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(nèi)空氣速度場進行數(shù)值模擬，分析存在的問題，對燃燒器的進風(空氣)部分的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。對優(yōu)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(shù)進行了實測。優(yōu)化后，熱效率平均提高1.06％，煙氣中一氧化碳體積分數(shù)平均下降30％。

關(guān)鍵詞：強鼓式燃氣熱水器； 燃燒器； 穩(wěn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)見圖1，燃燒器包括穩(wěn)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(wěn)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(jīng)過穩(wěn)壓室內(nèi)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(nèi)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(nèi)流動著需要加熱的冷水，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。

由風機送入的空氣需要通過穩(wěn)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(nèi)空氣與燃氣的均勻混合，能夠避免燃氣燃燒不完全，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，市場上熱水器的穩(wěn)壓室、布風板幾乎沒有設(shè)計依據(jù)。因此，采用一種科學且有效的方法對穩(wěn)壓室、布風板進行優(yōu)化設(shè)計，對提高熱水器的燃燒穩(wěn)定性具有現(xiàn)實意義。從布風原理來看，風機送入穩(wěn)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(jié)構(gòu)進行優(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，因此可采用標準k-e湍流模型對燃燒器內(nèi)部空氣的速度場進行數(shù)值模擬。在對燃燒器物理模型進行網(wǎng)格劃分時，將燃氣噴嘴作為重點關(guān)注對象，對燃氣噴嘴周圍采取網(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。在風機額定參數(shù)條件下，模擬得到的燃燒器內(nèi)部空氣速度場見圖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)壓室空氣流動不穩(wěn)定，導致布風板出風不均勻；造成穩(wěn)壓室內(nèi)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(chǎn)的熱水器燃燒器的穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)，計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，我們認為該公司采用的穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)存在問題，而且布風板開孔位置的不規(guī)則性導致設(shè)計難度增大。因此，考慮對穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，并采取規(guī)則的布風板開孔位置設(shè)計。為評價穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果以及布風板規(guī)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(yōu)化內(nèi)容與效果驗證

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)一個擋板，并對布風板的開孔進行重新布置。改造后的穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)及布風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。二次風由于處于一個楔形通道內(nèi)，使得流動更容易均勻，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)部空氣速度場見圖8。

②效果驗證

為了驗證優(yōu)化方案的效果，抽取3臺熱水器作為原型樣機，在滿負荷條件下，進行熱效率及排放特性測試。然后對穩(wěn)壓室結(jié)構(gòu)及布風板開孔位置進行改造，在滿負荷條件下，進行熱效率及排放特性測試。原型機額定熱功率為24kW，額定產(chǎn)水能力為12L／min。

由測試結(jié)果可知，改造后的熱效率有所提高，平均提高了1.06％(絕對值)。煙氣中CO的體積分數(shù)顯著下降，平均下降了30％。這說明燃氣與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。布風板規(guī)則的開孔位置對熱水器的熱效率沒有影響，降低了布風板的設(shè)計難度。

參考文獻：

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[2]蔡瑩，秦朝葵．燃氣熱水器技術(shù)進展[J]．煤氣與熱力，2006，26(11)：34-37．

[3]楊慶泉，沈德強，全惠君，等．強鼓式燃氣熱水器空氣分流板的研究[J]．煤氣與熱力，2003，23(5)：282-284．

[4]BARTON I E．Comparison of SIMPLE and PISO-type schemes for transcient flows[J]．Number Methods Fluids，1998(26)：459-480．

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

  華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室