燃燒區(qū)負(fù)壓對(duì)大氣式燃燒器調(diào)節(jié)特性的影響

摘 要

摘要：對(duì)大氣式燃燒器，當(dāng)燃燒器頭部燃燒區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)特性會(huì)受到影響。分析了燃燒器引射能力與燃燒區(qū)負(fù)壓的關(guān)系，結(jié)合典型案例，量化分析了燃燒區(qū)負(fù)壓對(duì)燃燒器一次空氣系
摘要：對(duì)大氣式燃燒器，當(dāng)燃燒器頭部燃燒區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，其自動(dòng)調(diào)節(jié)特性會(huì)受到影響。分析了燃燒器引射能力與燃燒區(qū)負(fù)壓的關(guān)系，結(jié)合典型案例，量化分析了燃燒區(qū)負(fù)壓對(duì)燃燒器一次空氣系數(shù)的影響。大氣式燃燒器引射的一次空氣量對(duì)燃燒區(qū)負(fù)壓非常敏感，負(fù)壓會(huì)增大一次空氣系數(shù)。
關(guān)鍵詞：大氣式燃燒器；負(fù)壓；自動(dòng)調(diào)節(jié)特性；一次空氣系數(shù)
1 概述
低壓引射大氣式燃燒器對(duì)空氣引射能力的基本計(jì)算公式為[1]：
 
式中u——質(zhì)量引射系數(shù)，即引射器所引射的空氣質(zhì)量流量與燃?xì)赓|(zhì)量流量之比
    d——燃?xì)庀鄬?duì)密度
    A——無因次面積，引射器喉部面積與噴嘴面積之比
    K——引射器的能量損失系數(shù)
    K1——燃燒器頭部的能量損失系數(shù)
    A1——無因次面積，引射器喉部面積與火孔總面積之比
    民用燃?xì)饩咭话悴捎玫蛪阂浯髿馐饺紵?sup>[2]，燃燒器設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化及火焰穩(wěn)定性，都值得深入研究[3～4]。
    近幾年來，市場(chǎng)上出現(xiàn)了一種集成式燃?xì)庠?，這種燃?xì)庠钭畲蟮奶攸c(diǎn)是，將抽油煙機(jī)煙氣吸入口與燃?xì)庠罱嚯x地集成在一起，見圖1。集成式燃?xì)庠畹某橛蜔煓C(jī)煙氣吸入口呈環(huán)型分布在燃燒器頭部的側(cè)上方，從炊具的側(cè)面吸走煙氣。

    在集成式燃?xì)庠钪?，抽油煙機(jī)在炊具側(cè)面近距離吸走油煙，極有可能使燃燒器的頭部周圍產(chǎn)生負(fù)壓。筆者曾經(jīng)對(duì)浙江某公司生產(chǎn)的集成式燃?xì)庠钭鲞^頭部火焰附近負(fù)壓的測(cè)試。在不同的抽油煙機(jī)抽煙強(qiáng)度下，燃燒器頭部附近會(huì)產(chǎn)生-30～0Pa的負(fù)壓。
   式(1)所列的大氣式燃燒器的自動(dòng)調(diào)節(jié)特性是在頭部壓力為大氣壓時(shí)推導(dǎo)得到的。燃燒器頭部的負(fù)壓必將影響大氣式燃燒器對(duì)一次空氣的引射能力，進(jìn)而影響燃燒的性能及穩(wěn)定性。胡鵬等人曾實(shí)驗(yàn)研究了采用大氣式燃燒器的強(qiáng)制排風(fēng)式熱水器燃燒室負(fù)壓對(duì)引射器一次空氣系數(shù)的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)一次空氣系數(shù)呈線性關(guān)系隨燃燒室負(fù)壓絕對(duì)值的增大而增大[5]，但未從理論角度分析一次空氣系數(shù)與燃燒室負(fù)壓值的關(guān)系。因此，有必要對(duì)該問題進(jìn)行深入研究。
2 燃燒區(qū)負(fù)壓對(duì)大氣式燃燒器的影響
   對(duì)大氣式燃燒器，其引射器可以認(rèn)為是常壓吸氣低壓引射器，即一次空氣吸入口處的壓力為大氣壓力。設(shè)燃?xì)饨?jīng)過引射器引射了一定量的空氣之后，在頭部所形成的靜壓力為p1。由于抽油煙機(jī)的近距離抽吸，在燃燒器頭部周圍環(huán)境(燃燒區(qū))形成的負(fù)壓為p2。燃?xì)庠趪娮烨熬哂械膲毫?灶前壓力)為p3。
引射器的計(jì)算公式為[1]：
 
式中p1——燃燒器頭部的靜壓力，Pa
     p2——燃?xì)庠趪娮烨暗膲毫?，Pa
     μ——噴嘴流量系數(shù)
此時(shí)，燃?xì)?、空氣混合物從頭部逸出的壓力來源于頭部靜壓p1及燃燒頭部周圍環(huán)境負(fù)壓p2之差，見式(3)。
 
式中p2——燃燒器頭部周圍環(huán)境的負(fù)壓，Pa
    vp——火孔出口速度，m/s
    ρmix——燃?xì)狻⒖諝饣旌蠚獾拿芏?，kg/m3
   
式中qg——燃?xì)獾捏w積流量，m3/s
    Ap——火孔總面積，m2
根據(jù)能量守恒定律，對(duì)燃燒器的噴嘴有下式：
 
式中v1——噴嘴出口的燃?xì)馑俣?，m/s
    ρg——燃?xì)獾拿芏龋琸g/m3
    低壓燃?xì)夂雎钥蓧嚎s性，有特性方程式：
 
式中Aj——噴嘴面積，m2
將式(3)～(7)合并整理后可得：
 
將式(8)代入式(2)，整理后得：
 
從式(9)可以看出，燃燒區(qū)出現(xiàn)負(fù)壓后，引射式燃燒器的引射能力不僅與燃燒器的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與負(fù)壓的大小有關(guān)。若燃燒過程中燃燒區(qū)負(fù)壓保持不變，則燃燒器仍然具有自動(dòng)調(diào)節(jié)特性；若燃燒過程中負(fù)壓發(fā)生改變，則燃燒器的引射能力將會(huì)變化。
3 典型案例分析
    考慮天然氣和液化石油氣，選擇燃燒器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其在燃燒區(qū)無負(fù)壓(p2=0)時(shí)的一次空氣系數(shù)為0.6。氣體特性及燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。
表1 典型案例中氣體特性及燃燒器結(jié)構(gòu)參數(shù)
燃?xì)夥N類
天然氣
液化石油氣
相對(duì)密度d
0.5750
1.9545
理論空氣需要量V0/(m3·m-3)
9.64
28.28
灶前壓力p3/kPa
2.O
2.8
引射器的能量損失系數(shù)K
2.1
燃燒器頭部的能量損失系數(shù)K1
2.7
噴嘴流量系數(shù)μ
0.7
元因次面積A1
0.3708
0.4683
無因次面積A
92.70
234.20
頭部無負(fù)壓時(shí)的一次空氣系數(shù)
0.6
0.6
    通過計(jì)算可知，在使用不同燃?xì)獾臈l件下，燃燒器的引射能力不同。表2是根據(jù)式(9)計(jì)算出來的結(jié)果，隨著負(fù)壓的變化，燃燒器的質(zhì)量引射系數(shù)、體積引射系數(shù)也相應(yīng)變化。
    根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，由質(zhì)量引射系數(shù)配計(jì)算一次空氣系數(shù)，繪制出燃燒區(qū)負(fù)壓對(duì)一次空氣系數(shù)的影響曲線，見圖2。
表2 典型案例中負(fù)壓對(duì)燃燒器質(zhì)量引射系數(shù)、體積引射系數(shù)的影響
負(fù)壓p2/Pa
天然氣燃燒器
液化石油氣燃燒器
質(zhì)量引射系數(shù)u
體積引射系數(shù)ud
質(zhì)量引射系數(shù)u
體積引射系數(shù)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
 

    典型案例中燃燒器的一次空氣系數(shù)對(duì)燃燒區(qū)壓力的變化非常敏感，隨著燃燒區(qū)負(fù)壓絕對(duì)值的增大而增大，這與胡鵬等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合[5]。
4 結(jié)語
    通過理論分析和典型案例分析得知，頭部燃燒區(qū)負(fù)壓會(huì)對(duì)大氣式燃燒器的一次空氣引射能力產(chǎn)生影響。燃燒器所能引射的一次空氣量隨著頭部負(fù)壓絕對(duì)值的增大而增大，這會(huì)影響大氣式燃燒器的工作狀態(tài)，進(jìn)而影響其燃燒穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)集成式燃?xì)庠顣r(shí)，應(yīng)充分考慮燃燒區(qū)負(fù)壓對(duì)大氣式燃燒器自動(dòng)調(diào)節(jié)特性的影響。
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(本文作者：梁曉敏1 解東來1 溫明霞1 葉根銀2 1.華南理工大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院 廣東廣州 510640；2.丹陽奧恩能源科技發(fā)展有限公司 江蘇丹陽 212300)