平板式全预混燃烧器的开发研究

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1、平板式全预混燃烧器的开发研究2011-1-17徐德明魏敦崧卢志龙周高云摘要：通过优化设计和试验，开发研究了28kW的不锈钢平板式全预混燃烧器。试验结果表明燃烧器燃烧稳定，性能良好，具有明显的节能减排效果，适合于燃气热水器和壁挂炉中应用。采用CFD和κ-ε湍流模型和Fluent软件进行了全预混燃烧器的冷热态数值模拟，计算结果与试验结果能相吻合，为平板式全预混燃烧器的开发提供了有价值的参考依据。关键词：平板式；全预混燃烧；开发研究　0前言　全预混燃烧器将燃气与燃烧需要的空气预先充分混合，然后进行燃烧；燃气/空气混合气

2、在燃烧区能够瞬间完成燃烧，往往看不到火焰或者只有很短的火焰。全预混燃烧具有许多突出的优点，由于燃气/空气混合均匀，空气过剩系数可以控制得很低，因而烟气量较少，燃烧温度提高；燃烧产生的热量可以通过对流和辐射两种方式传递，大大提高传热效率。全预混燃烧器的表面热强度较高，所以燃烧效率高，头部尺寸小，燃烧室体积也同样减小。如果用在燃气热水器或壁挂炉中，可以腾出更多的空间进行热交换，因而提高效率。在充分燃烧的条件下，烟气中CO等不完全燃烧产物浓度降低了；随着烟气在高温区停留时间的缩短和空气量的减少，烟气中的NOx含量也大幅

3、度地降低。全预混燃烧器在工业上的应用比较广泛，在燃气热水器和壁挂炉中开发应用全预混燃烧器，对于节能减排、发展低碳经济具有重要意义。　全预混燃烧器通常有不同的材料和结构形式：陶瓷板红外线燃烧器，金属纤维全预混燃烧器和金属板式全预混燃烧器。金属板式全预混燃烧器是上世纪80年代由英国首先开发成功的，目前在欧洲得到广泛使用。根据我们公司的生产条件以及综合考虑工艺、结构、加工、成本等因素，我们研究开发了不锈钢平板式全预混燃烧器，主要用于燃气热水器和冷凝式壁挂炉。　1.全预混燃烧器的开发　1.1燃烧器基本结构　我们所开发的平

4、板式全预混燃烧器由喷嘴、引射器、混合室、平板式火孔头部等组成。燃烧器用0.8mm厚的不锈钢薄板加工制成，具有良好的耐高温、耐腐蚀和加工性能。燃烧器的热负荷为28kW，燃气为天然气。采取强制鼓风式，按照燃气压力，由电控调节风机转速鼓入适量空气，进入混合腔预混。为了便于调节热负荷，整个燃烧器分成3个独立的单体燃烧器(见图1、图2)。两侧燃烧器的尺寸为107×74.5mm，各占热负荷总量的37.6%；中间燃烧器的尺寸为107×50mm，占热负荷总量的24.8%；燃烧器头部的高度为10mm。单体燃烧器由于尺寸的减小，能够

5、有效地减少高温下不锈钢平板的变形，我们还创造性地将燃烧器头部的平板做成凸弧形，可以进一步防止不锈钢平板的高温变形和材料刚性的降低。燃烧室头部设置一块多孔均流板，以使头部火孔的混气压力和流量比较均匀，而且有利于防止回火。　中间燃烧器头部有730个圆火孔和160个扁火孔，侧燃烧器头部有1300个圆火孔和200个扁火孔；圆火孔直径为中O.82mm，扁火孔长3.5mm，宽0.7mm(图2)。头部的圆形小火孔得到较大的气流速度，在高温时能够避免回火；而面积稍大的扁形火孔能够牢牢拉住火焰，防止出现脱火。正是因为这两种不同形状

6、火孔的优化配置，燃烧试验表明，在不同的热负荷条件下都可稳定燃烧，能够有效地防止冷、热态回火和脱火。同时适量的扁孔可以增加火孔总面积，相应减少头部尺寸。 平板式全预混燃烧器被安装在冷凝式壁挂炉内，燃烧所用的燃气是12T天然气，供气压力2kPa。通过反复调试，取得了良好的效果。燃烧器调节控制方便，运行时在火孔之上呈很短的蓝色火焰；在高、低负荷下都能稳定燃烧，没有出现回火和脱火现象。火焰温度大约950～1000℃，燃烧器外壁面温度基本在110～150℃。热水产率103%，排烟温度38℃，热效率达到105%，排放的烟气中

7、CO=225ppm，NOx=14.9ppm。2平板燃烧器的数值模拟　在燃气热水器的燃烧器内，燃气与空气混合并燃烧成烟气，一般说来是一个相当复杂的具有化学反应的三维湍流问题。采用计算流体力学(CFD)数学模型，建立混合气体的流动、传热和燃烧基本方程，也即连续性方程、动量方程、能量方程和气体组分扩散方程，并补充湍流的RNGκ-ε模型。为了便于求解，这些基本方程可以用统一格式的通用微分方程来表示，从而可以应用一般化的数值计算方法，编制通用的计算程序。　2.1基本方程　(1)通用微分方程　采用统一的因变量来表示特性量，通

8、用微分方程可表示为： 　式中：第一项为非定常项，表示单位体积内特性量随时间的变化率；第二项为对流项，表示通过控制面的净通量；第三项为扩散项，表示通过控制面由分子效应引起的输运项的散度，其中GΦ表示特性量Φ的输运系数；第四项为源项，表示任一内部和外部过程或源对控制体内特性量变化所作的贡献。　当式中的特性量Φ分别为常数1、速度Vi、比热焓h和组分浓度c时，通用微分方程就分别表