高原環(huán)境下煙道式燃氣熱水器的煙氣排放研究

岑錦泉

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

由于國標GB 6932-2015 對煙道式燃氣熱水器的安裝要求提升，以及人民群眾安全意識的提高，煙道式燃氣熱水器逐漸退出國民的視野。然而，在很多經濟欠發(fā)達的國家，煙道式燃氣熱水器仍是市場的主流。根據海關數據顯示：2020 年1 到5 月，墨西哥、哥倫比亞燃氣熱水器出口額占總出口金額分別為4.7 %，4.1 %，分別位列燃氣熱水器出口金額第七名與第九名，而墨西哥、哥倫比亞燃氣熱水器出口量占總出口量分別為9.6 %，4.8 %，分別位列燃氣熱水器出口數量第二和第八名。其中，煙道式燃氣熱水器是這兩個國家的主流燃氣熱水器產品，銷量占比超60 %。而這兩個國家地理位置又是處于高原：墨西哥首都墨西哥城，海拔2 240 m，其他主要城市海拔高度在（500 ～2 200）m 之間；哥倫比亞首都波哥大，海拔2 645 m，其他主要城市海拔高度在（300 ～2 200）m 之間。

過往的開發(fā)經驗一般是到海外當地市場去做燃氣熱水器產品開發(fā)與性能測試，但由于新冠疫情限制了各國之間的商貿活動。因此我們需要采取更多間接的手段來盡可能模擬當地的測試數據，以便開發(fā)的燃氣熱水器能夠滿足當地標準與實際使用場景。

為了找到高原地區(qū)與海平面之間的差異，我們選取了5 L、7 L、10 L、13 L，四款煙道燃氣熱水器進行高原地區(qū)與海平面的性能測試（考慮到各地氣源的情況，測試使用同一配氣公司提供的標準氣G20 甲烷，甲烷含量≥99.9 %）。海平面地點選擇在佛山順德（東經113 °1′，北緯22°40′，海拔約2 m，接近海平面），高原試驗地點選擇在云南昆明（東經102°42′，北緯25°02′，市中心海拔約1 900 m）。

1 熱負荷對比

根據EN26:2015 熱負荷計算公式，修正熱負荷：

式中：

Qc—修正熱負荷，kW；

Hi—干燥基準氣的低熱值，基于體積流量時，MJ/m3；

V—在煤氣表處的濕度、溫度和壓力條件下，測得的燃氣體積流量，m3/h；

pg—煤氣表處的燃氣壓力，mbar；

pa—測試時的大氣壓力，mbar；

tg—在煤氣表處的溫度，℃；

d—測試燃氣的相對密度（等體積的干燥燃氣與干燥空氣在相同的溫度和壓力條件下的質量比率： 溫度為15 ℃或0 ℃，大氣壓為1 013.25 mbar）；

dr—基準氣的相對密度。

從公式（1）可以看出在高原地區(qū)和海平面，燃氣體積流量與大氣壓是影響修正熱負荷的關鍵參數，而其中大氣壓力可以直接由儀器設備讀取，燃氣體積流量可以在高原實測得到。即可計算出修正熱負荷。

實驗數據結果如表1 。

表1 不同功率煙道式燃氣熱水器在海平面與1 900 m 高原測試數據

由實驗數據可知，5 L、7 L、10 L、13 L 四款煙道式燃氣熱水器實測燃氣耗量云南昆明（1 900 m）比佛山順德（海平面）約增加（7 ～11）%，但由于大氣壓力降低約20 %，測試氣（甲烷）的密度變小，熱值變低，導致實測熱負荷降低約13 %，但通過修正后（高原的燃氣耗量增加剛好抵消了大氣壓力的變?。?，熱負荷的偏差范圍也能控制在3 %以內。所以不管在何種環(huán)境，使用同樣的測試氣，同樣一臺熱水器的修正熱負荷基本上不會出現太大的波動。

2 煙氣對比

通過煙氣分析儀的讀數，可以得知云南昆明（1 900 m）與佛山順德（海平面）的氧含量均一致（約20.9 %），這由于煙氣分析儀是按空氣中氧氣的體積分數來進行測算。根據理想氣體方程式：

式中：

ρ—密度，kg/m3；

P—壓強，Pa；

M—摩爾質量，g/mol；

R—氣體常數；

T—溫度，K。

氣體的密度與壓強成正比，所以在高原地區(qū)，由于高原的大氣壓力的小，氧氣的密度也會變小，在同等的體積下，氧氣的質量也會變少。這樣就很容易造成燃燒不充分，直接影響煙氣排放。

5 L、7 L、10 L、13 L 煙道式燃氣熱水器，在不同海拔高度的CO 排放，測試數據如圖1。

圖1 不同升數煙道式燃氣熱水器在海平面與1 900 m 高原CO 排放對比圖

圖2 5 L 煙道式燃氣熱水器高氣壓（2 500 Pa）海平面與1 900 m 高原火焰形態(tài)圖

圖3 5 L 煙道式燃氣熱水器額定氣壓（2 000 Pa）海平面與1 900 m 高原火焰形態(tài)圖

由實測數據發(fā)現，不同升數的煙道式燃氣，在同一進氣壓力的條件下，在云南昆明（1 900 m）的CO 排放遠高于佛山順德（海平面）：5 L 在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的4 ～5 倍；7 L 在云南昆明（1 900 m）的CO排放是佛山順德（海平面）的8 ～13 倍；10 L在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的5 ～10 倍；13 L 在云南昆明（1 900 m）的CO 排放是佛山順德（海平面）的4 ～8 倍。通過實測煙氣數據發(fā)現，不同升數、不同結構的煙道式熱水器差異性較大。所以必須每個機型結構進行單獨對比。

3 火焰對比

通過觀察火焰的形態(tài)，可以發(fā)現：在云南昆明（1 900 m），由于氧氣供應不足，導致火焰變長、變濃，導致燃燒不充分，煙氣CO 含量上升。這是所有升數煙道式熱水器普遍存在的現象。

由于海拔的升高，燃氣的密度就會減小，從而就增加了燃氣的流速，而火焰?zhèn)鞑ニ俣然静蛔?，當燃氣流速大于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，就會有離焰的情況產生。外焰高度公式：

式中：

hOC—火焰的外焰高度，mm；

n—火孔排數；

n1—表示燃氣性質對外焰高度影響的系數；

s—表示火孔凈距對外焰高度影響的系數；

fp—單個火孔面積，mm2；

qp—火孔熱強度，kW/mm2；

dp—火孔直徑，mm。

其中n1與燃氣性質有關，研究表明，海拔越高，燃氣密度小，流速快，n1系數值越大，因此火焰的外焰高度同樣也會隨之海拔的升高而變高。很明顯，在云南昆明測試的機子火焰都被拉高。

4 海平面測試模擬

通過云南昆明（1 900 m）與海平面的煙氣CO對比，同樣一臺煙道式燃氣熱水器，即使在佛山順德（海平面）不斷的提高進氣壓力，也無法模擬出實際云南昆明（1 900 m）的排放。所以我們考慮使用歐標黃焰氣G21（87 %甲烷，13 %丙烷）看能否得到云南昆明（1 900 m）煙氣CO 排放。數據如圖4～7。

圖4 5 L 煙道式燃氣熱水器在海平面與1 900 m 高原CO 排放對比圖

圖5 7 L 煙道式燃氣熱水器在海平面與1 900 m 高原CO 排放對比圖

圖6 10 L 煙道式燃氣熱水器在海平面與1 900 m 高原CO 排放對比圖

圖7 13 L 煙道式燃氣熱水器在海平面與1 900 m 高原CO 排放對比圖

通過對比發(fā)現，佛山順德（海平面）使用黃焰氣G21 基本上能夠達到云南昆明（1 900 m）CO排放水平，也就是說，我們可以在佛山順德（海平面）使用G21 來得到接近于云南昆明（1 900 m）的CO 排放數據。

5 總結

通過云南昆明（1 900 m）與佛山順德（海平面）的實地測試對比，得到以下結論：

1）海拔越高，燃氣流量越大，實測熱負荷越低，1 900 m海拔高度實測熱負荷比海平面約降低13 %，經修正后，熱負荷偏差基本控制在3 %以內；

2）1 900 m 高原的G20 甲烷與海平面使用歐標黃焰氣G21的煙氣CO 排放非常接近，即可以在海平面使用歐標黃焰氣G21 得到1 900 m 高原CO 排放的數據。

本文著重試驗分析1 900 m 的高原環(huán)境對煙道式燃氣熱水器的影響，隨著海拔的進一步升高，想必對燃燒工況肯定會有更加消極的影響，但是也可以通過在海平面使用熱值更高的氣體來進行模擬高原排放。出口到高原國家的煙道式燃氣熱水器必須適當的調整燃燒器、熱交換器、集煙罩的結構優(yōu)化來降低CO 排放。也可以通過增加穩(wěn)壓器，來解決高氣壓煙氣CO 排放偏高的問題。且煙氣排放要求也需要根據實際當地的標準要求進行合理的調整。