燃气采暖热水炉结构优化对烟气性能的影响
燃气具产品，其国家标准中对于烟气的排放指标的性能要求，重点关注并作严格要求的是烟气中 CO（一氧化碳）的排放要求，因为 CO 是无色无味的有毒气体，人吸入后会引起 CO 中毒，同时 CO 的排放过高也是燃气燃烧不充分的表现，影响产品热效率。因此，燃气采暖热水炉国标GB25034-2010中对 CO 的排放要求与欧洲标准EN483的要求一致，对 CO 的排放测试及排放指标要求更高，有严格的规定。而产品的性能与结构密不可分，产品的性能决定于产品的结构，在实际的燃气采暖热水炉新产品开发过程中，产品的样机测试过程中出现烟气超标，主要体现在产品结构的细节上，研发工程师只要对结构稍作调整、对产品结构进行优化，便可调整燃烧工况，解决烟气偏高或超标问题。
燃气采暖热水炉正常运行时，出现回火、脱火、黄焰现象都会引起 CO 含量增大。从图1可知影响 CO 含量的最大因素便是燃烧器的空气系数 a 和燃烧器的火孔强度 q。
对于一款机型来说，燃烧器的结构一旦确定，火孔强度 q 为固定值，因此在新产品开发过程中需要对空气系统 进行调整保证烟气中 CO 含量低于国家标准。燃气燃烧时所需要的理论空气量是指燃气完全燃烧时所需要的最小空气量。由于燃气与空气存在混合不均匀性，如果只供给理论空气量，很难保证燃气与空气充分混合，因而不能充分燃烧。因此，实际供给燃气的空气量大于理论空气量，要供给一部分过剩空气，即存在一个过剩空气系数：
- =V1/V0=α1+α2
其中： V1——实际供给空气量；V0——理论供给空气量；
—— 一次空气系数； ——二次空气系数；
通常＞1，值的大小决定于燃气燃烧方法及燃烧设备的运行工况，在民用燃具中一般控制在1.3~1.8。在一定的过剩空气系数中（燃烧总空气量一定），如何对一次空气系数 和二次空气系数 进行分配则成为解决烟气超标问题的关键。大气式燃烧器的一次空气系数 通常为0.45~0.75。一次空气不足或二次空气不足都有可能会造成烟气 CO 超标。
在实际的新产品研发过程中，产品的空气流动及分配由产品结构而定，产品结构设计合理性影响着一次空气系数和二次空气系数的分配，一些细节性的结构优化能够对烟气 CO 含量产生非常大的影响。
一、样机结构优化前性能测试
根据国标GB 25034-2010《燃气采暖热水炉》第6.6.3条及第7.6.3.1条性能要求及试验方法：“不完全燃烧”测试，器具安装“最长烟管”，“先用基准气按如下规定调节热输入状态，对于装有燃气稳压器的器具或在燃气管路上装有单独稳压器的器具，调节在105%额定热输入状态。再使用不完全燃烧界限气代替基准气。烟气中 COα=1浓度应小于0.2%”。在对我司第二代燃气采暖热水炉新产品的开发测试过程中出现烟气超标问题。
二．样机结构优化对烟气排放指标的影响分析
在对样机的结构进行分析后，发现两台样机各存在以下问题：
- 样机1：经分析，燃烧室盖板表面凸包深度过高，存在空气扰流，在空气箱盖板与燃烧室盖板之间形成了涡流，增加了空气流动阻力，使此方向的空气量相对侧面降低，因而降低燃气燃烧所需的一次空气系数α1；
对样机燃烧室盖板表面凸包深度利用分析软件 FLUENT 进行流体速度场模拟仿真结果如下：
分析结果：空气在燃烧室盖板与空气箱盖板之间的缝隙主要提供一次空气量。针对样机1，如图4、5流体分析结果可以看出，在结构优化前，大小凸包深度为3.5mm，空气通过凸包位置时，过流断面的扩大和缩小导致空气流动方向改变，增加了局部损失，紊流程度加剧，影响通过空气流量。从而影响一次空气系数 α1。为了改善根据此位置的空气流通阻力，对燃烧室盖板表面凸包深度进行了调整，利用分析软件 FLUENT 进行流体速度场模拟仿真结果如下：
图6、7为优化后结构，大小凸包的深度改为1.0mm，空气通过凸包位置时，过流断面的扩大以及收缩程度较小，对空气流动方向影响较小，紊流程度较低，空气通过量明显增加，保证空气通过量，保证一次空气系数 α1。
结构优化后对样机的进行测试，从测试数据中可以看出：按国标GB 25034-2010《燃气采暖热水炉》第6.6.3条及第7.6.3.1条性能要求及试验方法，3m烟管，1.05倍额定热负荷黄火界限气，折算后 COα=1分别为0.16%和0.12%，均符合国标规定；
- 样机2：经分析，空气箱内部挡板方向影响气流的运动，减少空气实际流动面积，影响二次空气补给。据此我们对模型进行结构简化，利用分析软件 FLUENT 进行流体速度场模拟仿真结果如下：
图8 样机2分流板优化前实物图
分析结果：分流板与空气箱侧板的缝隙主要提供二次空气量。针对样机2，如图8、图9所示，结构优化前分流板水平，与集烟罩形成夹角 β，与空气箱侧板间距 L，空气由上至下流动，在遇到分流板时产生扰流阻力，做绕流运动，流动方向发生偏移，减少空气流动截面积，与空气箱侧板实际流通间距减少为 L＇， 影响二次空气补给。
结构优化后对样机的进行测试，从测试数据中可以看出：按国标GB 25034-2010《燃气采暖热水炉》第6.6.3条及第7.6.3.1条性能要求及试验方法，3m烟管，1.05倍额定热负荷黄火界限气，折算后 COα=1分别为0.16%和0.12%，均符合国标规定；
上述是分别对实际新产品开发过程中的两款烟气排放异常的样机进行结构优化改进，通过分别调整燃烧室盖板、分流板的结构的案例来提供分析解决烟气超标的措施及方法，从两款样机的问题解决方案可以看出，通过优化产品结构调整一次空气和二次空气分配是解决烟气问题的重要方向。
参考文献：
[1] 同济大学等，燃气燃烧与应用（第四版），中国建筑工业出版社，2011.
[2] 蔡增基，龙天渝，流体力学泵与风机，中国建筑工业出版社，2009.
[3] GB 25034-2010 燃气采暖热水炉
