基于互换通用性原则的燃气热水器直流风机评估要素研究

邓飞忠 李志敏 吴桂安 谢志辉 仇明贵

（华帝股份有限公司 中山 528400）

引言

风机是燃气热水器作为供给补充燃烧所需的空气及将燃烧产物排出机器外界的关键部件，在设计端若无法对不同厂家风机做到完全可互换，则容易导致整机性能不稳定，生产过程效率低、售后维修难度增高等一系列问题。其风量与燃烧工况的不匹配会造成燃烧工况恶化，废气排放增加、热损失增大、噪音偏高等影响，同时在外界阻力较大情况下整机提前报风压故障或燃烧恶劣后仍不报故障，严重影响使用舒适性与安全性。

由此对风机的可互换性论证方法进行研究可以有效解决上述问题，在设计端充分的试验验证将大幅降低市场故障率。本文旨在通过风机对燃烧系统的影响因素进行理论分析，确定风机互换性评估要素，最后通过实例说明此要素是符合评估风机是否满足通用互换性要求的方案。

1 直流风机对燃气热水器性能影响

1.1 空气量对燃气热水器稳定燃烧的影响分析

燃烧是气体燃料在一定条件下与氧发生激烈的氧化作用并释放大量显热、潜热与光的物理化学反应过程。稳定燃烧必须满足燃料与氧有充分合理的比例混合方能将燃料中的热量充分释放，氧量的过多或多少都不利于维持燃烧的稳定。由此可见氧气的供给对于燃气热水器稳定的工作显得尤为重要，以负压强抽天然气型燃气热水器为例，其保证燃烧所需的氧气的供给来源与喷嘴一次空气的引射及燃烧腔体内外压差所带入的二次空气的补充。燃烧器内部燃烧过程反应式为[1,2]：

燃料燃烧所需的实际空气量为：

式中：

α—过剩空气系数；

O2—燃气中O的容积成分（%）；

CmHn—燃气中可燃组分的容积成分（%）；

V0—理论空气量（%）；

V1—一次空气引射量（%）；

V2—二次空气吸入量（%）；

Vε——系统损失空气量（%）；

VCO—烟气中CO含量（%）；

β—燃料特性系数，与成分相关。

式（2）、（3）反映了维持燃气热水器系统稳定充分燃烧所需空气的量，即为一次引射空气、系统损失空气量与二次空气量的总和，同时也表示了烟气排放与实际燃烧所需空气量与燃气成分比、过剩空气系数之间的相关关系。

在燃烧系统可适应性范围内，供氧量的多少决定了燃烧系统烟气排放含量的大小：当供氧不足时，从式（3）表示分子被减项减小，分子项总体增大，导致烃类燃料不完全燃烧产生大量的CO，热能利用率大幅降低；供氧过量时，容易产生不离焰等稳定燃烧也会产生较多CO，因而一二次空气量的多少对燃烧系统排放有很大影响。

1.2 直流风机风量对整机性能的影响分析

对于直流负压强抽机型而言，直流风机是控制进风量的重要部件，其本身风量的影响因素主要分为电控因素和结构因素，电控因素通过控制电机的调速电压/电流来控制转速的大小，而结构因素主要受风机叶轮、蜗壳、排烟罩结构尺寸影响，结构的不同同时也对电机控制程序产生影响，因而风量的主要控制在于结构的参数设计，无损条件下风机叶轮在工作时所排出的理论风量为[3]：

式中：

Q—风量，m3/s；

ε—叶片排挤系数；

D—风轮直径，m；

b—风轮轮宽，m；

Vr—叶片径向分速度，m/s。

对于固定结构的风机风轮而言，其叶片任意处的径向分速度与该点圆周速度正相关，即同一结构下转速越大对应的径向分速度也越大，排出的流量也越大。调节风机的转速实质上就是调节排风量的大小，在负压强抽型热水器燃烧状态下，其通过排出燃烧腔体内部的废气使内部燃烧室处于负压，进而外界空气可以通过压差力的作用从燃烧器底部空隙中进入燃烧腔参与燃烧；在外界抗风压状态下，由于排烟阻力的增大，导致负压减小，原本的稳定燃烧状态被打破，完全燃烧所需的空气量严重不足，CO排放急剧升高，同时叶片径向分速度Vr减小，此时便需要对风机的转速进行补偿（增速）来提高径向分速度，保证一定的排风量；抗风压下报警转速线的设定也就是对保持系统在较为良好燃烧状态下的排风量要求，避免外界阻力大时燃烧工况恶劣产生大量废气的问题。

通过上述分析确定了风机对于燃烧系统的重要性，以及如何影响燃气热水器的相关性能，因此对于风机部件必须要满足互换通用要求。

1.3 风机互换性评估因素

风机通用互换性的前提是安装在整机上后各项性能指标满足整机设计要求，因风机主要是提供空气供给、废气排放的部件，故设定合适的评估要素是非常重要的，其实质上就是整机的部分设计要素，以下为定义评估风机互换性指标的几个关键要素：

1）全负荷段CO排放指标

根据上述分析可知CO的排放受空气供给量影响，各负荷段空气供给量与风机当前状态下排风量相关，即一二次空气量V1与V2占比，通过烟气中CO的含量可以反映燃烧系统的燃烧稳定性与充分性。CO排放需符合企标要求，即无风状态下标态烟管及最长烟管的CO要求需满足低于0.05 %和0.06 %。

2）抗风压

各负荷段的抗风压表示了系统抵抗外界风压阻力的能力，即风量V补偿的能力，表示着在燃烧工况发生恶化之前需进行熄火保护，对系统起到保护的作用。风压报警一般采用的机械保护和程序反馈保护，机械保护形式是对系统风机处的压力进行取压，压差力使膜片的产生的位移量来实现报警点值的设置；程序反馈保护则是采用转速/调速信号与压力的对应关系来设定转速的补偿及报警点转速的设定。

3）系统运行噪音

噪音也是衡量其是否可互换性中的重要方面，其包括风机本身产生的气流噪音、燃烧产生的噪音以及系统其它部件所产生或者交杂耦合形成的一系列噪音，转速不同、风量V不同和结构不同均会带来不同的气流噪音，可根据整机系统设定指标：如整机最大负荷运行噪音低于55 dB(A)。

4）风机适应性

风机适应性表示了在整机设置相同控制代码条件下不同风机的调速电压、电流、取压值及转速的偏离程度，表示了相同调速信号下风量V补偿的差异大小，也是直接导致了燃烧工况的差异。

2 评估因素的应用

应用上述评估因素对一款安装A厂家风机的13 L三分段负压直流强抽机型为研究实例进行分析，以此判别B厂家风机是否符合互换通用性要求，此产品的设计要求见表1，将其作为评估因素要求。测试条件为：使用CH4基准气，燃气一次压2 000 Pa，将 A风机调试好参数后按国标[4]要求进行测试，测试结果见表2。

表1 可互换通用性评估因素要求

表2 A风机在整机上的整体性能测试结果

从表2可以看出A风机是符合整机设计要求，并可以此作为评估的实例基准，进一步对其各负荷段的自然状态、恒压力状态下的烟气指标、抗风压能力进行测试作为分布基准来作为B厂家的对照参考，图中的PiL（i=1，2，3）表示各分段下的最小负荷，PiH表示各分段下的最大负荷，A风机测试完成后，在同一台机器上换上B风机进行相同条件测试，其试验结果如下：

1）烟气指标

从标管状态下A、B风机的CO排放分布及过剩O2分布来看（图1，2），两风机差异不大，CO折算之后均满足表1互换通用性要求；图3和图4为5米3弯下的CO分布及过剩O2分布，在自然状态下分CO排放B厂家比A厂家高14ppm，恒压之后接近，其CO折算之后满足表1要求。

2）抗风压、噪音指标

根据图5～7风机恒压测试之后的各负荷段抗风压值对应的转速对比可以看出，同一抗风压下A风机所需转速比B风机低，在最大负荷P3H段，达到250 Pa时A风机转速为3 990 r/min，而此抗风压下B风机转速需要4 700 r/min方可满足；在最小负荷P1L段，达到230 Pa抗风压值下A风机的转速为3 150 r/min，B风机转速为3 780 r/min，结果导致在设定的报警转速线下两风机所能达到的抗风压差异很大，可能在风机强行互换之后无法满足整机抗风压要求，按上述测得的结果设定两组不同的报警极限转速，对A、B风机再次进行抗风压及噪音测试（抗风压状态），其测试结果如表3所示：在设定第1组的报警转速线下，A风机抗风压及噪音均满足评估要素表要求，B风机抗风压低于要求（65～72）Pa，不符合要求；在设定第2组报警转速线下，A、B风机抗风压指标满足要求，B风机噪音高2.8 dB(A)，A风机噪音高3.6 dB(A)，不满足要求。从而在第1组设定转速下A风机满足要求，B风机不能满足互换通用性要求。

表3 不同报警转速线下A、B风机抗风压及噪音对比

3）风机适应性

将A、B风机在相同PWM控制代码对最大负荷及最小负荷下进行多组试验，得出相同PWM控制代码下电压与转速、电压与电流的关系，其测试结果如图8、9所示。

大、小负荷段相同代码下，A风机控制电压基本相同，主要是风机目前的调速信号是以控制电压为基准；小负荷段相同控制代码下A风机电流比B风机电流小（0.02～0.03）A，转速低（100～200）r/min；大负荷相同控制代码下A风机电流比B风机电流小（0.02～0.16）A，转速低（100～450）r/min。因此A、B风机在同一代码下的风机控制电流及转速偏离较大，若采用A风机后，B风机转速及电流的差异也会导致燃烧所需的空气供给不同而影响燃烧工况，故而也不符合互换通用性要求。

综上所述，A风机各项性能指标满足互换通用性要求，B风机不满足互换通用性要求，其不能实现与A风机互换通用，但是可以通过相应的评估要素对风机进行改进满足互换指标后可达到互换通用。通过上述实例分析可以看到此互换评估要素可以比较全面的对比出风机的差异，判别不同风机是否符合互换性要求，并为后续设计提供指导建议。

3 结论

本文对直流风机对燃气热水器的重要性了进行了分析，在设计开发中除了验证风机本身的可靠性之外，还必须要严格验证不同风机对同一产品的适应性，为比较充分的对风机进行系统的评估，提出了基于互换通用原则下的风机评估要素，并通过实例进行阐述对比，结果表明评估要素是可以较为充分的评估风机是否与系统完全匹配，并有以下结论：

1）燃气热水器风机的使用需要进行全面的分析，对于各负荷段稳定充分燃烧及性能至关重要，必须满足完全互换通用性才能应用；

2）将风机互换通用的评估要素分为全负荷段烟气指标、各负荷段抗风压指标、运行噪音指标和风机适应性指标可以比较充分全面的评估出不同的风机的差异及是否可互换；

3）对同一系统引入不同厂家风机进行设计时，通过互换通用评估要素可以快速、准确的分析出差异，并为后续互换通用化设计或改进提供一定的指导意义。