范 威,黃茂林,韓曉箴,薛承志,李光華
(1.廣東美的廚衛(wèi)電器制造有限公司,廣東佛山 528311;2.云南省燃?xì)庥?jì)量檢測(cè)所,昆明 650216)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和西氣東輸工程的日臻完善,燃?xì)馊霊粢呀?jīng)成為目前新居建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置,燃?xì)鉄崴饕阎饾u超過(guò)了電熱水器,成為家庭沐浴和采暖的首選設(shè)備。我國(guó)幅員遼闊,地理環(huán)境復(fù)雜,從東部沿海到青藏高原,海拔不斷地升高。大氣壓力隨著海拔的增加而逐漸降低,空氣密度也隨之降低。燃?xì)鉄崴魇且环N依靠空氣燃燒為理論基礎(chǔ)的家用電器,海拔的變化對(duì)其能性能有著很大的影響。因此,研究海拔對(duì)燃?xì)鉄崴餍阅艿挠绊懯呛苤匾摹?/p>
國(guó)內(nèi)大部分的燃?xì)鉄崴魃a(chǎn)廠商都集中在東部沿海的低海拔地區(qū),對(duì)于高海拔地區(qū),由于環(huán)境、人口和基礎(chǔ)設(shè)施普及率等因素,一直都不是燃?xì)鉄崴麂N售和使用的重要地區(qū)。不同海拔對(duì)燃?xì)鉄崴餍阅茏兓挠绊懸恢币矝](méi)有深入地進(jìn)行研究分析。一些從業(yè)者僅對(duì)燃?xì)鉄崴畾獾臒嶝?fù)荷等進(jìn)行一些單一性能分析[1-3]。但其簡(jiǎn)化理論沒(méi)有考慮實(shí)際環(huán)境因素的影響,也沒(méi)有深入的理論計(jì)算推導(dǎo)和詳細(xì)的實(shí)測(cè)驗(yàn)證。
本文將通過(guò)海拔、空氣組分、溫濕度等因素的影響,推導(dǎo)出燃?xì)鉄崴鞯臒嶝?fù)荷自然衰減比率、整機(jī)風(fēng)壓值變化和煙氣中氧含量值3 個(gè)重要性能的理論計(jì)算公式。并在海拔為15 m的廣東省佛山市和海拔1 891 m的云南省昆明市進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證,對(duì)比理論與實(shí)測(cè)的誤差,驗(yàn)證其正確性和可行性。
圖1 所示為燃?xì)鉄崴鞯恼麢C(jī)結(jié)構(gòu)圖,其結(jié)構(gòu)是不會(huì)隨著環(huán)境因素而變化的。
圖1 燃?xì)鉄崴鞯恼麢C(jī)結(jié)構(gòu)圖
燃?xì)鉄崴鞯钠骶咔皦? 000 Pa 為規(guī)定值和相對(duì)值,因此在不同海拔環(huán)境下燃?xì)獗壤y受壓相同,分氣桿的噴嘴前壓ΔP相同且為相對(duì)壓。
根據(jù)ΔP計(jì)算公式可得:
式中:ΔP為噴嘴前壓;ρr0、ρrh分別為0和h海拔下的燃?xì)饷芏?;vr0、vrh分別為0和h海拔下的燃?xì)鈬娮斐隹谒俣取?/p>
根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程PV=nRT可得:
式中:P0、Ph分別為0 和h海拔下的大氣壓力;Tr0、Trh分別為0和h海拔下的燃?xì)鉁囟取?/p>
h和0海拔下單位時(shí)間內(nèi)的燃?xì)饬髁抠|(zhì)量比為:
式中:Mr0、Mrh分別為0 和h海拔下噴嘴噴出的燃?xì)赓|(zhì)量;A為噴嘴燃?xì)獬隹诳偯娣e。
根據(jù)等溫氣壓公式[4]:
負(fù)荷自然衰減率的理論計(jì)算公式為:
式(5)~(6)中:θ為負(fù)荷自然衰減率;M為大氣分子的摩爾質(zhì)量;g為重力加速度;R為普適氣體常數(shù);Tk0為0海拔下大氣的溫度。
圖1中風(fēng)壓傳感器取壓口1與風(fēng)機(jī)取壓嘴相連,取風(fēng)機(jī)處的壓力。風(fēng)壓傳感器取壓口2取燃?xì)鉄崴髑惑w壓力。整機(jī)風(fēng)壓為取壓口1與取壓口2的壓力差值。
燃?xì)鉄崴魑磫?dòng)時(shí),風(fēng)機(jī)未轉(zhuǎn)動(dòng),整機(jī)風(fēng)壓為0。燃?xì)鉄崴鲉?dòng)后,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)空氣流動(dòng),整機(jī)風(fēng)壓可以用如下公式計(jì)算:
式中:F0、Fh分別為0 和h海拔下的整機(jī)風(fēng)壓;vf0、vfh分別為0和h海拔下風(fēng)機(jī)取壓嘴處風(fēng)速;vk0、vkh分別為0和h海拔下風(fēng)壓傳感器取壓口2處風(fēng)速。
風(fēng)機(jī)風(fēng)速和風(fēng)壓傳感器取壓口2 處風(fēng)速與風(fēng)壓葉輪轉(zhuǎn)速是成正比的,因此:
式中:Z0、Zh分別為0和h海拔下的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
根據(jù)式(2)、式(5)、式(7)和式(8)可推導(dǎo)出h海拔下的整機(jī)風(fēng)壓理論計(jì)算公式為:
式中:Tkh為h海拔下的大氣溫度。
在燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中,測(cè)定煙氣中氧含量的多少是衡量能夠保持穩(wěn)定燃燒狀態(tài)的關(guān)鍵指標(biāo)。當(dāng)煙氣中氧含量值增大,燃燒會(huì)向著離焰方向趨近,造成CO超標(biāo)和離焰、熄火等問(wèn)題;當(dāng)煙氣中氧含量值減少,燃燒會(huì)向著黃焰方向趨近,造成燃燒振動(dòng)、噪聲和CO超標(biāo)等問(wèn)題。因此,能夠計(jì)算不同海拔處煙氣中氧的含量的,是衡量其是否滿足設(shè)計(jì)余量要求和采取應(yīng)對(duì)措施的關(guān)鍵。
在同一條件下,單一氣體的質(zhì)量比等于體積量比。根據(jù)燃燒理論,燃燒化學(xué)反應(yīng)前后總的體積量不變[5],因此,煙氣中氧的含量可以通過(guò)反應(yīng)前后的質(zhì)量變化和體積分?jǐn)?shù)變化,進(jìn)行計(jì)算得出。
根據(jù)式(3),同理可得單位時(shí)間內(nèi)h和0海拔下,燃燒反應(yīng)參與的氧氣質(zhì)量比為:
式中:My0、Myh分別為0和h海拔下燃燒反應(yīng)參與的氧氣質(zhì)量比;Tk0、Tkh分別為0和h海拔下環(huán)境溫度。
由于燃?xì)鉄崴鞯娘L(fēng)機(jī)在不同海拔下負(fù)載發(fā)生變化,因此單位時(shí)間內(nèi)h和0海拔下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不同,流動(dòng)空氣的體積量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比,可得:
式中:MY0、MYh為0 和h海拔下流經(jīng)風(fēng)機(jī)的空氣中氧氣質(zhì)量比;ρy0、ρyh為0 和h海拔下氧氣的密度;Vy0、Vyh為0 和h海拔下氧氣的體積;Z0、Zh為0和h海拔下風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
根據(jù)氧含量的百分比變化,可得:
式中:A0、Ah為0和h海拔下空氣中的氧含量百分比;α0、αh為0和h海拔下煙氣中的氧含量百分比。
由式(10)~(12)可以推導(dǎo)出h海拔下的測(cè)定煙氣中氧含量的理論計(jì)算公式為:
式(13)是根據(jù)燃燒理論計(jì)算的結(jié)果,其參與反應(yīng)的氣體為干空氣。但在實(shí)際使用和測(cè)試過(guò)程中大氣是含有水分的,因此大氣壓及其變化大氣壓是參與反應(yīng)的干空氣的氣體分壓。
通過(guò)氣體分壓理論和飽和水蒸氣計(jì)算公式[6-7]可以得出干空氣的氣體分壓為:
式中:Pk為干空氣的氣體分壓;P為大氣壓力;φ為濕度;Pb為水氣分壓。
由此,考慮濕度影響的h海拔下測(cè)定煙氣中氧含量的理論計(jì)算公式為:
式中:φ0、φh分別為0和h海拔下環(huán)境濕度;Pb0、Pbh分別為0海拔環(huán)境溫度為Tb0、Tbh下的飽和蒸氣壓。
在同壓下飽和蒸氣壓只與溫度相關(guān),同時(shí)也滿足等溫氣壓式(5)的變化規(guī)律,代入式(15)可得h海拔下測(cè)定煙氣中氧含量的理論計(jì)算公式為:
為了驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性,本文作者在佛山的美的集團(tuán)燃?xì)鉄崴鲗?shí)驗(yàn)室和昆明的云南省燃?xì)庥?jì)量檢測(cè)所分別對(duì)同一臺(tái)燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行了性能測(cè)試,并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB6932-2015,折算熱負(fù)荷是將所有因素整合到同一個(gè)條件下的計(jì)算值,不會(huì)隨著海拔的變化而變化。而實(shí)測(cè)熱負(fù)荷是因環(huán)境因素而變化的實(shí)際值。在實(shí)際測(cè)試中,由于比例閥波動(dòng)誤差等原因,會(huì)造成噴嘴前壓有稍許的波動(dòng),從而計(jì)算出的折算熱負(fù)荷略有差異。本文在計(jì)算實(shí)測(cè)熱負(fù)荷的自然衰減率時(shí),將折算熱負(fù)荷的差率修正在內(nèi)。
表1 所示為佛山與昆明分別測(cè)試的熱負(fù)荷參數(shù)和實(shí)測(cè)衰減率。
表1 熱負(fù)荷參數(shù)和實(shí)測(cè)衰減率
取M=0.029 kg/mol;g=9.8 m/s2;R=8.314 J/(mol·K),代入式(6),可計(jì)算出理論自然衰減率θ=9.7%,誤差Δθ=9.7%-9.6%=0.1% 。
表2 所示為佛山與昆明分別測(cè)試的整機(jī)風(fēng)壓參數(shù)和實(shí)測(cè)整機(jī)風(fēng)壓衰減值。
表2 整機(jī)風(fēng)壓參數(shù)和實(shí)測(cè)整機(jī)風(fēng)壓衰減值
根據(jù)表1~2 和式(9),計(jì)算出整機(jī)風(fēng)壓的理論衰減值Fh=84 Pa,誤差ΔFh=(85-84)Pa=1 Pa。
表3 所示為佛山與昆明分別測(cè)試的煙氣中氧含量及環(huán)境參數(shù)。
氣體分子的平均質(zhì)量越大,氣壓減小得越快,其分子數(shù)密度也減小得越快;也就是說(shuō),海拔越高,氣體分子的平均質(zhì)量應(yīng)該越小。由此還可以推測(cè),氧氣的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)會(huì)隨高度下降。因此,昆明空氣中氧的體積分?jǐn)?shù)是比佛山低的,其計(jì)算過(guò)程和數(shù)值參考文獻(xiàn)[8]。
表3 測(cè)試的煙氣中氧含量及環(huán)境參數(shù)
根據(jù)風(fēng)機(jī)空氣密度變化經(jīng)驗(yàn)公式,即隨海拔高度變化公式:
將飽和蒸氣壓的數(shù)值[9]查表后代入式(16),可得測(cè) 試 的 煙 氣 中 氧 含 量 的 理 論 值αh=8.92% , 誤 差Δαh=9.26%-8.92%=0.34% 。
本文通過(guò)海拔、空氣組分變化、溫濕度對(duì)大氣分壓的影響等幾方面因素考慮,推導(dǎo)出燃?xì)鉄崴鞯臒嶝?fù)荷自然衰減比率、整機(jī)風(fēng)壓值變化和煙氣中氧含量3個(gè)重要性能的理論計(jì)算公式。在廣東省佛山市和云南省昆明市進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證,將理論值與測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,3 個(gè)參數(shù)的誤差分別低至0.1%、1 Pa 和0.34%。證明了在燃?xì)鉄崴骼碚撗芯亢徒Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中,可以通過(guò)上述理論公式,去近似計(jì)算不同地區(qū)的性能表現(xiàn),并以此來(lái)改進(jìn)燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)。對(duì)燃?xì)鉄崴餍袠I(yè)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和制造具有重要的指導(dǎo)意義。