Research on Gas Proportional Valve Current Linkage Control to Reduce Breaking Pressure
郭灵华 GUO Ling-hua；吴桂安 WU Gui-an；
邓飞忠 DENG Fei-zhong；仇明贵 QIU Ming-gui
（华帝股份有限公司，中山 528416）
（VATTI Co.，Ltd.，Zhongshan 528416，China）
摘要：恒温型燃气热水器能够输出恒温热水，提升洗浴舒适度，已成为燃热行业的主流产品。燃气热水器普遍采用火力分段控制最小温升，然而当分段比例过小，在供气压力过低时易出现火力断档现象，造成水温不能稳定，影响洗浴感受。本文针对这个问题，提出一种燃气比例阀电流联动控制技术，分析研究该问题的解决方案和实行措施。
Abstract: The constant temperature gas water heater can output constant temperature hot water and improve bathing comfort. It has become the mainstream product in the gas water heater industry. Gas water heaters generally use firepower segmentation to control the minimum temperature rise. However, when the segmentation ratio is too small, the firepower is broken when the gas supply pressure is too low, which causes the water temperature to be unstable and affects the bathing feeling. In view of this problem, this paper proposes a gas proportional valve current linkage control technology to analyze and solve the solution and implementation measures of this problem.
关键词：燃气热水器；燃气比例阀；电流联动；断档压力；热负荷重叠区间
Key words: gas water heater；gas proportional valve；current linkage；breaking pressure；thermal load overlap interval
中图分类号：TU996 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）22-0159-03
0 引言
燃气热水器采用火力分段控制，拓宽水温调节范围，控制最小温升，尤其解决夏季热水温度过高问题。火力分段装置设有强吸电磁阀控制不同组合喷嘴的通断气，实现火力分段燃烧。产品设计时，基于成本和最小温升要求，往往选择最简单分段方式，分段比例往往过小，分段前后的热负荷重叠区间也会较小。恒温型热水器通过燃气比例阀自动调节燃气流量，控制燃烧火力，实现快速恒温。当供气压力下降时，大火火力大幅衰减，小火火力基本不变，热负荷重叠区间跟随变小，严重时产生火力断档，火力来回切换，水温忽高忽低。
基于供气压力过低引起火力断档的问题，在此提出一种解决方案，采用燃气比例阀电流联动控制技术增大热负荷重叠区间，降低断档压力，提高产品气源气压适应性。
1 火力断档原因分析
1.1 基于最低温升确定分段方式
夏天进水温度可达30℃，人体洗浴温度在36～38℃之间，按洗浴水流量6L/min、温升8K推算，理论最小热负荷要低于3.7kW。以一台12升燃气热水器为例，其额定产热水能力为12kg/min（Δt=25K），现选定燃烧火排数为5片，且燃烧单片最小火力为1.8kW。如表1所示，基于最小温升及成本考虑，选择最合适的火力分段：单阀2-5分段。但2-5分段比例偏小，热负荷重叠区间推算值仅为0.6kW，断档风险较大，需要测试核实。
1.2 特低气压对比测试结果
如图1所示，12升样机（气源12T）的分段方式为单阀2-5分段，小火力档位为2排火燃烧，大火力档位为5排火燃烧。
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如图2所示，12升样机预设比例阀最大电流和最小电流均位于燃气比例阀可调电流区间（105～190mA）以内。另外，各火力档位采用相同的最大电流和最小电流。
如表2、图3所示，在标准气压2000Pa条件下，测量小火力档位的最小热负荷Qmin和最大热负荷Qmax'、大火力档位的最小热负荷Qmin'和最大热负荷Qmax，测得热负荷重叠区间ΔФ=Qmax'-Qmin'=1.54kW为正值，表示样机在标准气压下火力不断档。当供气压力降至特低气压1000Pa时，实测热负荷重叠区间ΔФ降至-0.36kW（负值），出现火力断档。在降压过程中，2排大火燃气二次压由1320Pa降至940Pa，2排大火Qmax'由10.55kW突降至8.73kW，出现大幅衰减，导致火力断档。
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1.3 特低气压火力断档分析
如图4所示，燃气比例阀燃气流量与工作电流具有线性关系，热水器最大热负荷Qmax对应大火力档位时最大电流Imax，最小热负荷Qmin对应小火力档位时最小电流Imin，各火力档位采用相同的Imax和Imin。小火力档位最大热负荷Qmax'，大火力档位最小热负荷Qmin'，热负荷重叠区间ΔФ=Qmax'-Qmin'。当ΔФ为正值时，则表示火力不断档；当ΔФ为负值时，则表示火力断档。
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如图5、图6所示，根据燃气比例阀稳压特性曲线，当供气压力由标准气压降至特低气压时，比例阀最大电流Imax对应的燃气二次压发生突降（由④降至③），而最小电流Imin对应的燃气二次压维持不变（①=②），使Qmax、Qmax'同步减小，Qmin、Qmin'则基本不变，因此，热负荷重叠区间ΔФ=Qmax'-Qmin'跟随减小。当供气压力过低时，Qmax'＜Qmin'，则ΔФ=Qmax'-Qmin'为负值，出现火力断档。
由此可见，造成热水器火力断档的主因：热负荷重叠区间ΔФ过小，外因：供气压力变小。
2 技术方案
2.1 燃气比例阀电流联动的技术方案
根据上述分析结果，为降低断档压力，需要增大热负荷重叠区间ΔФ（ΔФ=Qmax'-Qmin'），即增大小火力档位的最大热负荷Qmax'或减小大火力档位的最小热负荷Qmin'。如表3所示，在不改变分段阀结构前提下，对各火力段的燃气比例阀电流进行联动控制，可有效增大热负荷重叠区间。
如表3、图7、图8、图9所示，采用燃气比例阀电流联动方案将各火力档位限定在不同电流区间，拓宽热负荷重叠区间ΔФ，能有效降低断档压力，提升气源气压适应性，并确保产品各项性能指标满足设计需求。
在使用燃气比例阀电流联动方案时，须综合考虑燃气比例阀特性、最小温升、燃烧工况及小火冷凝水等因素，选择最合理的联动电流值。
2.2 燃气比例阀电流联动的测试结果
原12升样机燃气比例阀可调电流区间：105～190mA，样机最大电流Imax为172mA，仍有较大可调余量，而最小电流Imin为114mA，可调余量较小。因此，选用表3中的方案一，仅对小火力档位最大电流Imax'增加联动电流ΔI （即Imax'=Imax+ΔI），以此增大热负荷重叠区间ΔФ。
如表2、表4、图10所示，12升样机小火力档位的最大电流Imax'由172mA增至180mA（大火联动电流ΔI=8mA），而大火力档位的最小电流Imin'维持为114mA（小火联动电流ΔI=0mA）。在标准气压2000Pa下，小火力档位的大火燃气二次压由原先1320Pa增至1460Pa，热负荷重叠区间由原先1.54kW增至2.41kW。供气压力降至特低气压1000Pa时，2排大火的燃气二次压由1460Pa降至980Pa，5排小火的燃气二次压基本不变，实测热负荷重叠区间ΔФ=0.36kW（正值），表示在特低气压1000Pa时不会火力断档，证明采用燃气比例阀电流联动方案能够降低断档压力。
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3 结论
①采用比例阀电流联动方案，拓宽不同火力档位的热负荷重叠区间，能够降低断档压力，确保产品在供气压力过低时仍能输出恒温热水。②采用比例阀电流联动方案，可简化燃烧分段方式，提高分段阀通用性，拓宽温度调节范围。③采用比例阀电流联动方案，优化各火力档位小火稳定性，有效抑制冷凝水生成。
参考文献：
[1]夏昭知.燃气快速热水器[M].重庆大学出版社，2012.
[2]同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等.燃气燃烧与应用[M].四版.北京：中国建筑工业出版社，2011.
[3]中国人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 6932-2015，家用燃气快速热水器[S].北京： 中国标准化出版社，2015. |
