壁掛式家用燃氣灶L型引射器性能研究

廣州中國科學院工業(yè)技術(shù)研究院　鄭瑞蕓　岳　昊

壁掛式家用燃氣灶L型引射器性能研究

廣州中國科學院工業(yè)技術(shù)研究院鄭瑞蕓岳昊

介紹一種新型的壁掛式家用燃氣灶及L型引射器。對L型引射器進行實驗測試及數(shù)值仿真，結(jié)果表明同等條件下，L型引射器引射的空氣量小于常規(guī)的文丘里管引射器，通過增加L型引射器的空氣吸入口面積，可使其引射的空氣量滿足設(shè)計要求；L型引射器出口斷面燃氣—空氣的混合均勻程度優(yōu)于常規(guī)的文丘里管引射器。

壁掛式家用燃氣灶L型引射器文丘里管引射器混合均勻程度

目前市面上的燃氣灶主要分為臺式灶和嵌入式灶。臺式灶通風好，燃燒效率相對較高；可移動性強，一般用于低端市場。占據(jù)高端市場的嵌入式灶將燃氣灶的主體部嵌入櫥柜，其優(yōu)點在于美觀時尚、節(jié)省空間。但中心火的空氣補給困難，燃燒效率相對較低；灶面溫度高，保潔性較差。

針對當前燃氣灶存在的問題，提出了一種新型的壁掛式家用燃氣灶，并獲專利授權(quán)。將燃氣灶的爐頭組件與燃氣管、控制閥等主體部分開，通過L型引射器進行連接，爐頭組件可隨L型引射器進行翻轉(zhuǎn)。壁掛式家用燃氣灶示意見圖1。

圖1　壁掛式家用燃氣灶示意

1　L型引射器實驗測試

常規(guī)的引射器由噴嘴及文丘里管組成。市購燃氣灶一臺，在原引射器文丘里管喉部位置切開，接入一段等徑彎管，構(gòu)成L型引射器，見圖2。原引射器為二級引射器，即噴嘴帶有徑向的空氣吸入口A；燃氣通過兩次引射，分別從空氣吸入口A、空氣吸入口B吸入空氣，混合后流向火孔。

圖2　L型引射器

噴嘴的直徑為0.9 mm，文丘里管喉部的內(nèi)徑為12 mm；彎管兩邊長度均為75 mm，90°彎頭。為了加大引射的空氣量，將L型引射器空氣吸入口B全部切開，改造前后的空氣吸入口B見圖3。

圖3　改造前后的空氣吸入口B

將改造后的L型引射器接入燃氣灶，利用調(diào)風板對空氣吸入口B進行遮擋來調(diào)節(jié)一次空氣吸入量。點火進行燃燒測試，以火焰穩(wěn)定并呈藍色作為判斷指標。測試結(jié)果見表1。

表1　測試結(jié)果

2　數(shù)值建模及計算結(jié)果分析

分別對原引射器、L型引射器進行建模，工作流體為液化石油氣(容積成分1.5%CH4，1.0%C2H6，9.0%C3H6，4.5%C3H8，54%C4H8，30%C4H10)。

2.1模型及網(wǎng)格劃分

對流體區(qū)域進行建模，坐標原點取燃氣入口斷面的圓心處。借助CFD前處理軟件ICEMCFD，采用四面體進行網(wǎng)格劃分。L型引射器的計算網(wǎng)格及坐標見圖4。結(jié)構(gòu)上，L型引射器比原引射器增加了中間彎管部分，除空氣吸入口B開口面積有區(qū)別外，其他條件均相同。

圖4　L型引射器的計算網(wǎng)格及坐標

2.2控制方程及湍流模型

由于家用燃氣灶采用的是低壓引射，工質(zhì)可視為不可壓縮，并假設(shè)工質(zhì)的溫度、密度均為常數(shù)。引射器內(nèi)氣體流動視為充分發(fā)展的定常湍流?？刂品匠贪ㄟB續(xù)性方程、N-S方程、組分方程和湍流方程。

對于常規(guī)的引射器，游超林等人及倪娟娟等人的計算結(jié)果表明，采用標準k-ε雙方程湍流模型即可取得滿意的計算結(jié)果。但對于L型引射器，由于采用了彎曲圓管，離心力在圓管橫截面上引起了二次流，使得標準k-ε雙方程模型的計算誤差太大，因此采用雷諾應(yīng)力模型(RSM)進行計算。RSM模型的特點是直接構(gòu)建雷諾應(yīng)力輸運方程，與雷諾平均N-S方程進行聯(lián)立求解。由于RSM比單方程和雙方程模型更加嚴格地考慮了流線型彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)和張力快速變化，它對于復(fù)雜流動有更高的預(yù)測精度，尤其適用于模擬颶風流動、燃燒室高速旋轉(zhuǎn)流、管道中二次流等。

2.3邊界條件

燃氣入口設(shè)為壓力入口邊界，壓力值為2 800 Pa；空氣入口設(shè)為壓力入口邊界，壓力值為0 Pa。引射器出口設(shè)置為壓力出口邊界，壓力值為3 Pa。其他邊界均為無滑移壁面邊界。

2.4計算結(jié)果

2.4.1一次空氣系數(shù)

本文探討的引射器均為二級引射器，質(zhì)量引射系數(shù)為兩次引射的空氣質(zhì)量流量/燃氣的質(zhì)量流量；一次空氣系數(shù)為兩次引射的空氣量/燃氣燃燒理論空氣需要量。計算得到的質(zhì)量引射系數(shù)及一次空氣系數(shù)見表2。

表2　計算得到的質(zhì)量引射系數(shù)及一次空氣系數(shù)

空氣吸入口B開口比例均為0.5時，L型引射器的質(zhì)量引射系數(shù)為7.72，小于原引射器。將空氣吸入口B開口比例由0.4增加到0.5時，原引射器的一次空氣系數(shù)由0.64增加至0.97；將空氣吸入口B開口比例由0.5增加到1時，L型引射器的一次空氣系數(shù)由0.53增加至0.67。

大氣式燃燒器燃氣種類為液化石油氣時，《燃氣燃燒與應(yīng)用》給出一次空氣系數(shù)的常用設(shè)計值為0.60～0.65，則對于原引射器，當空氣吸入口B開口比例為0.4滿足設(shè)計要求；而對于L型引射器，空氣吸入口B開口比例為1時滿足設(shè)計要求。

2.4.2燃氣—空氣混合均勻程度

取空氣吸入口B開口比例為1的L型引射器進行分析，y=0斷面空氣質(zhì)量分數(shù)分布見圖5。燃氣兩次吸入空氣混合，在彎頭前燃氣與空氣已基本混合均勻。

圖5　L型引射器y=0斷面空氣質(zhì)量分數(shù)分布

采用引射器出口混合氣體中燃氣質(zhì)量分數(shù)的不均勻系數(shù)來衡量空氣與燃氣的混合程度，其中燃氣質(zhì)量分數(shù)的不均勻系數(shù)=燃氣質(zhì)量分數(shù)的標準方差/燃氣質(zhì)量分數(shù)的平均值。統(tǒng)計引射器出口斷面的燃氣質(zhì)量分數(shù)，計算得到不均勻系數(shù)為0.044%。而原引射器(空氣吸入口B開口比例0.4)的出口斷面不均勻系數(shù)為2.27%。

3　結(jié)語

為滿足壁掛式家用燃氣灶的要求，設(shè)計了L型引射器。根據(jù)實驗測試及數(shù)值仿真的結(jié)果，初步得出以下結(jié)論：

(1)同等條件下，L型引射器引射的空氣量小于常規(guī)的文丘里管引射器；

(2)加大引射器空氣吸入口的面積，可增加引射的空氣量；通過增加L型引射器的空氣吸入口面積，可使其引射的空氣量滿足設(shè)計要求；

(3)L型引射器出口斷面燃氣—空氣的混合均勻程度優(yōu)于常規(guī)的文丘里管引射器。

Performance Research on L-Type Injector of Wall-Hanging Domestic Gas Range Institute of Industry Technology, GuangZhou & Chinese Academy of Sciences

Zheng RuiyunYue Hao

This paper introduces a new type wall-hanging domestic gas range and its L-type injector. Test and numerical simulation are carried out. Results show that on the same condition, the air injected into the L-type injector is less than the Venturi tube injector, thus the designing requirement of air volume should be met by enlarging the air inlet of the L-type injector. Besides, the gas-air mixing uniformity on the outlet of the L-type injector is better than the normal Venturi tube injector.

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