分段燃烧技术在燃气采暖热水炉上的应用研究.pdf

Articles论文104 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422分段燃烧技术在燃气采暖热水炉上的应用研究Research on application of subsection combustion technology in gas-fi red heating and hot water combi-boilers元加加 丁泺火 温林 梁桂源 林玉绵YUAN Jiajia DING Luohuo WEN Lin LIANG Guiyuan LIN Yumian珠海格力电器股份有限公司 广东珠海 519070Gree Electric Appliances,Inc.of Zhuhai Zhuhai 519070摘 要：针对部分壁挂炉夏季出水太烫的问题，采用宽裕负荷比的分段燃烧技术拓宽壁挂炉负荷输出范围，提高其适应不同负荷需求的能力，避免夏季水温过烫问题。采用理论计算与试验测试结合的方式对分段燃烧器关键参数进行确定，并装机上台完成性能测试。结果表明：相比大气式壁挂炉，分段燃烧的壁挂炉在不影响最高热负荷输出的基础上，最小热负荷值向下拓宽了60%，低至4.0 kW，小火排负荷输出能有效解决因负荷输出过大造成水温太烫问题，提高用户用水舒适体验感。关键词：燃气采暖热水炉；分段燃烧；负荷比；水温过高Abstract:To solve the problem of excessive water temperature in summer,the segmented combustion technology with a generous load ratio is used to widen the load output range of the wall-hung boilers,improve their ability to adapt to diff erent load requirements and avoid the occurrence of excessive water temperatures in summer.The key parameters of the sectional burner are determined using a combination of theoretical calculations and experimental tests,and the performance tests are completed on the installation stage.The results show that:compared to atmospheric wall-hung boilers,the minimum heat load value of the sectional burner is widened by 60%downwards to 4.0 kW without aff ecting the maximum heat load output,and the small fi re row load output can eff ectively solve the problem of water temperature being too hot due to excessive load output and improve the users comfort experience with water.Keywords:Gas-fi red heating and hot water combi-boilers;Staged combustion;Load ratio;Excessive water temperature中图分类号：TU996.7 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.03.0180 引言在绿色可持续发展主题背景下，国家进一步优化调整了城市供暖结构，“煤改气”工作的持续开展推动天然气的普及，为燃气采暖热水炉（以下简称壁挂炉）的发展提供新的机遇1。壁挂炉因具有使用灵活，调节方便，兼顾供暖、供热水等诸多优点，极大地满足了居民冬季取暖和日常生活热水需求。目前壁挂炉市场占比逐年上升，也成为近年来国内供暖行业的发展潮流2-3。但大气式壁挂炉依然存在夏季水太烫、冬季水不热等用户体验感差的问题。是因为该类壁挂炉在面对不同季节进水温度差异较大时，受自身负荷输出范围约束，无法对需求负荷自适应调节，故拓宽壁挂炉负荷输出的范围对提高用户用水体验感十分重要。作者简介：元加加，硕士学位。研究方向：燃气产品设计开发。地址：广东省珠海市香洲区金鸡西路789号。E-mail：。壁挂炉负荷输出的范围主要由燃气流量及燃烧器火排数共同决定。燃气流量常见控制手段有比例阀控制、比例阀与电磁阀搭配使用两种情况。双通道比例阀相对单通道比例阀而言，热负荷输出可做到更低，不过整体改善效果不显著，使用成本高，一般常与水冷燃烧器搭配使用。通常单火排的燃烧负荷在0.7 kW，2.3 kW范围内，故大气式燃烧器负荷比一般被限制在1 3左右，无法同时兼顾生活水和采暖需求4。分段燃烧技术可依据负荷需求调节分段电磁阀的电流值，通过电磁阀通断同时改变燃气流量及实时燃烧火排数，从而拓宽了燃烧器热负荷输出的范围。为解决夏季因壁挂炉负荷输出过大导致生活水太烫等用水体验感差的问题，在常规大气式燃烧器基础上，采用了宽裕负荷比的分段Articles论文 105家电科技 Vol.3 2023 Issue 422燃烧技术拓宽壁挂炉负荷输出范围。首先依据目标需求对燃烧器进行重新选型设计，联合理论计算和整机性能匹配数据确定燃烧器喷嘴孔径，对燃烧器头部及引射器相关尺寸进行设计，并基于分段燃烧原理确定分段点，经对设计组装的整机按国标要求完成一系列热工性能测试，最终试验结果表明：分段燃烧的壁挂炉生活热水负荷输出为4 kW，27.3 kW，相比大气式壁挂炉，分段燃烧的壁挂炉在不影响最高热负荷输出基础上，生活热水最小热负荷值向下拓宽了60%，低至4.0 kW，实际分段燃烧负荷比达1 6.8，可利用小负荷输出改善因负荷输出过大导致热水太烫等用水舒适性问题。1 壁挂炉整机设计1.1 壁挂炉结构及原理常规大气式壁挂炉主要由水路系统、电气系统、燃气系统三大系统组成。其中水路系统一般由出水管、回水管及换热器构成；电气系统主要由主控器、脉冲点火器及风机组件构成；燃气系统主要由燃烧器、比例阀、燃气管组成，具体结构详见图1。图1 常规大气式壁挂炉整机结构工作逻辑：壁挂炉上电启动，待系统压力检测正常，水泵启动推动采暖水流动，后续启动风机进行预清扫，待各种安全装置检测合格后，依次打开点火器和燃气比例阀，燃气从燃气接口进入燃烧室中燃烧，采暖回水与高温烟气通过换热器换热升温，随后经采暖供水管送入到末端散热器进行供暖；同时经换热的高温烟气在风机作用下由烟道排出室外，室外空气在大气压的作用下经同轴式烟管进入燃烧室为燃烧提供所需的二次空气；当有生活热水需求时，生活热水流量开关启动并切换电磁三通阀，冷水利用板式换热器与被高温烟气加热的供暖循环水进行换热，温度升高后经热水出口排出供生活使用。1.2 物料选型由于直流无刷变速风机不仅结构复杂且成本高5，而罩极式交流风机具有结构简单、造价低、低噪声且高稳定性的特点，所以后者广受壁挂炉厂商青睐。由前文分析可知，比例阀选用单通道燃气比例阀性价比较高，故本次样机的主要配置6是：罩极式交流风机+多单片燃烧器的普通燃烧器+单通道燃气比例阀。本文在普通燃烧器上引入分段燃烧技术，对其热负荷输出范围进行双向拓宽，以此解决部分大气式壁挂炉因受自身负荷输出范围约束无法实现负荷输出的宽域调节而导致的用户用水体验差问题。1.3 分段燃烧器设计基型产品采用11个火排的大气式燃烧器，其中喷嘴孔径为1.34 mm，标称热负荷输出为10 kW，26 kW。结合分段燃烧技术可将负荷比拓宽至1 6，甚至更大，故采用分段燃烧技术对其负荷输出范围拓宽，依据基型燃烧器实测结果，拟定本次开发壁挂炉热负荷输出目标为4.5 kW，27 kW。对燃烧器重新选型设计时，可依据式（1）计算圆形喷嘴流量Lg：（1）式中：Q-单个喷嘴及引射器热负荷，本文为满足国标中极限工况测试要求，实际Q应满足1.0527/11 kW，本文Q取2.7 kW；Hi-基准状态下基准气燃气低热值，查 燃气燃烧与应用 附录27可知Hi取34037 kJ/Nm3，对应标准理论空气需要量V0=9.52 m3/m3；-喷嘴流量系数，与喷嘴结构形式、尺寸和燃气压力相关，取0.7，0.78；d-圆形喷嘴直径，mm；pamb-额定燃气压力，取标准2 kPa；dr-基准气燃气相对密度，查 燃气燃烧与应用 附录2可知基准气dr取0.5548。依据式（1）可得到喷嘴理论直径d计算公式：（2）代入数据可计算出d取值在1.30，1.37范围内，结合现有燃烧器孔径大小，最终使用以下三种孔径组装的整机上实验台按国标要求进行性能测试，得出图2不同孔径喷嘴的大气式燃烧器全排功率与比例阀占空比的关系图。由图2可知：装配喷嘴孔径为1.34 mm的燃烧器功率测试结果明显不能满足要求，装配燃烧器喷嘴孔径为1.365 mm和1.37 mm的壁挂炉从实测功率数据来看均可满足要求，不过为了留有更多的裕度，最终确定喷嘴直径d为1.37 mm的产品。其中喷嘴1.37 mm的燃烧器全排火功率范围在10.3，27.8，考虑采用分段燃烧必然需要构造功率重合区，即小火排最大燃烧功率应Articles论文106 家电科技 Vol.3 2023 Issue 422大于10.3 kW，结合单负荷功率Q为2.7 kW，可得到最小火排数应满足以下关系：（3）最终确定小排火燃烧时火排数为4排。利用式（4）可计算喷嘴出口截面积Fj：（4）火孔总面积Fp、火孔阻力系数P和燃烧器头部能量损失系数K1可按下式计算：（5）其中，查 燃气燃烧与应用 表7-1可知，天然气一次空气系数取值范围为0.6，0.65，本次取0.6；额定火孔出口流速vp取值范围1.0，1.3，本次vp取1.1 m/s。火孔流量系数up与火孔结构特性有关，本次up取0.7；t为混合气体通过火孔被加热温度，本次t取120。对于引射器质量引射系数u、能量损失系数K和最佳燃烧器参数Flop可依据下式计算：（6）式中：1-速度场不均匀系数，本次1取1.02；mix-混合管的摩擦阻力系数，本次mix取0.06；d-扩压管阻力损失系数，本次d取0.15；n-扩压管的扩张程度，本次n取2.6。联合式（4）（5）（6），可计算A值和X值：（7）其中A1，说明燃气压力有剩余，故以非最佳工况作为计算工况。按式（8）对喉部直径进行计算：（8）式中：F1-燃烧器参数；Ft-映射器喉部截面积，m2。最终经理论设计计算和实际性能匹配测试确定：大气式分段燃烧器采用47分段，分4个火排燃烧和11个火排燃烧两种燃烧工况，燃烧喷嘴直径选用1.37 mm，引射器选用的是 燃气燃烧与应用 图7-23的1型引射器，其中喉部直径dt约为10.3 mm，可满足设计工况下一次空气系数=0.6。2 试验测试与结果分析基于我司实验室现有的Microplan燃气壁挂炉综合性能试验台，对设计组装的壁挂炉样机完成系统性整机性能试验研究。测试样机采用一台标称26 kW的常规大气式壁挂炉A和一台基于壁挂炉A基础新引入分段燃烧技术的分段燃烧壁挂炉B，可见表1所示。表1 实验分组序号配置编号1罩极式交流风机+大气式燃烧器+单通道燃气比例阀壁挂炉A2罩极式交流风机+分段电磁阀+大气式燃烧器+单通道燃气比例阀壁挂炉B首先将测试样机与壁挂炉试验台连接好，待水路气路检验工作合格后，利用壁挂炉试验台电脑对测试项目的测试工况按国标GB 250342020 燃气采暖热水炉8（以下统称国标）要求进行调试，完成试验并记录下相应测试项目的测试数据。其中本文开展的测试项目均是国标要求的测试项目，主要有采暖/生活热水额定热效率、额定热负荷热输出及产热水能力等测试项目，经查国标，适用本测试壁挂炉的热负荷、热效率计算公式：（9）式中：-折算到基准状态下的热负荷，kW；qvg-实测燃气流量，图2 不同孔径喷嘴燃烧器全排功率与比例阀占空比的关系Articles论文 107家电科技 Vol.3 2023 Issue 422m3/h；pm-试验时燃气流量计内的燃气压力，kPa；pg-试验时采暖炉前的燃气压力，kPa；tg-试验时燃气流量计内的燃气温度，；d1-干试验气的相对密度；dr-基准气燃气相对密度；-热效率，%；qvw-实测采暖水流量，m3/h；-试验时采暖水密度，kg/m3；t2-试验时采暖出水温度平均值，；t1-试验时采暖回水温度平均值，；ps-在tg时的饱和水蒸气压力，kPa。经查国标，产热水能力及适用于各类工况下的CO含量的计算公式：（10）式中：qmh-温升30 K时产热水能力，kg/min；mi-试验时间内热水量，kg；t-试验时间内热水平均温升，K；T-试验时间，s；(CO)m-取样试验的CO含量的数值（体积分数），%；(O2)m-取样试验的O2含量的数值（体积分数），%。最终将测试的各项数据经式（9）、（10）计算，最终的计算结果如表2所示。从表2可以看出，在采暖状态下，壁挂炉B采暖实测额定（最大/最小）热负荷输出测试结果值均大于壁挂炉A，壁挂炉B额定热效率（93%）壁挂炉A（92.75%），壁挂炉B的排烟温度（117）壁挂炉A的排烟温度（118）。表明壁挂炉B热负荷输出更高，且实际输出也高，在能量利用上壁挂炉B表现更为优秀，同时烟温上也体现了壁挂炉B热效率优于壁挂炉A，因为按能量守恒，燃烧的热量可分有效利用量、排烟损失热和散热损失三部分，其中散热损失可忽略。当烟温高意味着整机散热损失高，即热量的有效利用率低，不过两款壁挂炉热效率测试结果均大于国家二级能效最低要求，符合国标要求。对于壁挂炉A实测热负荷输出值26.9 kW标称26.0 kW，因为壁挂炉在开发过程中是按功率上限进行设计，从而确保额定热输出值均不低于声称值，满足国标要求。在生活热水状态下实测额定最大热负荷表现同采暖状态一样：壁挂炉B在生活热水全排燃烧工况下的热负荷输出表现同样优于壁挂炉A；壁挂炉B生活热水额定热负荷的产热水能力明显优于壁挂炉A（11.810.85），其中壁挂炉A标称产热水能力为10.8 kg/min，实测符合要求。说明在额定功率运行单位时间内壁挂炉B产热水更多，能满足冬季沐浴器温差值31 K的热水需求；壁挂炉B最小热负荷值相比壁挂炉A向下拓宽了60%，低至4.0 kW，满足初期设定目标。表明壁挂炉B在面对夏季沐浴器温差值18 K较小功率生活用水需求时9，可直接使用小火排规避因输出功率过大造成的生活热水太烫问题，直接提升用户的用水舒适感；针对几项CO含量测试结果，壁挂炉B表现优于壁挂炉A，代表分段燃烧的燃烧效果更为彻底，两者气流监控装置时CO含量测试结果相差不大，且两款壁挂炉的实际测试结果均远小于国标要求值，满足国标要求。表2 测试结果测试项目壁挂炉A壁挂炉B国标要求采暖实测额定热负荷（最大/最小）（kW）26.9/10.327.3/10.4|热负荷偏差|10%采暖实测额定热输出（最大/最小）（kW）24.95/9.425.39/9.5/生活热水实测额定热负荷（最大/最小）（kW）26.7/10.327.1/4.0|热负荷偏差|10%生活热水实测额定热输出（最大/最小）（kW）24.95/9.425.39/3.6/实测产热水能力（t=30 k）（kg/min）10.8511.8标称*0.95采暖额定热效率（%）92.7593.089采暖部分热效率（%）91.0991.585额定热负荷时CO含量（%）0.0080.0040.06极限热负荷时CO含量（%）0.0110.0080.1黄焰和不完全燃烧界限气工况CO含量（%）0.1130.0400.2脱火界限气工况CO含量（%）0.0110.0100.2气流监控装置时CO含量（%）0.0460.0500.2非冷凝炉排烟温度（）1181171103 结论壁挂炉因兼顾供暖和生活热水两用特性广受用户青睐，不过部分壁挂炉因自身负荷输出范围限制，可能造成夏季水太烫、冬季水不热等用水舒适度问题。本文基于对相同火排数的大气式燃烧器进行重新设计选型，经样机组装完成测试及测试数据分析，可得出以下结论：（1）相较于大气式壁挂炉，分段燃烧壁挂炉在保证不影响最高热负荷输出的前提下，最小热负荷输出值向下拓宽了60%，低至4.0 kW，实测负荷比达1 6.8，符合设计目标，更低的热负荷输出可避免因负荷输出过大造成的生活水太烫等问题。（2）宽裕的热负荷输出范围能同时兼顾冬季供暖和生活用水需求，有效解决了夏季沐浴水温过高过烫和冬季出水不热问题，提升用户的舒适体验感，在一定程度上增强了产品的核心竞争力。参考文献1 毛锡韶,金国华,贺小林,等.燃气壁挂炉点火失效原因分析及预防措施J.家电科技,2018(12):81-83.2 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