全预混冷凝式壁挂炉稳定小负荷燃烧措施

1 小负荷燃烧常见问题 ①燃烧噪声回火是引起燃烧噪声的主要原因，在燃烧负荷下降时，可燃混合气的流速降低。当混合气流速度低于火焰

1 小负荷燃烧常见问题

①燃烧噪声

回火是引起燃烧噪声的主要原因，在燃烧负荷下降时，可燃混合气的流速降低。当混合气流速度低于火焰传播速度时，则引发回火，回火条件分析见图1［1］。回火引起燃烧噪声，造成CO体积分数急剧上升，同时把燃烧器烧坏。下面对引发回火的各因素进行分析。

图1 回火条件分析

1.引发回火时混合气流速度 2.回火极限时混合气流速度 3.火焰稳定燃烧时混合气流速度 4.火焰传播速度

a.火焰传播速度

全预混过剩空气系数的变化直接改变了混合气的理论燃烧温度，并由此引起化学反应速度发生明显变化，火焰传播速度也相应改变［2］49。不同可燃气体因密度、热导率不同将影响其火焰传播速度，不同燃气、不同过剩空气系数对火焰传播速度的影响见图2［2］49。

图2 不同燃气、不同过剩空气系数对火焰传播速度的影响

1.水煤气 2.焦炉煤气 3.液化石油气 4.天然气

b.火孔壁散热

火焰传播是依靠分子导热，使未燃混合气温度升高引起反应，使燃烧波不断向未燃混合气中推进，而火孔壁对火焰进行散热，可降低烟气温度，当火焰向火孔壁的散热量大于火焰放热量，火焰无法传播。

c.主控制器调节

当房间供暖达到设定温度后，壁挂炉控制器根据实际热负荷需求，会由大火燃烧转到小火燃烧，如主控制器控制不合理，风机转速降低速率过快，燃气比例阀与风机未同步调节，导致燃气与空气比例不恒定，使混合气输出速度低于火焰传播速度，导致火焰不稳定或回火，伴随有“噗、噗”的噪声。因此控制器在调节负荷时要避免瞬间变化过大。

②意外熄火

热负荷越小，燃烧火焰就越短，火焰探针检测到火焰电流就越弱，出现电压或气压有较大的波动时，导致火焰探针检测到火焰电流出现较大的波动，进而出现不正常熄火现象。在确定最小负荷时除考虑外界因素影响，更要提高自身性能减少意外熄火的可能性，其中火焰探针材料及安装位置对火焰电流有较大影响。

a.火焰探针材料

火焰探针材料将影响其导电性能及反应的灵敏度，金属材料在热态下电阻会发生改变，电阻变化速度越快，表征材料反应越灵敏。其中常用的材料有镍铬丝、康泰尔丝、STT丝，在相同热负荷情况下，相同形状尺寸不同材料的火焰探针测得的反馈电流见表1。

表1 相同形状尺寸不同材料的火焰探针测得的反馈电流

可以看出，STT丝材料的火焰探针在高温火焰下持续60 s时，检测到火焰探针反馈电流1.2μA，并在120 s内迅速稳定在1.6 μA。镍铬丝材料在180 s时稳定在1.4 μA，康泰尔丝材料在180 s时稳定在1.6 μA，因此STT丝材料趋于稳定的速度高于镍铬丝、康泰尔丝，对热反应电阻变化最灵敏，因此STT丝材料在热态下的导电性能最好。

在电压或气压波动导致出现火焰不稳定的情况下，火焰探针所选用的材料导电性越好，灵敏度越高，越容易出现熄火。但导电性差、灵敏度低的材料在出现烟管堵塞的情况下，影响及时切断燃气，因此要综合考虑两方因素。

b.火焰探针与燃烧器表面距离

火焰电流与火焰探针距燃烧器表面的距离有关，控制火焰探针与燃烧器表面的距离，就可使反馈电流适当增加或减小。当火焰越短，探针离火焰表面距离越远，反馈电流越小，在热负荷为6 kW时，火焰探针距燃烧器表面不同距离下检测到的反馈电流见图3。随着火焰探针距燃烧器表面距离增大，反馈电流减小。因此在最小负荷下，只要把火焰探针调整到距离燃烧器表面合适的位置，保证反馈电流大于设定的熄火电流，可减少火焰不稳定产生的意外熄火。

图3 火焰探针距燃烧器表面不同距离下检测到的反馈电流

③CO含量偏高

CO由不完全燃烧产生，如果有充分的氧气和停留时间，CO的浓度会降至很低。全预混燃烧中，燃烧前燃气与足够的空气进行充分混合，燃烧所产生的CO很少［3］，烟气中CO体积分数一般不超过0.005%，实现低排放、低污染效果。

a.燃气比例阀调节不当

燃气与空气之间的比例，是通过比例阀调节实现，通过调节比例阀调节螺丝先确定大负荷时燃气与空气比例，再通过零位调节确定小负荷时燃气与空气比例。两个工作点确定后，整个负荷变化过程中，燃气与空气比例成线性变化，调节过程中使烟气CO2体积分数保持在9.0%左右。如果在出厂检验时只注重调节大负荷燃烧时燃气与空气比例，而忽略小负荷时燃气与空气比例，或在小负荷调节时，零位调节不当，造成小火产生不完全燃烧，导致CO剧增。

b.热负荷调节比过大

根据燃气比例阀调节特性，如果热负荷调节比超过1∶5，燃气比例阀得到的空气压力信号比较弱，不能准确地根据空气流量大小给出相对应的燃气流量，造成燃气与空气比例不恒定，使燃气不完全燃烧，不同热负荷下烟气中CO体积分数见表2。可以看出，当额定热负荷为24 kW，若热负荷调节比超过1∶5，最小热负荷时烟气中CO体积分数会明显增大。

表2 不同热负荷下烟气中CO体积分数

④燃烧器过热

全预混燃烧火焰只有内焰，火焰很短甚至无焰，当热负荷低时，焰面贴近燃烧器，燃烧器被加热，形成高温辐射源，如果温度超过燃烧器所能承受的正常工作温度，将降低燃烧器的使用寿命。因此在确定最小热负荷时，应考虑燃烧器所能承受的最高工作温度，保障壁挂炉的持续使用寿命。

2 解决措施

①为了防止回火，必须尽可能使气流的速度场均匀，在最低热负荷时各点的混合气流速度都大于火焰传播速度。

②过剩空气系数基本维持在1.2～1.3。

③燃烧器采用小火孔，孔径小于所使用燃气的火焰传播临界孔径，同时增大火孔壁对火焰的散热。

④合理地选择火焰探针材料，确定火焰探针到燃烧器表面距离，达到最优。

⑤热负荷调节比范围设定为20%～100%。

3优化热负荷调节比的方法

热负荷调节比大，能提供更舒适的恒温生活热水及家庭供暖需求。但当前许多厂家为了保证机器的稳定性而减小热负荷调节比，提高最小热输入，这样将大大降低机器的舒适性。

根据流量计算式，在保证混合气最低流速时，通过减小流通截面积以降低混合气输入量。由于燃气与空气的比例恒定，混合气流量减少，热负荷也相应降低。

在全预混燃烧系统中，采用文丘里混合装置保证燃气与空气充分混合，通过改变空气输入孔或混合气输出孔流通面积，可以设计不同的热负荷调节比。额定热负荷为24 kW的前预混混合器见图4。

图4 额定热负荷为24 kW的前预混混合器

1.燃气进气管 2.轴向空气进口 3.径向空气进口 4.调节环

预混混合器的径向空气吸入口，可通过调节环进行开口大小调节，当其径向空气进口开度最大时，热负荷调节比为1∶3.5，当径向空气进口开度最小时，热负荷调节比为1∶5。通过调节不同的开度以达到设计要求。为了保证燃烧的稳定性，适应各种环境、气体成分及压力的差异性，一般全预混机型热负荷调节比控制在20%～100%范围内。

4 结语

通过对全预混冷凝式壁挂炉在小负荷工况下的燃烧噪声、意外熄火、CO含量偏高、燃烧器过热问题进行分析，针对各影响因素提出改进措施，从而有效防止小负荷产生各种故障，提高产品的稳定性和适应能力。通过调节文丘里混合装置的流通面积，适当加大热负荷调节比，提高产品的舒适性。

原创：徐麦建，等

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