多引射多孔介質燃氣灶點火特性研究

王海健，徐江榮，沈 敏,王關晴，凌忠錢

(1.杭州電子科技大學能源研究所，浙江 杭州 310018；2.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

多引射多孔介質燃氣灶點火特性研究

王海健1，徐江榮1，沈 敏1,王關晴1，凌忠錢2

(1.杭州電子科技大學能源研究所，浙江 杭州 310018；2.中國計量大學計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

對多引射旋轉預混多孔介質燃氣灶點火燃燒過程進行了研究.采用非接觸式紅外熱像儀對多孔介質燃氣灶表面固體輻射溫度進行實時測量，并通過熱電偶對其進行了校核，分析了多孔介質燃氣灶表面溫度分布以及污染物排放的過程.實驗結果表明：紅外熱像儀測量得到的燃氣灶表面固體溫度與熱電偶測量結果相對誤差小于1.5%，數據吻合較好；表面溫度分布逐漸趨于均勻，表面最高溫度與最低溫度的差值逐漸減小，當燃燒穩(wěn)定時，其差值減小到73 ℃左右并保持穩(wěn)定，同時煙氣中CO與NOX濃度排放較低.

多孔介質；燃氣灶；紅外測溫；溫度分布

0 引 言

近年來，國內外設計者不僅對民用燃氣灶具裝置結構布置方式、選用材質、加熱方式等方面進行了大量改進，而且對各自設計燃氣灶具裝置的熱效率、煙氣污染物排放進行了大量實驗和理論研究.比如，文獻[1]對鍋底面到火孔位置進行了研究，研究發(fā)現，火焰到鍋底距離過大時，熱效率低，煙氣中CO濃度較低，但NOX濃度增加；距離過小時，煙氣中CO濃度較大，燃燒不充分；而距離在一個理想位置時，可使熱效率有所提高.文獻[2]用相同的方法研究了燃燒的火焰高度，得出了最大限度提升燃燒效率的火焰高度.文獻[3]對民用燃氣灶點燃后煙氣中CO生成量與空氣雷諾系數關系進行實驗研究.發(fā)現煙氣中CO的含量隨著空氣雷諾系數增加具有先增加而后逐步減少的趨勢.文獻[4-6]通過試驗的方法確定了家用燃氣灶的設計參數，達到優(yōu)化家用燃氣灶具熱工性能的目的，并測定分析鍋架高度對CO生成量及熱效率的影響.結果表明，在一定程度上，鍋架高度越高，煙氣中CO含量越低，熱效率也越低；反之，則兩項都偏高.上述表明，國內外研究主要是針對自由空間燃燒火焰的燃氣灶具進行研究，有關多孔介質燃氣灶特性的研究相對較少.本文對多引射多孔介質燃氣灶點燃特性進行了研究，采用紅外熱像儀對燃氣灶具輻射表面溫度分布進行了實時測量，并通過熱電偶對其進行了校核，分析了點火啟動過程中，多孔介質燃氣灶具表面溫度分布與污染物排放變化過程，為深入研究多孔介質燃燒輻射燃氣灶具提供參考.

1 實驗裝置與實驗方法

1.1 實驗裝置

多孔介質燃氣灶實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括供氣系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)、燃氣灶體、以及數據采集系統(tǒng).供氣系統(tǒng)由甲烷儲氣瓶、燃氣管道、引射器等組成；流量控制系統(tǒng)是由質量流量控制器、流量顯示儀組成，數據采集系統(tǒng)由熱電偶溫度數據采集儀、煙氣分析儀、計算機以及紅外熱像儀等組成.燃氣灶體結構由預混室、雙層陶瓷板等幾部分組成，上層大孔徑碳化硅泡沫陶瓷把火焰離散成許多細微的小火焰，拓寬燃燒反應區(qū)域，使燃燒更加充分；下層小孔徑蜂窩陶瓷多孔介質能夠預熱新鮮燃氣.

1-溫度數據采集儀；2-熱電偶；3-多孔介質；4-燃氣灶體；5-引射器；6-分流器；7-質量流量控制器；8-流量顯示儀；9-燃氣減壓器；10-調節(jié)閥；11-甲烷儲氣瓶；12-紅外熱像儀；13-計算機；14-煙氣分析儀.圖1 多引射旋轉預混多孔介質燃氣灶實驗系統(tǒng)

1.2 實驗方法

圖2 紅外熱像儀測量位置坐標系

使用美國的FLIR Systems制造的非冷卻式手持紅外熱像儀對燃氣灶表面進行實時拍攝，通過計算機軟件FLIR Research IR處理分析多孔介質表面溫度數據，測量位置坐標系如圖2所示，紅外熱像儀測溫范圍為200～2 000 ℃.實驗中，通過風門來控制風量的調節(jié)，風門開度不同，引射器卷吸的空氣量不同，引射器與風門結構如圖3所示.在燃氣灶著火過程中，利用日本制造的HORIBA PG-350便攜式煙氣分析儀記錄煙氣濃度數據，主要包括CO，NOX，O2等.

1-噴嘴；2-風門；3-收縮管；4-混合管；5-擴散管.(a) 引射器

(b) 風門

2 結果分析與討論

2.1 溫度測量校核

為了校核紅外線熱像儀對測量多孔介質燃氣灶表面溫度準確性，用紅外線熱像儀拍攝多孔介質燃氣灶表面上C(0,0)點溫度變化，同時用K型熱電偶(精度±0.75%)測量測點C溫度，由于紅外熱像儀測量的是表面固體溫度，故用粘結劑把熱電偶測量端與燃氣灶表面固體連接，降低了間隙氣體溫度對測點固體溫度的影響.

圖4 測點C(0,0)處溫度-時間變化曲線圖

測點C的熱電偶測量結果與紅外熱像儀溫度測量結果的校核如圖4所示.圖4中，在熱負荷Q=2.8 kw、風門開度k=75%、噴嘴直徑d=0.6 mm時，多孔介質燃氣灶表面開始點火到穩(wěn)定燃燒過程中，測點C的溫度經歷上升、下降、再上升的變化過程.因為點火后燃氣在燃氣灶表面燃燒，為了預防回火發(fā)生，調節(jié)風門開度，然后火焰向多孔介質內部傳播，當火焰分布到整個多孔介質內部時，燃燒開始均勻，溫度升高并保持穩(wěn)定.由圖4可知，兩種測量方法獲得的溫度隨時間變化曲線非常接近，當溫度穩(wěn)定時，相對誤差小于1.5%.實驗表明，紅外線熱像儀測得的表面固體溫度與熱電偶測得的數據吻合性較好.

2.2 著火啟動表面溫度分布

Q=3.2 kw，k=75%，d=0.6 mm時，表面溫度在不同時刻的分布情況如圖5所示.圖5(a)為燃燒開始階段表面溫度分布圖，此時表面最高溫度為348 ℃，最低溫度為111 ℃，溫差為237 ℃；圖5(b)中，t=280 s時，表面最高溫度為753 ℃，最低溫度為619 ℃，溫差為134 ℃；圖5(c)中，t=420 s時，表面溫度分布均勻，表面最高溫度為783 ℃，最低為709 ℃，溫差進一步減小到74 ℃；圖5(d)中，t=520 s時，表面最高溫度變?yōu)?81 ℃，最低為708 ℃，溫差變?yōu)?3 ℃，說明表面溫度分布均勻后，溫差基本保持不變.

圖5 不同時刻燃氣灶表面溫度場分布

為了更加直觀反應溫度分布均勻性，選取圖2中的坐標系，對Y=-50 mm，Y=0 mm，Y=50 mm位置處溫度進行分析對比，如圖6所示.圖6(a)中，t=0 s時，表面中心周圍Y=0 mm，X=-25 mm～25 mm，溫度接近表面平均溫度253 ℃；Y=-50 mm，Y=50 mm處的最高溫度和最低溫度差值較大.因為點火后，熱量開始集中在中間位置，然后通過對流換熱、熱輻射向四周傳播，開始階段燃燒不穩(wěn)定，多孔介質表面溫度分布不均勻，波動較大.圖6(b)中，t=280 s時，平均溫度為692 ℃，在Y=-50 mm，從X=-30 mm～30 mm，溫度明顯要高于平均溫度，存在局部高溫；在表面中心周圍Y=0 mm，X=-25 mm～25 mm，溫度變化比較平穩(wěn)，接近平均溫度；另一側Y=50 mm位置處的溫度平穩(wěn)，但小于平均溫度.因為燃氣灶點火后，隨著調節(jié)風門開度增大，空氣卷吸量增加，燃燒釋放的熱量增多，在調節(jié)風門過程中，燃氣和空氣混合不均勻，燃燒過程中造成局部高溫.圖6(c)中，平均溫度為729 ℃，3個位置的溫度基本都靠近平均溫度變化，在Y=-50 mm位置的溫度波動相對較大，但在整個區(qū)間內都是圍繞平均溫度變化.圖6(d)中，平均溫度為737 ℃，各位置的溫度與圖6(c)比較沒有太大變化.說明在多孔介質燃氣灶輻射表面溫度在燃燒達到穩(wěn)定狀態(tài)時，表面溫差大小變化不大且溫度分布比較均勻.

圖6 不同位置溫度分布

2.3 污染物排放特性

多孔介質燃氣灶燃燒時，為了使燃氣燃燒充分，調節(jié)風門開度使引射器卷吸過量的氧，從而對污染物濃度有“稀釋”作用，為使污染物標準濃度不因過量的氧而產生差異，統(tǒng)一采用燃氣充分燃燒時氧量6%為標準，折算處理污染物濃度數據.

圖7 折算氧量為6%時，CO及NOX濃度變化

Q=3.2 kw，k=75%，d=0.6 mm時，煙氣中氧濃度折算為6%后，CO與NOX濃度隨時間變化過程如圖7所示.CO濃度在燃氣灶具開始點火后，燃燒不充分，CO濃度迅速提高，大約在200 s左右達到最大值665.7 mg/Nm3；調節(jié)風門開度后，火焰在多孔介質表面穩(wěn)定，CO濃度下降到79.0 mg/Nm3；此后火焰向上游多孔介質內部移動，燃燒不穩(wěn)定，CO濃度升高，大約在450 s時升高到202.0 mg/Nm3左右；當多孔介質輻射表面溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)后，CO濃度維持在135.0 mg/Nm3左右；NOX的濃度開始有輕微上升過程，表面溫度穩(wěn)定時，NOX濃度基本不變，大約在18.0 mg/Nm3.在燃氣灶表面溫度穩(wěn)定時，CO，NOX濃度值均在國家標準要求范圍內.

3 結束語

本文對多孔介質燃氣灶點火燃燒過程中其表面溫度和污染物排放特性進行了實驗和研究.研究發(fā)現：紅外測溫與熱電偶測溫數據誤差較小，說明紅外熱像儀在本實驗測量的溫度數據可靠；表面溫差逐漸減小，在溫差為73 ℃時達到穩(wěn)定，溫度分布較均勻，克服了傳統(tǒng)燃氣灶的自由火焰燃燒產生局部高溫的缺點；煙氣中的CO的濃度變化經歷一個上升、下降、穩(wěn)定的過程，當表面溫度分布均勻時，CO及NOX的濃度較低并且保持穩(wěn)定.本文并沒有考慮熱負荷、風門開度及噴嘴直徑等因素對表面溫度與污染物濃度的影響，這是下一步研究中需要考慮的問題.

[1]ASHMAN P J, JUNUS R, STUBINGTON J F, et al. The effects of load height on the emissions from a natural gas-fired domestic cooktop burner[J]. Combustion science and technology, 1994, 103: 283-298.

[2]KWOK L C. Heat transfer characteristics of slot and round premixed impinging flame jets[J]. Experimental Heat Transfer, 2003,16(2):111-137.

[3]LI H B, WONG T T, LEUNG C W, et al. Thermal performances and CO emissions of gas-fired cooker-top burners[J]. Applied Energy, 2006,83(12):1326-1338.

[4]王志國.家用燃氣灶具結構及性能剖析[J].科技情報開發(fā)與經濟,2010,20(32):219-221.

[5]凌革力.鍋架高度對灶具燃燒工況的影響[J].煤氣與熱力,2002,22(6):561-562.

[6]譚順民.家用燃氣灶具熱工性能的優(yōu)化研究[J].土木建筑與環(huán)境工程,1995,17(3):21-29.

Ignition Characteristics of the Rotating Premixed Porous Media Gas Stove by Multi-injection

WANG Haijian1, XU Jiangrong1, SHEN Min1, WANG Guanqing1, LING Zhongqian2

(1.InstituteofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.CollegeofTestEngineering,ChinaJiliangUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The combustion process of multi-injection rotary premixed porous medium gas burner was studied in this paper. The solid surface radiation temperature of the porous gas stove was measured by non-contact infrared thermal imager, and the temperature data were checked by thermocouple, the surface temperature distribution of the porous gas stove and the process of pollutant emission were analyzed. The experimental results show that the relative error between the solid surface temperature measured by infrared camera and thermocouple is less than 1.5%, and the data are in good agreement with each other. The surface temperature distribution gradually becomes uniform, and the difference between the maximum surface temperature and the minimum temperature gradually narrow. when the combustion is stable, the difference is reduced to about 73 ℃ and kept stable, while the CO and NOXconcentration in the flue gas is lower.

porous media; gas stove; infrared thermometer measurement; temperature distribution

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.013

2016-11-04

浙江省自然科學基金資助項目(LY15E060007);浙江省流量計量技術重點實驗室開放基金資助項目(JL150506)

王海健(1988-)，男，河南周口人，碩士研究生，多孔介質燃燒研究.通信作者：徐江榮教授，E-mail:jrxu@hdu.edu.cn.

TK16

A

1001-9146(2017)04-0061-05