燃氣熱水器分段燃燒時風量匹配的分析與研究

吳桂安 李志敏 朱蓮宗 鄧飛忠 仇明貴

（華帝股份有限公司 中山 528400）

引言

為實現寬頻恒溫滿足洗浴舒適性要求，變頻調速及分段燃燒技術逐漸在燃氣熱水器上推廣應用。在開發過程中發現燃氣熱水器在分段燃燒過程中采用相同的風機轉速調節曲線，會出現同等負荷條件下，選用小火力段時出現運行噪音相對較大、效率較低等問題，嚴重影響了燃氣熱水器使用洗浴舒適。本文將通過具體的實驗測試分析探討不同工況條件下，燃燒負荷與風機轉速的關系從而提出相應的解決方案，實現寬頻恒溫舒適洗浴目的。

1 恒溫燃氣熱水器的工作說明

燃氣熱水器的加熱過程滿足熱平衡，恒溫控制算法的基礎也是基于熱平衡式，通過計算進水溫度與預設目標溫度之間的溫差以及進水流量來確定熱水器工作時需要負荷，具體可表示為[1]：

式中：

V1—水量，m3/h；

Q—負荷，MJ/h；

t0—進水溫度，℃；

t—出熱水溫度，℃；

η—熱效率，%；

Cp—水比熱，MJ/（m3·h）。

因而對于燃氣熱水器而言，通過對不同溫差及進水流量的需求可以設置不同大小的分段負荷，采用不同的負荷區間進行工作可以滿足熱水器加熱需求，并可達到降低燃燒噪音與提高洗浴舒適性的效果。

負荷的輸出是由燃氣燃燒產生的能量，穩定燃燒充分釋熱的過程符合燃燒反應一般過程：

式（2）反映了消耗一定量的燃氣所需要的理論空氣量的多少，燃氣熱水器燃燒過程實際的供給燃燒的空氣量總是大于其理論空氣量，其過剩空氣系數α 均大于1，過剩空氣系數值的大小另一方面體現了燃氣燃燒的充分程度，對于評估燃燒工況具有重要意義，可以通過對燃燒過程的煙氣進行測定得出：

式中：

ζ—理論干煙氣量與理論干空氣量之比，與氣源類型有關。

一般的恒溫燃氣熱水器都是根據水流量、進水溫度及設置溫度等自動調節合適的負荷檔位，同時根據固有的風量調節曲線調速風機轉速保證滿足燃氣燃燒的要求，這就容易導致整機在部分負荷工作時存在過剩空氣系數過大，燃燒不充分、煙氣偏高、燃燒熱量損失大的問題。

通過對各負荷段下的風量進行合理匹配控制則可以有效解決上述存在的溫度，此技術需要對分段燃燒控制下的風機轉速進行變頻調速控制：

1）變頻調速：燃氣熱水器在工作過程中，不同燃燒負荷對應著不同風機轉速，實現全程燃燒負荷與風機轉速的匹配調節；

2）分段燃燒：通過對燃氣熱水器燃燒系統進行分段燃燒控制，從而保證滿足寬頻恒溫的特性要求。

2 不同火分段條件下風量匹配的分析與研究

2.1 采用單一風量調節曲線試驗分析

對于分段燃燒的恒溫型燃氣熱水器，其不同火力段工作時，整機工況受風機轉速影響，可通過以下試驗方法進行試驗分析。

以16 L（30 kW）燃氣熱水器（2-4-6 分段）燃燒系統為例：

1）測試條件：室溫為20±5 ℃、天然氣、額定燃氣壓力2 000 Pa。

2）風機調速范圍：2 000 ～3 000 r/min。

3）測試方法：通過對熱水器不同火力段采用單一風量調節曲線進行線性調節，分別對最小PiL、PiL+B、PiL+2B、最大PiH（i=1，2，3 表示不同分段）四個負荷點的熱效率、工作噪音等數據進行采樣，并記錄測試結果，如表1 所示。

表1 相同風機轉速范圍各火力段參數及試驗結果

4）根據試驗結果得出的不同火力段，熱負荷與熱效率關系曲線圖（見圖1）可發現采用單一風量調節曲線對不同火力段進行風量線性調節，整機處于小火力段運行時，過剩空氣系數α 明顯偏大，熱效率η 明顯偏低。

圖1 不同火力段各負荷點熱效率曲線圖

5）根據試驗結果得出的不同火力段，熱負荷與工作噪音關系曲線圖（見圖2）可發現采用單一風量調節曲線對不同火力段進行風量線性調節，相近負荷點工作時整機處于小火力段運行時，工作噪音明顯偏大。

圖2 不同火力段各負荷點工作噪音曲線圖

2.2 不同火力段采用風量匹配調節的試驗分析

1）維持采用單一風量調節曲線試驗條件。

2）結合整機燃燒工況及抗風壓性能等關鍵技術指標選擇不同火力段風機轉速范圍，如表2 所示。

表2 各火力段參數選用風機轉速參數

3）根據各火力段已確定風機轉速參數，分別對最小PiL、PiL+B、PiL+2B、最大PiH 四個負荷點的熱效率、工作噪音等數據進行采樣，并記錄測試結果，如表3 所示。

表3 不同風機轉速范圍各火力段參數及試驗結果

4）根據試驗結果得出的不同火力段，熱負荷與熱效率關系曲線圖（見圖3）可發現采用風量匹配調節曲線對不同火力段進行風量線性調節，整機小火力段熱效率η 曲線得到明顯提升。

5）根據試驗結果得出的不同火力段，熱負荷與工作噪音關系曲線圖（見圖4）可發現采用風量匹配調節方式，整機運行噪音根據負荷大小自然變化。

3 過剩空氣系數對比

根據不同火力段采用單一風量曲線調節與風量匹配調節兩種方案的過剩空氣系數對比，如圖5 所示。

從圖5 可以看出：

圖5 不同條件下過剩空氣系數

1）滿足整機工況行件下，小火力段運行時過剩空氣系數隨著負荷點的增大逐漸減小，采用風量匹配控制方法是可以發現過剩空氣系數逐漸由小火力段向大火力段靠攏，最終趨于合成一體。

2）對于小負荷點過剩空氣系數控制除考慮整機燃燒工況外，需進一步考慮該負荷點抗風壓特性，更進一步需結合系統煙溫與對應露點溫度差值，避免冷凝水產生。

4 結論

本文對燃氣熱水器分段燃燒時風量匹配問題進行了試驗驗證分析，基于此提出了針對不同火力段進行相應的風量匹配應用方案，并進行實驗對比，結果表明該方案可以很好的優化提升燃氣熱水器燃燒工況問題，并得出了以下結論：

1）風量匹配技術方案應用，可以有效保證不同火力段燃燒時，整機熱效率輸出能保持穩定。

2）風量匹配技術方案應用，可以滿足整機全負荷段工作噪音呈線性走向，避免不同火力段條件下，整機工作噪音都可達到峰值。

3）在風量匹配技術方案設計時，充分考慮過剩空氣系數與各負荷段排煙溫度對露點溫度及整機抗風壓的影響進而保證產品的環境適應性及可靠性。