多孔介质燃气灶冷态实验研究

徐玉龙，徐江荣，丁士高，王关晴

(杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018)



多孔介质燃气灶冷态实验研究

徐玉龙，徐江荣，丁士高，王关晴

(杭州电子科技大学能源研究所，浙江 杭州 310018)

摘要：在冷态条件下，对一种新型多引射旋转预混多孔介质燃气灶进行了研究.介绍了该类燃气灶的工作原理及流程，讨论了燃气灶引射吸卷稳定性，详细分析了燃气流量与风门开度对引射空气吸卷量的影响.结果表明，燃气流量一定时，增大风门开度，燃气灶系统恢复至稳定所用的时间越短，燃气灶空气吸卷量会增大；风门开度一定时，增大燃气流量，燃气灶系统恢复至稳定所用的时间越长，燃气灶空气吸卷量也会增大.

关键词：多孔介质；旋转预混；燃气流量；风门开度

0引言

国内外的学者对燃气灶具做了很多研究，比如，文献[1]利用粒子图像成像技术(PIV)对3种不同家用燃气灶具(普通式大气式燃烧器、旋流式大气式燃烧器、辐射式燃烧器)进行了实验.通过比较其热工性能，发现旋流式燃烧器的热效率最高，辐射式燃烧器次之，普通大气式燃烧器最差.文献[2]对鼓风式燃气灶具燃风机进口挡板在不同位置时的风量和压头进行了标定，并计算出相应位置所需的燃气量，使得燃气灶在不同功率负荷下助燃风量和燃料量的匹配得到优化，提高了鼓风式燃气灶的热效率并降低了污染物排放量.文献[3]采用FLUENT软件模拟上进风燃气灶的引射能力并与实验数据对比验证，发现上进风燃烧器的引射性能对燃气入口压力较为敏感，当压力较低时一次空气引射性能急剧下降.

传统燃气灶的燃烧方式主要是以自由火焰为特征的空间燃烧，这种燃烧方式的火焰面附近温度梯度陡峭且分布不均匀，局部高温使得NOx大量生成，火焰稳定性较差，受风的影响显著.为提高燃气灶的燃烧热效率与降低污染物排放，本文基于多孔介质燃烧技术，自行设计了一种新型燃气灶，即多引射旋转预混多孔介质燃气灶.所谓多孔介质燃烧技术是国际燃烧领域发展出的一种全新的燃烧技术，多孔介质内的燃烧放热首先以对流和少量气体的辐射形式传给多孔介质固体，多孔介质固体又通过导热和辐射向四周传递热量，实现了热量的回流，并对预混气体进行预热，以此提高燃烧区域的燃烧强度和燃烧稳定性，减少了CO排放.同时多孔介质及其中的气体与外界进行强烈的导热、对流和辐射换热，使多孔介质内部温度比较均匀，减少了NOX排放[4-6]，在一定程度上克服了传统燃烧的缺点.

1实验系统与方法

1.1实验原理

燃气灶工作时，通入燃气，空气通过喷嘴吸卷进入燃气灶，空气与燃气在预混室中进行充分预混后，进入多孔介质燃烧辐射器，多孔介质燃烧辐射器下方的小孔径多孔介质不但能对新鲜燃气进行预热，而且能够防止火焰回火现象的发生，同时利用多孔介质燃烧器结构特性将着火火焰面稳定在大小孔径多孔介质的分界层面上，并在大孔径多孔介质内进行无焰燃烧，燃烧后的热量通过多孔介质进行辐射传热.

1.2实验装置

本实验系统如图1所示，其中旋转预混多孔介质燃气灶结构如图2所示.本实验系统共包括4个系统，分别是供气系统，燃烧传热系统、质量流量控制系统、烟气分析系统.实验中采用氮气代替甲烷，其纯度为99.99%，通过额定压力14 MPa的高压钢瓶供给.氮气经减压阀减压，通过质量流量控制器之后进入燃烧器中，空气则是通过氮气从喷嘴喷出时具有的动能吸卷进入引射器.

燃烧传热系统是该燃烧器的核心系统，该燃烧器由预混室、两层蜂窝陶瓷板及碳化硅泡沫陶瓷板组成.燃烧传热系统主要利用多孔介质良好的辐射传热性能来进行传热.

燃气流量的变化则是通过质量流量控制器进行调节的.

对于多引射旋转多孔介质预混燃烧器的烟气采集则是利用日本的HORIBA PG-350便携式烟气分析仪进行在线实时测量与数据记录.

图1　多引射旋转预混多孔介质燃烧系统

图2　燃气灶结构图

1.3实验方法

实验主要是确定燃烧系统的稳定性及空气吸卷量，主要分为两个步骤：1)将流量调节至某一值，然后保持流量不变，通过调节风门开度大小观察记录数据；2)在风门开度一定的情况下，调节质量流量控制器来调节燃气流量，并记录实验数据.

风门及风门片如图3所示，变化情况描述如下：将风门中沿着空气入口边缘平均分为4份，风门片处于竖直状态时，即空气进口处于最大状态，标记为风门1，将风门片顺时针旋转，当风门片左边处于空气入口均分的第一条线时，标记风门2，以此类推，直到风门开度最小实验停止.风门开度变化如表1所示.

图3　风门与风门片

风门变化12345风门开度/%1007550250

2实验内容

2.1系统稳定性

2.1.1风门开度对系统稳定性的影响

流量为5.93 L/min时，吸卷氧量随风门开度变化如图4所示.从图4可以看出，风门开度为0%时，实验系统刚开始运行，因此氧量最高，此后由于氮气的不断通入，空气只能通过喷嘴的吸卷作用进入预混室，氧量会下降.从分门开度为0%的曲线可以看出，氧量变化曲线在短时间维持稳定，然后急剧下降，64.9 s后维持稳定.此后增大风门开度直至风门开度为100%，系统氧量达到稳定所需要的时间越来越短，分别是40.2 s，30.4 s，25.2 s，25.2 s，可见本实验系统风门开度越大，系统达到稳定状态所需时间就越短.

2.1.2燃气流量对系统稳定性的影响

风门开度为75%，吸卷氧量随燃气流量变化如图5所示.从图5可以看出，流量为6.16 L/min时，系统氧量变化至稳定状态需要34.6 s，此时氧量稳定在19.46%，流量增大到6.28 L/min时，氧量变化至稳定状态的时间也是34.6 s，流量增大到6.39 L/min时，氧量变化至稳定则需要70.3 s，此后氧量基本维持稳定.可见固定风门开度，增大流量会使系统变化至稳定状态的时间变长.

图4　氧量随风门开度变化图

图5　氧量随燃气流量变化图

2.2系统空气吸卷量

2.2.1风门开度对空气吸卷量的影响

流量为6.28 L/min，不同风门开度对应空气吸卷量的变化如图6所示.在该流量状态下，风门开度从0%增大到100%时，空气吸卷量是逐渐增加的，并且在每个风门开度状态下，系统稳定后空气吸卷量分别稳定在66.2 L/min，69.6 L/min，74.7 L/min，78.2 L/min，84.3 L/min.当燃气流量一定时，通过改变风门开度，可以改变空气吸卷量.增大风门开度时，吸卷量增加；减小风门开度时，吸卷量减小.不同风门开度对应的空气吸卷量变化如图7所示.从图7中可以看出，当流量不变，空气吸卷量与风门开度大致呈线性关系，增大风门开度，系统的空气吸卷量会增大.低流量时，风门开度对空气吸卷量影响较大.

图6　流量一定，空气吸卷量随风门开度变化图

图7　　　　不同流量对应的空气吸卷量　　　随风门开度变化图

2.2.2流量变化对空气吸卷量的影响

风门开度为25%时，不同流量所对应的空气吸卷量变化如图8所示.从图8中可以看出，在开度不变的情况下，流量从6.16 L/min增大至6.39 L/min，稳定状态下空气吸卷量分别为69.6 L/min，70.2 L/min，70.7 L/min.不同的风门开度下，空气吸卷量随着流量变化的曲线如图9所示.从图9中可以看出，当风门开度不变的情况，适当增大流量，空气吸卷量会增大，空气吸卷量与流量大致呈现线性关系.

图8　　　　风门开度为25%，不同流量　　　对应的空气吸卷量

图9　　　　不同风门开度对应的　　　空气吸卷量变化图

3结束语

本文在自行搭建的多引射旋转预混多孔介质燃气灶试验装置上，对其稳定性和空气吸卷量进行了研究.实验结果表明：燃气流量一定，风门开度变化的情况下，预混室内平均氧气含量随着风门开度的增大而增大，基本符合线性关系，其空气量吸卷增加，系统变化至稳定状态所需要的时间越短；风门开度一定，燃气流量变化的情况下，增大流量，预混室内平均氧气含量逐渐减小，其空气量吸卷将增加，系统变化至稳定所需要的时间就会越长.下一步将更换不同的喷嘴，进一步探讨喷嘴直径对实验装置的稳定性和吸卷效果的影响.

参考文献

[1]MAKMOOL U, JUGIAI S, TIA S, et al. Performance and Analysis by Particle Image Velocimetry (PIV) of Cooker-Top Burners in hailand[J]. Energy,2007,32(10):1986-1995.

[2]何贤钊,马培勇,俞瑜,等.鼓风式灶用燃烧器燃料与助燃风适配性研究[J].工业加热,2007,36(3):39-41.

[3]郭甲生,秦朝葵,孙秀丽.上进风燃气灶引射性能的数值模拟[J].工业加热,2008,37(2):12-15.

[4]王恩宇,程乐鸣,吴学成,等.渐变型多孔介质中预混燃烧试验研究[J].浙江大学学报(工学版),2002,36(6)：685-689.

[5]王勇,蒋利桥,赵黛青,等.多孔介质表面火焰的燃烧特性[J].中国电机工程学报,2009(29):67-71.

[6]朱建宾,崔永章,徐维广,等.天然气多孔介质预混燃烧污染物排放实验研究[J].煤气与热力,2013,33(10):22-25.

Research on Cold State of Porous Media Gas Stove

XU Yulong, XU Jiangrong, DING Shigao, WANG Guanqing

(InstituteofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：Under cold conditions, a new multi-ejector rotation premixed gas stove porous media were studied. Based on how the gas stove works and processes, the gas stove ejector suction roll stability was discussed, and detailed analysis the influence of the gas flow and the throttle opening to the amount of air ejector priming volume. the results showed that: when keep the gas flow constant, increasing the throttle opening, gas stove system back to stability with shorter time, the gas stove will increase the amount of air suction volume; and also when keep the throttle opening constant, increasing the gas flow rate, the gas stove system back to stability with longer, the gas stove suction volume will also increase.

Key words：porous media; rotation premixed; gas-flow rate; the throttle opening

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.015

收稿日期：2015-10-12

基金项目：浙江省自然科学基金资助项目(LY15E060007)

作者简介：徐玉龙(1992-)，男，河南信阳人，硕士研究生，多孔介质燃烧技术研究.通信作者：徐江荣教授，E-mail：jrxu@hdu.edu.cn.

中图分类号：TK16

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2016)04-0071-05