中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 張建海 楊國強(qiáng)

寧波方太廚具有限公司 陳迪龍

目前市場上銷售的主流家用嵌入式燃?xì)庠铑~定熱負(fù)荷一般在4.0～4.5 kW，研發(fā)的方向存在往大熱負(fù)荷發(fā)展的趨勢。因受限于外觀、成本等因素，通常會(huì)“犧牲”掉熱效率與廢氣排放等性能指標(biāo)，這樣會(huì)大大降低用戶的使用體驗(yàn)。隨著額定熱負(fù)荷提升到上限5.23 kW，效率提升、廢氣排放下降等性能指標(biāo)逐漸成為各大廠家關(guān)注的焦點(diǎn)。

燃?xì)庥脩襞腼冃枨筝^為復(fù)雜，既要滿足煎、炒的大火需求，又要滿足煲、煮等的小火需求。國內(nèi)家用嵌入式燃?xì)庠畹娜紵骰径加袃?nèi)、外環(huán)之分，是一種雙通道燃燒器。與國外普遍使用的單通道燃燒器相比，存在氣源適應(yīng)性差、內(nèi)外環(huán)熱負(fù)荷搶二次空氣等問題。

為提升雙通道燃燒器的綜合性能，即提升熱效率、降低廢氣排放，正確的火孔強(qiáng)度設(shè)計(jì)以及內(nèi)外環(huán)出火孔的火孔強(qiáng)度配比至關(guān)重要。本文通過理論分析燃燒器火孔強(qiáng)度的設(shè)計(jì)，并結(jié)合大量的試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證，調(diào)整內(nèi)、外環(huán)出火孔的火孔強(qiáng)度配比，分析同一折算熱負(fù)荷條件下，雙通道燃燒器不同火孔的強(qiáng)度以及內(nèi)外環(huán)出火孔不同火孔強(qiáng)度配比對(duì)燃燒性能的影響差異。

1 外環(huán)單獨(dú)調(diào)整時(shí)的火孔強(qiáng)度

根據(jù)額定熱負(fù)荷以及外觀需要設(shè)計(jì)好頭部直徑，并結(jié)合內(nèi)外環(huán)熱負(fù)荷比例、火孔角度、鍋支架高度等因素，可以設(shè)計(jì)雙通道燃燒器。選用天然氣12T基準(zhǔn)氣，關(guān)閉內(nèi)環(huán)通道（可以堵住內(nèi)環(huán)噴嘴），調(diào)整外環(huán)的火孔面積來調(diào)整外環(huán)的火孔強(qiáng)度。再通過測試煙氣排放以及熱效率來進(jìn)行定性趨勢分析。外環(huán)火孔燃燒示意見圖1。

圖1 外環(huán)火孔燃燒示意

圖1顯示保持外環(huán)火焰與鍋壁距離l和外火孔與鍋底高度h不變，當(dāng)單獨(dú)外環(huán)燃燒時(shí)，只有外面一圈火焰，火焰與鍋底接觸的地方在外環(huán)火蓋外周，熱氣流會(huì)隨著鍋底向鍋的邊緣流動(dòng)，只有少量的熱氣流會(huì)流向鍋底中心。這樣就導(dǎo)致燃燒器的外環(huán)到鍋邊緣的鍋底接受了大量的能量，溫度較高，而燃燒器的中心溫度很低，A區(qū)域冷空氣與外面沒有形成明顯的負(fù)壓，導(dǎo)致外面的空氣難以從二次空氣補(bǔ)充孔進(jìn)入A區(qū)域，外環(huán)內(nèi)側(cè)二次空氣的補(bǔ)充較為困難，所以二次空氣的補(bǔ)充只在B區(qū)域，就導(dǎo)致火焰內(nèi)側(cè)燃燒不充分，煙氣較高。按照傳熱學(xué)理論，對(duì)流傳熱量公式如下：

式中：Φ——對(duì)流傳熱量，W；

K——傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；

tf——煙氣平均溫度，℃；

tw——鍋底平均溫度，℃；

A——受熱面面積，m2。

在K、tf、tw不變的情況下，對(duì)流傳熱量Φ是面積A的單值函數(shù)。由于在鍋底有效利用面積A較小且只有外環(huán)燃燒的高溫?zé)煔?，因而鍋底吸收的熱量較少，效率會(huì)偏低。若火孔強(qiáng)度太大則氣流速度也很快，使得燃燒不充分，煙氣高。速度過快的高溫?zé)煔庠阱伒淄Ａ舻臅r(shí)間變短，則（tf-tw）的值會(huì)變小，效率仍然會(huì)降低。

設(shè)計(jì)額定熱負(fù)荷5.0 kW，內(nèi)、外環(huán)的熱負(fù)荷按照3:7的比例取值，即外環(huán)熱負(fù)荷為3.5 kW，頭部直徑設(shè)計(jì)為116 mm，火孔角度為35°，外環(huán)火孔至鍋底的距離為24 mm，外環(huán)單獨(dú)燃燒做試驗(yàn)，外環(huán)火孔強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 外環(huán)火孔強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的火孔強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著火孔強(qiáng)度的增大，煙氣減小且熱效率升高。當(dāng)火孔強(qiáng)度在6.5～7.5 W/ mm2之間時(shí)，煙氣達(dá)到最小值，熱效率接近最高點(diǎn)；而后又隨著火孔強(qiáng)度的增大，煙氣相應(yīng)增大，熱效率下降趨于平穩(wěn)。

2 內(nèi)環(huán)單獨(dú)調(diào)整時(shí)的火孔強(qiáng)度

關(guān)閉外環(huán)通道（可以堵住外環(huán)噴嘴），通過調(diào)整內(nèi)環(huán)的火孔面積來調(diào)整內(nèi)環(huán)的火孔強(qiáng)度，通過測試煙氣排放以及熱效率來進(jìn)行定性趨勢分析。

圖2顯示在內(nèi)環(huán)火焰與鍋壁距離l和內(nèi)火孔與鍋底高度h不變的情況下，當(dāng)內(nèi)環(huán)單獨(dú)燃燒時(shí)，由于負(fù)荷小，需要的二次空氣也比較少，二次空氣能較好地補(bǔ)充，所以單獨(dú)的內(nèi)環(huán)煙氣較低。但內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度變化時(shí)，需要的二次空氣量也在變化，內(nèi)環(huán)火蓋的容積較小即燃燒的面積很小，與空氣接觸的有效面積有限?；鹂讖?qiáng)度越大，需要的二次空氣越多，同時(shí)火焰越長，火焰離鍋底的距離越近，燃燒越不充分，導(dǎo)致煙氣隨著火孔強(qiáng)度的增加而增加。中心冷空氣有效存儲(chǔ)容積越大，越有利于二次空氣的補(bǔ)充，燃燒更充分，高溫?zé)煔庠阱伒淄Ａ舻臅r(shí)間越長。對(duì)照式（1），此時(shí)使用中心小火的燃燒效率高。

圖2 內(nèi)環(huán)火孔燃燒示意

內(nèi)環(huán)熱負(fù)荷為1.5 kW時(shí)，試驗(yàn)用鍋不變，內(nèi)環(huán)單獨(dú)燃燒時(shí)內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過該試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定的火孔強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨著火孔強(qiáng)度的增大煙氣增大，熱效率升高。當(dāng)火孔強(qiáng)度在9.5～10.5 W/ mm2之間時(shí)，煙氣達(dá)到拐點(diǎn)，熱效率接近最高點(diǎn)；而后又隨著火孔強(qiáng)度的增大煙氣加速增大，熱效率下降趨于平穩(wěn)。

3 內(nèi)、外環(huán)火孔強(qiáng)度的匹配

試驗(yàn)用鍋的支架高度不變，調(diào)整內(nèi)外環(huán)火孔熱強(qiáng)度的不同配比來分析煙氣排放和熱效率的變化規(guī)律。內(nèi)外環(huán)火孔燃燒示意見圖3。

圖3 內(nèi)、外環(huán)火孔燃燒示意

圖3顯示在外環(huán)火焰與鍋壁距離l和內(nèi)外火孔與鍋底高度h不變的情況下，內(nèi)、外環(huán)同時(shí)燃燒時(shí)二次空氣補(bǔ)充狀況。內(nèi)環(huán)燃燒時(shí)燃燒器中心的溫度很高，導(dǎo)致鍋底與燃燒器中心的A區(qū)域空氣溫度很高、氣壓很低，與外界有較大的壓力差，使得燃燒器外面的空氣很容易通過二次空氣補(bǔ)充孔進(jìn)入到A區(qū)域。這些空氣并不是完全與內(nèi)環(huán)作用，有部分空氣同時(shí)對(duì)外環(huán)進(jìn)行補(bǔ)充，讓外環(huán)火焰內(nèi)側(cè)也有了更充分的燃燒。內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的煙氣是緊貼鍋底與鍋底進(jìn)行熱交換，煙氣中有不完全燃燒的燃?xì)狻]有充分利用的空氣、CO和其他廢氣等。當(dāng)通過外環(huán)燃燒區(qū)域時(shí)，再次進(jìn)行第二次燃燒反應(yīng)，使得燃燒更充分，最后穿過外環(huán)火焰燃燒區(qū)直至離開鍋底完成熱交換，當(dāng)然這對(duì)外環(huán)的燃燒也有一定影響。當(dāng)內(nèi)環(huán)的一次燃燒充分時(shí)，第二次燃燒所需要的空氣就更少，外環(huán)內(nèi)側(cè)得到更多的空氣補(bǔ)充，燃燒更加完全。此時(shí)內(nèi)環(huán)煙氣經(jīng)過外環(huán)燃燒區(qū)域時(shí)，對(duì)外環(huán)的燃燒是有利的。B區(qū)域的大面積空氣補(bǔ)充對(duì)外環(huán)的燃燒幫助最大。

保持額定熱負(fù)荷5.0 kW和內(nèi)外環(huán)熱負(fù)荷3:7比例不變，內(nèi)外環(huán)同時(shí)燃燒做試驗(yàn)，部分內(nèi)、外環(huán)火孔強(qiáng)度的組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 內(nèi)、外環(huán)火孔強(qiáng)度的組合試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外環(huán)火蓋火孔強(qiáng)度不變時(shí)，內(nèi)環(huán)火蓋火孔強(qiáng)度增大，煙氣是一定會(huì)增加的，但是效率不一定會(huì)增加。其中試驗(yàn)a、b、c就是保持外環(huán)火孔強(qiáng)度不變，可以發(fā)現(xiàn)煙氣中CO隨著內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度的增加而增加（NOx的反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜，不代表不完全燃燒水平），效率卻是隨著煙氣的增加反而降低；比較試驗(yàn)b和d，內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度相同，外環(huán)火孔強(qiáng)度都處于前述中的最優(yōu)值，表現(xiàn)各有千秋，一個(gè)效率高，一個(gè)煙氣低，難以取舍；試驗(yàn) e與d的外環(huán)火孔強(qiáng)度相同，內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度增加，雖然煙氣有所增加，但效率提高不少；試驗(yàn)f到i的外環(huán)火孔強(qiáng)度相同，稍微超出最優(yōu)值范圍，雖然有些內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度處于前述最優(yōu)值范圍內(nèi)，但煙氣已經(jīng)超標(biāo)，這些組合沒有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；與試驗(yàn)j和l比較，發(fā)現(xiàn)外環(huán)火孔強(qiáng)度超出前述最優(yōu)值后仍然是可以繼續(xù)增加的，但要保證內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度低于外環(huán)火孔強(qiáng)度一定值。此時(shí)煙氣處于較高水平，低的值越大，煙氣越好，效率則相差不大。試驗(yàn)k的內(nèi)環(huán)火蓋支架低于外環(huán)火蓋支架，與試驗(yàn)l相比，表明內(nèi)環(huán)火孔中心距鍋底距離越近煙氣越高，效率卻幾乎沒有損失?？傮w上看，試驗(yàn)d到l是符合煙氣效率高的大趨勢，但當(dāng)煙氣高到一定程度后，表明不完全燃燒太多導(dǎo)致效率有所下降。

這些組合試驗(yàn)結(jié)果與單獨(dú)調(diào)整內(nèi)、外環(huán)火孔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果是能夠相互印證的。試驗(yàn)e的內(nèi)、外環(huán)火孔強(qiáng)度都在前述中的最優(yōu)值范圍內(nèi)，測得的煙氣排放相對(duì)較低，熱效率相對(duì)較高。外環(huán)火孔強(qiáng)度可以在單獨(dú)燃燒時(shí)確定的最優(yōu)值范圍之外取值，但要注意與內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度的差異關(guān)系。

由表3分析計(jì)算可得，為使整機(jī)效率和煙氣都有很大改進(jìn)并達(dá)到最佳的平衡，火孔強(qiáng)度的匹配存在以下規(guī)律：外環(huán)火孔強(qiáng)度不宜太大，應(yīng)分布在6.5～7.5 W/ mm2；內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度應(yīng)比外環(huán)大，一般大2～3 W/ mm2，當(dāng)外環(huán)火孔強(qiáng)度超過8 W/ mm2時(shí)，內(nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度應(yīng)該降下來與外環(huán)相同或者低1～2 W/ mm2。

4 結(jié)語

家用燃?xì)庠罹呷紵鲀?nèi)環(huán)火孔強(qiáng)度增大會(huì)導(dǎo)致所需要的二次空氣量增加，而在鍋支架高度一定的情況下需要更大的負(fù)壓和二次冷空氣的存儲(chǔ)空間。通過相關(guān)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)內(nèi)環(huán)對(duì)整個(gè)燃燒器的煙氣起著相當(dāng)大的調(diào)節(jié)作用，內(nèi)環(huán)的燃燒對(duì)外環(huán)的燃燒有直接相關(guān)的聯(lián)系，內(nèi)環(huán)在不同程度上改善著外環(huán)的燃燒工況。

為減少過?？諝舛黾痈邷?zé)煔庠阱伒椎耐Ａ魰r(shí)間，可使燃燒更加充分。內(nèi)外環(huán)火孔強(qiáng)度的不同組合，實(shí)際也是對(duì)一次空氣的調(diào)整，不同火孔強(qiáng)度的火蓋對(duì)混氣室的壓力影響不同。火孔強(qiáng)度越大導(dǎo)致混氣室的壓力增大，引射管內(nèi)氣體的流動(dòng)阻力增大，導(dǎo)致一次空氣的引射能力減弱和煙氣升高。