何 意

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

随着社会的发展，生活水平的提高，对家电产品的质量可靠性也提出了较高的要求，燃气热水器也不例外。燃气热水器在燃烧工作时，其内部温度会受高温烟气热辐射而升高,影响热水器可靠性，燃烧室系统在该问题上起到关键作用，因此需对燃烧室壁面采取降温隔热操施。目前大部分产品在燃烧室壁上采用铜盘管式水冷却降温，但这样会存在一些不足。例如当水进入盘管的水温度与热水器内的空气温度存在较大温差时，空气遇到低温盘管的管壁，容易在管壁产生大量冷凝水，冷凝水滴落容易造成热水器内部电气部件安全性问题，存在安全隐患。部分地区水质较差，含有对铜管表面产生腐蚀的物质，导致盘管被腐蚀，进而造成漏水的情况也比较多。

使用铜盘管式水冷却降温，消耗过多的铜材，与节能减排政策相悖。也因其较高的材料成本直接影响应到燃气热水器的整机成本，不利于燃气热水器普及和行业的发展。

1 燃烧室系统采用的技术现状

目前市面上燃气热水器的燃烧室壁面降温隔热方法一般有分为用水冷却和不用水而用其它气体冷却或固体隔热。见图1，水冷却有盘管式水冷却、水封式水冷却，例如目前大部分燃烧室系统采用盘管式水冷却。盘管式水冷却即使用管盘绕燃烧室，管内通水来吸热降温，其材质常用有铜材。水封式水冷却通过板材压型来形成条状水腔水路，腔内通水冷却吸热降温，材质多用不锈钢材质。不用水冷却的方法有隔热材料隔热、空气冷却等。隔热材料隔热的材料多为硅酸铝板，壁挂炉燃烧室采用该方法较多。空气冷却即采用空气流来对燃烧室壁面冷却降温。

图1 燃烧室隔热方式图示

2 空气冷却与各种冷却方式对比

空气冷却具有以下特点：

1）安全性更高、更加可靠。市面上燃气热水器的燃烧室系统大多采用的盘管式水冷却方式，与换热器一体。用管盘绕着燃烧室外壁，再在管内通过冷水来吸热降温的一种方式。在使用过程盘管壁面容易产生冷凝水，冷凝水的滴落容易造成热水器内部电气部件安全性问题。还有在寒冷零下摄氏度天气时，容易出现盘管冻裂漏水现象，以及盘管被腐蚀等问题。

水封腔式水冷却，在一板材上压型腔，再把该板材与另一板材对贴焊接形成水路腔，通过用水流经水路腔来对燃烧室壁吸热降温作用。但是同样面临盘管式水冷却问题，如容易出现冷凝水现象。由于大面积采用板相对贴焊接，以及腔内形状等，引起相应承压问题，如在寒冷零下摄氏度天气时，容易出现冻裂漏水现象，可靠性差，易造成安全性问题。而空气冷却很好的解决了这些问题，安全性高也更加可靠。

2）减少燃烧室壁水路、水阻更小，用水更卫生。盘管式水冷却和水封腔式水冷却方法，都存在加长了热水器的水路，使得水阻加大，水流量变小现象，影响用户舒适度。还有，在使用完热水关闭热水器后，会使得燃气热水器内部管路积水多，滋生细菌、容易生产水垢，容易造成堵塞等。而空气冷却方法可减少燃烧室壁水路，使得水阻减小，减少细菌滋生，用水更放心卫生。

3）更经济环保、工艺更简单。水封腔式水冷却，大面积采用板材对贴焊接，焊接工艺复杂，容易焊接不到位、漏焊、焊缝不贴等造成漏水。焊接难度大、合格率低等，造成人工成本上升，还有为了相应增加承压问题，材料厚度相对较厚，其材料成本也相应增高。

隔热材料隔热。该方法目前一般用于壁挂炉较多，隔热效果与隔热材料传热系数、用料厚度有关,一般其导系数随着温度升高会逐渐增大，因此用于燃烧室上时需较厚的料厚才有理想的降温效果，这样也将使燃烧室体积增大等缺点。壁挂炉常用的有硅酸铝板。

而空气冷却加工工艺简单，不用设置盘管，同时更节省大量铜材盘管，减少材料消耗量，其成本较低、更环保。

4）模块化、通用化高。空气冷却能更好的使燃烧室壁与换热器分离，燃烧室、换热器模块化、通用化相对更高。

3 空气冷却的燃烧系统设计

3.1 备选方案理论分析

基于对上述盘管式水冷却、水封腔式水冷却、隔热材料隔热、空气冷却的对比分析，再结合空气冷却的优点,如安全可靠性、性能及成本。本文选用空气冷却方案展开方案分析。

空气冷却有两种方案，顺流空气冷却方案和逆流空气冷却方案。

顺流空气冷却方案。如图2（a），即从燃烧室外壁下方开设侧外进风口,让热水器外壳内部空气从侧进风口进入，从燃烧室两层板间的内夹通道流过，冷却燃烧室壁面降温，再进入燃烧到内，不参与燃烧排出去。但其缺点是，破坏了燃烧室四周壁面的密封性，使燃烧室内负压绝对值下降，从而使得一次进风口、二次进风口处的负压绝对值降低，从流量关系Q总=Q1次+Q2次+Q冷却可看出，风机抽风量Q总一定时，Q冷却变大，Q1次+Q2次会变小，不利于一次空气Q1次、二次空气Q2次的输入,对燃烧稳定性、燃烧充分性不利，还造成热效率降低，以及其燃烧室壁面的气密性破坏，甚至影响安全性。

逆流空气冷却方案。热负荷计算公式[1]:

式中:

Q—热负荷，W；

K—总传热系数，W/(m2·℃)；

A—换热器总传热面积，m2；

Δtm—进行换热的两流体之间的平均温度差，℃。

由上述热负荷公式可知，增加平均温差为换热的强化换热途径之一。增加传热温差的方法有两种，一是提高热流体的进口温度或降低冷流体的进口温度。一是通过传热面的面置来提高传热温差，当冷热流体顺流流动时，其平均温差最小，当冷热流体逆流流动时，其平均温差最大。因此逆流空气冷却方案尝试采用冷却空气与烟与逆流流动，提高冷却空气冷却作用。

如图2（b），为逆流冷却方案，从燃烧室外壁上方设侧外进风口，让热水器外壳内部空气一部分从侧外进风口进入，自上而下从内夹通道流过，冷却燃烧室壁面降温后，再进从一次进风口，二次进风口进入并参与燃烧。其优点是给燃烧室壁面降温的同时，不破坏燃烧室内的气密性，使燃烧室内维持一定负压值。从流量关系Q总=Q1次+Q2次可看出，风机抽风量Q总一定时，“Q1次+Q2次”一定，Q冷却=Q1次+Q2次=Q总，这样有利于一次空气Q1次、二次空气Q2次的输入量，保证燃烧更稳定、更充分。

图2 气流流动示意图

3.2 备选方案仿真计算对比

进一步再对两种冷却方案进行前期仿真计算，分析两种流向空气对燃烧室壁面的降温效果，图3 为仿真温度云图。以及燃烧室壁上下不同位置，与燃烧室壁面温度之间的仿真曲线如图4。从仿真结果可知，逆流冷却方案其壁面大部分温升较底，平均温度更低。经综合考虑后，我们优选采用了逆流冷却方法。

图3 两种流向冷却对壁面效果仿真对比

图4 燃烧室壁面温度之间的仿真曲线图

3.3 燃烧室系统设计

经过上述方案对比分析后，决定采用从下两个技术点展开燃烧室系统设计：

1）采用逆向空气冷却；

2）采用负压系统。

按额定热负荷27 kW 的14 L 燃气热水器[3]进行设计，通过将风机设置在集烟罩上方并进行强行抽风形成负压系统，让风机在上方抽风，在下方燃烧室内部形成负压区，进而使一次空气进风口、二次进风口处形成负压。并在热水器外壳上方开设有进风口，当热水器工作时，风机启动抽风，所需空气从热水器的外壳进风口进入，从上而下逆向流动，再流经一次进风口、二次进风口，然后进入燃烧室。

对燃烧室的四面壁设计有内夹通道，冷却空气Q1流过该内夹通道，对燃烧室壁面降温，以及外侧冷却空气流Q2对外侧降温。内夹通道面积按排烟口面积的1.4 倍设计(1.4*Sp ≈4 000 mm2，Sp 为进气口面积)，如图5（a）。采用板材设计燃烧室壁，结合换热器及燃烧器形成燃烧系统结构，如图5（b）。

图5 热水器及燃烧室系统空气流动示意图

4 对燃烧室系统进行计算分析

下面对燃烧室系统进行计算分析，采用仿真软件分析其表面温升。设定，进口烟温为1 100 ℃，进口流速3.6 m/s。表面温升云图如图6。

图6 燃烧室系统表面温升云图

从燃烧系统表面温升云图可看出，大部分温度较低。在上面取了10 个样点，正面最高温度126℃,该点位置大概在燃烧器火孔处，总体达到设计要求。

5 燃烧室系统实验测试

对该燃烧系统方案打样进行对比测试，首先对传统铜盘管式水冷却的14 L 燃气热水器机样进行测试，在燃烧室壁上布置温度探头后盖上面壳，使用气源为CH4，设定最高出水温度，通水启动热水器使之燃烧工作，在额定热负荷下连接燃烧60 min，最后记录其表面温度，如图7,盘管表面出现冷凝水，温度最高在130 ℃左右。

图7 传统燃烧室系统表面温升测试图

然后对本文的方案进行测试，操作同上。同样把该燃烧系统装进14 L 的燃气热水器，最后记录其表面温度。当然在试验过程中,样机底面壳与燃烧室系统之间的间距形成的空间大小对空气量Q2影响较大，因此在试验中对Q2进行干预，逐渐减少空气量Q2，使Q1增大，当燃烧室系统表面温升明显降低到一个较佳值时并记录测试数据，如图8。

图8 空气冷却燃烧室系统表面温升测试

从测试数据对比可以看出，该方案最高温度为121 ℃，降温效果较明显，燃烧系统整体表面温升较低，与传统盘管式水冷却接近，达到要求。再观察燃烧系统壁面是否产生冷凝水，对燃气热水器进行操作，让燃气热水器从最大负荷到最小荷负之间运行，没发现该方案表面产生冷凝水现象，符合预期。

6 结论

燃烧室壁面通过空气冷却，有效减少燃烧室壁面冷凝水的产生，有效降低燃气热水器燃烧室表面温升，也减少因天气寒冷导致水管被冻裂而引发的漏水问题，使