家用燃气热水器噪音产生原因及不稳定燃烧形成机理

　　衡量包括家用燃气热水器在内的家电产品质量的一项重要指标就是其噪音值，GB6932-2001规定：燃热产品的噪音要求在65dB以下，该指标限制了噪音超过65dB的产品进入市场。若燃热产品的噪音越低，其市场竞争力越强，然而即使是批量检验合格的产品进入家庭后，在气源、使用环境以及产品老化等客观因素影响下，也会产生较大的噪音，给用户造成很大的心理压力；甚至产品本身发生危险事故，给生产商的品牌声誉造成不良影响。因此开发良好的气源及气候适应性的低噪音燃热产品，是研发人员的职责，也是提高产品市场竞争力的有效途径。

 

　　1、燃气热水器主要噪音类别

 

　　家用燃气热水器的噪音具有多个不同的噪音源，而且是不同频率、不同强度、有规律或者无规律的声音组合在一起形成的声音效果。其主要噪音源包括：

 

　　(1)机械噪音：风机旋转时转动轴、叶片壳体发生机械碰撞、摩擦所发生的噪音；

 

　　(2)空气动力学噪音：包括燃气、空气及烟气中产生涡流等不稳定流动，如卡门涡街，导致气体流动的速度和压力发生周期性的交变，从而产生空气动力学噪音；

 

　　(3)水流噪音：由于燃气热水器水箱盘管的存在，导致水流经过的时候产生水锤冲击噪音，水箱中流动的水快速受热汽化时也会发出噪音；

 

　　(4)燃烧噪音：燃烧噪音的机理十分复杂，不仅与燃料有关，与燃烧过程有关，更与燃烧器及燃烧室的设计密切相关。在家用强排式燃气热水器中，正常燃烧过程的燃烧噪音即具有紊流宽频连续噪音频谱特征，而当不稳定燃烧发生时候，其燃烧频谱特征为具有多个明显的谱峰，其实质是火焰频繁的离焰抖动，造成水箱内燃烧压力波的振荡和放大，形成共振噪音。

 

　　对于燃气热水器开发者而言，目前亟需解决的噪音问题是燃烧噪音问题，燃烧噪音问题不仅仅产生噪音共振的问题，更为重要的是当产生燃烧噪音时，同时伴随燃烧工况恶化，会严重影响用户的健康和安全。

 

　　2、产生燃烧噪音的主要因素

 

　　燃烧不稳定性的概念：燃烧处于脱火极限曲线和回火极限曲线之间的燃烧工况为稳定燃烧工况，火焰不能稳定处于此两曲线之内，即为燃烧不稳定状态。若火焰不能稳定的驻扎在燃烧器上方，频繁离焰甚至回火，形成周期性不稳定的热释放，该热释放进一步对燃烧室内压力波动构成激励并符合瑞利准则，便形成振荡燃烧。

 

　　家用燃气热水器的噪音主要是非外激励声源形成的燃烧共振，因此研究其燃烧噪音和共振只需要围绕引起自激励振荡燃烧的原因展开分析。

 

　　不稳定热释放作为振荡燃烧的激励源，是形成燃烧不稳定发生的关键环节，影响热释放的主要因素有：火焰表面积的脉动，燃料当量比的脉动及流动旋涡的形成。

 

　　影响热释放导致上面所述三种结果从而最终形成振荡燃烧的直观外因有：

 

　　(1)风机出口气流的脉动：若风机流道设计不合理，出口处形成周期性的涡流释放，即影响空气的引射及燃烧焰面的抖动；某些强制燃气热水器为降低水箱等燃烧部件外壁面的温度，需要让空气流经燃烧部件的外壁面后再进入风机，若流道过于狭窄导致空气流速过快，而流道本身又不规则，空气在进入风机之前即可能流动失稳，而这种流动失稳也会传递到风机出口处。

 

　　(2)燃烧器的设计不合理及加工制造误差。这些因素导致空气和燃料气在燃烧器中混合不均匀，导致形成不稳定燃烧。

 

　　(3)一次风风量的不合理性。包括风量计算失误和燃烧器结构设计的不合理等因素造成的一次风不合理。

 

　　(4)燃料因素。甲烷、二甲醚等气种燃烧时容易离焰；

 

　　(5)大气的性质。大气压力，温度和湿度导致燃烧速度的改变，有可能形成不稳定燃烧。

 

　　上述外因造成火焰焰面前端形成周期性的涡脱落，或周期性释放热量的变化，或燃烧器头部燃料不均匀，导致火焰的抖动，并与声压波动耦合，若符合瑞利准则，热声振荡便会加强；若其频率接近燃烧系统的声学共振频率，便会形成严重的噪音和共振；若进一步接近燃烧系统的固体本征频率，则可能会导致燃烧系统严重破坏甚至解体。

 

　　影响燃烧稳定性的外因可通过一些经验性方法加以解决，比如：调整风机挡板、更换设计和工艺水平优良的燃烧器加以解决，但这些经验性的方法不能从根本上抑制不稳定燃烧的发生。

 

　　影响振荡燃烧的内因在于燃烧系统的几何结构，即水箱尺寸、燃烧器燃面声导纳及包括水箱换热器在内的排烟通道的声阻尼。燃烧系统的固有频率即主要由上述三变量所决定。即使外因存在，若内因不符合振荡燃烧规律，仍然不能激发振荡燃烧。因此合理设计水箱尺寸、燃烧器及换热器流道结构，可从根本上抑制振荡燃烧的发生。

　　3、振荡燃烧研究进展

 

　　包括内燃机、锅炉、燃气轮机以及火箭发动机均存在不稳定性燃烧现象，较高频的振荡严重干扰燃烧过程，损害燃烧室结构。但也有工业炉利用振荡燃烧提高炉膛放热强度。

 

　　振荡燃烧理论研究方面，人们认为：振荡频率取决于燃烧系统的声学特性，而激振条件取决于瑞利准则。

 

　　虽然振荡燃烧做了理论性的阐述，但涉及到具体的燃烧系统，存在数学模型和边界条件的不同，还是需要大量的振荡实验取得经验参数去补充数学模型。

 

　　国内研究振荡燃烧的有：上海交通大学对锅炉不稳定性燃烧的测量，北京航空航天大学对与火箭发动机的分析，天津大学对于内燃机燃烧不稳定性的测量，燃气轮机不稳定性的CFD模拟方面：近年来，科学院力学所、西安交通大学和东南大学等做了部分工作。

 

　　在民用燃气具领域，无论是理论还是实验，国内从事该方面的研究和探索还是空白。

 

　　4、振荡燃烧的实验目的和测量方法

 

　　实验目的：测量冷态和热态情况下系统的振荡频率、燃面声导纳和烟道声阻尼，找到燃烧振荡和燃烧器及烟道结构之间的核心规律，从而分析形成燃烧振荡的内在原因，即燃烧系统的结构尺寸对振荡燃烧的影响。

 

　　燃烧不稳定性研究的实验装置原理

 

　　实验装置的其主要测量原理是：在最大燃烧负荷下，当热水装置共振时，测得燃面处速度变化（LDV），燃烧室压力变化，及热释放的变化（光电管测C—H键释放波）；由测得上述参数计算燃面声导纳及烟道声阻尼，找出振动频率和所测热工参数之间关系，从而分析振荡燃烧的内在规律。

 

　　过找出内在规律，研发人员可合理设计燃烧器、烟道及燃烧室结构，避开共振区。当然也可尝试运用CFD来模拟振荡燃烧，但热水器燃烧系统的Gambit模型的复杂性导致模拟难度大大增加。

 

　　5、降低燃烧噪音和改进共振的方向

 

　　通过对引起燃烧不稳定性的内外因素的讨论，可总结出降低燃烧噪音的原则性方向，主要包括：

 

　　（1）改造燃气热水器的内部结构布置，使得空气在进入风机的之前的流场不会产生失稳；

 

　　（2）改造风机制造工艺和提高流道的设计水平，使得风机运转的时候不会产生涡街；

 

　　（3）提高燃烧器支架和燃烧器制造的工艺水平。使得一、二次风分配更加均匀合理，抗扰动性强；

 

　　（4）改进水箱和烟道的设计。改变声导纳，避开共振区；

 

　　（5）合理采用消音和吸音措施。可以在烟道上安装吸音装置及在燃气热水器壳体上采用消音处理，可降低噪音。

 

　　归纳并总结家用燃气热水装置噪音种类和产生燃烧噪音的主要原因，指出燃烧噪音涉及复杂的不稳定燃烧机理，既有外在因素的影响，也有其内在的原因，可以科学合理的组织研究不稳定燃烧，通过实验得出开发改进燃烧系统所需要的经验参数。

 

　　【编辑：暖立方壁挂炉网】

 

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