燃气热水器燃烧气柱振荡分析

燃气热水器燃烧气柱振荡分析

邓海燕

广东万家乐燃气具有限公司

摘要：燃烧系统是燃气热水器的核心系统之一，该系统的稳定性直接决定热水器整机性能，而燃烧气柱振荡作为不稳定燃烧时常出现。本文深入研究了燃烧气柱振荡生产机理以及音响固有频率影响因素，通过实验手段验证影响燃烧气柱振荡的因素，并针对影响相关因素提出相应的解决方案。

关键词：燃烧气柱振荡；声学固有频率；共振频率；空燃比

一、引言

燃烧系统是燃气热水器的核心系统，该系统优劣直接影响燃气热水器所有性能，如烟气、效率、噪音、风压、振荡等用户重点关注对象。烟气、效率、噪音、风压是国标中的强制性指标，行业内对此研究破多；而燃烧振荡因产生机理复杂，相关分析测试手段难度较高，行业对此研究较少。但其危害性小到干扰燃烧过程，产生机械振荡和噪音，未充分燃烧导致废气较多；大到减少燃烧器、热交换器工作寿命，甚至损坏燃烧器导致事故。因此要保证燃气热水器安全、高效和清洁运行，需在理论和设计中都避免燃烧振荡的出现。

燃烧振荡主要由燃烧放热脉动与燃料流量脉动、燃烧室内周期性涡脱落或混合当量比脉动等过程耦合。燃气热水器的燃烧振荡分为气柱振荡和体积振荡。气柱振荡是指具有较大燃烧室容积与较细长的烟管组成的燃烧系统，即流动系统（燃烧室、烟管）的音响固有频率与燃烧放热的变化相耦合引起振荡；体积振荡主要是指燃烧室内压力、流量的变化相同，服从瑞利准则而引起的，即燃烧室内压力变化使燃气与空气出口处压力变化，引起燃气量与空气量发生变化，进而导致燃烧放热速度发生变化，如燃烧速度变化与压力波之间满足瑞利准则，则振荡不断加强。鉴于燃烧振荡产生机理复杂和原因众多，如有点火振荡、分断切换振荡、大负荷振荡、长烟管振荡、低温环境振荡等。本文针对某产品重点分析由长烟管导致的气柱振荡。

二、气柱振荡与声学固有频率

气柱振荡多由外部激励源或热声耦合过程激发烟气声学固有频率所致。振荡频率由被激发的声学固有频率决定，燃烧室内声压则按声学固有频率对应的模态分布。可见，声学固有频率和模态直接影响到燃烧振荡是否发生以及发生时的振荡状态。其物理模型可简化为：气体在燃烧室是可压缩，而在烟管（细长管）不可压缩，烟管内不可压缩的气体（气柱）像活塞一样振荡，而燃烧室内可压缩的气体相当于弹簧，呈现与烟管内气柱振荡相同的压力波，相同相位相互耦合放大。即流动系统的音响固有频率与燃烧放热的变化相耦合引起。因此，流动系统的音响固有频率分析是气柱振荡研究的重点。

1.燃烧室简正频率分析

燃气热水器气流腔体由燃烧室、烟罩、排烟管构成，由于燃烧室、换热器、烟罩之间压差较小，将其简化合并为燃烧室腔体进行分析研究。其简化模型如图1，其中燃烧室的长、宽、高分别为L、W、H，排烟管直径、长度分别为D，LY，假设燃烧室内烟气温度均匀分布，则燃烧室内的简正声波动方程为

三、性能方针

本次采用Dymola模拟软件对小温差风机盘管结合空气源热泵的性能进行莫扭，使用Modelica语言进行程序编写，依据实验工况，获得出热负荷数据、室外空气温度数据、湿度诗句，将这些数据作为便捷条件，模拟出上海冬季（4°C~9°C）工况下小温差风机盘管+空气源热泵的运行性能，本次模拟的结果包括供回水温度、空调机组COP和机组功耗，同时开展实测数据进行对比[4]。表2为Dymola模拟数据与实测数据：

表2Dymola模拟数据与实测数据

经过对表2Dymola模拟数据的分析，小温差供热末端的全天COP模拟数值，同实测数值差距很小，满足精度上要求。在实测数据方面，同样选择上海冬天4°C~9°C环境，选择一典型日，回水温度分别采用30/35/40/45°C，经过测试，当回水温度从45°C降低到了30°C，COP从3.5直接上升了52%，变为5.31，因此可以充分证明，将小温差风机盘管安装在空气源热泵上，可以有效的提高整个空调系统的热舒适度、并提升系统能效。

四、结语

本次研究，首先介绍了空气源能热泵和风机盘管，随后利用实验证明小温差风机盘管可以有效满足热负荷需求，提升舒适度，经过实验，首先利用嵌入式风机盘管，同小温差风机盘管的性能进行了比较，证明即使在水温30°C情况下，小温差末端仍然可以满足室内热负荷的要求，不仅COP更好，而且有更小的耗电量，最后通过数据模拟充分证明，采用小温差风机盘管结合空气源热泵，COP会随着回水温度降低逐渐升高，总体来讲可以很好的满足建筑物室内热舒适要求。

参考文献：

[1]靳成成，王如竹，翟晓强，等.空气源热泵结合小温差风机盘管在高效舒适供热中的应用[J].化工学报，2016，67（z2）：51-57.

[2]李沛珂，刘东，王如竹，等.小温差风机盘管在空气源热泵系统中的应用[J].制冷技术，2017，37（3）：43-48.

[3]唐海达，张涛，刘晓华.长江流域住宅中混凝土辐射地板与风机盘管供暖性能实测[J].暖通空调，2017（11）：97-103.

[4]吴迪，胡斌，王如竹，等.我国空气源热泵供热现状、技术及政策[J].制冷技术，2017（5）：1-7.