吳桂安 李志敏 朱蓮宗 鄧飛忠 仇明貴

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引言

為實(shí)現(xiàn)寬頻恒溫滿足洗浴舒適性要求，變頻調(diào)速及分段燃燒技術(shù)逐漸在燃?xì)鉄崴魃贤茝V應(yīng)用。在開發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)燃?xì)鉄崴髟诜侄稳紵^程中采用相同的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線，會(huì)出現(xiàn)同等負(fù)荷條件下，選用小火力段時(shí)出現(xiàn)運(yùn)行噪音相對(duì)較大、效率較低等問題，嚴(yán)重影響了燃?xì)鉄崴魇褂孟丛∈孢m。本文將通過具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析探討不同工況條件下，燃燒負(fù)荷與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系從而提出相應(yīng)的解決方案，實(shí)現(xiàn)寬頻恒溫舒適洗浴目的。

1 恒溫燃?xì)鉄崴鞯墓ぷ髡f明

燃?xì)鉄崴鞯募訜徇^程滿足熱平衡，恒溫控制算法的基礎(chǔ)也是基于熱平衡式，通過計(jì)算進(jìn)水溫度與預(yù)設(shè)目標(biāo)溫度之間的溫差以及進(jìn)水流量來確定熱水器工作時(shí)需要負(fù)荷，具體可表示為[1]：

式中：

V1—水量，m3/h；

Q—負(fù)荷，MJ/h；

t0—進(jìn)水溫度，℃；

t—出熱水溫度，℃；

η—熱效率，%；

Cp—水比熱，MJ/（m3·h）。

因而對(duì)于燃?xì)鉄崴鞫裕ㄟ^對(duì)不同溫差及進(jìn)水流量的需求可以設(shè)置不同大小的分段負(fù)荷，采用不同的負(fù)荷區(qū)間進(jìn)行工作可以滿足熱水器加熱需求，并可達(dá)到降低燃燒噪音與提高洗浴舒適性的效果。

負(fù)荷的輸出是由燃?xì)馊紵a(chǎn)生的能量，穩(wěn)定燃燒充分釋熱的過程符合燃燒反應(yīng)一般過程：

式（2）反映了消耗一定量的燃?xì)馑枰睦碚摽諝饬康亩嗌?，燃?xì)鉄崴魅紵^程實(shí)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(shù)α 均大于1，過?？諝庀禂?shù)值的大小另一方面體現(xiàn)了燃?xì)馊紵某浞殖潭?，?duì)于評(píng)估燃燒工況具有重要意義，可以通過對(duì)燃燒過程的煙氣進(jìn)行測(cè)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(guān)。

一般的恒溫燃?xì)鉄崴鞫际歉鶕?jù)水流量、進(jìn)水溫度及設(shè)置溫度等自動(dòng)調(diào)節(jié)合適的負(fù)荷檔位，同時(shí)根據(jù)固有的風(fēng)量調(diào)節(jié)曲線調(diào)速風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保證滿足燃?xì)馊紵囊螅@就容易導(dǎo)致整機(jī)在部分負(fù)荷工作時(shí)存在過?？諝庀禂?shù)過大，燃燒不充分、煙氣偏高、燃燒熱量損失大的問題。

通過對(duì)各負(fù)荷段下的風(fēng)量進(jìn)行合理匹配控制則可以有效解決上述存在的溫度，此技術(shù)需要對(duì)分段燃燒控制下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻調(diào)速控制：

1）變頻調(diào)速：燃?xì)鉄崴髟诠ぷ鬟^程中，不同燃燒負(fù)荷對(duì)應(yīng)著不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)全程燃燒負(fù)荷與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配調(diào)節(jié)；

2）分段燃燒：通過對(duì)燃?xì)鉄崴魅紵到y(tǒng)進(jìn)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(fēng)量匹配的分析與研究

2.1 采用單一風(fēng)量調(diào)節(jié)曲線試驗(yàn)分析

對(duì)于分段燃燒的恒溫型燃?xì)鉄崴?，其不同火力段工作時(shí)，整機(jī)工況受風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速影響，可通過以下試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)分析。

以16 L（30 kW）燃?xì)鉄崴鳎?-4-6 分段）燃燒系統(tǒng)為例：

1）測(cè)試條件：室溫為20±5 ℃、天然氣、額定燃?xì)鈮毫? 000 Pa。

2）風(fēng)機(jī)調(diào)速范圍：2 000 ～3 000 r/min。

3）測(cè)試方法：通過對(duì)熱水器不同火力段采用單一風(fēng)量調(diào)節(jié)曲線進(jìn)行線性調(diào)節(jié)，分別對(duì)最小PiL、PiL+B、PiL+2B、最大PiH（i=1，2，3 表示不同分段）四個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的熱效率、工作噪音等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并記錄測(cè)試結(jié)果，如表1 所示。

表1 相同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍各火力段參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的不同火力段，熱負(fù)荷與熱效率關(guān)系曲線圖（見圖1）可發(fā)現(xiàn)采用單一風(fēng)量調(diào)節(jié)曲線對(duì)不同火力段進(jìn)行風(fēng)量線性調(diào)節(jié)，整機(jī)處于小火力段運(yùn)行時(shí)，過?？諝庀禂?shù)α 明顯偏大，熱效率η 明顯偏低。

圖1 不同火力段各負(fù)荷點(diǎn)熱效率曲線圖

5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的不同火力段，熱負(fù)荷與工作噪音關(guān)系曲線圖（見圖2）可發(fā)現(xiàn)采用單一風(fēng)量調(diào)節(jié)曲線對(duì)不同火力段進(jìn)行風(fēng)量線性調(diào)節(jié)，相近負(fù)荷點(diǎn)工作時(shí)整機(jī)處于小火力段運(yùn)行時(shí)，工作噪音明顯偏大。

圖2 不同火力段各負(fù)荷點(diǎn)工作噪音曲線圖

2.2 不同火力段采用風(fēng)量匹配調(diào)節(jié)的試驗(yàn)分析

1）維持采用單一風(fēng)量調(diào)節(jié)曲線試驗(yàn)條件。

2）結(jié)合整機(jī)燃燒工況及抗風(fēng)壓性能等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)選擇不同火力段風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍，如表2 所示。

表2 各火力段參數(shù)選用風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)

3）根據(jù)各火力段已確定風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，分別對(duì)最小PiL、PiL+B、PiL+2B、最大PiH 四個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的熱效率、工作噪音等數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并記錄測(cè)試結(jié)果，如表3 所示。

表3 不同風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍各火力段參數(shù)及試驗(yàn)結(jié)果

4）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的不同火力段，熱負(fù)荷與熱效率關(guān)系曲線圖（見圖3）可發(fā)現(xiàn)采用風(fēng)量匹配調(diào)節(jié)曲線對(duì)不同火力段進(jìn)行風(fēng)量線性調(diào)節(jié)，整機(jī)小火力段熱效率η 曲線得到明顯提升。

5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出的不同火力段，熱負(fù)荷與工作噪音關(guān)系曲線圖（見圖4）可發(fā)現(xiàn)采用風(fēng)量匹配調(diào)節(jié)方式，整機(jī)運(yùn)行噪音根據(jù)負(fù)荷大小自然變化。

3 過?？諝庀禂?shù)對(duì)比

根據(jù)不同火力段采用單一風(fēng)量曲線調(diào)節(jié)與風(fēng)量匹配調(diào)節(jié)兩種方案的過剩空氣系數(shù)對(duì)比，如圖5 所示。

從圖5 可以看出：

圖5 不同條件下過?？諝庀禂?shù)

1）滿足整機(jī)工況行件下，小火力段運(yùn)行時(shí)過?？諝庀禂?shù)隨著負(fù)荷點(diǎn)的增大逐漸減小，采用風(fēng)量匹配控制方法是可以發(fā)現(xiàn)過?？諝庀禂?shù)逐漸由小火力段向大火力段靠攏，最終趨于合成一體。

2）對(duì)于小負(fù)荷點(diǎn)過?？諝庀禂?shù)控制除考慮整機(jī)燃燒工況外，需進(jìn)一步考慮該負(fù)荷點(diǎn)抗風(fēng)壓特性，更進(jìn)一步需結(jié)合系統(tǒng)煙溫與對(duì)應(yīng)露點(diǎn)溫度差值，避免冷凝水產(chǎn)生。

4 結(jié)論

本文對(duì)燃?xì)鉄崴鞣侄稳紵龝r(shí)風(fēng)量匹配問題進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析，基于此提出了針對(duì)不同火力段進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)量匹配應(yīng)用方案，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，結(jié)果表明該方案可以很好的優(yōu)化提升燃?xì)鉄崴魅紵r問題，并得出了以下結(jié)論：

1）風(fēng)量匹配技術(shù)方案應(yīng)用，可以有效保證不同火力段燃燒時(shí)，整機(jī)熱效率輸出能保持穩(wěn)定。

2）風(fēng)量匹配技術(shù)方案應(yīng)用，可以滿足整機(jī)全負(fù)荷段工作噪音呈線性走向，避免不同火力段條件下，整機(jī)工作噪音都可達(dá)到峰值。

3）在風(fēng)量匹配技術(shù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮過?？諝庀禂?shù)與各負(fù)荷段排煙溫度對(duì)露點(diǎn)溫度及整機(jī)抗風(fēng)壓的影響進(jìn)而保證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性及可靠性。