摘 要

摘要：介绍全预混商用燃气灶具的燃烧系统，分析不同调节阀的工作流量特性。通过建立数学模型，确定全预混商用燃气灶具燃气阀门与空气阀门的合理联动关系，以保证灶具的空燃比。考虑

摘要：介绍全预混商用燃气灶具的燃烧系统，分析不同调节阀的工作流量特性。通过建立数学模型，确定全预混商用燃气灶具燃气阀门与空气阀门的合理联动关系，以保证灶具的空燃比。考虑风机工作点偏移以及使用习惯，对联动关系进行优化。

关键词：全预混；  燃气灶具；  阀门；  空燃比；  流量特性

 Analysis on Flow Characteristics of Valve for Controlling Air-gas Ratio of Gas Range

Abstract: The combustion system of fully premixed commercial gas range is introduced，and the working flow characteristics of different regulating valves are analyzed. The rational linkage relationship between gas valve and air valve for fully premixed commercial gas range is determined by building a mathematical model to ensure the air-gas ratio of gas range. The linkage relationship is optimized considering operating point shift of fan and use habit.

Key words: fully premixed type；gas range；valve；air-gas ratio；flow characteristic

 

1 概述

目前商用燃气灶具产品存在着诸多问题急待解决和完善，这些问题包括：在用产品不合格率较高、热效率偏低等。商用燃气灶具产品节能减排的潜力很大。据测算，如果餐饮业都改用节能燃气灶具，仅北京市每年可节约天然气5 000×10⁴ m³，相当于全市商用燃气灶具一个月的天然气使用量。因此，采用新技术提高燃气灶具的热效率，降低一氧化碳和氮氧化物排放量的工作迫在眉睫。

全预混式燃烧技术是一种高效率、高热强度的燃烧方式。发挥全预混式燃烧技术的优点，开发高效节能的全预混燃气灶具是大势所趋^[1]。研究表明，全预混燃烧器在抑制污染物生成方面有较好效果，合理没计全预混燃烧器可以实现低N0_x、C0排放^[2]。但是，如何保证全预混商用燃气灶具空燃比是一个较大的难题。在理想情况下，空气与燃气按设计的空燃比预先混合，能使混合气体燃烧完全，而且排烟热损失较少，但实际情况往往并非如此。阀门流量特性差异、风机工作点偏移、用户的使用习惯等，都会造成空燃比不合理，从而造成燃烧器无法正常工作。因此，控制好空燃比对于全预混商用燃气灶具来说至关重要。

一般全预混商用燃气灶具通过燃气阀门与空气阀门直接联动的方式来控制空燃比，即燃气阀门与空气阀门通过链条等比例转动开闭的方式进行控制。该调节过程往往无法达到满意的效果。本文依据不同阀门的流量特性，考虑外界干扰量的影响，通过建立准确的数学模型分析燃气阀门与空气阀门间的联动关系，从而保证全预混商用燃气灶具空燃比的准确性。

2 全预混商用燃气灶具的燃烧系统

全预混商用燃气灶具的燃烧系统主要包括：全预混燃烧器、燃气阀门、空气阀门、风机、管道、联动机构等，见图l。其中联动机构是以燃气阀门的开度为信号，对空气阀门进行开度控制，有机械传动与电子传动两种方式。

 

实现燃气阀门与空气阀门的合理联动，即是保证燃烧器的空燃比与设计值相等。需要找出燃气阀门在不同开度下的实际流量，由燃气实际流量及设计空燃比值确定所需的空气流量。然后依据空气阀门的实际工作流量特性，确定所需的空气阀门开度。最后由两者之间的阀门开度对应关系设计联动机构。

3 数学模型

调节阀的流量特性是指流体介质流过调节阀的相对流量与调节阀的相对开度之间的特定关系，分为理想流量特性及工作流量特性。调节阀前后压降固定时，所得到的流量特性称为理想流量特性。即：

 

式中 q——调节阀在某一开度时的流量，m³/s

     q_max——调节阀全开时的流量，m³/s

     f——函数

     l——调节阀在某一开度时阀芯的行程，mm

     l_max——调节阀全开时阀芯的行程，mm

     R——调节阀的可调比

常见的调节阀理想流量特性有直线流量特性、等百分比流量特性、快开流量特性和抛物线流量特性4种类型，见图2。

 

实际使用时，调节阀安装在具有一定阻力的管道上。阀门开度变化在改变流量的同时也改变管道的阻力，因此在同一开度下，通过调节阀的实际相对流量与理想流量有一定偏差。通过调节阀的实际流量与相对开度的特定关系称为阀门的工作流量特性，关系式见式(2)。等百分比调节阀的工作流量特性见图3。

 

式中 q_s——存在管道阻力时调节阀在某一开度时的实际流量，m³/s

     q_l00——存在管道阻力时调节阀的实际全开流量，m³/s

     f_R——函数

     S_V——阀权度，表示调节阀全开时阀前后压差与系统总压差的比值

欲使全预混商用燃气灶具的实际空燃比值等于设计空燃比值。，选用的阀门应该满足两个条件：第一，两阀门都在最大开度下，实际空气流量q_a,l00等于实际燃气流量q_g,l00的a倍；第二，燃气阀门相对开度减小后，调节空气阀门的相对开度，能够保证空气阀门的相对流量值等于燃气阀门的相对流量值。即：

 

式中q_a,l00、q_g,l00——存在管道阻力时空气、燃气调节阀的实际全开流量，m³/s

    a——设计空燃比

    q_a,s、q_g,s——存在管道阻力时空气、燃气调节阀在某一开度时的实际流量，m³/s

依据不同阀门的工作流量特性关系式，可知燃气阀门与空气阀门之间相对开度的对应关系式为：

 

式中 f_a,R、f_g,R——函数

     l_a、l_g——空气、燃气调节阀在某一开度时阀芯的行程，mm

     l_a,max、l_g,max——空气、燃气调节阀伞开时阀芯的行程，mm

     R_a、R_g——空气、燃气调节阀的可调比

     S_a,v、S_g,v——空气、燃气调节阀的阀权度

可见，不同的调节阀之间具有不同的对应关系。要得到合理的空燃比，必须对燃气阀门及空气阀门的工作流量特性关系进行分析，按实际流量变化设计联动机构，使燃气阀门与空气阀门对应联动。

4 阀门开度计算

球阀是等百分比流量特性调节阀，具有流通能力大、开关行程短、噪声小等优点。因此，一般全预混商用燃气灶具都采用球阀作为调节阀。

以可调比为25、阀权度为0.5的球阀作为空气阀门；以可调比为30、阀权度为0.9的球阀作为燃气阀门；设计空燃比取9.8。根据球阀的特性公式，得到该空气阀门的工作流量特性关系式见式(5)，燃气阀门的工作流量特性关系式见式(6)。

 

依据以上分析及等百分比流量特性的数学表达式，两阀的最大流量及相对开度对应关系需满足以下条件：

 

经计算，欲使全预混商用燃气灶具的实际空燃比等于设计空燃比，不同燃气阀门相对开度对应的空气阀门相对开度见表1。

 

 

由以上关系式，还可得到燃气阀门与空气阀门直接联动，空气的实际相对流量与所需相对流量的偏差，见表2。

 

由表2可知，直接联动模式下，空气阀门不同开度的实际相对流量与所需相对流量都有一定程度的偏差。相对开度为80%时偏差达25%，相对开度为20%时，偏差达57%，已经不能使燃烧器稳定燃烧，火焰可能熄火。

5 干扰控制及优化

①风机工作点偏移的干扰

实际工作中，风机会受到管道及附件阻力的影响，风机工作点有一定偏移，从而影响风机的全压^[3]。特别是在灶具热负荷较小时，空气阀门开度较小，风机末端的阻力较大，流量将大大减小，流量减小又间接影响到空气阀门的压降。因此，设计全预混商用燃气灶具时，为了更准确地控制空燃比，还需要对选用的风机及管路进行一定的实验测试，由测试结果对空气阀门与燃气阀门之间的关系做一定的修正。

②低负荷分段控制

商用燃气灶具一般是在最大热负荷下工作，很少情况是部分负荷，小负荷则基本不会使用。调节阀在小开度时，流速大，阻力大，阀体振荡明显，稳定性差。有研究建议调节阀的最大相对开度应尽量保持在90%左右，最小相对开度应不低于l0%^[4]。因此，为了使燃烧器能够更稳定工作，全预混商用燃气灶具应该考虑分段控制。

对球阀的工作流量特性曲线分析可以发现，相对开度大于40%时，球阀的相对开度与相对流量接近线性关系，调节性能良好。因此，建议全预混商用燃气灶具相对开度小于40%时关闭阀门，停止工作。

另外，考虑到商用燃气灶具的烹饪习惯，建议将燃气阀门相对开度设置成3～4档，以利于实际操作，同时降低控制难度。

6结论

①直接联动往往不能达到设计所需的空燃比，以本文为例，偏差甚至高达57%，燃烧器无法正常燃烧。

②对应联动能较好地保证燃烧器的设计空燃比，使燃烧器稳定工作。全预混商用燃气灶具的阀门联动机构应该通过分析阀门工作流量特性进行设计。

③全预混商用燃气灶具设计时应该考虑风机工作点偏移，对空气阀门与燃气阀门之间的关系做一定的修正。

④从实际使用习惯看，在小负荷下直接关闭燃气阀门，使全预混燃烧器停止工作是一种值得考虑的节能设计思路。

⑤建议将燃气阀门相对开度设置成3～4档，以利于实际操作，同时降低控制难度。

 

参考文献：

[1] 张敏.全预混燃烧技术在燃气具中的应用原理[J].现代家电，2010(8)：57-58.

[2] 徐鹏，傅忠诚.燃气全预混燃烧污染物的排放研究[J].煤气与热力，2005，25(12)：15-17.

[3] 蔡增基，龙天渝.流体力学 泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社，1999：313-317.

[4] 杨伟，刘传聚.变流量系统调节阀的实际运行特性分析[J].建筑热能通风空调，2010，29(4)：21-23.

 

本文作者：朱禹洲 高春梅 孙俊芳 王宇

作者单位：北京市燃气集团研究院