中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2015年年会论文集自动分段燃烧技术的功率匹配分析 (1.广州市精鼎电器科技有限公司;2.佛山市艾绅热能科技有限公司)摘要:本文对燃气具自动分段燃烧的热负荷的分配进行了分析,对各分段燃烧热负荷 的变化范围与恒温热水连续性的影响进行了探讨,并给出了避免系统共振的各种改善建议。 关键词:分段燃烧热负荷分配的计算;分段式燃气比例阀;系统共振 1引言 燃气热水器在夏季使用时,由于进水的温度较高,使用出水温度较低,进出水的温差很小,经常 容易出现出水的温度比设定温度高,给消费者的使用带来了很大的不方便。目前,燃气热水器在恒温 热水的总体设计方案中,采用了分段比例阀来实现自动控制分段燃烧的方法,以扩展了燃气热水器的 热负荷输出范围,解决了燃气热水器热具小负荷输出偏大的问题。 计算在各分段条件下的燃烧功率分配是分段燃烧设计中的一个非常重要的环节,如何保障在分 段切换点保持恒温性能的连续性,以及在高气压、小负荷情况下不产生系统共振,这都是系统设计时 要考虑的问题。为此我们选择两类机型对上述环节进行了浅析。 2热负荷计算的公式理论 已知燃具的热负荷可以由以下计算式计算: Q=O.25nn d2 vHs 式中:卜燃具的热负荷,kW;俨_燃具的燃气喷嘴数;出_燃气喷嘴直径,m;1,一燃气从喷嘴 流出的速度,m/s;风一燃气高位热值,kJ/m3。 由流体力学可知,燃气从喷嘴流出的速度与燃气流过的速度和喷嘴前后的压差有关,燃气流出的 速度可用下式计算: 式中:卜气流速度,m/s;卸——-燃气从喷嘴流出前后的压差,Pa;名——燃气的密度,kg/m3。 330中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2015年年会论文集 式中:tog——空气的密度,kg/m3。 意大利人华白(w曲be)提出将当做为一个特征数,则得到: 0p g/pa g/pa_dg式中:卜华白数(kJ/m3);吱——燃气相对密度(空气相对密度为1)。 则热负荷可用下式计算: Q=O.25n槲J警M. 3三分段燃烧方式的功率分配验算为了结合实际例子,以一款用动芯式分段比例阀的10 L天然气热水器为例,对其设计的合理性 进行验证。 (1)全开时热负荷计算的验证 已知:分气杆喷嘴为1001.25 mill,其中第一段火喷嘴个数为401.25 nun,第二段火喷嘴个 数为6m1.25 iTlrn,全开状态喷嘴个数为IOX01.25 m/n,在全开状最小二次压力为150Pa--E20Pa;最 大二次压力为1 180Pa_a:20Pa。 通过热负荷计算式(4)可以计算出全开状态最小热负荷和最大热负荷(其中城镇燃气的试验气表可 得12T气种中,低热值华白数为41.1l MJ/m3): 烈全开最大热负荷)=0.25nzd2 =21.56(kW) Q(全开最小热负荷)=0.25 xnnd2 =7.67(kW) W:0.25lOX 3.14X O.001252 幸W=0.25lOX 3.14X 0.001252 41110 4lll0 (2)用测试流量方法验证设计功率 为证实以上设计计算数据是否正确,对该机全开段的最大热负荷与最小热负荷的燃气流量进行了 测试。具体结果见表1。 表1全开天然气流量表 全开状态的天然气流量(喷嘴个数为1001.25mm) 测试项目 全并最小热负荷流量 全开最大热负荷流量 天然气流量(m3ha 0.720 2.089 天然气每立方米燃烧热值为35587.8 kJ/m3。l kwh=3600 l【J,因此天然气热值折算为9.88 kwh /m3。根据表1所测试的数据我们可以计算全开最大热负荷: 331 中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2015年年会论文集p(全开最大热负荷)=2.089 m3/h木9.88 kWh/m3=20.64 kWh 根据表1所测试的数据我们可以计算出全开最小热负荷: Q(全开最小热负荷)=0.720 m3/h木9.88 kWh/m3=7.1l kWh 理论计算全开最大热负荷为21.56 kWh,实际测试为20.64 kWh,实际值与理论值相4.27%;理论 计算全开最小热负荷为7.67 kWh,实际测试为7.11 kWh,实际值与理论值相差7.3%。 由此从理论计算和实验测试的数据确定了该机的功率范围和其准确程度。 (3)三分段燃烧方式功率分配的合理性分析 针对于使用动芯比例分段阀10L天然气机型的燃气热水器各个分段阶段的耗气量,我们测试了动 芯比例分段阀门在各个分段阶段的天然气流量,具体流量分布见表2。从表2中我们可以很清晰的看 到不同燃烧段的耗气量的分布(见图1)。 表2(各段火状态下的流量分布表) 控制电 一段火状态的天然气流量 二段火状态的天然气流量(m3/h) 全开状态的天然气流量(m3/h) 流(mAl (m3/11)(喷嘴数为4 kWhm1.25) (喷嘴个数为601.25) (喷嘴个数为10m1.25) 74 0.315 0.434 0.720 84 0.367 0.525 0.847 94 O.424 0.607 0.960 104 0.471 0.678 1.089 114 0.522 0.748 1.200 124 o.565 O.819 1.299 134 0.607 0.889 1.412 144 0.649 O.95l 1.525 154 0.692 1.016 1.647 164 0.732 1.094 1.765 174 0.776 1.158 1.871 184 O.819 1.228 1.995 194 0.852 1.292 2.089 332 天然气 流量Q 2.22.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 O.8 0.6 0.4 0.2 第一段流 第二段流 全开流 量分布 量分布 量分布 图1各段耗气量分布图 中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2015年年会论文集 1kg水温度升高1 K的热量为4.19 kJ/min=0.07 kW。(1 kWh=3600 kJ)以10 L/min计算,那么 10 L水每分钟所升高1 K的温度消耗的功率为0.7 kW/K。 从图1中的数据可以看出第一段火热负荷与第二段热负荷的重叠区占了一段火全程热负荷的 77.8%,约为4.13 kW,水温变化为5.9 K(4.13KW/0.7 kW/K);第二段火热负荷与全开热负荷的重叠 区占了第二段火全程热负荷的66.7%,约为5.65 kW水温变化为8 K;第一段火热负荷与全开热负荷 的重叠区占了第一段火全程热负荷的24.7%,约为1.31 kW水温变化为1.9 K。根据以上的分析我们 将数据整理成表3。 表3重叠区分布表 类别 重叠区百分比 重叠区功率 重叠区10L/mm水量的温升 第一段火热负荷与第二 77.8% 4.13KW 5.9K 段火热负荷的重叠区 第二段火热负荷与全开 66.7% 5.65KW 8K 热负荷的重叠区 第一段火热负荷与全开 24.7% 1.31KW 1.9K 热负荷的重叠 从表3数据我们可以看出: (1)选用三段火燃烧方式,我们可以看出:切换区域的热负荷范围较为宽,那么在大小火分段切 换的状态下不会出现出热水温度断点,即恒温热水不连续的现象。 (2)选用两段火燃烧,我们可以看出:第一段火热负荷与全开热负荷的重叠区的热负荷只有1.3l kW,允许水温调节变化温升为1.9 K,切换区域范围较窄,在某一个温度的情况下容易频繁出现一段 火和全开段火之间切换的状态,就会出现出热水温度断点,即恒温热水不连续的现象。 (3)如果不采用分段燃烧方式,那么最小热负荷与最大热负荷的比值为1:2.9(7.11/20.64),而采 用分段燃烧后燃气热水器的最小热负荷与最大热负荷的比值为1:6.6(3.11/20.64)。通过分段燃烧后, 燃具的最小热负荷与最大热负荷的比值由l:2.9提高到l:6.6,调节范围增加到2.27倍以上,这样减 小了最小火热水温升,增加了热水器的适应使用舒适度。 4二分段燃烧方式的功率分配验算 以一款12L天然气机型的燃气热水器为例进行热负荷计算验证, (1)热负荷计算验证 已知:第一段火喷嘴个数为7X1.02 mm,全开状态喷嘴个数为18cDl.02 mm。在全开状态最 d"-次压力为160Pa-士20 Pa,最大二次压力为940-J:20 Pa;在第一段火状态最小二次压力为200Pa士20 Pa,最大二次压力为1 120士20 Pa。 通过热负荷计算式(4)o--J以计算出各段最小热负荷和最大热负荷。 (全开最大热负荷)=0.25n兀d2 =23.07(kW) W=0。25X 183.14x 0.001022 Xx41110 中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2015年年会论文集 Q(全开最小热负荷)=0.25nnd2 =9.52(kW) Q(一段最大热负荷)=0.25nnd2 =9.79(kW) Q(一段最小热负荷)=0.25nnd2 W=0.25183.140.00102 W=0.2573.14O.001022 W=0.2573.14x 0.001022 =4.14(kW) 由以上计算数据可以得出图2(分段功率分布图)。 第一段功 率分布 全开功 率分布 41110 41110 41110 (2)二分段燃烧方式功率分配的合理性分析 从图2可以看出第一段火热负荷与全开热负荷的重叠区占了第一段火全程热负荷的4.8%,约为 0.27 kW;l kg水温度升高l K的热量为4.19 kJ/min=0.07 kW(1kwh=3600 kJ)。以12L/min计算, 那么12L水每分钟所升高1 K的温度消耗的功率为0.84 kW/K。在一段火热负荷与全开热负荷的重叠 区12L/min水量允许水温变化为0.3K。根据以上的分析我们可以将数据整理成以下数据表4。 表4重叠区分布表 类别 重叠区百分比 重叠区功率 重叠区12L的温升 一段火热负荷与全开热负荷的重叠 4.8% 0.27KW 0.3K 从这个案例中我们可以看出第一段火热负荷与全开热负荷的重叠区的热负荷只有0.27 kW,允许 12L/min水温调节变化温升为0.3K,切换区域范围太窄,在水流量较小的某一个温度的情况下容易频 334 中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2015年年会论文集繁出现一段火和全开段火之间切换的状态,造成热水器热水温度断点和恒温热水不连续的现象。在因 此选用的两段火燃烧方式时一定要特别注意:不仅关注最小火功率,更要认真计算功率分配的合理性, 保持适度的重叠区间,保持恒温热水的连续性。 (3)分段功率匹配不当引起在高气压下共振现像 在测试过程中我们发现当燃烧一次压力过大时,在小负荷条件下,在某个区间燃烧时就会引起整 机与比例阀的共振。以下是第一段火的二次压力接近切换点时,一次压在1.4￣2倍的标准压力下,发 生的共振现象,详见表5。 表5一段火的共振测试 序号 一次压Pl=1-2 kPa 一次压P1=2—2.8kPa 一次压p1=2.8-3kPa 一次压P1=3--4kPa 无共振现象无共振现象 无共振现象 有共振现象 无共振现象无共振现象 有共振现象 有共振现象 无共振现象无共振现象 有共振现象 有共振现象 无共振现象无共振现象 有共振现象 有共振现象 无共振现象无共振现象 有共振现象 有共振现象 系统共振的分析与解决方向 (1)燃气比例负载系统的固有频率的设计分析 负载系统的固有频率是确定比例控制系统共振频率的重要参数,一般情况下,负载系统是整个比 例控制系统动态响应最低的环节,而整个闭环系统响应的快速性,又是由系统中动态特性最低的元件 (环节)决定的。因此,在系统设计一开始,就估算负载系统的固有频率,可使设计人员对系统对动 态特性有一个大致的了解,为系统方案的拟定和元件选型提供可靠依据。 负载系统可等效为一个弹簧质量系统。其中的弹簧作用由比例阀到喷嘴之间的燃气介质产生,如 3图所示。 wo一贬 倒3负载的效弹簧质量系统固有频率的计算公式可简单表示为: 式中:疗一负载质量系统的固有频率,Hz:m——比例阀驱动件的质量,蚝;K——由燃气压力等效形成的燃气介质弹簧刚度,N/m。 其中,燃气介质弹簧的刚度主要由系统体积和喷嘴大小决定。其弹簧刚度为: 矿式中:E——燃气的弹性模量,Pa;矿——系统的容积,m3;A——气路通道面积,m2;CL一喷嘴系数。 中国土木工程学会燃气分会应用专业委员会2015年年会论文集 不难看出,负载质量系统的固有频率是由执行元件的结构尺寸(面积4、容积y、喷嘴)和所驱 动负载的质量决定的,这为确定系统中其他元件的固有频率提供了重要的参考。 从获得燃气比例控制系统良好的动态特性的角度出发,肯定是加的值越大越好,但在工程实践 中,提高扣会面临许多问题。其中,负载质量不能随意更改,系统几何尺寸受运动和安装空间的限 制不能随意变化,这些都是提高加不好解决的问题。因此,在燃气比例控制系统的设计过程中,_7白 应根据系统性能的需要来设计和选定。盲目提高_7白会使系统设计工作变得复杂,成本上升。当然, 过低的加会使系统的动态性能劣化。 (2)系统共振的原因 引起整机燃烧系统的共振的要素大致可以总结为以下几点: 1)整机气路的通道直径和气路的容积及气路结构的设计: 2)分段燃烧的分段功率的匹配; 3)气体气质:气质决定了燃气的弹性模量,是固有频率的主要参数; 4)一次压力过大:一次压过大是引起系统共振的起振要素; 5)整机二次压力的设计、燃烧系统的设计; 6)喷嘴结构设计、小负荷段喷嘴的数量及及喷嘴直径的大小; 7)风机参数的设计、控制器输出电流的大小及波形; 8)比例阀的结构设计、参数选择及阀门的制造精度。 (3)共振改善情况 根据以上的分析,为整机提出了改进建议,调整喷嘴直径及二次压力等方法避开了共振频率,取 得了良好的效果,详见表6。 表6改进后一段火的共振测试 序号 一次压PI=I~2KPa 一次压Pl=2~2.7KPa 一次压Pl=2.7~3KPa 一次压PI=3..4KPa 无共振现象无共振现象 无共振现象 无共振现象 无共振现象无共振现象 无共振现象 无共振现象 无共振现象无共振现象 无共振现象 无共振现象 无共振现象无共振现象 无共振现象 无共振现象 无共振现象无共振现象 无共振现象 无共振现象 6结语 从本文中可以看出分段燃烧的合理性分配在于功率的分配合理性,每段之间要有一个合适的重叠 区间,考虑到水压不足等因素重叠区可适当放宽;系统共振是涉及多个要素,特别是使用区域的燃气 条件,各部件厂要配合主机厂的设计工作,确定合理简捷的解决方案以适应市场情况,拓宽整机的适 用范围,满足客户需求。 参考文献: [1]