论空气流动动能对燃气热水器燃烧工况的影响

史衍龙，李明洪，田 靖，彭 峰

随着人们生活水平的提高，家庭生活对于大升速的燃气热水器的需求越来越高，目前市场上的大升速燃气热水器主要是以强排式下鼓供风式燃气热水器为主。而随着产水能力的提升，燃气热水器的热负荷的增大，燃气热水器燃烧所需的空气量也同时跟着增加。改善大升数强鼓型燃气热水器的燃烧工况，均衡多排数燃烧器的每排燃烧器所需的二次空气量。

1 供风动能过大对燃气热水器燃烧工况的影响

全负荷状态下，燃烧器所需要的供风量最大，为了满足全负荷状态下的燃烧工况对于空气量的需求，在风机出口面积A一定的条件下，只能提高风机转速N，以提高风机出风口的流速V，这样单位时间内空气流量Q2也增加，风机出风口处空气的流动动能受风机出风口结构的限制，因此影响风机出风空气流动动能的主要影响因素就是风机出风口处的空气流速。根据燃烧火焰状态以及排烟条件判断风机风速是否达到最佳状态，当风机转速达到最大时，如图1所示的高速流动的空气经风机排风口进入燃烧室腔体后，因流速较高，对于正对风机排风口位置的燃烧器单片增加了其一次空气和二次空气的补给量，因此，正对风机供风口位置的燃烧器单片的火焰高度很低，且单片高度不均一，火焰稳定性极差。远离风机排风口两侧的燃烧器单片，会因为风机出风口处气体的高速流动导致出风口处的压强降低，压强差的原因引起排风口两侧空间的空气会向风机供风口处移动（图1所示）。燃烧器两侧空气量减少，当高速燃气经喷嘴进入喉管处后，引射的空气量也会减少，一次空气系数α1与二次空气系数α2都会降低，导致两侧燃烧所需空气量不足，燃烧不完全，火焰高度偏高，整体烟气偏高。

图1 风机出风口示意图

下面以一个50 kW额定热负荷的甲烷为气源的整机为例说明，调整风机转速，直至燃烧器两侧的火排火焰燃烧稳定为止。

单位时间内燃气流量Q=0.001 5 m3/s；

风机出口风速V=14.2 m/s；

风机出风口截面积S=0.002 6 m2；

单位时间空气流量Q2=V·S=0.042 m3。

当完全燃烧时，单位时间内所消耗的氧含量VO2可根据单位时间内的燃气流量确定，即：

由公式（1）可知，单位时间内，整机消耗的燃气量所需为VO2，而空气中氧气的容积成分是21%，所以燃烧所需要的理论空气量为：

此时通过风机口进入燃烧器内单位时间内的空气量为V=S×V。

2 降低供风动能过大均衡空气供给

通过上述可知，当满足两侧燃烧器燃烧工况良好的情况时，正对风机出风口处的燃烧器燃烧工况偏差，所以要解决的问题就是在满足两侧燃烧器燃烧所需空气量的前提下，同时不会增加风机出风口平面法向的空气流动动能，所以针对燃烧器结构进行调整，在风机出风口处增加一个空气扰流板(图2所示)，当在风机出风口安装了本装置后，高速空气经过风机供风口进入燃烧室腔体内，高速的空气经过本装置在出风口位置上减缓了空气的流速，同时，本装置又起到了改变空气流向的导流的作用，引导部分空气向风口两侧流动。如图3所示，均衡了燃烧器单片火排所需要的空气量，改善了大负荷燃气热水器因空气供给不均衡二产生的烟气超标的问题。

图2 空气扰流板

图3 扰流后空气流动示意图

单位时间内燃气流量Q=0.001 5 m3/s；

风机出口正面风速V=6.8 m/s；

扰流板两侧风速V1=7.7 m/s；

风机出风口流速取正面风速与两侧风速的平均值V2=7.25 m/s；

风机出风口截面积S=0.002 6 m2；

单位时间空气流量Q2=V·S=0.018 9 m3。

试验观察，此时燃烧器各排的火焰燃耗稳定，燃烧工况良好，并没有出现离焰以及熄火现象，同时烟气测试，排烟口烟气测试合格。在燃烧过程中，正确的选择和控制α是十分重要的，过小和过大都将导致不良结果，前者使燃料的化学热能不能充分发挥，后者使烟气体积增大，燃烧室内温度降低，增加了排烟热损失，其结果都将使加热设备的热效率下降[3]。因此，为了保证完全燃烧的情况下，均衡燃烧器单片空气的供给量，降低风机出风口处的法向空气流动动能，同时将空气向两侧导流。对风机进口处的高速空气进行降速，同时向两侧导流，不仅对整机的燃烧工况进行了改善，同时也降低了整机发生共振的风险。

3 结论

多分段燃烧，部分分段情况下，风机位置的不同导致部分分段燃烧工况供风量过大，过量空气系数α＞1过多，导致燃气燃烧不完全后被空气带走，引起烟气过大。另一部分燃烧工况下，因二次空气供给不足，过量空气系数α＜1过多，导致燃烧不完全，烟气超标[4]。为了改善因供风不平衡导致的烟气问题，必须均衡每一排燃烧器单片的供风量。对比增加扰流装置前后的燃烧工况，可了解到，增加扰流装置前后的风机转速是不变的，改变的是风口正面以及两侧的空气流动速度。E=mV，风机转速不变，风机出风口处的出风量基本恒定，当降低空气流速后，空气流动到火焰焰面的阻力也降低，同时燃烧器两侧的供风量也得到了一定的增加，整机的燃烧工况得到了改善。

参考文献：

［1］姜正侯.燃气燃烧理论与实践［M］.北京：中国建筑工业出版社，1985.

［2］夏昭知，伍国福.燃气热水器［M］.重庆：重庆大学出版社，2002.

［3］同济大学.燃气燃烧与应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.

［4］钱申贤.燃气燃烧原理［M］.北京：中国建筑工业出版社，1989.