預混燃燒灶具燃燒技術(shù)升級方向

　　隨著國家節(jié)能減排政策的逐步升級，家用燃氣灶的燃燒技術(shù)也需同步不斷升級，需要在原來基礎(chǔ)上能效（熱效率）更高，同時廢氣排放量更少。各個燃氣具生產(chǎn)制造企業(yè)也在挖空心思，加大對燃氣燃燒器的研制，不斷的改進和提升燃燒性能。鼓風燃燒技術(shù)便是在此背景下誕生的，筆者就重點對鼓風燃燒進行分析，從整個鼓風燃燒技術(shù)的發(fā)展過程中我們不難分析出灶具燃燒技術(shù)升級的大勢所趨。

　　燃氣是所有氣體燃料的總稱，燃氣的燃燒需要三個條件：燃氣中的可燃氣體必須和氧氣按照一定比例呈分子狀態(tài)混合，必須有需要激活反應所需要的能量，必須有反應所必須的時間。意即燃燒的第一條件是必須有助燃氣體，即空氣中的氧。對于燃燒來說，按照其空氣來源，燃燒方式可以分為：擴散燃燒、大氣式燃燒（部分預混式）、完全預混式燃燒（無焰燃燒）。

　　擴散燃燒：預先不混入空氣，燃氣被點燃瞬間靠分子的擴散作用獲得穩(wěn)定燃燒所需要的全部空氣，此種燃燒方式叫擴散式燃燒。此種火焰特點是火焰很長，且不穩(wěn)定。

　　大氣式燃燒：預先混入燃燒所需要的部分空氣，火焰被點燃后再靠擴散作用來獲得燃燒所需要的另外一部分空氣。這部分預先混入的空氣我們叫它一次空氣（一次空氣：再燃燒前，預先混入的那部分空氣統(tǒng)稱為一次空氣，一般為低壓燃氣引射的空氣），另外一部分叫二次空氣（二次空氣：靠火焰及分子的擴散作用從外界獲得的那部分空氣，稱為二次空氣）。在控制好一次空氣的條件下，能具有一定范圍的不離焰不回火的穩(wěn)定火焰區(qū)，在此區(qū)內(nèi)可以調(diào)節(jié)負荷。這種燃燒方法，結(jié)合用燃氣引射空氣的引射型形成引射型大氣式燃器具，在家用燃氣用具中得到廣泛應用。這是因為其燃燒產(chǎn)物這CO較少，充分利用了燃氣的本身壓力與空氣混合，燃具結(jié)構(gòu)簡單，使用操作方便的結(jié)果。大氣式(部分預混空氣)燃燒方法也有不可避免的缺點。首先這種燃燒方法需要組織好二次空氣，為此需要足夠的二次空氣進口面積。

　　完全預混式燃燒：預先混入燃燒所需要的全部空氣再進行燃燒的一種燃燒方式。此種燃燒方法的特點是火焰短，附著于燃燒表面，看不到火焰，故稱無焰式燃燒方法，或稱其為完全預混式燃燒方法。這種燃燒方法的穩(wěn)定性較差，穩(wěn)定燃燒的范圍較小，必須采用防止離焰與回火的穩(wěn)焰措施。目前家用燃氣灶當中，紅外線燃燒在全預混方式中比較常見，主要有多孔陶瓷板，雙層金屬纖維，催化棉等。他們原理一般都為通過加大腔體，小負荷來等同實現(xiàn)全預混，并通過上述結(jié)構(gòu)裝置來實現(xiàn)穩(wěn)定燃燒。

　　不同燃燒方式有各自不同的火焰特點，我們可以通過下面的圖示更為直觀了解三種燃燒方式的火焰特點：

　　注：燃燒均在理想狀態(tài)下進行

　　如上圖可以很清晰的發(fā)現(xiàn)，擴散燃燒的燃燒比較穩(wěn)定，不會回火，結(jié)構(gòu)簡單。但火焰很長，燃燒強度低，燃燒溫度低。大氣式火焰形成兩個層面，一層為內(nèi)焰，一層為外焰，內(nèi)焰形成高溫區(qū)，最高溫在內(nèi)焰焰尖上部區(qū)域，內(nèi)焰區(qū)內(nèi)實現(xiàn)完全燃燒。比擴散式燃燒火焰短，火力強，燃燒溫度高。但由于只預混了燃燒所需要的部分空氣，而不是全部所需要的空氣，故火孔熱強度，燃燒雖比擴散式高，但仍然受限制，仍然不能滿足某些工藝的要求。完全預混式燃燒則完全實現(xiàn)完全燃燒，火焰很短甚至看不見，又稱無焰燃燒。無焰燃燒溫度較高，但極不穩(wěn)定，因火焰?zhèn)鞑ニ俣忍欤鹧嫒紵龢O不穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)回火等。

　　我們現(xiàn)在的灶具產(chǎn)品上通常采用的燃燒方式為大氣式燃燒，其工作原理是燃氣在灶前壓力下，燃氣從噴嘴高速噴出，并形成局部負壓，并通過風門處及噴嘴自身的引射孔，引射四周的靜止空氣（一次空氣）一起進入引射器，在引射器內(nèi)燃氣與引射進入的空氣實現(xiàn)混合，并經(jīng)減速擴壓后進入燃燒器頭部，可燃混氣從頭部火孔流出被點燃生成本生火焰。

　　這種燃燒過程的組織方式稱大氣燃燒或局部預混燃燒。大氣式燃燒器的主要優(yōu)點是燃燒工況易于調(diào)節(jié)，燃燒充分、溫度較度、一次空氣供給靠燃氣射流卷吸四周空氣，不需要外部動力，因而結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，在燃氣灶具上應用廣泛。在目前的民用灶具中，完全可以滿足普通消費者的基本需求。

　　鼓風燃燒技術(shù)

　　實現(xiàn)熱效率高，廢氣低排放的前提是燃氣燃燒完全，燃燒溫度高。但目前的擴散式燃燒顯然是不具備的。大氣式燃燒的特點是根據(jù)高速燃氣靠負壓引射一次空氣，其引射的一次空氣不能提供燃燒所需要的全部空氣，必須有充足的二次空氣，意即必須有充足的二次空氣補充面積，這就需要大氣式燃燒器必須具備較大的二次空氣補充量，以致燃燒器本身比較笨重，這在民用燃氣灶實現(xiàn)上是不現(xiàn)實的。同時，就目前世面上的紅外線全預混來看，僅僅是無限加大腔體，減少負荷來接近空燃的全預混狀態(tài)，一來大腔體比較廢料，比較笨重，二來熱負荷只能做的很低（目前紅外燃燒器熱負荷不超過3.5KW），不能滿足國人猛火爆炒的烹飪習性。

　　據(jù)此推理，靠自然引風的引射能力（燃氣額定壓力已經(jīng)固定）不能達到燃燒完全，燃燒溫度高，換熱能力強的燃燒狀況，必須靠外界助氧來補充或彌補燃燒所需要的全部空氣。此種條件下，便誕生了鼓風燃燒。

　　鼓風燃燒的實現(xiàn)方式。如需靠外界助氧，渦輪增壓（鼓風助氧）是最直接也是最實際的方式。但就空氣補充來講，又分為兩種補充方式，即鼓風一次空氣和鼓風二次空氣兩種鼓風方式。

　　第一種方式：鼓風（氧）一次空氣。

　　如下圖：

　　圖示為典型的鼓風一次空氣燃燒系統(tǒng)，空氣采用機械送風，燃氣與空氣兩股氣流或平行，或同心，或環(huán)繞，或斜交的噴出口混合燃燒。高壓壓縮空氣由噴嘴噴出，用其噴射所需具有的能量引射低壓燃氣，經(jīng)混合管混合后，再送火孔燃燒。在燃氣與和空氣的混合裝置中，使用煤氣管三通接頭，混合管幾乎都用煤氣管制作，壓縮空氣從噴嘴噴出時引射燃氣，這樣，進入混合管里的燃氣，遠比靠煤氣本身壓力流出的要多。

　　對于這種方式來說，利用高壓空氣引射或混摻燃氣，基本上達到或靠近全預混狀態(tài)，這樣的狀態(tài)燃燒溫度更高，鍋架到鍋底的距離更低，燃燒效率更高。提高熱效率實質(zhì)為有效提高火焰與鍋底換熱及鍋底與盛水換熱強度，這種結(jié)構(gòu)火焰與鍋底的換熱方式基本為熱輻射。

　　對家用燃氣灶來說，要想實現(xiàn)上述燃燒結(jié)構(gòu)并產(chǎn)業(yè)化，筆者認為在技術(shù)上有以下幾個需要注意的地方：

　　燃燒的穩(wěn)定性較差，調(diào)節(jié)范圍較小，出火需采用穩(wěn)焰裝置及腔體內(nèi)過壓保護裝置；

　　預混系統(tǒng)的電控和操作系統(tǒng)的整體思路設計。如什么時候風機啟動，什么時候靠傳感器去制動等；

　　風機預混系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠度；

　　風機參數(shù)的設定。風速，風量和燃氣進氣量的有效匹配，避免過?？諝庀禂?shù)過大或過小，通過調(diào)整風速及風機風門可以確定全負荷時最佳空氣量；

　　需考慮風速變化的滯后性對燃燒工況帶來的影響。比如：燃燒灶由大火調(diào)節(jié)至小火時，小火需要的空氣不多，但風機風速的變化不是瞬間完成，帶有一定的滯后性，極易使小火發(fā)生回火或離焰，甚至感應針感應不到火焰造成熄火，影響消費者的使用；

　　熱負荷在調(diào)節(jié)過程中，變化后的系統(tǒng)伺風量的準確性。一般灶具均為火力無級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)的伺風量也必須跟著變大或變小，甚至是很細微的變化。最好的處理方式是采用預混后經(jīng)精密空-燃比例閥實行再分配，關(guān)于燃氣與空氣的比例混合器國外廠家已有產(chǎn)品進入我國市場，例如霍尼韋爾(Honeywell)與西特(Sit)兩家公司都推出自己的產(chǎn)品。但是，國外的產(chǎn)品一般把執(zhí)行機構(gòu)與控制電路合為一體。當需要提高燃燒設備的負荷時，可加大風機壓力，提高空氣流量，同時在文吐利與調(diào)節(jié)器的作用下，燃氣流量也隨之加大，并保持原來與空氣流量的比例。同理，在小負荷條件下，也可以保持燃氣與空氣的比例不變。一般來說，國外產(chǎn)品性能穩(wěn)定，但價格比較貴。

　　第二種方式，鼓風（氧）二次空氣。

　　和鼓風一次空氣不同，鼓風燃燒也可以通過強力補充二次空氣來實現(xiàn)。家用燃氣熱水器用的便是這種方式，先讓其自燃引風燃燒，再鼓風，最后達到好的混合條件和燃燒狀況。和前者不同，本種給風方式火焰清晰可見，鼓風后火焰降低，高溫燃燒氣流及煙氣高速被噴向鍋具，傳熱過程為高速對流換熱加熱速度快，大幅度提高燃氣灶具的熱效率，相對于現(xiàn)行國家標準應有大幅度的提高。

　　技術(shù)上實現(xiàn)難點在于，家用燃氣灶的燃燒環(huán)境是敞開的，和鼓一次空氣不同，強制供給二次空氣時，火焰可能會被吹斜，畢竟鼓風的風速度肯定大于分子擴散造成的氣流流速。另外，鼓風時有可能會造成空氣對火焰散熱，造成熱效率下降。當然，在鼓風系統(tǒng)的整體設計和系統(tǒng)穩(wěn)定性上，本種方式類同鼓一次空氣。

　　為避免以上弊端，在鼓二次空氣時，燃燒器周圍最好加上圍護結(jié)構(gòu)，例如爐架加圈，或者燃燒器做成內(nèi)置結(jié)構(gòu)，以減少散熱。

　　技術(shù)層面，對于鼓風燃燒，總的來講，不管采用何種方式，鼓風燃燒會帶來以下優(yōu)勢：可以有效提高火焰溫度和氣流速度，且火力猛且集中；可以有效降低碳排放；可降低NOX 排放量；由于風量可調(diào)，燃燒過程中氧氣濃度可控制到最小需求值。即過?？諝庀禂?shù)盡可能接近1；根據(jù)NOX生成機理，煙氣在高溫區(qū)域停留時間短，可以抑制快速型NOX產(chǎn)生，且對流換熱后自身溫度降低，可抑制高溫型NOX產(chǎn)生，再加上完全燃燒后的貧氧，直接切斷了NOX的鏈反應路徑。

　　隨著國家低碳經(jīng)濟的持續(xù)深入，環(huán)保節(jié)能的大環(huán)境，灶具的燃燒技術(shù)升級勢在必行，鼓風燃燒的時代即將來臨。

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