空氣冷卻作用在燃氣熱水器燃燒室系統的研究與應用

何 意

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著社會的發展，生活水平的提高，對家電產品的質量可靠性也提出了較高的要求，燃氣熱水器也不例外。燃氣熱水器在燃燒工作時，其內部溫度會受高溫煙氣熱輻射而升高,影響熱水器可靠性，燃燒室系統在該問題上起到關鍵作用，因此需對燃燒室壁面采取降溫隔熱操施。目前大部分產品在燃燒室壁上采用銅盤管式水冷卻降溫，但這樣會存在一些不足。例如當水進入盤管的水溫度與熱水器內的空氣溫度存在較大溫差時，空氣遇到低溫盤管的管壁，容易在管壁產生大量冷凝水，冷凝水滴落容易造成熱水器內部電氣部件安全性問題，存在安全隱患。部分地區水質較差，含有對銅管表面產生腐蝕的物質，導致盤管被腐蝕，進而造成漏水的情況也比較多。

使用銅盤管式水冷卻降溫，消耗過多的銅材，與節能減排政策相悖。也因其較高的材料成本直接影響應到燃氣熱水器的整機成本，不利于燃氣熱水器普及和行業的發展。

1 燃燒室系統采用的技術現狀

目前市面上燃氣熱水器的燃燒室壁面降溫隔熱方法一般有分為用水冷卻和不用水而用其它氣體冷卻或固體隔熱。見圖1，水冷卻有盤管式水冷卻、水封式水冷卻，例如目前大部分燃燒室系統采用盤管式水冷卻。盤管式水冷卻即使用管盤繞燃燒室，管內通水來吸熱降溫，其材質常用有銅材。水封式水冷卻通過板材壓型來形成條狀水腔水路，腔內通水冷卻吸熱降溫，材質多用不銹鋼材質。不用水冷卻的方法有隔熱材料隔熱、空氣冷卻等。隔熱材料隔熱的材料多為硅酸鋁板，壁掛爐燃燒室采用該方法較多。空氣冷卻即采用空氣流來對燃燒室壁面冷卻降溫。

圖1 燃燒室隔熱方式圖示

2 空氣冷卻與各種冷卻方式對比

空氣冷卻具有以下特點：

1）安全性更高、更加可靠。市面上燃氣熱水器的燃燒室系統大多采用的盤管式水冷卻方式，與換熱器一體。用管盤繞著燃燒室外壁，再在管內通過冷水來吸熱降溫的一種方式。在使用過程盤管壁面容易產生冷凝水，冷凝水的滴落容易造成熱水器內部電氣部件安全性問題。還有在寒冷零下攝氏度天氣時，容易出現盤管凍裂漏水現象，以及盤管被腐蝕等問題。

水封腔式水冷卻，在一板材上壓型腔，再把該板材與另一板材對貼焊接形成水路腔，通過用水流經水路腔來對燃燒室壁吸熱降溫作用。但是同樣面臨盤管式水冷卻問題，如容易出現冷凝水現象。由于大面積采用板相對貼焊接，以及腔內形狀等，引起相應承壓問題，如在寒冷零下攝氏度天氣時，容易出現凍裂漏水現象，可靠性差，易造成安全性問題。而空氣冷卻很好的解決了這些問題，安全性高也更加可靠。

2）減少燃燒室壁水路、水阻更小，用水更衛生。盤管式水冷卻和水封腔式水冷卻方法，都存在加長了熱水器的水路，使得水阻加大，水流量變小現象，影響用戶舒適度。還有，在使用完熱水關閉熱水器后，會使得燃氣熱水器內部管路積水多，滋生細菌、容易生產水垢，容易造成堵塞等。而空氣冷卻方法可減少燃燒室壁水路，使得水阻減小，減少細菌滋生，用水更放心衛生。

3）更經濟環保、工藝更簡單。水封腔式水冷卻，大面積采用板材對貼焊接，焊接工藝復雜，容易焊接不到位、漏焊、焊縫不貼等造成漏水。焊接難度大、合格率低等，造成人工成本上升，還有為了相應增加承壓問題，材料厚度相對較厚，其材料成本也相應增高。

隔熱材料隔熱。該方法目前一般用于壁掛爐較多，隔熱效果與隔熱材料傳熱系數、用料厚度有關,一般其導系數隨著溫度升高會逐漸增大，因此用于燃燒室上時需較厚的料厚才有理想的降溫效果，這樣也將使燃燒室體積增大等缺點。壁掛爐常用的有硅酸鋁板。

而空氣冷卻加工工藝簡單，不用設置盤管，同時更節省大量銅材盤管，減少材料消耗量，其成本較低、更環保。

4）模塊化、通用化高。空氣冷卻能更好的使燃燒室壁與換熱器分離，燃燒室、換熱器模塊化、通用化相對更高。

3 空氣冷卻的燃燒系統設計

3.1 備選方案理論分析

基于對上述盤管式水冷卻、水封腔式水冷卻、隔熱材料隔熱、空氣冷卻的對比分析，再結合空氣冷卻的優點,如安全可靠性、性能及成本。本文選用空氣冷卻方案展開方案分析。

空氣冷卻有兩種方案，順流空氣冷卻方案和逆流空氣冷卻方案。

順流空氣冷卻方案。如圖2（a），即從燃燒室外壁下方開設側外進風口,讓熱水器外殼內部空氣從側進風口進入，從燃燒室兩層板間的內夾通道流過，冷卻燃燒室壁面降溫，再進入燃燒到內，不參與燃燒排出去。但其缺點是，破壞了燃燒室四周壁面的密封性，使燃燒室內負壓絕對值下降，從而使得一次進風口、二次進風口處的負壓絕對值降低，從流量關系Q總=Q1次+Q2次+Q冷卻可看出，風機抽風量Q總一定時，Q冷卻變大，Q1次+Q2次會變小，不利于一次空氣Q1次、二次空氣Q2次的輸入,對燃燒穩定性、燃燒充分性不利，還造成熱效率降低，以及其燃燒室壁面的氣密性破壞，甚至影響安全性。

逆流空氣冷卻方案。熱負荷計算公式[1]:

式中:

Q—熱負荷，W；

K—總傳熱系數，W/(m2·℃)；

A—換熱器總傳熱面積，m2；

Δtm—進行換熱的兩流體之間的平均溫度差，℃。

由上述熱負荷公式可知，增加平均溫差為換熱的強化換熱途徑之一。增加傳熱溫差的方法有兩種，一是提高熱流體的進口溫度或降低冷流體的進口溫度。一是通過傳熱面的面置來提高傳熱溫差，當冷熱流體順流流動時，其平均溫差最小，當冷熱流體逆流流動時，其平均溫差最大。因此逆流空氣冷卻方案嘗試采用冷卻空氣與煙與逆流流動，提高冷卻空氣冷卻作用。

如圖2（b），為逆流冷卻方案，從燃燒室外壁上方設側外進風口，讓熱水器外殼內部空氣一部分從側外進風口進入，自上而下從內夾通道流過，冷卻燃燒室壁面降溫后，再進從一次進風口，二次進風口進入并參與燃燒。其優點是給燃燒室壁面降溫的同時，不破壞燃燒室內的氣密性，使燃燒室內維持一定負壓值。從流量關系Q總=Q1次+Q2次可看出，風機抽風量Q總一定時，“Q1次+Q2次”一定，Q冷卻=Q1次+Q2次=Q總，這樣有利于一次空氣Q1次、二次空氣Q2次的輸入量，保證燃燒更穩定、更充分。

圖2 氣流流動示意圖

3.2 備選方案仿真計算對比

進一步再對兩種冷卻方案進行前期仿真計算，分析兩種流向空氣對燃燒室壁面的降溫效果，圖3 為仿真溫度云圖。以及燃燒室壁上下不同位置，與燃燒室壁面溫度之間的仿真曲線如圖4。從仿真結果可知，逆流冷卻方案其壁面大部分溫升較底，平均溫度更低。經綜合考慮后，我們優選采用了逆流冷卻方法。

圖3 兩種流向冷卻對壁面效果仿真對比

圖4 燃燒室壁面溫度之間的仿真曲線圖

3.3 燃燒室系統設計

經過上述方案對比分析后，決定采用從下兩個技術點展開燃燒室系統設計：

1）采用逆向空氣冷卻；

2）采用負壓系統。

按額定熱負荷27 kW 的14 L 燃氣熱水器[3]進行設計，通過將風機設置在集煙罩上方并進行強行抽風形成負壓系統，讓風機在上方抽風，在下方燃燒室內部形成負壓區，進而使一次空氣進風口、二次進風口處形成負壓。并在熱水器外殼上方開設有進風口，當熱水器工作時，風機啟動抽風，所需空氣從熱水器的外殼進風口進入，從上而下逆向流動，再流經一次進風口、二次進風口，然后進入燃燒室。

對燃燒室的四面壁設計有內夾通道，冷卻空氣Q1流過該內夾通道，對燃燒室壁面降溫，以及外側冷卻空氣流Q2對外側降溫。內夾通道面積按排煙口面積的1.4 倍設計(1.4*Sp ≈4 000 mm2，Sp 為進氣口面積)，如圖5（a）。采用板材設計燃燒室壁，結合換熱器及燃燒器形成燃燒系統結構，如圖5（b）。

圖5 熱水器及燃燒室系統空氣流動示意圖

4 對燃燒室系統進行計算分析

下面對燃燒室系統進行計算分析，采用仿真軟件分析其表面溫升。設定，進口煙溫為1 100 ℃，進口流速3.6 m/s。表面溫升云圖如圖6。

圖6 燃燒室系統表面溫升云圖

從燃燒系統表面溫升云圖可看出，大部分溫度較低。在上面取了10 個樣點，正面最高溫度126℃,該點位置大概在燃燒器火孔處，總體達到設計要求。

5 燃燒室系統實驗測試

對該燃燒系統方案打樣進行對比測試，首先對傳統銅盤管式水冷卻的14 L 燃氣熱水器機樣進行測試，在燃燒室壁上布置溫度探頭后蓋上面殼，使用氣源為CH4，設定最高出水溫度，通水啟動熱水器使之燃燒工作，在額定熱負荷下連接燃燒60 min，最后記錄其表面溫度，如圖7,盤管表面出現冷凝水，溫度最高在130 ℃左右。

圖7 傳統燃燒室系統表面溫升測試圖

然后對本文的方案進行測試，操作同上。同樣把該燃燒系統裝進14 L 的燃氣熱水器，最后記錄其表面溫度。當然在試驗過程中,樣機底面殼與燃燒室系統之間的間距形成的空間大小對空氣量Q2影響較大，因此在試驗中對Q2進行干預，逐漸減少空氣量Q2，使Q1增大，當燃燒室系統表面溫升明顯降低到一個較佳值時并記錄測試數據，如圖8。

圖8 空氣冷卻燃燒室系統表面溫升測試

從測試數據對比可以看出，該方案最高溫度為121 ℃，降溫效果較明顯，燃燒系統整體表面溫升較低，與傳統盤管式水冷卻接近，達到要求。再觀察燃燒系統壁面是否產生冷凝水，對燃氣熱水器進行操作，讓燃氣熱水器從最大負荷到最小荷負之間運行，沒發現該方案表面產生冷凝水現象，符合預期。

6 結論

燃燒室壁面通過空氣冷卻，有效減少燃燒室壁面冷凝水的產生，有效降低燃氣熱水器燃燒室表面溫升，也減少因天氣寒冷導致水管被凍裂而引發的漏水問題，使