多引射多孔介质燃气灶点火特性研究

王海健，徐江荣，沈 敏,王关晴，凌忠钱

(1.杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018；2.中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

多引射多孔介质燃气灶点火特性研究

王海健1，徐江荣1，沈 敏1,王关晴1，凌忠钱2

(1.杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018；2.中国计量大学计量测试工程学院，浙江 杭州 310018)

对多引射旋转预混多孔介质燃气灶点火燃烧过程进行了研究.采用非接触式红外热像仪对多孔介质燃气灶表面固体辐射温度进行实时测量，并通过热电偶对其进行了校核，分析了多孔介质燃气灶表面温度分布以及污染物排放的过程.实验结果表明：红外热像仪测量得到的燃气灶表面固体温度与热电偶测量结果相对误差小于1.5%，数据吻合较好；表面温度分布逐渐趋于均匀，表面最高温度与最低温度的差值逐渐减小，当燃烧稳定时，其差值减小到73 ℃左右并保持稳定，同时烟气中CO与NOX浓度排放较低.

多孔介质；燃气灶；红外测温；温度分布

0 引 言

近年来，国内外设计者不仅对民用燃气灶具装置结构布置方式、选用材质、加热方式等方面进行了大量改进，而且对各自设计燃气灶具装置的热效率、烟气污染物排放进行了大量实验和理论研究.比如，文献[1]对锅底面到火孔位置进行了研究，研究发现，火焰到锅底距离过大时，热效率低，烟气中CO浓度较低，但NOX浓度增加；距离过小时，烟气中CO浓度较大，燃烧不充分；而距离在一个理想位置时，可使热效率有所提高.文献[2]用相同的方法研究了燃烧的火焰高度，得出了最大限度提升燃烧效率的火焰高度.文献[3]对民用燃气灶点燃后烟气中CO生成量与空气雷诺系数关系进行实验研究.发现烟气中CO的含量随着空气雷诺系数增加具有先增加而后逐步减少的趋势.文献[4-6]通过试验的方法确定了家用燃气灶的设计参数，达到优化家用燃气灶具热工性能的目的，并测定分析锅架高度对CO生成量及热效率的影响.结果表明，在一定程度上，锅架高度越高，烟气中CO含量越低，热效率也越低；反之，则两项都偏高.上述表明，国内外研究主要是针对自由空间燃烧火焰的燃气灶具进行研究，有关多孔介质燃气灶特性的研究相对较少.本文对多引射多孔介质燃气灶点燃特性进行了研究，采用红外热像仪对燃气灶具辐射表面温度分布进行了实时测量，并通过热电偶对其进行了校核，分析了点火启动过程中，多孔介质燃气灶具表面温度分布与污染物排放变化过程，为深入研究多孔介质燃烧辐射燃气灶具提供参考.

1 实验装置与实验方法

1.1 实验装置

多孔介质燃气灶实验系统如图1所示，主要包括供气系统，流量控制系统、燃气灶体、以及数据采集系统.供气系统由甲烷储气瓶、燃气管道、引射器等组成；流量控制系统是由质量流量控制器、流量显示仪组成，数据采集系统由热电偶温度数据采集仪、烟气分析仪、计算机以及红外热像仪等组成.燃气灶体结构由预混室、双层陶瓷板等几部分组成，上层大孔径碳化硅泡沫陶瓷把火焰离散成许多细微的小火焰，拓宽燃烧反应区域，使燃烧更加充分；下层小孔径蜂窝陶瓷多孔介质能够预热新鲜燃气.

1-温度数据采集仪；2-热电偶；3-多孔介质；4-燃气灶体；5-引射器；6-分流器；7-质量流量控制器；8-流量显示仪；9-燃气减压器；10-调节阀；11-甲烷储气瓶；12-红外热像仪；13-计算机；14-烟气分析仪.图1 多引射旋转预混多孔介质燃气灶实验系统

1.2 实验方法

图2 红外热像仪测量位置坐标系

使用美国的FLIR Systems制造的非冷却式手持红外热像仪对燃气灶表面进行实时拍摄，通过计算机软件FLIR Research IR处理分析多孔介质表面温度数据，测量位置坐标系如图2所示，红外热像仪测温范围为200～2 000 ℃.实验中，通过风门来控制风量的调节，风门开度不同，引射器卷吸的空气量不同，引射器与风门结构如图3所示.在燃气灶着火过程中，利用日本制造的HORIBA PG-350便携式烟气分析仪记录烟气浓度数据，主要包括CO，NOX，O2等.

1-喷嘴；2-风门；3-收缩管；4-混合管；5-扩散管.(a) 引射器

(b) 风门

2 结果分析与讨论

2.1 温度测量校核

为了校核红外线热像仪对测量多孔介质燃气灶表面温度准确性，用红外线热像仪拍摄多孔介质燃气灶表面上C(0,0)点温度变化，同时用K型热电偶(精度±0.75%)测量测点C温度，由于红外热像仪测量的是表面固体温度，故用粘结剂把热电偶测量端与燃气灶表面固体连接，降低了间隙气体温度对测点固体温度的影响.

图4 测点C(0,0)处温度-时间变化曲线图

测点C的热电偶测量结果与红外热像仪温度测量结果的校核如图4所示.图4中，在热负荷Q=2.8 kw、风门开度k=75%、喷嘴直径d=0.6 mm时，多孔介质燃气灶表面开始点火到稳定燃烧过程中，测点C的温度经历上升、下降、再上升的变化过程.因为点火后燃气在燃气灶表面燃烧，为了预防回火发生，调节风门开度，然后火焰向多孔介质内部传播，当火焰分布到整个多孔介质内部时，燃烧开始均匀，温度升高并保持稳定.由图4可知，两种测量方法获得的温度随时间变化曲线非常接近，当温度稳定时，相对误差小于1.5%.实验表明，红外线热像仪测得的表面固体温度与热电偶测得的数据吻合性较好.

2.2 着火启动表面温度分布

Q=3.2 kw，k=75%，d=0.6 mm时，表面温度在不同时刻的分布情况如图5所示.图5(a)为燃烧开始阶段表面温度分布图，此时表面最高温度为348 ℃，最低温度为111 ℃，温差为237 ℃；图5(b)中，t=280 s时，表面最高温度为753 ℃，最低温度为619 ℃，温差为134 ℃；图5(c)中，t=420 s时，表面温度分布均匀，表面最高温度为783 ℃，最低为709 ℃，温差进一步减小到74 ℃；图5(d)中，t=520 s时，表面最高温度变为781 ℃，最低为708 ℃，温差变为73 ℃，说明表面温度分布均匀后，温差基本保持不变.

图5 不同时刻燃气灶表面温度场分布

为了更加直观反应温度分布均匀性，选取图2中的坐标系，对Y=-50 mm，Y=0 mm，Y=50 mm位置处温度进行分析对比，如图6所示.图6(a)中，t=0 s时，表面中心周围Y=0 mm，X=-25 mm～25 mm，温度接近表面平均温度253 ℃；Y=-50 mm，Y=50 mm处的最高温度和最低温度差值较大.因为点火后，热量开始集中在中间位置，然后通过对流换热、热辐射向四周传播，开始阶段燃烧不稳定，多孔介质表面温度分布不均匀，波动较大.图6(b)中，t=280 s时，平均温度为692 ℃，在Y=-50 mm，从X=-30 mm～30 mm，温度明显要高于平均温度，存在局部高温；在表面中心周围Y=0 mm，X=-25 mm～25 mm，温度变化比较平稳，接近平均温度；另一侧Y=50 mm位置处的温度平稳，但小于平均温度.因为燃气灶点火后，随着调节风门开度增大，空气卷吸量增加，燃烧释放的热量增多，在调节风门过程中，燃气和空气混合不均匀，燃烧过程中造成局部高温.图6(c)中，平均温度为729 ℃，3个位置的温度基本都靠近平均温度变化，在Y=-50 mm位置的温度波动相对较大，但在整个区间内都是围绕平均温度变化.图6(d)中，平均温度为737 ℃，各位置的温度与图6(c)比较没有太大变化.说明在多孔介质燃气灶辐射表面温度在燃烧达到稳定状态时，表面温差大小变化不大且温度分布比较均匀.

图6 不同位置温度分布

2.3 污染物排放特性

多孔介质燃气灶燃烧时，为了使燃气燃烧充分，调节风门开度使引射器卷吸过量的氧，从而对污染物浓度有“稀释”作用，为使污染物标准浓度不因过量的氧而产生差异，统一采用燃气充分燃烧时氧量6%为标准，折算处理污染物浓度数据.

图7 折算氧量为6%时，CO及NOX浓度变化

Q=3.2 kw，k=75%，d=0.6 mm时，烟气中氧浓度折算为6%后，CO与NOX浓度随时间变化过程如图7所示.CO浓度在燃气灶具开始点火后，燃烧不充分，CO浓度迅速提高，大约在200 s左右达到最大值665.7 mg/Nm3；调节风门开度后，火焰在多孔介质表面稳定，CO浓度下降到79.0 mg/Nm3；此后火焰向上游多孔介质内部移动，燃烧不稳定，CO浓度升高，大约在450 s时升高到202.0 mg/Nm3左右；当多孔介质辐射表面温度达到稳定状态后，CO浓度维持在135.0 mg/Nm3左右；NOX的浓度开始有轻微上升过程，表面温度稳定时，NOX浓度基本不变，大约在18.0 mg/Nm3.在燃气灶表面温度稳定时，CO，NOX浓度值均在国家标准要求范围内.

3 结束语

本文对多孔介质燃气灶点火燃烧过程中其表面温度和污染物排放特性进行了实验和研究.研究发现：红外测温与热电偶测温数据误差较小，说明红外热像仪在本实验测量的温度数据可靠；表面温差逐渐减小，在温差为73 ℃时达到稳定，温度分布较均匀，克服了传统燃气灶的自由火焰燃烧产生局部高温的缺点；烟气中的CO的浓度变化经历一个上升、下降、稳定的过程，当表面温度分布均匀时，CO及NOX的浓度较低并且保持稳定.本文并没有考虑热负荷、风门开度及喷嘴直径等因素对表面温度与污染物浓度的影响，这是下一步研究中需要考虑的问题.

[1]ASHMAN P J, JUNUS R, STUBINGTON J F, et al. The effects of load height on the emissions from a natural gas-fired domestic cooktop burner[J]. Combustion science and technology, 1994, 103: 283-298.

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Ignition Characteristics of the Rotating Premixed Porous Media Gas Stove by Multi-injection

WANG Haijian1, XU Jiangrong1, SHEN Min1, WANG Guanqing1, LING Zhongqian2

(1.InstituteofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.CollegeofTestEngineering,ChinaJiliangUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The combustion process of multi-injection rotary premixed porous medium gas burner was studied in this paper. The solid surface radiation temperature of the porous gas stove was measured by non-contact infrared thermal imager, and the temperature data were checked by thermocouple, the surface temperature distribution of the porous gas stove and the process of pollutant emission were analyzed. The experimental results show that the relative error between the solid surface temperature measured by infrared camera and thermocouple is less than 1.5%, and the data are in good agreement with each other. The surface temperature distribution gradually becomes uniform, and the difference between the maximum surface temperature and the minimum temperature gradually narrow. when the combustion is stable, the difference is reduced to about 73 ℃ and kept stable, while the CO and NOXconcentration in the flue gas is lower.

porous media; gas stove; infrared thermometer measurement; temperature distribution

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.013

2016-11-04

浙江省自然科学基金资助项目(LY15E060007);浙江省流量计量技术重点实验室开放基金资助项目(JL150506)

王海健(1988-)，男，河南周口人，硕士研究生，多孔介质燃烧研究.通信作者：徐江荣教授，E-mail:jrxu@hdu.edu.cn.

TK16

A

1001-9146(2017)04-0061-05