强鼓式燃气热水器燃烧器进风部分结构优化_技术研究

摘要

摘　要：采用计算流体力学(CFD)方法对某型号强鼓式燃气热水器燃烧器内空气速度场进行数值模拟，分析存在的问题，对燃烧器的进风(空气)部分的结构进行优化。对优化前后的强鼓式燃

摘　要：采用计算流体力学(CFD)方法对某型号强鼓式燃气热水器燃烧器内空气速度场进行数值模拟，分析存在的问题，对燃烧器的进风(空气)部分的结构进行优化。对优化前后的强鼓式燃气热水器的热效率及烟气中一氧化碳体积分数进行了实测。优化后，热效率平均提高1.06％，烟气中一氧化碳体积分数平均下降30％。

关键词：强鼓式燃气热水器；燃烧器；稳压室；布风板；一次空气；二次空气

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　热水器工作原理及研究方法

强鼓式燃气热水器(以下简称热水器)因其结构紧凑、燃烧充分、价格合理而成为市场上备受消费者欢迎的燃气热水器之一^[1-2]。热水器的结构见图1，燃烧器包括稳压室、布风板、火排等。热水器底部风机将燃烧所需空气送入稳压室，一部分空气在燃气喷嘴处通过燃气引射作用进入燃烧器与燃气混合，该部分空气为一次空气；另一部分空气经过稳压室内布风板上的孔后，进入燃烧器与燃气混合，为二次空气。燃气一空气混合物在燃烧器内进行燃烧，燃烧形成的高温烟气通过强制对流的方式进入燃烧器上部的肋片管式换热器，肋片管式换热器的盘管内流动着需要加热的冷水，烟气将热量传给肋片并加盘管内的冷水，冷水被加热成热水输出。

由风机送入的空气需要通过稳压室、布风板进行均匀布风，以保证燃气一空气混合物在火排上正常燃烧。燃烧器内空气与燃气的均匀混合，能够避免燃气燃烧不完全，继而产生有毒有害物质的现象，从而提高热水器安全性能。

目前，市场上热水器的稳压室、布风板几乎没有设计依据。因此，采用一种科学且有效的方法对稳压室、布风板进行优化设计，对提高热水器的燃烧稳定性具有现实意义。从布风原理来看，风机送入稳压室的空气被布风板较为合理地分配到燃烧器是一个典型的流体力学问题^[3]。因此，本文采用计算流体力学(CFD)方法对热水器燃烧器进风部分结构进行优化。

2　模拟及结果分析

某公司生产的热水器燃烧器结构见图2，布风板开孔位置见图3。燃烧器内的气体流态为湍流，并属于受限多孔射流类型，因此可采用标准k-e湍流模型对燃烧器内部空气的速度场进行数值模拟。在对燃烧器物理模型进行网格划分时，将燃气喷嘴作为重点关注对象，对燃气喷嘴周围采取网格加密处理，所有网格均为六面体网格^[4]。由于火排部分结构不规则，因此采用非结构化网格和结构化网格共用的方法，燃烧器物理模型的网格划分见图4。在风机额定参数条件下，模拟得到的燃烧器内部空气速度场见图5。由图5可知，在稳压室内存在涡旋，涡旋易产生以下不利影响：造成稳压室空气流动不稳定，导致布风板出风不均匀；造成稳压室内空气流动不畅，使得由燃气喷嘴引射的一次空气量减少。

针对该公司生产的热水器燃烧器的稳压室结构，计算得到的一次空气系数仅为0.51，这说明一次空气量偏低。经过分析，我们认为该公司采用的稳压室结构存在问题，而且布风板开孔位置的不规则性导致设计难度增大。因此，考虑对稳压室结构进行优化，并采取规则的布风板开孔位置设计。为评价稳压室结构优化效果以及布风板规则开孔位置的影响，对改造后的热水器热效率及排放特性进行测试。

3　优化内容与效果验证

①优化内容

我们采取的优化方案是在稳压室内增设一个挡板，并对布风板的开孔进行重新布置。改造后的稳压室结构及布风板开孔位置分别见图6、7。改造后，通过调节挡板位置可以获得合理的一二次空气量比例，保证一次空气量能够稳定且不受燃烧过程的影响。二次风由于处于一个楔形通道内，使得流动更容易均匀，消除稳压室内的涡旋气流的产生。改造后燃烧器内部空气速度场见图8。