燃油暖风机热力计算与热力性能影响因素分析

　　本文所讨论的燃油暖风机样机，是一种自行研制开发的用于部队野营帐篷冬季供暖的取暖装置。由于部队使用的一些特点，要求该装置有较好的机动性、野外环境的适应性等，因而有必要了解样机的热力性能状况，尤其应掌握各因素对机组性能的影响规律，为改进样机，减小体积及重量，提高环境的适应能力及经济合理运行等，提供设计及运行参考。
　　
一、燃油暖风机结构
　　
　　该燃油暖风机样机本体结构见图1所示。它主要由四部分组成：供油燃烧系统；送风换热系统；控制系统；壳体及附件。供油燃烧系统用于供油、燃烧及产生热量；送风换热系统用于将冷空气变热，并将热风送入帐篷；控制系统用于控制、保护机器的正常运行；壳体及附件用于保温、防护及支撑等。
　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图1 燃油暖风机结构示意图
　　
二、燃油暖风机热力系统计算
　　
　　1、暖风机换热系统的结果如图2所示。对于受热的空气侧，送风机出口的冷空气分三路并联进入三个换热通道（环形通道、换热管、外壳空间）被加热，加热后各通道出口的热空气先混合再由本体左上侧出风口进入送风管；对于放热的烟气侧，炉膛中的高温烟气放热后，再由本体左下侧的两根排烟短管进入换热管外的换热管空间进行散热，最后流经烟囱排入大气。
　　　　　
　　　　　　　　　　　图2 暖风机换热系统的结构示意图
　　
　　2、系统传热网络图
　　
　　空气侧与烟气侧的传热原理，可以用如图3所示的系统传热网络图加以说明。
　　　　
　　　　　　　　　　　　图3　系统传热网络图
　　
　　图中各符号中，T表示绝对温度，Q表示换热量，其各下脚标意义如下分析所指。
　　由系统换热网络图可见，炉膛内火焰（T_hy）通过辐射换热（Q_fl）和对流换热（Q_dl）将热量传给炉膛壁面（T_wl），然后膛壁面（即环形通道的内环表面）通过辐射换热（Q_f2）把热量传给环形通道的外环表面（T _w2），同时又通过对流换热（Q _di）将热量传给环形通道的空气（T _kp1）：而炉膛出口的烟气放热分为三部分（Q ₁、Q ₂、Q ₃），一部分Q₁是烟气（T_y）对环形通道外环表面（T _w2）的总换热量，另外部分Q ₂、Q ₃是烟气（T_y）对换热管和外壳内空气（T _kp2、T _kp3）的传热量；对于环形通道外环表面（T _w2）而言，所接受的环形通道内环表面（T _w1）辐射换热量（Q _f2）和烟气（T_y）对环形通道外环表面（T _w2）的总换热量（Q ₁），恰好等于环形通道外环表面（T _w2）对环形通道内空气（T _kp1）的对流换热量（Q _d0）。
　　
　　3、热力系统传热计算方法
　　热力系统传热计算是基于系统换热网络图之上，利用传热学的基本公式和热平衡原理，用FORTRAN语言自行编制传热计算程序，并对一些复杂构件（如弯曲烟通道中排列的多根换热管等）的换热准则方程加上了修正系数，而修正系数由实验值加以确定。热力系统传热计算的实施是利用计算程序对网络图上七个节点（即T_hy、T_y、T_kp1、T_kp2、T_kp3、T_w1、T_w2）进行多次迭代求解，而每个节点处，既要达到传热的能量平衡，又要使传热量和流体的吸、放热量（即热平衡热量）相等。
　　
三、机组热力性能影响因素分析
　　
　　暖风机热力性能影响因素的分析，对暖风机本体结构的优化设计和运行参数合理确定有着重要的意义。当结构确定后，影响暖风机性能的主要因素有环境压力（P）和温度（t_lk）、过剩空气系数（a）、送风量（V_k）和燃油量（B），下文将结合传热计算软件的计算结果，对能以上各影响因素进行较详细的机理分析。分析中，当考虑某个因素影响时，其他因素取相同值，为简便起见，暖风机的供热系统采用直流式。

　　1．冷空气温度t_lk对机组性能的影响
　　计算条件：P=0.101325MPa；V_k =2600m³/h，B=4.4kg/h，a=1.3。计算结果见表1。
　　
　　　　　　　　　　冷空气温度t_lk对机组性能的影响　　 表1

　　由表1可见，随t_lk的下降，Q₁和η会有所提高，但并不呈线性关系，这是因为从炉内换热来说，t_lk的下降导致燃料有效发热量降低，理论燃烧温度t_ll和炉膛出口温度t₁下降，使Q₁总体呈下降趋势。从尾部换热面的传热来说，t_lk的下降使传热温差增加，供热量增大，两者的综合作用导致了表1的计算结果。
　　但从另一方面，在相同供热量和送风量的条件下，t_lk的降度也就是机组出口热风温度的降度，这样过小的t_lk会导致出口风温太低，此时就必须适当降低送风量，这又会导致机组效率的降低。另外，过小的t_lk会使送、回风管的散热损失加大，同时会对燃烧器的点火和稳定燃烧不利。
　　综上所述，过低环境温度对机组运行性能及适应性均是不利因素。因而建议在过低环境温度下，空气侧的风系统应采用回风方式并加大回风量，而烟气侧的助燃空气宜进行预热。
　　
　　2、送风量V_k对机组性能的影响
　　计算条件：P=0.101325MPa，t_lk =0℃，B=4.4kg/h，a=1.3。计算结果见表2。
　　
　　　　　　　　　　　送风量V_k对机组性能的影响 　表2

　　由表2可见，V_k的增加使机组供热量和热效率均有增加。这是因为对全部换热面，增加了对流换热系数，同时在相同进风温度下，出风温度必然下降，这样平均风温下降，换热面的平均传热温差上升。从炉膛热出发，由于环形空气通道换热的增强，使炉膛壁温略有下降，而炉膛出口烟温仅略有下降，因此炉膛总换热量还略有增加。因此，从传热角度出发，加大送风量对提高机组供热量和热效率无疑是有利的。但送风的功率消耗与风量的平方成比例，而且过大的风量会增大风机容量而增大机组体积，因此过大的送风量是不经济的。
　　
　　3、过剩空气系数a对机组性能的影响
　　计算条件：P=0.101325MPa，V_k=2600m³/h，B=4.4kg/h，t_lk=0℃。计算结果见表3。
　　
　　　　　　　　　　过剩空气系数a对机组性能的影响 　　表3

　　由表3可见，a的增加使机组供热量和热效率明显降低。主要原因是进入炉内空气量的增加，导致炉内烟气质量流量的增加，理论燃烧温度下降，炉内换热量明显降低。尽管尾部换热面烟侧对流热系数会有所增加，但传热系数同时受烟侧和空气对流放热系数的控制，烟侧对流放热系数的增加仅能使总传热系数略有增加。这样，尾部换热面传热的增加远不能抵消炉内换热的下降，部的效果是排烟温度升高，机组供热量和热效率降低。
　　从另一方面说，过剩空气系数的增加，使烟气量增加，烟气阻力增加，这对高原运行来说，要求燃烧器克服更大的阻力，提供过高的压头。
　　综上所述，在保证燃料完全燃烧的前提下，尽量降低过剩空气系数，无疑会提高机组的热力性能。但高原运行时，为了保证燃烧完全燃烧，往往不得已需要较高的过剩空气系数，与平原运行相比，这正是暖风机高原运行的最不利因素。
　　
　　4、燃油量B对机组性能的影响
　　计算条件：P=0.101325MPa；V_k=2600m³/h，a=1.3，t_lk=0℃。计算结果见表4。
　　
　　　　　　　　　　　燃油量B对机组性能的影响 　表4

　　燃油量的多少间接反映了炉内体积发热强度的大小或炉膛容积的相对大小。
　　由表4可见，随B的下降，机组供热量Q_Z明显下降，机组热效率η略有下降。
　　燃油量的多少并不影响理论燃烧温度的高度，但燃料化学总量降低会使炉内火焰平均温度下降，进而使炉内换热量和炉膛出口烟温均下降。与此同时，燃油量的降低使烟气总量减少，烟侧对流换热系数降低，使供热量下降。
　　由此可见，在保证燃料完全燃烧的前提下，过大的炉膛体积对机组的热力性能不利。实际设计和运行时，炉膛体积或燃油量主要从保证燃料完全燃烧来确定。

大气压力
P/MPa

送风量
V_k/m³/h

炉膛系统黑度
a_xt

炉膛出口温度
t₁/℃

炉膛总换热量
Q₁/W

机组总供热量
Q_Z/W

机组热效率
η

0.10

2634

0.119

1017

17413

42291

88.7

0.09

2927

0.112

1028

17059

42247

88.6

0.08

3293

0.105

1041

16625

42307

88.8

0.07

3764

0.097

1044

16526

42343

88.8

0.06

4391

0.089

1060

15998

42333

88.8

0.05

5269

0.080

1078

15404

42417

8.9