燃气热水器配风特性研究及分流结构优化

发布时间：2020-08-05 16:44

【摘要】：近几年我国的燃气事业发展迅速,特别是在山东省新旧动能转换重大工程的背景下,使用天然气的城市和地区越来越多。强鼓式燃气热水器绝大多数采用部分预混式燃烧形式,数排大气式燃烧器并列在封闭的燃烧室空间,采用鼓风机集中供风。这就带来了许多问题,诸如一次空气分布不均及进风方向不合理、燃烧器火孔处气体流量与甲烷浓度分布不均匀、二次空气流动存在漩涡与扰流导致空气流动不畅通等。本文首先根据强鼓式燃气热水器的实际尺寸,建立了鼓风机、空气分配腔、燃烧器和二次空气通道的整体几何模型。然后建立了数学模型,并利用流体力学软件对强鼓式燃气热水器供风系统进行模拟研究。其次,建立了强鼓式燃气热水器实验系统,测试了鼓风机不同转速及不同进风开度下的风机鼓风量、不同负荷下一次空气系数的分布规律。实验结果和模拟结果进行对比,验证了采用数值模拟方法研究强鼓式燃气热水器的可靠性。然后,采用数值模拟方法分别研究了一次空气挡板开孔面积及位置对一次空气分布和燃烧器火孔气体流量分布的影响;燃气分配器位置对火孔处甲烷浓度的影响;燃气分配器前侧与燃烧室前盖板之间缝隙对火孔处甲烷浓度分布的影响;二次空气挡板开孔位置对二次空气流动的影响,并且做出了优化改进。最后,利用强鼓式燃气热水器实验系统测试了不同负荷下一次空气的分布和火孔处火焰高度的变化特征。实验结果与优化结果进行对比,验证优化模拟结果的正确性。研究结果表明:通过调整开孔面积及位置来改变进风方向可以使火孔出口处气体流量均匀分布,开孔上进风和下进风有一个最佳比例,下进风量多导致后端火孔气体流量较高,否则相反,1#燃烧器空气孔位置要上移1mm,且上半部分孔全开,2#~12#燃烧器空气孔位置整体下移1mm左右,且6#燃烧器空气孔下半部分孔全开;燃气分配器距离引射器入口中心水平距离d(3mm≤d≤6mm)越大,火孔处甲烷浓度分布越均匀,最佳位置为d=6mm;燃气分配器中心距离引射器入口中心竖直距离h(0mm≤h≤1.5mm,向上移动)越大,火孔处甲烷浓度分布均匀性先提高后大幅度降低,最佳位置为h=1.0mm;4#~8#燃烧器对应燃气分配器前侧无缝隙,1#~3#与9#~12#燃烧器对应燃气分配器前侧有缝隙对增强火孔处甲烷浓度均匀性分布有明显效果,4#~8#燃烧器浓度偏差12%降低到4.2%左右,1#~3#与9#~12#燃烧器浓度偏差5.8%降低到5.2%左右;通过调整二次空气入口位置与分布,可以改善入口空气有回流,通道内有旋涡这种状况,使空气出口处速度分布变得均匀,空气流动更加畅通。
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU822;TS914.252
【图文】：

示意图,燃气燃烧,方式,示意图

直接送入燃烧室再次参与燃烧的空气称为二次风。一次风量与理论空气量的比值称为一次空气系数。如图2-1（a）中所示，一次空气系数为零（1=0），不与燃气提前混合，燃气中不含有氧化剂，燃烧所需的氧气将依靠扩散作用从周围大气获得，这种方式称为扩散式燃烧。在层流状态下，扩散燃烧依靠分子扩散作用使周围氧气进入燃烧区；在紊流状态下，则依靠紊流扩散作用来获得燃烧所需的氧气。由于分子扩散进行的比较缓慢，因此层流扩散燃烧的速度取决于氧的扩散速度。扩散燃烧火焰的形状为圆锥形，因为沿火焰轴向方向流动的燃气要穿过一个较厚的内侧混合区才能遇到氧气。燃气在流动过程中不能燃烧，纯燃气的体积越来越小，最后在中心线上全部燃尽，所以在火焰末端变尖而整个焰面变成圆锥形。如图 2-1（b）中所示，当一次空气系数在 0 和 1 之间时（0<1<1），燃气提前与空气预混，然后在燃烧器内混合，燃烧时可以形成有蓝色火焰的内椎体，称为部分预混式燃烧，又称大气式燃烧。燃气热水器一般采用这种部分预混式燃烧。如图 2-1（c）中所示，当1≥1 时，外焰面与内焰面完全重合，两层火焰面的现象就会消失，此时称为完全预混式燃烧。完全预混式燃烧可燃物的燃烧速度很快，但火焰稳定性很差。（a）（b）（c）图 2-1 燃气燃烧方式示意图强鼓式燃气热水器的燃烧装置采用的是大气式燃烧器。其燃烧过程是燃气从燃气分配器流经燃气分配器，通过喷嘴后燃气压力下降，管径变细，燃气流速升高。高流速的燃气从燃气分配器喷射出来，此时燃气带有很大的动能，由于气

本生,表面速度,火焰

空气混合物的流动，使燃烧器的一次空气情况相反，增强了燃气空气混合物的流动压力与大气压力相等时，上式所述的引射稳定性机理分析[38-39]焰由外焰和内锥组成，其形状见图 2-2，关律可以用管道中的气体流动现象来解释。线状分布。截面中心点中心气流速度最大速度为零。想要形成一朵稳定的内焰必将于法向火焰传播速度即Nn= un= u cosα定在此处。还有，此处还有一个切向分速面的两侧存在着不断地火焰互相传播的情

的气流速度分布呈抛物线状分布。截面中心点中心气流速度最大，相对四周延伸，气流速度递减，管壁处气流速度为零。想要形成一朵稳定的内焰必将满足管道截面上任何一点的气流法向速度均等于法向火焰传播速度即Nn= un= u cosα。因此火焰虽然有向里传播的趋势，但能稳定在此处。还有，此处还有一个切向分速度usin ，使得此点的质点移动。所以，在焰面的两侧存在着不断地火焰互相传播的情况。图 2- 2 本生火焰表面速度分布

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