何 意

（廣東萬(wàn)和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，生活水平的提高，對(duì)家電產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性也提出了較高的要求，燃?xì)鉄崴饕膊焕?。燃?xì)鉄崴髟谌紵ぷ鲿r(shí)，其內(nèi)部溫度會(huì)受高溫?zé)煔鉄彷椛涠?影響熱水器可靠性，燃燒室系統(tǒng)在該問(wèn)題上起到關(guān)鍵作用，因此需對(duì)燃燒室壁面采取降溫隔熱操施。目前大部分產(chǎn)品在燃燒室壁上采用銅盤管式水冷卻降溫，但這樣會(huì)存在一些不足。例如當(dāng)水進(jìn)入盤管的水溫度與熱水器內(nèi)的空氣溫度存在較大溫差時(shí)，空氣遇到低溫盤管的管壁，容易在管壁產(chǎn)生大量冷凝水，冷凝水滴落容易造成熱水器內(nèi)部電氣部件安全性問(wèn)題，存在安全隱患。部分地區(qū)水質(zhì)較差，含有對(duì)銅管表面產(chǎn)生腐蝕的物質(zhì)，導(dǎo)致盤管被腐蝕，進(jìn)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(guò)多的銅材，與節(jié)能減排政策相悖。也因其較高的材料成本直接影響應(yīng)到燃?xì)鉄崴鞯恼麢C(jī)成本，不利于燃?xì)鉄崴髌占昂托袠I(yè)的發(fā)展。

1 燃燒室系統(tǒng)采用的技術(shù)現(xiàn)狀

目前市面上燃?xì)鉄崴鞯娜紵冶诿娼禍馗魺岱椒ㄒ话阌蟹譃橛盟鋮s和不用水而用其它氣體冷卻或固體隔熱。見(jiàn)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(tǒng)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(nèi)通水來(lái)吸熱降溫，其材質(zhì)常用有銅材。水封式水冷卻通過(guò)板材壓型來(lái)形成條狀水腔水路，腔內(nèi)通水冷卻吸熱降溫，材質(zhì)多用不銹鋼材質(zhì)。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?？諝饫鋮s即采用空氣流來(lái)對(duì)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(duì)比

空氣冷卻具有以下特點(diǎn)：

1）安全性更高、更加可靠。市面上燃?xì)鉄崴鞯娜紵蚁到y(tǒng)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(nèi)通過(guò)冷水來(lái)吸熱降溫的一種方式。在使用過(guò)程盤管壁面容易產(chǎn)生冷凝水，冷凝水的滴落容易造成熱水器內(nèi)部電氣部件安全性問(wèn)題。還有在寒冷零下攝氏度天氣時(shí)，容易出現(xiàn)盤管凍裂漏水現(xiàn)象，以及盤管被腐蝕等問(wèn)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(duì)貼焊接形成水路腔，通過(guò)用水流經(jīng)水路腔來(lái)對(duì)燃燒室壁吸熱降溫作用。但是同樣面臨盤管式水冷卻問(wèn)題，如容易出現(xiàn)冷凝水現(xiàn)象。由于大面積采用板相對(duì)貼焊接，以及腔內(nèi)形狀等，引起相應(yīng)承壓?jiǎn)栴}，如在寒冷零下攝氏度天氣時(shí)，容易出現(xiàn)凍裂漏水現(xiàn)象，可靠性差，易造成安全性問(wèn)題。而空氣冷卻很好的解決了這些問(wèn)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(wèi)生。盤管式水冷卻和水封腔式水冷卻方法，都存在加長(zhǎng)了熱水器的水路，使得水阻加大，水流量變小現(xiàn)象，影響用戶舒適度。還有，在使用完熱水關(guān)閉熱水器后，會(huì)使得燃?xì)鉄崴鲀?nèi)部管路積水多，滋生細(xì)菌、容易生產(chǎn)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(xì)菌滋生，用水更放心衛(wèi)生。

3）更經(jīng)濟(jì)環(huán)保、工藝更簡(jiǎn)單。水封腔式水冷卻，大面積采用板材對(duì)貼焊接，焊接工藝復(fù)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(yīng)增加承壓?jiǎn)栴}，材料厚度相對(duì)較厚，其材料成本也相應(yīng)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(shù)、用料厚度有關(guān),一般其導(dǎo)系數(shù)隨著溫度升高會(huì)逐漸增大，因此用于燃燒室上時(shí)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(diǎn)。壁掛爐常用的有硅酸鋁板。

而空氣冷卻加工工藝簡(jiǎn)單，不用設(shè)置盤管，同時(shí)更節(jié)省大量銅材盤管，減少材料消耗量，其成本較低、更環(huán)保。

4）模塊化、通用化高?？諝饫鋮s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(duì)更高。

3 空氣冷卻的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 備選方案理論分析

基于對(duì)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(duì)比分析，再結(jié)合空氣冷卻的優(yōu)點(diǎn),如安全可靠性、性能及成本。本文選用空氣冷卻方案展開(kāi)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(kāi)設(shè)側(cè)外進(jìn)風(fēng)口,讓熱水器外殼內(nèi)部空氣從側(cè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，從燃燒室兩層板間的內(nèi)夾通道流過(guò)，冷卻燃燒室壁面降溫，再進(jìn)入燃燒到內(nèi)，不參與燃燒排出去。但其缺點(diǎn)是，破壞了燃燒室四周壁面的密封性，使燃燒室內(nèi)負(fù)壓絕對(duì)值下降，從而使得一次進(jìn)風(fēng)口、二次進(jìn)風(fēng)口處的負(fù)壓絕對(duì)值降低，從流量關(guān)系Q總=Q1次+Q2次+Q冷卻可看出，風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量Q總一定時(shí)，Q冷卻變大，Q1次+Q2次會(huì)變小，不利于一次空氣Q1次、二次空氣Q2次的輸入,對(duì)燃燒穩(wěn)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(fù)荷計(jì)算公式[1]:

式中:

Q—熱負(fù)荷，W；

K—總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；

A—換熱器總傳熱面積，m2；

Δtm—進(jìn)行換熱的兩流體之間的平均溫度差，℃。

由上述熱負(fù)荷公式可知，增加平均溫差為換熱的強(qiáng)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(jìn)口溫度或降低冷流體的進(jìn)口溫度。一是通過(guò)傳熱面的面置來(lái)提高傳熱溫差，當(dāng)冷熱流體順流流動(dòng)時(shí)，其平均溫差最小，當(dāng)冷熱流體逆流流動(dòng)時(shí)，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(dòng)，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(shè)側(cè)外進(jìn)風(fēng)口，讓熱水器外殼內(nèi)部空氣一部分從側(cè)外進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，自上而下從內(nèi)夾通道流過(guò)，冷卻燃燒室壁面降溫后，再進(jìn)從一次進(jìn)風(fēng)口，二次進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入并參與燃燒。其優(yōu)點(diǎn)是給燃燒室壁面降溫的同時(shí)，不破壞燃燒室內(nèi)的氣密性，使燃燒室內(nèi)維持一定負(fù)壓值。從流量關(guān)系Q總=Q1次+Q2次可看出，風(fēng)機(jī)抽風(fēng)量Q總一定時(shí)，“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(wěn)定、更充分。

圖2 氣流流動(dòng)示意圖

3.2 備選方案仿真計(jì)算對(duì)比

進(jìn)一步再對(duì)兩種冷卻方案進(jìn)行前期仿真計(jì)算，分析兩種流向空氣對(duì)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(jié)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(jīng)綜合考慮后，我們優(yōu)選采用了逆流冷卻方法。

圖3 兩種流向冷卻對(duì)壁面效果仿真對(duì)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(tǒng)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)上述方案對(duì)比分析后，決定采用從下兩個(gè)技術(shù)點(diǎn)展開(kāi)燃燒室系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

1）采用逆向空氣冷卻；

2）采用負(fù)壓系統(tǒng)。

按額定熱負(fù)荷27 kW 的14 L 燃?xì)鉄崴鱗3]進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)將風(fēng)機(jī)設(shè)置在集煙罩上方并進(jìn)行強(qiáng)行抽風(fēng)形成負(fù)壓系統(tǒng)，讓風(fēng)機(jī)在上方抽風(fēng)，在下方燃燒室內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)，進(jìn)而使一次空氣進(jìn)風(fēng)口、二次進(jìn)風(fēng)口處形成負(fù)壓。并在熱水器外殼上方開(kāi)設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，當(dāng)熱水器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)抽風(fēng)，所需空氣從熱水器的外殼進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，從上而下逆向流動(dòng)，再流經(jīng)一次進(jìn)風(fēng)口、二次進(jìn)風(fēng)口，然后進(jìn)入燃燒室。

對(duì)燃燒室的四面壁設(shè)計(jì)有內(nèi)夾通道，冷卻空氣Q1流過(guò)該內(nèi)夾通道，對(duì)燃燒室壁面降溫，以及外側(cè)冷卻空氣流Q2對(duì)外側(cè)降溫。內(nèi)夾通道面積按排煙口面積的1.4 倍設(shè)計(jì)(1.4*Sp ≈4 000 mm2，Sp 為進(jìn)氣口面積)，如圖5（a）。采用板材設(shè)計(jì)燃燒室壁，結(jié)合換熱器及燃燒器形成燃燒系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5（b）。

圖5 熱水器及燃燒室系統(tǒng)空氣流動(dòng)示意圖

4 對(duì)燃燒室系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析

下面對(duì)燃燒室系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析，采用仿真軟件分析其表面溫升。設(shè)定，進(jìn)口煙溫為1 100 ℃，進(jìn)口流速3.6 m/s。表面溫升云圖如圖6。

圖6 燃燒室系統(tǒng)表面溫升云圖

從燃燒系統(tǒng)表面溫升云圖可看出，大部分溫度較低。在上面取了10 個(gè)樣點(diǎn)，正面最高溫度126℃,該點(diǎn)位置大概在燃燒器火孔處，總體達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 燃燒室系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

對(duì)該燃燒系統(tǒng)方案打樣進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，首先對(duì)傳統(tǒng)銅盤管式水冷卻的14 L 燃?xì)鉄崴鳈C(jī)樣進(jìn)行測(cè)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(shè)定最高出水溫度，通水啟動(dòng)熱水器使之燃燒工作，在額定熱負(fù)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(xiàn)冷凝水，溫度最高在130 ℃左右。

圖7 傳統(tǒng)燃燒室系統(tǒng)表面溫升測(cè)試圖

然后對(duì)本文的方案進(jìn)行測(cè)試，操作同上。同樣把該燃燒系統(tǒng)裝進(jìn)14 L 的燃?xì)鉄崴?，最后記錄其表面溫度。?dāng)然在試驗(yàn)過(guò)程中,樣機(jī)底面殼與燃燒室系統(tǒng)之間的間距形成的空間大小對(duì)空氣量Q2影響較大，因此在試驗(yàn)中對(duì)Q2進(jìn)行干預(yù)，逐漸減少空氣量Q2，使Q1增大，當(dāng)燃燒室系統(tǒng)表面溫升明顯降低到一個(gè)較佳值時(shí)并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，如圖8。

圖8 空氣冷卻燃燒室系統(tǒng)表面溫升測(cè)試

從測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)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(tǒng)整體表面溫升較低，與傳統(tǒng)盤管式水冷卻接近，達(dá)到要求。再觀察燃燒系統(tǒng)壁面是否產(chǎn)生冷凝水，對(duì)燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行操作，讓燃?xì)鉄崴鲝淖畲筘?fù)荷到最小荷負(fù)之間運(yùn)行，沒(méi)發(fā)現(xiàn)該方案表面產(chǎn)生冷凝水現(xiàn)象，符合預(yù)期。

6 結(jié)論

燃燒室壁面通過(guò)空氣冷卻，有效減少燃燒室壁面冷凝水的產(chǎn)生，有效降低燃?xì)鉄崴魅紵冶砻鏈厣矞p少因天氣寒冷導(dǎo)致水管被凍裂而引發(fā)的漏水問(wèn)題，使