全預(yù)混分段式燃燒系統(tǒng)設(shè)計與試驗研究

余浩倫 張錦梁

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528325）

引言

在“雙碳”政策的推動下，采暖行業(yè)將被引導(dǎo)著向綠色格局及綠色生態(tài)形態(tài)發(fā)展，低排放、高效率的燃?xì)鉄崴a(chǎn)品將更符合市場及消費(fèi)者需求。全預(yù)混冷凝式壁掛爐作為熱效率高、有害氣體排放低的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，被行業(yè)企業(yè)納入重要發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，將是未來市場趨勢明顯、需求強(qiáng)勁的明星產(chǎn)品，所以全預(yù)混冷凝式壁掛爐的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍越大，用戶的采暖舒適度和生活熱水使用體驗越好，就目前普通的全預(yù)混冷凝式壁掛爐而言，因受到傳統(tǒng)預(yù)混器以及燃燒器的限制影響，負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍普遍較小。

因此本文將圍繞全預(yù)混冷凝式壁掛爐負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較小問題，對預(yù)混器和燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)全預(yù)混分段式燃燒，能很好的解決負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍小的問題，實現(xiàn)超寬頻負(fù)荷調(diào)節(jié)性能，提升用戶采暖舒適性和生活熱水使用體驗。

1 預(yù)混器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 預(yù)混器結(jié)構(gòu)及原理

針對傳統(tǒng)預(yù)混器存在的負(fù)荷調(diào)節(jié)比較窄而固定的情況，圍繞小負(fù)荷下保持燃?xì)馀c空氣比例恒定性能要點(diǎn)，對預(yù)混器進(jìn)行了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該預(yù)混器結(jié)構(gòu)上采用一體式雙文丘里混合通道結(jié)構(gòu)形式，分別設(shè)有小口徑文丘里混合通道和大口徑文丘里混合通道，并在其喉管處設(shè)有燃?xì)膺M(jìn)氣口，如圖1 所示的雙文丘里混合通道混合管。

圖1 雙文丘里混合通道混合管

該預(yù)混器結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用風(fēng)機(jī)前預(yù)混方式作為結(jié)構(gòu)設(shè)計前提，在大口徑文丘里混合通道的出氣口處安裝一個電磁開關(guān)閥，通過改變電磁開關(guān)閥的開啟與閉合狀態(tài)，實現(xiàn)預(yù)混器混合氣出氣口單、雙通道的切換，從而起到對燃?xì)夂涂諝饣旌蠚膺M(jìn)行通道限流作用，如圖2 所示的預(yù)混器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2 預(yù)混器及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

如圖2 所知，當(dāng)電磁開關(guān)閥接通電源時，處于開啟狀態(tài)，電磁開關(guān)閥產(chǎn)生的磁力克服內(nèi)置彈簧力作用，閥體密封墊片打開大口徑文丘里混合通道的出氣口，同時設(shè)在其進(jìn)氣口的擋片在受到預(yù)混風(fēng)機(jī)卷吸抽力的作用下，將以軸桿為軸心向上擺動一定角度，此時大口徑文丘里混合通道縮管處的燃?xì)鈬娮煲脖淮蜷_，此時預(yù)混器的燃?xì)夂涂諝饣旌蠚獬鰵饪谔幱谧畲箝_度狀態(tài)，滿足最大功率輸出要求，如圖3（a）所示。

圖3 電磁開關(guān)閥開啟與關(guān)合狀態(tài)

當(dāng)電磁開關(guān)閥斷開電源時，處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁開關(guān)閥的閥體密封墊片在內(nèi)置彈簧力作用下，閥體密封墊片關(guān)閉大口徑文丘里混合通道的出氣口，同時設(shè)在其進(jìn)氣口的擋片沒有預(yù)混風(fēng)機(jī)卷吸抽力的作用，在重力作用下復(fù)位至原來的位置狀態(tài)，此時大口徑文丘里混合通道縮管處的燃?xì)鈬娮毂粨跗P(guān)閉，只剩下雙通道文丘里混合管的小口徑文丘里混合通道縮管處的燃?xì)鈬娮焱猓藭r預(yù)混器的燃?xì)夂涂諝饣旌蠚獬鰵饪谔幱谧钚￠_度狀態(tài)，滿足最小功率輸出要求，如圖3（b）所示。

1.2 模擬仿真分析

ANSYS 仿真分兩步進(jìn)行，首先根據(jù)最大和最小負(fù)荷的所需空氣量確定大小負(fù)荷端喉管直徑，其次根據(jù)大、小端的空氣量與燃?xì)?甲烷)比例，確定喉管直徑。其中，最大負(fù)荷出口處的壓力是根據(jù)方案在滿足30 kW 所需空氣量的情況下，其出口負(fù)壓值作為風(fēng)機(jī)提供的壓能。

經(jīng)過仿真分析可知，當(dāng)小口徑文丘里混合通道喉管直徑為Φ14 mm 時，此尺寸能滿足小負(fù)荷1.5 kW 需求，并可以通過加大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來提高空氣引射量。其ANSYS 仿真分析見圖4。

圖4 小口徑文丘里混合通道喉管ANSYS 分析

在確定小口徑文丘里混合通道喉管直徑后，根據(jù)最大負(fù)荷30 kW 所需空氣量來確定大口徑文丘里混合通道喉管直徑，經(jīng)過多次調(diào)整大口徑文丘里混合通道直徑后，風(fēng)機(jī)引射的空氣量已滿足理論空氣量，確認(rèn)其喉管直徑為Φ24 mm。其ANSYS 仿真分析見圖5。

圖5 大口徑文丘里混合通道喉管ANSYS 分析

在雙通道的喉管直徑確定后，根據(jù)大小端引射的空氣量來確定所需燃?xì)饬浚細(xì)饬康亩嗌僦饕蓢娮熘睆浇孛娲笮〈_定。其中初步設(shè)計空氣系數(shù)為1.3，則空氣與燃?xì)獾谋戎导s為12.376。

由仿真分析數(shù)據(jù)可知，大、小口徑文丘里混合通道的噴嘴直徑為Φ5 mm 和Φ3 mm 時，其大、小口徑文丘里混合通道的混合氣體與燃?xì)饬髁勘确謩e為13.275 和13.033。此噴嘴尺寸基本能滿足所需要求。其ANSYS 仿真分析見圖6。

圖6 大、小口徑文丘里混合通道的噴嘴ANSYS 分析

1.3 預(yù)混器結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過上述ANSYS 仿真分析得知，初步設(shè)定預(yù)混器的雙通道混合管的喉管及其噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 預(yù)混器結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了保證在小負(fù)荷燃燒時的燃燒穩(wěn)定性，對燃燒器也進(jìn)行了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計，該燃燒器采用一體式分段燃燒結(jié)構(gòu)方式，燃燒器內(nèi)部分成兩個獨(dú)立空間，分別是第一混合氣空間和第二混合氣空間。燃?xì)膺M(jìn)氣口設(shè)置在法蘭上，設(shè)有第一進(jìn)氣口和第二進(jìn)氣口，第一進(jìn)氣口與第一混合氣空間相連通，第二進(jìn)氣口與第二混合氣空間相連通。分配管則設(shè)置在第二混合氣空間的內(nèi)側(cè)空間，與殼體同軸方向設(shè)置，分配管上均勻分布有出氣分配孔，用于混合氣體的均勻分配出氣。此結(jié)構(gòu)燃燒器可以實現(xiàn)分段燃燒效果，保證燃燒穩(wěn)定性，在最小極限負(fù)荷時滿足較小功率的輸出需求。分段燃燒器及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 燃燒器及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 燃燒系統(tǒng)設(shè)計與控制方法

該燃燒系統(tǒng)基于全預(yù)混燃燒方式進(jìn)行設(shè)計，采用鼓風(fēng)式前預(yù)混式分段燃燒方式，其主要包括：分段式燃燒器、輸氣蓋體、雙文丘里混合通道預(yù)混器及鼓風(fēng)式變頻風(fēng)機(jī)。其中輸氣蓋體的出氣口設(shè)有兩個出氣口，第一出氣口與燃燒器的第一混合氣空間相連通，第二出氣口與燃燒器的第二混合氣空間相連通，且第二出氣口可通過電磁開關(guān)閥的通、斷切換，實現(xiàn)燃燒器的分段燃燒狀態(tài)。該燃燒系統(tǒng)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 燃燒系統(tǒng)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

其控制過程如下：當(dāng)熱負(fù)荷需求較大時，預(yù)混器上的電磁開關(guān)閥和輸氣蓋體的電磁開關(guān)閥同時處于通電狀態(tài)，預(yù)混器中的雙通道文丘里混合管的出氣口全部打開，此時在鼓風(fēng)式變頻風(fēng)機(jī)的驅(qū)動下，空氣從預(yù)混器的進(jìn)氣口端分別進(jìn)入大口徑文丘里混合通道和小口徑文丘里混合通道，此時大口徑文丘里混合通道進(jìn)氣口的擋片在受到風(fēng)機(jī)卷吸空氣流作用下，將以軸桿為軸心向上擺動一定角度，大口徑文丘里混合通道喉管處的燃?xì)鈬娮煲脖淮蜷_。這時，燃?xì)馔瑫r從大口徑文丘里混合通道和小口徑文丘里混合通道各自的燃?xì)鈬娮靽娙牒砉芘c空氣進(jìn)行混合，最后由預(yù)混器的出氣口端流入風(fēng)機(jī)，然后進(jìn)入輸氣蓋體，依次從第一出氣口和第二出氣口進(jìn)入燃燒器的第一混合氣空間和第二混合氣空間，最終從燃燒器表面火孔噴出進(jìn)行燃燒，如圖9 所示，此時為全負(fù)荷燃燒狀態(tài)。

巨浪MILL FX 800是一款高速緊湊的立式加工中心，配置2軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺，可實現(xiàn)五軸聯(lián)動加工，一次裝夾實現(xiàn)工件的高品質(zhì)切削，是高效加工應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇。機(jī)床采用模塊化設(shè)計與制造，具備豐富的功能配置，無論需要進(jìn)行多種小批量加工，還是高效率、高精度的批量生產(chǎn)，都可以完美的滿足。

圖9 全負(fù)荷燃燒狀態(tài)

當(dāng)熱負(fù)荷需求逐漸減少時，并且功率輸出需求降低到只需預(yù)混器的小口徑文丘里混合通道開啟和燃燒器第一混合氣空間進(jìn)行功率輸出時，預(yù)混器上的電磁開關(guān)閥和輸氣蓋體的電磁開關(guān)閥將同時處于斷電狀態(tài)，輸氣蓋體的第二出氣口和大口徑文丘里混合通道被關(guān)閉。此時大口徑文丘里混合通道進(jìn)氣口的擋片沒有預(yù)混風(fēng)機(jī)卷吸抽力的作用，在重力作用下復(fù)位至原來的位置狀態(tài)，大口徑文丘里混合通道縮管處的燃?xì)鈬娮毂粨跗P(guān)閉，只剩下小口徑文丘里混合通道縮管處的燃?xì)鈬娮焱?，空氣只能從預(yù)混器的進(jìn)氣口端進(jìn)入小口徑文丘里混合通道，燃?xì)鈩t只能噴入小口徑文丘里混合通道與空氣進(jìn)行混合，且混合氣只能進(jìn)去燃燒器的第一混合氣空間，并由燃燒器第一混合氣空間對應(yīng)的火孔噴出進(jìn)行燃燒。如圖10 所示，此時為燃燒器部分負(fù)荷燃燒狀態(tài)。

圖10 部分負(fù)荷燃燒狀態(tài)

4 試驗與分析

4.1 試驗設(shè)備與條件

試驗設(shè)備：冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t樣機(jī)、燃?xì)獠膳療崴疇t整機(jī)測試臺、煙氣分析儀。

試驗條件：使用12 T 天然氣，燃?xì)鈮毫? 000 Pa，環(huán)境溫度28.5 ℃，大氣壓力101.1 kPa，燃?xì)鉁囟?8.3 ℃。

冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t作為載體樣機(jī)，將本文所述燃燒系統(tǒng)安裝于其內(nèi)，進(jìn)行燃燒穩(wěn)定性、負(fù)荷調(diào)節(jié)比和煙氣測試，并按圖11 所示試驗臺方式進(jìn)行采暖爐安裝，采用相關(guān)的測試設(shè)備進(jìn)行測試。

圖11 試驗臺及樣機(jī)、燃?xì)饬髁坑嫼蜔煔夥治鰞x

4.2 性能試驗

4.2.1 試驗一：全通道負(fù)荷燃燒狀態(tài)性能試驗

設(shè)置預(yù)混器上的電磁開關(guān)閥和輸氣蓋體的電磁開關(guān)閥都處于通電狀態(tài)，預(yù)混器混合管的大口徑文丘里混合通道處于“通啟”狀態(tài)，使燃燒器處于全負(fù)荷燃燒狀態(tài)。在此狀態(tài)下，調(diào)節(jié)測試樣機(jī)中的燃?xì)獗壤y，使其功率輸出對應(yīng)的煙氣產(chǎn)物達(dá)到排放合理參數(shù)值，設(shè)定最小功率風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 500 r，最大功率輸出風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為8 000 r，依次調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，測試記錄各煙氣成分含量。

表2 全通道負(fù)荷測試數(shù)據(jù)參數(shù)

4.2.1 試驗二：全通道低負(fù)荷燃燒狀態(tài)性能試驗

設(shè)置預(yù)混器上的電磁開關(guān)閥處于斷電狀態(tài)，但輸氣蓋體的電磁開關(guān)閥處于通電狀態(tài)，使預(yù)混器混合管的大口徑文丘里混合通道處于“閉合”狀態(tài)，只有預(yù)混器的小口徑文丘里混合通道處于“通啟”狀態(tài)，但燃燒器還是處于全通道燃燒狀態(tài)。在此狀態(tài)下，設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為（1 500 ～3 500）r，測試記錄各煙氣成分含量。

相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表3。

表3 全通道低負(fù)荷測試數(shù)據(jù)參數(shù)

4.2.2 試驗三：單通道部分負(fù)荷燃燒狀態(tài)性能試驗

設(shè)置預(yù)混器上的電磁開關(guān)閥和輸氣蓋體的電磁開關(guān)閥均處于斷電狀態(tài)，使預(yù)混器的大口徑文丘里混合通道處于“閉合”狀態(tài)，小口徑文丘里混合通道處于“通啟”狀態(tài)，而燃燒器處于部分負(fù)荷燃燒狀態(tài)。在此狀態(tài)下，設(shè)置風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為（1 200～ 3 000）r，測試記錄各煙氣成分含量。

相關(guān)測試數(shù)據(jù)如表4 。

表4 單通道部分負(fù)荷測試數(shù)據(jù)參數(shù)

4.3 試驗結(jié)果分析

由數(shù)據(jù)表2、表3、表4 可知，冷凝式燃?xì)獠膳療崴疇t樣機(jī)在預(yù)混器和輸氣蓋體的電磁閥都處于通電狀態(tài)時，預(yù)混器的開度和燃燒器的有效燃燒面積都處于最大狀態(tài)，測試樣機(jī)對應(yīng)的最大功率為30.93 kW（對應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速8 000 r），最小功率為4.62 kW（對應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r），在此狀態(tài)下負(fù)荷調(diào)節(jié)比約為6.7 ∶1，此時屬于常規(guī)全預(yù)混燃燒系統(tǒng)的正常調(diào)節(jié)范圍。

當(dāng)預(yù)混器的電磁開關(guān)閥處于斷電但輸氣蓋體的電磁開閥處于通電狀態(tài)時，預(yù)混器的開度處于最小狀態(tài)，燃燒器的有效燃燒面積仍保持處于最大狀態(tài)，測試樣機(jī)對應(yīng)的最大功率為8.48 kW（對應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 500 r），最小功率為3.23 kW（對應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 500 r）。

當(dāng)預(yù)混器的電磁開關(guān)閥和輸氣蓋體的電磁開閥都處于斷電時，預(yù)混器的開度處于最小狀態(tài)，燃燒器的有效燃燒面積也處于最小狀態(tài)，測試樣機(jī)對應(yīng)的最大功率為4.53 kW（對應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r），最小功率為1.12 kW（對應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 200 r）。此狀態(tài)下，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速（1 500 ～3 000）r 時仍能維持正常燃燒，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于1 500 r 時，則容易出現(xiàn)煙氣超標(biāo)、無法維持正常燃燒導(dǎo)致熄火的狀況。

根據(jù)以上測試結(jié)果，在所述預(yù)混器和輸氣蓋體電磁開關(guān)閥相互切換控制模式下，可得到三段不同的功率輸出特性曲線，如見圖12 所示。測試樣機(jī)可調(diào)節(jié)達(dá)到的最大熱負(fù)荷為30.93 kW，最小熱負(fù)荷為1.12 kW，采用上述的雙通道文丘里管預(yù)混器和分段式燃燒器的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)，全預(yù)混冷凝式壁掛爐測試樣機(jī)的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)比可達(dá)到27 ∶1 左右，為了保證燃燒穩(wěn)定和煙氣排放符合指標(biāo)要求的情況下，最小負(fù)荷時則需要預(yù)混器和輸氣蓋體的電磁開閥均處于斷電狀態(tài)，且最小風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置不低于1 500 r，對應(yīng)最小功率為1.53 kW，此時全預(yù)混冷凝式壁掛爐的熱負(fù)荷調(diào)節(jié)比約為20 ∶1。

圖12 功率與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速運(yùn)行特性

5 結(jié)論

本文對雙通道預(yù)混器和分段式燃燒器從工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，并把其組合設(shè)計的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)在整機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行控制作了試驗研究與分析，通過整機(jī)性能試驗得出了相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果表明：

1）本文所述的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)在整機(jī)運(yùn)行測試，在所述預(yù)混器和輸氣蓋體電磁開關(guān)閥相互切換控制模式下，可得到三段不同的功率輸出特性曲線，實現(xiàn)全預(yù)混分段燃燒。

2）采用上述雙通道文丘里管預(yù)混器和分段式燃燒器的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)，熱負(fù)荷調(diào)節(jié)比可達(dá)到27 ∶1 左右，可穩(wěn)定燃燒的功率調(diào)節(jié)比也能達(dá)到20 ∶1，得到較大的寬頻功率調(diào)節(jié)范圍。

綜上，本文所述的雙文丘里混合通道預(yù)混器和分段式燃燒器的全預(yù)混燃燒系統(tǒng)方案能得到超寬頻負(fù)荷調(diào)節(jié)性能，為解決全預(yù)混燃燒負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍較小問題提供了一種解決方向的參考，特別對大功率機(jī)型能得到超寬頻負(fù)荷調(diào)節(jié)比更具有實用意義，為用戶提供更佳的供暖舒適性和生活熱水使用體驗。