預混燃燒的技術(shù)應用價值和未來發(fā)展趨勢

精品文檔-下載后可編輯預混燃燒的技術(shù)應用價值和未來發(fā)展趨勢燃氣灶具、熱水器等常見家用燃

氣具產(chǎn)品中,燃燒技術(shù)的優(yōu)劣是衡量該類產(chǎn)品技術(shù)成熟與否的一個重要尺度。預混技術(shù)作為燃燒技術(shù)的一個關(guān)鍵組成部分,在一定程度上決定了燃燒效率和換熱效率,并保證了產(chǎn)品各項技術(shù)指標,因此在燃氣具燃燒技術(shù)中,預混燃燒技術(shù)有著舉足輕重的地位,是燃燒技術(shù)范疇的一項重要內(nèi)容。

預混燃燒技術(shù)的產(chǎn)品應用原理

最早的燃燒方法是簡單地將燃氣在火孔處點燃,燃氣和空氣不混合,燃氣燃燒所需要的氧氣依靠從周圍的空氣中擴散得來,這是一種擴散式燃燒方法。在此類燃燒過程中,燃氣與空氣發(fā)生物理接觸后進行燃燒時,氧氣分子只能通過擴散運動參與燃燒,燃燒的強度主要取決于氧氣分子的擴散速度。擴散式燃燒方法易點火,無回火,燃燒穩(wěn)定,但是對于需要氧氣較多的常用高熱值燃氣如天然氣、液化石油氣等,僅依靠介質(zhì)分子擴散能力較為有限的層流擴散,則難以達到完全燃燒的目的,并且燃燒溫度偏低,使得煙氣指標尤其是CO的含量偏高,也容易形成積碳和煤煙,因此不適宜應用在家用燃氣具產(chǎn)品之中。

隨著燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展進步,預混燃燒技術(shù)逐漸進入燃燒技術(shù)領(lǐng)域。預混燃燒方法是將空氣按照一定比例預混到燃氣當中,形成均勻的可燃性混合氣體,同時在結(jié)構(gòu)上對混合氣體流經(jīng)通道做出特定的導流、混合、增壓等技術(shù)措施,使得混合氣體以一種固定空燃比狀態(tài)在火孔穩(wěn)定燃燒,達到充分燃燒、提高燃燒溫度、降低煙氣指標、提高燃燒效率等一系列技術(shù)目的。

預混式燃燒方法是一種廣泛應用的科學燃燒方法,預混技術(shù)的出現(xiàn),使得燃氣燃燒技術(shù)得以長足發(fā)展。預混燃燒技術(shù)可以分為部分預混燃燒和全預混燃燒兩種,二者的區(qū)別在于預混程度的大小。對于特定混合氣體而言,一次空氣系數(shù)α′的取值決定了它的預混方式,在擴散式燃燒方法中,α′=0,在部分預混式燃燒方法中,0

部分預混燃燒也稱大氣式燃燒,燃氣從噴嘴噴出后,利用自身壓力、流速所形成的動能帶動周圍的一次空氣運動,經(jīng)過引射管混合、緩沖后形成穩(wěn)定氣流,從火孔噴出燃燒。在這種燃燒方式中,引射吸入的一次空氣量一般占理論空氣量的60%(α′=0.6),即能形成大氣式燃燒,同時在火孔對燃燒補充所需的二次空氣,實現(xiàn)完全燃燒。部分預混燃燒方法能夠充分利用燃氣動能,預混空氣,改善層流擴散的燃燒不完全狀況,一次空氣供給穩(wěn)定,具有燃燒完全、火焰短、加熱強度較大等優(yōu)點。

全預混燃燒則稱為全一次預混空氣燃燒,技術(shù)上更為合理。其引射原理與部分預混燃燒方法相同,預先將燃氣與全部所需空氣在預混空間進行配比、混合,并在燃燒火孔中燃燒。全預混燃燒能夠按照穩(wěn)定的空燃混合當量比進行燃燒,燃燒在瞬間完成,形成穩(wěn)定高溫區(qū),熱效率高。其火焰極短,附著于燃燒表面,故稱“無焰燃燒”,無需二次空氣補給,煙氣量少,CO、NOx等煙氣指標降低。但由于燃燒強度較大,火焰狀態(tài)難以穩(wěn)定,易形成回火或離焰,因此需要采取能穩(wěn)焰的網(wǎng)狀燃燒結(jié)構(gòu),如陶瓷紅外線燃燒器、板式燃燒器及金屬纖維燃燒器,此類燃燒結(jié)構(gòu)亦能反作用于燃燒效果,使熱量充分對流,并形成紅外光輻射,熱效率更高。

對家用燃氣具產(chǎn)品而言,目前應用預混燃燒技術(shù)較為普遍的是燃氣灶具和熱水器。

預混燃燒技術(shù)在灶具產(chǎn)品上的應用

在現(xiàn)有的一般灶具產(chǎn)品中,使用燃氣引射空氣的引射型大氣式燃燒方式比較通用,這是一種完全意義的部分預混燃燒方法,噴射燃氣利用動能較大的高速紊流作用,在引射管內(nèi)形成軸向旋流,通過擴散作用混合一次空氣,在燃燒盤、火蓋形成穩(wěn)定的可燃性混合氣體。引射管又名文吐利管,是一種開口直徑較大的收縮型管狀結(jié)構(gòu),其設(shè)計目的是為了讓燃氣動能充分帶動一次空氣,使燃氣流速降低,空氣流速增加,混合氣體動壓減少,而靜壓增加。經(jīng)過一系列的混合、穩(wěn)流、穩(wěn)壓過程,以及二次空氣的助燃作用,混合氣體能正常穩(wěn)定燃燒。

灶具產(chǎn)品中,引射管是一個經(jīng)典的設(shè)計,其形式比較靈活,緊接引射管的則是一個燃氣混合腔體,為達到高效燃燒的目的,其形式同樣可靈活化。引射管常附有一個風門,可調(diào)節(jié)一次空氣的引射量。一般家用灶具由于負荷較小,不需要很大的風門開度,即能提供混合量穩(wěn)定的足量一次空氣。

部分預混燃燒技術(shù)在灶具產(chǎn)品上的應用,使得預混技術(shù)得以大范圍推廣,但是也存在著一些缺點。比如,噴嘴燃氣流軌跡必須重合于引射管的中心線,否則預混效果不佳,且混合氣體不能以一種穩(wěn)定的流態(tài)和固定的空燃比參與燃燒。此外,部分預混使得燃燒不得不依賴二次空氣的大量補充,由此在內(nèi)外焰部位易生成NO氣體,同時生成的煙氣量較大,熱損耗大,影響換熱效率。

全預混燃燒技術(shù)在灶具產(chǎn)品也得到應用,全預混燃燒灶具以紅外線燃燒器灶具為出色代表。紅外線燃燒器灶具采取改進引射管結(jié)構(gòu)、充分提供空氣供給的方式,甚至可取消風門,使燃燒所需空氣全部由引射吸入,在混合腔預先完全混合,一次空氣系數(shù)α′約為1.05～1.1。燃燒結(jié)構(gòu)由數(shù)量巨大的陶瓷細孔狀火孔組成,或者采用金屬網(wǎng)狀火孔,混合氣體在燃燒面劇烈、充分燃燒,不需要二次空氣,因而熱量集中,煙氣較少,煙氣指標低,燃燒溫度高,其形成的無焰熱流溫度可高達1100℃,表面紅化,約40%的熱量以波長較長、易于被固態(tài)物質(zhì)分子吸收的紅外線輻射加熱,換熱效率得到極大提高。

預混燃燒技術(shù)在熱水器產(chǎn)品上的應用

在燃氣熱水器產(chǎn)品中,由于燃燒器結(jié)構(gòu)的較大差異和熱水器工作的復雜性,對于燃燒的要求更高,但與灶具產(chǎn)品的預混燃燒技術(shù)比較而言,熱水器產(chǎn)品預混燃燒技術(shù)有共通之處,具體表現(xiàn)為部分預混燃燒技術(shù)。

熱水器燃燒器總成可為半密閉式和全密閉式,這兩種燃燒器對二次空氣的要求有差別,全密閉式較之半密閉式燃燒器,二次空氣的補充完全依賴風機強制鼓風,因此燃燒工況受風量供給的牽制比較明顯。在燃燒過程中,必須考慮燃氣與二次空氣的混合比例處于合理區(qū)間,協(xié)調(diào)燃氣流量和二次空氣流量,使其呈現(xiàn)一定的匹配關(guān)系。

熱水器燃燒結(jié)構(gòu)一般由條縫式火排組成,火排的下部是與灶具相類似的更為復雜的引射、混合、分流結(jié)構(gòu)。當燃氣從噴嘴噴出后,只混合了少量一次空氣(α′較小),混合氣體在引射結(jié)構(gòu)末端的分配通道被均分并送至火道以穩(wěn)定流速噴出。在自然給風的低端熱水器產(chǎn)品中,二次空氣的補給主要依靠燃燒產(chǎn)生的高溫氣體帶動下方空氣往上自然流動;在強制給排氣的強鼓、強抽型高端熱水器產(chǎn)品中,二次空氣的補給則依靠風機供風,且保證在一定范圍內(nèi),否則將對燃燒工況形成嚴重干擾,所以風機供風量應和燃燒負荷所對應的燃氣供給量合理跟隨變化。

多年以來,部分預混燃燒技術(shù)在熱水器產(chǎn)品上的應用占據(jù)著統(tǒng)治地位,一方面是由于熱水器燃燒工作的復雜、特殊性;另一方面,則是全預混燃燒技術(shù)在熱水器產(chǎn)品的應用難點尚多,還處于技術(shù)不成熟的起步階段,僅有廣東的極少數(shù)的生產(chǎn)廠家開始嘗試研發(fā)、生產(chǎn)。從最新的行業(yè)資訊及公開的專利文獻看,現(xiàn)有的全預混式熱水器一定程度上顛覆了傳統(tǒng)熱水器的燃燒系統(tǒng),而突出體現(xiàn)在“空～燃”混合、供給模塊,其關(guān)鍵技術(shù)難點在于“空～燃”全預混裝置和全預混燃燒器,以及搭配調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的水、燃氣、空氣工作的控制系統(tǒng),藉此實現(xiàn)按比例均勻預混燃氣和助燃空氣的無級調(diào)節(jié)的理想的熱水器燃燒工作狀態(tài)。

預混燃燒技術(shù)的發(fā)展方向

縱觀預混燃燒技術(shù)在燃氣具產(chǎn)品上的發(fā)展現(xiàn)狀,部分預混燃燒技術(shù)由于應用較早,技術(shù)處理難度較小,因此在燃氣灶具、熱水器產(chǎn)品中已經(jīng)處于技術(shù)成熟階段,幾十年來一直主導著燃氣具產(chǎn)業(yè),并且由于其科學的預混方法,給燃氣燃燒帶來了一定程度的技術(shù)改進,較之擴散式燃燒方法,燃燒效率、溫度要求、排放指標等均得到大幅度改善。但是,從現(xiàn)有的部分預混燃燒技術(shù)產(chǎn)品成果和開發(fā)思路看,部分預混燃燒技術(shù)賦予產(chǎn)品燃燒效率的提升空間已相當有限,尤其是灶具產(chǎn)品,熱效率僅維持在55%左右,且憑借現(xiàn)有的部分預混燃燒固有技術(shù)狀況,也難以實現(xiàn)新的突破。

隨著“節(jié)能環(huán)保”的呼聲日益高漲,全預混燃燒技術(shù)日趨走入燃氣具關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,其相關(guān)產(chǎn)品及專利也頻頻見諸視野。全預混燃燒技術(shù)本身燃燒效率高,能量利用率高,盡管技術(shù)實現(xiàn)難度較大,技術(shù)成本較高,但是其給燃氣具行業(yè)燃燒效率帶來的革命性創(chuàng)新是顯著的,因此代表了燃氣具行業(yè)燃燒技術(shù)的一個重要發(fā)展方向,以市場上新近出現(xiàn)的部分代表性產(chǎn)品為例,足以佐證。

華帝做為國內(nèi)燃氣具制造商巨頭之一,在2022年底隆重推出“凈燃聚能燃氣灶”,引起強烈的市場反響。該新型灶具就是全預混燃燒技術(shù)的附體,凈燃聚能燃氣灶利用了全預混燃燒原理,燃氣和空氣充分配比混合,在合金材料制成的蜂窩燃燒網(wǎng)板瞬間燃燒,燃氣燃燒溫度高達850℃～950℃,燃燒得到熱能的較大部分轉(zhuǎn)化為紅外線,并以紅外光波輻射傳遞為主的形式對鍋體進行加熱,熱效率提高到近70%,由于燃燒完全,CO、NOx等排放指標遠低于國家標準要求。

國內(nèi)另一家燃氣具知名企業(yè)生產(chǎn)的“全預混燃燒熱水器”,則在燃氣熱水器產(chǎn)品中獨占鰲頭。該類產(chǎn)品在熱水器技術(shù)領(lǐng)域首開先河,燃燒系統(tǒng)完全是以全預混燃燒方式設(shè)計,采用新型“空～燃”比例閥和預混風機組合控制方式,將燃氣和空氣一次混合,在全封閉預混燃燒裝置內(nèi)完全燃燒,燃燒強度大,換熱效果好,熱效率得到更大幅度的提高,CO、NOx等煙氣排放指標也完全達標。

預混燃燒技術(shù)的應用難點和突破點

預混燃燒技術(shù)的應用,就燃燒學理論而言,存在著一些難點和突破點,主要體現(xiàn)在兩個方面:一是預混結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,二是燃燒結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

預混結(jié)構(gòu)以引射管為主,引射管決定了一次空氣系數(shù),也就確定了一次空氣的引射量,因此引射管對預混燃燒,尤其是全預混燃燒至關(guān)重要。引射管的長度,兩端開口直徑,管身減速段、穩(wěn)流段等結(jié)構(gòu)特征,對于預混效果都起著不同的作用。為達到良好預混效果,引射管結(jié)構(gòu)在不同的灶具產(chǎn)品中各不相同,但其結(jié)構(gòu)上的變化都是出于共同的技術(shù)考慮。此外,預混腔是混合氣體燃燒前的集散地,預混腔的合理設(shè)計對預混效果也有優(yōu)化作用。

全預混燃燒技術(shù)中,燃氣與空氣充分混合,在火孔燃燒時,不需要二次空氣補給,燃燒時間短,能量爆發(fā)劇烈,熱容強度大,具有一定的不穩(wěn)定因素,易回火、離焰,甚至由于其他流體因素而熄火,對此,燃燒技術(shù)上采取多孔介質(zhì)燃燒器,火孔數(shù)量巨大,覆蓋整個燃燒面。另一個關(guān)鍵的技術(shù)點是確定好火孔的長徑比,長徑比過小,容易回火,而長徑比過大,則容易離焰,在一定的參數(shù)區(qū)間,則能同步實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒、高強度燃燒、完全燃燒等目的,這也是全預混灶具中不采用一般的傳統(tǒng)燃燒器結(jié)構(gòu),而采用新型陶瓷蜂窩狀或者合金網(wǎng)狀紅外燃燒器的主要原因。

在熱水器產(chǎn)品中,預混結(jié)構(gòu)原理基本上與灶具接近,目前的主流燃燒系統(tǒng)都是采用部分預混燃燒技術(shù)。在這種燃燒系統(tǒng)中,二次空氣的供給是一個難點,驅(qū)動風機所能提供的二次空氣量必須經(jīng)過合理計算和分配,既滿足燃燒的需要,也不能過量,并使燃燒效果符合各項熱水器技術(shù)指標,這是熱水器產(chǎn)品研發(fā)的一個重要突破點。此外,燃燒結(jié)構(gòu)的改進是一個技術(shù)難點,現(xiàn)有的條縫式火排、燃氣引射結(jié)構(gòu)和二次空氣供給方式比較普遍和成熟,全新燃燒結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新必然催生一整套全新的燃燒系統(tǒng),對于意圖更新熱水器燃