周 奮

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

前言

出于對家用燃氣器具的安全與可靠性考慮，國家標準規(guī)定進入家用燃氣器具時的額定壓力為：液化石油氣（LPG）為2 800 Pa，天然氣（NG）為2 000 Pa。而在此燃氣壓力下，一般家用燃氣灶的一次空氣系數(shù)約為0.5，只有調(diào)整鍋架高度，讓二次空氣補充，來達到燃燒完全，普遍煙氣中CO、NOX含量較高，火焰“軟”。部分燃氣灶通過強制鼓風(fēng)來提高一次空氣系數(shù)，使燃燒充分，降低煙氣中CO、NOX含量，但只能做到在設(shè)定熱負荷點可實現(xiàn)；由于鼓風(fēng)風(fēng)機存在風(fēng)量調(diào)節(jié)滯后的現(xiàn)象，燃氣灶在熱負荷調(diào)節(jié)時，還容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的情況，甚至?xí)ɑ鸹颉懊昂跓煛薄?/p>

在燃氣灶內(nèi)部燃氣通路上加設(shè)燃氣增壓部件，來提高噴嘴前的燃氣壓力，進而改善燃氣灶的燃燒狀態(tài)鮮有研究。鑒于此，本文主要探究燃氣增壓技術(shù)應(yīng)用于燃氣灶，對一次空氣系數(shù)、煙氣中有害氣體成份含量與火焰狀態(tài)的影響。

1 燃氣壓力與過剩空氣系數(shù)關(guān)系計算分析

1.1 幾何模型

由于燃氣灶的燃燒器，外環(huán)火大概是中心火熱負荷的十倍，外環(huán)火煙氣基本決定了整個燃燒器煙氣排放水平，為了便于計算，幾何模型設(shè)置為圖1。

圖1 原幾何模型

考慮到原幾何模型的對稱性，計算用的幾何模型采用1/2模型，如圖2所示。

圖2 計算用幾何模型

1.2 邊界條件設(shè)置

主要計算設(shè)置如下：

1）本文采用穩(wěn)態(tài)計算，SKE湍流模型和混合規(guī)則計算混合氣體，不考慮燃燒化學(xué)反應(yīng)。

2）燃氣入口設(shè)置不同的進氣壓力Pin，燃氣組分為100 %的CH4。

3）空氣入口設(shè)置相對壓力為0 Pa，空氣組分設(shè)置為體積分數(shù)為21 %的O2及79 %的N2。

4）燃燒器頭部火孔設(shè)置為壓力出口，相對壓力大小設(shè)為0 Pa。

1.3 計算結(jié)果

圖3所示為燃氣與空氣混合后，燃氣灶燃燒器不同位置處的甲烷體積分數(shù)分布情況。從圖可知，在噴嘴前端，甲烷的濃度最高，從噴嘴噴出流速快，吸入空氣，隨著燃氣向燃燒器頭部前進，空氣與燃氣的混合作用增強，甲烷濃度逐漸下降。

圖3 引射、混合流線圖

改變?nèi)細膺M氣壓力與噴嘴直徑，來達到額定熱負荷為4.5 kW，計算一次空氣系數(shù)的結(jié)果如表1與圖4，從中可得知增加燃氣進氣壓力與減小噴嘴直徑來達得額定熱負荷，一次空氣系數(shù)將顯著提升。

表1 固定負荷下的一次空氣系數(shù)（模擬）

圖4 一次空氣系數(shù)的變化曲線

選定噴嘴直徑為1.12 mm，通過調(diào)節(jié)燃氣壓力來調(diào)節(jié)熱負荷，熱負荷與一次空氣系數(shù)變化情況如表2與圖5。從中可知，固定噴嘴，通過調(diào)壓來調(diào)節(jié)熱負荷，對一次空氣系數(shù)變化甚微。

圖5 熱負荷、一次空氣系數(shù)的變化曲線

表2 固定噴嘴下的一次空氣系數(shù)（模擬）

2 實驗驗證

實驗裝置如圖6所示，燃氣為100 % CH4，通過調(diào)壓閥進行燃氣壓力調(diào)節(jié)，使用U形壓力計讀取壓力值；使用秒表讀取濕式流量計單位時間的燃氣流量，通過計算所得實測折算熱負荷；煙氣分析儀連接到煙氣取樣環(huán)上，可分析出煙氣成份及含量，通過CO2或O2含量可計算出過?？諝庀禂?shù)。

圖6 測試連接示意圖

2.1 通過燃氣增壓與噴嘴調(diào)整來達到額定熱負荷

通過調(diào)節(jié)燃氣壓力與調(diào)整噴嘴孔徑大小，使流量大概保持不變，讀取煙氣成份含量，計算實測折算熱負荷[2]、過?？諝庀禂?shù)[3]，數(shù)據(jù)如表3。

表3 固定負荷下的一次空氣系數(shù)（實驗）

圖7為燃氣進氣壓力為1 000 Pa時，熱負荷4.43 kW的火焰狀態(tài)。

圖7 額定負荷、進氣壓力1 000 Pa的火焰形態(tài)

圖8為燃氣進氣壓力為8 000 Pa時，熱負荷4.36 kW的火焰狀態(tài)。

圖8 額定負荷、進氣壓力8 000 Pa的火焰狀態(tài)

從以上試驗數(shù)據(jù)分析和火焰狀態(tài)可知，通過燃氣增壓與噴嘴調(diào)整來達到額定熱負荷：煙氣中有害氣體CO、NOX含量在減少，計算所得的過?？諝庀禂?shù)（一次空氣量與二次空氣量之和同理論所需的空氣量之比）也提高，因二次空氣量基本相同，所以可知一次空氣系數(shù)在提高，火焰“硬”且更藍。

2.2 固定噴嘴，減小燃氣壓力來調(diào)節(jié)熱負荷

通過調(diào)節(jié)燃氣壓力來達到調(diào)節(jié)燃氣流量（噴嘴恒定），讀取煙氣成份含量，測試計算數(shù)據(jù)如表4。

表4 固定噴嘴下的一次空氣系數(shù)（實驗）

圖9為燃氣進氣壓力為1 000 Pa時，熱負荷1.55 kW的火焰狀態(tài)。

圖9 噴嘴1.12 mm、進氣壓力1 000 Pa的火焰形態(tài)

從以上試驗數(shù)據(jù)分析和圖9、圖10火焰狀態(tài)可知，家用燃氣灶噴嘴確定后，通過調(diào)節(jié)燃氣進氣壓力來調(diào)節(jié)熱負荷，煙氣中有害氣體CO、NOX含量無明顯變化，計算所得的過剩空氣系數(shù)無明顯變化，所以也證實了一次空氣系數(shù)變化不大。

3 結(jié)論

通過仿真計算與試驗測試與分析，增壓技術(shù)應(yīng)用在家用燃氣灶，得出以下結(jié)論：

1）通過燃氣增壓與噴嘴調(diào)整來保證額定熱負荷不變的情況下，有利于提升一次空氣系數(shù)，降低煙氣中有害氣體含量，火焰硬且更藍。

2）家用燃氣灶噴嘴確定后，通過調(diào)節(jié)燃氣進氣壓力來調(diào)節(jié)熱負荷，在全熱負荷段煙氣中有害氣體CO、NOX含量無明顯變化，一次空氣系數(shù)基本不變。

固筆者認為，在確保家用燃氣灶的本質(zhì)安全及符合國家標準的前提下，可以適當提高噴嘴前壓，來提升引射能力，使燃燒更為充分，從而降低煙氣中有害氣體含量，起到環(huán)保作用。