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	O2 （%）	CO （ppm）	COα=1 （%）	热效率	燃烧状态
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

亚硫酸铵何其莘

	旋转强度		黄焰	脱火、回奇案秘录火、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

焦化行业准入条件

		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
喷嘴测孔孔径φ		无孔	小火＞φ1.8mm	小火＞φ1.8mm
一次空气系数特勤机甲队6		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		igf-1 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。

本文发布于:2024-09-21 20:20:52，感谢您对本站的认可！

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