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燃气采暖热水炉风机抗积灰技术研究

艾欧史密斯(中国)热水器有限公司 朱立夫 朱高涛



摘 要 燃气采暖热水炉风机的抗积灰性能关系到机器的燃烧工况和用户体验。本文详细分析了积灰对于风机性能和燃气采暖热水炉性能的影响,提出一种主动抗积灰的技术方案,该方案从设计风机叶型入手,以改变叶片放置角度为基础,设计出12°、0°和-12°三种不同放置角度的风机,从P-Q性能、积灰量、燃烧工况和噪声四个角度对新设计风机积灰前后的性能与原型风机对比,分析得出表面-12°风机除噪声提升1.3分贝外,其余各项性能均不差于原型未积灰风机,该技术方案可以为燃气采暖热水炉主动抗积灰的进一步研究提供思路。

关键词 燃气采暖热水炉;主动;抗积灰;积灰量;噪声;燃烧


1 引言

空气环境变差使得燃气采暖热水炉的运行环境也变得异常复杂和恶劣,这对于燃气采暖热水炉的可靠性提出了更高的要求和更多的挑战。空气质量在影响人体健康的同时,也在影响着燃气产品的安全稳定运行[1]。对于燃气采暖热水炉影响较大的是空气中的灰尘,灰尘进入旋转部件风机后,会降低风机的性能,进而导致燃烧工况变差,机器运行噪声也会发生变化。目前对于风机的抗积灰研究主要在有除尘需求的行业中[2,3]。油烟机行业中也出现一些风机除油除灰的方案,但这些方案都是被动除灰,均是在积灰后来进行改善。本文首先分析燃气采暖热水炉风机积灰的影响,然后提出一种改变叶片放置角度的主动抗积灰技术解决方案,并通过实验测试,从多个角度对方案的可行性进行分析和评价,该技术方案即使在积灰后也不改变机器运行的各项性能,使燃气采暖热水炉运行更为可靠。


2 风机积灰对燃气采暖热水炉的影响

2.1 对风机性能影响

燃气采暖热水炉风机长期运行后,通常会在叶片的压力面一侧集聚大量灰尘,压力面的积灰会使原有的风机叶型发生变化,如图1及图2所示,导致叶片的进出口安装角度趋向不利于对空气做功的方向,最终导致风机的风量风压下降,效率降低。


2.2 对燃烧工况的影响

燃气采暖热水炉的风机用于烟气的排放,在平衡式燃烧系统中使得密封腔形成负压,致使源源不断的空气从外界吸入密封腔体内帮助燃烧。当风机积灰后,风量降低,若机器无抗风压设计,风机排放烟气能力下降,同时吸入新鲜空气的能力也会降低,燃烧不充分,使得CO等有害气体排放增多,存在安全隐患,同时使得整机能耗升高。

2.3 对机器运行的影响

燃气采暖热水炉的风机出风口通常安装有取压管,取压管通过硅胶管与风压开关相连接,风机在积灰严重时,启动风压值可能无法满足风压开关的ON值,导致机器无法正常点火。有些情况下,启动风压值处于风压开关的ON值临界处,导致机器频繁启停,进而影响用户的生活热水使用舒适性。此外,部分燃气采暖热水炉未通过风压开关进行安全保护,而是通过风机自身的风机电流判断使用环境的工况变化,风机在长期使用积灰后,将导致风机电流异常,与正常燃烧曲线偏离,最终导致故障频发。

2.4 对振动噪声的影响

风机作为燃气采暖热水炉最为核心的动力部件之一,是燃气采暖热水炉的主要噪声源,风机的噪声主要有气动噪声、振动噪声和电磁噪声等[4,5]。风机积灰严重后,叶轮表面的积灰可能会导致叶轮动平衡值偏高,叶轮的轴向和径向跳动变大,振动加剧,振动传递后经外壳钣金件产生低频噪声,长期在该工况下运行,叶轮轴存在严重的失效变形风险。部分带有抗风压逻辑的燃气采暖热水炉,风机积灰后通过增加风机转速进入抗风压程序,转速的增大使得风机的气动噪声增大,给用户带来较差的体验。


3 风机抗积灰方案测试与分析

3.1 方案介绍

通过前面的介绍,风机积灰会给燃气采暖热水炉带来较大危害,对于该课题的研究行业内一直没有停止,其他应用风机的行业也同样面临这个问题。目前市场现有的抗积灰技术,大多停留在被动除灰的层面,多为在风机前增加吸灰过滤网等,该方向确实可以有效降低灰尘,但是风机的性能在长期应用后,随着过滤网的堵塞无法得到保证。下面将从主动抗积灰的层面提出一种抗积灰的方案,从大量分析试验中来深入论证方案的可行性和可靠性。

3.2 方案介绍

主动抗积灰技术方案从积灰的根源入手,以风机叶轮设计为基础,对于风机的叶型结构进行更改,使得叶片更不容易吸附灰尘,风机性能不下降,燃气采暖热水炉运行工况良好。

本文以某型48W风机为研究对象,该型风机叶轮直径97mm,叶片为34片。该试验结构在A.O.Smith壁挂炉产品试验室风洞测试中心测试,见图3。图4所示为该风机在使用30天后风机积灰前后的P-Q性能曲线图,从图中可以看出,积灰后风量风压出现严重下降,基本降幅达到20%。表1为该型风机在A.O.Smith 26G系统平台中积灰前后的排放数据,从表中可以看出,积灰后燃气采暖炉氧含量降低,CO排放量提高。


燃气采暖热水炉的风机叶型通常为规则的圆弧形结构,有一定的圆弧角度,因此进口安装角度和出口安装角度存在一定的规律。本文将进出口安装角度统称为叶片放置角度,通过改变叶片的不同放置角度来改变叶型结构,文中定义叶片放置角度为叶片前缘和后缘连线(即弦线)与叶轮尾缘到叶轮中心点连线的锐角夹角的角度,见图5。


本文提出的技术方案为更改叶片放置角度,分别为-12°、0°和12°,圆弧半径和弦长均不进行更改,为弥补更改后风机风量风压的下降,所有改善型叶轮均在原叶轮基础上放大设计,改变叶轮外径为120 mm,几种叶型的实物图如图6。


3.3 方案试验验证

3.3.1 积灰量测试

为加速积灰模拟,设计如下图7所示试验装置,将烟管末端伸入装满灰尘的纸箱中,在纸箱内部安装鼓风机,增大灰尘的流动性。


该试验共运行76天,通过测量风机积灰前后的重量来定量分析积灰量,76天试验周期内定期进行灰量测量。测试数据见表2,积灰增长趋势图如图8所示。从表2和图8可以明显看出,随着时间的增长,原始未改善风机的积灰量随着时间的增长明显提升,而改变叶片放置角度的风机积灰量上升缓慢,且呈现周期性的递增递减,实验中也发现积灰一定时间后,灰尘会出现脱落现象。


3.3.2 P-Q性能测试


 从改善的三种角度的风机可以看出,-12°叶轮的积灰量最小,然后依次是0°叶轮和12°叶轮。从风洞测试的结果来看,12°风机的P-Q曲线相对原型风机略有下降,而-12°和0°风机的P-Q曲线较原型风机没有出现明显的降低趋势,如图9所示,从积灰量和性能上可以看出,-12°和0°叶片放置角度的风机是抗积灰的首选。

3.3.3 燃烧工况测试

对上述三款改善风机在A.O.Smith 26G燃烧系统平台中进行燃烧性能测试,测试数据见表3。从表中可以看出,改善叶轮在积灰后的烟气排放和原型基本一致,烟气排放依然比较好,没有较大程度的降低。


3.3.4 噪声测试

在A.O.Smith研发中心半消音室对26G机器在不同风机下的噪声进行测试,排除排气影响,分别测试机器前、左、右三侧噪声,测试数据见表4。从表中可以看出,积灰前后原型风机的噪声无明显变化,主要是因为转速未变,且风机积灰较为均匀,动平衡未破坏,所以噪声数据差异不大。改善风机的噪声整体较好,最高为-12°放置角度的机器,较原型风机高1.3分贝,这主要是由叶轮增大引起,但从人体感受的角度,3分贝以内的噪声变化,人耳感知变化不明显,对产品品质的影响较小。



4 结论

本文在分析燃气采暖热水炉风机积灰对于风机性能、燃烧工况、机器运行和振动噪声等四方面影响的基础上,提出了一种主动抗积灰技术方案,该方案从设计风机叶型入手,改变叶片放置角度,设计了-12°、0°和12°三款不同放置角度的风机,从积灰量、P-Q性能、燃烧工况和噪声四个角度与原型风机进行对比分析,得出如下结论:

(1)改变放置角度的叶轮积灰量均小于原型风机,且会出现周期性灰尘脱落现象,-12°放置角度的风机积灰量最小,然后依次是0°和12°。

(2)12°叶轮的P-Q性能较原型风机略有下降, -12°和0°叶轮的P-Q性能良好,和原型风机一致。

(3)燃烧工况再次验证-12°和0°的叶型设计,在积灰之后依然与原型风机在未积灰状态下一致。

(4)因叶轮增大,改变放置角度的叶轮噪声较原型叶轮有所增大,但最大增加不超过2分贝,以满足设计要求。


参考文献

[1]郭全.燃气壁挂炉锅炉及其应用技术[M ] .中国建筑工业出版社,2008.

[2]潘海波,郭宏伟,虞维平,等.离心除尘风机气固两相流动的数值模拟[J].流体机械,2015.6.等


 
 


  
 
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