摘要：通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)研究了28kW的不銹鋼平板式全預(yù)混燃燒器。試驗(yàn)結(jié)果表明燃燒器燃燒穩(wěn)定，性能良好，具有明顯的節(jié)能減排效果，適合于燃?xì)鉄崴骱捅趻鞝t中應(yīng)用。采用CFD和κ-ε湍流模型和Fluent軟件進(jìn)行了全預(yù)混燃燒器的冷熱態(tài)數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果能相吻合，為平板式全預(yù)混燃燒器的開(kāi)發(fā)提供了有價(jià)值的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：平板式；全預(yù)混燃燒；開(kāi)發(fā)研究

　全預(yù)混燃燒器將燃?xì)馀c燃燒需要的空氣預(yù)先充分混合，然后進(jìn)行燃燒；燃?xì)?span>/空氣混合氣在燃燒區(qū)能夠瞬間完成燃燒，往往看不到火焰或者只有很短的火焰。全預(yù)混燃燒具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，由于燃?xì)?空氣混合均勻，空氣過(guò)剩系數(shù)可以控制得很低，因而煙氣量較少，燃燒溫度提高；燃燒產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)對(duì)流和輻射兩種方式傳遞，大大提高傳熱效率。全預(yù)混燃燒器的表面熱強(qiáng)度較高，所以燃燒效率高，頭部尺寸小，燃燒室體積也同樣減小。如果用在燃?xì)鉄崴骰虮趻鞝t中，可以騰出更多的空間進(jìn)行熱交換，因而提高效率。在充分燃燒的條件下，煙氣中CO等不完全燃燒產(chǎn)物濃度降低了；隨著煙氣在高溫區(qū)停留時(shí)間的縮短和空氣量的減少，煙氣中的NO_x含量也大幅度地降低。全預(yù)混燃燒器在工業(yè)上的應(yīng)用比較廣泛，在燃?xì)鉄崴骱捅趻鞝t中開(kāi)發(fā)應(yīng)用全預(yù)混燃燒器，對(duì)于節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)具有重要意義。

　全預(yù)混燃燒器通常有不同的材料和結(jié)構(gòu)形式：陶瓷板紅外線燃燒器，金屬纖維全預(yù)混燃燒器和金屬板式全預(yù)混燃燒器。金屬板式全預(yù)混燃燒器是上世紀(jì)80年代由英國(guó)首先開(kāi)發(fā)成功的，目前在歐洲得到廣泛使用。根據(jù)我們公司的生產(chǎn)條件以及綜合考慮工藝、結(jié)構(gòu)、加工、成本等因素，我們研究開(kāi)發(fā)了不銹鋼平板式全預(yù)混燃燒器，主要用于燃?xì)鉄崴骱屠淠奖趻鞝t。

　我們所開(kāi)發(fā)的平板式全預(yù)混燃燒器由噴嘴、引射器、混合室、平板式火孔頭部等組成。燃燒器用0.8mm厚的不銹鋼薄板加工制成，具有良好的耐高溫、耐腐蝕和加工性能。燃燒器的熱負(fù)荷為28kW，燃?xì)鉃樘烊粴?。采取?qiáng)制鼓風(fēng)式，按照燃?xì)鈮毫?，由電控調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速鼓入適量空氣，進(jìn)入混合腔預(yù)混。為了便于調(diào)節(jié)熱負(fù)荷，整個(gè)燃燒器分成3個(gè)獨(dú)立的單體燃燒器(見(jiàn)圖1、圖2)。兩側(cè)燃燒器的尺寸為107×74.5mm，各占熱負(fù)荷總量的37.6%；中間燃燒器的尺寸為107×50mm，占熱負(fù)荷總量的24.8%；燃燒器頭部的高度為10mm。單體燃燒器由于尺寸的減小，能夠有效地減少高溫下不銹鋼平板的變形，我們還創(chuàng)造性地將燃燒器頭部的平板做成凸弧形，可以進(jìn)一步防止不銹鋼平板的高溫變形和材料剛性的降低。燃燒室頭部設(shè)置一塊多孔均流板，以使頭部火孔的混氣壓力和流量比較均勻，而且有利于防止回火。

　中間燃燒器頭部有730個(gè)圓火孔和160個(gè)扁火孔，側(cè)燃燒器頭部有1300個(gè)圓火孔和200個(gè)扁火孔；圓火孔直徑為中O.82mm，扁火孔長(zhǎng)3.5mm，寬0.7mm(圖2)。頭部的圓形小火孔得到較大的氣流速度，在高溫時(shí)能夠避免回火；而面積稍大的扁形火孔能夠牢牢拉住火焰，防止出現(xiàn)脫火。正是因?yàn)檫@兩種不同形狀火孔的優(yōu)化配置，燃燒試驗(yàn)表明，在不同的熱負(fù)荷條件下都可穩(wěn)定燃燒，能夠有效地防止冷、熱態(tài)回火和脫火。同時(shí)適量的扁孔可以增加火孔總面積，相應(yīng)減少頭部尺寸。

 

平板式全預(yù)混燃燒器被安裝在冷凝式壁掛爐內(nèi)，燃燒所用的燃?xì)馐?span>12T天然氣，供氣壓力2kPa。通過(guò)反復(fù)調(diào)試，取得了良好的效果。燃燒器調(diào)節(jié)控制方便，運(yùn)行時(shí)在火孔之上呈很短的藍(lán)色火焰；在高、低負(fù)荷下都能穩(wěn)定燃燒，沒(méi)有出現(xiàn)回火和脫火現(xiàn)象?；鹧鏈囟却蠹s950～1000℃，燃燒器外壁面溫度基本在110～150℃。熱水產(chǎn)率103%，排煙溫度38℃，熱效率達(dá)到105%，排放的煙氣中CO=225ppm，NO_x=14.9ppm。

　在燃?xì)鉄崴鞯娜紵鲀?nèi)，燃?xì)馀c空氣混合并燃燒成煙氣，一般說(shuō)來(lái)是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的具有化學(xué)反應(yīng)的三維湍流問(wèn)題。采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)學(xué)模型，建立混合氣體的流動(dòng)、傳熱和燃燒基本方程，也即連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程和氣體組分?jǐn)U散方程，并補(bǔ)充湍流的RNGκ-ε模型。為了便于求解，這些基本方程可以用統(tǒng)一格式的通用微分方程來(lái)表示，從而可以應(yīng)用一般化的數(shù)值計(jì)算方法，編制通用的計(jì)算程序。

　(1) 通用微分方程

　采用統(tǒng)一的因變量來(lái)表示特性量，通用微分方程可表示為：

 

　式中：第一項(xiàng)為非定常項(xiàng)，表示單位體積內(nèi)特性量隨時(shí)間的變化率；第二項(xiàng)為對(duì)流項(xiàng)，表示通過(guò)控制面的凈通量；第三項(xiàng)為擴(kuò)散項(xiàng)，表示通過(guò)控制面由分子效應(yīng)引起的輸運(yùn)項(xiàng)的散度，其中G_Φ表示特性量Φ的輸運(yùn)系數(shù)；第四項(xiàng)為源項(xiàng)，表示任一內(nèi)部和外部過(guò)程或源對(duì)控制體內(nèi)特性量變化所作的貢獻(xiàn)。

　當(dāng)式中的特性量Φ分別為常數(shù)1、速度V_i、比熱焓h和組分濃度c時(shí)，通用微分方程就分別表示質(zhì)量方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分?jǐn)U散方程；后三個(gè)方程中相應(yīng)的輸運(yùn)系數(shù)，則分別為動(dòng)力粘度、導(dǎo)熱系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)。

　(2) 連續(xù)性方程

　在通用微分方程中，設(shè)特性量Φ=1，并且在流體中不存在質(zhì)量源或匯，即S_Φ=0時(shí)，方程(1)就成為連續(xù)性方程：

 

    (3) 動(dòng)量方程(Navier-Stokes方程)

如果特性量是速度(動(dòng)量)，即Φ=V_j，源項(xiàng)為受到的外力和內(nèi)力。對(duì)于不可壓縮流體，則得到動(dòng)量方程：

 

式中μ為流體的粘性系數(shù)，

(4) 能量方程

如果特性量是熱焓(能量)，即Φ=h，則可得到能量方程：

 

    (5) 氣體組分的擴(kuò)散方程

在擴(kuò)散方程中，特性量是氣體的組分濃度c：

 

　式中D_m為擴(kuò)散系數(shù)，F(xiàn)_c為組分c的輸入源o

　(6) 湍流的RNG κ-ε模型

　對(duì)于粘性系數(shù)μ為常數(shù)的不可壓流體作等溫流動(dòng)時(shí)，由連續(xù)性方程(2)和動(dòng)量方程(3)就可以組成p、v的封閉方程組，在適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和初始條件下能夠求解流體流動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于湍流，由于速度量在時(shí)均值的基礎(chǔ)上，又增加了湍流帶來(lái)的速度脈動(dòng)值：u′、v′、w′，因而必須引入湍流模型才能封閉求解。

　該湍流模型定義湍流動(dòng)能，湍流動(dòng)量擴(kuò)散率ε=c_Dk^{3/2L，其中c_D為無(wú)量綱的阻力系數(shù)，L為特征長(zhǎng)度。根據(jù)Navier-Stokes方程，可導(dǎo)出κ和ε方程：}

 

　利用Gambit創(chuàng)建平板式全預(yù)混燃燒器的三維網(wǎng)格模型(圖3)，即根據(jù)幾何參數(shù)繪制出燃燒器幾何體，并劃分網(wǎng)格，為中間燃燒器的三維網(wǎng)格模型。

　邊界條件包括進(jìn)口處的氣體流量、速度、溫度和組分，并假定經(jīng)過(guò)燃燒器頭部的多孔均流板，氣體速度和組分實(shí)現(xiàn)均勻分布。模擬計(jì)算采用的燃?xì)馐?span>12T天然氣，過(guò)?？諝庀禂?shù)α=1.05，火孔熱強(qiáng)度9.1W/mm²，氣體進(jìn)口溫度為20℃。應(yīng)用Fluent5/6求解器作了數(shù)值計(jì)算。

 

　燃燒器中心截面的速度分布如圖4。中間燃燒器和兩側(cè)燃燒器的火孔出口氣體速度分布見(jiàn)圖5和6。出，經(jīng)過(guò)多孔均流板以后，燃燒器頭部的火孔出口氣流速度基本均勻，達(dá)到4.Om/s。

 

　熱態(tài)數(shù)模計(jì)算得到了中間燃燒器和兩側(cè)燃燒器的火孔出口以及火孔以上20mm的溫度分布，見(jiàn)圖7到圖12。由圖中可以看出，無(wú)論是中間燃燒器，還是兩側(cè)燃燒器，火焰都比較均勻，火孔以上有約6mm高度的短火焰，很快燃燒完全，火焰溫度達(dá)到1000℃，與樣機(jī)試驗(yàn)的實(shí)際燃燒溫度相吻合。

　(1) 通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和反復(fù)試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)了28kW的平板式全預(yù)混燃燒器。該燃燒器混合均勻，火孔熱強(qiáng)度大，燃燒溫度和燃燒效率高；頭部體積和燃燒室明顯減?。蝗紵€(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)回火和脫火現(xiàn)象；排放煙氣中CO和NO_x濃度降低。因此。該全預(yù)混燃燒器具有明顯的節(jié)能減排效果，適合應(yīng)用于燃?xì)鉄崴骱捅趻鞝t。

　(2) 建立了平板式全預(yù)混燃燒器的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與燃燒試驗(yàn)結(jié)果相吻合，表明數(shù)值模擬是合理可信的，可以為燃燒器開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)和參考。

　(3) 為了整體提高熱水器和壁掛爐的能效，今后還需進(jìn)一步提高全預(yù)混燃燒器的性能，降低制造成本，探討燃燒器與熱交換器的匹配耦合問(wèn)題。

[1] 同濟(jì)大學(xué)，重慶建筑大學(xué)，哈爾濱建筑大學(xué)，北京建筑工程學(xué)院燃?xì)馊紵c應(yīng)用(第三版).北京：建筑工業(yè)出版社，2005

[2] 趙堅(jiān)行.燃燒的數(shù)值模擬.北京：科學(xué)出版社，2002

[3] 岑可法，姚強(qiáng)，駱仲泱，李絢天.高等燃燒學(xué).杭州：浙江大學(xué)出版社，2002

 

(本文作者：徐德明¹ 魏敦崧² 盧志龍¹ 周高云¹ 1.寧波方太廚具有限公司 浙江寧波 315300；2.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 上海 200092)