強鼓式燃氣熱水器燃燒器進風部分結構優化

摘要

摘　要：采用計算流體力學(CFD)方法對某型號強鼓式燃氣熱水器燃燒器內空氣速度場進行數值模擬，分析存在的問題，對燃燒器的進風(空氣)部分的結構進行優化。對優化前后的強鼓式燃

摘　要：采用計算流體力學(CFD)方法對某型號強鼓式燃氣熱水器燃燒器內空氣速度場進行數值模擬，分析存在的問題，對燃燒器的進風(空氣)部分的結構進行優化。對優化前后的強鼓式燃氣熱水器的熱效率及煙氣中一氧化碳體積分數進行了實測。優化后，熱效率平均提高1.06％，煙氣中一氧化碳體積分數平均下降30％。

關鍵詞：強鼓式燃氣熱水器；燃燒器；穩壓室；布風板；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

強鼓式燃氣熱水器(以下簡稱熱水器)因其結構緊湊、燃燒充分、價格合理而成為市場上備受消費者歡迎的燃氣熱水器之一^[1-2]。熱水器的結構見圖1，燃燒器包括穩壓室、布風板、火排等。熱水器底部風機將燃燒所需空氣送入穩壓室，一部分空氣在燃氣噴嘴處通過燃氣引射作用進入燃燒器與燃氣混合，該部分空氣為一次空氣；另一部分空氣經過穩壓室內布風板上的孔后，進入燃燒器與燃氣混合，為二次空氣。燃氣一空氣混合物在燃燒器內進行燃燒，燃燒形成的高溫煙氣通過強制對流的方式進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流動著需要加熱的冷水，煙氣將熱量傳給肋片并加盤管內的冷水，冷水被加熱成熱水輸出。

由風機送入的空氣需要通過穩壓室、布風板進行均勻布風，以保證燃氣一空氣混合物在火排上正常燃燒。燃燒器內空氣與燃氣的均勻混合，能夠避免燃氣燃燒不完全，繼而產生有毒有害物質的現象，從而提高熱水器安全性能。

目前，市場上熱水器的穩壓室、布風板幾乎沒有設計依據。因此，采用一種科學且有效的方法對穩壓室、布風板進行優化設計，對提高熱水器的燃燒穩定性具有現實意義。從布風原理來看，風機送入穩壓室的空氣被布風板較為合理地分配到燃燒器是一個典型的流體力學問題^[3]。因此，本文采用計算流體力學(CFD)方法對熱水器燃燒器進風部分結構進行優化。

2　模擬及結果分析

某公司生產的熱水器燃燒器結構見圖2，布風板開孔位置見圖3。燃燒器內的氣體流態為湍流，并屬于受限多孔射流類型，因此可采用標準k-e湍流模型對燃燒器內部空氣的速度場進行數值模擬。在對燃燒器物理模型進行網格劃分時，將燃氣噴嘴作為重點關注對象，對燃氣噴嘴周圍采取網格加密處理，所有網格均為六面體網格^[4]。由于火排部分結構不規則，因此采用非結構化網格和結構化網格共用的方法，燃燒器物理模型的網格劃分見圖4。在風機額定參數條件下，模擬得到的燃燒器內部空氣速度場見圖5。由圖5可知，在穩壓室內存在渦旋，渦旋易產生以下不利影響：造成穩壓室空氣流動不穩定，導致布風板出風不均勻；造成穩壓室內空氣流動不暢，使得由燃氣噴嘴引射的一次空氣量減少。

針對該公司生產的熱水器燃燒器的穩壓室結構，計算得到的一次空氣系數僅為0.51，這說明一次空氣量偏低。經過分析，我們認為該公司采用的穩壓室結構存在問題，而且布風板開孔位置的不規則性導致設計難度增大。因此，考慮對穩壓室結構進行優化，并采取規則的布風板開孔位置設計。為評價穩壓室結構優化效果以及布風板規則開孔位置的影響，對改造后的熱水器熱效率及排放特性進行測試。

3　優化內容與效果驗證

①優化內容

我們采取的優化方案是在穩壓室內增設一個擋板，并對布風板的開孔進行重新布置。改造后的穩壓室結構及布風板開孔位置分別見圖6、7。改造后，通過調節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定且不受燃燒過程的影響。二次風由于處于一個楔形通道內，使得流動更容易均勻，消除穩壓室內的渦旋氣流的產生。改造后燃燒器內部空氣速度場見圖8。