燃气热水器用多孔介质燃烧器的结构设计与实验研究

2023-11-01卢伟健伍建桦邹建华

日用电器 2023年9期

施敏丁敏卢伟健伍建桦邹建华

（广东顺德西安交通大学研究院佛山 528000）

引言

目前我国煤炭年消耗量接近我国一次能源消费的三分之二[1]，污染物的持续排放使得我国环境日益恶劣。

多孔介质材料具有导热性能好、耐高温等优点，其燃烧主要在多孔材料内部完成，而且是无焰燃烧[2]，是经济上和技术上高效处理低热值燃气并降低污染物排放的有效方法[3]，这与燃气热水器的技术发展趋势相契合。将多孔介质燃烧技术应用于燃气热水器上将有良好的发展前景，而分析与掌握多孔介质燃烧的特点是解决其在热水器上应用的关键因素。

目前国内外在多孔介质的燃烧技术上取得了大量成果，目前在一些欧美国家，多孔介质燃烧技术已经在冶金、机械、化工、陶瓷等行业内得到应用[4]。在国内也已被应用于制氢、照明、热电转换或燃气轮机等诸多领域[5]。宝钢研究院于2010 年8 月将多孔介质燃烧技术成功应用在加热炉上，填补了国内空白[6]。

然而多孔介质燃烧应用于民用燃气具领域处于研究与探索阶段。郭健洪等研究了多孔介质燃气热水器性能实验分析[7]，孙颖楷等对燃气热水器用全预混多孔介质燃烧器如何快速进入无焰燃烧进行了实验研究[8]，谢芳芳等设计了一种螺旋管式多孔介质燃气热水器，通过改变燃气流量和水流量改变燃气强度、水流速以及改变当量比，研究水温的变化趋势、温升速率以及热水器热效率的变化[9]。目前在防回火问题上还没有具体的实施方案。

本文设计了一款防回火的变截面多孔介质燃烧器，搭建了多孔介质燃烧器基础实验台，首先对该多孔介质进行了仿真，还对燃烧器进行了燃烧实验。针对燃烧过程的影响因素进行了研究总结，研究了多孔介质燃烧器的燃烧特性，同时对燃烧器防回火效果进行了验证，为后续多孔介质燃烧器在家用热水器的应用提供新的思路。

1 热水器用多孔介质燃烧装置结构的设计

1.1 全预混多孔介质燃烧装置结构

如图1 所示，为多孔介质燃烧装置剖面结构示意图。该燃烧装置采用全预混燃烧方式，主要由全预混风机、燃烧器和换热器三部分组成。其中燃烧器由堇青石穿孔板、双层变截面多孔介质、降温水管、灯火针及隔热材料构成。燃气、空气在全预混风机作用下按固定比例值一起进入混合器，然后气体通过防回火装置通入多孔介质内部进行燃烧，最后在通过换热器完成水加热。该混合器采用喇叭口的结构设计，一方面为了让燃气和空气有足够的空间充分混合，另一方面为了重新分配气体流速，起到防回火的作用[10]。防回火装置由错层分布的水管组成，其作用是改变混合气体的流向，使混合气体在进入多孔介质燃烧器前分布更加均匀，多孔介质主要材料为碳化硅和氧化铝，采用了双层变截面的结构设计，有利于多孔介质充分均匀燃烧，避免局部高温的产生[11]。为更好的保护多孔介质，在燃烧器周围设计了三层水管与换热器相连，用于吸收燃烧后的侧向辐射热，同时可以起到预热水的作用。

图1 变截面多孔介质燃烧装置剖面结构示意图

1.2 双层变截面多孔介质结构设计及流体仿真结果分析

多孔介质燃烧器中的长方体型多孔陶瓷以部分稳定的氧化铝、碳化硅为材料，本设计采用了两段不同孔径的多孔介质组成。双层非均匀多孔介质燃烧器模型图如图2 所示。实验用的多孔介质分上下两层，第一层介质的孔隙密度为（50～60）PPI，放置在燃烧器的下游部分作为燃烧器的预热段，第二层介质的孔隙密度为（10～30）PPI，放置在燃烧器的上游作为燃烧器的反应段。多孔陶瓷外部包有陶瓷绝热纤维。PPI 即每英寸长度上的孔数。每英寸长度上的孔数的越大，其孔径越小；反之，每英寸长度上的孔数的越小，其孔径越大[12]。采用下层孔径大上层孔径小的结构可以增加多孔介质本体的热量回流，使火焰的传播速度得到提升，进而对回火起到一定的抑制作用。

图2 双层非均匀多孔介质燃烧器模型图

本次设计还在多孔介质的外观结构上做了创新，针对平板的多孔介质和上下表面为波浪状的变截面多孔介质分别做了流场分析[13]。如图3 所示，为变截面多孔介质结构及流场气压图、如图4 所示，为平板多孔介质结构及流场气压图。对比图可以看出，变截面的多孔介质，在波浪周期长度内，多孔介质内部和上下游流场，都形成了周期性的速度分布，依靠周期性的低速流场火焰得以稳定，此结构下中心区域与边沿区域的流速差也比较小，燃烧较为均匀。与之对应的平板多孔介质：压力图是完全平的。同区域的速度图如下：其各处速度一样，无法起到驻定火焰的作用，导致火焰面弯曲时，处于随机平衡的状态，在多种可能的火焰面之间反复变化。因此变截面多孔介质较好的消除了大平板多孔介质结构，火焰面不稳的弊端。

图3 变截面多孔介质结构流场气压图

图4 平板多孔介质结构及流场气压图

1.3 防回火燃烧器结构设计

如图5 所示，为防回火燃烧器结构3D 图。在多孔介质的下方设计两排平行水管，水管间错层交叉设置，当混合气体通过预混腔进入燃烧室后，通过水管间隙进行二次分流，保证气体可以均匀的通过多孔介质底部，同时燃烧区域的可燃气体的流动速率低于混合腔室，也能够避免可燃烧气体回流而造成回火现象。水管斜45 °错层的布局可以对下半部多孔介质燃烧形成的火焰起阻挡作用，防止回火。待燃烧完成后，多孔介质仍有大量余热聚集，此时向管内通水后可以快速吸收多孔介质燃烧形成的辐射热，保证预混腔始终维持常温状态，水管的出口与上方换热器相连，完成热交换的水还可以起到预热的作用。

图5 防回火燃烧器结构3D 图

2 多孔介质燃烧器实验系统总体设计

由于多孔介质在燃烧器的内部燃烧，材料本体燃烧状态很难监测，为了研究其燃烧特性，利用烟气分析仪、数据采集器、热电偶等工具仪器，结合燃烧样机，搭建了多孔介质燃烧器实验平台，如图6 所示。根据实验的测试需求，将实验平台分成原料供给平台、燃烧平台、温度测量平台、烟气采集平台四个子平台。本文设计的燃烧器是运用在热水器中，因此实验所用燃气选择天然气，压缩空气则由储气罐提供，气体先通过比例阀调节后进入预混腔。混合气在进入多孔介质前还需经过防回火装置进行分流，已保证混合气在进入多孔介质内部前流速均匀。为更好研究多孔介质燃烧特性，在其上中下位置均布置热电偶实时监测材料燃烧的温度变化，最后在烟道口设置烟气分析仪，测量烟气成分。

图6 多孔介质燃烧器实验平台示意图

3 燃烧实验

3.1 防回火实验

由于实验燃烧装置是封闭燃烧，无法直接观察到燃烧器内多孔介质的火焰状态，只能通过监测多孔介质的上中下游的温度变化来判断燃烧器有无回火。如果燃烧器发生回火，火焰会集中在多孔介质的下部，那么中上部分的温度必然会同时下降，下游的温度出现上升，预混腔的温度也会随着时间推移逐渐升高。因此根据此特征即可判断燃烧器有无回火。在功率相同情况下，结合多孔介质其材料的特性，燃烧初期的预热阶段通常是明火燃烧，此时火焰集中在上游段，上游的温度高，待达到一定温度后，随着过量空气系数增加，火焰慢慢向下传播并逐渐消失，预混气会在其内部稳定的无焰燃烧，上中下游温度也趋于一致，此时过量空气系数再继续增加，会出现下游温度增加，中上游温度降低即发生回火。

本次针对有无防回火装置的两款燃烧器分别进行测试了实验，在不同功率和过量空气系数下分别观察有无回火、脱火现象。其结果如表1、2 所示。

表1 无防回火装置燃烧器实验结果

表2 有防回火装置燃烧器实验结果

实验结果表明，本文燃烧器在（1.6～5）kW，过量空气系数1.4～1.6 下都能实现稳定燃烧，且随着功率的提高，燃烧愈加稳定，稳燃范围变宽，即存在合适的过量空气系数，保证燃烧器能稳定燃烧。有换热装置的燃烧器的防回火的效果明显。水管错层交叉结构设计不仅有效的阻挡了下半部多孔介质的火焰蔓延，同时水管中通冷水后快速吸收多了孔介质燃烧形成的辐射热，使预混腔的温度一直保持常温状态，有效的预防了回火。

3.2 不同当量比下多孔介质污染物排放特性实验

随着国家对碳排放的要求越来越高，以及先进技术的发展，对热水器的烟气污染物排放标准必定会更严格[14]。本次实验选用烟气分析仪(TESTO 350)测量烟气成分，研究了功率一定时不同当量比对污染物排放的影响，同时监测了实际含氧量，并与理论值进行对比。针对于甲烷这一燃气组分，引入当量比进行分析，当燃气-空气混合物中燃气与空气的比值等于化学计量比，则定义当量比φ=1，其计算公式（1）为：

式中：

VCH4—甲烷体积流量；

Vair—空气的体积流量；

（VCH4/Vair）real—实际工况下比值；

（VCH4/Vair）sto—化学当量比下的比值。

为了细化分析燃烧器在不同当量比下的燃烧特性，以寻找最适合稳定燃烧及污染物排放最低的工况点，总结了试验数据，燃烧器在5 kW 的功率下含氧量及CO、NOx 排放量实验结果如图7 所示，CO 排放量随着当量比的提高先增加后降低，在当量比0.67 工况下达到峰值32 ppm，随后又下降至22 ppm，考虑到当量比增加可能使得空气量减少，燃烧不充分导致，导致CO 排放量持续上升，待燃烧状态稳定后，CO 排放量降低。理论残余氧量与实际残余氧量十分接近，插值在1 %以内，说明氧气和燃气混合均匀并且氧气被充分反应和消耗，NOx 含高约为14 ppm，其排放水平明显低于燃气热水器的国家标准，这得益于燃烧器温度均匀，没有出现局部高温。