燃氣采暖熱水爐的排煙罩結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到燃氣采暖熱水爐的換熱效率及其煙氣排放狀況，故研究燃氣采暖熱水爐排煙罩內(nèi)的煙氣流動可以直接有效的幫助我們進行排煙罩結(jié)構(gòu)設(shè)計。本文是基于三種不同的燃氣采暖熱水爐排煙罩模型，利用CFD軟件對其內(nèi)部的煙氣流動進行了數(shù)值模擬，對排煙罩內(nèi)部的煙氣流動特性進行了計算分析。并與實際測試結(jié)果進行對比驗證。

關(guān)鍵字：燃氣采暖熱水爐排煙罩結(jié)構(gòu)煙氣流動數(shù)值模擬

0引言燃氣采暖熱水爐的在國內(nèi)供暖方式占有相當大數(shù)量，平衡式燃氣采暖熱水爐一直是各個廠家的主打產(chǎn)品。在市場上，平衡式燃氣采暖熱水爐也是百花齊放、種類繁多，有強制排氣，強制給氣，風機擺放位置，也不盡相同。然而燃氣采暖熱水爐作為一個耗能產(chǎn)品，除了安全、舒適等要求外，高能效，煙氣排放等是衡量燃氣采暖熱水爐的重要標準。排煙罩作為燃氣采暖熱水爐換熱系統(tǒng)的一個重要組成部分，其煙氣導(dǎo)流板的形狀、結(jié)構(gòu)直接決定了燃燒室內(nèi)部氣流的走向，從而影響了主換的換熱效率。

平衡強排式燃氣采暖熱水爐的排煙系統(tǒng)中，如圖1所示，風機抽風入口處在主換熱器上方，且位置比較近，如果在風機直對著主換熱器中間不采用煙氣導(dǎo)流板的情況下，將導(dǎo)致幾個方面問題：

1、沒有最大限度的利用主換熱器翅片的換熱效率，導(dǎo)致煙氣溫度高、熱能損失，能源的浪費

2、影響燃燒器的空氣流向，以及燃氣與空氣的混合燃燒，導(dǎo)致煙氣排放高的問題。因此一個好的煙罩結(jié)構(gòu)應(yīng)具備良好的排煙、煙氣導(dǎo)流功能，而非簡單的排煙。

以下本文以平衡強排式燃氣采暖熱水爐的設(shè)計作為例子，論述利用仿真學軟件CFD軟件，進行分析研究，力求找出最優(yōu)的排煙罩結(jié)構(gòu)。可以大大的減少研發(fā)的成本投入，以及提高研發(fā)工程師的研發(fā)效率。

1數(shù)學模型由于排煙罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)較大，徑寬比較小，初步計算其雷諾數(shù)Re1000，故排煙罩內(nèi)部的氣流流動屬于層流流動。計算中的主要方程為：1.1連續(xù)方程div(U)=0式中U是速度矢量，其在x、y、z方向上的分量分別為u、v、w，即U=(u,v,w)。1.2動量方程式中Su，Sv，Sw為動量方程的廣義源項，其表達式如下：

2邊界條件分析本文的研究對象是排煙罩內(nèi)部的氣流流動情況，故煙氣在排煙罩內(nèi)的流動可以看做是內(nèi)流。壁面邊界條件：固體壁面均采用無滑移邊界條件。入口邊界條件：由于研究對象為平衡式燃氣采暖熱水爐，燃氣采暖熱水爐內(nèi)部壓差近似于大氣壓壓差，故入口邊界條件取壓力進口：P=101700Pa出口邊界條件：排煙罩出風口處為風機抽風，使用35W風機，已知風機風速及流量，由于風機風速在排煙罩出風口處分布不均，故取出口邊界條件為流量出口：V=0.045332m/s。

3計算工況實際工況中，排煙罩中流體為煙氣，煙氣溫度在393K左右。在計算過程中，由于無法測量煙氣的各項物理參數(shù)，故取空氣進行計算，空氣在393K時的物理參數(shù)如下：密度：=0.0664動力粘性系數(shù)：=0.0117

4計算模型本文是針對排煙罩的結(jié)果進行著重分析。如下圖所示，簡化了整個排煙罩模型，通過分析主換熱器的上平面(基準面1)的氣流分布情況以及實際測試結(jié)果來判斷排煙罩的結(jié)構(gòu)是否合理，計算區(qū)域為整個排煙罩內(nèi)部。由于排煙罩的外形尺寸為固定尺寸，不易更改，故本文對排煙罩內(nèi)部的阻流板形狀進行了更改，分析對比了三種不同的阻流板情況下的煙氣流動狀況。

5計算結(jié)果在計算過程中，給定入口和出口條件，將各個面設(shè)置為固壁面，并在進出口位置添加端蓋，采用CFD軟件對排煙罩內(nèi)的流體流動進行了數(shù)值計算。下圖為三個模型在主換平面上的氣流流速分布圖。從上圖模擬結(jié)果可知：模型一：Vmax=1.818m/s，Vmin=0.134m/s，速度1.5m/s及速度0.25m/s的區(qū)域較小，大部分區(qū)域速度集中在0.25～0.75m/s的區(qū)間內(nèi)，且速度分布比較均勻。整體從右至左，速度是呈先遞增再遞減的趨勢。模型二：Vmax=1.838m/s，Vmin=0.117m/s，同模型一的速度分布類似，但是Vmax與Vmin的差值較大，且速度1m/s的區(qū)域所占比列比模型一的大。模型三：Vmax=1.784m/s，Vmin=0.105m/s，速度1.5m/s及速度0.25m/s的區(qū)域面積在三個模型中最大，高速區(qū)域同低速區(qū)域都位于中間位置，嚴重影響了速度的分布的均勻性。

6實際測試結(jié)果在實際測試時，我們選用了一臺24kW板換機型，使用1m同軸煙囪，在相同的室內(nèi)環(huán)境、滿負荷工況(回水溫度設(shè)定60℃，出水溫度設(shè)定80℃)下，分別使用上述三種排煙罩模型進了測試。

7理論分析我們可以通過熱量計算公式，計算出上述實驗中通過熱交換器的水達到設(shè)定溫度所需的熱量，來計算出理論狀態(tài)下所需煙氣的體積。Q=C1M1△T1=C111△T1=C222△T2C1：水的比熱容，4.2kJ/kg℃1：水的密度，1kg/LV1：水的容量，實際測試中水流量是960L/h=0.267L/s△T1：水的溫差，20℃：煙氣熱量轉(zhuǎn)換為水熱量的效率，在燃氣采暖熱水爐內(nèi)部換熱的主要方式是對流換熱和輻射換熱，對流換熱所占的比例為80%，熱交換器的換熱效率為80～90%，故取(80～90)/80%C2：1000℃時煙氣的比熱容，取1.185kJ/kg℃2：1000℃時煙氣的密度，取1.24kg/m3△T2：煙氣的溫差，800℃可求得完成換熱所需煙氣的體積為V2=0.017～0.019m3/s，要保證每秒鐘有0.017～0.019m3的煙氣流經(jīng)主換，并且進行換熱。那么對于上述我們測試使用的機型，煙氣通過主換平面的速度需要達到0.313m/s，所以在排煙罩結(jié)構(gòu)設(shè)計時，我們需要盡量保證流經(jīng)主換平面的煙氣流速不小于此速度。但是當煙氣流速過快時，又會使燃燒腔內(nèi)空氣的流速加快，從而影響到燃燒的工況，反而會影響到燃燒效率和煙氣狀況。故我們還需要配合燃氣采暖熱水爐的燃燒工況來確定一個煙氣流速的上限值，這是我們下一步所要進行的工作。

8結(jié)論綜合以上對比計算結(jié)果、模擬結(jié)果和實驗結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

1、當排煙罩內(nèi)部流經(jīng)主換平面的煙氣速度大部分或者全部不小于計算數(shù)值時，換熱效率高。

2、當排煙罩內(nèi)部流經(jīng)主換平面的煙氣速度分布比較均勻時，換熱效率高。

3、當排煙罩內(nèi)部的煙氣流速大于一定的數(shù)值時，會影響到燃燒器的燃燒工況，反而會降低燃燒效率，并且造成較惡劣的煙氣排放。