通用暖风机高原耐久性试验故障分析与排除

李俊 钟华 刘剑飞 高怀斌

1 陆军研究院特种勤务研究所

2 西安科技大学机械工程学院

0 引言

部队暖风机的研制历程已经历20 多年，研制开发了不同规格的平原型、高原型暖风机[1]，满足不同使用面积的帐篷、活动房使用，解决了部队冬季在不同地域、不同海拔高度野外取暖问题。由于平原暖风机在高海拔区域不能正常使用，根据部队要求，暖风机进行了统型，形成了通用暖风机系列，可以在不同地域使用。通用暖风机是一种通过燃烧轻柴油或煤油，加热空气送热风取暖的设备[2]，除用于取暖外，还可用于通风换气。本文就新开发的通用暖风机在高原耐久性试验过程中出现的故障问题做以分析，并给出解决思路与方法，供大家参考。

1 暖风机的结构和工作原理

1.1 暖风机组成及结构

暖风机由回风管，烟囱，壳体，送风管，供油系统，燃烧器，控制系统，燃烧换热器和风机等部分组成，见图1。

图1 暖风机构造

1.2 暖风机工作原理

开机后，燃烧器电机运转，与电机同轴的风机、油泵同时工作，点火电极开始打火。13 s 左右，供油电磁阀打开，高压油经油嘴雾化喷出与风机提供的空气混合，被点火电极产生的电火花点燃并在燃烧室燃烧。燃烧产生的高温烟气，从燃烧室底部的两个出烟口流进换热器，经换热后再流经烟囱排出。换热室内感温探头温度上升45 ℃左右，送风机启动将帐篷外空气或帐篷内循环空气送进换热室，流过换热器和燃烧室外侧被加热，被加热的热风经送风管送入帐篷内的热风分配管网，由分配管网均匀地分送到帐篷内各部位加热空气取暖。暖风机在运行过程中，由控制系统自动控制。暖风机用于取暖的工作原理见图2。

图2 暖风机供热原理图

2 故障现象与分析

2.1 耐久性试验中燃烧器停机

试验地点在青海省格尔木市，海拔2800 m，中午1:00 时开始启机，运行到晚上19:00 时，通用暖风机突然停机，再次启动时，燃烧器不能启动，按压燃烧器复位按钮，不能复位。大约10 min 后，再次按压燃烧器复位按钮，启动暖风机，运行正常，再过大约3 h 后，出现同样现象。

2.2 故障分析

查找暖风机使用说明书中常见故障与排除方法，亦未见该种情况。停机后检查出风口温度，略高于环境温度，与平常出风口停机时温度基本一致，说明运行过程中没有出现过热保护。控制面板没有故障代码提示，说明暖风机控制系统功能正常。燃烧器复位后，亦能正常工作，说明燃油系统畅通，没有堵塞问题。燃烧器程序控制器能够正常控制燃烧器，说明燃烧器程序控制器正常。燃烧器结构示意图见图3。

通常情况下，燃烧器出现故障后，燃烧器程控器会自我保护，2 min 内，按压燃烧器复位按钮，一般不能立即复位，需过2 min 后按压才会复位。第二次停机后，过3 min 按压燃烧器复位按钮，没有立即复位，说明燃烧器有异常。触碰燃烧器电机，感觉发热温度比平时更高。用热电偶测量电机温度，各处温度见表1。

图3 燃烧器结构示意图

表1 燃烧器电机表面温度分布

表1 中，靠左部分明显高于其他部位，靠左部位靠近暖风机前隔板，燃烧器电机该处温度偏高，说明在该区域有外部热源存在，通过触摸前隔板温度，发现前隔板温度明显偏高，测量最高温度处达98 ℃，燃烧器电机距前隔板约10 cm，电机明显受到辐射传热影响。该机在无锡（海拔10 m）运行了140 多小时，一直正常，运行环境温度（26～34 ℃）远高于在格尔木（-3～15 ℃）的环境温度。暖风机燃烧换热系统结构示意图见图4。

图4 暖风机燃烧换热系统结构示意图

2.2.1 环境温度下降对前隔板的影响

本机组的换热可大致表述为图5 所示的换热网络图，其中tlk为进入的冷空气温度，tsl为换热器上部换热后的空气温度，txl为换热器下部换热后的空气温度，thk为热风送风温度。由于该机组采用变频技术，送风温度thk为恒定值75 ℃。tsl和txl为并联结构，当环境温度下降时，换热器上部阻力小，tsl↓，txl↑，结果在前隔板两侧温差增大，使底部向外侧的传热量增加，前隔板温度上升。

图5 换热网络图

2.2.2 气压下降对前隔板散热的影响

海拔增高时，空气密度会下降，空气的密度可表述为：

自然对流散热可表述为：

式中：tk为环境温度；tw为前隔板外侧壁面温度。

在格尔木，空气密度下降为海平面的72%，由于定压比热Cp基本不变，在环境温度一定时，自然对流换热能力亦下降72%。

2.2.3 气压下降对燃烧器电机散热的影响

燃烧器运行时，电机会发热，主要通过自然对流散热，正常情况下会达到自然平衡，不会高于电机的过热保护温度。在高海拔地域，由于空气密度降低，自然对流散热能力下降，在同一环境温度下，格尔木的自然对流散热能力下降28%。

3 故障排除

燃烧器电机温度上升产生过热保护，是由于前隔板温度升高，进而对燃烧器电机产生辐射传热，加之高原空气密度降低，自我散热能力下降所致，采取措施是切断辐射，增加自然对流换热能力，或进一步提高电机的耐高温性能。由于提高燃烧器电机的耐高温性能在现场无法实施，需后续在设计中提出更高要求，现场采取了阻隔热辐射的措施，在燃烧器电机与前隔板之间增加了挡板，切断了辐射传热，同时打开燃烧器室前盖，尽量提高燃烧器电机的自然对流散热能力。结果表明措施得当，再未出现燃烧器过热现象。

4 结语

1）增加前隔板处保温层的厚度，避免壁面温度升高对燃烧器电机产生高温辐射。

2）选用耐高温的电机，提高燃烧器电机的过热保护温度，以避免高海地域拔使用时，电机自然散热能力下降而出现的过热保护现象。

3）设计时考虑燃烧器室散热的需要，不能完全封闭，设计必要的气流通道，满足燃烧器室热量的挥发与流出。

4）在低海拔区域或高海拔的低温环境（-10 ℃以下），该种燃烧器电机过热保护现象一般不会出现，设计中对前隔板的保温估计不足，容易为未来运行出现故障带来隐患。