燃氣熱水器恒溫性能的優(yōu)化與提升

1 引言

燃氣熱水器憑借出水速度快的優(yōu)勢得到消費者的認可，但消費者對產(chǎn)品的體驗要求也越來越高，如增強使用過程中的安全預(yù)警功能、避免使用過程中出水溫度忽冷忽熱、關(guān)水后二次開水不出夾生水、打開水龍頭后出冷水時間長；天氣的變化如刮風(fēng)、下雨、低氣壓等現(xiàn)象導(dǎo)致機器不能正常工作或煙氣倒灌等。如何解決這些發(fā)展中的難題，成了燃氣熱水器行業(yè)技術(shù)攻關(guān)的課題[1-4]。

本課題主要是通過改變熱水器內(nèi)旁通管路的設(shè)計，同時結(jié)合用戶家實際使用中存在的各種環(huán)境因素，設(shè)計一款具有出水溫度恒定不變的燃氣熱水器。

2 方法與實驗

2.1 雙水量伺服器恒溫系統(tǒng)的管路設(shè)計

本設(shè)計將進水管和出水管之間的固定旁通管（結(jié)構(gòu)原理如圖1所示）更改為增加了自動調(diào)節(jié)水量變化的水流量伺服器實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)旁通水流量的管路（結(jié)構(gòu)原理如圖2所示），主要目的是當(dāng)進水流量或進水溫度發(fā)生變化時，主管路和旁通管路水量伺服器自動調(diào)節(jié)冷水量和熱水量的大小，合理調(diào)節(jié)冷熱水的混合比例，實現(xiàn)出水口的混合水溫達到設(shè)定溫度[6]。

其中：Q1/t1流經(jīng)旁通管路水路的流量和溫度；

Q2/t2流經(jīng)換熱部分水路的流量和溫度；

Q3/t3流經(jīng)主路管路的流量和溫度。

2.2 關(guān)鍵負載的選用及測試

測試水量伺服器和強排風(fēng)機的運行規(guī)律，制定軟件控制方案，實現(xiàn)冷水和熱水的精準混合比例。

2.2.1 水量伺服器的測試

（a）水量伺服器脈沖頻率與水流量關(guān)系式測試

在調(diào)節(jié)水流過程中，水量伺服器需要將霍爾元件的數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為模擬信號，通過測試霍爾反饋的頻率f（Hz）與水流量的對應(yīng)關(guān)系，建立數(shù)學(xué)關(guān)系式，引入控制軟件，測試數(shù)據(jù)見圖3所示。

（b）測試水量伺服器的運行軌跡與水流量的關(guān)系

將水量伺服器連接入整機中，調(diào)整進水口的壓力大小，使機器出水口的流量為10L/min，將水量伺服器由全開狀態(tài)下調(diào)節(jié)至最小，測試整機出水口的流量大小，測試數(shù)據(jù)見圖4所示。測試數(shù)據(jù)的運行軌跡應(yīng)用到軟件控制中，可以根據(jù)所需的流量來控制水量伺服器的運行，實現(xiàn)精準控制。

2.2.2 強排風(fēng)機的選用

關(guān)注風(fēng)機的風(fēng)量是否滿足整機的要求。按照25kW的燃氣熱水器在1標準大氣壓力、15℃溫度下的燃氣流量為2.5m3/h計算，過程空氣系數(shù)為2，所需要的空氣量約為50m3/h(約0.83m3/min)，測試風(fēng)機在不同轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同的壓力與流量，指導(dǎo)風(fēng)機選型，具體測試數(shù)據(jù)如圖5所示[7]。

圖1 帶固定旁通管路的熱交換器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 可調(diào)旁通管路的熱交換器結(jié)構(gòu)圖

圖3 霍爾元件頻率與水流量之間的關(guān)系

圖4 水量伺服器運行過程中與水流量之間關(guān)系

當(dāng)整機的測試條件發(fā)生變化，整機的阻力曲線也不同。確定整機阻力曲線是一組拋物線，用y=ax2來表示，通過擬合的方式計算出該曲線函數(shù)關(guān)系中的a值，此a值的變化與整機狀態(tài)有關(guān)。

將強排風(fēng)機安裝在整機上之后，配備標準排煙管和加長煙管，在整機的負荷保持不變時，將風(fēng)機的轉(zhuǎn)速提高或者降低，通過煙氣分析儀測量過剩氧氣量、過剩空氣系數(shù)，并測量風(fēng)機出口處的風(fēng)壓，可換算出在不同轉(zhuǎn)速下，風(fēng)機的出風(fēng)口處壓力與風(fēng)機輸出風(fēng)量之間的關(guān)系，具體測試數(shù)據(jù)形成的曲線見圖6。通過阻力曲線的繪制可以了解整機燃燒時在不同狀態(tài)下的燃燒工況[8-9]。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 直流風(fēng)機控制電路

直流風(fēng)機控制電路原理圖如圖7所示，驅(qū)動電路根據(jù)MCU輸出的PWM波形控制MOSFET的開通和關(guān)斷，再經(jīng)過濾波平滑電路，生成穩(wěn)定的電壓供給直流風(fēng)機。PWM占空比決定輸出到直流電機上的平均電壓。而且輸出電壓可以無級連續(xù)調(diào)節(jié)，本電路就是采用此原理實現(xiàn)直流電機的無級調(diào)速。風(fēng)速反饋電路是根據(jù)風(fēng)機內(nèi)霍爾元件產(chǎn)生的信號反饋MCU。

電壓/電流采樣電路是把風(fēng)機的電壓/電流值與未燃燒之前風(fēng)機自學(xué)習(xí)時的風(fēng)機電壓/電流值進行比較，來進行判斷目前是有風(fēng)堵現(xiàn)象還是降風(fēng)現(xiàn)象，如果有風(fēng)堵現(xiàn)象則MCU進行輸出PWM調(diào)節(jié)，提高風(fēng)速，如果出現(xiàn)燃燒火焰離焰現(xiàn)象，則降低風(fēng)速，以保證風(fēng)量的恒定。

3.2 水量伺服器控制電路

水量伺服器控制電路是根據(jù)控制系統(tǒng)的需要，及時調(diào)節(jié)水量伺服器中步進電機的轉(zhuǎn)速，以改變管路中水流量的大小，實現(xiàn)恒溫調(diào)節(jié)，同時判斷水量伺服器是否存在故障[10]。

水量伺服器的控制電路框圖如圖8所示。

水量伺服器驅(qū)動電路用MCU輸出的方波信號來驅(qū)動水量伺服器的運行，本電路系統(tǒng)用ULN2003APG芯片來驅(qū)動水量伺服器工作。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 水量伺服器控制邏輯

為保證二次開水的恒溫效果，須在關(guān)閉出水口后水量伺服器應(yīng)該進行相關(guān)縮水動作，具體控制邏輯如下：

旁通管路水量伺服器控制邏輯：關(guān)閉出水口后，旁通管路水量伺服器運行至固定默認狀態(tài)，當(dāng)二次打開出水口后，旁通管路水量伺服器進行縮水動作，最終將流量控制在1L/min附近。

主路水量伺服器控制邏輯：關(guān)閉出水口后，主路水量伺服器進行縮水動作，步進電機運行至關(guān)水前水流量的50%，開啟出水口時，機器的燃燒負荷為上次穩(wěn)定燃燒的工作狀態(tài)，當(dāng)出水溫度達到設(shè)定溫度時，主路水量伺服器放大流量至機器能夠達到的工作負荷。

水量伺服器控制作為主控制程序的一部分，需要考慮設(shè)定溫度的變化對控制系統(tǒng)的影響。設(shè)定溫度決定了開機時水量伺服器的狀態(tài)，當(dāng)設(shè)定溫度小于等于50℃時，主路水量伺服器調(diào)至全開狀態(tài)，旁通水量伺服器調(diào)節(jié)至1L/min附近，隨著出水溫度的變化及時調(diào)整旁通水量伺服器的大小，實現(xiàn)出水溫度恒定。當(dāng)設(shè)定溫度大于50℃時，旁通水量伺服器調(diào)至關(guān)閉狀態(tài)，主路水量伺服器根據(jù)燃燒最大能力的85%以內(nèi)調(diào)節(jié)合適的水流量，流量不能低于5L/min[11-12]。

4.2 風(fēng)機轉(zhuǎn)速控制

整機在相同的燃氣輸出時，由于過?？諝饬坎煌?，將導(dǎo)致整機中風(fēng)機的功率不同，具體參照圖9變化曲線分布關(guān)系。

通過改變整機出煙口的阻力調(diào)節(jié)整機阻力，將風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)定后,測試當(dāng)前狀態(tài)下的風(fēng)機功率。燃燒過程需要找到燃燒的標準燃燒曲線（過剩O2體積分數(shù)為9.5～10.5%之間）、離焰燃燒曲線和不完全燃燒曲線，記錄不同燃燒曲線的過剩O2體積分數(shù)。設(shè)計時將風(fēng)機通過調(diào)節(jié)風(fēng)機的功率，使得整機的燃燒過程控制在離焰燃燒曲線和和不完全燃燒曲線之間的有效范圍內(nèi)。軟件控制的部分邏輯如圖10所示，考慮到與本研究的相關(guān)性，點火和恒溫燃燒的控制邏輯縮略表示[13-15]。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下的P&Q特性關(guān)系

圖6 整機的阻力曲線與風(fēng)機P&Q曲線

圖7 直流風(fēng)機控制電路原理框圖

圖8 水量伺服器控制電路框圖

圖9 風(fēng)機轉(zhuǎn)速與風(fēng)機功率的變化曲線

表1 熱水溫度穩(wěn)定時間測試記錄

表2 熱水溫度穩(wěn)定時間測試記錄

5 結(jié)果

雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器由國家燃氣用具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心實驗室和中國家用電器研究院實驗室測試完成，具體測試結(jié)果如下：

5.1 停水溫升試驗

設(shè)定熱水器的進水壓力0.1MPa，進水溫度20±2℃，出水溫度設(shè)定為42℃，最大燃燒負荷為32kW，調(diào)節(jié)出水流量，在不同流量下測試機器的停水溫升。熱水器在8L/min的流量下，測試出水溫度變化曲線如圖11所示。

人體皮膚感知到溫度變化的溫差是1～3K，溫差超過5K時用戶體驗水溫過燙。根據(jù)圖11可知，雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器的停水溫升最大不超過1K。

普通恒溫型燃氣熱水器的停水溫升一般超過5K[16]，雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器比普通恒溫型燃氣熱水器的停水溫升有很大的改善。

5.2 熱水溫度穩(wěn)定時間的測試

試驗條件：燃氣條件為基準氣—額定壓力，供水壓力為0.1MPa，電壓為額定電壓，進水溫度為20±2℃。

首次開機熱水溫度穩(wěn)定時間的測試方法：將出水溫度設(shè)定在比進水溫度高30K±2K（設(shè)定溫度為Tr），打開熱水器出水口的水閥并用秒表開始計時，觀察出水口的水銀溫度計測試的實際溫度達到Tr±0.5℃時止，記錄熱水器的升溫時間，關(guān)閉出水閥，關(guān)閉電源開關(guān)。打開電源，重復(fù)上面的動作，進行二次測試，連續(xù)測試5次，取平均值，即為熱水器首次開機熱水溫度穩(wěn)定時間，見表1所示[16]。

從表1看出，雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器首次開機熱水溫度穩(wěn)定時間為8s，低于國家標準規(guī)定的60s，比普通恒溫型燃氣熱水器的熱水穩(wěn)定時間提高了70%以上，達到快速出恒溫水的目的，達成了本次設(shè)計的預(yù)定目標。

5.3 出水溫度波動的測試

水溫波動的測試方法：試驗條件同上文，將熱水器的溫度調(diào)節(jié)至35℃～48℃中的任一溫度，恒定水流量和進水溫度，穩(wěn)定后運行5min，連續(xù)在出水口測量出水溫度，10min內(nèi)測試出水溫度的最大值和最小值，并記錄偏差值。相關(guān)數(shù)據(jù)見表2[17]。

從表2得知，雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器正常運行時水溫波動僅為0.5℃，低于用戶能感知的溫差范圍，低于國家標準規(guī)定的±3℃，優(yōu)于普通恒溫型燃氣熱水器波動范圍。

5.4 水壓波動的測試

水壓波動的測試方法：將出水溫度設(shè)定在比進水溫度高25±1K，當(dāng)溫度穩(wěn)定后，用增加水壓的方式增大水流量，使機器達到最大熱負荷時的水流量為Qmax。逐漸降低水流量至0.8Qmax，溫度穩(wěn)定后記錄溫度值Tr，在2s內(nèi)將水流量調(diào)至0.6Qmax，并開始計時，測量熱水器出水溫度穩(wěn)定在Tr±2℃的時間；再將水流量從0.6Qmaxx調(diào)至0.8Qmax，出水溫度穩(wěn)定在Tr±2℃的時間，取兩次試驗所測時間的平均值。

熱水超調(diào)幅度的測試方法：流量從0.8Qmax降低至0.6Qmax時出水溫度的最大值和水流量從0.6Qmax升高至0.8Qmax時出水溫度最小值，記錄與Tr的最大偏差。相關(guān)測試數(shù)據(jù)見表3。

圖10 軟件的控制邏輯

圖11 二次開水時出水溫度的變化曲線

從表3看出，當(dāng)水壓波動時，雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器熱水溫度穩(wěn)定時間相當(dāng)于零，而超調(diào)幅度在±0.5℃范圍內(nèi)，人體感溫系統(tǒng)感覺不到溫度的變化。（熱水溫度穩(wěn)定時間按照±2℃判定）

5.5 室外風(fēng)壓對熱水器啟動及出水溫度影響的測定

此項性能主要針對北方地區(qū)冬季室外風(fēng)力較大時，燃氣熱水器不能正常啟動或在使用時出水溫度忽冷忽熱的現(xiàn)象，需要在低溫、有風(fēng)條件下進行試驗。

試驗條件：環(huán)境溫度為5±1℃，燃氣條件為基準氣-額定壓力，供水壓力為0.1MPa，電壓為額定電壓，進水溫度為10±2℃，選用熱水器最大燃燒熱負荷32kW，標準排煙管，出水溫度設(shè)定為42℃。

強風(fēng)干擾啟動：在排煙管尾部施加0～20m/s風(fēng)速進行干擾，啟動熱水器，觀察熱水器能否正常點火啟動并觀察火焰顏色是否正常，每次間隔10min，連續(xù)啟動10次，記錄熱水器正常啟動點火的次數(shù)。表4為不同結(jié)構(gòu)功能型熱水器正常啟動的數(shù)據(jù)對比。

根據(jù)表4得知，具有高抗風(fēng)功能的雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器，在室外8級強風(fēng)的干擾下，熱水器能夠正常點火啟動，且無回火、黃焰、離焰等不良現(xiàn)象，而普通恒溫型熱水器則不能點火啟動。

強風(fēng)干擾對熱水器恒溫性能的影響：啟動熱水器，保持恒定水流量和進水溫度，穩(wěn)定后運行5min，在排煙管尾部從不同方向施加0～20m/s風(fēng)速進行干擾，連續(xù)在出水口測量出水溫度，10min內(nèi)測定出水溫度的最大值和最小值，并記錄偏差值。連續(xù)測試三次，取其平均值。測試數(shù)據(jù)與其他結(jié)構(gòu)熱水器對比見表5所示。

從表5看出，具有高抗風(fēng)功能的雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器，在正常運行中施加8級強風(fēng)干擾，出水溫度變化在±0.5℃范圍內(nèi)，小于人體對溫度感知的變化范圍內(nèi)，人體不會感覺到出水溫度忽冷忽熱。

表3 熱水溫度穩(wěn)定時間和熱水超調(diào)幅度測試記錄

表4 強風(fēng)干擾啟動對比

表5 熱水溫度穩(wěn)定時間測試記錄

6 結(jié)論

本文通過對雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器的結(jié)構(gòu)及恒溫控制系統(tǒng)的改進優(yōu)化，從用戶的真實體驗出發(fā)，從影響洗浴體驗性的恒溫舒適性入手進行改進優(yōu)化，并對最終優(yōu)化的產(chǎn)品進行恒溫性能的測試，可以達成以下結(jié)論：

雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器的設(shè)計，全面考慮了用戶在使用過程中進水壓力變化、外部風(fēng)壓變化、多點用水的不確定性、用戶對快速出熱水的訴求、氣壓/氣質(zhì)條件的變化、熱水器自身結(jié)構(gòu)缺陷等諸多因素，解決了出水溫度不恒定、出熱水慢的難題，為行業(yè)發(fā)展提供理論參考和數(shù)據(jù)依據(jù)。

雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器的設(shè)計充分考慮了全國各地的環(huán)境差異、用氣差異、用水差異、用電差異，開創(chuàng)了國內(nèi)同一型號的產(chǎn)品通用于全國大部分地區(qū)的先例，打破了燃氣熱水器行業(yè)根據(jù)區(qū)域定制不同產(chǎn)品的難題。

雙水量伺服器恒溫型燃氣熱水器系統(tǒng)控制方面需要結(jié)合燃燒系統(tǒng)的設(shè)計進行性能調(diào)節(jié)匹配。

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