摘要：針對(duì)紅外輻射式燃燒器燃燒穩(wěn)定性差的問題，結(jié)合試驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)生回火、脫火和噪聲問題的原因進(jìn)行分析，通過燃燒器結(jié)構(gòu)及腔體結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，以及燃燒器表面材料的合理選取，達(dá)到穩(wěn)定燃燒、不回火、不脫火、無高頻噪聲的效果。

關(guān)鍵詞：  紅外輻射式燃燒器；  全預(yù)混燃燒；  燃燒穩(wěn)定性；  金屬網(wǎng)；  噪聲

Study on Combustion Stability and Noise of Infrared Radiation Burner

Abstract：In view of poor stability of infrared radiation burner，the causes for flash back：flame lifting and noise are analyzed experimentally．The stable combustion，no flash back，on flame lifting and no high-frequency noise can be achieved by rational design of burner structure and its head structure as

well as rational select ion of burner surface material．

Key words：  infrared radiation burner；  fully premixed combustion：  combustion stability；metal mesh：  noise

1 概述

紅外輻射式燃燒器在燃燒效率與煙氣指標(biāo)方面較佳，它比較適用于蒸烤類灶具，如蒸箱、大鍋灶和烤箱等。該燃燒器是一種低壓引射式完全預(yù)混燃燒器，燃燒所需要的空氣全部依靠低壓燃?xì)獾哪芰课?，并進(jìn)行全部預(yù)混，過?？諝庀禂?shù)為1．03～1．06?；静恍枰慰諝?，燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合物到達(dá)燃燒區(qū)后能瞬間完成燃燒，火焰很短甚至看不見。這種燃燒方式燃燒比較完全，能達(dá)到較高的燃燒溫度，對(duì)流熱損失小，而且燃燒產(chǎn)物中N0_x及C0濃度都很小。另一方面，由于這種燃燒方式的一次空氣系數(shù)較大，空-燃比接近于理論值，造成這種燃燒方式的穩(wěn)定性較差，燃燒溫度較高時(shí)容易發(fā)生回火，以及燃燒器表面材料對(duì)燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。從我們掌握的商用紅外輻射式燃燒器使用情況看，很多是由于陶瓷板燒裂、陶瓷板邊緣與金屬交接處密封不嚴(yán)等多種原因產(chǎn)生回火，影響其正常工作。目前紅外輻射燃燒技術(shù)在中餐灶的應(yīng)用主要是陶瓷板燃燒器，但陶瓷板材料抗高溫、抗機(jī)械沖擊能力差，使用不當(dāng)易造成水流到熾熱的燃燒器表面而產(chǎn)生炸裂，發(fā)生回火，使用壽命縮短。有的廠家為了防止回火，或?yàn)榱藵M足用戶對(duì)明火的需求而采用帶小火苗的紅外燃燒器，殊不知這樣會(huì)導(dǎo)致煙氣中的C0超標(biāo)，未達(dá)到紅外輻射式燃燒器應(yīng)有的效果。因此，我們針對(duì)該燃燒器存在的問題，對(duì)燃燒器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研發(fā)，從工藝和材質(zhì)上進(jìn)行改進(jìn)。采用鐵絡(luò)鋁金屬網(wǎng)面燃燒器，避免了這一缺陷，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，使用壽命大大提高，而且特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又進(jìn)一步提高了熱效率。

2 陶瓷板紅外輻射式燃燒器的特性

陶瓷板紅外輻射式燃燒器的燃燒表面由若干塊多火孔陶瓷板組成，適用于天然氣的陶瓷板的火孔直徑d_p=1．2～1．5 mm，適用于液化石油氣的d_p=1．1～1．2 mm。為了防止回火，陶瓷板的熱導(dǎo)率小于0．58 W／(m·K)。燃燒器工作時(shí)，燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合物以很小的速度(0．10～0．14 m／s)從火孔逸出進(jìn)行燃燒。點(diǎn)燃后約過40～50 S，板面溫度即可達(dá)到800～900℃。這時(shí)板面呈紅色，向外輻射紅外線。輻射熱效率隨形狀不同，可達(dá)到45％～60％。

陶瓷板具有熱導(dǎo)率小、質(zhì)地均勻、成本低等特點(diǎn)，陶瓷材料的低熱導(dǎo)率有助于保持火焰的穩(wěn)定，燃燒器火孔采用蜂窩狀排列，能有效地避免離焰和回火，增大熱負(fù)荷調(diào)節(jié)比。但是，當(dāng)陶瓷板有裂縫時(shí)，很容易發(fā)生回火。當(dāng)熱負(fù)荷過大時(shí)，火孔熱強(qiáng)度過大，溫度過高，會(huì)使陶瓷板燒酥，縮短陶瓷板的使用壽命。

3 凹面組合金屬網(wǎng)紅外輻射式燃燒器

①結(jié)構(gòu)

燃燒器表面由多個(gè)扇形金屬網(wǎng)塊組成一個(gè)坡向中心的碟狀坡面，中心為一個(gè)圓形金屬網(wǎng)塊，燃燒器表面組合成凹面結(jié)構(gòu)。這樣增大了火孔總面積，同時(shí)也增加了與被加熱鍋的接觸面積，有利于提高熱效率。坡向中心的凹面結(jié)構(gòu)使得火力集中，減少了輻射熱損失，進(jìn)一步提高熱效率。該燃燒器適用于大鍋灶。

燃燒器主要由引射器、火蓋和腔體三部分組成。引射器包括噴嘴、喉管、擴(kuò)散管。火蓋由金屬網(wǎng)塊和支撐框架組成。腔體采用中心下凹狀結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散管設(shè)置在下凹腔體內(nèi)。這既縮小了腔體的體積，又能容納引射器擴(kuò)散管且不影響擴(kuò)散管的功能。凹面組合金屬網(wǎng)紅外輻射式燃燒器結(jié)構(gòu)見圖l。

②性能

燃燒器頭部以雙層金屬網(wǎng)代替陶瓷板，雙金屬網(wǎng)作為穩(wěn)焰載體，燃燒器工作時(shí)可燃?xì)怏w混合物在內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間進(jìn)行燃燒。當(dāng)輻射表面溫度達(dá)到850～900℃的高溫時(shí)，便向外輻射紅外線。輻射面熱強(qiáng)度可達(dá)0．14～0．19 W／mm²，輻射效率為45％左右。金屬網(wǎng)的細(xì)密性決定了燃燒器的回火傾向性極低。另外，鐵絡(luò)鋁材質(zhì)的金屬網(wǎng)耐高溫性能好，熱惰性小，能被很快地加熱和冷卻。金屬網(wǎng)比多孔陶瓷板結(jié)實(shí)，遇水不會(huì)產(chǎn)生炸裂，有一定的機(jī)械強(qiáng)度。

4 回火問題分析與改進(jìn)措施

紅外輻射式燃燒器屬全預(yù)混燃燒器，燃燒完全，一次空氣系數(shù)較大，燃燒穩(wěn)定性就受到影響，容易產(chǎn)生回火現(xiàn)象，因此，如何控制回火是關(guān)鍵的問題。造成回火的原因有多種，火孔熱強(qiáng)度過高容易產(chǎn)生回火。金屬網(wǎng)變形后孔徑變大，陶瓷板龜裂破損漏氣而導(dǎo)致火孔熱強(qiáng)度降低時(shí)，也易回火。陶瓷板紅外輻射式燃燒器與金屬網(wǎng)紅外輻射式燃燒器的燃燒過程與回火原因有所不同。

①陶瓷板紅外輻射式燃燒器回火分析

多孔陶瓷板燃燒狀況見圖2^[1-2]。陶瓷板紅外輻射式燃燒器的輻射面是布滿許多小孔道的陶瓷板，當(dāng)燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體通過小孔道著火后，燃燒所產(chǎn)生的熱量主要加熱煙氣和陶瓷板，其中陶瓷板得到的熱量大部分由A面向外輻射。當(dāng)?shù)蜏氐娜細(xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體從B面流進(jìn)孔道以后，對(duì)孔道壁進(jìn)行沖刷冷卻，同時(shí)其本身沿孔道長(zhǎng)度方向溫度逐漸升高，當(dāng)接近A面時(shí)，又得到來自火焰面的輻射熱，使其立即達(dá)到著火溫度而燃燒。隨著陶瓷板外表面溫度的升高，其沿A—B各點(diǎn)溫度也相應(yīng)升高，使小孔道內(nèi)的未燃混合氣體預(yù)熱溫度也相應(yīng)升高，加劇了燃燒反應(yīng)，提高了燃燒溫度和火焰?zhèn)鞑ニ俣?，火焰面?span lang="EN-US">A面向板內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)燃燒溫度升高，增加了陶瓷板內(nèi)各點(diǎn)溫度，使其既向外增加輻射熱，又提高了小孔道內(nèi)未燃混合氣體的預(yù)熱溫度。當(dāng)燃燒反應(yīng)熱等于散熱而達(dá)到熱平衡后，燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體的預(yù)熱溫度不再升高并有可能在離A面某一距離的C而就達(dá)到著火溫度。氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣冗_(dá)到一定的動(dòng)平衡，火焰面就穩(wěn)定在C而上。如果增加負(fù)荷即增加燃燒反應(yīng)熱，而陶瓷板的散熱速度小于反應(yīng)熱的生成速度，則火焰面向B面移動(dòng)，此時(shí)，靠近陶瓷板內(nèi)表面B面處的燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體預(yù)熱溫度升高很快，當(dāng)達(dá)到著火溫度時(shí)，火焰面就立即移至外殼內(nèi)形成回火，稱為熱回火，即負(fù)荷過大使相應(yīng)的火孔熱強(qiáng)度大而產(chǎn)生熱回火。

②金屬網(wǎng)紅外輻射式燃燒器的回火分析

金屬網(wǎng)紅外輻射式燃燒器的輻射而是由兩層相隔一定距離的孔徑不同的金屬絲網(wǎng)構(gòu)成的，外網(wǎng)孔徑大，內(nèi)網(wǎng)孔徑小，材料采用鐵絡(luò)鋁合金絲。當(dāng)靠近外網(wǎng)的外表面遇到火源著火后，因外網(wǎng)的網(wǎng)孔面積大，火焰?zhèn)鞑ニ俣却笥谕饩W(wǎng)網(wǎng)孔內(nèi)燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體流速而使火焰立即縮入外網(wǎng)內(nèi)。又因內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)孔面積?。鹧?zhèn)鞑ニ俣刃∮趦?nèi)網(wǎng)網(wǎng)孔內(nèi)氣流速度，使火焰被阻于內(nèi)網(wǎng)外，這樣，火焰面就被限制在內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)之間的空間內(nèi)。在火焰面上，燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體的氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣忍幱趧?dòng)平衡狀態(tài)。但是，如果因某種原因引起流過內(nèi)網(wǎng)上某一點(diǎn)網(wǎng)孔內(nèi)的燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體速度小于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋瑑烧呔褪?dòng)平衡，火焰就縮入內(nèi)網(wǎng)進(jìn)入腔體而引起回火。如果流過內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)孔內(nèi)的氣流速度足夠小(火孔熱強(qiáng)度足夠小)，導(dǎo)致火焰面就在內(nèi)網(wǎng)上，此時(shí)由于內(nèi)網(wǎng)的散熱作用，火焰溫度下降，使得本來極少的燃燒反應(yīng)熱不能將貼近火焰面的燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體預(yù)熱到著火溫度而使燃燒中斷，自動(dòng)熄滅。

此外，可燃混合氣體的反應(yīng)熱被外網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)、煙氣和火焰面上游側(cè)的未燃混合氣體吸收，而內(nèi)網(wǎng)的輻射熱又加熱了流經(jīng)內(nèi)網(wǎng)的燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體，使其預(yù)熱溫度升高。如果系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的燃燒反應(yīng)熱等于散熱．則整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)無熱量積聚，燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體的預(yù)熱溫度就不再變化，氣流速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣戎g保持了一定的動(dòng)平衡狀態(tài)，火焰面就穩(wěn)定在內(nèi)、外網(wǎng)間的某一位置上，燃燒處于熱平衡狀態(tài)；如果增加熱負(fù)荷，使系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)的燃燒反應(yīng)生成熱大于散熱，則整個(gè)系統(tǒng)溫度上升，進(jìn)入新的熱量平衡狀態(tài)，燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體的預(yù)熱溫度將升高，反應(yīng)加劇，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊脑黾哟笥诖┻^內(nèi)網(wǎng)孔氣流速度的增加，動(dòng)平衡的改變使火焰面向內(nèi)網(wǎng)靠近，內(nèi)網(wǎng)的溫度升高。如果繼續(xù)增加熱負(fù)荷，火焰面將越來越貼近內(nèi)網(wǎng)，內(nèi)網(wǎng)的溫度也越來越高，一直到靠近內(nèi)網(wǎng)上游側(cè)的燃?xì)?span lang="EN-US">-空氣混合氣體達(dá)到著火溫度時(shí)，在某一點(diǎn)就首先著火燃燒而形成回火^[1]。

因此，燃?xì)饧t外輻射式燃燒器穩(wěn)定燃燒時(shí)的火焰面是處在氣流速度與火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊膭?dòng)平衡和燃燒反應(yīng)熱與散熱的熱平衡狀態(tài)。

實(shí)踐證明，對(duì)于輻射面完好、選用合理、熱強(qiáng)度小于回火極限的上述燃?xì)饧t外輻射式燃燒器一般不會(huì)發(fā)生回火，但是超過回火極限時(shí)，則會(huì)發(fā)生回火^[1]。

③金屬網(wǎng)變形等原因產(chǎn)生的回火及改進(jìn)措施

火蓋不嚴(yán)，漏火點(diǎn)過大，以及金屬網(wǎng)變形后孔徑變大，超過了同火極限孔徑，由于火孔熱強(qiáng)度相對(duì)于一般大氣式燃燒器要低，如果火孔之外再有不嚴(yán)密的地方，就會(huì)造成出火面積過大，火孔熱強(qiáng)度過低，造成回火。還有結(jié)構(gòu)方面的原因，金屬網(wǎng)紅外輻射式燃燒器火焰在上下兩層網(wǎng)之間燃燒，網(wǎng)間距為10～12 mm，由于火焰的溫度較高，金屬網(wǎng)表面的溫度達(dá)到l 000℃左右，使得外網(wǎng)容易發(fā)生變形，變形嚴(yán)重時(shí)，上下網(wǎng)之間的間距縮小，局部有些地方距離過小甚至貼上，就會(huì)使火焰在內(nèi)網(wǎng)上燃燒，從而發(fā)生回火現(xiàn)象。在兩層網(wǎng)之間加設(shè)支架能減小變形，控制上下網(wǎng)之間的間距，達(dá)到避免回火的目的。金屬網(wǎng)支架見圖3。

5 脫火問題分析

當(dāng)紅外輻射式燃燒器的火孔出口流速過大時(shí)．火焰在燃燒器表面燃燒，不能將燃燒器表面材質(zhì)燒紅。造成這種現(xiàn)象的原因有兩種，一種是一次空氣流量過大，這是因?yàn)檫^量的一次空氣帶走了燃燒反應(yīng)熱，使燃燒器表面溫度降低，從而破壞了焰面上燃燒的熱平衡和速度的動(dòng)平衡，使火焰面外移。另一種是燃?xì)饬髁颗c空氣流量都過大。因此，要在保證燃燒負(fù)荷的前提下，通過合理設(shè)計(jì)燃燒器和調(diào)節(jié)風(fēng)門來控制空-燃比，才能控制燃燒不脫火。

6 吊火高度對(duì)煙氣和熱效率的影響

紅外輻射式燃燒器非常適用于大鍋灶，燃燒器安裝于鍋體的下方，爐膛底部。吊火高度是指鍋底距燃燒器上表面中心的距離。紅外輻射式燃燒器采用完全預(yù)混式燃燒，幾乎不需要從周圍獲取二次空氣。較小的吊火高度，對(duì)紅外輻射式燃燒器與鍋的換熱是有利的。一方面產(chǎn)生的高溫?zé)煔馀c鍋底充分接觸．進(jìn)行輻射和對(duì)流換熱；另一方面根據(jù)輻射換熱角系數(shù)的定義，赤熱的板面離鍋底越近，平均角系數(shù)越大，輻射換熱量就越多，而從鍋底與燃燒器上表面之間的空隙向周圍環(huán)境的輻射熱損失就越小^[3]。

吊火高度過低則排煙不暢，影響一次空氣的引入而導(dǎo)致煙氣中的C0含量偏高；吊火高度過高，煙氣中的C0含量雖然低，但影響了熱效率。因此，在保證煙氣中C0含量達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，應(yīng)盡可能降低吊火高度。經(jīng)試驗(yàn)得出，吊火高度取30～40 mm比較合適。

大氣式燃?xì)庠畹牡趸鸶叨仁潜容^大的，因?yàn)檩^小的吊火高度會(huì)減少二次空氣的供給量，同時(shí)，燃燒形成的本生火焰易與冷的鍋底接觸，這樣都會(huì)產(chǎn)生不完全燃燒而導(dǎo)致煙氣中的C0含量升高。較高的鍋支架高度，會(huì)增加周圍空氣向火焰的擴(kuò)散，降低火焰溫度而減少了對(duì)鍋的換熱。這也正是紅外輻射式燃燒器比大氣式燃燒器熱效率高且污染低的原因之一。

7 燃燒器結(jié)構(gòu)對(duì)噪聲及吊火高度的影響

在實(shí)際使用和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燃燒器的腔體過大時(shí)，大氣式燃燒器會(huì)產(chǎn)生較大的關(guān)火噪聲，紅外輻射式燃燒器在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲。

據(jù)分析，燃燒器腔體的微正壓要保持在一定的范圍，超出這個(gè)范圍，燃燒器腔體壓力過低，就會(huì)使得燃燒產(chǎn)生回火趨勢(shì)而產(chǎn)生噪聲。腔體過大就會(huì)產(chǎn)生這種效果。同時(shí)，燃燒器腔體過大，起到了放大噪聲的作用，因此腔體的體積要適度。

燃燒器腔體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是燃燒器穩(wěn)定燃燒的關(guān)鍵因素之一。由于引射器的擴(kuò)散管在燃燒器的腔體內(nèi)部．因此，為容納擴(kuò)散管，傳統(tǒng)的紅外輻射式燃燒器腔體高度相對(duì)較高，使得腔體的體積偏大，當(dāng)完全預(yù)混燃燒時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，腔體還會(huì)起到放大噪聲的作用。因此，在保證正常燃燒的前提下，應(yīng)盡可能降低腔體的高度。

采用下凹狀結(jié)構(gòu)燃燒器腔體后，腔體的體積變小，同時(shí)又能容納引射器擴(kuò)散管且不影響擴(kuò)散管的功能，改變了噪聲耦合頻率，高頻噪聲消失。燃燒器腔體結(jié)構(gòu)見圖4。

燃燒器腔體結(jié)構(gòu)改造前，燃燒器的腔體高度h=124 mm。為了消除高頻噪聲，只能靠增加吊火高度，吊火高度在150 mm時(shí)，噪聲消失；吊火高度小于150 mm時(shí)就會(huì)出現(xiàn)高頻噪聲。這樣的吊火高度大大影響了灶具熱效率的提高。因此，靠提升吊火高度來消除噪聲的方法不可取。

采用新型結(jié)構(gòu)燃燒器腔體后，腔體的體積變小，同時(shí)改變了噪聲耦合頻率，高頻噪聲消失。但腔體內(nèi)部高度要適宜，過小易造成燃?xì)?、空氣混合不均，燃燒不完全而?span lang="EN-US">C0含量升高。燃燒器腔體結(jié)構(gòu)改造后試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表l。

由表l的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，腔體高度h=90mm時(shí)，在吊火高度比較低的情況下燃燒狀況、熱效率和煙氣中的C0含量等綜合狀況相對(duì)較好。因此，該燃燒器腔體高度比較合適。燃燒器腔體高度確定后，將金屬網(wǎng)紅外輻射式燃燒器安裝在鍋直徑為800 mm的大鍋灶上進(jìn)行試驗(yàn)，腔體高度為90mm時(shí)調(diào)整吊火高度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

由試驗(yàn)得出，所測(cè)試的燃燒器安裝在鍋直徑為1 000 mm的大鍋灶上時(shí)負(fù)荷偏小，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試工況條件下，水的升溫速度偏低。從表2數(shù)據(jù)看出，安裝在鍋直徑為800 mm的大鍋灶上，雖然熱效率略有下降，但升溫速度提高了，滿足了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)煙氣中的C0與N0_x含量比較低。對(duì)于鍋直徑為800 mm的大鍋灶，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試工況條件下的升溫速度是3．0℃／min，C0體積分?jǐn)?shù)小于0．1％，熱效率大于45％。從表2可以看出，熱效率為53．7％，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，煙氣中的C0體積分?jǐn)?shù)為0．026 4％，遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值。

8 結(jié)論

紅外輻射式燃燒器由于其穩(wěn)定性較差，受結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)計(jì)、加工工藝以及使用環(huán)境的影響比較大。當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲等問題。工藝設(shè)計(jì)不合理，會(huì)產(chǎn)生氣密性差的問題，從而產(chǎn)生回火。使用不當(dāng)(如淋水)，陶瓷板會(huì)發(fā)生炸裂而影響其正常燃燒。因此，經(jīng)過創(chuàng)新研發(fā)、合理設(shè)計(jì)燃燒器腔體結(jié)構(gòu)，采用金屬網(wǎng)材料的紅外輻射式燃燒器，避免了上述問題的發(fā)生，充分發(fā)揮了紅外輻射式燃燒器的良好特性，具有燃燒完全、N0_x、CO污染物排放量少、熱效率高等特點(diǎn)。

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本文作者：高春梅   察瑞東   張晶

作者單位：北京市公用事業(yè)科學(xué)研究所