摘　要：采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)某型號(hào)強(qiáng)鼓式燃?xì)鉄崴魅紵鲀?nèi)空氣速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析存在的問題，對(duì)燃燒器的進(jìn)風(fēng)(空氣)部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化前后的強(qiáng)鼓式燃?xì)鉄崴鞯臒嵝始盁煔庵幸谎趸俭w積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了實(shí)測(cè)。優(yōu)化后，熱效率平均提高1.06％，煙氣中一氧化碳體積分?jǐn)?shù)平均下降30％。

關(guān)鍵詞：強(qiáng)鼓式燃?xì)鉄崴鳎?燃燒器； 穩(wěn)壓室； 布風(fēng)板； 一次空氣； 二次空氣

Optimization of Partial Air Intake Stucture of Burner in Blowing-type Gas Water Heater

Abstract：The numerical simulation of air velocity field in burner in a blowing-type gas water heater is performed by computational fluid dynamics(CFD) method．The existing problems are analyzed，and the partial air intake structure of the burner is optimized．The thermal efficiency of blowing-type gas water heater and the volume fraction of carbon monoxide in flue gas before and after the optimization are measured．After the optimization，the average thermal efficiency is increased by 1.06％，and the volume fraction of carbon monoxide in flue gas is reduced by 30％on average．

Keywords：blowing-type gas water heater；burner；plenum；air distribution board；primary air；secondary air

1　熱水器工作原理及研究方法

強(qiáng)鼓式燃?xì)鉄崴?span lang="EN-US">(以下簡(jiǎn)稱熱水器)因其結(jié)構(gòu)緊湊、燃燒充分、價(jià)格合理而成為市場(chǎng)上備受消費(fèi)者歡迎的燃?xì)鉄崴髦?sup>[1-2]。熱水器的結(jié)構(gòu)見圖1，燃燒器包括穩(wěn)壓室、布風(fēng)板、火排等。熱水器底部風(fēng)機(jī)將燃燒所需空氣送入穩(wěn)壓室，一部分空氣在燃?xì)鈬娮焯幫ㄟ^燃?xì)庖渥饔眠M(jìn)入燃燒器與燃?xì)饣旌?，該部分空氣為一次空氣；另一部分空氣?jīng)過穩(wěn)壓室內(nèi)布風(fēng)板上的孔后，進(jìn)入燃燒器與燃?xì)饣旌?，為二次空氣。燃?xì)庖豢諝饣旌衔镌谌紵鲀?nèi)進(jìn)行燃燒，燃燒形成的高溫?zé)煔馔ㄟ^強(qiáng)制對(duì)流的方式進(jìn)入燃燒器上部的肋片管式換熱器，肋片管式換熱器的盤管內(nèi)流動(dòng)著需要加熱的冷水，煙氣將熱量傳給肋片并加盤管內(nèi)的冷水，冷水被加熱成熱水輸出。

由風(fēng)機(jī)送入的空氣需要通過穩(wěn)壓室、布風(fēng)板進(jìn)行均勻布風(fēng)，以保證燃?xì)庖豢諝饣旌衔镌诨鹋派险Ｈ紵?。燃燒器?nèi)空氣與燃?xì)獾木鶆蚧旌希軌虮苊馊細(xì)馊紵煌耆?，繼而產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)的現(xiàn)象，從而提高熱水器安全性能。

目前，市場(chǎng)上熱水器的穩(wěn)壓室、布風(fēng)板幾乎沒有設(shè)計(jì)依據(jù)。因此，采用一種科學(xué)且有效的方法對(duì)穩(wěn)壓室、布風(fēng)板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高熱水器的燃燒穩(wěn)定性具有現(xiàn)實(shí)意義。從布風(fēng)原理來看，風(fēng)機(jī)送入穩(wěn)壓室的空氣被布風(fēng)板較為合理地分配到燃燒器是一個(gè)典型的流體力學(xué)問題^[3]。因此，本文采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法對(duì)熱水器燃燒器進(jìn)風(fēng)部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2　模擬及結(jié)果分析

某公司生產(chǎn)的熱水器燃燒器結(jié)構(gòu)見圖2，布風(fēng)板開孔位置見圖3。燃燒器內(nèi)的氣體流態(tài)為湍流，并屬于受限多孔射流類型，因此可采用標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型對(duì)燃燒器內(nèi)部空氣的速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在對(duì)燃燒器物理模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將燃?xì)鈬娮熳鳛橹攸c(diǎn)關(guān)注對(duì)象，對(duì)燃?xì)鈬娮熘車扇【W(wǎng)格加密處理，所有網(wǎng)格均為六面體網(wǎng)格^[4]。由于火排部分結(jié)構(gòu)不規(guī)則，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格共用的方法，燃燒器物理模型的網(wǎng)格劃分見圖4。在風(fēng)機(jī)額定參數(shù)條件下，模擬得到的燃燒器內(nèi)部空氣速度場(chǎng)見圖5。由圖5可知，在穩(wěn)壓室內(nèi)存在渦旋，渦旋易產(chǎn)生以下不利影響：造成穩(wěn)壓室空氣流動(dòng)不穩(wěn)定，導(dǎo)致布風(fēng)板出風(fēng)不均勻；造成穩(wěn)壓室內(nèi)空氣流動(dòng)不暢，使得由燃?xì)鈬娮煲涞囊淮慰諝饬繙p少。

針對(duì)該公司生產(chǎn)的熱水器燃燒器的穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到的一次空氣系數(shù)僅為0.51，這說明一次空氣量偏低。經(jīng)過分析，我們認(rèn)為該公司采用的穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)存在問題，而且布風(fēng)板開孔位置的不規(guī)則性導(dǎo)致設(shè)計(jì)難度增大。因此，考慮對(duì)穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并采取規(guī)則的布風(fēng)板開孔位置設(shè)計(jì)。為評(píng)價(jià)穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果以及布風(fēng)板規(guī)則開孔位置的影響，對(duì)改造后的熱水器熱效率及排放特性進(jìn)行測(cè)試。

3　優(yōu)化內(nèi)容與效果驗(yàn)證

①優(yōu)化內(nèi)容

我們采取的優(yōu)化方案是在穩(wěn)壓室內(nèi)增設(shè)一個(gè)擋板，并對(duì)布風(fēng)板的開孔進(jìn)行重新布置。改造后的穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)及布風(fēng)板開孔位置分別見圖6、7。改造后，通過調(diào)節(jié)擋板位置可以獲得合理的一二次空氣量比例，保證一次空氣量能夠穩(wěn)定且不受燃燒過程的影響。二次風(fēng)由于處于一個(gè)楔形通道內(nèi)，使得流動(dòng)更容易均勻，消除穩(wěn)壓室內(nèi)的渦旋氣流的產(chǎn)生。改造后燃燒器內(nèi)部空氣速度場(chǎng)見圖8。

②效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化方案的效果，抽取3臺(tái)熱水器作為原型樣機(jī)，在滿負(fù)荷條件下，進(jìn)行熱效率及排放特性測(cè)試。然后對(duì)穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)及布風(fēng)板開孔位置進(jìn)行改造，在滿負(fù)荷條件下，進(jìn)行熱效率及排放特性測(cè)試。原型機(jī)額定熱功率為24kW，額定產(chǎn)水能力為12L／min。

由測(cè)試結(jié)果可知，改造后的熱效率有所提高，平均提高了1.06％(絕對(duì)值)。煙氣中CO的體積分?jǐn)?shù)顯著下降，平均下降了30％。這說明燃?xì)馀c空氣的混合更加均勻，燃燒狀況得以改善，有效地降低了煙氣中CO的含量。布風(fēng)板規(guī)則的開孔位置對(duì)熱水器的熱效率沒有影響，降低了布風(fēng)板的設(shè)計(jì)難度。

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本文作者：易洪斌  羅暢  劉曉東  尚振坤  鄒春

作者單位：華帝股份有限公司

  華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室