强抽恒温机燃烧性能的优化研究

强抽恒温机燃烧性能的优化研究

陈秀杰

广东万家乐燃气具有限公司

摘要：本文通过对一款市场上主销的燃气热水器强抽恒温机存在的燃烧火焰不稳定，燃烧噪音大以及燃烧振荡的原因进行理论分析，结合流体仿真分析，提出了燃烧系统结构优化方案，从整体上提高此类机型的燃烧性能。

关键词：燃烧噪音，燃烧振荡，二次空气挡板

1 引言

随着市场需求的变化，市场主销的热水器升数越来越大，为了增大热负荷，同时又不增大机子整体的外观尺寸，整机设计时会考虑选择密闭的燃烧系统进行强化燃烧。强化燃烧过程中，在风机强制给排风的状态下，密闭的燃烧系统很容易出现燃烧火焰不稳定的情况，受用户用热水习惯、进水端自来水压力波动及天气变化的综合影响，整机工作过程中会出现燃烧噪音大及燃烧开机振荡问题，严重影响用户体验。

本文通过对一款搭配弧形排烟风机的强抽恒温机存在的燃烧火焰不稳定、容易出现开机共振问题的原因进行理论分析及实验验证，同时结合燃烧系统主体结构仿真辅助分析，对燃烧性能进行研究，并对结构进行优化改进，提升整机的燃烧性能。

2 理论分析

2.1火焰稳定性分析

燃烧工作原理：一定压力的燃气从喷嘴喷射出来后引射周围一次空气从燃烧器喉部进入引射器，随之燃气与一次空气在混合段进行预混合，预混燃气经过引射器的扩压段时，流速下降，压力上升并在燃烧器头部流经火焰孔进行燃烧。燃烧火焰由内焰和外焰组成，其中内焰是由一次空气与燃气燃烧形成，外焰是由燃烧未尽的燃气与二次空气混合后继续进一步燃烧形成。

火焰稳定性主要是指在燃气热水器热负荷调节范围内既不回火，也不离焰、脱火。在燃烧的火焰中，局部火焰传播速度大于气流速度时，火焰向燃烧器火孔内部移动，出现回火。一次空气系数的变化，会导致燃烧器火焰传播速度的变化，从而影响到燃烧器的回火特性。火焰根部离开燃烧器火孔的现象称为“离焰”，严重的离焰就称之为“脱火”。一次空气增大，火焰容易脱火，一次空气减小，火焰不易脱火。实际工作中，强抽恒温机往往会采用强化燃烧技术，在风机的强制排风下，风机转速高，二次空气快速补充进行富氧燃烧，二次空气虽然可以改善燃烧工况，但在风机的强制扰动下，燃烧火焰飘动，严重时会拉长火焰高度，使焰尖接触到热交换器换热翅片，影响燃烧性能，整机容易出现烟气CO含量超标的问题。为了防止脱火，使火焰稳定，一般可以在燃烧器火焰口根部设置火焰钝体稳焰器来实现，常见的有V型、T型、U型稳焰器。

2.2一、二次空气

一次空气，是指喷嘴喷射出的燃气对四周静止空气卷吸并引射到燃烧器喉部的那部分空气。一次空气卷吸量的多少取决于喷嘴引射能力的大小（燃气压力、喷嘴大小）、燃烧器引射器喉口大小及头部火孔面积的大小等。在大气式燃烧器中，一次空气的变化会影响火焰形态的变化，一般情况下，一次空气多，内焰较高，外焰较矮，整体火焰矮；一次空气少，则内焰相对低，外焰相对高，矮整体火焰相对高。

二次空气，是指通过风机强制给排风提供，二次空气从燃烧器周围进入与未燃尽的燃气混合，继续进一步燃烧。强化燃烧也就是强制加快燃烧器四周的流动空气与未燃尽燃气继续混合燃烧的过程。在大火（高负荷）中，二次空气的快速流动，使火焰外锥面无法保持稳定的焰面，在小火（低负荷）下，二次空气会拉高两侧火焰，严重时会出现离焰、脱火的现象，这就要求燃烧器需要增大热负荷可调的稳定范围。

2.3燃烧振荡分析

燃烧振荡是一个系统性问题，从产生的机理来讲，燃烧火焰的不稳定会导致燃烧放热量的波动，在风机强制排风的干扰下，火焰出现剧烈跳动，燃烧放热和燃烧室压力的相位差就会产生燃烧振荡。当燃烧振荡的频率与燃气热水器工作状态中某一个固有频率相接近或相等时，便发生共振。燃烧振荡的源头是燃烧火焰的不稳定性，如何改善燃烧工况，保证火焰的稳定性，是解决开机共振问题的关键。

开机共振现象：在热水器温度设为60℃（调整水流量至开机后达到最大负荷），热水器开机时，即发出“轰轰”的低频震动声音，燃烧一段时间后该声音消失。在机子出现“轰轰”的低频震动声音时，用测振仪贴在面盖中心部位测试振动值时，振动值大于20mm/s，观察机子外壳，振动明显，当“轰轰”声音消失后（燃烧正常），振动值小于7mm/s，机子外壳无振动现象。机子产生开机共振时，打开面盖对燃烧火焰进行观察，发现火焰飘动不稳定，也证实了，要控制燃烧振荡，需要稳定整机燃烧火焰，减少燃烧室内压力的波动变化。

3仿真分析

用ANSYS计算流体力学分析软件对燃烧系统模型以及燃烧器主体模型进行流体分析：

图1燃烧系统        图2燃烧系统分析

通过设置燃烧系统的边界条件，抽风口负压值为45pa，我们可以看到在燃烧系统结构中，由于风机偏左，整个燃烧室内风速分布很不均匀，见图2，左侧的二次空气流速过快，会导致左侧火焰扰动剧烈。

图3燃烧器主体                 图4燃烧器主体分析

同样通过设置燃烧器的边界条件，喷嘴前燃气压力1250pa，火焰口采用0.65对称火焰孔结构。从图4我们可以看到，由于燃烧器主体流道结构的原因，右侧出口流速大于左侧，尤其是右侧4排火孔，其出口流速过快将会导致低负荷下火焰不稳定。

4结构优化及实验验证

4.1增加二次空气挡板

在燃烧系统主体结构中,由于风机抽风口在左边,燃烧系统内燃烧室左侧的风速偏高,在风机的强制扰动下,系统内部流体速度分布不均匀，火焰波动剧烈,在PH大火状态下呈现出左侧火焰总是高于右侧火焰的情况，在PL小火状态下右侧火焰飘动不稳定。为了改进此情况，在整机燃烧器部装底部左侧，（见图6）增加一块二次空气档板来改善燃烧室内部流速分布。

图5不同尺寸二次空气挡对烟气影响的对比

为了确认二次空气挡板的结构，分别设计了30、40、50、60宽的4种规格挡板，在同一台机器上进行烟气等性能评估测试（热负荷设为24KW），从图5可以看出，随着二次空气挡板面积的增大，烟气中CO含量也随之增大。经评估，挡板宽度为40时，其烟气等各项性能最佳，本次二次空气挡板设计为122*40*0.4。

优化后，通过对火焰的观察，火焰波动的情况可以得到有效改善，由于左侧进气量减少，在挡板作用下，燃烧室内左侧火焰明显降低，燃烧室左右侧火焰高度差减小，对燃烧系统模型再进行仿真分析，发现燃烧室内风速分布相对均匀，燃烧工况得到较大的改善，见图8、图9。     

图6增加二次空气档板位置                 图7改进后的燃烧器主体分析

图8结构优化前的火焰                 图9结构优化后的火焰

4.2 钝体稳焰燃烧

将火焰口平火孔结构改为V型对称火孔结构和V型交叉火孔结构，利用V形钝体稳焰的方法稳定燃烧器火焰，同时验证V型对称火孔结构和V型交叉火孔结构燃烧器的燃烧噪音效果。

改进后，观察火焰，V型火孔结构燃烧器要比平火孔结构结构燃烧器火焰要稳定，特别在PL小火状态，火焰稳定性更好。在24kW的热负荷情况下进行性能测试对比，发现平火孔结构燃烧器，烟气相对好，但燃烧噪音高达60dB，配置标准烟管时，机子使用正常，加长烟管后，机子出现开机共振，其中1米1弯出现轻微共振，时间约为8秒，配置2米2弯以上烟管时，出现持续共振的情况。V型对称火孔结构燃烧器，烟气比平火孔结构燃烧器要差，但在国标要求范围内，配置标准烟管、1米1弯、2米2弯烟管，机子均能正常使用，配置3米3弯烟管时出现开机共振，时间约为6秒。V型交叉火孔结构燃烧器与V型对称火孔结构燃烧器相比，烟气相差不大，但燃烧噪音要低，可以降到55dB，且无开机共振问题，具体见表1。

从实验测试数据来看，在火孔面积一定的条件下，减少火孔孔径尺寸，可以降低燃烧器燃烧噪音，在优化过程中测试0.65火孔燃烧噪音远低于0.72火孔。对比V型对称火孔结构和V型交叉火孔结构燃烧器的燃烧噪音，V型交叉火孔结构燃烧器稳焰效果要优于V型对称火孔结构燃烧器，燃烧噪音为55dB，虽然两者都设置了V型钝体稳焰器，但交叉火孔结构燃烧器的中间火孔火焰对两侧火孔火焰根部有明显的补强作用，在燃烧过程中，每组交叉火口燃烧的火焰重新生成一个“M”字型结构火焰，即使在风机强制排风的拢动下，M字型火焰相对其它火焰更为稳定可靠，特别在PL小火状况下，燃烧稳定性更加明显，见表2。

                      表1不同结构燃烧器性能测试对比表

表2不同结构燃烧器燃烧火焰对比表

5总结

本文通过对一款市场主销的强抽恒温机出现的燃烧噪音大及开机共振问题进行理论分析，并提出结构优化方案以及进行实验验证，现总结如下：

（1）燃烧室内部风速不均匀，火焰波动不稳定，可以通过分配风机的一、二次空气比例，均匀燃烧室内部流速分布来改善，本方案通过在燃烧器底部设置二次空气挡板来分配风机的一、二次空气比例。

（2）要控制燃烧振荡，需要稳定整机燃烧火焰，稳定燃烧器火焰可以在火焰口根部设置火焰钝体稳焰器来实现，本方案采用的钝体稳焰器是V型钝体火焰口。

（3）V型交叉火孔结构稳焰效果要优于V型对称火孔结构，在强化燃烧过程中，通过采用小孔径火口结合V型交叉火孔结构的办法，可以获得更稳定的燃烧工况，达到降低燃烧噪音的目的。

[参考文献]

[1]夏昭知，潘兆铿，《燃气快速热水器》第二版，重庆大学出版，2012

[2]同济大学等编，《.燃气燃烧与应用》第四版，中国建筑工业出版社，2011