燃气灶炉头大气式燃烧器的设计分析.docx
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燃气灶炉头大气式燃烧器的设计分析
燃气灶炉头大气式燃烧器的设计分析
在家用燃气灶的燃烧器家族中，旋流燃烧器（见图1）以其新颖的火盖造型，独特的旋流条形火孔设计，使气流在旋流燃烧过程中产生了较强的切向应力。
与传统的燃烧相比，它具有以下特点：
①结构紧凑，火力集中，燃烧均匀性好，更适合烹炒菜肴需要。
②烟气中一氧化碳低，清洁无黑烟。
③同样几何尺寸的燃烧器火盖旋流式比传统型热流量提高5%以上。
④燃烧稳定性好，不易发生回火、脱火等不正常燃烧的现象。
⑤燃烧器的火孔排列和几何尺寸的设计及制造工艺要求严格；天然气、液化气灶宜用铜制火盖，人工煤气灶宜用耐热合金铸铁火盖。
加工精度差、设计误差大的火盖，易引起不完全燃烧、黄焰、回火、脱火等问题。
根据旋流式和传统型燃烧器的实验结果列表1，供设计参考。
表1 旋流式燃烧器及传统型燃烧器试验结果比较
项目
燃烧器
O2
（%）
CO
（ppm）
COα=1
（%）
热效率
燃烧
状态
类型
外形φmm
火孔形状
优质旋流式
120
条形
8.9
90
0.016
57.9
正常
劣质旋流式
120
条形
10.0
530
0.102
53.2
黑烟
黄焰
传统型
120
方形圆形
10.2
66
0.013
55.1
正常
注：
试验用液化气低热值107.8MJ/Nm3，压力2.8Pa，热流量均为3.8kW。
1、旋流式燃烧器的原理与结构
燃烧器由火盖、灶头、引射器、喷嘴、风门等部分组成。
由图1可以看出火盖的内锥面与水平面成β角，火孔沿圆周方向布置，其火孔位置由α及φ两方向的倾角来定位。
其中φ角为火孔与内锥母线夹角，α角为外侧刀槽与垂线夹角。
当燃气在一定压力下，以一定流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，燃气靠本身能量吸入一次空气。
在引射器内燃气与一次空气混合后从火孔以一定的夹角、流速喷出，边燃烧、边旋转形成聚焦的螺旋形柱体，在圆柱体中心形成一个烟气回流区。
混合气与二次空气在炙热的回流烟气作用下受到强烈的预热，提高了燃烧速工，对燃烧起到了强化作用。
根据旋流式燃烧器的火焰特性，要求设计出合理的锅底与火盖之间的高度，使旋流燃烧火焰在接触锅底时产生最大的冲撞能量，形成沿锅底切线向上的火焰，延长烟气与锅底接触时间，提高热交换面积。
在引射器、喷嘴、及灶头设计合理情况下，火孔设计合理，每个火孔喷出的燃气都会形成向上倾斜一定夹角的片状气流，经二次空气混合后形成蓝色旋转火焰。
如果火孔分布不合理，或火孔几何尺寸和位置设计、加工有问题，则二次空气混合不均匀，将会形成几个、几十个不均匀的火焰团，导致燃烧条件恶化，产生不完全燃烧，使烟气中一氧化碳等有害气体含量增加。
2、旋流燃烧器的设计
设计尺寸与燃烧效果关系（见表2）具体注意事项如下所列。
表2 设计尺寸与燃烧效果关系
旋转强度
黄焰
脱火、回
火、爆燃
效率低
不完全
燃烧
清晰完
全燃烧
效率高
强
弱
条形
孔宽
合理
宽
窄
宽
偏宽
偏宽
合理
合理
窄
偏窄
偏窄
火孔
间距
合理
大
小
大（脱）
小（回）
偏大
偏大
合理
合理
小
偏小
偏小
α角
合理
大
小
大
偏大
偏大
合理
合理
小
偏小
偏小
φ、β
角
合理
大
-
—
偏大
偏大
合理
合理
小
偏小
偏小
喷嘴
长度
合理
长
长
短
长
长
合理
合理
短
短
短
火盖锅
底距离
合理
大
小
—
大
小
合理
合理
小
小
注：
合理指设计尺寸或角度符合技术要求，实验合格。
2.1为了便于和二次空气充分混合，条形火孔间距要经过计算和实验，使火孔喷出的燃气和一次空气的混合气流彼此既不相交，也不重合。
2.2燃气的旋转火焰，主要燃气量集中在火盖周边上，所以应按对二次空气的需求位置，设计二次空气通道。
2.3火盖与锅底距离设计应合理。
距离过大，火焰接触不到锅的底部，热效率低；距离过小，火焰受压于锅底，造成不完全燃烧，热效率低。
只有距离合理，才能使燃气充分燃烧，提高热效率，降低烟气中CO含量。
2.4火焰形成蓝色旋流柱状向上发散燃烧的火焰。
所以应按对二次空气的需求位置，设计二次空气通道。
2.5火孔热强度比传统直火型燃烧器增加（2~6）%。
2.6如图2所示，设计采用合理的喉部直径和喉部至喷孔截面距离，保证燃烧时能够吸入足够的一次空气并混合均匀；设计符合不同气源旋流燃烧器使用特点的喷嘴结构和喷孔尺寸。
2.7中心小火盖火孔轴线应斜向上，倾角应大于等于320，火孔孔径在γ2.0mm~2.8mm之间，避免造成与外环旋火焰二次空气的情况。
2.8在热流量相同条件下，采用直径偏小火盖设计可提高热效率。
3、燃气灶喷嘴喷孔计算
根据我国烹调习惯大多数家用燃气灶燃烧器分为内外双环火，既包含内环火喷嘴及外环火喷嘴。
经实验及互比确定内环火热流量0.7kW~1.0kW，外环火热流量为2.7kW~3.2kW。
根据不同气源的火孔热强度，确定燃烧设计热流量，按喷孔设计公式计算喷孔直径。
喷嘴喷孔设计公式：
d=（Lg/0.0035μ）1/2（S/H）1/4
（1）
Lg=I/Qd
（2）
其中：
d——喷孔直径（mm）；
Lg——燃气流量（Nm3/h）；
S——相对密度；
H——燃气压力（Pa）；
Qd——燃气低热值（MJ/m3）；
I——设计热流量（MJ/h）；
μ——嘴流量系数，取0.7-0.8
4、部分设计参数
4.1火孔个数n
火孔个数n=火孔总面积/单火孔面积
4.2火盖条形火孔的γ角、α角、β角
γ角（12~30）0，γ角越小，吸引二次空气越容易；α角（5~30）0；β角（20~35）0。
α、γ角经试验确定，以形成旋流燃烧、柱状向上发散的蓝色火焰为佳。
5、实验改进
5.1灶具试验中出现回火、脱火、熄火噪音大等情况时，要综合分析原因，确定改进办法（见表2，表3）。
改进步骤：
调整喷嘴至引射器喉部的前后距离；→改进喷嘴结构（长度、喷孔孔径、侧孔孔径、外径、风门风孔开口大小及形状）；→改进燃烧器火孔、火盖；→进行引射器喉部的改进；→重新设计燃烧器壳体。
按由简至繁顺序考虑，经试验在火焰燃烧稳定；热效率、一氧化碳、热流量指标必须合格前提下，解决熄火噪音大、表面温度高等问题。
试制样机检测合格后再定型生产。
表3 设计参数与气源关系
人工煤气
（R）
天然气
（T）
液化气
（Y）
条孔宽（mm）
0.9~1.0
0.95~1.20
0.98~1.30
火孔热强度qp×103
（kW/mm2）
9.9~16.6
6.0~8.8
6.6~9.5
火孔深度mm
＞宽度×5.0
＞宽度×5.0
＞宽度×5.0
喷嘴测孔孔径φ
无孔
大火＞φ2.5mm
大火＞φ2.5mm
小火＞φ1.8mm
小火＞φ1.8mm
一次空气系数
0.54~0.59
0.59~0.65
0.59~0.65
喉部直径/喷嘴
直径比φ喉/φ喷
5~6
9~10
15~16
火孔总面积/与喷嘴面积比S火总/S喷
50~75
230~320
500~600
喷孔至喉部截面距离（mm）
嵌入灶上
1.0~1.4倍
1.0~1.5倍
1.1~1.4倍
嵌入灶下
1.2~1.5倍
1.2~1.4倍
1.0~1.3倍
台式灶下
1.2~1.5倍
1.2~1.4倍
1.1~1.3倍
说明：
火孔深度参数不适用冲压方法制造的薄型火盖。
5.2灶具的燃烧性能实验是在设计较佳情况下进行的，主要是调整火焰状态。
烟气中氧气应低于9%，COα=1应小于0.05%。
主要靠调整喷嘴至喉部距离和风门开度来控制一次进气量；靠调整火盖至锅底距离控制二次空气流量。
因空气量的改变对效率、烟气影响很大，空气多，效率低；空气少，烟气中不完全燃烧成分增多，反过来也会造成效率降低。
因此必须保证空气量的射入比例合理，保证一次空气和燃气混合均匀。
6、设计中应注意的问题
6.1设计热流量宜小于4.2kW。
热流量过大，向被加热容器周围散热多，使热效率降低，灶内温度增高，灶具部件过热，易损坏灶具；
6.2台式灶燃烧器火盖上表面宜高于灶面（5~10）mm，高度降低，燃烧器向灶内散热少，使灶内温度降低，延长燃气灶使用年限；
6.3人工煤气火盖、引射器、喷嘴要单独设计，不能用天然气灶和液化气灶的部件代用，否则容易引起回火、熄火噪声大等严重故障。
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