燃烧区负压对大气式燃烧器调节特性的影响

摘 要

摘要：对大气式燃烧器，当燃烧器头部燃烧区产生负压时，其自动调节特性会受到影响。分析了燃烧器引射能力与燃烧区负压的关系，结合典型案例，量化分析了燃烧区负压对燃烧器一次空气系
摘要：对大气式燃烧器，当燃烧器头部燃烧区产生负压时，其自动调节特性会受到影响。分析了燃烧器引射能力与燃烧区负压的关系，结合典型案例，量化分析了燃烧区负压对燃烧器一次空气系数的影响。大气式燃烧器引射的一次空气量对燃烧区负压非常敏感，负压会增大一次空气系数。
关键词：大气式燃烧器；负压；自动调节特性；一次空气系数
1 概述
低压引射大气式燃烧器对空气引射能力的基本计算公式为[1]：
 
式中u——质量引射系数，即引射器所引射的空气质量流量与燃气质量流量之比
    d——燃气相对密度
    A——无因次面积，引射器喉部面积与喷嘴面积之比
    K——引射器的能量损失系数
    K1——燃烧器头部的能量损失系数
    A1——无因次面积，引射器喉部面积与火孔总面积之比
    民用燃气具一般采用低压引射大气式燃烧器[2]，燃烧器设计中的结构参数的优化及火焰稳定性，都值得深入研究[3～4]。
    近几年来，市场上出现了一种集成式燃气灶，这种燃气灶最大的特点是，将抽油烟机烟气吸入口与燃气灶近距离地集成在一起，见图1。集成式燃气灶的抽油烟机烟气吸入口呈环型分布在燃烧器头部的侧上方，从炊具的侧面吸走烟气。

    在集成式燃气灶中，抽油烟机在炊具侧面近距离吸走油烟，极有可能使燃烧器的头部周围产生负压。笔者曾经对浙江某公司生产的集成式燃气灶做过头部火焰附近负压的测试。在不同的抽油烟机抽烟强度下，燃烧器头部附近会产生-30～0Pa的负压。
   式(1)所列的大气式燃烧器的自动调节特性是在头部压力为大气压时推导得到的。燃烧器头部的负压必将影响大气式燃烧器对一次空气的引射能力，进而影响燃烧的性能及稳定性。胡鹏等人曾实验研究了采用大气式燃烧器的强制排风式热水器燃烧室负压对引射器一次空气系数的影响规律，发现一次空气系数呈线性关系随燃烧室负压绝对值的增大而增大[5]，但未从理论角度分析一次空气系数与燃烧室负压值的关系。因此，有必要对该问题进行深入研究。
2 燃烧区负压对大气式燃烧器的影响
   对大气式燃烧器，其引射器可以认为是常压吸气低压引射器，即一次空气吸入口处的压力为大气压力。设燃气经过引射器引射了一定量的空气之后，在头部所形成的静压力为p1。由于抽油烟机的近距离抽吸，在燃烧器头部周围环境(燃烧区)形成的负压为p2。燃气在喷嘴前具有的压力(灶前压力)为p3。
引射器的计算公式为[1]：
 
式中p1——燃烧器头部的静压力，Pa
     p2——燃气在喷嘴前的压力，Pa
     μ——喷嘴流量系数
此时，燃气、空气混合物从头部逸出的压力来源于头部静压p1及燃烧头部周围环境负压p2之差，见式(3)。
 
式中p2——燃烧器头部周围环境的负压，Pa
    vp——火孔出口速度，m/s
    ρmix——燃气、空气混合气的密度，kg/m3
   
式中qg——燃气的体积流量，m3/s
    Ap——火孔总面积，m2
根据能量守恒定律，对燃烧器的喷嘴有下式：
 
式中v1——喷嘴出口的燃气速度，m/s
    ρg——燃气的密度，kg/m3
    低压燃气忽略可压缩性，有特性方程式：
 
式中Aj——喷嘴面积，m2
将式(3)～(7)合并整理后可得：
 
将式(8)代入式(2)，整理后得：
 
从式(9)可以看出，燃烧区出现负压后，引射式燃烧器的引射能力不仅与燃烧器的结构有关，还与负压的大小有关。若燃烧过程中燃烧区负压保持不变，则燃烧器仍然具有自动调节特性；若燃烧过程中负压发生改变，则燃烧器的引射能力将会变化。
3 典型案例分析
    考虑天然气和液化石油气，选择燃烧器的结构参数，使其在燃烧区无负压(p2=0)时的一次空气系数为0.6。气体特性及燃烧器结构参数见表1。
表1 典型案例中气体特性及燃烧器结构参数
燃气种类
天然气
液化石油气
相对密度d
0.5750
1.9545
理论空气需要量V0/(m3·m-3)
9.64
28.28
灶前压力p3/kPa
2.O
2.8
引射器的能量损失系数K
2.1
燃烧器头部的能量损失系数K1
2.7
喷嘴流量系数μ
0.7
元因次面积A1
0.3708
0.4683
无因次面积A
92.70
234.20
头部无负压时的一次空气系数
0.6
0.6
    通过计算可知，在使用不同燃气的条件下，燃烧器的引射能力不同。表2是根据式(9)计算出来的结果，随着负压的变化，燃烧器的质量引射系数、体积引射系数也相应变化。
    根据表2的计算结果，由质量引射系数配计算一次空气系数，绘制出燃烧区负压对一次空气系数的影响曲线，见图2。
表2 典型案例中负压对燃烧器质量引射系数、体积引射系数的影响
负压p2/Pa
天然气燃烧器
液化石油气燃烧器
质量引射系数u
体积引射系数ud
质量引射系数u
体积引射系数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
 

    典型案例中燃烧器的一次空气系数对燃烧区压力的变化非常敏感，随着燃烧区负压绝对值的增大而增大，这与胡鹏等人的实验结果相符合[5]。
4 结语
    通过理论分析和典型案例分析得知，头部燃烧区负压会对大气式燃烧器的一次空气引射能力产生影响。燃烧器所能引射的一次空气量随着头部负压绝对值的增大而增大，这会影响大气式燃烧器的工作状态，进而影响其燃烧稳定性。设计集成式燃气灶时，应充分考虑燃烧区负压对大气式燃烧器自动调节特性的影响。
参考文献：
[1] 同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，等.燃气燃烧与应用[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2000：153-156.
[2] 宋会娟，张吉光.厨房用燃气灶节能与环保的分析与发展[J].中国住宅设施，2010(5)：44-45.
[3] 毛灿明.大气式燃烧器的最佳结构参数与火焰稳定性[J].煤气与热力，2000，20(3)：200-203.
[4] 方媛媛，郭全，傅忠诚.低压大气式燃烧器中引射器的数值模拟[J].北京建筑工程学院学报，2006，22(4)：55-58.
[5] 胡鹏，傅忠诚.燃烧室负压与一次空气系数的关系[J].煤气与热力，2002，22(2)：104-106.
 
(本文作者：梁晓敏1 解东来1 温明霞1 叶根银2 1.华南理工大学 化学与化工学院 广东广州 510640；2.丹阳奥恩能源科技发展有限公司 江苏丹阳 212300)