燃燒區(qū)負壓對大氣式燃燒器調節(jié)特性的影響

摘 要

摘要：對大氣式燃燒器，當燃燒器頭部燃燒區(qū)產生負壓時，其自動調節(jié)特性會受到影響。分析了燃燒器引射能力與燃燒區(qū)負壓的關系，結合典型案例，量化分析了燃燒區(qū)負壓對燃燒器一次空氣系
摘要：對大氣式燃燒器，當燃燒器頭部燃燒區(qū)產生負壓時，其自動調節(jié)特性會受到影響。分析了燃燒器引射能力與燃燒區(qū)負壓的關系，結合典型案例，量化分析了燃燒區(qū)負壓對燃燒器一次空氣系數的影響。大氣式燃燒器引射的一次空氣量對燃燒區(qū)負壓非常敏感，負壓會增大一次空氣系數。
關鍵詞：大氣式燃燒器；負壓；自動調節(jié)特性；一次空氣系數
1 概述
低壓引射大氣式燃燒器對空氣引射能力的基本計算公式為[1]：
 
式中u——質量引射系數，即引射器所引射的空氣質量流量與燃氣質量流量之比
    d——燃氣相對密度
    A——無因次面積，引射器喉部面積與噴嘴面積之比
    K——引射器的能量損失系數
    K1——燃燒器頭部的能量損失系數
    A1——無因次面積，引射器喉部面積與火孔總面積之比
    民用燃氣具一般采用低壓引射大氣式燃燒器[2]，燃燒器設計中的結構參數的優(yōu)化及火焰穩(wěn)定性，都值得深入研究[3～4]。
    近幾年來，市場上出現了一種集成式燃氣灶，這種燃氣灶最大的特點是，將抽油煙機煙氣吸入口與燃氣灶近距離地集成在一起，見圖1。集成式燃氣灶的抽油煙機煙氣吸入口呈環(huán)型分布在燃燒器頭部的側上方，從炊具的側面吸走煙氣。

    在集成式燃氣灶中，抽油煙機在炊具側面近距離吸走油煙，極有可能使燃燒器的頭部周圍產生負壓。筆者曾經對浙江某公司生產的集成式燃氣灶做過頭部火焰附近負壓的測試。在不同的抽油煙機抽煙強度下，燃燒器頭部附近會產生-30～0Pa的負壓。
   式(1)所列的大氣式燃燒器的自動調節(jié)特性是在頭部壓力為大氣壓時推導得到的。燃燒器頭部的負壓必將影響大氣式燃燒器對一次空氣的引射能力，進而影響燃燒的性能及穩(wěn)定性。胡鵬等人曾實驗研究了采用大氣式燃燒器的強制排風式熱水器燃燒室負壓對引射器一次空氣系數的影響規(guī)律，發(fā)現一次空氣系數呈線性關系隨燃燒室負壓絕對值的增大而增大[5]，但未從理論角度分析一次空氣系數與燃燒室負壓值的關系。因此，有必要對該問題進行深入研究。
2 燃燒區(qū)負壓對大氣式燃燒器的影響
   對大氣式燃燒器，其引射器可以認為是常壓吸氣低壓引射器，即一次空氣吸入口處的壓力為大氣壓力。設燃氣經過引射器引射了一定量的空氣之后，在頭部所形成的靜壓力為p1。由于抽油煙機的近距離抽吸，在燃燒器頭部周圍環(huán)境(燃燒區(qū))形成的負壓為p2。燃氣在噴嘴前具有的壓力(灶前壓力)為p3。
引射器的計算公式為[1]：
 
式中p1——燃燒器頭部的靜壓力，Pa
     p2——燃氣在噴嘴前的壓力，Pa
     μ——噴嘴流量系數
此時，燃氣、空氣混合物從頭部逸出的壓力來源于頭部靜壓p1及燃燒頭部周圍環(huán)境負壓p2之差，見式(3)。
 
式中p2——燃燒器頭部周圍環(huán)境的負壓，Pa
    vp——火孔出口速度，m/s
    ρmix——燃氣、空氣混合氣的密度，kg/m3
   
式中qg——燃氣的體積流量，m3/s
    Ap——火孔總面積，m2
根據能量守恒定律，對燃燒器的噴嘴有下式：
 
式中v1——噴嘴出口的燃氣速度，m/s
    ρg——燃氣的密度，kg/m3
    低壓燃氣忽略可壓縮性，有特性方程式：
 
式中Aj——噴嘴面積，m2
將式(3)～(7)合并整理后可得：
 
將式(8)代入式(2)，整理后得：
 
從式(9)可以看出，燃燒區(qū)出現負壓后，引射式燃燒器的引射能力不僅與燃燒器的結構有關，還與負壓的大小有關。若燃燒過程中燃燒區(qū)負壓保持不變，則燃燒器仍然具有自動調節(jié)特性；若燃燒過程中負壓發(fā)生改變，則燃燒器的引射能力將會變化。
3 典型案例分析
    考慮天然氣和液化石油氣，選擇燃燒器的結構參數，使其在燃燒區(qū)無負壓(p2=0)時的一次空氣系數為0.6。氣體特性及燃燒器結構參數見表1。
表1 典型案例中氣體特性及燃燒器結構參數
燃氣種類
天然氣
液化石油氣
相對密度d
0.5750
1.9545
理論空氣需要量V0/(m3·m-3)
9.64
28.28
灶前壓力p3/kPa
2.O
2.8
引射器的能量損失系數K
2.1
燃燒器頭部的能量損失系數K1
2.7
噴嘴流量系數μ
0.7
元因次面積A1
0.3708
0.4683
無因次面積A
92.70
234.20
頭部無負壓時的一次空氣系數
0.6
0.6
    通過計算可知，在使用不同燃氣的條件下，燃燒器的引射能力不同。表2是根據式(9)計算出來的結果，隨著負壓的變化，燃燒器的質量引射系數、體積引射系數也相應變化。
    根據表2的計算結果，由質量引射系數配計算一次空氣系數，繪制出燃燒區(qū)負壓對一次空氣系數的影響曲線，見圖2。
表2 典型案例中負壓對燃燒器質量引射系數、體積引射系數的影響
負壓p2/Pa
天然氣燃燒器
液化石油氣燃燒器
質量引射系數u
體積引射系數ud
質量引射系數u
體積引射系數ud
0.O0
10.05
5.78
8.67
16.95
-2.94
10.82
6.22
9.80
19.15
-5.88
11.54
6.64
10.81
21.13
-9.80
12.44
7.15
12.03
23.51
-14.70
13.48
7.75
13.41
26.21
-19.60
14.46
8.31
14.67
28.67
-29.40
16.26
9.35
16.91
33.05
-33.00
16.88
9.71
17.68
34.56
 

    典型案例中燃燒器的一次空氣系數對燃燒區(qū)壓力的變化非常敏感，隨著燃燒區(qū)負壓絕對值的增大而增大，這與胡鵬等人的實驗結果相符合[5]。
4 結語
    通過理論分析和典型案例分析得知，頭部燃燒區(qū)負壓會對大氣式燃燒器的一次空氣引射能力產生影響。燃燒器所能引射的一次空氣量隨著頭部負壓絕對值的增大而增大，這會影響大氣式燃燒器的工作狀態(tài)，進而影響其燃燒穩(wěn)定性。設計集成式燃氣灶時，應充分考慮燃燒區(qū)負壓對大氣式燃燒器自動調節(jié)特性的影響。
參考文獻：
[1] 同濟大學，重慶建筑大學，哈爾濱建筑大學，等.燃氣燃燒與應用[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：153-156.
[2] 宋會娟，張吉光.廚房用燃氣灶節(jié)能與環(huán)保的分析與發(fā)展[J].中國住宅設施，2010(5)：44-45.
[3] 毛燦明.大氣式燃燒器的最佳結構參數與火焰穩(wěn)定性[J].煤氣與熱力，2000，20(3)：200-203.
[4] 方媛媛，郭全，傅忠誠.低壓大氣式燃燒器中引射器的數值模擬[J].北京建筑工程學院學報，2006，22(4)：55-58.
[5] 胡鵬，傅忠誠.燃燒室負壓與一次空氣系數的關系[J].煤氣與熱力，2002，22(2)：104-106.
 
(本文作者：梁曉敏1 解東來1 溫明霞1 葉根銀2 1.華南理工大學 化學與化工學院 廣東廣州 510640；2.丹陽奧恩能源科技發(fā)展有限公司 江蘇丹陽 212300)