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分段燃烧技术在燃气采暖热水炉上的应用

艾欧史密斯(中国)热水器有限公司 朱高涛 徐赛锋



延伸阅读.朱高涛,壁挂炉事业部研发总监。研究生毕业加入艾欧史密斯(中国)热水器有限公司,先后多次荣获“艾欧史密斯集团公司价值观推动产品创新奖”,并获得十余项国家创新型专利。此外,朱高涛和他的团队自2011年开始,通过无数次燃烧试验,模拟积灰试验及数据分析,2013年成功攻克行业难题,研发首台适应中国用户环境的商用级分段燃烧壁挂炉产品,该产品一经投放,大大提升了用户对壁挂炉产品的使用体验和信心,并夺得“暖通空调行业产品创新奖”。

摘   要.本文介绍智能分段燃烧技术在燃气采暖热水炉上应用的优点,阐述如何进行火排数量的分配以及电磁阀和燃气比例阀的逻辑控制,从而实现更好的恒温调节。

关 键 词.分段燃烧;恒温调节


1 引言

由于我国用户环境复杂多样,不同季节冷水进水温度有很大差异,欧系燃气采暖热水炉产品在引入中国市场以后,很多用户抱怨生活热水出水温度波动、忽冷忽热的问题,特别是寒冷的冬季和炎热的夏季——冬季水不热,夏季水太烫。这一现象主要是因为不同季节的进水温度差异很大,而采暖炉产品的功率范围不能适应宽域调节而导致。

燃气快速热水器上普遍使用的智能分段燃烧技术在恒温调节中起着至关重要的作用,它可实现在进水流量和进水温度以及燃气压力有变化的情况下,通过快速精准的负荷调节保持用户所设定的出水温度恒定,真正实现舒适恒温热水。针对中国用户环境开发产品,我们认为有必要在采暖炉产品上引入该技术,给用户带来更多价值。


2 分段燃烧的原理和优点

燃气采暖热水炉的燃烧系统由气阀、分配器、燃烧器等主要零部件组成。控制器根据负荷需求调节气阀比例阀电流的大小,从而改变进入分配器的燃气流量。分配器通过喷嘴的引射作用将燃气和空气的混合气体引入燃烧器进行充分混合,最后在燃烧腔内进行燃烧。理论上可以通过控制比例阀电流的大小来控制燃气流量多少,从而实现燃烧功率从小到大的连续变化,但是随着燃气流量逐渐减小,空燃比变大,火焰无法在火排上维持稳定燃烧,最终熄灭。相反若燃气流量过大,则氧含量不足,无法充分燃烧,CO排放增高,且同时火焰变高,甚至触及换热器,导致换热器积碳。所以单个火排有一个燃烧负荷范围,一般控制在0.7kW~2.3kW左右。因此无分段阀大气式燃烧器的负荷比一般只能做到1:3。

分段燃烧技术是通过在分配器上增加一个或多个电磁阀,控制燃气流量大小。

当负荷需求减小时,电磁阀关闭,火排数减少,功率降低。反之,电磁阀打开,火排数增加,功率增大。分段燃烧技术可以扩展热负荷输出范围,负荷比能做到1:6,甚至更大,因此能够精准匹配不同季节不同进水温度所需的功率,解决夏季沐浴水温过高、冬季出水不热的难题,同时可以防止机器在采暖模式下频繁启动,节省能源。


3 分段点控制

分段燃烧分段点的控制至关重要,直接关系着采暖炉是否能够恒温出水。

因为它决定3个重要的参数:1)最小输出功率;2)重合区域大小;3)半段切全段的传火控制。

3.1 最小输出功率

采暖炉最小输出功率必须满足半段燃烧时能实现超低功率输出,维持用户用水需求。例如:夏天进水温度tw1=25℃,用户设定出水温度tw2=35℃,进水流量L=5L/min,根据式(1)可以计算出采暖炉所需的最小输出功率:

 Q=Cm(tw2-tw1)    (1)

式中:Q——采暖炉输出的热量,J;

      C——水的比热容4.2×103J/kg•℃;

      m——水的质量,kg;

      tw2——出水温度,℃;

      tw1——进水温度,℃。

代入式(1),计算可得Q输出min=3.5kW,根据GB 20665-2006,部分负荷热效率需大于84%,因此Q输入min=4.2kW。单个火排最小功率为0.7kW,因此分段时半段的火排数应为6个。

3.2 重合区域

采用分段燃烧的采暖炉,重合区域的选取范围尤为重要,若重合区域过小,则当用户家进水流量发生微小变化时,电磁阀会频繁工作,从而影响出水恒温性。若重合区域过大,则最大热负荷输出将减小。以额定负荷28kW采暖炉为例,设定功率输出范围为4kW~28kW,由于单个火排最大功率为2.3kW,因此全段所需火排数至少12个。由3.1计算最小负荷燃烧时所需火排数为6个,所以分配器分段时应为半段6个火排,全段12个火排。通过改变比例阀电流值分别测得半段和全段输出值见图1。


从图1可得两个结论:

1)部分负荷燃烧时6个火排的功率输出范围为:4.1kW~15.1kW,全负荷燃烧时12个火排的输出功率为12kW~29kW。因此重合区域功率范围为12kW~ 15.1kW。以△t=25℃计算,即在该重合区域内可以允许有1.8L水流的波动。

2)比例阀半段最大电子值应控制在115mA,全段最小电子值应控制在50mA。

3.3 半段切全段的传火控制

当分段阀打开、燃烧器由半段转为全段燃烧时,为避免水温过高,比例阀电子值要快速减小,此时需关注燃烧器是否能够成功传火。若采暖炉采用的是变速风机,可以采用传火时适当地减小风机转速的方法。若为定速风机,则可以通过优化火排传火舌结构设计来提升传火性能。


4 恒温逻辑控制

采暖炉增加智能分段燃烧以后,其温度调节的范围得到了很大的提升。控制板通过不断检测进水流量和温度,根据设定的目标温度,通过式(1)计算所需要的热负荷,通过预先输入程序的负荷与电子值的关系式,然后调节比例阀的响应电子值,即温度的前馈调节。

若最后计算功率在半段燃烧范围内,则关闭电磁阀,6个火排燃烧。若计算功率处于全段燃烧范围内,则打开电磁阀,12个火排燃烧。当处于重合区域内时,则维持之前电磁阀的状态,仅调节电流值即可。然后根据出水温度传感器检测出水温度,通过PID进行后馈调节,最终使出水温度达到设定温度。考虑到一些特殊地区热值差异较大,恒温程序中应最好自带热值学习功能。


5 结论

本文首先介绍分段燃烧技术在燃气采暖热水炉上应用的优点,然后以28kW采暖炉为例,阐述分段燃烧控制时的3个重要因素:最小负荷、重合区域、半段切全段的传火控制。最后简单讨论控制器、气阀、电磁阀三者如何协调工作从而实现恒温控制。分段燃烧技术能够显著提升消费者的用水体验,可考虑在采暖炉上推广使用。

 
 


  
 
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