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高效预混式燃气风机 |
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作者：ebm-papst上海有限公司 孙继光 |
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舒适健康的现代生活要求家用供热系统能够持续低功率运行，在保持室内温度的同时，还必须满足提 供洗浴热水等陡然提升的高功率运转要求。随着人类能源和环保意识的不断提高，供热系统的节能和环保问题也越来越受到重视。与传统燃气壁挂炉相比，预混冷凝式燃气壁挂炉采用特殊设计理念，提高了25%～60%负载时的整机效率 ；燃烧前将燃气和空气充分混合, 优化了燃烧过程，减少了氮氧化物和CO2的排放 ；燃烧后产生的高温气体又通过特殊的热交换装置冷却至凝结温度，吸收蒸汽凝结成水过程中释放的热量，使常年效率保持在100%左右(图1)，节省了能源，保护了环境，因而成为重视环保和能源的国家和地区家庭采暖最为流行的产品。风机的作用是帮助完成燃烧及换热过程。 
图1：预混冷凝式锅炉的效率
燃烧
燃烧是一种剧烈地化学反应，通常会释放出光和热量。最常见的燃烧是可燃物质的剧烈氧化反应。一定比例的可燃物质和氧气是这种氧化反应的必要条件之一。以天然气的燃烧为例，1个体积天然气完全燃烧大约需要10个体积空气（提供所需要的氧气）。燃烧会产生新的产物，如天然气在空气中完全燃烧的产物主要有二氧化碳、水蒸气和氮气。如果是不完全燃烧，燃烧后除了上述产物外，还会含有一氧化碳、醛类、氢化物和氮氧化物等。外部环境对燃烧也有十分重要的影响，如温度、湿度、气压、空气密度和海拔高度等。举例来说，海拔越高，同一燃烧器的效率越低。
预混
预混是指在燃烧前将一定比例的空气和燃气混合，然后送入燃烧器进行燃烧。预混对完全燃烧起着至关重要的作用。预混系统根据需要设计风机的位置，风机位于排气口处称为引风式，风机位于进气口处称为强制式。在国外，尤其是北美地区，引风式多用于热量在空气之间的交换，强制式多用于热量在空气和液体（水）之间的交换。热交换在空气与空气之间进行和在空气与水之间进行的主要区别在于安全性：如果空气— 空气热交换器出现裂缝，会导致燃烧后的气体中含有的有毒气体如一氧化碳等渗入新鲜空气中，发生危险；而空气 — 水热交换器由于封闭的介质（水）则不会出现类似问题。强制式预混的优点还在于零部件的工作温度较低，因而使用寿命较长，以及燃气和空气的充分混合，改善燃烧效果等。按照空气和燃气混合的位置不同，强制式又分为风机之前预混和风机之后预混。风机之前预混由于空气和燃气在送入燃烧器之前经过风机叶轮的搅拌，能够达到更好的预混效果，更有利于完全燃烧。
电机
燃气风机的驱动电机通常有两种，一种是罩极电机，另一种是直流电机，表1为两者的性能比较。罩极电机的特点是结构简单，成本低廉，但是效率低（20%～40%），速度受线频的限制且不易调节（通常只有1到2档转速），寿命较短（最长25000小时）。新的直流无刷电机改变了传统上的低压直流电源供电方式，在电路板上集成了整流器，可以外接交流电源，在电机的内部把交流电转化为直流电，电机的效率可以达到60%～85%。驱动电路监测转子的角度，产生旋转磁场，驱动转子转动。驱动电路还包括速度监测和控制、滤波器和极性反转保护等功能。直流无刷电机无滑差损耗和杂散损耗，因此，电机的寿命可以达到40000小时以上。
预混式燃气风机的驱动需要考虑多方面因素：风机的输入功率必须最低以优化壁挂炉整体效率（风机效率和系统的阻力决定了风机的输入功率）；风机的使用寿命必须满足壁挂炉的需要。市场普遍认为，预混冷凝式燃气壁挂炉的使用寿命为12到15年，每年的平均运转时间为2000个小时，这也就是说风机至少具有25000～30000小时的运转寿命；此外，壁挂炉的整体噪音水平十分重要。作为潜在的噪音来源，驱动电机的噪音必须进行测量和优化；转速、性能、噪音、控制和寿命要求，使直流无刷电机成为最理想的选择！
结构
预混式燃气风机（图2）采用铸铝蜗壳，由上下两片安装构成。蜗壳的结合部采用防气体泄漏的O型垫圈密封。进风口法兰采用O型圈密封或与特殊的气阀相连接，出风口直接与燃烧器相连或连接通往燃烧器管件。各种法兰适用于不同尺寸的燃烧器；风机的叶轮采用后向离心叶轮，运行空间广泛，并能提供稳定的性能。蜗壳和风叶都采用防静电材料，防止混合气体在进入燃烧器前点火燃烧。电机和蜗壳之间采用了防震连接。这项特殊的设计避免了风机在某个运转速度产生共振，特别适合于对噪音敏感的家庭和商业用途。极性反转保护可以避免在极性反接时对电机部件造成的损害。霍尔元件在电机转动时发出脉冲信号，用来实时监测风机转速。风机的速度可以通过PWM信号或0～10V电压输入进行控制。
图2：RG128/1300-3612
性能
气密性铸铝蜗壳、后向离心叶轮和通过PWM信号控制的直流无刷电机使风机产生一条陡峭性能曲线（高风压低风量，见图3），从而具有很高的效率。壁挂炉最大供热能力和风机的特性曲线交点可以得出风机所需的最大性能。压力决定于速度的平方，系统的特性曲线呈抛物线。抛物线的形态取决于不同压力传感器在最小负荷所需的最小压力和额外装置如变流装置、喷嘴、扩散器、排气系统 ；以及燃烧器和热交换器引起的压力损失等。风机提供一个最小气压使气阀正常工作来保证整个系统安全运行。系统最低功率运行所需的最小压力决定了风机的最低配置，虽然实际运行只需要更低的性能。风机的速度控制使壁挂炉能够低功率长时间运转的同时，保留了高功率运转的可能。此外，转速调节作用于风量的控制，因而对于噪音的影响也十分重要。
图3：性能曲线
控制逻辑
预混冷凝壁挂炉的控制逻辑是典型的开路控制（特定情况下的闭路控制也可以实现）：如图4所示，控制面板检测到供热需求，对时间、日期、启动特性和进程等参数进行计算，然后把计算结果转化为PWM信号输出给电机、驱动风机以新的转速转动，产生新的压差控制气阀把适量的空气和燃气送入燃烧器燃烧。控制面板通过霍尔元件持续检测风机的转动，保持新的空气和燃气的混合比例。水温变化最终反馈到控制面板，关闭回路。
图4：壁挂炉的控制逻辑
气阀根据压力状况控制不同燃烧功率所需燃气和空气的数量。气阀所需要的压力由风压开关产生，风压开关通常有过滤器或文丘利管两种。比较其它风压开关而言，使用文丘利管燃气损失最小，成为目前市场上的首选。在实际应用过程中，风机进风口增加的管路（比如吸音管）减小了文丘利管产生的压差，会相应增加进气量。压差是文丘利管管口处和管内最窄处（吸入燃气的地方的）压力差值。风机通过文丘利管压差变化调节转速，因此最好使用较为敏感的文丘利管。
未来，通过lambda探针、电离电极或者CO2探针等电子元件监控排出的气体质量，通过电控气阀调节燃气的供应，能使风机更精确的提供系统所需的压力和风量，也使更小输入功率、更小体积的风机成为可能。
应用
预混式燃气风机适用于高效、环保、节能的各个燃烧领域。除了目前广泛应用于3kW～1000kW的锅炉家用和商用锅炉行业之外，热水器、加湿器、燃气食品加工机、氢燃料电池等领域的应用也亟待开发。(end)
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(7/17/2005) |
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