高原環(huán)境下煙道式燃?xì)鉄崴鞯臒煔馀欧叛芯?/h1>
2023-09-07 00:42:14岑錦泉
日用電器 2023年7期 關(guān)鍵詞：煙氣
岑錦泉
（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）
引言
由于國標(biāo)GB 6932-2015 對煙道式燃?xì)鉄崴鞯陌惭b要求提升，以及人民群眾安全意識(shí)的提高，煙道式燃?xì)鉄崴髦饾u退出國民的視野。然而，在很多經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的國家，煙道式燃?xì)鉄崴魅允鞘袌龅闹髁?。根?jù)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2020 年1 到5 月，墨西哥、哥倫比亞燃?xì)鉄崴鞒隹陬~占總出口金額分別為4.7 %，4.1 %，分別位列燃?xì)鉄崴鞒隹诮痤~第七名與第九名，而墨西哥、哥倫比亞燃?xì)鉄崴鞒隹诹空伎偝隹诹糠謩e為9.6 %，4.8 %，分別位列燃?xì)鉄崴鞒隹跀?shù)量第二和第八名。其中，煙道式燃?xì)鉄崴魇沁@兩個(gè)國家的主流燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品，銷量占比超60 %。而這兩個(gè)國家地理位置又是處于高原：墨西哥首都墨西哥城，海拔2 240 m，其他主要城市海拔高度在（500 ～2 200）m 之間；哥倫比亞首都波哥大，海拔2 645 m，其他主要城市海拔高度在（300 ～2 200）m 之間。
過往的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)一般是到海外當(dāng)?shù)厥袌鋈プ鋈細(xì)鉄崴鳟a(chǎn)品開發(fā)與性能測試，但由于新冠疫情限制了各國之間的商貿(mào)活動(dòng)。因此我們需要采取更多間接的手段來盡可能模擬當(dāng)?shù)氐臏y試數(shù)據(jù)，以便開發(fā)的燃?xì)鉄崴髂軌驖M足當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用場景。
為了找到高原地區(qū)與海平面之間的差異，我們選取了5 L、7 L、10 L、13 L，四款煙道燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行高原地區(qū)與海平面的性能測試（考慮到各地氣源的情況，測試使用同一配氣公司提供的標(biāo)準(zhǔn)氣G20 甲烷，甲烷含量≥99.9 %）。海平面地點(diǎn)選擇在佛山順德（東經(jīng)113 °1′，北緯22°40′，海拔約2 m，接近海平面），高原試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在云南昆明（東經(jīng)102°42′，北緯25°02′，市中心海拔約1 900 m）。
1 熱負(fù)荷對比
根據(jù)EN26:2015 熱負(fù)荷計(jì)算公式，修正熱負(fù)荷：
式中：
Qc—修正熱負(fù)荷，kW；
Hi—干燥基準(zhǔn)氣的低熱值，基于體積流量時(shí)，MJ/m3；
V—在煤氣表處的濕度、溫度和壓力條件下，測得的燃?xì)怏w積流量，m3/h；
pg—煤氣表處的燃?xì)鈮毫?，mbar；
pa—測試時(shí)的大氣壓力，mbar；
tg—在煤氣表處的溫度，℃；
d—測試燃?xì)獾南鄬γ芏龋ǖ润w積的干燥燃?xì)馀c干燥空氣在相同的溫度和壓力條件下的質(zhì)量比率： 溫度為15 ℃或0 ℃，大氣壓為1 013.25 mbar）；
dr—基準(zhǔn)氣的相對密度。
從公式（1）可以看出在高原地區(qū)和海平面，燃?xì)怏w積流量與大氣壓是影響修正熱負(fù)荷的關(guān)鍵參數(shù)，而其中大氣壓力可以直接由儀器設(shè)備讀取，燃?xì)怏w積流量可以在高原實(shí)測得到。即可計(jì)算出修正熱負(fù)荷。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 。
表1 不同功率煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原測試數(shù)據(jù)
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，5 L、7 L、10 L、13 L 四款煙道式燃?xì)鉄崴鲗?shí)測燃?xì)夂牧吭颇侠ッ鳎? 900 m）比佛山順德（海平面）約增加（7 ～11）%，但由于大氣壓力降低約20 %，測試氣（甲烷）的密度變小，熱值變低，導(dǎo)致實(shí)測熱負(fù)荷降低約13 %，但通過修正后（高原的燃?xì)夂牧吭黾觿偤玫窒舜髿鈮毫Φ淖冃。?，熱?fù)荷的偏差范圍也能控制在3 %以內(nèi)。所以不管在何種環(huán)境，使用同樣的測試氣，同樣一臺(tái)熱水器的修正熱負(fù)荷基本上不會(huì)出現(xiàn)太大的波動(dòng)。
2 煙氣對比
通過煙氣分析儀的讀數(shù)，可以得知云南昆明（1 900 m）與佛山順德（海平面）的氧含量均一致（約20.9 %），這由于煙氣分析儀是按空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)來進(jìn)行測算。根據(jù)理想氣體方程式：
式中：
ρ—密度，kg/m3；
P—壓強(qiáng)，Pa；
M—摩爾質(zhì)量，g/mol；
R—?dú)怏w常數(shù)；
T—溫度，K。
氣體的密度與壓強(qiáng)成正比，所以在高原地區(qū)，由于高原的大氣壓力的小，氧氣的密度也會(huì)變小，在同等的體積下，氧氣的質(zhì)量也會(huì)變少。這樣就很容易造成燃燒不充分，直接影響煙氣排放。
5 L、7 L、10 L、13 L 煙道式燃?xì)鉄崴鳎诓煌０胃叨鹊腃O 排放，測試數(shù)據(jù)如圖1。
圖1 不同升數(shù)煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖2 5 L 煙道式燃?xì)鉄崴鞲邭鈮海? 500 Pa）海平面與1 900 m 高原火焰形態(tài)圖
圖3 5 L 煙道式燃?xì)鉄崴黝~定氣壓（2 000 Pa）海平面與1 900 m 高原火焰形態(tài)圖
由實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同升數(shù)的煙道式燃?xì)?，在同一進(jìn)氣壓力的條件下，在云南昆明（1 900 m）的CO 排放遠(yuǎn)高于佛山順德（海平面）：5 L 在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的4 ～5 倍；7 L 在云南昆明（1 900 m）的CO排放是佛山順德（海平面）的8 ～13 倍；10 L在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的5 ～10 倍；13 L 在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的4 ～8 倍。通過實(shí)測煙氣數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同升數(shù)、不同結(jié)構(gòu)的煙道式熱水器差異性較大。所以必須每個(gè)機(jī)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)對比。
3 火焰對比
通過觀察火焰的形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)：在云南昆明（1 900 m），由于氧氣供應(yīng)不足，導(dǎo)致火焰變長、變濃，導(dǎo)致燃燒不充分，煙氣CO 含量上升。這是所有升數(shù)煙道式熱水器普遍存在的現(xiàn)象。
由于海拔的升高，燃?xì)獾拿芏染蜁?huì)減小，從而就增加了燃?xì)獾牧魉伲鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣然静蛔?，?dāng)燃?xì)饬魉俅笥诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，就會(huì)有離焰的情況產(chǎn)生。外焰高度公式：
式中：
hOC—火焰的外焰高度，mm；
n—火孔排數(shù)；
n1—表示燃?xì)庑再|(zhì)對外焰高度影響的系數(shù)；
s—表示火孔凈距對外焰高度影響的系數(shù)；
fp—單個(gè)火孔面積，mm2；
qp—火孔熱強(qiáng)度，kW/mm2；
dp—火孔直徑，mm。
其中n1與燃?xì)庑再|(zhì)有關(guān)，研究表明，海拔越高，燃?xì)饷芏刃。魉倏?，n1系數(shù)值越大，因此火焰的外焰高度同樣也會(huì)隨之海拔的升高而變高。很明顯，在云南昆明測試的機(jī)子火焰都被拉高。
4 海平面測試模擬
通過云南昆明（1 900 m）與海平面的煙氣CO對比，同樣一臺(tái)煙道式燃?xì)鉄崴鳎词乖诜鹕巾樀拢êＦ矫妫┎粩嗟奶岣哌M(jìn)氣壓力，也無法模擬出實(shí)際云南昆明（1 900 m）的排放。所以我們考慮使用歐標(biāo)黃焰氣G21（87 %甲烷，13 %丙烷）看能否得到云南昆明（1 900 m）煙氣CO 排放。數(shù)據(jù)如圖4～7。
圖4 5 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖5 7 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖6 10 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖7 13 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
通過對比發(fā)現(xiàn)，佛山順德（海平面）使用黃焰氣G21 基本上能夠達(dá)到云南昆明（1 900 m）CO排放水平，也就是說，我們可以在佛山順德（海平面）使用G21 來得到接近于云南昆明（1 900 m）的CO 排放數(shù)據(jù)。
5 總結(jié)
通過云南昆明（1 900 m）與佛山順德（海平面）的實(shí)地測試對比，得到以下結(jié)論：
1）海拔越高，燃?xì)饬髁吭酱?，?shí)測熱負(fù)荷越低，1 900 m海拔高度實(shí)測熱負(fù)荷比海平面約降低13 %，經(jīng)修正后，熱負(fù)荷偏差基本控制在3 %以內(nèi)；
2）1 900 m 高原的G20 甲烷與海平面使用歐標(biāo)黃焰氣G21的煙氣CO 排放非常接近，即可以在海平面使用歐標(biāo)黃焰氣G21 得到1 900 m 高原CO 排放的數(shù)據(jù)。
本文著重試驗(yàn)分析1 900 m 的高原環(huán)境對煙道式燃?xì)鉄崴鞯挠绊?，隨著海拔的進(jìn)一步升高，想必對燃燒工況肯定會(huì)有更加消極的影響，但是也可以通過在海平面使用熱值更高的氣體來進(jìn)行模擬高原排放。出口到高原國家的煙道式燃?xì)鉄崴鞅仨氝m當(dāng)?shù)恼{(diào)整燃燒器、熱交換器、集煙罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低CO 排放。也可以通過增加穩(wěn)壓器，來解決高氣壓煙氣CO 排放偏高的問題。且煙氣排放要求也需要根據(jù)實(shí)際當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行合理的調(diào)整。
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岑錦泉
（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）
引言
由于國標(biāo)GB 6932-2015 對煙道式燃?xì)鉄崴鞯陌惭b要求提升，以及人民群眾安全意識(shí)的提高，煙道式燃?xì)鉄崴髦饾u退出國民的視野。然而，在很多經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的國家，煙道式燃?xì)鉄崴魅允鞘袌龅闹髁?。根?jù)海關(guān)數(shù)據(jù)顯示：2020 年1 到5 月，墨西哥、哥倫比亞燃?xì)鉄崴鞒隹陬~占總出口金額分別為4.7 %，4.1 %，分別位列燃?xì)鉄崴鞒隹诮痤~第七名與第九名，而墨西哥、哥倫比亞燃?xì)鉄崴鞒隹诹空伎偝隹诹糠謩e為9.6 %，4.8 %，分別位列燃?xì)鉄崴鞒隹跀?shù)量第二和第八名。其中，煙道式燃?xì)鉄崴魇沁@兩個(gè)國家的主流燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品，銷量占比超60 %。而這兩個(gè)國家地理位置又是處于高原：墨西哥首都墨西哥城，海拔2 240 m，其他主要城市海拔高度在（500 ～2 200）m 之間；哥倫比亞首都波哥大，海拔2 645 m，其他主要城市海拔高度在（300 ～2 200）m 之間。
過往的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)一般是到海外當(dāng)?shù)厥袌鋈プ鋈細(xì)鉄崴鳟a(chǎn)品開發(fā)與性能測試，但由于新冠疫情限制了各國之間的商貿(mào)活動(dòng)。因此我們需要采取更多間接的手段來盡可能模擬當(dāng)?shù)氐臏y試數(shù)據(jù)，以便開發(fā)的燃?xì)鉄崴髂軌驖M足當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用場景。
為了找到高原地區(qū)與海平面之間的差異，我們選取了5 L、7 L、10 L、13 L，四款煙道燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行高原地區(qū)與海平面的性能測試（考慮到各地氣源的情況，測試使用同一配氣公司提供的標(biāo)準(zhǔn)氣G20 甲烷，甲烷含量≥99.9 %）。海平面地點(diǎn)選擇在佛山順德（東經(jīng)113 °1′，北緯22°40′，海拔約2 m，接近海平面），高原試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在云南昆明（東經(jīng)102°42′，北緯25°02′，市中心海拔約1 900 m）。
1 熱負(fù)荷對比
根據(jù)EN26:2015 熱負(fù)荷計(jì)算公式，修正熱負(fù)荷：
式中：
Qc—修正熱負(fù)荷，kW；
Hi—干燥基準(zhǔn)氣的低熱值，基于體積流量時(shí)，MJ/m3；
V—在煤氣表處的濕度、溫度和壓力條件下，測得的燃?xì)怏w積流量，m3/h；
pg—煤氣表處的燃?xì)鈮毫?，mbar；
pa—測試時(shí)的大氣壓力，mbar；
tg—在煤氣表處的溫度，℃；
d—測試燃?xì)獾南鄬γ芏龋ǖ润w積的干燥燃?xì)馀c干燥空氣在相同的溫度和壓力條件下的質(zhì)量比率： 溫度為15 ℃或0 ℃，大氣壓為1 013.25 mbar）；
dr—基準(zhǔn)氣的相對密度。
從公式（1）可以看出在高原地區(qū)和海平面，燃?xì)怏w積流量與大氣壓是影響修正熱負(fù)荷的關(guān)鍵參數(shù)，而其中大氣壓力可以直接由儀器設(shè)備讀取，燃?xì)怏w積流量可以在高原實(shí)測得到。即可計(jì)算出修正熱負(fù)荷。
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果如表1 。
表1 不同功率煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原測試數(shù)據(jù)
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，5 L、7 L、10 L、13 L 四款煙道式燃?xì)鉄崴鲗?shí)測燃?xì)夂牧吭颇侠ッ鳎? 900 m）比佛山順德（海平面）約增加（7 ～11）%，但由于大氣壓力降低約20 %，測試氣（甲烷）的密度變小，熱值變低，導(dǎo)致實(shí)測熱負(fù)荷降低約13 %，但通過修正后（高原的燃?xì)夂牧吭黾觿偤玫窒舜髿鈮毫Φ淖冃。?，熱?fù)荷的偏差范圍也能控制在3 %以內(nèi)。所以不管在何種環(huán)境，使用同樣的測試氣，同樣一臺(tái)熱水器的修正熱負(fù)荷基本上不會(huì)出現(xiàn)太大的波動(dòng)。
2 煙氣對比
通過煙氣分析儀的讀數(shù)，可以得知云南昆明（1 900 m）與佛山順德（海平面）的氧含量均一致（約20.9 %），這由于煙氣分析儀是按空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)來進(jìn)行測算。根據(jù)理想氣體方程式：
式中：
ρ—密度，kg/m3；
P—壓強(qiáng)，Pa；
M—摩爾質(zhì)量，g/mol；
R—?dú)怏w常數(shù)；
T—溫度，K。
氣體的密度與壓強(qiáng)成正比，所以在高原地區(qū)，由于高原的大氣壓力的小，氧氣的密度也會(huì)變小，在同等的體積下，氧氣的質(zhì)量也會(huì)變少。這樣就很容易造成燃燒不充分，直接影響煙氣排放。
5 L、7 L、10 L、13 L 煙道式燃?xì)鉄崴鳎诓煌０胃叨鹊腃O 排放，測試數(shù)據(jù)如圖1。
圖1 不同升數(shù)煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖2 5 L 煙道式燃?xì)鉄崴鞲邭鈮海? 500 Pa）海平面與1 900 m 高原火焰形態(tài)圖
圖3 5 L 煙道式燃?xì)鉄崴黝~定氣壓（2 000 Pa）海平面與1 900 m 高原火焰形態(tài)圖
由實(shí)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同升數(shù)的煙道式燃?xì)?，在同一進(jìn)氣壓力的條件下，在云南昆明（1 900 m）的CO 排放遠(yuǎn)高于佛山順德（海平面）：5 L 在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的4 ～5 倍；7 L 在云南昆明（1 900 m）的CO排放是佛山順德（海平面）的8 ～13 倍；10 L在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的5 ～10 倍；13 L 在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的4 ～8 倍。通過實(shí)測煙氣數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，不同升數(shù)、不同結(jié)構(gòu)的煙道式熱水器差異性較大。所以必須每個(gè)機(jī)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)對比。
3 火焰對比
通過觀察火焰的形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)：在云南昆明（1 900 m），由于氧氣供應(yīng)不足，導(dǎo)致火焰變長、變濃，導(dǎo)致燃燒不充分，煙氣CO 含量上升。這是所有升數(shù)煙道式熱水器普遍存在的現(xiàn)象。
由于海拔的升高，燃?xì)獾拿芏染蜁?huì)減小，從而就增加了燃?xì)獾牧魉伲鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣然静蛔?，?dāng)燃?xì)饬魉俅笥诨鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，就會(huì)有離焰的情況產(chǎn)生。外焰高度公式：
式中：
hOC—火焰的外焰高度，mm；
n—火孔排數(shù)；
n1—表示燃?xì)庑再|(zhì)對外焰高度影響的系數(shù)；
s—表示火孔凈距對外焰高度影響的系數(shù)；
fp—單個(gè)火孔面積，mm2；
qp—火孔熱強(qiáng)度，kW/mm2；
dp—火孔直徑，mm。
其中n1與燃?xì)庑再|(zhì)有關(guān)，研究表明，海拔越高，燃?xì)饷芏刃。魉倏?，n1系數(shù)值越大，因此火焰的外焰高度同樣也會(huì)隨之海拔的升高而變高。很明顯，在云南昆明測試的機(jī)子火焰都被拉高。
4 海平面測試模擬
通過云南昆明（1 900 m）與海平面的煙氣CO對比，同樣一臺(tái)煙道式燃?xì)鉄崴鳎词乖诜鹕巾樀拢êＦ矫妫┎粩嗟奶岣哌M(jìn)氣壓力，也無法模擬出實(shí)際云南昆明（1 900 m）的排放。所以我們考慮使用歐標(biāo)黃焰氣G21（87 %甲烷，13 %丙烷）看能否得到云南昆明（1 900 m）煙氣CO 排放。數(shù)據(jù)如圖4～7。
圖4 5 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖5 7 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖6 10 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
圖7 13 L 煙道式燃?xì)鉄崴髟诤Ｆ矫媾c1 900 m 高原CO 排放對比圖
通過對比發(fā)現(xiàn)，佛山順德（海平面）使用黃焰氣G21 基本上能夠達(dá)到云南昆明（1 900 m）CO排放水平，也就是說，我們可以在佛山順德（海平面）使用G21 來得到接近于云南昆明（1 900 m）的CO 排放數(shù)據(jù)。
5 總結(jié)
通過云南昆明（1 900 m）與佛山順德（海平面）的實(shí)地測試對比，得到以下結(jié)論：
1）海拔越高，燃?xì)饬髁吭酱?，?shí)測熱負(fù)荷越低，1 900 m海拔高度實(shí)測熱負(fù)荷比海平面約降低13 %，經(jīng)修正后，熱負(fù)荷偏差基本控制在3 %以內(nèi)；
2）1 900 m 高原的G20 甲烷與海平面使用歐標(biāo)黃焰氣G21的煙氣CO 排放非常接近，即可以在海平面使用歐標(biāo)黃焰氣G21 得到1 900 m 高原CO 排放的數(shù)據(jù)。
本文著重試驗(yàn)分析1 900 m 的高原環(huán)境對煙道式燃?xì)鉄崴鞯挠绊?，隨著海拔的進(jìn)一步升高，想必對燃燒工況肯定會(huì)有更加消極的影響，但是也可以通過在海平面使用熱值更高的氣體來進(jìn)行模擬高原排放。出口到高原國家的煙道式燃?xì)鉄崴鞅仨氝m當(dāng)?shù)恼{(diào)整燃燒器、熱交換器、集煙罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化來降低CO 排放。也可以通過增加穩(wěn)壓器，來解決高氣壓煙氣CO 排放偏高的問題。且煙氣排放要求也需要根據(jù)實(shí)際當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行合理的調(diào)整。
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