燃气热水器在不同海拔地区的适应性研究

范 威，梁国荣

(广东美的厨卫电器制造有限公司，广东 佛山 528311)

燃气热水器随着国家经济技术发展和其自身快速高效供热的特点，已经逐渐地成为家庭洗浴首选家电产品。目前，燃气热水器的生产和设计几乎全部集中在我国东部沿海经济发达的低海拔地区。我国幅员辽阔，地理环境复杂多变，从青藏高原到东部沿海，不同的地区海拔不同，大气压力随着海拔的增加而逐渐降低，空气逐渐稀薄。而燃气热水器是一种依靠燃烧理论来支撑的家用电器，海拔的变化对其能否正常工作有着很大的影响。因此，研究海拔对燃气热水器运行的影响和其对不同海拔地区适应性的方法研究是很重要的。

1 燃烧稳定的关键指标

1.1 燃气燃烧反应方程式

燃气的燃烧反应方程是所有的碳氢化合物燃烧反应前后物质本身的变化，以及反应物和产生物之间的摩尔比例关系［1］。

对于所有的碳氢化合物CmHn类燃气与空气的燃烧化学反应方程式都可以用式1 表示：

式(1) 的意义为1 mol 的CmHn完全燃烧需要的空气完全燃烧时的物质的量之间的关系。

根据理想状态方程：

可知：

式中：n1、n2为分别为完全燃烧反应下燃气和空气的物质的量；P 为燃烧反应时的大气压；R 为普适气体常数；T 为燃烧反应时的环境温度；V1、V2分别为标准大气压下完全燃烧反应中燃气和空气的体积。

通过式(3)可以知道燃气完全燃烧反应，在相同的大气压与环境温度条件下，燃气与所需空气的体积量是不变的。

因此，可以得出燃烧稳定的关键指标为：只要满足燃气与空气的体积比不变，就能满足稳定燃烧的状态，且不会随着大气压和环境温度的变化而变化。

1.2 过剩空气系数

如前述的理论空气量是完全燃烧的最小空气量。由于燃气与空气存在混合不均匀性，在实际反应中如果只供给理论空气是不能完全燃烧的，因此实际供给的空气量是大于理论空气的［1］。实际供给的空气量V 与理论需要空气量V0之比称为过剩空气系数 α，即：

通过式(3)与式(5)可知只要满足不变，在不同的大气压力下均可以满足稳定燃烧的状态。

燃气热水器的设计标准条件为：101.3 kPa，温度15 ℃。对应的V1为设计标准条件下的燃气流量，αV2为设计标准条件下风机的风量。

2 海拔对燃气热水器的影响

2.1 海拔对燃气密度的影响

海拔的升高意味着大气压强的降低，而绝对压强能直接影响气体的密度，根据理想气体状态方程：

式中：P0为设计标准大气压101.3 kPa；为任意海拔下的大气压。

2.2 海拔对燃气流量的影响

根据伯努利方程可以知道喷嘴的出口速度［2］为：

式中：ν 为燃气喷嘴流速；μ 为喷嘴流量系数；△P 为喷嘴前压；ρg为燃气密度。

所以喷嘴流量计算为：

式中：Vg为喷嘴的气流量；S 为喷嘴总截面积。

由于燃气的供气压力是被规定的，燃气热水器的结构不变的情况下，对于任意海拔，△P，μ，S 不变，其燃气喷嘴总流量与标准状态下设计总流量的比值为：

根据10 可得：

由此可见，随着海拔的增加，燃气热水器的燃气流量会增加。根据式(11)可以推算出不同海拔燃气流量增加的比值计算公式为：

表1 给出了不同海拔下燃气热水器燃气流量的增加百分比。

表1 不同海拔燃气流量增加量

2.3 海拔对风机流量的影响

因为燃气热水器的整机结构不变，故风机的转速不变。所以在不同的海拔下只影响空气的密度，而并不会影响风机的风量，因此风机的供气体积量αV2不变。

3 燃气热水器对于海拔的适应性方案

第一种为针对不同海拔，根据燃气流量增加公式，设计燃气比例阀调节程序来调节△P，进而减少燃气的供给量，使保持不变。

第二种为通过程序增加风机的转数，使αV2增大，进而保持不变。

由于第二种方案增加了风机风量，会带来燃烧速度变化等新情况，在设计余量不大的情况下可能出现脱火等问题，所以在实际的设计使用中建议采用第一种方案来满足燃气热水器对不同海拔地区的使用适应性问题。

采用第一种方案，分别在广东佛山和青海西宁进行了烟气排放的对比测试试验，实验数据如表2。

表2 广东佛山和青海西宁进行了烟气排放的对比测试数据

通过表2 可以看出，在不改变燃气量输出的情况下，西宁测试的烟气明显变差，CO 和NOx 的排放明显变多。在采用了方案一改变燃气输出后，CO 和NOx 得到改善，排放情况与佛山的测试结果相当。由此可以证明，针对不同海拔采用方案一是有效的。