燃烧系统密封性对燃气采暖热水炉性能的影响

郭林林 何俊浩 刘建锋

（广东万和热能科技有限公司 佛山 528300）

引言

国家标准GB 25034-2020《燃气采暖热水炉》[1]明确规定了燃气采暖热水炉燃烧系统密封性的标准值。由于燃气采暖热水炉以天然气为燃料，天然气燃烧后生成的烟气含有CO、NOx等对人体有害的气体。当采暖炉排烟通道遇到堵塞时，燃烧系统密封性较差会造成大量有害烟气在室内泄漏，从而危及用户安全，因此燃烧系统密封性越小越好。在实际情况中，不同的密封性会影响整机的外部空气进入，从而改变燃烧系统的空气系数，对整机的燃烧工况造成影响，而燃烧工况的变化会影响到采暖炉的冷态启动、烟气排放和热效率、给/排气工况监控等国标性能。因此，通过探究不同的燃烧系统密封性对采暖炉的冷态启动电压、烟气和热效率、给/排气工况监控等方面的影响，可以更科学地设计燃烧系统密封性，优化采暖炉整体性能。

1 实验条件

2020版国标根据排气管安装方式以及输入功率的不同对燃烧系统密封性设定了不同的标准值，例如给/排气管的结构类型为同轴式，只安装了连接给排气管的连接件，额定热负荷Фn≤40 kW的采暖炉，其最大允许漏气量为3 m³/h[1]。

本次实验选取一台额定热负荷为20 kW，采用交流风机、同轴式给/排气烟管的大气式燃气采暖热水炉，机型条件如表1所示。实验采取在燃烧系统的侧面钣金件上开设漏气孔，通过调整漏气孔的大小及数量来得到对应的漏气量。测试选取采暖炉燃烧系统的漏气量分别为1 m³/h、3 m³/h、5 m³/h进行分别测试。测试时的环境参数如表2所示。

表1 测试机型条件

表2 测试环境参数

2 实验测试结果与分析

2.1 漏气量的变化对整机冷态启动电压的影响情况

测试内容:在国标中对自动点火装置有一项规定要求，即采暖炉供电电压在额定电压的（85～110）%波动范围内，自动点火装置应正常工作[1]。本次实验是在已匹配好风机和风压开关的前提下，通过改变采暖炉燃烧系统密封性，在不同漏气量状态下来测试自动点火装置正常工作所需的最低冷态启动电压。

根据表3实验数据可看出，在相同条件下，漏气量越大，采暖炉自动点火装置能正常工作的冷态启动电压越高。由于采暖炉启动电压与风机风压值和风压开关开启值有直接影响，数据表明当漏气量大时，系统内部阻力小，在相同的电压条件下，风机产生的风压值就小，通过测试读取了风机文丘里产生的风压值。

表3 不同漏气量状态下采暖炉的冷态启动电压

由表4数据可看出，实验样机使用的此款风机，在相同供电电压的情况下，风机产生的风压值会随着漏气量的增大而减小。

表4 相同输入电压下风机最高风压值

2.2 漏气量的变化对正常燃烧工况下采暖热效率与烟气成分含量的影响情况

测试内容：在采暖模式状态，额定热负荷工况下运行，调节循环系统水及冷却水流量至采暖供回水温度达到80 ℃/60 ℃后，对整机采暖热效率进行测试，测试结果如表5所示。

表5 不同漏气量状态下额定燃烧工况的热效率

根据表2实验数据可看出，随着漏气量的增大，整机的采暖热效率有较小幅度的降低，但也可以看出采暖热效率的差距很小，为排除此差距是由于测试误差造成的，对整机正常燃烧工况的烟气成分含量进行了测量。本次采用烟气分析仪testo 350对烟气进行测量，同时用温度仪探测烟管排烟出口处的烟气温度。

采暖炉额定热负荷是固定的标称值，燃烧所需实际空气是有最佳需求量的，大气式常规壁挂炉最佳燃烧时的过剩空气系数a=1.8左右。当漏气量越大时，燃烧系统中的过剩空气系数增加，烟气中的CO含量降低，O2含量升高，随之带着的热量也多，体现在排烟温度的升高。根据表6可看出，随着整机燃烧系统漏气量增大，燃烧后生成的烟气成分中氧含量升高，CO含量降低，排烟温度升高。

表6 不同漏气量状态下正常燃烧工况的烟气成分含量

因此，当漏气量在1到5这个区间段时，燃烧系统的气密性越好，整机的采暖热效率越高，但烟气中一氧化碳的含量也相对高些。

2.3 漏气量的变化对整机给/排气运行工况监控的影响情况

测试内容: 根据国标中7.5.6.1给/排气运行工况监控实验方法，对于持续监控型采暖炉，安装规定的最长烟管，在额定热负荷工况下，达到热平衡后，逐渐堵塞排气管至采暖炉停机，CO（a=1）浓度大于0.2 %之前应关闭燃气[1]。本次采用烟气分析仪testo 350对烟气进行测量并记录停机时烟气中CO、NOx值，测得数据如表7所示。

表7 不同漏气量状态下逐渐堵塞排气管至采暖炉停机时的烟气成分含量

根据图1可看出，在各种不同的燃烧系统密封性下，逐渐堵塞烟管排气管至采暖炉停机，当烟气中O2含量低至一定值后，漏气量越大，采暖炉停机时排出的烟气中CO越低。

图1 不同漏气量下排气管堵塞时co的变化

图2 不同漏气量状态下逐渐堵塞排气管后风机产生的风压值曲线

根据表7可看出，逐渐堵塞排气管至停机熄火时，燃烧系统漏气量越大，熄火时烟气中O2含量越高，CO、NOx含量越低。而风压开关作为持续监控型采暖炉中给/排气运行工况的一种监控工具，主要受风机驱动产生的风压值影响。实验测试表明在相同O2含量的情况下，燃烧系统漏气量越大，风机驱动产生的风压值越小。为了验证上述分析，做了不同漏气量状态下逐渐堵塞排气管后风机产生的风压值实验，测试所得数据如表8所示。

表8 不同漏气量状态下逐渐堵塞排气管后风机产生的风压值

由测试数据可看出，当逐渐堵塞排气管，烟气中的O2含量会越来越低，在相同O2含量的情况下，燃烧系统漏气量越大，风机驱动产生的风压值越低，由于风压开关的关闭值是恒定不变的，因此漏气量越大，采暖炉越容易停机熄火，熄火保护时O2含量更高，CO、NOx含量更低。

3 结论

通过测试数据对比，可得出以下结论:

1）当燃烧系统密封性差，漏气量越大时，燃气采暖热水炉的采暖和卫浴热效率都会逐渐下降，燃烧后产生的烟气中O2含量随之增多，带走的热量更多，排烟温度也逐渐升高，热量损失随之增多；

2）当燃烧系统密封性差，漏气量越大时，燃烧系统内部阻力将随之减少，风机驱动产生的风压值会逐渐变小，以至于风压开关不能正常闭合工作，只有提高电源电压，风机驱动产生的风压值才会增大，风压开关才能正常闭合工作。因此漏气量越大，燃气采暖热水炉的冷态启动电压会越高；

3）安装规定的最长烟管进行给/排气运行工况监控实验，逐渐堵塞排气管至采暖炉熄火，当漏气量越大时，采暖炉保护熄火时烟气中CO、NOx含量越低。

综上，从整机能效和冷态启动电压的角度来说，燃烧系统密封性越优越好,也就是漏气量越小越好，从堵塞排气管熄火保护的角度来说，适当放宽整机燃烧系统密封性可稍微改善熄火时的烟气中CO排放。因此，燃烧系统密封性应在符合国标的前提下，平衡考虑各项目性能指标参数，设计出最优的燃烧系统密封性。