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燃烧技术在家用燃气灶上的研究与应用

责任编辑：液化天然气浏览：3193次时间： 2008-04-25 12:13:00

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摘要:引言　　目前随着整体厨房的导入，嵌入式燃气灶越来越流行，并在整体厨房中扮演重要角色，但是嵌入式燃气灶在结构要求与性能方面远远高于台式燃气灶，尤其是嵌入式灶具的下半部嵌在橱柜里面，对于燃烧后需要的空气有所限制，故在嵌入式燃烧系统，安装结构的设计时要..

关键词：燃烧技术家用燃气灶研究应用

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引言
　　目前随着整体厨房的导入，嵌入式燃气灶越来越流行，并在整体厨房中扮演重要角色，但是嵌入式燃气灶在结构要求与性能方面远远高于台式燃气灶，尤其是嵌入式灶具的下半部嵌在橱柜里面，对于燃烧后需要的空气有所限制，故在嵌入式燃烧系统，安装结构的设计时要优化设计，尽量使空气从台面上补充，满足燃烧的性能要求。本文以我部开发的Q5／Q6系列燃气灶为例将阐述怎样将燃气技术与具体灶具开发的结合。

1 燃烧的基本原理^[1]
　　根据部分预混燃烧方法设计的燃烧器称为大气式(引射式)燃烧器，其一次空气系数0＜á＜1，燃气灶(包括燃气热水器)使用的燃烧器基本上都是大气式(引射式)燃烧器，它由头部和引射器两部分组成。
　　大气式(引射式)燃烧器的工作原理是：燃气在一定的压力下，以一定的流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，燃气靠本身的能量吸入一次空气，在引射器内燃气和一次空气混合，然后经头部流出，和二次空气发生反应进行燃烧，形成本生火焰；
　　大气式(引射式)燃烧器的一次空气系数á通常为0．45—0．75．根据燃烧室工作状况的不同，过剩空气系数通常变化在1．3—1．8范围内．
　　下面对燃烧器的结构及作用进行分析
　　引射器由四部分组成(如下图1所示)：

图1 1．喷嘴
　　其作用是输送所要求的燃气量，并将燃气的势能转变成动能，依靠引射作用引射一定的空气量．燃气灶的额定热负荷大小只与喷嘴及气质有关
2．吸气收缩管
　　其作用是为了减少空气进入时的阻力，吸气收缩管的进口截面积一般比出口面积(喉部面积)大4—6倍，即进口直径等于2．2d(d—喉部直径)
3．混合管
　　其作用是使燃气与空气进行充分混合，使燃气—空气混合物在进入扩压管之前，其速度场，浓度场及温度场呈均匀分布，常采用圆柱形混合管，在某些情况下也可不用混合管。
4．扩压管
　　其作用是使部分动压变为静压，以提高气体的压力，其次是使燃气与空气进一步混合均匀。扩压管张角为6°—8°时，阻力最小，通常取7°。在某些情况下也可不用扩压管。
5．一次空气吸入口
　　设在吸气收缩管上，其开口面积一般为燃烧器火孔总面积的1．25倍—2．25倍，一般设置调节板来调节一次空气吸入量。
　　燃烧器头部
　　燃烧器头部的作用是将燃气—空气混合物均匀地分布到各火孔上，并进行稳定和完全的燃烧。为此要求头部各点混合气体的压力相等，要求二次空气能均匀地畅通到每个火孔上，此外，头部容积不宜过大，否则熄火噪音过大。头部及火孔的分布应考虑二次空气的供给。
　　火孔有圆火孔，方火孔(矩形火孔及梯形火孔)及条形火孔，带稳焰孔的火孔，用得较多的为前两种，条形火孔相当于多个方型火孔相连，因此与二次空气的接触较差，易出现黄焰。圆火孔与二次空气的接触面比方火孔小，故影响二次空气量的供给，因此圆火孔比方火孔易出现黄焰。

2 燃气燃烧的四种特性
　　部分预混火焰由内焰和外焰两部分组成，内焰焰面是一明亮的界面，呈蓝绿色；外焰的明亮度较内焰弱，但在暗处也能明显看出火焰。当燃烧性质和火孔构造已定时，一次空气系数的大小决定了火焰的形状和高度。一次空气系数大，火焰短，内焰焰面轮廓明显，火焰颤动厉害，有回火倾向性，点火和熄火燥音大，这种火焰称为“硬火焰”。一次空气系数小时，火焰拉长，内焰焰面厚度变薄，亮度减弱，火眼摇晃，回火倾向性小，点火和熄火声小，这种火焰称为“软火焰”。过硬和过软的火焰都是不合适的，都是不能充分燃烧的表现。
　　正常的部分预混火焰应该具有稳定的，燃烧完全的火焰结构，而不正常的部分预混火焰就会产生离焰，回火，黄焰和不完全燃烧等现象。产生这些现象的倾向性和燃气的燃烧特性有密切关系。
　　表示燃气燃烧特性最形象的方法是在以燃烧器火孔热强度qp为纵坐标，以一次空气系数ā为横坐标的坐标系上作出离焰、回火、黄焰、燃烧产物中的CO极限含量曲线，这四条曲线总称为燃气燃烧特性曲线。
　　不同的燃气在同一条燃具上通过实验所作出的燃烧特性曲线不同，这就明显地表示这两种燃气具有不同的燃烧特性；燃具只有在燃烧特性曲线所围的范围内时才能得到好的燃烧状态，从图中可看出，要在中间寻找一个平衡点，当燃气及燃烧条件变化时，仍能在此范围活动，具体见下图2

图2 3 气源
　　由于国内目前气源种类复杂，对燃烧系统的通用性提出了更高的要求，燃气气源包括人工燃气，天然气，液化石油气，液化气混空气，生物气等
3．1．人工燃气
　　人工燃气由于国内产煤地区较多，煤质成分相差较大，并且由煤到气加工方法不一样，造成国内煤制气成分多样化，有时甚至一个城市出现两种不同的人工燃气如武汉市汉口为6R，武昌为5R煤制气．人工煤气分以下几种：
　　1)干馏煤气(煤干馏所得的副产品)，热值在18MJ／NM³左右；
　　2)气化煤气(煤与气化剂发生反应)主要成分为H₂和CO，热值在13MJ／NM³以下；
　　3)油制气(石油在炼制过程中的副产品)，根据石油炼制过程的不同，又分为热裂气(热值在41-42 MJ／NM³左右)和催化裂解气(热值在17-21 MJ／NM³左右)；
　　4)高炉气(钢铁厂炼铁时产生的副产品)主要成分为H₂和CO，热值在4到4．2 MJ／NM³。
　　注：城市煤气在送到用户家中之前要经过多重处理，有时是几种气体混合宋达到某一设定值
3．2．天然气
　　包括以下几种来源的气体：
　　1)气田开采的气田气(主流)
　　CH₄纯度高，如西气东输气体(98％)，四川气(90％以上)
　　2)随石油喷出的油田伴生气
　　如天津、大庆CH₄纯度约在80％左右
　　3)含石油轻质馏分的凝析气田气
　　4)井下煤层抽出的矿井气(瓦斯气)
3．3．液化气
　　液化石油气主要从油，气开采或石油加工过程中取得，我国广泛采用的是从炼油厂催化裂解气体中得来，其液态与气态体积比约为1∶250
3．4．生物气(沼气)
　　CH₄约占55％—65％，CO约占35％—40％，热值约为20—25 MJ／NM³
3．5．液化气混空气(T)
　　参照天然气的性能来设计，常用的液化气与空气混合比例(体积比)有如下几种类型：30∶70；40∶60；50∶50

4 燃烧系统的优化设计分析
　　由于国内燃气种类繁多，使用条件恶劣，对燃烧系统的通用性，适应性，稳定性提出了很高的要求，燃烧状态的好坏与阀体、喷嘴、燃烧、器火盖(火焰分离器)等有直接关系，为了使系统具有很好的性能，对燃烧系统进行了优化设计，主要在以下几个方面作了改进：
4．1．燃烧器的内腔尺寸
　　燃烧器在燃烧系统中起着非常重要的作用，燃烧效果，引射性能都与它密切相关，它最重要的尺寸是喉部直径，它的大小直接影响燃烧性能，通过对各种气质进行多次比较设计，综合考虑多方面的因数，选择了引射阻力小，而又能充分混合目的的喉部管径，这样空气与燃气的比例较理想，另外，一般设计只注重喉部管径，而忽视了燃烧器内腔其他尺寸的设计，为达到优化设计，我通过大量实验及样件验证进一部优化了其他尺寸，这样燃烧器的适应性及引射性能大大提高，为减小熄火噪音，尽量减小了燃烧器头部，并且保持较强的头部静压力，这样系统的抗回火能力也大大加强．
4．2．火盖
　　系统的性能还与火盖及燃烧器是否匹配有着密切关系，为达到最佳效果，对各种气质的火盖进行了重新设计，并且充分考虑结构对二次进风的影响，使进风顺畅．
4．3．风门装置
　　由于各种气质性质相差很大，进入的一次空气量就不相同，而各种气质的一次空气量的变化在一定的范围内，如果超出这个范围就不能得到稳定的火焰，易出现离焰，点不着火和回火．
　　针对此，经过大量实验，我们设计了适用于各种气质的风门，进气口的大小直接在风门上体现，这样就能控制住一次空气量的大小在合理的范围内，保证最佳的燃烧效果．
　　一次空气量的大小对燃烧影响很大，虽然重新设计的风门能控制住一次空气量在一定的范围内活动，但一种气质在燃烧时需要的空气量是一定的，可滑动的风门导至一次空气量不一样，对燃烧还是有较大影响，为解决此问题，我们设计了带卡位的风门装置，可防止风门自由滑动，影响燃烧效果，风门可以用手调节，但不能自由滑动，能保证在各种气质的燃烧效果．

5 技术的应用
　　对以上技术的研究，在新开发的Q6，Q5系列灶上得到了应用，为了使嵌入式燃气灶安全，我们在结构上要求采用全封闭，使得燃烧所需要的二次空气全部从台面上补充，不但燃烧充分，而且防止污物掉入灶壳里面如右图3

图3
　　1．通过对Q5／Q6燃烧器喉部管径及燃烧器其它尺寸进行优化，将引射管的长度与内径比找到最佳值。通过对燃气的四种特性进行分析，找到最佳燃烧状态点，并以此来设计，并且通过将燃烧器上设计成螺旋式燃烧器，采用采用120度全方位分流引射技术，燃气空气流动更合理，补充氧气更充分，火焰燃烧得到真正得蓝色火焰(燃烧效果对比图见附件1)。
　　2．Q5，Q6系列灶采用带卡位的双风门结构，风门不能自由滑动(但可人为调节)，避免了因为风门问题带来的对燃烧状态的影响，并大大降低了社会反馈量，针对国内气源种类繁多的特点，为不同的气质设计了多种风门，如煤质气所用空气量最小，也最容易发生回火，专门设计一种带条形的风门，很好地防止回火的发生。
　　3．火盖采用分体式设计，在传统的火盖上设计为两层，这样让混合燃气更加充分的混合，并且均匀的分布在火盖的火缝孔中，在火盖下端设计了稳焰孔，有效的防止回火的可能性。使得燃烧非常充分(将下图4)，热效率为58％、功率、烟气指标远远大于国标。前不久，此项技术还被鉴定为国际领先水平，此项技术已申请国家两项专利。

图4
6 结束语
　　目前我部开发Q5／Q6系列燃气灶上市后，不但在外观与结构上能够满足整体橱柜的需求，在各项性能指标上均能够到达国家标准，有的还远远超过国表达的要求，上市以后进行用户使用跟踪，不但适用各地区气源的性能强，而且在使用中问题反馈极少。

参考文献：
[1]同济大学等编，《燃气燃烧与应用》中国建筑工业出版社，1992

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