增压技术在家用燃气灶上应用探究

周 奋

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528300）

前言

出于对家用燃气器具的安全与可靠性考虑，国家标准规定进入家用燃气器具时的额定压力为：液化石油气（LPG）为2 800 Pa，天然气（NG）为2 000 Pa。而在此燃气压力下，一般家用燃气灶的一次空气系数约为0.5，只有调整锅架高度，让二次空气补充，来达到燃烧完全，普遍烟气中CO、NOX含量较高，火焰“软”。部分燃气灶通过强制鼓风来提高一次空气系数，使燃烧充分，降低烟气中CO、NOX含量，但只能做到在设定热负荷点可实现；由于鼓风风机存在风量调节滞后的现象，燃气灶在热负荷调节时，还容易出现燃烧不稳定的情况，甚至会熄火或“冒黑烟”。

在燃气灶内部燃气通路上加设燃气增压部件，来提高喷嘴前的燃气压力，进而改善燃气灶的燃烧状态鲜有研究。鉴于此，本文主要探究燃气增压技术应用于燃气灶，对一次空气系数、烟气中有害气体成份含量与火焰状态的影响。

1 燃气压力与过剩空气系数关系计算分析

1.1 几何模型

由于燃气灶的燃烧器，外环火大概是中心火热负荷的十倍，外环火烟气基本决定了整个燃烧器烟气排放水平，为了便于计算，几何模型设置为图1。

图1 原几何模型

考虑到原几何模型的对称性，计算用的几何模型采用1/2模型，如图2所示。

图2 计算用几何模型

1.2 边界条件设置

主要计算设置如下：

1）本文采用稳态计算，SKE湍流模型和混合规则计算混合气体，不考虑燃烧化学反应。

2）燃气入口设置不同的进气压力Pin，燃气组分为100 %的CH4。

3）空气入口设置相对压力为0 Pa，空气组分设置为体积分数为21 %的O2及79 %的N2。

4）燃烧器头部火孔设置为压力出口，相对压力大小设为0 Pa。

1.3 计算结果

图3所示为燃气与空气混合后，燃气灶燃烧器不同位置处的甲烷体积分数分布情况。从图可知，在喷嘴前端，甲烷的浓度最高，从喷嘴喷出流速快，吸入空气，随着燃气向燃烧器头部前进，空气与燃气的混合作用增强，甲烷浓度逐渐下降。

图3 引射、混合流线图

改变燃气进气压力与喷嘴直径，来达到额定热负荷为4.5 kW，计算一次空气系数的结果如表1与图4，从中可得知增加燃气进气压力与减小喷嘴直径来达得额定热负荷，一次空气系数将显著提升。

表1 固定负荷下的一次空气系数（模拟）

图4 一次空气系数的变化曲线

选定喷嘴直径为1.12 mm，通过调节燃气压力来调节热负荷，热负荷与一次空气系数变化情况如表2与图5。从中可知，固定喷嘴，通过调压来调节热负荷，对一次空气系数变化甚微。

图5 热负荷、一次空气系数的变化曲线

表2 固定喷嘴下的一次空气系数（模拟）

2 实验验证

实验装置如图6所示，燃气为100 % CH4，通过调压阀进行燃气压力调节，使用U形压力计读取压力值；使用秒表读取湿式流量计单位时间的燃气流量，通过计算所得实测折算热负荷；烟气分析仪连接到烟气取样环上，可分析出烟气成份及含量，通过CO2或O2含量可计算出过剩空气系数。

图6 测试连接示意图

2.1 通过燃气增压与喷嘴调整来达到额定热负荷

通过调节燃气压力与调整喷嘴孔径大小，使流量大概保持不变，读取烟气成份含量，计算实测折算热负荷[2]、过剩空气系数[3]，数据如表3。

表3 固定负荷下的一次空气系数（实验）

图7为燃气进气压力为1 000 Pa时，热负荷4.43 kW的火焰状态。

图7 额定负荷、进气压力1 000 Pa的火焰形态

图8为燃气进气压力为8 000 Pa时，热负荷4.36 kW的火焰状态。

图8 额定负荷、进气压力8 000 Pa的火焰状态

从以上试验数据分析和火焰状态可知，通过燃气增压与喷嘴调整来达到额定热负荷：烟气中有害气体CO、NOX含量在减少，计算所得的过剩空气系数（一次空气量与二次空气量之和同理论所需的空气量之比）也提高，因二次空气量基本相同，所以可知一次空气系数在提高，火焰“硬”且更蓝。

2.2 固定喷嘴，减小燃气压力来调节热负荷

通过调节燃气压力来达到调节燃气流量（喷嘴恒定），读取烟气成份含量，测试计算数据如表4。

表4 固定喷嘴下的一次空气系数（实验）

图9为燃气进气压力为1 000 Pa时，热负荷1.55 kW的火焰状态。

图9 喷嘴1.12 mm、进气压力1 000 Pa的火焰形态

从以上试验数据分析和图9、图10火焰状态可知，家用燃气灶喷嘴确定后，通过调节燃气进气压力来调节热负荷，烟气中有害气体CO、NOX含量无明显变化，计算所得的过剩空气系数无明显变化，所以也证实了一次空气系数变化不大。

3 结论

通过仿真计算与试验测试与分析，增压技术应用在家用燃气灶，得出以下结论：

1）通过燃气增压与喷嘴调整来保证额定热负荷不变的情况下，有利于提升一次空气系数，降低烟气中有害气体含量，火焰硬且更蓝。

2）家用燃气灶喷嘴确定后，通过调节燃气进气压力来调节热负荷，在全热负荷段烟气中有害气体CO、NOX含量无明显变化，一次空气系数基本不变。

固笔者认为，在确保家用燃气灶的本质安全及符合国家标准的前提下，可以适当提高喷嘴前压，来提升引射能力，使燃烧更为充分，从而降低烟气中有害气体含量，起到环保作用。