双级全预混燃气灶引射器的理论分析

2018-11-01沈金晨

机械设计与制造工程 2018年10期

沈金晨，苏磊

(南京工业大学能源科学与工程学院，江苏南京 211816)

与传统大气式燃气灶相比，全预混燃气灶能实现燃气和空气的全预混燃烧，从而使火焰温度和热效率提高，同时减少CO和NOx的排放量，因此受到很多学者的重视[1-3]。全预混引射器可实现燃气与其完全燃烧所需空气的充分预混，是全预混燃气灶的重要组成部件，因此研究和开发全预混引射器是全预混燃气灶研究和应用中必须解决的关键问题。

目前，关于单级引射器性能的研究较多，许多学者对引射器的混合特性、引射器特性方程及引射器的可调性等进行了研究[4-7]。陈辉等[8]研究了工作流体压力对引射器性能的影响，发现增加工作流体的压力可以增大引射系数，但是当工作流体压力超过临界值后，继续增加反而会引起引射系数的下降。宋力钊等[9]研究了几何参数对引射器性能的影响，结果表明，在一定工况下存在一最佳的喉部和混合管直径使引射系数最大。

双级引射器通过阶段性引射[10]有利于实现燃气与空气的全预混，目前对双级引射器应用于燃气灶上的研究还相对较少。童伟明等[11]通过实验对比了单、双级引射低压加热器性能的优劣，实验结果表明，双级引射器的引射系数比单级引射器的引射系数提高了120%，双级引射器在综合性能上比单级引射器要好。

本文提出了一种新的双级全预混燃气灶引射器的结构。以3.5 kW燃烧功率的民用天然气燃气灶为例，在天然气压力和天然气额定流量确定的情况下，进行了双级引射器的结构设计和理论建模，分析双级引射比、截面比和引射压差对引射器性能的影响。

1 理论模型

双级引射器本质上是单级引射器的重复，为方便叙述，现以单级引射器的理论模型为例，介绍双级引射器建模方法。单级引射器主要由喷嘴、吸入室、混合管和扩压管组成，图1为单级引射器结构示意图。

1—喷嘴；2—吸入室；3—混合管；4—扩压管

1.1 喷嘴

设喷嘴内部流动为可逆绝热过程，理论描述如下：

(1)

(2)

喷嘴出口引射流体的实际流速cf1为：

(3)

式中：T0,T1分别为喷嘴进口、出口引射流体温度，K；P0,P1分别为喷嘴进口、出口引射流体压力，Pa；k为引射流体绝热指数；cp为引射流体定压比热容，kJ/(kg·K)；cf0为喷嘴进口引射流体流速，m/s；φ为不可逆流动的速度修正系数，一般取0.92～0.98。

1.2 吸收室和混合管

引射器混合段的内部气体混合过程十分复杂，需通过动量守恒、连续性方程和能量守恒定律来进行理论分析，根据过程特点把吸收室和混合管看作一个整体，统称为混合管。

首先在图1 所示的A-A和B-B截面上建立混合管动量方程：

(4)

式中：qm1,qm2,qmix分别为引射流体、被引射流体和混合气体的质量流量，kg/s；cf2,cf3分别为被引射流体进口流速和混合管出口混合气流速，m/s；ψ为混合管速度场不均匀系数；Am为引射器混合管的横截面积，m2；Pm为混合管出口压力，Pa；λ为摩擦系数(与混合管内的雷诺数Re有关)；lm为混合管长度，m；dm为混合管直径，m；ρmix为混合管内混合气的密度，kg/m3。

速度场不均匀系数ψ取决于速度场的分布状况[16]。抛物线速度场，ψ=1.33；稳定的紊流速度场(Re=10 000)，ψ=1.02；矩形速度场，ψ=1.00。本文中的速度场为稳定的紊流速度场，故ψ=1.02。

混合管能量守恒方程：

(5)

式中：h1,h2,hmix分别为引射流体、被引射流体和混合气的当地焓值。

混合管质量守恒方程：

qmix=qm1+qm2

(6)

混合管出口气体状态方程：

PmqV,mix=qmixRgTm

(7)

式中：qV,mix为混合管中混合气的体积流量，m3/s；Rg为混合管中混合气的气体常数，kJ/(kg·K)；Tm为混合管出口混合气温度，K。

1.3 扩压管

考虑扩压管的扩张程度及流动阻力损失，则混合气在扩压管出口截面的压力Pk为：

(8)

式中：n为扩压管的扩张程度，即扩压管出口截面积与混合管截面积的比值，与引射器的形状有关[12]，n的值一般取2～3；ξd为扩压管阻力损失系数，与n有关。

2 双级全预混燃气灶引射器

图2为本文提出的双级全预混燃气灶引射器的结构示意图，该引射器为双级串联形式，第一级引射器混合管的出口即为第二级引射器喷嘴的进口。第一级引射器的引射流体为风机提供的少量的空气(即一级空气)，被引射流体为天然气，由一级空气引射全部的天然气；第二级引射器中，将第一级引射器混合后的气体作为引射流体，引射全预混燃烧所需的剩余全部空气(即二级空气)，然后混合气在第二级引射器混合管中充分混合后由扩压管升压后排出。

1—第一级喷嘴；2—第一级吸收室；3—第一级混合管；4—第二级喷嘴；5—第二级吸收室；6—第二级混合管；7—扩压管

其工作原理如下：鼓风空气(一级空气)通过高于燃气压力的压头进入一级空气喷嘴，在喷嘴中降压增速后流出，引射从燃气吸入室进入的天然气，此时鼓风空气压力降到天然气压力[13](2 000Pa)；鼓风空气引射天然气后会在一级混合管内进行混合，并以一级混合气的形式进入第二级引射器喷嘴，再经过降压增速，当混合气压力降至大气压[13]时其流速升高，较高流速的混合气从二级空气吸入室引射全预混燃烧所需的全部剩余空气(二级空气)，之后在第二级混合管中充分预混，最后经扩压管升压排出。这个过程中，鼓风空气、被引射的燃气和被引射的二级空气不停地发生动能的交换。

本引射器的优点是既利用了天燃气原有压头引射空气系数为0.6左右的空气，又利用极少量的低压一级空气(空气系数为0.1左右)引射空气系数为0.4左右的空气，满足了全预混所需的空气系数为1.1的空气量。同时该引射器通过双级引射，还具备一定的负荷调节能力。

2.1 引射器性能参数及评价指标

引射器性能参数主要有引射比μ、截面比k和引射压差ΔP等。

引射比μ：指被引射流体的质量流量与引射流体质量流量的比值，它反映了引射器的引射能力。一级空气与燃气质量流量的比值为一级引射比，一级混合气与二级空气质量流量的比值为二级引射比。当天然气流量和空气流量一定时，随一级空气流量的增加，一级引射比μ1减小，对应的二级引射比μ2也减小。

截面比k：指各级引射器中的混合管截面积与喷嘴出口截面积之比，其值的大小影响混合气在混合管出口处的流速和压力，以及混合气在混合管内的流动阻力。一级截面比k1为一级混合管与一级空气喷嘴的截面比，二级截面比k2为二级混合管与二级喷嘴截面比。

引射压差ΔP：指引射流体工作压力与被引射流体工作压力的差值，其值反映了引射流体所具有的能量，直接反映其引射低压流体的能力。双级引射器有两级引射压差ΔP1和ΔP3，一级引射压差为一级鼓风空气与天燃气的压力差，二级引射压差为第一级引射器出口的混合气与二级空气的压力差。由于两级引射器串联布置，因此第二级引射压差的变化实质上是由一级引射压差引起的，在数值上随一级引射压差动态变化。

被引射流体压差ΔP作为引射器性能评价指标，是指被引射流体经过引射器混合管和扩压管后压力升高的值，它反映了被引射流体经高压流体引射后所具有的能量。文中一级混合管出口压力与天然气的压力差为一级被引射流体压差ΔP2，扩压管出口和二级引射空气的压力差为二级被引射流体压差ΔP4。

2.2 引射器设计参数

本文所涉及的引射器参数见表1和表2。

表1 燃料性能参数

表2 初始设计参数

本文的可变参数见表3～表5。

表3 不同的一级鼓风空气系数和引射比

表4 不同的一级鼓风空气压力和引射压差 Pa

表5 不同的截面比

3 结果及分析

以3.5kW天然气民用灶为例，分析额定功率下，即天然气压力和流量确定时，一级鼓风空气系数α1、压力P0，a1以及截面比k1和k2对引射器双级引射性能的影响。

3.1 一级引射性能分析

图3对比了一级引射中，当一级鼓风空气系数α1为0.05、对应的一级引射比μ1=1.2时，一级被引射流体压差ΔP2随一级引射压差ΔP1和一级截面比k1的变化情况。

图3 μ1=1.2时ΔP2随ΔP1和k1的变化

结果显示，当一级鼓风空气系数α1为0.05即一级引射比μ1=1.2时，随着一级截面比k1的增大，一级混合管出口被引射流体压差ΔP2先增大后减小，当截面比k1=15时，不同的一级引射压差ΔP1都得到了最大的被引射流体压差ΔP2。这说明，在相同引射比时，虽然引射压差不同，但都存在一个共同的最佳截面比，使被引射流体获得最大压升。原因是当截面比过小时混合管直径较小，混合管出口流速和混合管内的流动阻力与截面比较大时相比显著增大，导致混合管出口压力明显减小；而截面比过大时，混合管直径较大，虽然混合管沿程阻力和出口流速下降，会使混合管出口压力上升，但其升幅小于混合管截面积增大使出口压力降低的幅度，因此仍会导致混合管出口压力逐渐减小。

从图3还发现，当截面比小于8.15时，大引射压差ΔP1可获得小被引射流体压差ΔP2，且ΔP2为负值，说明在设计引射器时，截面比不宜过小。原因是当引射流体流量一定时，由于喷嘴直径减小，过高的工作压力使得喷嘴出口流速增大，同时小截面比使混合管直径缩小，这些都大大增加了流动过程中的不可逆能量损耗，导致引射性能恶化。当截面比大于8.20时，被引射流体压差ΔP2随引射压差ΔP1的增加而增加，且ΔP2大于零，满足引射器升压的基本条件。总之，当一级引射比μ1一定时，存在一个最小截面比和一个最佳截面比，且其值基本不受一级鼓风压力的影响。

图4对比了在一级鼓风压力为3 000Pa即一级引射压差ΔP1=1 000Pa、一级鼓风空气系数α1从0.05增加到0.20使一级引射比μ1从1.2降低到0.3时，一级混合管出口被引射流体压差ΔP2随一级引射比μ1和一级截面比k1的变化情况。

图4 ΔP1=1 000Pa时ΔP2随μ1和k1的变化

结果显示，当被引射的天然气流量一定时，随着一级鼓风空气系数α1的增加，一级引射比μ1减小，一级最佳截面比k1也减小。这是因为：随一级空气流量的增加，在进出口压力不变的情况下，要求喷嘴出口直径变大，而被引射流体质量一定，使一级混合管直径相对于喷嘴直径减小，即一级最佳截面比减小。

当截面比小于15时，一级引射比越小，即一级空气流量越大，相同截面比下的被引射流体压差越大。随着截面比的增加，引射比对被引射流体压差的影响变小，当截面比大于35时，各引射比下的被引射流体压差趋于相等且随截面比的增加缓慢下降，此时引射比对被引射流体压差的影响可以忽略，即一级空气流量继续增大不会增加被引射流体压差。但截面比增加，会小幅降低被引射流体压差，使一级引射器的引射性能下降，原因是当截面比足够大时，工作流体流量变化使混合管内的流动阻力和出口流速发生变化，但其对出口压力的影响远不及截面增加对出口压力的影响大。

总之，在额定天然气流量下，一级最佳截面比k1随一级引射比μ1的增大而增加；随着截面比继续增加，一级被引射流体压差受引射比和截面比的影响大大减弱。

图5显示了一级引射中，当一级截面比k1=15时，随一级鼓风压力和一级鼓风空气系数α1的增加，一级引射压差ΔP1和一级引射比μ1对一级被引射流体压差ΔP2的影响规律。

图5 k1=15时ΔP2随ΔP1和μ1的变化

结果显示，鼓风压力一定时，随着引射比的增大，被引射流体压差减小，即一级被引射流体压差随一级空气流量的减小而降低。当一级鼓风空气系数α1一定时，引射比不变，一级被引射流体压差随一级鼓风压力的升高而增大。

综上所述，一级鼓风空气系数α1为0.05时，一级引射比最大，最佳截面比k1为15，此时的被引射流体压差随鼓风压力升高而增大；在最小鼓风压力为3 000Pa时，一级被引射流体压差达到50Pa以上，足以满足二级引射的要求，若再增加鼓风压力，会使被引射流体压差过高，需增大截面比，从而需加大引射器的结构尺寸。因此采用0.05的一级鼓风空气系数α1和1 000Pa的一级引射压差，将使一级引射器具备较好的引射性能和较优的结构。

3.2 二级引射性能分析

以一级引射器的最优结构和工况作为基准，分析二级引射器及鼓风压力对二级引射性能的影响。当全预混燃烧所需空气系数为1.1时，则二级空气吸入系数为1.05，额定功率下的二级引射比μ2=9.3。

图6对比了当一级引射的α1=0.05、μ1=1.2、k1=15、二级引射比μ2=9.3时，二级被引射流体压差ΔP4随一级鼓风压力(一级引射压差ΔP1)和二级截面比μ2的变化规律。

图6显示，随着二级截面比k2的增大，被引射流体压差ΔP4先增大后减小，当截面比k2=130时，不同的一级引射压差ΔP1都得到了最大的被引射流体压差ΔP4。这说明，当二级引射比确定时，会

图6 μ2=9.3时ΔP4随ΔP1和k2的变化

存在一个最佳的二级截面比，使被引射流体获得最大压升，增加或减小截面比都会降低二级引射器的增压性能，而增大引射压差，会提高引射器的增压性能。这是因为，当一级引射结构确定时，随一级鼓风压力的增加，一级引射压差ΔP1增大，一级混合管出口压升ΔP2也增大，意味着二级引射流体的工作压力随之增加，从而提高了二级被引射流体的压升ΔP4。

图7对比了一级鼓风压力为3 000Pa即一级引射压差ΔP1=1 000Pa、一级最佳截面比k1=15时，二级扩压管出口被引射流体压差ΔP4随二级引射比μ2和二级截面比k2变化的情况。当一级鼓风空气系数α1从0.05升到0.02时，二级空气系数从1.05降到0.90，二级引射比μ2从9.3降到3.4。

图7 ΔP1=1 000Pa、k1=15时ΔP4随μ2和k2的变化

结果显示，当μ2=9.3时，存在一个最佳二级截面比k2=130；当二级截面比相同时，随二级引射比的减小，即一级鼓风空气系数α1的增加，二级被引射流体压差增大，但都随截面比的增大而减小。

另外，二级被引射流体压差ΔP4反映了双级引射器扩压管出口表压，而此压力是用于克服燃气灶系统流动阻力的，一般取值在几Pa到十几Pa之间。图7显示，当ΔP1=1 000Pa、α1=0.05、μ2=9.3、k1=15，k2在130左右时，引射器出口压力足以满足系统阻力的需求，若再增大鼓风压力和鼓风流量，一方面增大了鼓风机的功率，同时增加了引射器出口压力，导致能量上的浪费，若用增加截面比来降低出口压力，则增大了引射器结构尺寸，成本提升，也是浪费。