论文总字数：28794字

摘 要

多孔金属全预混燃烧因其较高的燃烧效率以及较低的污染物排放，在工业燃烧和民用灶具领域越来越受到重视。发展多孔金属全预混燃气灶的关键，在于根据实际燃烧要求，对多孔金属结构性能进行分析，对材质的选择进行改善。

目前在多孔金属全预混燃烧技术领域，大多分析都以实验为基础，缺少理论计算的模型。本课题从家用燃气灶入手，在进过定性分析的基础上，先根据传统家用燃气灶燃烧强度及全预混引射比，确定多孔介质燃气灶系统的基本结构；分析额定燃烧功率下，多孔金属火盖燃烧回流热、混合气的预热热，燃灶的有效利用热和散热等能量的计算方法和守恒关系，校核火焰温度和多孔金属火盖对混合气的预热温升，得到燃气灶系统热效率，确定了合理的多孔金属火盖、炉灶隔热外壳等主要结构参数；对比了全预混燃气灶和普通大气引射式燃气灶的热效率。

结果显示，多孔金属全预混燃气灶可大大提高火焰对锅体的辐射热，燃气灶效率可达到71%，比普通部分预混式燃气灶的热效率提高了13%；同时燃气尾气温度可从740℃降到480℃左右。多孔金属燃烧火盖可使预混气体在通过火盖时预热温升达102℃，火焰温度提升130℃左右；另外，全预混燃气灶可实现封闭灶膛燃烧和燃烧尾气的回收和余热利用，这将更好地提高系统的能源利用效率。课题通过理论计算及与大气式燃气灶的对比分析，突显出多孔金属全预混燃气灶的优越性，也为后续课题的理论研究提供了参考。

关键词：多孔金属；全预混；燃气灶；理论计算

The porous metal premix gas stove System Design and Performance Analysis

ABSTRACT

because of its high combustion efficiency and low emissions, The porous metal premix combustion is gaining more and more attention in the field of Industrial combustion and civil cooking.the Key to develop porous metal premix gas stove is the porous metal structure performance analysis and the choice of material improvement according to the actual combustion requirements.

Currently in the field of porous metal premix combustion technology, most analysts are based on experiment, lacking in theoretical model calculations. The issue starts from the domestic gas, based on the qualitative analysis.First,determining the basic structure of the porous medium gas stove system according to the traditional domestic gas premix combustion intensity and premix entrainment ratio; then analyzing the distribution of all kinds of energy like fuel combustion reflux heat, using heat, cooling, preheating and other portions after fuel combustion under a specific combustion intensity; next, according to the law of conservation of energy, checking the combustion temperature and the temperature rise caused by combustion of porous metal, get gas stove thermal efficiency of the system to determine a reasonable porous metal fire cover, the main structural parameters stove insulation shell.Making a comparing between premix gas stove and the general atmosphere ejector gas stove thermal efficiency.

The results showed that the porous metal premix gas stove can greatly improve the flame radiation heat on the pot, the gas stove efficiency can reach 71% thermal efficiency than ordinary partially premixed gas stove increased by 13%; while the gas exhaust temperature from 740 ℃ down to about 480 ℃. The porous metal can premixed gas combustion fire cover fire cover through the preheating temperature of 102 ℃, the flame temperature is raised about 130 ℃; In addition, premix gas stove can achieve closure Zaotang combustion and combustion exhaust gas recycling and waste heat utilization which would be better to improve the energy efficiency of the system. Problem highlights the superiority of the porous metal premix gas stoves through theoretical calculation and comparison of atmospheric gas stove and analysis , and it also provides a reference for the theoretical study of the follow-up topics.

Keywords: porous meta； premix； gas stoves；theoretical arithmetic

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 全预混燃烧技术 2

1.3 多孔金属燃烧特性 3

1.4 多孔金属全预混燃烧技术在燃气灶上的运用 4

1.5 多孔金属全预混燃烧的研究现状 5

第二章 燃气灶的结构组成和性能分析 6

2.1传统家用灶具简介 6

2.2多孔金属全预混燃气灶结构组成 7

2.2.1锅灶系统的整体结构 7

2.2.2引射器原理及设计 8

2.2.3多孔金属火盖材料特性及选取 9

2.3系统参数对燃烧传热性能的影响 10

2.3.1多孔金属厚度对燃烧室温度的影响 10

2.3.2混合气体速度对燃烧室温度的影响 11

2.3.3燃烧室压降的变化与分析 12

2.4稳定性分析 14

2.5燃烧污染物分析 15

2.5.1 NOx生成原理 16

2.5.2 CO生成原理 16

第三章 传热方式的介绍和燃烧过程的理论模拟 17

3.1三中典型传热方式的介绍 17

3.1.1导热 17

3.1.2对流换热 18

3.1.3辐射换热 18

3.2燃烧传热过程的理论计算思路 19

3.2.1燃烧基础参数的确立 19

3.2.2火焰燃烧温度的确定 20

3.2.3多孔金属火盖内的传热燃烧计算 21

3.2.4锅灶之间的传热量计算 21

3.2.5锅灶散热量和热效率计算 22

3.2.6变负荷下的燃烧换热 23

第四章 实际燃烧状况下的热力计算 24

4.1 基础参数的选定 24

4.2 辐射换热及超焓燃烧温度的确定 27

4.2.1辐射换热量的计算 27

4.2.2 燃烧温度的校核 30

4.2.3 下壁面温度的校核 31

4.2.4对流换热和导热量的计算 33

4.3 壁面散失的热量 34

4.4 余热量及出口烟温的计算 35

4.5 变负荷情况下的热力计算 36

4.6 大气式家用燃气灶的简单模拟 38

4.6.1燃气灶的有效利用热量 38

4.6.2 散热量 42

4.6.3 理论烟温 42

4.7 大气式与全预混燃气灶系统热性能对比 42

第五章 结论及展望 43

5.1结论 43

5.2展望 44

第一章 绪 论

本章主要介绍多孔金属全预混燃烧这项较为新型的燃烧技术，通过一些概念原理的简介和现阶段的发展状况，表明了其运用在家用燃气灶方面的优越性及发展前景。

1.1 研究背景和意义

我国城市燃气行业整体处于快速成长期，截至2012年底，全国用气总人口达4.96亿人，城镇人口天然气气化率仅为33.9%，且发展不均衡；全国城市燃气配气管道总里程超过46万千米，与2000年相比年均增速达到13.9%^[1]。但是，燃气燃烧造成的有毒气体污染现象却日益严重。CO、NO_ｘ对人体均有较大危害，其中NO_ｘ与人体血液中血色素的亲和力更是CO的数百倍，容易使人因缺氧而引起中枢神经麻痹、痉挛等症状^[1、2]，抽样显示，国内普通家庭厨房CO、NO_ｘ气体综合指数达到污染的厨房数量比例近60%，因此如何控制好有毒气体CO、NO_ｘ等的排放以及如何提高燃气利用效率已成为摆在我们面前的一个紧迫课题。

燃气灶是我们日常生活中最常见的一种烹饪器具，自2000年以来我国燃气灶行业呈飞速发展趋势。然而传统燃气灶燃烧技术以自由扩散燃烧的火焰为特征，气体的导热性能和辐射性能较差，其燃烧不可避免地会有温度分布不均、燃烧区域狭小、污染物排放严重等缺点。同时，燃气燃烧时厨房内的空气污染较为严重，特别是产生的有毒气体CO与NO_ｘ对人体均有较大危害^[2、3]。NO_ｘ与人体 血液中血色素的亲和力约为CO的数百倍，容易使人因缺氧而引起中枢神经麻痹、痉挛等症状。在国内，工业上对燃烧装置的NO_ｘ排放的抑制已已采取了许多有效的方法，然而对于降低民用灶具NO_ｘ排放的研究却进展迟缓^[4]，我国民用灶具尚无NO_ｘ排放标准^[5]，业界对于燃具低NO_ｘ燃烧技术及NO_ｘ对室内空气的污染还未给予应有的重视。

多孔金属全预混燃烧方式，是全预混的燃气和空气混合物，在一种耐高温、导热性能好的特殊多孔金属材料里的燃烧过程。燃气与空气在预混室内充分混合后流经多孔金属的下端，多孔金属良好的导热性使上端的火焰迅速与混合气体完成换热，将混合气体预热到着火温度。混合气体在流入上端燃烧区域的过程中在孔隙内部发生强烈的扰动，使燃烧产生的热量迅速以各种形式向外传播，燃烧效率高，燃烧完全，减少了CO排放^[6]。同时，扰动还使燃烧区域温度保持均匀，不产生局部高温。瞬时完成的燃烧，还保证了烟气在高温区停留时间较短。这些特征有效地抑制了NO_ｘ的生成。多孔金属全预混燃烧方式还能实现适量控制过剩空气系数和热负荷，更加有效地抑制NO_ｘ的产生^[7]。

1.2 全预混燃烧技术

燃烧器的发展史经历了从扩散式燃烧、部分预式混燃烧、全预混式燃烧等燃烧方式的历史。扩散式燃烧^[8、9]是一种最简单的燃烧方式。燃烧之前，燃气不与空气混合，燃气自火孔流出后，靠扩散作用与空气混合进行燃烧。其缺点主要是，对于空气需求量大的高热值燃气( 天然气、液化石油气) ，靠层流扩散达不到完全燃烧，烟气中 CO 含量比较高，燃具体积比较大。部分预混式燃烧^[8、9]习惯上又称大气式燃烧。与扩散式燃烧相比，部分预混式燃烧具有燃烧完全、火焰短、热强度大的优点，但是这种燃烧方式可能产生回火、离焰与脱火^[10]，为了组织好二次空气，需要足够的二次空气进口面积及必要的炉膛高度，所以很难减小燃烧设备的体积，另外燃烧产物中 NO_ｘ含量较高，采取措施后，NO_ｘ含量降低，而 CO 含量升高，很难达到 CO 与 NO_ｘ含量都降低的效果。

全预混式燃烧是将燃烧所需空气全部混入燃气再进行燃烧的，原理如图1-1

图1-1 全预混的工作原理图

所示，其特点是火焰短，附着于燃烧表面，甚至看不到火焰，故也称作无焰式燃烧^[11]。全预混式燃烧的优点: 燃烧强度大，火焰短，可以降低炉膛高度,不需要二次空气，省去了二次空气的入口面积,具有较大的热强度，可缩小燃烧设备体积,火焰面可以靠近热交换器，增大传热系数,燃烧产物中 CO 及 NO_ｘ含量都比较低。但同样，全预混燃烧方式也有其缺点，即稳定性较差，稳定燃烧的范围较小，必须采用防止离焰与回火的稳焰措施，当热负荷较大时，无法利用燃气自身压力通过引射器吸入空气，需要有保证燃气与空气混合比例的装置，并且维持此比例不受热负荷变化的影响，应有可靠的避免离焰、回火的稳焰措施，必要时需要冷却头部，防止回火。针对上述缺陷，采用多空金属是一个很好地解决方法。

1.3 多孔金属燃烧特性

多孔金属材料（又称泡沫金属）如图1-2所示，是有十二面体结构^[12]的金属材质多孔介质，通过发泡制成，有较好的力学强度，其微观结构^[13]如图1-3所示，多孔金属介质结构均匀、孔隙率高、加工性能好、机械强度高、耐温及耐蚀性好，是一种理想的燃具火盖材料。目前用于燃烧器的多孔介质的材料主要可以分为分散颗粒组成的填充床和整体框架的多孔结构两种。适用于燃气灶具的材料为整体框架的多孔结构，可根据需要加工成形。

多孔金属内预混气体燃烧通常称为气体过滤燃烧^[14]。多孔金属燃烧是一种

图1-2 泡沫金属 图1-3 多孔金属介质微观结构

高效的回热燃烧技术且无需辅助设备。燃烧释放热量（即燃烧产物的对流热焓）转变成多孔金属的辐射能且辐射能瞬间传递^[15]。多孔金属因其自身结构拥有很好的导热、对流和辐射能力，且其蓄热能力很强，气体和固体之间可以进行充分预混，气体在多孔金属内点燃以后，反应区产生的热量可以很快传递给固体的多孔金属，而且有一部分贮存在多孔金属内，还有一部分通过辐射和热传导向上游及下游传给临近的固体介质^[16]。向上游传递的热量给预混气预热，以至于火焰温度有可能超过绝热火焰温度，形成超绝热燃烧^[17]，由此可见，多孔金属燃烧器的燃料可为低热值的燃料^[18]。多孔金属燃烧技术是一种新型又独特的燃烧方式，相比于自由空间燃烧，它具有以下特点：

1. 多孔金属的空隙率较大，相对于自由空间，有着更大的固体表面积，因此有更强的蓄热能力^[19]。
2. 多孔介质的存在，使得混合气体在其中有着更为强烈的扰动，因而强化换热^[20]。
3. 因多孔金属换热性能好以致局部区域不易形成高温，燃烧温度分布均匀，可降低热力型 NOx生成量。
4. 多孔金属有较强的导热和辐射能力^[21]，因而使得预混气体燃烧产生的一部分热量从燃烧高温区传递到上游的低温区，以致预热未燃烧混合气体，由此可提高燃烧速率，使得燃料燃烧完全，从而降低 CO 的排放量。

1.4 多孔金属全预混燃烧技术在燃气灶上的运用

多孔金属全预混家用燃气灶^[22]一般由框架、灶面、燃烧 器、燃气阀门、混

图1-4 全预混燃气灶燃烧器示意图

合管、喷嘴、锅支架、盛液盘、燃气 管路、橡胶管承插口等基本零部件组成^[21]，影响一次空气引射量(实现全预混燃烧)的主要部件为燃烧器(如图1-4所示)，而对于已经确定的喷嘴，决定能否实现全预混的关键便是引射器的选择^[23]。燃气由LPG钢瓶经减压阀流向喷嘴，喷嘴将燃气的压力势能转化为动能，为引射器提供一定量具有引射动能的燃气。由喷嘴喷出的燃气在引射器入口形成负压，引射一定量的空气。燃气与引射的空气在混合腔内充分混合，均匀分布于多孔金属介质火盖内。混合气经点火后，迅速在火盖上部燃烧，形成短而急的高温火焰。利用多孔金属传热性能好、热效率高、燃烧均匀等优点，结合全预混燃烧技术热强度高、火焰短损失少的特性，大大提高燃气灶的效率，并且通过调节引射器，控制一次空气量，可使得燃气燃烧的完全性大大提高，从而减少CO与NO_ｘ的排放。

1.5 多孔金属全预混燃烧的研究现状

多孔金属运用于燃气灶领域所面临的主要技术问题在于：孔径大小和孔隙率的选择、火盖材料对于传热性能的影响、引射器的种类、燃气当量比和燃烧负荷变化对燃烧性能的影响、多孔金属材质结构的不同对传热性能的影响等。
  当前，在多孔介质燃烧领域，我国高校和生产厂家都做了一些工作，欧洲的生产厂家业也提供了不少的型式。大连理工大学的杜礼明、解茂昭教授根据气固两相局部非热平衡假设,建立了混合气在惰性多孔介质中预混合燃烧的一维数学模型^[24],研究了不同情况下甲烷-空气的预混合气在多孔介质中燃烧时的温度分布和燃烧速率,并与自由空间中相应的值进行比较.结果表明,多孔介质的存在可以扩展混合气的燃烧极限,明显改善了燃烧室的换热性能,强化了对新鲜混合气的预热,降低了热量损失;在多孔介质中混合气的燃烧温度和燃烧室的温度明显升高,反应区厚度和燃烧速率显著增大^[25]。在多孔金属金属材质的选择方面，多孔泡沫铝^[26]是目前研究最为成熟的一种泡沫金属材料,于英华、李智超、刘敬福等教授在《辽宁工程技术大学学报》上撰文对国内外泡沫铝性能研究现状及其应用予以综合概述,并对泡沫铝应用前景进行展望,以期推动泡沫铝的进一步研究和应用。具体运用在燃气灶上面，华南理工大学的张鸿声教授选用由双层或多层金属薄片制成的新型金属蜂窝板式多孔介质结构^[27]，以红外燃气灶具的核心部件—新型金属蜂窝板燃烧器为研究对象^[28],利用红外摄像仪对红外燃气灶具和普通燃气灶进行了对比研究^[29]。结果表明,红外燃气灶的火焰集中,温度分布均匀,燃烧效率比普通燃气灶高12.7%。

针对燃气与空气的混合问题。比较节能方便的方法是利用燃气压力靠引射器吸空气。目前的红外线辐射器^[30]就是采用这种方法。现在的形势是,已经有了空气鼓风，完全可以甩开燃气引射空气的引射器，利用空气与燃气的压力差进行混合。很明显，在这种条件下，空气引射燃气将会大大地降低引射比，同时也会减小引射器的体积。关于燃气与空气的比例混合器国外厂家已有产品进入我国市场，例如霍尼韦尔与西特两家公司都推出自己的产品^[31]。但是，国外的产品一般把执行机构与控制电路合为一体。一般来说，国外产品性能稳定，但价格比较贵。有时国外的控制技术不一定符合国情。所以最好的办法是根据国情自己设计。
  根据上述现状，我国发展多孔金属全预混燃气灶的技术条件已日趋成熟。

第二章 燃气灶的结构组成和性能分析

本章主要介绍了多孔金属全预混燃气灶整体的结构组成以及在不同的结构尺寸和选材选型下的燃气灶的燃烧传热性能的变化和影响。

2.1传统家用灶具简介

传统家用中餐灶具的形式多样，常见的形式有立管型和圆盘型。圆盘型燃烧器的火孔为圆孔型。为了防止回火，有的圆盘型燃烧器的表面铸有小凸台，火孔布置在凸台上，这种形式的又称为有搭式燃烧器。立管型形式的燃烧器使用较多，通过改变以往火焰直冲锅底的方式，使火焰沿锅底的某一曲线方向喷出，从而使火焰在炉膛内略带旋转，以加强传热效果，并可使热量分布更加均匀。 我国生产的中餐灶的燃烧方式一般采用自由火焰式燃烧。采用这种方式，可以减少成本和降低燃烧噪声。

但是，自由扩散式燃烧热强度小，热效率低，而且更容易产生有毒气体。在传统自由火焰式燃烧器上加以多孔金属火盖，并通过引射器使得燃气空气在进来的过程中进行全预混，达到全预混燃烧，能够使得燃气充分燃烧，同事提高燃烧强度。大大提高了能量的利用率。除了上述的结构改变，相对封闭的燃烧环境还需要烟气的排放装置。

由于多孔金属结构、材质、孔径空隙等因素的不同，使得采用不同的灶具在使用过程中表现出来的热工性能也不相同。因此，必须要对燃气灶的结构形式加以描述，这样才能从其结构特性出发，分析、研究家用燃气灶在使用过程中所表现出的热工特性，从而确定一个相对最优的选择，优化燃气灶性能。

2.2多孔金属全预混燃气灶结构组成

2.2.1锅灶系统的整体结构

本课题的多孔金属全预混燃气灶结构如图所示：

图2-1 多孔金属全预混燃气灶结构图

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