预混燃烧的技术应用价值和未来发展趋势

精品文档-下载后可编辑预混燃烧的技术应用价值和未来发展趋势燃气灶具、热水器等常见家用燃

气具产品中,燃烧技术的优劣是衡量该类产品技术成熟与否的一个重要尺度。预混技术作为燃烧技术的一个关键组成部分,在一定程度上决定了燃烧效率和换热效率,并保证了产品各项技术指标,因此在燃气具燃烧技术中,预混燃烧技术有着举足轻重的地位,是燃烧技术范畴的一项重要内容。

预混燃烧技术的产品应用原理

最早的燃烧方法是简单地将燃气在火孔处点燃,燃气和空气不混合,燃气燃烧所需要的氧气依靠从周围的空气中扩散得来,这是一种扩散式燃烧方法。在此类燃烧过程中,燃气与空气发生物理接触后进行燃烧时,氧气分子只能通过扩散运动参与燃烧,燃烧的强度主要取决于氧气分子的扩散速度。扩散式燃烧方法易点火,无回火,燃烧稳定,但是对于需要氧气较多的常用高热值燃气如天然气、液化石油气等,仅依靠介质分子扩散能力较为有限的层流扩散,则难以达到完全燃烧的目的,并且燃烧温度偏低,使得烟气指标尤其是CO的含量偏高,也容易形成积碳和煤烟,因此不适宜应用在家用燃气具产品之中。

随着燃烧技术的不断发展进步,预混燃烧技术逐渐进入燃烧技术领域。预混燃烧方法是将空气按照一定比例预混到燃气当中,形成均匀的可燃性混合气体,同时在结构上对混合气体流经通道做出特定的导流、混合、增压等技术措施,使得混合气体以一种固定空燃比状态在火孔稳定燃烧,达到充分燃烧、提高燃烧温度、降低烟气指标、提高燃烧效率等一系列技术目的。

预混式燃烧方法是一种广泛应用的科学燃烧方法,预混技术的出现,使得燃气燃烧技术得以长足发展。预混燃烧技术可以分为部分预混燃烧和全预混燃烧两种,二者的区别在于预混程度的大小。对于特定混合气体而言,一次空气系数α′的取值决定了它的预混方式,在扩散式燃烧方法中,α′=0,在部分预混式燃烧方法中,0

部分预混燃烧也称大气式燃烧,燃气从喷嘴喷出后,利用自身压力、流速所形成的动能带动周围的一次空气运动,经过引射管混合、缓冲后形成稳定气流,从火孔喷出燃烧。在这种燃烧方式中,引射吸入的一次空气量一般占理论空气量的60%(α′=0.6),即能形成大气式燃烧,同时在火孔对燃烧补充所需的二次空气,实现完全燃烧。部分预混燃烧方法能够充分利用燃气动能,预混空气,改善层流扩散的燃烧不完全状况,一次空气供给稳定,具有燃烧完全、火焰短、加热强度较大等优点。

全预混燃烧则称为全一次预混空气燃烧,技术上更为合理。其引射原理与部分预混燃烧方法相同,预先将燃气与全部所需空气在预混空间进行配比、混合,并在燃烧火孔中燃烧。全预混燃烧能够按照稳定的空燃混合当量比进行燃烧,燃烧在瞬间完成,形成稳定高温区,热效率高。其火焰极短,附着于燃烧表面,故称“无焰燃烧”,无需二次空气补给,烟气量少,CO、NOx等烟气指标降低。但由于燃烧强度较大,火焰状态难以稳定,易形成回火或离焰,因此需要采取能稳焰的网状燃烧结构,如陶瓷红外线燃烧器、板式燃烧器及金属纤维燃烧器,此类燃烧结构亦能反作用于燃烧效果,使热量充分对流,并形成红外光辐射,热效率更高。

对家用燃气具产品而言,目前应用预混燃烧技术较为普遍的是燃气灶具和热水器。

预混燃烧技术在灶具产品上的应用

在现有的一般灶具产品中,使用燃气引射空气的引射型大气式燃烧方式比较通用,这是一种完全意义的部分预混燃烧方法,喷射燃气利用动能较大的高速紊流作用,在引射管内形成轴向旋流,通过扩散作用混合一次空气,在燃烧盘、火盖形成稳定的可燃性混合气体。引射管又名文吐利管,是一种开口直径较大的收缩型管状结构,其设计目的是为了让燃气动能充分带动一次空气,使燃气流速降低,空气流速增加,混合气体动压减少,而静压增加。经过一系列的混合、稳流、稳压过程,以及二次空气的助燃作用,混合气体能正常稳定燃烧。

灶具产品中,引射管是一个经典的设计,其形式比较灵活,紧接引射管的则是一个燃气混合腔体,为达到高效燃烧的目的,其形式同样可灵活化。引射管常附有一个风门,可调节一次空气的引射量。一般家用灶具由于负荷较小,不需要很大的风门开度,即能提供混合量稳定的足量一次空气。

部分预混燃烧技术在灶具产品上的应用,使得预混技术得以大范围推广,但是也存在着一些缺点。比如,喷嘴燃气流轨迹必须重合于引射管的中心线,否则预混效果不佳,且混合气体不能以一种稳定的流态和固定的空燃比参与燃烧。此外,部分预混使得燃烧不得不依赖二次空气的大量补充,由此在内外焰部位易生成NO气体,同时生成的烟气量较大,热损耗大,影响换热效率。

全预混燃烧技术在灶具产品也得到应用,全预混燃烧灶具以红外线燃烧器灶具为出色代表。红外线燃烧器灶具采取改进引射管结构、充分提供空气供给的方式,甚至可取消风门,使燃烧所需空气全部由引射吸入,在混合腔预先完全混合,一次空气系数α′约为1.05～1.1。燃烧结构由数量巨大的陶瓷细孔状火孔组成,或者采用金属网状火孔,混合气体在燃烧面剧烈、充分燃烧,不需要二次空气,因而热量集中,烟气较少,烟气指标低,燃烧温度高,其形成的无焰热流温度可高达1100℃,表面红化,约40%的热量以波长较长、易于被固态物质分子吸收的红外线辐射加热,换热效率得到极大提高。

预混燃烧技术在热水器产品上的应用

在燃气热水器产品中,由于燃烧器结构的较大差异和热水器工作的复杂性,对于燃烧的要求更高,但与灶具产品的预混燃烧技术比较而言,热水器产品预混燃烧技术有共通之处,具体表现为部分预混燃烧技术。

热水器燃烧器总成可为半密闭式和全密闭式,这两种燃烧器对二次空气的要求有差别,全密闭式较之半密闭式燃烧器,二次空气的补充完全依赖风机强制鼓风,因此燃烧工况受风量供给的牵制比较明显。在燃烧过程中,必须考虑燃气与二次空气的混合比例处于合理区间,协调燃气流量和二次空气流量,使其呈现一定的匹配关系。

热水器燃烧结构一般由条缝式火排组成,火排的下部是与灶具相类似的更为复杂的引射、混合、分流结构。当燃气从喷嘴喷出后,只混合了少量一次空气(α′较小),混合气体在引射结构末端的分配通道被均分并送至火道以稳定流速喷出。在自然给风的低端热水器产品中,二次空气的补给主要依靠燃烧产生的高温气体带动下方空气往上自然流动;在强制给排气的强鼓、强抽型高端热水器产品中,二次空气的补给则依靠风机供风,且保证在一定范围内,否则将对燃烧工况形成严重干扰,所以风机供风量应和燃烧负荷所对应的燃气供给量合理跟随变化。

多年以来,部分预混燃烧技术在热水器产品上的应用占据着统治地位,一方面是由于热水器燃烧工作的复杂、特殊性;另一方面,则是全预混燃烧技术在热水器产品的应用难点尚多,还处于技术不成熟的起步阶段,仅有广东的极少数的生产厂家开始尝试研发、生产。从最新的行业资讯及公开的专利文献看,现有的全预混式热水器一定程度上颠覆了传统热水器的燃烧系统,而突出体现在“空～燃”混合、供给模块,其关键技术难点在于“空～燃”全预混装置和全预混燃烧器,以及搭配调节整个系统的水、燃气、空气工作的控制系统,藉此实现按比例均匀预混燃气和助燃空气的无级调节的理想的热水器燃烧工作状态。

预混燃烧技术的发展方向

纵观预混燃烧技术在燃气具产品上的发展现状,部分预混燃烧技术由于应用较早,技术处理难度较小,因此在燃气灶具、热水器产品中已经处于技术成熟阶段,几十年来一直主导着燃气具产业,并且由于其科学的预混方法,给燃气燃烧带来了一定程度的技术改进,较之扩散式燃烧方法,燃烧效率、温度要求、排放指标等均得到大幅度改善。但是,从现有的部分预混燃烧技术产品成果和开发思路看,部分预混燃烧技术赋予产品燃烧效率的提升空间已相当有限,尤其是灶具产品,热效率仅维持在55%左右,且凭借现有的部分预混燃烧固有技术状况,也难以实现新的突破。

随着“节能环保”的呼声日益高涨,全预混燃烧技术日趋走入燃气具关键技术领域,其相关产品及专利也频频见诸视野。全预混燃烧技术本身燃烧效率高,能量利用率高,尽管技术实现难度较大,技术成本较高,但是其给燃气具行业燃烧效率带来的革命性创新是显著的,因此代表了燃气具行业燃烧技术的一个重要发展方向,以市场上新近出现的部分代表性产品为例,足以佐证。

华帝做为国内燃气具制造商巨头之一,在2022年底隆重推出“净燃聚能燃气灶”,引起强烈的市场反响。该新型灶具就是全预混燃烧技术的附体,净燃聚能燃气灶利用了全预混燃烧原理,燃气和空气充分配比混合,在合金材料制成的蜂窝燃烧网板瞬间燃烧,燃气燃烧温度高达850℃～950℃,燃烧得到热能的较大部分转化为红外线,并以红外光波辐射传递为主的形式对锅体进行加热,热效率提高到近70%,由于燃烧完全,CO、NOx等排放指标远低于国家标准要求。

国内另一家燃气具知名企业生产的“全预混燃烧热水器”,则在燃气热水器产品中独占鳌头。该类产品在热水器技术领域首开先河,燃烧系统完全是以全预混燃烧方式设计,采用新型“空～燃”比例阀和预混风机组合控制方式,将燃气和空气一次混合,在全封闭预混燃烧装置内完全燃烧,燃烧强度大,换热效果好,热效率得到更大幅度的提高,CO、NOx等烟气排放指标也完全达标。

预混燃烧技术的应用难点和突破点

预混燃烧技术的应用,就燃烧学理论而言,存在着一些难点和突破点,主要体现在两个方面:一是预混结构的创新,二是燃烧结构的创新。

预混结构以引射管为主,引射管决定了一次空气系数,也就确定了一次空气的引射量,因此引射管对预混燃烧,尤其是全预混燃烧至关重要。引射管的长度,两端开口直径,管身减速段、稳流段等结构特征,对于预混效果都起着不同的作用。为达到良好预混效果,引射管结构在不同的灶具产品中各不相同,但其结构上的变化都是出于共同的技术考虑。此外,预混腔是混合气体燃烧前的集散地,预混腔的合理设计对预混效果也有优化作用。

全预混燃烧技术中,燃气与空气充分混合,在火孔燃烧时,不需要二次空气补给,燃烧时间短,能量爆发剧烈,热容强度大,具有一定的不稳定因素,易回火、离焰,甚至由于其他流体因素而熄火,对此,燃烧技术上采取多孔介质燃烧器,火孔数量巨大,覆盖整个燃烧面。另一个关键的技术点是确定好火孔的长径比,长径比过小,容易回火,而长径比过大,则容易离焰,在一定的参数区间,则能同步实现稳定燃烧、高强度燃烧、完全燃烧等目的,这也是全预混灶具中不采用一般的传统燃烧器结构,而采用新型陶瓷蜂窝状或者合金网状红外燃烧器的主要原因。

在热水器产品中,预混结构原理基本上与灶具接近,目前的主流燃烧系统都是采用部分预混燃烧技术。在这种燃烧系统中,二次空气的供给是一个难点,驱动风机所能提供的二次空气量必须经过合理计算和分配,既满足燃烧的需要,也不能过量,并使燃烧效果符合各项热水器技术指标,这是热水器产品研发的一个重要突破点。此外,燃烧结构的改进是一个技术难点,现有的条缝式火排、燃气引射结构和二次空气供给方式比较普遍和成熟,全新燃烧结构的创新必然催生一整套全新的燃烧系统,对于意图更新热水器燃