摘　要：近年來，城市管道天然氣進網氣源種類越發(fā)繁多，天然氣質量變化大，各類型民用燃氣灶具是否適應這種天然氣氣質變化、燃燒特性是否達標、日常使用是否受影響等問題均亟需考證。本文通過對65臺目前中國燃具市場上常見的民用大氣式燃氣灶具爐頭進行調研，統(tǒng)計分析了各爐頭參數(shù)設計情況，在此基礎上定義了一無因次參數(shù)(￡=爐頭外徑計算面積／火孔總面積)，來綜合描述民用燃氣灶爐頭火孔大小、間距、個數(shù)同爐頭大小的關系，從而評價爐頭設計情況。并對部分灶具進行燃燒性能測試，分析不同爐頭設計的灶具對氣源氣質變化的適應性，以此總結歸納了適應性較強的燃氣灶爐頭設計參數(shù)。

關鍵詞：天然氣　民用燃氣灶　爐頭　適應性

1　引言

民用領域作為燃氣需求發(fā)展最快的一個領域，天然氣消費量占比從2000年的l9.0％上升到2007年的25.9％，從2001年到2005年城市民用燃具用戶從3200萬戶增加到7100萬戶^[1]。2010年人工煤氣供應總量279.9億m³，管道長度為38877km；天然氣供應總量為487.6億m³，管道長度256429km；液化石油氣供應總量0.1268億t，管道長度為l3374km。管道總長度為308680km，比2009年增加12.9％。燃氣普及率為92.04％，比2009年增加0.63％。城市燃氣用氣人口3.63億人，比2009年增加5.5％^[2]。龐大的民用燃氣用戶，必然帶來巨大的民用燃氣灶具需求，中國國內越來越多的品牌開始研發(fā)和推出新型的大氣式燃氣灶具，各種不同火孔型式、火孔尺寸、火蓋樣式、灶頭大小以及引射方式應運而生。然而，近年來隨著城市管道天然氣氣源種類越來越多，進網天然氣質量變化大，各類型民用燃氣灶具是否適應這種天然氣氣質變化、燃燒性能是否達標、日常使用是否受影響等問題均亟需考證^[3-7]。

本文通過對65臺目前中國燃具市場上常見的民用大氣式燃氣灶具爐頭進行調研，著重統(tǒng)計分析了目前中國灶具廠商出廠的各類灶具爐頭的不同火孔類型、火孔尺寸、火孔間距、火孔數(shù)量、火孔熱強度以及灶具額定熱負荷等數(shù)據(jù)，并對部分樣本灶具進行不同氣質情況下的熱效率和CO排放性能分析，以驗證不同爐頭設計對氣源氣質變化的適應能力。

2　樣本選擇與參數(shù)統(tǒng)計

樣本選取主要選擇國內市場知名度較高的幾個燃氣灶品牌近幾年推出的型號，基本代表各制造商日前的設計、加工制造水平。嵌入式灶具因其外觀漂亮，便于清潔而日益成為主流，臺式灶因其價格優(yōu)勢還占有一定的市場比例；燃燒器的火孔形式，選擇常用的圓形火孔和旋縫火孔，圓形火也因其設計資料完善且加工簡單而廣為采用，另一方面，近來在一些知名廠家的推動下，旨在利用旋轉氣流來增強傳熱、提高效率的三維旋轉條縫形火孔開始逐漸流行起來。綜合上述因素，本文共選取了65臺樣本，其中包括52臺嵌入式灶和13臺臺式灶，又分為28臺網形火孔灶和37臺旋縫火孔灶。

熱負荷作為反映民用灶具的最基本的參數(shù)，所選的65臺灶具額定熱負荷范圍為3.0kw～5.5kW，其中在3.5kW～4.0kW之間的灶具占了66％，其次4.0kW～4.5kW之間的灶具占l9％，功率大于4.5kW的民用灶具在市場上很難見到，僅占了所有樣本的3％。然而，實際灶具熱負荷和其銘牌所標額定熱負荷存在一定出入，本文選擇其中25臺不同灶具，進行l2T-0實測折算熱負荷測試，計算實測折算熱負荷約為額定熱負荷的95％。為了得到主火蓋外圈火孔的火孔熱強度，還必須確定主火蓋和全火蓋功率比，為此選用了7臺燃氣灶樣本，進行主火蓋與全火蓋熱負荷比測試，測試數(shù)據(jù)得到主火蓋熱負荷約占全火蓋熱負荷的82％。

圓形火孔灶具爐頭參數(shù)統(tǒng)計結果如圖2所示，通過對樣本的統(tǒng)計分析可以得到，圓形火孔的火孔直徑較多地集中在2.4mm～2.6mm之間，占了總樣本數(shù)量的46％；主火蓋外圈火孔的火孔熱強度集中分布在7w／mm²～9w／mm²，占了所有樣本數(shù)量的47％；火孔間距在3mm～4mm、4mm～5mm和5mm～6mm的占據(jù)了相對多的比例，分別為21％、25％和22％；爐頭外徑大小集中在120mm～130mm，占總樣本數(shù)的54％；火孔個數(shù)大多為70個～80個，此類灶具占總樣本數(shù)的39％。

條縫形火孔灶具爐頭參數(shù)統(tǒng)計結果如圖3所示，因條縫形火孔大多是旋縫型的，很難測得其實際的火孔面積大小，采用測量其邊長并相乘的方式作為條縫形火孔的火孔面積，得到的結果往往比實際火孔面積大，火孔熱強度偏小。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，單火孔面積在l0mm²～20mm²占了多數(shù)，為30％；火孔熱強度在3w／mm²～6w／mm²占了57％；大多條縫形火孔的火孔間距分布在10mm～15mm，占了總樣本數(shù)量的43％，條縫形火孔相當于數(shù)個方形火孔相連，因此與二次空氣接觸較差，易出現(xiàn)黃焰，所以條縫形火孔的火孔間距相比圓形火孔的要大很多；爐頭外徑大小集中在110mm～120mm，占總樣本數(shù)的41％；火孔個數(shù)大多為20～30個，此類灶具占總樣本數(shù)的51％。

3　性能響應測試

本義根據(jù)國標GBl6410—2007中的測試方法^[8]，對65臺灶具中的50臺灶具進行r不同氣源組分情況下的性能響應測試，包括熱負荷、熱效率、炯氣排放以及火焰形態(tài)等數(shù)據(jù)?，F(xiàn)選取其中20臺嵌入式樣本(包括10臺圓形火孔和l0臺旋縫火孔)的熱效率和CO排放數(shù)據(jù)進行分析，以說明不同爐頭設計對氣源組分變化的性能響應能力。

對于大氣式燃燒器，其典型燃燒特性曲線如圖4所示。，當氣源氣質發(fā)生變化時，燃燒器設計火孔熱強度過大，極易出現(xiàn)CO排放問題；而設計一次空氣系數(shù)過大且火孔熱強度過小，燃燒器容易發(fā)?；鼗?，火孔熱強度設計過大則易導致離焰；對于一次空氣系數(shù)過小的燃燃燒器爐頭，選擇合適的設計工況點(一次空氣系數(shù)和火孔熱強度)，將直接影響燃燒器應對氣源氣質變化的適應能力。另一方面，火孔尺寸過大、火孔間距過小、爐頭外徑偏小，易使得火孔分布緊密、火焰變軟連焰，從而導致CO排放增加、熱效率降低；反之則火孔過于分散、火焰較硬、傳熱效果變差，熱效率不理想，某些情況同樣會導致燃燒不完全，出現(xiàn)污染物排放問題^[10]。就此，根據(jù)上面爐頭設計參數(shù)統(tǒng)計結果，本文定義一無因次參數(shù)e來綜合捕述民用灶具爐頭火孔大小、間距、個數(shù)同爐頭大小的關系，從而評價爐頭設計情況：

3．1　圓形火孔燃氣灶

對10臺圓形火孔樣本的CO排放和熱效率性能在11種氣源情況下的響應分析列于圖5。其中，樣本1～4所有測試工況下的CO排放響應值均在國標要求的500×10^-6以下，且除樣本l的5個測試工況外，其他所有測試工況點的熱效率響應均在國標規(guī)定的50％以上。說明這4臺樣本的適應能力較強，能較好的應對氣源氣質變化。統(tǒng)計4臺樣本的爐頭設計發(fā)現(xiàn)，設計火孔熱強度為7.2W／mm² ～8.4W／mm²，爐頭外徑選擇在125mm～135mm內，設計火孔總面積為350mm²～430mm²，e值分布在30～40之間。樣本5～10的CO排放響應表現(xiàn)并不理想，其中樣本6和9所有測試工況CO排放均在500×10^-6以上，其他4臺樣本過半數(shù)測試工況點CO排放超標；熱效率響應方面除樣本8和9外，其他4臺樣本表現(xiàn)尚屬理想；但若同時考慮CO排放和熱效率，則發(fā)現(xiàn)樣本5～10的沒計，均是在保證熱效率達標的前提下犧牲了CO排放，實際應用中不建議采用這類“高效率高排放”的燃氣灶。統(tǒng)計6臺樣本的爐頭設計發(fā)現(xiàn)，其中5臺樣本的設計火孔熱強度均大于llW／mm²，最大達到了l5.2W／mm²，爐頭外徑則集中在l20mm～130mm和l40mm～150mm兩個范圍，設計火孔總面積為260mm²～300mm²，e值整體較大分布在40～65之間。故，如圖4所示高火孔熱強度易出現(xiàn)CO排放問題；爐頭直徑過大則會導致中心火焰二次空氣供給變差，燃燒效率降低，污染物排放不理想；e值選擇過大，則反映出爐頭火孔分布不合理，火孔過于分散，火焰較硬，傳熱效果變差影響熱效率。

通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)，應對氣源氣質變化適應能力較強的圓形火孔燃氣灶具，其爐頭參數(shù)設計為：火孔熱強度為7.2W／mm²～8.4W／mm²，爐頭外徑選擇在125mm～l35mm內，火孔總面積為350mm²～430mm²，e值分布在30～40之間。

3．2　旋縫火孔燃氣灶

對10臺旋縫火孔樣本的CO排放和熱效率性能在11種氣源情況下的響應分析列于圖6。其中，樣本11～16基本所有測試工況下的CO排放響應值均在國標要求的500×10^-6以下，且除樣本l5和16外，其他4臺樣本的熱效率響應基本均在國標規(guī)定的50％以上。說明樣本ll～14這4臺樣本的適應能力較強，能較好的應對氣源氣質變化，統(tǒng)計其爐頭設計發(fā)現(xiàn)，設計火孔熱強度為8.5W／mm²～ll.5W／mm²，爐頭外徑選擇在120mm～130mm內，設計火孔總面積為250mm²～350mm²，e值分布在35～45之間。樣本17～20的CO排放響應表現(xiàn)并不理想，所有4臺樣本在所有測試工況下CO排放均在500×10^-6以上；熱效率響應方而4臺樣本表現(xiàn)尚屬理想；但若同時考慮CO排放和熱效率，則發(fā)現(xiàn)旋縫火孔樣本同樣出現(xiàn)網形火孔樣本的問題，均是在熱效率達標的情況下CO排放嚴重超標。統(tǒng)計樣本l5～20這6臺樣本的爐頭設計發(fā)現(xiàn)，設計火孔熱強度偏小，均小于7W/mm²，最小達到了3.7W／mm²；爐頭外徑則集中在120mm～130mm之間，設計火孔總面積偏大，均大于440mm²，最大達到了832mm²，e值整體較大分布在10～30之間。綜合樣本15～20的爐頭設計統(tǒng)計數(shù)據(jù)，火孔憩面積設計偏大且e值選擇偏小，則爐頭火孔分布過于集中，火焰易連焰變軟，二次空氣供給變差燃燒不完全，從而影響燃燒效率，增加污染物排放。

因此，應對氣源氣質變化適應能力較強的旋縫火孔燃氣灶具，其爐頭參數(shù)設計為：火孔熱強度為8.5W／mm～1l.5W／mm²，爐頭外徑選擇在120mm～130mm內，火孔總面積為250mm²～ 350mm²，e值分布在35～45之間。

4　結論

本文根據(jù)65臺燃氣灶爐頭樣本的設計參數(shù)統(tǒng)計，同時結合20臺樣本的性能響應分析，總結歸納了圓形火孔灶具和旋縫火孔灶具適應性較強的爐頭設計參數(shù)。因條縫形火孔大多是旋縫型的，很難測得其實際的火孔面積大小，采用測量其邊長并相乘的方式作為條縫形火孔的火孔面積，得到的結果往往比實際火孔面積大，火孔熱強度偏小，所歸納的爐頭設計參數(shù)可能存在偏差。另一方面，民用燃氣灶具的燃燒性能不僅與爐頭設計有關，同時還涉及引射器設訓一、鍋架高度、灶具大小尺寸空間等因素。因此，本文所歸納的適應能力較強的民用燃氣灶爐頭設計參數(shù)只是給出了某種程度的建議。但對于目前國內燃氣灶，由于其品牌繁多、設計不統(tǒng)一、結構迥異、參數(shù)不合理，對氣源的適應能力干差萬別、良莠參差，這將極不利于在氣質波動下的用戶正常使用，為日常的氣質管理帶來極大的不便。為此，建議民用灶具生產廠家在民用燃氣灶爐頭設計時，就一個城市氣源氣質情況慎重選擇爐頭設計參數(shù)，在保證灶具高性能、高適應性的前提下，推陳出新盡量統(tǒng)一灶具結構類型，灶具類型越少整體適應能力越強，越利于城市氣源氣質管理。

參考文獻

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作者單位：同濟大學機械工程學院

本文作者：張楊竣秦朝葵