风门开度和锅架高度对燃气灶具燃烧工况的影响

作者：张健 文章来源：海林内有限公司  更新时间：2008-3-10 22:04:04 

1.引言
    随着燃气事业的不断发展，人们对燃气灶具的研究越来越重视了。衡量一台燃气灶具质量优劣有很多指标，其中燃烧状态、热效率、烟气含量这三项是较为重要的指标，其均与燃气灶具的燃烧工况有关。而影响燃烧工况的因素也有很多，其中尤以燃气灶具的风门开度和锅架高度对燃烧工况的影响较大，这是由于风门开度的大小决定着进入燃气灶具的一次空气量的多少；而锅架高度的高低则决定着进入燃气灶具的二次空气量的多少，两者对燃气灶具的燃烧状态、热效率、烟气含量都有着直接的影响，所以研究燃气灶具的风门开度和锅架高度对于改善燃烧状态、提高热效率和减少烟气排放量有着重要的作用。

2.风门开度和锅架高度对燃气灶具燃烧工况的影响
    2.1 风门开度对燃气灶具燃烧工况的影响
    2.1.1 风门开度对燃气灶具燃烧状态的影响[1][2]
    风门开度的大小决定着进入燃气灶具的一次空气量的多少，一次空气量的多少对于燃气燃烧状态有着较大的影响。当一次空气量(即一次过剩空气系数)较大时，对于以人工煤气为气源的燃气灶具容易产生回火，以天然气和液化石油气为气源的燃气灶具则容易产生脱火；而当一次空气系数较小时，燃气灶具容易产生黄焰和不完全燃烧，使燃烧状态恶化，使燃烧产生的烟气含量大为上升。而且当燃气性质和燃烧器火孔构造一定时，一次空气系数的大小也决定了燃烧火焰的形状和高度。当一次空气系数较大时，燃烧火焰较短，内焰焰面轮廓明显，火焰颤抖厉害，点火及熄火时声音较大，这种火焰可称之为“硬火焰”；当一次空气系数较小时，燃烧火焰会拉长，内焰焰面厚度变薄，亮度减弱，火焰摇晃，点火及熄火时声音较小，这种火焰可称之为“软火焰”；当一次空气系数再进一步降低时，内焰顶部会变得模糊，直至明亮的内焰焰面(反应区)逐步消失。
    2.1.2 风门开度对燃气灶具热效率和烟气含量的影响[3]
    燃气灶具风门开度的大小决定着一次空气量的多少，而一次空气量的多少决定着燃气灶具的燃烧工况，影响着燃气灶具的热效率和燃烧所产生的烟气含量，下面通过实验进行分析，燃烧一台以天然气为气源的燃气灶具，在相同实验条件下通过调整燃气灶具的风门开度，对其进行热效率和烟气含量的测试，具体测试及计算实验数据见表1。 表1 风门开度对燃气灶具热效率和烟气含量的影响表

风门开度	O2/%	CO/ppm	CO(α=1)/ppm	热效率/%
8/10	11.5	25.5	56.70	56.76
6/10	11.1	38.8	82.75	58.15
4/10	10.6	55.9	113.43	60.23
2/10	9.8	103.7	195.25	62.15

    为了更直观地了解实验结果，更有效地对实验结果进行分析，故将实验测试计算数据绘制成图表，具体见下图。

    从上述图表可知：随着燃气灶具风门开度的不断减小，其所对应的热效率在不断上升，但同时燃烧产生的烟气含量中的氧含量在不断下降，一氧化碳含量在不断上升。这是由于风门开度的减小，造成进入燃气灶具的一次空气量的减少，从而使燃烧火焰拉长，使燃烧火焰外焰(即燃烧火焰的高温区)尽可能接近锅底，这样就会使受热增加而减少燃气的消耗以提高燃气灶具的热效率，但是由于一次空气量的减少，造成不完全燃烧的比例相应增加，以致于一氧化碳含量不断上升。反之风门开度的增加，会使一次空气量增加从而造成燃烧火焰外焰远离锅底，造成燃烧过程中燃气的消耗增加，导致热效率下降，但是一次空气量的增加提高了燃气燃烧的完全程度，从而减少了一氧化碳含量的生成。因此，在保证烟气含量相对于国家标准要求有余量的情况下，可以适当减小燃气灶具的风门开度以提高其热效率。
    2.2 锅架高度对燃气灶具燃烧工况的影响
    2.2.1 锅架高度对燃气灶具燃烧状态的影响
    为了保持燃气灶具火孔面与被加热物之间的一定间距，则需要选择合适的锅架高度以满足燃气灶具燃烧所需的二次空气量。当锅架高度较低时，进入燃气灶具的二次空气量会减少，加之燃烧火焰容易接触到被加热物底面，会使火焰温度降低，容易造成不完全燃烧，使燃烧状态恶化，烟气含量有所上升，对环境造成一定的污染。
    2.2.2 锅架高度对燃气灶具热效率和烟气含量的影响
    燃气灶具的锅架高度决定着二次空气量的多少，而二次空气量的多少也会对燃烧工况产生影响，锅架高度的高低会使燃气灶具的热效率和燃烧产生的烟气含量产生变化。同样通过燃烧一台以天然气为气源的燃气灶具进行实验分析，在相同实验条件下通过改变燃气灶具的锅架高度，对其进行热效率和烟气含量的测试，具体测试及计算实验数据见表2。 表2 锅架高度对燃气灶具热效率和烟气含量的影响表

锅架高度/mm	O2/%	CO/ppm	NOx/ppm	CO(α=1)/ppm	NOx(α=1)/ppm	热效率/%
47.5	12.23	22.8	36.8	54.96	88.71	56.48
44.5	11.15	57.3	33.2	122.83	71.17	58.65
41.5	9.88	93.7	31.4	177.71	59.55	60.72
38.5	8.54	145.9	29.8	246.71	50.39	62.91

    从上述图表可知：随着燃气灶具锅架高度的不断降低，其所对应的热效率在不断提高，但同时燃烧产生的烟气含量中的氧含量在不断下降，一氧化碳含量在不断上升，氮氧化物含量有所下降。这是随着锅架高度的降低，使燃烧反应区逐渐变小，测试用锅逐渐进入燃烧反应区，减少了燃烧火焰对周围空气加热所造成的热量损失，从而减少燃气消耗以提高燃气灶具的热效率；但是锅架高度的降低造成二次空气量的减少易产生不完全燃烧，从而使得烟气含量中的氧含量不断降低，同时一氧化碳含量不断上升，另一方面，在锅架高度下降的同时，测试用锅锅底冷壁会使燃烧反应区的温度降低，从而减少氮氧化物含量的产生(主要是由于燃烧反应区温度的降低造成热力型氮氧化物生成量大为减少)。反之锅架高度的增加，燃烧火焰与空气的接触面就会增加，加之二次空气量的增加，会使散热损失有所增加，从而导致热效率的下降，但二次空气量的增加提高了燃气的燃烧完全程度，从而减少一氧化碳含量的生成，但是此时的氮氧化物含量会有所上升。因此，在保证烟气中一氧化碳含量相对于国家标准要求有余量的情况下，可以通过适当降低燃气灶具的锅架高度以提高其热效率并降低氮氧化物的生成量。

3.结论
    (1)当燃气灶具风门开度过大时，即一次空气量较大时，容易造成回火、脱火等非正常燃烧状态，而当风门过小时，即一次空气量较小时，容易造成黄焰，产生大量不完全燃烧，燃烧产生的烟气含量会大为上升，对人体造成伤害并环境造成污染。
    (2)在不改变燃气灶具结构的情况下，可以通过减小风门开度和降低锅架高度来提高热效率，但是通过以上两种方法都会使烟气含量中的氧含量有所下降、一氧化碳含量有所上升，但是通过降低锅架高度既可以提高热效率也可以降低烟气含量中的氮氧化物含量。

参考文献：
[1]同济大学，重庆建筑工程学院，哈尔滨建筑工程学院等. 燃气燃烧与应用[M]. 第二版，北京：中国建筑工业出版社，2000年.
[2]冯宝庭. 家用燃气灶非正常燃烧原因的探讨[J]. 煤气与热力. 1995年第4期. 32~35.
[3]GB16410―1996，家用燃气灶具[S].