徐麥建 崔華俊 林林勇 彭梓釗

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

全預(yù)混冷凝式燃氣采暖熱水爐（以下簡稱全預(yù)混冷凝爐）技術(shù)具有極高的換熱效率、超低的氮氧化物排放的特點以及變頻靜音運行，深受用戶關(guān)注。相比于傳統(tǒng)的大氣式燃氣采暖熱水爐，全預(yù)混冷凝爐在燃燒方式上采用全預(yù)混燃燒，使燃氣燃燒更充分，排煙損更低；在換熱上充分吸收煙氣中的顯熱與水蒸氣的潛熱，進一步提高燃氣采暖熱水爐的熱效率，既高效又環(huán)保。但由于我國部分地區(qū)的空氣質(zhì)量欠佳、燃氣不純，以致全預(yù)混燃氣采暖熱水爐在國內(nèi)的使用過程中有時出現(xiàn)排煙系統(tǒng)堵塞的問題。含有高碳羥的燃氣在含有顆粒物的空氣中燃燒容易產(chǎn)生固體顆粒燃燒產(chǎn)物并附著在盤管上，部分固體顆粒會從盤管上滴落到燃燒器上造成火孔堵塞，堵塞現(xiàn)象將導(dǎo)致其換熱效率下降、煙氣惡化及運行噪音增大，大大降低燃氣采暖熱水爐的性能與使用壽命。因此，排煙系統(tǒng)堵塞現(xiàn)象是目前全預(yù)混燃氣采暖熱水爐亟待解決的問題。

目前解決全預(yù)混燃氣采暖熱水爐堵塞問題最有效的方法為定期通知維修師傅上門維護，但由于各地區(qū)空氣質(zhì)量差異，燃氣采暖熱水爐堵塞快慢不一致，若僅通過使用時長進行維護，缺乏經(jīng)濟性和科學(xué)性。本文提出一種在消音管中內(nèi)置文丘里取壓管的取壓方式增大取壓的讀值，以實現(xiàn)通過風(fēng)壓變化判斷全預(yù)混燃氣采暖熱水爐的排煙系統(tǒng)堵塞狀況。

1 消音管取壓方式的改進設(shè)計

選取一臺全預(yù)混燃氣采暖熱水爐，安裝在預(yù)混器前端的消音管開設(shè)一個小孔進行取壓的方式，風(fēng)壓傳感器獲取的風(fēng)壓數(shù)值較低，配備一個64 W，空載轉(zhuǎn)速6 000 r/min 的EBMPAPST 變頻風(fēng)機。在點火時測量的風(fēng)壓僅有20 Pa （風(fēng)機轉(zhuǎn)速按3 200 r/min），在后清掃的狀態(tài)下風(fēng)壓值在（50～60）Pa（風(fēng)機轉(zhuǎn)速按7 000 r/min）的范圍內(nèi)。通過在燃氣采暖熱水爐內(nèi)置的風(fēng)壓傳感器測量的點火風(fēng)壓與后清掃風(fēng)壓數(shù)值變化來判斷全預(yù)混冷凝爐排氣系統(tǒng)的堵塞情況，以更精準(zhǔn)地提醒用戶進行燃氣采暖熱水爐維護。該取壓方式獲得的風(fēng)壓數(shù)值低且受風(fēng)壓傳感器的測量精度影響，燃燒室及排煙系統(tǒng)堵塞時測得的風(fēng)壓數(shù)值變化不明顯，無法準(zhǔn)確地判斷排氣系統(tǒng)的堵塞狀況。采用更高精度的風(fēng)壓傳感器將帶來成本較大幅度增高，因此本文提出采用加裝文丘里取壓管的方式，此方案成本低、更符合現(xiàn)實需求。

圖1 全預(yù)混燃氣采暖熱水爐堵塞情況

為了探究內(nèi)置文丘里管對風(fēng)壓取值的變化，選擇更合適的取壓位置，對消音管進行流體仿真分析。安裝于全預(yù)混燃氣采暖熱水爐內(nèi)的消音管結(jié)構(gòu)如圖2 所示，出氣口連接風(fēng)機。

圖2 進氣管三維圖

采用Solidworks Flow Simulation 對進氣管進行流體仿真分析，對出氣口設(shè)置出口風(fēng)速10 m/s，采用高精度網(wǎng)格劃分，流體仿真的靜壓結(jié)果如圖3 所示。圖3（a），將靜壓顯示最大值設(shè)置為101 325 Pa（該數(shù)值為在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下海平面的氣壓），最小值按全局平均最小值設(shè)定。可知整個進氣管處于負壓狀態(tài)，進氣管轉(zhuǎn)角處風(fēng)壓值最低，末端處的部分位置也存在較低氣壓的區(qū)域，但氣壓狀態(tài)不穩(wěn)定；結(jié)合圖3（b）速度的流動跡線分析可知，在進氣管末端處存在渦流，導(dǎo)致進氣管末端處靜壓分布不均。在圖3（b）流動跡線—速度仿真圖中，進氣管進氣口與消音腔的中央?yún)^(qū)域氣流速度較大，轉(zhuǎn)角處氣流速度相對平緩，末端與風(fēng)機連接的拐角位置氣流速度同樣較大。

圖3 進氣管流體仿真結(jié)果

根據(jù)進氣管仿真結(jié)果并結(jié)合文丘里取壓管在進氣管安裝的難易程度，選取了三個文丘里管的取壓點，如圖3 所示。通過三維建模的方式將文丘里管安裝于所選取的三個取壓點：消音腔、轉(zhuǎn)角處、末端處，并進行流體仿真分析。同樣在出氣口設(shè)置10 m/s 的出口速度，對安裝有文丘里取壓管的位置進行局部網(wǎng)格控制，流體網(wǎng)格數(shù)為403 884 個，仿真結(jié)果如圖4 與表1 所示。

表1 各取壓位置不同取壓孔的風(fēng)壓值

圖4 進氣管加裝文丘里管的靜壓仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，消音腔處的常規(guī)取壓孔與原始取壓孔的風(fēng)壓值相近，轉(zhuǎn)角處的常規(guī)取壓孔與末端常規(guī)取壓孔的風(fēng)壓值相近且較原始取壓孔的風(fēng)壓值要大；在選定的三處取壓點加裝文丘里取壓管的情況下，轉(zhuǎn)角處的風(fēng)壓值最低，低至100 587.78 Pa，消音腔的風(fēng)壓值最大，兩處的壓差相差131.54 Pa。由于燃氣采暖熱水爐風(fēng)壓開關(guān)的取壓方式為負壓，因此風(fēng)壓值越低，燃氣采暖熱水爐內(nèi)置的風(fēng)壓傳感器測量的數(shù)值越大，因此在轉(zhuǎn)角處安裝文丘里管進行取壓能獲得較大的風(fēng)壓數(shù)值。相比于雙管取壓，單管取壓另外一段與大氣相通，常規(guī)取壓孔內(nèi)任意一處風(fēng)壓值都比大氣壓低，采用單管取壓的方式能獲得相對于雙管取壓更大的壓差，所以在轉(zhuǎn)角處安裝文丘里取壓管并采用單管取壓的方式最佳。

2 取壓口風(fēng)壓測量試驗研究

2.1 試驗儀器

采用BG80-B-213-0N22 數(shù)字壓力計，取壓量程：（0～1）kPa，精度：±1 %。

2.2 試驗方法

2.2.1 不同取壓點風(fēng)壓測量試驗

分別將文丘里管安裝于消音管內(nèi)已選好的取壓點，從文丘里管取壓孔引出兩條取壓管接入微壓計，文丘里取壓孔接入微壓計負壓端，常規(guī)取壓孔接入微壓計正壓端，若采用單管取壓，則常規(guī)取壓孔無需接入微壓計僅進行密封。分別進行單管測量和雙管取壓測量。在不通燃氣的狀態(tài)下啟動燃氣采暖熱水爐，燃氣采暖熱水爐進入點火狀態(tài)，此時風(fēng)機轉(zhuǎn)動，觀測微壓計顯示數(shù)值，待風(fēng)壓數(shù)值穩(wěn)定后讀取的風(fēng)壓值，為點火風(fēng)壓。燃氣采暖熱水爐點火失敗后報錯，將進入后清掃模式，此時風(fēng)機轉(zhuǎn)速變大，待風(fēng)壓數(shù)值穩(wěn)定后讀取的風(fēng)壓值，為后清掃風(fēng)壓。

2.2.2 排煙系統(tǒng)堵塞風(fēng)壓測量試驗

為了研究原始取壓孔與加裝文丘里管的兩種取壓方式，在不同排煙系統(tǒng)堵塞情況的風(fēng)壓變化情況，對這兩種取壓方式進行堵塞試驗，采用鋁箔紙對燃氣采暖熱水爐排煙口進行堵塞。排煙口為直徑60 mm 的圓型孔，先用鋁箔紙將出風(fēng)口完全堵住，將出風(fēng)口按如圖6 所示分成16 份，每次試驗用刀具按1/16 進行切割，測量點火狀態(tài)與后清掃模式的風(fēng)壓值，取風(fēng)壓穩(wěn)定時的最大值和最小值再求其平均值。

圖6 排煙系統(tǒng)堵塞示例

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1 不同取壓點風(fēng)壓測量結(jié)果

圖7 為通過測量不同取壓點的風(fēng)壓測量結(jié)果，從圖表中的數(shù)據(jù)可知，改進設(shè)計后的三個取壓孔（加裝文丘里取壓管），風(fēng)壓值均比原始取壓孔的風(fēng)壓值大兩倍或以上；各取壓位置的風(fēng)壓值大小由大到小依次為：轉(zhuǎn)角處＞末端處＞消音腔＞原始取壓孔，符合仿真結(jié)果的大小規(guī)律。

圖7 不同取壓點的風(fēng)壓測量結(jié)果

2.3.2 排煙系統(tǒng)堵塞風(fēng)壓測量結(jié)果

針對原始取壓孔與轉(zhuǎn)角處的風(fēng)壓值隨煙管堵塞的變化情況進行數(shù)據(jù)采集，結(jié)果如圖8 所示。排煙系統(tǒng)堵塞比例在0～6/16 的范圍內(nèi)，隨著排煙系統(tǒng)堵塞面積的增大，風(fēng)壓值保持不變；排煙系統(tǒng)堵塞比例在6/16～11/16 的范圍內(nèi)，隨著排煙系統(tǒng)堵塞面積的增大，風(fēng)壓值逐漸下降且下降斜率逐漸增大；排煙系統(tǒng)堵塞比例在11/16～1 的范圍內(nèi)，風(fēng)壓值隨堵塞面積增大快速下降，轉(zhuǎn)角處（后清掃風(fēng)壓）的風(fēng)壓值測量曲線斜率要遠大于原始取壓孔（后清掃風(fēng)壓），因此采用在轉(zhuǎn)角處加裝文丘里取壓管的方式可以更好地把風(fēng)壓讀取值放大，有利于根據(jù)風(fēng)壓值的變化判斷排煙系統(tǒng)的堵塞情況，更好地實現(xiàn)維護預(yù)警提醒。

圖8 排煙系統(tǒng)堵塞與風(fēng)壓值變化關(guān)系

3 結(jié)論

本文通過對全預(yù)混冷凝爐的消音管進行流體仿真分析，提出了一種在消音管中內(nèi)置文丘里管的取壓方式，并對消音管取壓方式進行優(yōu)化設(shè)計，在消音管中找到最佳的風(fēng)壓取壓點，并通過實驗驗證，達到將風(fēng)壓取壓數(shù)值放大的效果，本文結(jié)論如下：

1）消音管內(nèi)各取壓位置的風(fēng)壓絕對值由大到小依次為：轉(zhuǎn)角處＞末端處＞消音腔＞原始取壓孔。單管取壓比雙管取壓取得的風(fēng)壓數(shù)值更大，轉(zhuǎn)角處加裝文丘里取壓管讀取的風(fēng)壓值比常規(guī)取壓方式大2.3 倍。

2）在消音管轉(zhuǎn)角處加裝文丘里取壓管，對比原始取壓方式，隨著排氣系統(tǒng)堵塞比例增加，其讀取的風(fēng)壓值曲線斜率大。

3）綜合上述仿真與試驗結(jié)果分析，加裝文丘里取壓管的取壓方式可以把風(fēng)壓值放大，有利于根據(jù)風(fēng)壓值的變化判斷煙管的堵塞情況，在不需提高風(fēng)壓傳感器精度的情況下，以更低的成本實現(xiàn)排煙系統(tǒng)堵塞狀況更高精度監(jiān)控，更準(zhǔn)確地實現(xiàn)維護預(yù)警提醒。