增壓技術(shù)在家用燃?xì)庠钌蠎?yīng)用探究

周 奮

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528300）

前言

出于對家用燃?xì)馄骶叩陌踩c可靠性考慮，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)入家用燃?xì)馄骶邥r(shí)的額定壓力為：液化石油氣（LPG）為2 800 Pa，天然氣（NG）為2 000 Pa。而在此燃?xì)鈮毫ο?，一般家用燃?xì)庠畹囊淮慰諝庀禂?shù)約為0.5，只有調(diào)整鍋架高度，讓二次空氣補(bǔ)充，來達(dá)到燃燒完全，普遍煙氣中CO、NOX含量較高，火焰“軟”。部分燃?xì)庠钔ㄟ^強(qiáng)制鼓風(fēng)來提高一次空氣系數(shù)，使燃燒充分，降低煙氣中CO、NOX含量，但只能做到在設(shè)定熱負(fù)荷點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)；由于鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)存在風(fēng)量調(diào)節(jié)滯后的現(xiàn)象，燃?xì)庠钤跓嶝?fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，還容易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的情況，甚至?xí)ɑ鸹颉懊昂跓煛薄?/p>

在燃?xì)庠顑?nèi)部燃?xì)馔飞霞釉O(shè)燃?xì)庠鰤翰考瑏硖岣邍娮烨暗娜細(xì)鈮毫?，進(jìn)而改善燃?xì)庠畹娜紵隣顟B(tài)鮮有研究。鑒于此，本文主要探究燃?xì)庠鰤杭夹g(shù)應(yīng)用于燃?xì)庠?，對一次空氣系?shù)、煙氣中有害氣體成份含量與火焰狀態(tài)的影響。

1 燃?xì)鈮毫εc過剩空氣系數(shù)關(guān)系計(jì)算分析

1.1 幾何模型

由于燃?xì)庠畹娜紵鳎猸h(huán)火大概是中心火熱負(fù)荷的十倍，外環(huán)火煙氣基本決定了整個(gè)燃燒器煙氣排放水平，為了便于計(jì)算，幾何模型設(shè)置為圖1。

圖1 原幾何模型

考慮到原幾何模型的對稱性，計(jì)算用的幾何模型采用1/2模型，如圖2所示。

圖2 計(jì)算用幾何模型

1.2 邊界條件設(shè)置

主要計(jì)算設(shè)置如下：

1）本文采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算，SKE湍流模型和混合規(guī)則計(jì)算混合氣體，不考慮燃燒化學(xué)反應(yīng)。

2）燃?xì)馊肟谠O(shè)置不同的進(jìn)氣壓力Pin，燃?xì)饨M分為100 %的CH4。

3）空氣入口設(shè)置相對壓力為0 Pa，空氣組分設(shè)置為體積分?jǐn)?shù)為21 %的O2及79 %的N2。

4）燃燒器頭部火孔設(shè)置為壓力出口，相對壓力大小設(shè)為0 Pa。

1.3 計(jì)算結(jié)果

圖3所示為燃?xì)馀c空氣混合后，燃?xì)庠钊紵鞑煌恢锰幍募淄轶w積分?jǐn)?shù)分布情況。從圖可知，在噴嘴前端，甲烷的濃度最高，從噴嘴噴出流速快，吸入空氣，隨著燃?xì)庀蛉紵黝^部前進(jìn)，空氣與燃?xì)獾幕旌献饔迷鰪?qiáng)，甲烷濃度逐漸下降。

圖3 引射、混合流線圖

改變?nèi)細(xì)膺M(jìn)氣壓力與噴嘴直徑，來達(dá)到額定熱負(fù)荷為4.5 kW，計(jì)算一次空氣系數(shù)的結(jié)果如表1與圖4，從中可得知增加燃?xì)膺M(jìn)氣壓力與減小噴嘴直徑來達(dá)得額定熱負(fù)荷，一次空氣系數(shù)將顯著提升。

表1 固定負(fù)荷下的一次空氣系數(shù)（模擬）

圖4 一次空氣系數(shù)的變化曲線

選定噴嘴直徑為1.12 mm，通過調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫碚{(diào)節(jié)熱負(fù)荷，熱負(fù)荷與一次空氣系數(shù)變化情況如表2與圖5。從中可知，固定噴嘴，通過調(diào)壓來調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，對一次空氣系數(shù)變化甚微。

圖5 熱負(fù)荷、一次空氣系數(shù)的變化曲線

表2 固定噴嘴下的一次空氣系數(shù)（模擬）

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，燃?xì)鉃?00 % CH4，通過調(diào)壓閥進(jìn)行燃?xì)鈮毫φ{(diào)節(jié)，使用U形壓力計(jì)讀取壓力值；使用秒表讀取濕式流量計(jì)單位時(shí)間的燃?xì)饬髁浚ㄟ^計(jì)算所得實(shí)測折算熱負(fù)荷；煙氣分析儀連接到煙氣取樣環(huán)上，可分析出煙氣成份及含量，通過CO2或O2含量可計(jì)算出過?？諝庀禂?shù)。

圖6 測試連接示意圖

2.1 通過燃?xì)庠鰤号c噴嘴調(diào)整來達(dá)到額定熱負(fù)荷

通過調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫εc調(diào)整噴嘴孔徑大小，使流量大概保持不變，讀取煙氣成份含量，計(jì)算實(shí)測折算熱負(fù)荷[2]、過?？諝庀禂?shù)[3]，數(shù)據(jù)如表3。

表3 固定負(fù)荷下的一次空氣系數(shù)（實(shí)驗(yàn)）

圖7為燃?xì)膺M(jìn)氣壓力為1 000 Pa時(shí)，熱負(fù)荷4.43 kW的火焰狀態(tài)。

圖7 額定負(fù)荷、進(jìn)氣壓力1 000 Pa的火焰形態(tài)

圖8為燃?xì)膺M(jìn)氣壓力為8 000 Pa時(shí)，熱負(fù)荷4.36 kW的火焰狀態(tài)。

圖8 額定負(fù)荷、進(jìn)氣壓力8 000 Pa的火焰狀態(tài)

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和火焰狀態(tài)可知，通過燃?xì)庠鰤号c噴嘴調(diào)整來達(dá)到額定熱負(fù)荷：煙氣中有害氣體CO、NOX含量在減少，計(jì)算所得的過?？諝庀禂?shù)（一次空氣量與二次空氣量之和同理論所需的空氣量之比）也提高，因二次空氣量基本相同，所以可知一次空氣系數(shù)在提高，火焰“硬”且更藍(lán)。

2.2 固定噴嘴，減小燃?xì)鈮毫碚{(diào)節(jié)熱負(fù)荷

通過調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫磉_(dá)到調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚▏娮旌愣ǎ?，讀取煙氣成份含量，測試計(jì)算數(shù)據(jù)如表4。

表4 固定噴嘴下的一次空氣系數(shù)（實(shí)驗(yàn)）

圖9為燃?xì)膺M(jìn)氣壓力為1 000 Pa時(shí)，熱負(fù)荷1.55 kW的火焰狀態(tài)。

圖9 噴嘴1.12 mm、進(jìn)氣壓力1 000 Pa的火焰形態(tài)

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和圖9、圖10火焰狀態(tài)可知，家用燃?xì)庠顕娮齑_定后，通過調(diào)節(jié)燃?xì)膺M(jìn)氣壓力來調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，煙氣中有害氣體CO、NOX含量無明顯變化，計(jì)算所得的過?？諝庀禂?shù)無明顯變化，所以也證實(shí)了一次空氣系數(shù)變化不大。

3 結(jié)論

通過仿真計(jì)算與試驗(yàn)測試與分析，增壓技術(shù)應(yīng)用在家用燃?xì)庠?，得出以下結(jié)論：

1）通過燃?xì)庠鰤号c噴嘴調(diào)整來保證額定熱負(fù)荷不變的情況下，有利于提升一次空氣系數(shù)，降低煙氣中有害氣體含量，火焰硬且更藍(lán)。

2）家用燃?xì)庠顕娮齑_定后，通過調(diào)節(jié)燃?xì)膺M(jìn)氣壓力來調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，在全熱負(fù)荷段煙氣中有害氣體CO、NOX含量無明顯變化，一次空氣系數(shù)基本不變。

固筆者認(rèn)為，在確保家用燃?xì)庠畹谋举|(zhì)安全及符合國家標(biāo)準(zhǔn)的前提下，可以適當(dāng)提高噴嘴前壓，來提升引射能力，使燃燒更為充分，從而降低煙氣中有害氣體含量，起到環(huán)保作用。