全預混燃燒系統在整機系統的運行控制作了試驗研究與分析，通過整機性能試驗得出了相關試驗數據，試驗結果表明：

1）本文所述的全預混燃燒系統在整機運行測試，在所述預混器和輸氣蓋體電磁開關閥相互切換控制模式下，可得到三段不同的功率輸出特性曲線，實現全預混分段燃燒。

2）采用上述雙通道文丘里管預混器和分段式燃燒器的全預混燃燒系統，熱負荷調節比可達到27 ∶1 左右，可穩定燃燒的功率調節比也能達到20 ∶1，得到較大的寬頻功率調節范圍。

綜上，本文所述的雙文丘里混合通道預混器和分段式燃燒器的全預混燃燒系統方案能得到超寬頻負荷調節性能，為解決全預混燃燒負荷調節范圍較小問題提供了一種解決方向的參考，特別對大功率機型能得到超寬頻負荷調節比更具有實用意義，為用戶提供更佳的供暖舒適性和生活熱水使用體驗。