家用嵌入式燃氣灶燃燒器火孔強度對燃燒性能的影響

中國市政工程華北設計研究總院有限公司 張建海 楊國強

寧波方太廚具有限公司 陳迪龍

目前市場上銷售的主流家用嵌入式燃氣灶額定熱負荷一般在4.0～4.5 kW，研發的方向存在往大熱負荷發展的趨勢。因受限于外觀、成本等因素，通常會“犧牲”掉熱效率與廢氣排放等性能指標，這樣會大大降低用戶的使用體驗。隨著額定熱負荷提升到上限5.23 kW，效率提升、廢氣排放下降等性能指標逐漸成為各大廠家關注的焦點。

燃氣用戶烹飪需求較為復雜，既要滿足煎、炒的大火需求，又要滿足煲、煮等的小火需求。國內家用嵌入式燃氣灶的燃燒器基本都有內、外環之分，是一種雙通道燃燒器。與國外普遍使用的單通道燃燒器相比，存在氣源適應性差、內外環熱負荷搶二次空氣等問題。

為提升雙通道燃燒器的綜合性能，即提升熱效率、降低廢氣排放，正確的火孔強度設計以及內外環出火孔的火孔強度配比至關重要。本文通過理論分析燃燒器火孔強度的設計，并結合大量的試驗對比驗證，調整內、外環出火孔的火孔強度配比，分析同一折算熱負荷條件下，雙通道燃燒器不同火孔的強度以及內外環出火孔不同火孔強度配比對燃燒性能的影響差異。

1 外環單獨調整時的火孔強度

根據額定熱負荷以及外觀需要設計好頭部直徑，并結合內外環熱負荷比例、火孔角度、鍋支架高度等因素，可以設計雙通道燃燒器。選用天然氣12T基準氣，關閉內環通道（可以堵住內環噴嘴），調整外環的火孔面積來調整外環的火孔強度。再通過測試煙氣排放以及熱效率來進行定性趨勢分析。外環火孔燃燒示意見圖1。

圖1 外環火孔燃燒示意

圖1顯示保持外環火焰與鍋壁距離l和外火孔與鍋底高度h不變，當單獨外環燃燒時，只有外面一圈火焰，火焰與鍋底接觸的地方在外環火蓋外周，熱氣流會隨著鍋底向鍋的邊緣流動，只有少量的熱氣流會流向鍋底中心。這樣就導致燃燒器的外環到鍋邊緣的鍋底接受了大量的能量，溫度較高，而燃燒器的中心溫度很低，A區域冷空氣與外面沒有形成明顯的負壓，導致外面的空氣難以從二次空氣補充孔進入A區域，外環內側二次空氣的補充較為困難，所以二次空氣的補充只在B區域，就導致火焰內側燃燒不充分，煙氣較高。按照傳熱學理論，對流傳熱量公式如下：

式中：Φ——對流傳熱量，W；

K——傳熱系數，W/（m2·K）；

tf——煙氣平均溫度，℃；

tw——鍋底平均溫度，℃；

A——受熱面面積，m2。

在K、tf、tw不變的情況下，對流傳熱量Φ是面積A的單值函數。由于在鍋底有效利用面積A較小且只有外環燃燒的高溫煙氣，因而鍋底吸收的熱量較少，效率會偏低。若火孔強度太大則氣流速度也很快，使得燃燒不充分，煙氣高。速度過快的高溫煙氣在鍋底停留的時間變短，則（tf-tw）的值會變小，效率仍然會降低。

設計額定熱負荷5.0 kW，內、外環的熱負荷按照3:7的比例取值，即外環熱負荷為3.5 kW，頭部直徑設計為116 mm，火孔角度為35°，外環火孔至鍋底的距離為24 mm，外環單獨燃燒做試驗，外環火孔強度試驗數據見表1。

表1 外環火孔強度試驗數據

通過該試驗發現，在一定的火孔強度范圍內，隨著火孔強度的增大，煙氣減小且熱效率升高。當火孔強度在6.5～7.5 W/ mm2之間時，煙氣達到最小值，熱效率接近最高點；而后又隨著火孔強度的增大，煙氣相應增大，熱效率下降趨于平穩。

2 內環單獨調整時的火孔強度

關閉外環通道（可以堵住外環噴嘴），通過調整內環的火孔面積來調整內環的火孔強度，通過測試煙氣排放以及熱效率來進行定性趨勢分析。

圖2顯示在內環火焰與鍋壁距離l和內火孔與鍋底高度h不變的情況下，當內環單獨燃燒時，由于負荷小，需要的二次空氣也比較少，二次空氣能較好地補充，所以單獨的內環煙氣較低。但內環火孔強度變化時，需要的二次空氣量也在變化，內環火蓋的容積較小即燃燒的面積很小，與空氣接觸的有效面積有限。火孔強度越大，需要的二次空氣越多，同時火焰越長，火焰離鍋底的距離越近，燃燒越不充分，導致煙氣隨著火孔強度的增加而增加。中心冷空氣有效存儲容積越大，越有利于二次空氣的補充，燃燒更充分，高溫煙氣在鍋底停留的時間越長。對照式（1），此時使用中心小火的燃燒效率高。

圖2 內環火孔燃燒示意

內環熱負荷為1.5 kW時，試驗用鍋不變，內環單獨燃燒時內環火孔強度相關試驗數據見表2。

表2 內環火孔強度試驗數據

通過該試驗發現，在一定的火孔強度范圍內，隨著火孔強度的增大煙氣增大，熱效率升高。當火孔強度在9.5～10.5 W/ mm2之間時，煙氣達到拐點，熱效率接近最高點；而后又隨著火孔強度的增大煙氣加速增大，熱效率下降趨于平穩。

3 內、外環火孔強度的匹配

試驗用鍋的支架高度不變，調整內外環火孔熱強度的不同配比來分析煙氣排放和熱效率的變化規律。內外環火孔燃燒示意見圖3。

圖3 內、外環火孔燃燒示意

圖3顯示在外環火焰與鍋壁距離l和內外火孔與鍋底高度h不變的情況下，內、外環同時燃燒時二次空氣補充狀況。內環燃燒時燃燒器中心的溫度很高，導致鍋底與燃燒器中心的A區域空氣溫度很高、氣壓很低，與外界有較大的壓力差，使得燃燒器外面的空氣很容易通過二次空氣補充孔進入到A區域。這些空氣并不是完全與內環作用，有部分空氣同時對外環進行補充，讓外環火焰內側也有了更充分的燃燒。內環產生的煙氣是緊貼鍋底與鍋底進行熱交換，煙氣中有不完全燃燒的燃氣、沒有充分利用的空氣、CO和其他廢氣等。當通過外環燃燒區域時，再次進行第二次燃燒反應，使得燃燒更充分，最后穿過外環火焰燃燒區直至離開鍋底完成熱交換，當然這對外環的燃燒也有一定影響。當內環的一次燃燒充分時，第二次燃燒所需要的空氣就更少，外環內側得到更多的空氣補充，燃燒更加完全。此時內環煙氣經過外環燃燒區域時，對外環的燃燒是有利的。B區域的大面積空氣補充對外環的燃燒幫助最大。

保持額定熱負荷5.0 kW和內外環熱負荷3:7比例不變，內外環同時燃燒做試驗，部分內、外環火孔強度的組合試驗數據見表3。

表3 內、外環火孔強度的組合試驗數據

通過試驗發現，當外環火蓋火孔強度不變時，內環火蓋火孔強度增大，煙氣是一定會增加的，但是效率不一定會增加。其中試驗a、b、c就是保持外環火孔強度不變，可以發現煙氣中CO隨著內環火孔強度的增加而增加（NOx的反應機制復雜，不代表不完全燃燒水平），效率卻是隨著煙氣的增加反而降低；比較試驗b和d，內環火孔強度相同，外環火孔強度都處于前述中的最優值，表現各有千秋，一個效率高，一個煙氣低，難以取舍；試驗 e與d的外環火孔強度相同，內環火孔強度增加，雖然煙氣有所增加，但效率提高不少；試驗f到i的外環火孔強度相同，稍微超出最優值范圍，雖然有些內環火孔強度處于前述最優值范圍內，但煙氣已經超標，這些組合沒有實際應用價值；與試驗j和l比較，發現外環火孔強度超出前述最優值后仍然是可以繼續增加的，但要保證內環火孔強度低于外環火孔強度一定值。此時煙氣處于較高水平，低的值越大，煙氣越好，效率則相差不大。試驗k的內環火蓋支架低于外環火蓋支架，與試驗l相比，表明內環火孔中心距鍋底距離越近煙氣越高，效率卻幾乎沒有損失。總體上看，試驗d到l是符合煙氣效率高的大趨勢，但當煙氣高到一定程度后，表明不完全燃燒太多導致效率有所下降。

這些組合試驗結果與單獨調整內、外環火孔強度的試驗結果是能夠相互印證的。試驗e的內、外環火孔強度都在前述中的最優值范圍內，測得的煙氣排放相對較低，熱效率相對較高。外環火孔強度可以在單獨燃燒時確定的最優值范圍之外取值，但要注意與內環火孔強度的差異關系。

由表3分析計算可得，為使整機效率和煙氣都有很大改進并達到最佳的平衡，火孔強度的匹配存在以下規律：外環火孔強度不宜太大，應分布在6.5～7.5 W/ mm2；內環火孔強度應比外環大，一般大2～3 W/ mm2，當外環火孔強度超過8 W/ mm2時，內環火孔強度應該降下來與外環相同或者低1～2 W/ mm2。

4 結語

家用燃氣灶具燃燒器內環火孔強度增大會導致所需要的二次空氣量增加，而在鍋支架高度一定的情況下需要更大的負壓和二次冷空氣的存儲空間。通過相關試驗發現內環對整個燃燒器的煙氣起著相當大的調節作用，內環的燃燒對外環的燃燒有直接相關的聯系，內環在不同程度上改善著外環的燃燒工況。

為減少過剩空氣而增加高溫煙氣在鍋底的停留時間，可使燃燒更加充分。內外環火孔強度的不同組合，實際也是對一次空氣的調整，不同火孔強度的火蓋對混氣室的壓力影響不同。火孔強度越大導致混氣室的壓力增大，引射管內氣體的流動阻力增大，導致一次空氣的引射能力減弱和煙氣升高。