鄧飛忠 李志敏 吳桂安 謝志輝 仇明貴

（華帝股份有限公司 中山 528400）

引言

風機是燃氣熱水器作為供給補充燃燒所需的空氣及將燃燒產物排出機器外界的關鍵部件，在設計端若無法對不同廠家風機做到完全可互換，則容易導致整機性能不穩(wěn)定，生產過程效率低、售后維修難度增高等一系列問題。其風量與燃燒工況的不匹配會造成燃燒工況惡化，廢氣排放增加、熱損失增大、噪音偏高等影響，同時在外界阻力較大情況下整機提前報風壓故障或燃燒惡劣后仍不報故障，嚴重影響使用舒適性與安全性。

由此對風機的可互換性論證方法進行研究可以有效解決上述問題，在設計端充分的試驗驗證將大幅降低市場故障率。本文旨在通過風機對燃燒系統(tǒng)的影響因素進行理論分析，確定風機互換性評估要素，最后通過實例說明此要素是符合評估風機是否滿足通用互換性要求的方案。

1 直流風機對燃氣熱水器性能影響

1.1 空氣量對燃氣熱水器穩(wěn)定燃燒的影響分析

燃燒是氣體燃料在一定條件下與氧發(fā)生激烈的氧化作用并釋放大量顯熱、潛熱與光的物理化學反應過程。穩(wěn)定燃燒必須滿足燃料與氧有充分合理的比例混合方能將燃料中的熱量充分釋放，氧量的過多或多少都不利于維持燃燒的穩(wěn)定。由此可見氧氣的供給對于燃氣熱水器穩(wěn)定的工作顯得尤為重要，以負壓強抽天然氣型燃氣熱水器為例，其保證燃燒所需的氧氣的供給來源與噴嘴一次空氣的引射及燃燒腔體內外壓差所帶入的二次空氣的補充。燃燒器內部燃燒過程反應式為[1,2]：

燃料燃燒所需的實際空氣量為：

式中：

α—過?？諝庀禂?；

O2—燃氣中O的容積成分（%）；

CmHn—燃氣中可燃組分的容積成分（%）；

V0—理論空氣量（%）；

V1—一次空氣引射量（%）；

V2—二次空氣吸入量（%）；

Vε——系統(tǒng)損失空氣量（%）；

VCO—煙氣中CO含量（%）；

β—燃料特性系數，與成分相關。

式（2）、（3）反映了維持燃氣熱水器系統(tǒng)穩(wěn)定充分燃燒所需空氣的量，即為一次引射空氣、系統(tǒng)損失空氣量與二次空氣量的總和，同時也表示了煙氣排放與實際燃燒所需空氣量與燃氣成分比、過?？諝庀禂抵g的相關關系。

在燃燒系統(tǒng)可適應性范圍內，供氧量的多少決定了燃燒系統(tǒng)煙氣排放含量的大小：當供氧不足時，從式（3）表示分子被減項減小，分子項總體增大，導致烴類燃料不完全燃燒產生大量的CO，熱能利用率大幅降低；供氧過量時，容易產生不離焰等穩(wěn)定燃燒也會產生較多CO，因而一二次空氣量的多少對燃燒系統(tǒng)排放有很大影響。

1.2 直流風機風量對整機性能的影響分析

對于直流負壓強抽機型而言，直流風機是控制進風量的重要部件，其本身風量的影響因素主要分為電控因素和結構因素，電控因素通過控制電機的調速電壓/電流來控制轉速的大小，而結構因素主要受風機葉輪、蝸殼、排煙罩結構尺寸影響，結構的不同同時也對電機控制程序產生影響，因而風量的主要控制在于結構的參數設計，無損條件下風機葉輪在工作時所排出的理論風量為[3]：

式中：

Q—風量，m3/s；

ε—葉片排擠系數；

D—風輪直徑，m；

b—風輪輪寬，m；

Vr—葉片徑向分速度，m/s。

對于固定結構的風機風輪而言，其葉片任意處的徑向分速度與該點圓周速度正相關，即同一結構下轉速越大對應的徑向分速度也越大，排出的流量也越大。調節(jié)風機的轉速實質上就是調節(jié)排風量的大小，在負壓強抽型熱水器燃燒狀態(tài)下，其通過排出燃燒腔體內部的廢氣使內部燃燒室處于負壓，進而外界空氣可以通過壓差力的作用從燃燒器底部空隙中進入燃燒腔參與燃燒；在外界抗風壓狀態(tài)下，由于排煙阻力的增大，導致負壓減小，原本的穩(wěn)定燃燒狀態(tài)被打破，完全燃燒所需的空氣量嚴重不足，CO排放急劇升高，同時葉片徑向分速度Vr減小，此時便需要對風機的轉速進行補償（增速）來提高徑向分速度，保證一定的排風量；抗風壓下報警轉速線的設定也就是對保持系統(tǒng)在較為良好燃燒狀態(tài)下的排風量要求，避免外界阻力大時燃燒工況惡劣產生大量廢氣的問題。

通過上述分析確定了風機對于燃燒系統(tǒng)的重要性，以及如何影響燃氣熱水器的相關性能，因此對于風機部件必須要滿足互換通用要求。

1.3 風機互換性評估因素

風機通用互換性的前提是安裝在整機上后各項性能指標滿足整機設計要求，因風機主要是提供空氣供給、廢氣排放的部件，故設定合適的評估要素是非常重要的，其實質上就是整機的部分設計要素，以下為定義評估風機互換性指標的幾個關鍵要素：

1）全負荷段CO排放指標

根據上述分析可知CO的排放受空氣供給量影響，各負荷段空氣供給量與風機當前狀態(tài)下排風量相關，即一二次空氣量V1與V2占比，通過煙氣中CO的含量可以反映燃燒系統(tǒng)的燃燒穩(wěn)定性與充分性。CO排放需符合企標要求，即無風狀態(tài)下標態(tài)煙管及最長煙管的CO要求需滿足低于0.05 %和0.06 %。

2）抗風壓

各負荷段的抗風壓表示了系統(tǒng)抵抗外界風壓阻力的能力，即風量V補償的能力，表示著在燃燒工況發(fā)生惡化之前需進行熄火保護，對系統(tǒng)起到保護的作用。風壓報警一般采用的機械保護和程序反饋保護，機械保護形式是對系統(tǒng)風機處的壓力進行取壓，壓差力使膜片的產生的位移量來實現(xiàn)報警點值的設置；程序反饋保護則是采用轉速/調速信號與壓力的對應關系來設定轉速的補償及報警點轉速的設定。

3）系統(tǒng)運行噪音

噪音也是衡量其是否可互換性中的重要方面，其包括風機本身產生的氣流噪音、燃燒產生的噪音以及系統(tǒng)其它部件所產生或者交雜耦合形成的一系列噪音，轉速不同、風量V不同和結構不同均會帶來不同的氣流噪音，可根據整機系統(tǒng)設定指標：如整機最大負荷運行噪音低于55 dB(A)。

4）風機適應性

風機適應性表示了在整機設置相同控制代碼條件下不同風機的調速電壓、電流、取壓值及轉速的偏離程度，表示了相同調速信號下風量V補償的差異大小，也是直接導致了燃燒工況的差異。

2 評估因素的應用

應用上述評估因素對一款安裝A廠家風機的13 L三分段負壓直流強抽機型為研究實例進行分析，以此判別B廠家風機是否符合互換通用性要求，此產品的設計要求見表1，將其作為評估因素要求。測試條件為：使用CH4基準氣，燃氣一次壓2 000 Pa，將 A風機調試好參數后按國標[4]要求進行測試，測試結果見表2。

表1 可互換通用性評估因素要求

表2 A風機在整機上的整體性能測試結果

從表2可以看出A風機是符合整機設計要求，并可以此作為評估的實例基準，進一步對其各負荷段的自然狀態(tài)、恒壓力狀態(tài)下的煙氣指標、抗風壓能力進行測試作為分布基準來作為B廠家的對照參考，圖中的PiL（i=1，2，3）表示各分段下的最小負荷，PiH表示各分段下的最大負荷，A風機測試完成后，在同一臺機器上換上B風機進行相同條件測試，其試驗結果如下：

1）煙氣指標

從標管狀態(tài)下A、B風機的CO排放分布及過剩O2分布來看（圖1，2），兩風機差異不大，CO折算之后均滿足表1互換通用性要求；圖3和圖4為5米3彎下的CO分布及過剩O2分布，在自然狀態(tài)下分CO排放B廠家比A廠家高14ppm，恒壓之后接近，其CO折算之后滿足表1要求。

2）抗風壓、噪音指標

根據圖5～7風機恒壓測試之后的各負荷段抗風壓值對應的轉速對比可以看出，同一抗風壓下A風機所需轉速比B風機低，在最大負荷P3H段，達到250 Pa時A風機轉速為3 990 r/min，而此抗風壓下B風機轉速需要4 700 r/min方可滿足；在最小負荷P1L段，達到230 Pa抗風壓值下A風機的轉速為3 150 r/min，B風機轉速為3 780 r/min，結果導致在設定的報警轉速線下兩風機所能達到的抗風壓差異很大，可能在風機強行互換之后無法滿足整機抗風壓要求，按上述測得的結果設定兩組不同的報警極限轉速，對A、B風機再次進行抗風壓及噪音測試（抗風壓狀態(tài)），其測試結果如表3所示：在設定第1組的報警轉速線下，A風機抗風壓及噪音均滿足評估要素表要求，B風機抗風壓低于要求（65～72）Pa，不符合要求；在設定第2組報警轉速線下，A、B風機抗風壓指標滿足要求，B風機噪音高2.8 dB(A)，A風機噪音高3.6 dB(A)，不滿足要求。從而在第1組設定轉速下A風機滿足要求，B風機不能滿足互換通用性要求。

表3 不同報警轉速線下A、B風機抗風壓及噪音對比

3）風機適應性

將A、B風機在相同PWM控制代碼對最大負荷及最小負荷下進行多組試驗，得出相同PWM控制代碼下電壓與轉速、電壓與電流的關系，其測試結果如圖8、9所示。

大、小負荷段相同代碼下，A風機控制電壓基本相同，主要是風機目前的調速信號是以控制電壓為基準；小負荷段相同控制代碼下A風機電流比B風機電流?。?.02～0.03）A，轉速低（100～200）r/min；大負荷相同控制代碼下A風機電流比B風機電流?。?.02～0.16）A，轉速低（100～450）r/min。因此A、B風機在同一代碼下的風機控制電流及轉速偏離較大，若采用A風機后，B風機轉速及電流的差異也會導致燃燒所需的空氣供給不同而影響燃燒工況，故而也不符合互換通用性要求。

綜上所述，A風機各項性能指標滿足互換通用性要求，B風機不滿足互換通用性要求，其不能實現(xiàn)與A風機互換通用，但是可以通過相應的評估要素對風機進行改進滿足互換指標后可達到互換通用。通過上述實例分析可以看到此互換評估要素可以比較全面的對比出風機的差異，判別不同風機是否符合互換性要求，并為后續(xù)設計提供指導建議。

3 結論

本文對直流風機對燃氣熱水器的重要性了進行了分析，在設計開發(fā)中除了驗證風機本身的可靠性之外，還必須要嚴格驗證不同風機對同一產品的適應性，為比較充分的對風機進行系統(tǒng)的評估，提出了基于互換通用原則下的風機評估要素，并通過實例進行闡述對比，結果表明評估要素是可以較為充分的評估風機是否與系統(tǒng)完全匹配，并有以下結論：

1）燃氣熱水器風機的使用需要進行全面的分析，對于各負荷段穩(wěn)定充分燃燒及性能至關重要，必須滿足完全互換通用性才能應用；

2）將風機互換通用的評估要素分為全負荷段煙氣指標、各負荷段抗風壓指標、運行噪音指標和風機適應性指標可以比較充分全面的評估出不同的風機的差異及是否可互換；

3）對同一系統(tǒng)引入不同廠家風機進行設計時，通過互換通用評估要素可以快速、準確的分析出差異，并為后續(xù)互換通用化設計或改進提供一定的指導意義。