平板式全預混燃燒器的開發(fā)研究

摘 要

摘要：通過優(yōu)化設計和試驗，開發(fā)研究了28kW的不銹鋼平板式全預混燃燒器。試驗結(jié)果表明燃燒器燃燒穩(wěn)定，性能良好，具有明顯的節(jié)能減排效果，適合于燃氣熱水器和壁掛爐中應用。采用CFD
摘要：通過優(yōu)化設計和試驗，開發(fā)研究了28kW的不銹鋼平板式全預混燃燒器。試驗結(jié)果表明燃燒器燃燒穩(wěn)定，性能良好，具有明顯的節(jié)能減排效果，適合于燃氣熱水器和壁掛爐中應用。采用CFD和κ-ε湍流模型和Fluent軟件進行了全預混燃燒器的冷熱態(tài)數(shù)值模擬，計算結(jié)果與試驗結(jié)果能相吻合，為平板式全預混燃燒器的開發(fā)提供了有價值的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：平板式；全預混燃燒；開發(fā)研究
　0 前言
　全預混燃燒器將燃氣與燃燒需要的空氣預先充分混合，然后進行燃燒；燃氣/空氣混合氣在燃燒區(qū)能夠瞬間完成燃燒，往往看不到火焰或者只有很短的火焰。全預混燃燒具有許多突出的優(yōu)點，由于燃氣/空氣混合均勻，空氣過剩系數(shù)可以控制得很低，因而煙氣量較少，燃燒溫度提高；燃燒產(chǎn)生的熱量可以通過對流和輻射兩種方式傳遞，大大提高傳熱效率。全預混燃燒器的表面熱強度較高，所以燃燒效率高，頭部尺寸小，燃燒室體積也同樣減小。如果用在燃氣熱水器或壁掛爐中，可以騰出更多的空間進行熱交換，因而提高效率。在充分燃燒的條件下，煙氣中CO等不完全燃燒產(chǎn)物濃度降低了；隨著煙氣在高溫區(qū)停留時間的縮短和空氣量的減少，煙氣中的NOx含量也大幅度地降低。全預混燃燒器在工業(yè)上的應用比較廣泛，在燃氣熱水器和壁掛爐中開發(fā)應用全預混燃燒器，對于節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟具有重要意義。
　全預混燃燒器通常有不同的材料和結(jié)構(gòu)形式：陶瓷板紅外線燃燒器，金屬纖維全預混燃燒器和金屬板式全預混燃燒器。金屬板式全預混燃燒器是上世紀80年代由英國首先開發(fā)成功的，目前在歐洲得到廣泛使用。根據(jù)我們公司的生產(chǎn)條件以及綜合考慮工藝、結(jié)構(gòu)、加工、成本等因素，我們研究開發(fā)了不銹鋼平板式全預混燃燒器，主要用于燃氣熱水器和冷凝式壁掛爐。
　1. 全預混燃燒器的開發(fā)
　1.1 燃燒器基本結(jié)構(gòu)
　我們所開發(fā)的平板式全預混燃燒器由噴嘴、引射器、混合室、平板式火孔頭部等組成。燃燒器用0.8mm厚的不銹鋼薄板加工制成，具有良好的耐高溫、耐腐蝕和加工性能。燃燒器的熱負荷為28kW，燃氣為天然氣。采取強制鼓風式，按照燃氣壓力，由電控調(diào)節(jié)風機轉(zhuǎn)速鼓入適量空氣，進入混合腔預混。為了便于調(diào)節(jié)熱負荷，整個燃燒器分成3個獨立的單體燃燒器(見圖1、圖2)。兩側(cè)燃燒器的尺寸為107×74.5mm，各占熱負荷總量的37.6%；中間燃燒器的尺寸為107×50mm，占熱負荷總量的24.8%；燃燒器頭部的高度為10mm。單體燃燒器由于尺寸的減小，能夠有效地減少高溫下不銹鋼平板的變形，我們還創(chuàng)造性地將燃燒器頭部的平板做成凸弧形，可以進一步防止不銹鋼平板的高溫變形和材料剛性的降低。燃燒室頭部設置一塊多孔均流板，以使頭部火孔的混氣壓力和流量比較均勻，而且有利于防止回火。
　中間燃燒器頭部有730個圓火孔和160個扁火孔，側(cè)燃燒器頭部有1300個圓火孔和200個扁火孔；圓火孔直徑為中O.82mm，扁火孔長3.5mm，寬0.7mm(圖2)。頭部的圓形小火孔得到較大的氣流速度，在高溫時能夠避免回火；而面積稍大的扁形火孔能夠牢牢拉住火焰，防止出現(xiàn)脫火。正是因為這兩種不同形狀火孔的優(yōu)化配置，燃燒試驗表明，在不同的熱負荷條件下都可穩(wěn)定燃燒，能夠有效地防止冷、熱態(tài)回火和脫火。同時適量的扁孔可以增加火孔總面積，相應減少頭部尺寸。
 
平板式全預混燃燒器被安裝在冷凝式壁掛爐內(nèi)，燃燒所用的燃氣是12T天然氣，供氣壓力2kPa。通過反復調(diào)試，取得了良好的效果。燃燒器調(diào)節(jié)控制方便，運行時在火孔之上呈很短的藍色火焰；在高、低負荷下都能穩(wěn)定燃燒，沒有出現(xiàn)回火和脫火現(xiàn)象?；鹧鏈囟却蠹s950～1000℃，燃燒器外壁面溫度基本在110～150℃。熱水產(chǎn)率103%，排煙溫度38℃，熱效率達到105%，排放的煙氣中CO=225ppm，NOx=14.9ppm。
2 平板燃燒器的數(shù)值模擬
　在燃氣熱水器的燃燒器內(nèi)，燃氣與空氣混合并燃燒成煙氣，一般說來是一個相當復雜的具有化學反應的三維湍流問題。采用計算流體力學(CFD)數(shù)學模型，建立混合氣體的流動、傳熱和燃燒基本方程，也即連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和氣體組分擴散方程，并補充湍流的RNGκ-ε模型。為了便于求解，這些基本方程可以用統(tǒng)一格式的通用微分方程來表示，從而可以應用一般化的數(shù)值計算方法，編制通用的計算程序。
　2.1 基本方程
　(1) 通用微分方程
　采用統(tǒng)一的因變量來表示特性量，通用微分方程可表示為：
 
　式中：第一項為非定常項，表示單位體積內(nèi)特性量隨時間的變化率；第二項為對流項，表示通過控制面的凈通量；第三項為擴散項，表示通過控制面由分子效應引起的輸運項的散度，其中GΦ表示特性量Φ的輸運系數(shù)；第四項為源項，表示任一內(nèi)部和外部過程或源對控制體內(nèi)特性量變化所作的貢獻。
　當式中的特性量Φ分別為常數(shù)1、速度Vi、比熱焓h和組分濃度c時，通用微分方程就分別表示質(zhì)量方程、動量方程、能量方程和組分擴散方程；后三個方程中相應的輸運系數(shù)，則分別為動力粘度、導熱系數(shù)和擴散系數(shù)。
　(2) 連續(xù)性方程
　在通用微分方程中，設特性量Φ=1，并且在流體中不存在質(zhì)量源或匯，即SΦ=0時，方程(1)就成為連續(xù)性方程：
 
    (3) 動量方程(Navier-Stokes方程)
如果特性量是速度(動量)，即Φ=Vj，源項為受到的外力和內(nèi)力。對于不可壓縮流體，則得到動量方程：
 
式中μ為流體的粘性系數(shù)，
(4) 能量方程
如果特性量是熱焓(能量)，即Φ=h，則可得到能量方程：
 
    (5) 氣體組分的擴散方程
在擴散方程中，特性量是氣體的組分濃度c：
 
　式中Dm為擴散系數(shù)，F(xiàn)c為組分c的輸入源o
　(6) 湍流的RNG κ-ε模型
　對于粘性系數(shù)μ為常數(shù)的不可壓流體作等溫流動時，由連續(xù)性方程(2)和動量方程(3)就可以組成p、v的封閉方程組，在適當?shù)倪吔鐥l件和初始條件下能夠求解流體流動問題。對于湍流，由于速度量在時均值的基礎(chǔ)上，又增加了湍流帶來的速度脈動值：u′、v′、w′，因而必須引入湍流模型才能封閉求解。
　該湍流模型定義湍流動能，湍流動量擴散率ε=cDk3/2L，其中cD為無量綱的阻力系數(shù)，L為特征長度。根據(jù)Navier-Stokes方程，可導出κ和ε方程：
 
　2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件
　利用Gambit創(chuàng)建平板式全預混燃燒器的三維網(wǎng)格模型(圖3)，即根據(jù)幾何參數(shù)繪制出燃燒器幾何體，并劃分網(wǎng)格，為中間燃燒器的三維網(wǎng)格模型。
　邊界條件包括進口處的氣體流量、速度、溫度和組分，并假定經(jīng)過燃燒器頭部的多孔均流板，氣體速度和組分實現(xiàn)均勻分布。模擬計算采用的燃氣是12T天然氣，過?？諝庀禂?shù)α=1.05，火孔熱強度9.1W/mm2，氣體進口溫度為20℃。應用Fluent5/6求解器作了數(shù)值計算。
 
　2.3 冷態(tài)模擬結(jié)果
　燃燒器中心截面的速度分布如圖4。中間燃燒器和兩側(cè)燃燒器的火孔出口氣體速度分布見圖5和6。出，經(jīng)過多孔均流板以后，燃燒器頭部的火孔出口氣流速度基本均勻，達到4.Om/s。
 
　2.4 熱態(tài)模擬結(jié)果
　熱態(tài)數(shù)模計算得到了中間燃燒器和兩側(cè)燃燒器的火孔出口以及火孔以上20mm的溫度分布，見圖7到圖12。由圖中可以看出，無論是中間燃燒器，還是兩側(cè)燃燒器，火焰都比較均勻，火孔以上有約6mm高度的短火焰，很快燃燒完全，火焰溫度達到1000℃，與樣機試驗的實際燃燒溫度相吻合。
　3 總結(jié)
　(1) 通過優(yōu)化設計和反復試驗，開發(fā)了28kW的平板式全預混燃燒器。該燃燒器混合均勻，火孔熱強度大，燃燒溫度和燃燒效率高；頭部體積和燃燒室明顯減?。蝗紵€(wěn)定，沒有出現(xiàn)回火和脫火現(xiàn)象；排放煙氣中CO和NOx濃度降低。因此。該全預混燃燒器具有明顯的節(jié)能減排效果，適合應用于燃氣熱水器和壁掛爐。
　(2) 建立了平板式全預混燃燒器的數(shù)學模型，數(shù)值模擬計算結(jié)果與燃燒試驗結(jié)果相吻合，表明數(shù)值模擬是合理可信的，可以為燃燒器開發(fā)提供指導和參考。
　(3) 為了整體提高熱水器和壁掛爐的能效，今后還需進一步提高全預混燃燒器的性能，降低制造成本，探討燃燒器與熱交換器的匹配耦合問題。
參考文獻
[1] 同濟大學，重慶建筑大學，哈爾濱建筑大學，北京建筑工程學院燃氣燃燒與應用(第三版).北京：建筑工業(yè)出版社，2005
[2] 趙堅行.燃燒的數(shù)值模擬.北京：科學出版社，2002
[3] 岑可法，姚強，駱仲泱，李絢天.高等燃燒學.杭州：浙江大學出版社，2002
 
(本文作者：徐德明1 魏敦崧2 盧志龍1 周高云1 1.寧波方太廚具有限公司 浙江寧波 315300；2.同濟大學機械工程學院 上海 200092)