預(yù)混燃燒的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

精品文檔-下載后可編輯預(yù)混燃燒的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)燃?xì)庠罹?、熱水器等常?jiàn)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(gè)重要尺度。預(yù)混技術(shù)作為燃燒技術(shù)的一個(gè)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(xiàng)技術(shù)指標(biāo),因此在燃?xì)饩呷紵夹g(shù)中,預(yù)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(xiàng)重要內(nèi)容。

預(yù)混燃燒技術(shù)的產(chǎn)品應(yīng)用原理

最早的燃燒方法是簡(jiǎn)單地將燃?xì)庠诨鹂滋廃c(diǎn)燃,燃?xì)夂涂諝獠换旌?燃?xì)馊紵枰难鯕庖揽繌闹車目諝庵袛U(kuò)散得來(lái),這是一種擴(kuò)散式燃燒方法。在此類燃燒過(guò)程中,燃?xì)馀c空氣發(fā)生物理接觸后進(jìn)行燃燒時(shí),氧氣分子只能通過(guò)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)參與燃燒,燃燒的強(qiáng)度主要取決于氧氣分子的擴(kuò)散速度。擴(kuò)散式燃燒方法易點(diǎn)火,無(wú)回火,燃燒穩(wěn)定,但是對(duì)于需要氧氣較多的常用高熱值燃?xì)馊缣烊粴?、液化石油氣?僅依靠介質(zhì)分子擴(kuò)散能力較為有限的層流擴(kuò)散,則難以達(dá)到完全燃燒的目的,并且燃燒溫度偏低,使得煙氣指標(biāo)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(yīng)用在家用燃?xì)饩弋a(chǎn)品之中。

隨著燃燒技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步,預(yù)混燃燒技術(shù)逐漸進(jìn)入燃燒技術(shù)領(lǐng)域。預(yù)混燃燒方法是將空氣按照一定比例預(yù)混到燃?xì)猱?dāng)中,形成均勻的可燃性混合氣體,同時(shí)在結(jié)構(gòu)上對(duì)混合氣體流經(jīng)通道做出特定的導(dǎo)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(dá)到充分燃燒、提高燃燒溫度、降低煙氣指標(biāo)、提高燃燒效率等一系列技術(shù)目的。

預(yù)混式燃燒方法是一種廣泛應(yīng)用的科學(xué)燃燒方法,預(yù)混技術(shù)的出現(xiàn),使得燃?xì)馊紵夹g(shù)得以長(zhǎng)足發(fā)展。預(yù)混燃燒技術(shù)可以分為部分預(yù)混燃燒和全預(yù)混燃燒兩種,二者的區(qū)別在于預(yù)混程度的大小。對(duì)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(yù)混方式,在擴(kuò)散式燃燒方法中,α′=0,在部分預(yù)混式燃燒方法中,0

部分預(yù)混燃燒也稱大氣式燃燒,燃?xì)鈴膰娮靽姵龊?利用自身壓力、流速所形成的動(dòng)能帶動(dòng)周圍的一次空氣運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)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(shí)在火孔對(duì)燃燒補(bǔ)充所需的二次空氣,實(shí)現(xiàn)完全燃燒。部分預(yù)混燃燒方法能夠充分利用燃?xì)鈩?dòng)能,預(yù)混空氣,改善層流擴(kuò)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(qiáng)度較大等優(yōu)點(diǎn)。

全預(yù)混燃燒則稱為全一次預(yù)混空氣燃燒,技術(shù)上更為合理。其引射原理與部分預(yù)混燃燒方法相同,預(yù)先將燃?xì)馀c全部所需空氣在預(yù)混空間進(jìn)行配比、混合,并在燃燒火孔中燃燒。全預(yù)混燃燒能夠按照穩(wěn)定的空燃混合當(dāng)量比進(jìn)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(wú)焰燃燒”,無(wú)需二次空氣補(bǔ)給,煙氣量少,CO、NOx等煙氣指標(biāo)降低。但由于燃燒強(qiáng)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(duì)流,并形成紅外光輻射,熱效率更高。

對(duì)家用燃?xì)饩弋a(chǎn)品而言,目前應(yīng)用預(yù)混燃燒技術(shù)較為普遍的是燃?xì)庠罹吆蜔崴鳌?/p>

預(yù)混燃燒技術(shù)在灶具產(chǎn)品上的應(yīng)用

在現(xiàn)有的一般灶具產(chǎn)品中,使用燃?xì)庖淇諝獾囊湫痛髿馐饺紵绞奖容^通用,這是一種完全意義的部分預(yù)混燃燒方法,噴射燃?xì)饫脛?dòng)能較大的高速紊流作用,在引射管內(nèi)形成軸向旋流,通過(guò)擴(kuò)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(kāi)口直徑較大的收縮型管狀結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)目的是為了讓燃?xì)鈩?dòng)能充分帶動(dòng)一次空氣,使燃?xì)饬魉俳档?空氣流速增加,混合氣體動(dòng)壓減少,而靜壓增加。經(jīng)過(guò)一系列的混合、穩(wěn)流、穩(wěn)壓過(guò)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(gè)經(jīng)典的設(shè)計(jì),其形式比較靈活,緊接引射管的則是一個(gè)燃?xì)饣旌锨惑w,為達(dá)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(gè)風(fēng)門,可調(diào)節(jié)一次空氣的引射量。一般家用灶具由于負(fù)荷較小,不需要很大的風(fēng)門開(kāi)度,即能提供混合量穩(wěn)定的足量一次空氣。

部分預(yù)混燃燒技術(shù)在灶具產(chǎn)品上的應(yīng)用,使得預(yù)混技術(shù)得以大范圍推廣,但是也存在著一些缺點(diǎn)。比如,噴嘴燃?xì)饬鬈壽E必須重合于引射管的中心線,否則預(yù)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(yù)混使得燃燒不得不依賴二次空氣的大量補(bǔ)充,由此在內(nèi)外焰部位易生成NO氣體,同時(shí)生成的煙氣量較大,熱損耗大,影響換熱效率。

全預(yù)混燃燒技術(shù)在灶具產(chǎn)品也得到應(yīng)用,全預(yù)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(jìn)引射管結(jié)構(gòu)、充分提供空氣供給的方式,甚至可取消風(fēng)門,使燃燒所需空氣全部由引射吸入,在混合腔預(yù)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(xì)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(biāo)低,燃燒溫度高,其形成的無(wú)焰熱流溫度可高達(dá)1100℃,表面紅化,約40%的熱量以波長(zhǎng)較長(zhǎng)、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(yù)混燃燒技術(shù)在熱水器產(chǎn)品上的應(yīng)用

在燃?xì)鉄崴鳟a(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(fù)雜性,對(duì)于燃燒的要求更高,但與灶具產(chǎn)品的預(yù)混燃燒技術(shù)比較而言,熱水器產(chǎn)品預(yù)混燃燒技術(shù)有共通之處,具體表現(xiàn)為部分預(yù)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(duì)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(bǔ)充完全依賴風(fēng)機(jī)強(qiáng)制鼓風(fēng),因此燃燒工況受風(fēng)量供給的牽制比較明顯。在燃燒過(guò)程中,必須考慮燃?xì)馀c二次空氣的混合比例處于合理區(qū)間,協(xié)調(diào)燃?xì)饬髁亢投慰諝饬髁?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(fù)雜的引射、混合、分流結(jié)構(gòu)。當(dāng)燃?xì)鈴膰娮靽姵龊?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(fēng)的低端熱水器產(chǎn)品中,二次空氣的補(bǔ)給主要依靠燃燒產(chǎn)生的高溫氣體帶動(dòng)下方空氣往上自然流動(dòng);在強(qiáng)制給排氣的強(qiáng)鼓、強(qiáng)抽型高端熱水器產(chǎn)品中,二次空氣的補(bǔ)給則依靠風(fēng)機(jī)供風(fēng),且保證在一定范圍內(nèi),否則將對(duì)燃燒工況形成嚴(yán)重干擾,所以風(fēng)機(jī)供風(fēng)量應(yīng)和燃燒負(fù)荷所對(duì)應(yīng)的燃?xì)夤┙o量合理跟隨變化。

多年以來(lái),部分預(yù)混燃燒技術(shù)在熱水器產(chǎn)品上的應(yīng)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(fù)雜、特殊性;另一方面,則是全預(yù)混燃燒技術(shù)在熱水器產(chǎn)品的應(yīng)用難點(diǎn)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(kāi)始嘗試研發(fā)、生產(chǎn)。從最新的行業(yè)資訊及公開(kāi)的專利文獻(xiàn)看,現(xiàn)有的全預(yù)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(diǎn)在于“空～燃”全預(yù)混裝置和全預(yù)混燃燒器,以及搭配調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的水、燃?xì)?、空氣工作的控制系統(tǒng),藉此實(shí)現(xiàn)按比例均勻預(yù)混燃?xì)夂椭伎諝獾臒o(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的理想的熱水器燃燒工作狀態(tài)。

預(yù)混燃燒技術(shù)的發(fā)展方向

縱觀預(yù)混燃燒技術(shù)在燃?xì)饩弋a(chǎn)品上的發(fā)展現(xiàn)狀,部分預(yù)混燃燒技術(shù)由于應(yīng)用較早,技術(shù)處理難度較小,因此在燃?xì)庠罹?、熱水器產(chǎn)品中已經(jīng)處于技術(shù)成熟階段,幾十年來(lái)一直主導(dǎo)著燃?xì)饩弋a(chǎn)業(yè),并且由于其科學(xué)的預(yù)混方法,給燃?xì)馊紵龓?lái)了一定程度的技術(shù)改進(jìn),較之?dāng)U散式燃燒方法,燃燒效率、溫度要求、排放指標(biāo)等均得到大幅度改善。但是,從現(xiàn)有的部分預(yù)混燃燒技術(shù)產(chǎn)品成果和開(kāi)發(fā)思路看,部分預(yù)混燃燒技術(shù)賦予產(chǎn)品燃燒效率的提升空間已相當(dāng)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(yù)混燃燒固有技術(shù)狀況,也難以實(shí)現(xiàn)新的突破。

隨著“節(jié)能環(huán)?！钡暮袈暼找娓邼q,全預(yù)混燃燒技術(shù)日趨走入燃?xì)饩哧P(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域,其相關(guān)產(chǎn)品及專利也頻頻見(jiàn)諸視野。全預(yù)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(shí)現(xiàn)難度較大,技術(shù)成本較高,但是其給燃?xì)饩咝袠I(yè)燃燒效率帶來(lái)的革命性創(chuàng)新是顯著的,因此代表了燃?xì)饩咝袠I(yè)燃燒技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向,以市場(chǎng)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(guó)內(nèi)燃?xì)饩咧圃焐叹揞^之一,在2022年底隆重推出“凈燃聚能燃?xì)庠睢?引起強(qiáng)烈的市場(chǎng)反響。該新型灶具就是全預(yù)混燃燒技術(shù)的附體,凈燃聚能燃?xì)庠罾昧巳A(yù)混燃燒原理,燃?xì)夂涂諝獬浞峙浔然旌?在合金材料制成的蜂窩燃燒網(wǎng)板瞬間燃燒,燃?xì)馊紵郎囟雀哌_(dá)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(duì)鍋體進(jìn)行加熱,熱效率提高到近70%,由于燃燒完全,CO、NOx等排放指標(biāo)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

國(guó)內(nèi)另一家燃?xì)饩咧髽I(yè)生產(chǎn)的“全預(yù)混燃燒熱水器”,則在燃?xì)鉄崴鳟a(chǎn)品中獨(dú)占鰲頭。該類產(chǎn)品在熱水器技術(shù)領(lǐng)域首開(kāi)先河,燃燒系統(tǒng)完全是以全預(yù)混燃燒方式設(shè)計(jì),采用新型“空～燃”比例閥和預(yù)混風(fēng)機(jī)組合控制方式,將燃?xì)夂涂諝庖淮位旌?在全封閉預(yù)混燃燒裝置內(nèi)完全燃燒,燃燒強(qiáng)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(biāo)也完全達(dá)標(biāo)。

預(yù)混燃燒技術(shù)的應(yīng)用難點(diǎn)和突破點(diǎn)

預(yù)混燃燒技術(shù)的應(yīng)用,就燃燒學(xué)理論而言,存在著一些難點(diǎn)和突破點(diǎn),主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是預(yù)混結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新,二是燃燒結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

預(yù)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(duì)預(yù)混燃燒,尤其是全預(yù)混燃燒至關(guān)重要。引射管的長(zhǎng)度,兩端開(kāi)口直徑,管身減速段、穩(wěn)流段等結(jié)構(gòu)特征,對(duì)于預(yù)混效果都起著不同的作用。為達(dá)到良好預(yù)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(yù)混腔是混合氣體燃燒前的集散地,預(yù)混腔的合理設(shè)計(jì)對(duì)預(yù)混效果也有優(yōu)化作用。

全預(yù)混燃燒技術(shù)中,燃?xì)馀c空氣充分混合,在火孔燃燒時(shí),不需要二次空氣補(bǔ)給,燃燒時(shí)間短,能量爆發(fā)劇烈,熱容強(qiáng)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(duì)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(gè)燃燒面。另一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)是確定好火孔的長(zhǎng)徑比,長(zhǎng)徑比過(guò)小,容易回火,而長(zhǎng)徑比過(guò)大,則容易離焰,在一定的參數(shù)區(qū)間,則能同步實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定燃燒、高強(qiáng)度燃燒、完全燃燒等目的,這也是全預(yù)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(yù)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(yù)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(gè)難點(diǎn),驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)所能提供的二次空氣量必須經(jīng)過(guò)合理計(jì)算和分配,既滿足燃燒的需要,也不能過(guò)量,并使燃燒效果符合各項(xiàng)熱水器技術(shù)指標(biāo),這是熱水器產(chǎn)品研發(fā)的一個(gè)重要突破點(diǎn)。此外,燃燒結(jié)構(gòu)的改進(jìn)是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn),現(xiàn)有的條縫式火排、燃?xì)庖浣Y(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(duì)于意圖更新熱水器燃