家用嵌入式燃气灶燃烧器火孔强度对燃烧性能的影响

中国市政工程华北设计研究总院有限公司 张建海 杨国强

宁波方太厨具有限公司 陈迪龙

目前市场上销售的主流家用嵌入式燃气灶额定热负荷一般在4.0～4.5 kW，研发的方向存在往大热负荷发展的趋势。因受限于外观、成本等因素，通常会“牺牲”掉热效率与废气排放等性能指标，这样会大大降低用户的使用体验。随着额定热负荷提升到上限5.23 kW，效率提升、废气排放下降等性能指标逐渐成为各大厂家关注的焦点。

燃气用户烹饪需求较为复杂，既要满足煎、炒的大火需求，又要满足煲、煮等的小火需求。国内家用嵌入式燃气灶的燃烧器基本都有内、外环之分，是一种双通道燃烧器。与国外普遍使用的单通道燃烧器相比，存在气源适应性差、内外环热负荷抢二次空气等问题。

为提升双通道燃烧器的综合性能，即提升热效率、降低废气排放，正确的火孔强度设计以及内外环出火孔的火孔强度配比至关重要。本文通过理论分析燃烧器火孔强度的设计，并结合大量的试验对比验证，调整内、外环出火孔的火孔强度配比，分析同一折算热负荷条件下，双通道燃烧器不同火孔的强度以及内外环出火孔不同火孔强度配比对燃烧性能的影响差异。

1 外环单独调整时的火孔强度

根据额定热负荷以及外观需要设计好头部直径，并结合内外环热负荷比例、火孔角度、锅支架高度等因素，可以设计双通道燃烧器。选用天然气12T基准气，关闭内环通道（可以堵住内环喷嘴），调整外环的火孔面积来调整外环的火孔强度。再通过测试烟气排放以及热效率来进行定性趋势分析。外环火孔燃烧示意见图1。

图1 外环火孔燃烧示意

图1显示保持外环火焰与锅壁距离l和外火孔与锅底高度h不变，当单独外环燃烧时，只有外面一圈火焰，火焰与锅底接触的地方在外环火盖外周，热气流会随着锅底向锅的边缘流动，只有少量的热气流会流向锅底中心。这样就导致燃烧器的外环到锅边缘的锅底接受了大量的能量，温度较高，而燃烧器的中心温度很低，A区域冷空气与外面没有形成明显的负压，导致外面的空气难以从二次空气补充孔进入A区域，外环内侧二次空气的补充较为困难，所以二次空气的补充只在B区域，就导致火焰内侧燃烧不充分，烟气较高。按照传热学理论，对流传热量公式如下：

式中：Φ——对流传热量，W；

K——传热系数，W/（m2·K）；

tf——烟气平均温度，℃；

tw——锅底平均温度，℃；

A——受热面面积，m2。

在K、tf、tw不变的情况下，对流传热量Φ是面积A的单值函数。由于在锅底有效利用面积A较小且只有外环燃烧的高温烟气，因而锅底吸收的热量较少，效率会偏低。若火孔强度太大则气流速度也很快，使得燃烧不充分，烟气高。速度过快的高温烟气在锅底停留的时间变短，则（tf-tw）的值会变小，效率仍然会降低。

设计额定热负荷5.0 kW，内、外环的热负荷按照3:7的比例取值，即外环热负荷为3.5 kW，头部直径设计为116 mm，火孔角度为35°，外环火孔至锅底的距离为24 mm，外环单独燃烧做试验，外环火孔强度试验数据见表1。

表1 外环火孔强度试验数据

通过该试验发现，在一定的火孔强度范围内，随着火孔强度的增大，烟气减小且热效率升高。当火孔强度在6.5～7.5 W/ mm2之间时，烟气达到最小值，热效率接近最高点；而后又随着火孔强度的增大，烟气相应增大，热效率下降趋于平稳。

2 内环单独调整时的火孔强度

关闭外环通道（可以堵住外环喷嘴），通过调整内环的火孔面积来调整内环的火孔强度，通过测试烟气排放以及热效率来进行定性趋势分析。

图2显示在内环火焰与锅壁距离l和内火孔与锅底高度h不变的情况下，当内环单独燃烧时，由于负荷小，需要的二次空气也比较少，二次空气能较好地补充，所以单独的内环烟气较低。但内环火孔强度变化时，需要的二次空气量也在变化，内环火盖的容积较小即燃烧的面积很小，与空气接触的有效面积有限。火孔强度越大，需要的二次空气越多，同时火焰越长，火焰离锅底的距离越近，燃烧越不充分，导致烟气随着火孔强度的增加而增加。中心冷空气有效存储容积越大，越有利于二次空气的补充，燃烧更充分，高温烟气在锅底停留的时间越长。对照式（1），此时使用中心小火的燃烧效率高。

图2 内环火孔燃烧示意

内环热负荷为1.5 kW时，试验用锅不变，内环单独燃烧时内环火孔强度相关试验数据见表2。

表2 内环火孔强度试验数据

通过该试验发现，在一定的火孔强度范围内，随着火孔强度的增大烟气增大，热效率升高。当火孔强度在9.5～10.5 W/ mm2之间时，烟气达到拐点，热效率接近最高点；而后又随着火孔强度的增大烟气加速增大，热效率下降趋于平稳。

3 内、外环火孔强度的匹配

试验用锅的支架高度不变，调整内外环火孔热强度的不同配比来分析烟气排放和热效率的变化规律。内外环火孔燃烧示意见图3。

图3 内、外环火孔燃烧示意

图3显示在外环火焰与锅壁距离l和内外火孔与锅底高度h不变的情况下，内、外环同时燃烧时二次空气补充状况。内环燃烧时燃烧器中心的温度很高，导致锅底与燃烧器中心的A区域空气温度很高、气压很低，与外界有较大的压力差，使得燃烧器外面的空气很容易通过二次空气补充孔进入到A区域。这些空气并不是完全与内环作用，有部分空气同时对外环进行补充，让外环火焰内侧也有了更充分的燃烧。内环产生的烟气是紧贴锅底与锅底进行热交换，烟气中有不完全燃烧的燃气、没有充分利用的空气、CO和其他废气等。当通过外环燃烧区域时，再次进行第二次燃烧反应，使得燃烧更充分，最后穿过外环火焰燃烧区直至离开锅底完成热交换，当然这对外环的燃烧也有一定影响。当内环的一次燃烧充分时，第二次燃烧所需要的空气就更少，外环内侧得到更多的空气补充，燃烧更加完全。此时内环烟气经过外环燃烧区域时，对外环的燃烧是有利的。B区域的大面积空气补充对外环的燃烧帮助最大。

保持额定热负荷5.0 kW和内外环热负荷3:7比例不变，内外环同时燃烧做试验，部分内、外环火孔强度的组合试验数据见表3。

表3 内、外环火孔强度的组合试验数据

通过试验发现，当外环火盖火孔强度不变时，内环火盖火孔强度增大，烟气是一定会增加的，但是效率不一定会增加。其中试验a、b、c就是保持外环火孔强度不变，可以发现烟气中CO随着内环火孔强度的增加而增加（NOx的反应机制复杂，不代表不完全燃烧水平），效率却是随着烟气的增加反而降低；比较试验b和d，内环火孔强度相同，外环火孔强度都处于前述中的最优值，表现各有千秋，一个效率高，一个烟气低，难以取舍；试验 e与d的外环火孔强度相同，内环火孔强度增加，虽然烟气有所增加，但效率提高不少；试验f到i的外环火孔强度相同，稍微超出最优值范围，虽然有些内环火孔强度处于前述最优值范围内，但烟气已经超标，这些组合没有实际应用价值；与试验j和l比较，发现外环火孔强度超出前述最优值后仍然是可以继续增加的，但要保证内环火孔强度低于外环火孔强度一定值。此时烟气处于较高水平，低的值越大，烟气越好，效率则相差不大。试验k的内环火盖支架低于外环火盖支架，与试验l相比，表明内环火孔中心距锅底距离越近烟气越高，效率却几乎没有损失。总体上看，试验d到l是符合烟气效率高的大趋势，但当烟气高到一定程度后，表明不完全燃烧太多导致效率有所下降。

这些组合试验结果与单独调整内、外环火孔强度的试验结果是能够相互印证的。试验e的内、外环火孔强度都在前述中的最优值范围内，测得的烟气排放相对较低，热效率相对较高。外环火孔强度可以在单独燃烧时确定的最优值范围之外取值，但要注意与内环火孔强度的差异关系。

由表3分析计算可得，为使整机效率和烟气都有很大改进并达到最佳的平衡，火孔强度的匹配存在以下规律：外环火孔强度不宜太大，应分布在6.5～7.5 W/ mm2；内环火孔强度应比外环大，一般大2～3 W/ mm2，当外环火孔强度超过8 W/ mm2时，内环火孔强度应该降下来与外环相同或者低1～2 W/ mm2。

4 结语

家用燃气灶具燃烧器内环火孔强度增大会导致所需要的二次空气量增加，而在锅支架高度一定的情况下需要更大的负压和二次冷空气的存储空间。通过相关试验发现内环对整个燃烧器的烟气起着相当大的调节作用，内环的燃烧对外环的燃烧有直接相关的联系，内环在不同程度上改善着外环的燃烧工况。

为减少过剩空气而增加高温烟气在锅底的停留时间，可使燃烧更加充分。内外环火孔强度的不同组合，实际也是对一次空气的调整，不同火孔强度的火盖对混气室的压力影响不同。火孔强度越大导致混气室的压力增大，引射管内气体的流动阻力增大，导致一次空气的引射能力减弱和烟气升高。