呂昕宇， 劉文博， 劉貴川， 周偉業(yè)， 張夢婷

(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司 城市燃氣熱力研究院， 天津 300384；2.國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 天津 300384)

1 概述

燃氣采暖熱水爐風機的選擇應(yīng)根據(jù)煙氣體積流量和風壓確定。煙氣體積流量通過燃具的熱輸入確定，風壓則通過排氣管阻力確定。排煙過程阻力的影響因素包括給排氣管材質(zhì)、給排氣管末端形式、給排氣管長度、彎頭數(shù)量和擋風圈內(nèi)直徑等。大氣式燃氣采暖熱水爐大多數(shù)為強制給排氣(1P)型，采用引風機(以下簡稱風機)，同軸式給排氣管。同軸式給排氣管的外管為給氣管，內(nèi)管為排氣管，排氣管比給氣管長，以防止煙氣回流。給排氣管根據(jù)材質(zhì)不同，可以分為不銹鋼給排氣管和搪瓷給排氣管。樣機的原配給排氣管一般為同軸式給排氣管，由90°彎頭和一段給排氣管直管組成，90°彎頭的垂直軸線至排氣管端面的長度一般為1.0 m。但在實際安裝過程中，由于安裝位置的限制，從安裝位置至排出室外的給排氣管長度可能大于1.0 m，有時還需要增加彎頭。同時，為了追求較高的熱效率，風機出口處會加裝擋風圈，使煙氣流動速度降低，煙氣與熱交換器換熱更充分，從而強化換熱。以上措施都會影響排煙過程中的沿程阻力或局部阻力，從而影響風機的性能，改變風機的排煙量，影響燃氣采暖熱水爐的燃燒性能。

對于燃氣采暖熱水爐，當風機選定后，風機的特性曲線不會改變，但排氣管阻力的變化會引起排氣管阻力特性曲線的變化，從而引起風機工況點的改變，使得煙氣體積流量減少或增加，影響進入燃燒室的空氣量等，進而影響煙氣體積流量。根據(jù)GB 25034—2010《燃氣采暖熱水爐》(以下簡稱GB 25034—2010)第9.2.2條的要求，燃氣采暖熱水爐需使用原配給排氣管。對于同一臺燃氣采暖熱水爐而言，給排氣管的材質(zhì)等已經(jīng)確定，因而本文主要研究給排氣管長度的變化以及加裝不同尺寸的擋風圈所引起的排氣管阻力的改變，通過測量不同排氣管阻力下的煙氣體積流量、熱效率、過?？諝庀禂?shù)、煙氣中CO、NOx體積分數(shù)等，分析排氣管阻力對燃燒工況的影響，為燃氣采暖熱水爐的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2 煙氣體積流量、排氣管阻力理論計算

對于烷烴類燃氣，理論空氣量可按以下經(jīng)驗公式近似計算[1]。

Va0=2.83×10-4Hi

(1)

式中Va0——理論空氣量，m3/m3

Hi——燃氣的低熱值，kJ/m3

對于天然氣，理論煙氣量可按以下經(jīng)驗公式近似計算[1]。

V0f=2.52×10-4Hi+2

(2)

式中V0f——理論煙氣量，m3/m3

實際煙氣量可按以下公式計算[1]。

Vf=V0f+(α-1)Va0

(3)

(4)

式中Vf——實際煙氣量，m3/m3

α——過?？諝庀禂?shù)

φ(O2)——干煙氣中O2的體積分數(shù)，%

φ(CO2)——干煙氣中CO2的體積分數(shù)，%

燃氣采暖熱水爐樣機的煙氣體積流量可以根據(jù)樣機的額定熱輸入，按照以下公式計算[1]。

(5)

式中qV——煙氣體積流量，m3/h

Φn——額定熱輸入，kW

風機需要克服排氣管阻力，排氣管阻力主要來自于擋風圈、彎頭產(chǎn)生的局部阻力和排氣管的沿程阻力。排氣管阻力按下式計算[1]。

(6)

式中 Δp——排氣管阻力，Pa

λ——摩擦阻力系數(shù)

l——計算管段的長度，m

d——計算管段的內(nèi)直徑，m

v——煙氣流速，m/s

ρ——實驗工況下測量斷面的煙氣密度，kg/m3

ξ——局部阻力系數(shù)之和

煙氣在排氣管中溫度基本相同，可以近似認為排氣管中的煙氣密度與測量斷面的煙氣密度相同，因而公式(6)中煙氣密度取測量斷面的煙氣密度。由于擋風圈的局部阻力系數(shù)難以確定，通過公式(6)難以計算出排氣管阻力，因此，本文選用下述實驗方法測試計算排氣管阻力。

3 實驗裝置及方法

3.1 實驗裝置

選取1臺大氣式燃氣采暖熱水爐作為樣機進行實驗研究。樣機的額定熱輸入為27.2 kW。其原配給排氣管為搪瓷同軸式給排氣管，由90°彎頭和直管段組成，其中，外管為給氣管，其內(nèi)直徑為100 mm，內(nèi)管為排氣管，其內(nèi)直徑為60 mm。90°彎頭和直管段之間為承插連接，可拆卸。給氣管末端端面開條狀孔，作為進氣孔，排氣管末端的側(cè)壁開條狀孔作為排氣孔，端面不開孔。原配給排氣管見圖1。

圖1 原配給排氣管

樣機采用交流變速風機，風機出口與排氣管相連，風機出口外直徑為60 mm。風機的輸入功率為60 W，風機特性曲線見圖2。樣機在額定熱輸入工況下的設(shè)計風機轉(zhuǎn)速為2 300 r/min，相應(yīng)的風壓為136 Pa，風量為122 m3/h。在額定熱輸入工況下，樣機采用原配給排氣管時，需配備內(nèi)直徑為43 mm的擋風圈，擋風圈為安裝在風機出口處改變風機出口截面積的環(huán)狀裝置，其內(nèi)直徑?jīng)Q定排煙口的截面積。

圖2 風機特性曲線

3.2 實驗方法

實驗中燃氣采暖爐的運行模式為供暖模式，實驗用氣采用12T基準氣，供氣壓力為2 000 Pa。實驗條件、燃燒產(chǎn)物的采樣及樣機的安裝均按照GB 25034—2010第7.1節(jié)的規(guī)定進行。實驗期間保持熱平衡狀態(tài)，實驗樣機在額定熱輸入時，記錄煙氣中O2、CO、CO2、NOx的體積分數(shù)、排煙溫度、風機出口的全壓和靜壓、排氣管出口的全壓。在排氣管出口處對煙氣進行采樣，由煙氣分析儀讀取煙氣中各組分的體積分數(shù)。排煙溫度采用熱電偶在排氣管出口處測量。壓力測試裝置見圖3，壓力計采用半導(dǎo)體壓力傳感式壓力計(以下簡稱壓力計)[2]，壓力計端口“+”“-”符號表示壓力的相對高低，壓力計高壓端連接測試點，低壓端連接大氣，壓力計1的讀數(shù)為風機出口的全壓pq，壓力計2的讀數(shù)為風機出口的靜壓pj，壓力計3的讀數(shù)為排氣管出口的全壓pyc。

圖3 壓力測試裝置

從風機出口到排氣管出口的壓力降為這段排氣管的阻力，排氣管阻力按照公式(7)進行計算。

py=pq-pyc

(7)

式中py——排氣管阻力，Pa

pq——風機出口的全壓，Pa

pyc——排氣管出口的全壓，Pa

實際煙氣體積流量按照以下公式計算[3]。

(8)

qV,f=3 600vA

(9)

式中pj——風機出口處的靜壓，Pa

qV,f——實際煙氣體積流量，m3/h

A——風機出口處截面積，m2

樣機在安裝不同擋風圈、不同長度的給排氣管和不同數(shù)量的彎頭的工況下進行實驗。安裝擋風圈進行實驗時，采用原配給排氣管。擋風圈安裝在風機出口與排氣管相接的部分，在風機出口全壓取壓點和風機出口靜壓取壓點的下游，擋風圈的內(nèi)直徑通常為40～50 mm。因此，本文選取內(nèi)直徑分別為41、43、45、47、50 mm的擋風圈和無擋風圈進行實驗。無擋風圈時，由于風機出口內(nèi)直徑為60 mm，因而可以近似認為此時采用內(nèi)直徑為60 mm的擋風圈。

排氣管的長度只影響沿程阻力，對于相同長度和材質(zhì)的排氣管，沿程阻力應(yīng)相同，因而測出1.0 m排氣管的阻力，即可計算出不同排氣管長度的沿程阻力。在進行排氣管的沿程阻力和加裝90°彎頭的阻力測試實驗時，不加裝擋風圈，排氣管長度分別取1.0、2.0、3.0、4.0 m。

90°彎頭的數(shù)量通常不超過2個，因而除原配給排氣管上的彎頭外，再加裝1個90°彎頭進行實驗。

4 數(shù)據(jù)分析與討論

4.1 煙氣體積流量和排氣管阻力

① 擋風圈內(nèi)直徑的影響

不同擋風圈所對應(yīng)的風機及排氣管出口壓力見圖4。從圖4可以看出，隨著擋風圈內(nèi)直徑的增大，風機出口的全壓和靜壓都逐漸減小，減小幅度較為平緩，排氣管出口的全壓逐漸增加，增長速度逐漸增快。

圖4 不同擋風圈所對應(yīng)的風機及排氣管出口壓力

擋風圈內(nèi)直徑主要影響管道的局部阻力，不同擋風圈所對應(yīng)的排氣管阻力見圖5。由圖5可以看出，隨著擋風圈內(nèi)直徑的增大，排氣管阻力從60 Pa減小到9 Pa，擋風圈內(nèi)直徑對管道阻力的影響并不是呈線性，擋風圈內(nèi)直徑越小，阻力增長速度越快。

圖5 不同擋風圈所對應(yīng)的排氣管阻力

不同擋風圈所對應(yīng)的煙氣體積流量見圖6。由圖6可以看出，隨著擋風圈內(nèi)直徑的增大，煙氣體積流量逐漸增大。圖6中3種散點分別代表根據(jù)經(jīng)驗公式(5)計算的標準狀態(tài)(273.15 K，101 325 Pa)下煙氣體積流量(以下簡稱計算煙氣體積流量)，根據(jù)公式(9)計算的實測煙氣體積流量(以下簡稱實測煙氣體積流量)，以及根據(jù)實測煙氣體積流量折算到標準狀態(tài)下的煙氣體積流量(以下簡稱折算煙氣體積流量)。計算煙氣體積流量與折算煙氣體積流量存在偏差的原因在于實驗過程中未采用純甲烷，因而熱值、燃氣組成等存在偏差，不能達到完全一致，但兩者隨著擋風圈內(nèi)直徑增加所增加的趨勢基本相同，都成非線性正相關(guān)，擋風圈內(nèi)直徑越大，兩者的增加幅度越平緩。

② 排氣管長度和彎頭數(shù)量的影響

圖6 不同擋風圈所對應(yīng)的煙氣體積流量

不同排氣管長度和90°彎頭數(shù)量所對應(yīng)的風機及排氣管出口壓力見圖7。圖7及后續(xù)的圖中，1號排氣管長度為1.0 m，2號排氣管長度為2.0 m，3號排氣管長度為3.0 m，4號排氣管長度為4.0 m，5號排氣管長度為3.0 m并加裝1個90°彎頭，5個排氣管都帶有原配給排氣管上的彎頭，對應(yīng)的工況風機出口都不加裝擋風圈。

圖7 不同排氣管長度和90°彎頭數(shù)量所對應(yīng)的風機及排氣管出口壓力

從圖7可以看出，隨著排氣管長度和彎頭數(shù)量的增加，風機出口的全壓和靜壓都逐漸增大，增加幅度較為平緩，排氣管出口的全壓逐漸減小，當加裝90°彎頭后排氣管出口全壓變化較大。

不同排氣管長度和彎頭數(shù)量所對應(yīng)的排氣管阻力見圖8?？梢钥闯?，隨著排氣管長度的增加，排氣管阻力基本上呈線性增加，排氣管長度平均每增加1.0 m，排氣管阻力平均增加9 Pa。加裝1個90°彎頭后，排氣管阻力增加23 Pa，明顯大于1.0 m排氣管引起的阻力變化。大部分樣機說明書針對最長給排氣管的規(guī)定為，每安裝1個90°彎頭，應(yīng)減少1.0 m給排氣管。但是，本文的實驗結(jié)果顯示，90°彎頭的阻力約為2.5 m排氣管產(chǎn)生的阻力，對煙氣排放的影響更大。因此，對于最長給排氣管工況，加裝彎頭屬于更不利工況。

不同排氣管長度和彎頭數(shù)量所對應(yīng)的煙氣體積流量見圖9?？梢钥闯觯S著排氣管長度和彎頭數(shù)量的增加，煙氣體積流量逐漸減小，基本呈現(xiàn)線性變化。

圖8 不同排氣管長度和彎頭數(shù)量所對應(yīng)的排氣管阻力

圖9 不同排氣管長度和彎頭數(shù)量所對應(yīng)的煙氣體積流量

③ 對比分析

從圖5、圖6、圖8、圖9可以看出，2號排氣管與原配排氣管加裝內(nèi)直徑為47 mm的擋風圈對應(yīng)，排氣管阻力以及煙氣體積流量基本相同，排氣管阻力分別為18 Pa和17 Pa，與1號排氣管相比，其阻力分別增加9 Pa和8 Pa，實測煙氣體積流量分別為70 m3/h和71 m3/h。4號排氣管與原配排氣管加裝內(nèi)直徑為45 mm的擋風圈對應(yīng)，排氣管阻力以及煙氣體積流量基本相同，排氣管阻力分別為36 Pa和35 Pa，與1號排氣管阻力相比，其阻力分別增加27 Pa和26 Pa，實測煙氣體積流量都為66 m3/h。5號排氣管與原配排氣管加裝內(nèi)直徑為43 mm的擋風圈對應(yīng)，排氣管阻力以及煙氣體積流量基本相同，排氣管阻力分別為50 Pa和49 Pa，與1號排氣管阻力相比，其阻力分別增加41 Pa和40 Pa，實測煙氣體積流量分別為63 m3/h和65 m3/h。由此可見，安裝不同長度的排氣管和不同數(shù)目的彎頭時，可以與原配排氣管加裝相應(yīng)的擋風圈時的排氣管阻力達到基本相同，相對應(yīng)工況下的燃燒工況也較為相近。

需要說明的是，從實驗數(shù)據(jù)可以看出，1號排氣管的實測阻力為9 Pa，明顯低于90°彎頭和1.0 m直排氣管阻力之和，這可能是由于原配排氣管的出口測壓點周圍有排氣孔，對測壓值的準確性有一定的影響，從而產(chǎn)生誤差。因此，為了避免該誤差對實驗數(shù)據(jù)分析的影響，將不加擋風圈的原配排氣管的工況作為基準工況，后文的阻力數(shù)據(jù)分析只針對與基準工況阻力的相對值進行分析。

根據(jù)GB 25034—2010第7.5.8條和第7.6.3條的規(guī)定，燃氣采暖熱水爐在進行氣流監(jiān)控裝置測試及特殊燃燒工況CO含量試驗時，需在樣機安裝最長給排氣管的情況下進行。一般情況下，若樣機安裝原配給排氣管，測試中需配備擋風圈，而在樣機安裝最長給排氣管時，需摘除擋風圈。當增加給排氣管長度產(chǎn)生的阻力小于加裝擋風圈產(chǎn)生的阻力時，最不利工況應(yīng)為原配給排氣管加裝擋風圈的工況。因此，建議在進行GB 25034—2010第7.5.8條和第7.6.3條的試驗時，在最不利工況下進行，即阻力最大的工況下進行，而非一定在最長給排氣管下進行。

4.2 排氣管阻力對煙氣體積流量的影響

擋風圈內(nèi)直徑、排氣管長度以及彎頭數(shù)量等因素均會影響排氣管阻力，排氣管阻力的變化會影響燃燒工況。排氣管阻力與實測煙氣體積流量的關(guān)系見圖10，圖10及后續(xù)的圖中，第1組工況表示擋風圈內(nèi)直徑改變引起的排氣管阻力改變所對應(yīng)的燃燒工況，擋風圈內(nèi)直徑分別為60、50、47、45、43、41 mm，分別對應(yīng)圖中第1組工況的從左至右的6個工況點。第2組工況表示給排氣管長度以及彎頭數(shù)量改變引起的排氣管阻力改變所對應(yīng)的燃燒工況，所采用的排氣管分別為1～5號排氣管，分別對應(yīng)圖中第2組工況的從左至右的5個工況點。由于第1組工況中的擋風圈內(nèi)直徑為60 mm的工況(即無擋風圈工況)，與第2組工況中的采用1號排氣管的工況是相同的，因此，兩組工況的第1個點是重合的，即在圖中對于某一參數(shù)，兩組工況的左邊的第1個點是重合的。從圖10可以看出，排氣管阻力越大，實測煙氣體積流量越小。無論是第1組工況還是第2組工況，排氣管阻力與實測煙氣體積流量之間都近似呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達95%，第1組工況的曲線斜率為-0.20，第2組工況的曲線斜率為-0.23，說明排氣管長度不同造成的阻力變化對實測煙氣體積流量的影響略大于擋風圈內(nèi)直徑改變對實測煙氣體積流量的影響。

圖10 排氣管阻力與實測煙氣體積流量的關(guān)系

4.3 排氣管阻力對過剩空氣系數(shù)和熱效率的影響

排氣管阻力的增加，會造成熱輸入的減小，但減小幅度較小，阻力由9 Pa增加到60 Pa，熱輸入從27.7 kW降低到27.2 kW，降低了2.0%，熱輸入的降低可能是由于燃燒室壓力的增大，造成燃氣進入量略有減小。其次隨著阻力的增大，煙氣溫度逐漸降低，煙氣溫度從136 ℃逐漸降至115 ℃，這是由于阻力的增加，造成煙氣在燃燒室內(nèi)時間增長，與換熱器接觸更加充分，使得換熱效果有所提高，降低了煙氣帶走的熱量。

排氣管阻力與過剩空氣系數(shù)和熱效率的關(guān)系見圖11。由圖11可知，排氣管阻力分別與過?？諝庀禂?shù)和熱效率近似呈線性關(guān)系，兩組工況對過?？諝庀禂?shù)和熱效率的影響程度略有不同。隨著排氣管阻力的增加，過剩空氣系數(shù)逐漸減小。排氣管阻力較小時，過?？諝庀禂?shù)太大，空氣濃度增加，使得燃燒溫度降低，降低了熱效率。阻力越大，熱效率越高，對于擋風圈內(nèi)直徑的減小引起的排氣管阻力增加，阻力每增加10 Pa，熱效率平均增長量的絕對值為0.8%。對于排氣管長度的增長引起的排氣管阻力的增加，阻力每增加10 Pa，熱效率平均增長量的絕對值為0.9%，因此，排氣管長度的改變對熱效率的影響更大。

圖11 排氣管阻力與過?？諝庀禂?shù)和熱效率的關(guān)系

4.4 排氣管阻力對CO和NOx體積分數(shù)的影響

排氣管阻力與CO體積分數(shù)和NOx體積分數(shù)的關(guān)系見圖12。由圖12可知，排氣管阻力越大，CO體積分數(shù)越高，但由于所有工況下的CO體積分數(shù)都較小，CO最大體積分數(shù)與最小體積分數(shù)之間只相差7×10-6，無法判斷兩類工況的排氣管阻力對CO體積分數(shù)的影響，因而有待于進行進一步實驗研究。NOx體積分數(shù)變化較為明顯，相同阻力下，第1組工況的NOx體積分數(shù)高于第2組工況的NOx體積分數(shù)。

5 結(jié)論

擋風圈內(nèi)直徑和排氣管長度都會影響排氣管阻力，從而影響燃燒工況。通過改變擋風圈內(nèi)直徑以及排氣管長度進行排氣管阻力實驗，并分析排氣管阻力對燃燒工況的影響，得出以下結(jié)論：

圖12 排氣管阻力與CO體積分數(shù)和NOx體積分數(shù)的關(guān)系

① 排氣管阻力與擋風圈內(nèi)直徑之間呈非線性負相關(guān)，擋風圈內(nèi)直徑越小，排氣管阻力增長速度越快。

② 對于內(nèi)直徑60 mm的搪瓷排氣管，1個90°彎頭的阻力約為2.5 m排氣管的阻力。

③ 熱效率、NOx體積分數(shù)隨著排氣管阻力的增加近似呈線性增加，過?？諝庀禂?shù)、煙氣體積流量隨著排氣管阻力的增加近似呈線性減小。

④ 安裝合適長度的給排氣管和合適數(shù)量的彎頭時，可以與原配給排氣管加裝相應(yīng)的擋風圈時的排氣管阻力、煙氣體積流量達到基本相同，燃燒工況也較為相近。