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燃气比例阀 与热水器的适用性分析

时间:2013年12月12日浏览:1718次转载:http://www.pgjxo.com收藏分享:
前言
    比例阀的输出压力是热水器中的一个关键指标,它会影响热水器的热负荷,热效率,烟气成分等主要指标。普通的手动阀门都希望尽量减少压力损失,提高输出压力。低压燃烧系统的喷嘴前压力比普通燃烧系统的低,如何根据机型和低压燃烧的特点合理设定热水器的喷嘴前压力、确定比例阀的特性参数,关系到能否充分发挥其自动调节性能,保证整机的稳定性、舒适性和安全性。
    本文通过原理分析,探讨如何通过选用合适的喷嘴尺寸和二次压力值,尽可能拓宽比例阀的电流调节区间和稳压区间,提高调节精度,从而提升热水器整机性能。

一、比例阀的基本的参数

    决定燃气比例阀的基本参数是由曲线的低端参数(最小电流和最小二次压)和高端参数(最大电流和最大二次压)组成。这二点坐标的数据决定了比例调节曲线的斜率:最小二次压P2L到最大二次压P2H是系统的工作压力范围;最小电流Imin到最大电流Imax是系统的工作电流范围。
二、燃气比例阀特性
1、比例特性

    在比例阀电流可靠调节区间,其电流和输出口压力存在线性关系
    上图a是一款恒温机燃气比例阀的比例特性,我们可以看出,在其电流区间120mA~240mA内,输出口气压随比例阀电流改变呈线性变化。而对于圆形喷嘴,流量与喷嘴前燃气压力有以下关系式:
    对于相同结构的喷嘴和同种燃气,式中的μ、d、s均为常数,因此流量Lg与喷嘴前压力H的平方根成正比关系,进而可以得到图b的曲线,喷嘴流量随比例阀电流增大而增加,这也是热水器实现恒温和无级调节的前提。
2、稳压特性
    前面提到比例阀稳压特性时,强调了一点——在其稳压范围内。
    上图为一款天然气机型比例阀P1—P2曲线,若没有稳压装置,不考虑压力损失,理想的P2与P1线性角度为45°,而实际使用过程中,由于管路阻力造成的压力损耗,P2只会比P1小,曲线只能是接近45°,且一次压越低压力损耗越大,因此,理论上比例阀稳压区间的最低值应高于其最大的二次压。
    根据上面的曲线可以知道,二次压越低,稳压曲线稳压段的拐点越靠近45°线,即其稳压带越宽。

三、燃气比例阀参数选用技巧

    根据上面第二点说到的,二次压越低,稳压曲线拐点越靠近理想曲线,其稳压带范围也越宽,那么,在使用过程中,是不是二次压取值越小越好呢?不尽然。在低压燃烧系统中由于喷嘴加大,流量加大,比例阀P2H设定值的改变,会使得比例阀斜率变大、电流调节范围变小,其实质是热水器出水温度调节梯度的变大,会影响到整机温度调节性能,所以应当针对需求、具体分析做出相应的对策。
    ①若保持比例调节曲线的斜率不变,电流调节范围将改变。(见图四)
    当二次压的设定从P2A减小到P2C,其电流范围从Ia减小到Ic。
    这种不影响斜率的调整,从表象上看不影响调节梯度,但实际上由于喷嘴加大,流量加大。则存在二个问题:
    a、若保持原电路参数,则单位调节的气量变大,调节一个单位电流可以使小水量的时候温升超过1℃,此问题可通过改变电路参数使电流参数细分保证单位调节量的足够细,并通过提高元件精度等级使这么小的单位保持稳定。这从电路的角度是可以克服的。
    b、比例阀的总调节位移量变小,原单位位移对应的气量变大,从而使原比例自调节稳定时间参数变大,热水器要求快速调节与比例阀自调时间参数延长,导致比例产生较长时间的振荡,这是比例阀较难解决的。
    ②要保持电流调节范围不变,则要改变比例调节曲线的斜率。
    当二次压的设定从P2A减小到P2D,其斜率范围从∠A减小到∠D。
    这种方法虽然保证了从最小火到最大火的电流调节范围,但比例曲线的斜率改变了,低端参数P2L发生了变化。
    ③如若保证P2L值,则会减小比例阀的开阀电流(动永磁式比例阀),相应的减小了封阀力,增加比例阀的制造难度,提高了成本。
    综合上述①②③可见,当二次压设定值降低后,其调节电流范围要根据整机综合性能的要求做适当的变化,比例阀不能仅做简单的调节,其内部结构和参数也要按整机的新要求进行调整,方可使比例阀工作在最佳状态,满足使用工况。
    所以解决这一矛盾的方法是进一步调整比例阀比例调节系统。
    首先在喷嘴改大优先保证电流调节区间的条件下,将最大电流对应的二次压降低,从而拓宽了稳压范围。然后再调整比例阀比例调节系统,优先保证稳压区间,通过改变比例弹簧弹力和比例阀线圈匝数,改变流量特性曲线的斜率,斜率减小后的曲线在相同的二次压区间内,对应电流调节区间将增大,也进一步提高了电流比例调节的精度。
    下图通过一个实例进行对比,12升天然气恒温机,2#曲线表示喷嘴直径由1.2改大到1.4之后的流量特性曲线,其电流区间只有128~160mA,而进一步通过调整比例阀比例系统后,得到的1#曲线,在最大二次压取800Pa时,电流区间拓宽为110~180mA,且曲线斜率较之2#有明显减小,电流调节精度得到提高,能有效改善整机恒温性能。
四、总结
    上面主要从最常用一种燃气比例阀特性参数几方面分析了热水器设计时如何平衡燃气比例阀出口二次压与流量调节范围两者的关系,并进行相关试验,通过调整喷嘴直径大小与改变比例阀比例特性相结合的方法,一方面降低比例阀出口二次压,拓宽其稳压区间,另一方面也不至于牺牲比例调节区间和调节精度。因此,在设计过程中可以参照此方法选取喷嘴直径和比例阀参数,从而更好的保证整机恒温效果。对任何一种比例阀来说,它都会有一个恰当的参数范围,如果低压燃烧系统中二次压选择的不当会影响到燃具功能的发挥。因而相关整机、比例阀、电控器等各专业的技术人员应综合考虑燃烧工况对二次压的实际需求、电控器的匹配调节精度、确定比例阀的参数范围要求,并进行试验和修订,对比例阀进行以上综合性能进行评估,同时还应考虑比例阀的结构和性能特点进行结构的匹配,必须避免比例阀曲线呈现抛物线,拐点,回差位置在低端位置的情况出现,使部件和整机实现最优化的配合。

参考文献   
    [1]姜正候、郭文博、傅忠诚等,《燃气燃烧与应用》(第三版),中国建筑工业出版社,2002年。

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