CN114935146B - 一种均流式多孔介质燃烧器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种均流式多孔介质燃烧器及其工作方法，属于家用燃烧器技术领域。包括燃烧器外壳，燃烧器外壳两端分别连接有预混腔和收缩段，预混腔连接有进气管，收缩段连接有出气管；燃烧器外壳内设有多孔介质燃烧层和管式换热器组；预混腔前段设有若干倾斜导流板和竖直导流板，将预混腔均分为若干过流区域；预混腔后段设有一段多孔介质板和二段多孔介质板，一段多孔介质板的孔径相等，二段多孔介质板的孔径沿半径方向由内圈向外圈递增。本发明能够良好地组织燃料流动与燃烧，防止燃烧层多孔介质出现烧结、熔融、堵塞、局部高温和局部低温现象，同时降低NOx和CO的排放，延长燃烧器的使用寿命。

Description

一种均流式多孔介质燃烧器及其工作方法
技术领域
本发明属于家用燃烧器技术领域，具体涉及一种均流式多孔介质燃烧器及其工作方法。
背景技术
随着多孔介质燃烧技术的发展，设计的燃烧强度越来越大，燃料流速也随之提高。在缺乏合理导流结构的情况下，高流速的燃料难以与空气充分混合，使得燃烧不充分。此外燃料不仅会直接冲击多孔介质材料，造成材料损坏；而且在多孔区域内分布不均，会产生燃烧“死角”。这就对多孔介质的抗热震性、最高使用温度以及强度等材料性质提出了较高的要求。但限于材料发展与燃烧组织差的缺陷，多孔介质材料常出现局部高温引起的烧结、熔融和断裂等材料破坏现象。此外，多孔介质材料烧融后会堵塞内部孔隙，造成回火引起爆炸，十分危险。
CN210688754公开了一种燃气热水设备用的热交换器及燃气热水设备，采用多孔介质进行储热与换热，增强了蓄热能力，减少了燃烧器壁面的散热损失。CN1570505公开了一种多孔陶瓷燃气热水器，把热水管直接埋入多孔介质材料中，将以往的对流传热方式转化为多孔介质的导热与辐射，提高了传热效率。但上述多孔介质燃气燃烧器通常缺少合理且实用的燃料组织结构，因此在燃烧过程中，多孔介质内常局部高温和局部低温的现象。有甚者，局部高温可达到1600℃，此时热力型NOx产率随温度指数增长。燃料分布不均会存在富燃料区域，促进燃料型NOx生成。而局部低温可能会使燃料反应不彻底，产生未燃尽的CO。此外，多孔介质燃烧器可以用于但不限于家用热水器，作为一种居家常用设备，在洗碗、洗手和沐浴时都需要其提供热水，运行时要求启动快，升温快，长期运行必然会使燃烧器壁面产生局部热应力与材料蠕变，大大缩短燃烧器使用寿命。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种均流式多孔介质燃烧器及其工作方法，能够良好地组织燃料流动与燃烧，防止燃烧层多孔介质出现烧结、熔融、堵塞、局部高温和局部低温现象，同时降低NOx和CO的排放，延长燃烧器的使用寿命。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种均流式多孔介质燃烧器，包括燃烧器外壳，燃烧器外壳两端分别连接有预混腔和收缩段，预混腔连接有进气管，收缩段连接有出气管；燃烧器外壳内设有多孔介质燃烧层和管式换热器组；预混腔前段设有若干倾斜导流板和竖直导流板，将预混腔均分为若干过流区域；预混腔后段设有一段多孔介质板和二段多孔介质板，一段多孔介质板的孔径相等，二段多孔介质板的孔径沿半径方向由内圈向外圈递增。
优选地，一段多孔介质板的孔隙密度为20～30PPI；二段多孔介质板内圈的孔隙密度为40～60PPI，外圈的孔隙密度为10～20PPI；多孔介质燃烧层的孔隙密度为60～80PPI。
优选地，一段多孔介质板的热导率为0.6～2.2W/(m·K)，二段多孔介质板的热导率为2～5.2W/(m·K)，多孔介质燃烧层的热导率为50～80W/(m·K)。
优选地，一段多孔介质板的材质为石英陶瓷、氧化铝或钛酸铝，二段多孔介质板的材质为二氧化锆、莫来石或堇青石，多孔介质燃烧层的材质为碳化硅。
优选地，一段多孔介质板与二段多孔介质板之间的距离为预混腔高度的0.2倍；一段多孔介质板与二段多孔介质板的厚度为预混腔高度的0.1～0.15倍。
优选地，竖直导流板设置在倾斜导流板的轴对称面的垂直面上；倾斜导流板高度方向上的尺寸为预混腔的0.45～0.6倍；竖直导流板与倾斜导流板的起始端重合，高度方向的尺寸为预混腔的0.4～0.55倍。
优选地，沿进气管至出气管方向，预混腔的截面积渐扩，收缩段的截面积渐缩。
进一步优选地，预混腔的截面为矩形，收缩段的截面为圆形。
优选地，多孔介质燃烧层的总厚度为燃烧室高度的0.4～0.6倍。
本发明公开的上述均流式多孔介质燃烧器的工作方法，包括：
燃料和空气混合成的混合气体由进气管进入预混腔，在若干倾斜导流板和竖直导流板的作用下分区域通过预混腔，实现均质；混合气体流经一段多孔介质板时增强扰动和混合，流经二段多孔介质板时，中心稠密且流速高的混合气体被减速，外侧系数流速低的混合气体影响较小，从而使混合气体流速均一、分布均匀地进入多孔介质燃烧层进行预热、燃烧、换热并形成烟气，与管式换热器组换热后流经收缩段后由出气管排出；管式换热器组内的冷水流动并吸热升温，产生的热水输出燃烧器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种均流式多孔介质燃烧器，一段多孔介质板的热导率低，火焰传播阻力大，可以有效阻止回火爆炸发生，提高安全性；倾斜导流板和竖直导流板组合以及二段多孔介质板配合可以使燃料均流、均速、全面地进入多孔介质燃烧层，避免多孔介质烧结、熔融和堵塞等情况，同时消除了局部高温和局部低温，降低了NOx和CO的排放，真正实现了能源洁净化，材料可持续化利用，显著提高了燃烧器使用寿命。
倾斜导流板与竖直导流板构成的导流板组基于流体伯努利方程及连续性方程设计，倾斜导流板与竖直导流板的配合布置满足进气段和出气段各分块面积相等，配合二段多孔介质板能使预混气体在进入多孔介质燃烧层之前均流量、均速度，进入燃烧层时全面且没有明显死角。
现有单层多孔介质燃气燃烧器，往往存在孔烧结堵塞，进而引起火焰回传的问题，这可能引起回火爆炸发生，十分危险。本发明采用的一段多孔介质板采用低热导率多孔介质材料，回火时热量难以通过导热形式传递给上游未燃气体，同时孔隙结构增大火焰传播阻力，因此可以有效阻止回火过程，提高使用安全性。
现有单层多孔介质燃气燃烧器，燃烧强度大，温度往往超过1200℃，在缺少导流结构的情况下，燃料空气混合情况差，分布不均，多孔介质材料会出现烧结、熔融、断裂等被破坏现象，燃烧器内会出现局部高温和局部低温，前者促进热力型NOx生成，后者会产生未燃尽的CO。本发明采用的导流板组使进口、出口各部分面积相等，二段多孔介质板，孔径中心小、外侧大，沿径向渐变分布，这种结构使得中心流速大的气体被减速，外侧流速低的气体影响小。因此能将燃料扩散到燃烧层的每个角落，使得燃料不富集，燃烧温度不飙升，防止多孔介质材料被破坏，提高材料使用次数，降低NOx和CO排放。
燃烧器作为工业常用设备，需求量大，不便拆卸更换，长期在燃烧组织差的工况下启动和运行，燃烧器壁面温度不均，会产生较大的热应力和明显的材料蠕变，加速燃烧器损毁。本发明设计的导流板组和二段多孔介质板，燃料流场组织较好，火焰充满整个多孔介质，使得壁面温度沿轴向和径向分布均匀，热应力小，不存在温度周期性变化情况，因而提高了燃烧器使用寿命。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为预混腔内倾斜导流板和竖直导流板的结构示意图；
图3为倾斜导流板和竖直导流板的组合结构示意图；
图4为一段多孔介质板的结构示意图；
图5为二段多孔介质板的结构示意图；
图6为实施例2的结构示意图。
图中：1为进气管，2为预混腔，3为倾斜导流板，4为竖直导流板，5为一段多孔介质板，6为二段多孔介质板，7为多孔介质燃烧层，8为燃烧器外壳，9为管式换热器组，10为收缩段，11为出气管，12为第一倾斜导流板，13为第二倾斜导流板，14为第三倾斜导流板，15为第四倾斜导流板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
如图1，本发明的均流式多孔介质燃烧器，包括燃烧器外壳8，燃烧器外壳8两端分别连接有预混腔2和收缩段10，预混腔2连接有进气管1，收缩段10连接有出气管11；燃烧器外壳8内设有多孔介质燃烧层7和管式换热器组9；预混腔2前段设有若干倾斜导流板3和竖直导流板4，将预混腔2均分为若干过流区域；预混腔2后段设有一段多孔介质板5和二段多孔介质板6，一段多孔介质板5的孔径相等，如图4；二段多孔介质板6的孔径沿半径方向由内圈向外圈递增，如图5。
优选地，一段多孔介质板5的孔隙密度为20～30PPI；二段多孔介质板6内圈的孔隙密度为40～60PPI，外圈的孔隙密度为10～20PPI；多孔介质燃烧层7的孔隙密度为60～80PPI。
优选地，一段多孔介质板5的热导率为0.6～2.2W/(m·K)，二段多孔介质板6的热导率为2～5.2W/(m·K)，多孔介质燃烧层7的热导率为50～80W/(m·K)。
优选地，一段多孔介质板5的材质为石英陶瓷、氧化铝或钛酸铝，二段多孔介质板6的材质为二氧化锆、莫来石或堇青石，多孔介质燃烧层7的材质为碳化硅。
优选地，一段多孔介质板5与二段多孔介质板6之间的距离为预混腔2高度的0.2倍。
优选地，一段多孔介质板5与二段多孔介质板6的厚度为预混腔2高度的0.1～0.15倍。
优选地，竖直导流板4设置在倾斜导流板3的轴对称面的垂直面上；倾斜导流板3高度方向上的尺寸为预混腔2的0.45～0.6倍；竖直导流板4与倾斜导流板3的起始端重合，高度方向的尺寸为预混腔2的0.4～0.55倍。
优选地，沿进气管1至出气管11方向，预混腔2的截面积渐扩，收缩段10的截面积渐缩。进一步地，预混腔2的截面为矩形，收缩段10的截面为圆形。
优选地，多孔介质燃烧层7的总厚度为燃烧室高度的0.4～0.6倍。
下面以具体实施例来对本发明进行进一步地解释说明：
实施例1
本实施例中，如图2和3，燃料和空气同时从进气管1进入并混合，通过后在预混腔2进口处分流。如图2、3所示，倾斜导流板3共4块，分别为第一倾斜导流板12、第二倾斜导流板13、第三倾斜导流板14和第四倾斜导流板15，沿燃烧器轴线对称布置，竖直导流板4为1块，竖直布置，倾斜导流板3与竖直导流板4的配合布置应满足导流板进出口处各分块面积相等。导流板布置参数如表1所示。
表1导流板布置参数
Figure BDA0003589922120000061
倾斜导流板3和竖直导流板4的设计原理与效果
(a)倾斜导流板3数量取决于流量分布偏差D
采用Jin Man等人的流量偏差计算公式D，设计导流板并对出口的流量分布做出定量分析，D值越小，说明出口流量分布差异越小。为实现较好的导流效果，导流板的设计应使得D值小于0.05。
Figure BDA0003589922120000062
式中：Si、S分别为预混腔出口处导流板划分各区域面积与区域总面积，m2；Vi、
Figure BDA0003589922120000071
分别为为各区域处燃料流速与总的平均流速，m/s；n为出口划分的区域数。
不加导流装置时，D＝(燃料中心流速-壁面处流速)/(1m/s)。考虑贴壁流动边界层效应，壁面处流速为0，此时D即为进气处燃料的无量纲流速。
燃烧器入口燃气流速小于0.1m/s时，可采用：2块斜导流板+1块竖直导流板。此时燃气流速小，在预混腔2内停留时间长，燃气能在较好充满整个预混腔2。3块导流板将出口分为6个等面积区域，均流效果好且减小了预混腔2尺寸与重量，此时D值为0.02，符合设计要求。
燃气流速位于0.1～0.3m/s时，本实施例就是此工况。可采用：4块倾斜导流板3+1块竖直导流板4。燃气流速提高，流动惯性增强，5块导流板将出口分为10个等面积区域，预混腔2边壁区域与中心区域有相同的燃气质量流量，出气均匀性更好，计算出D值为0.04，符合设计要求。
燃气流速大于0.3m/s时，燃气流速高，边界层效应更加明显，使得预混腔2内燃气分布极不均匀，呈中间流速高，两侧流速指数下降的分布趋势。此时采用：4块倾斜导流板3+2块竖直导流板4。不增加倾斜导流板3数量以减少预混腔2尺寸与重量，同时2块直导流板与预混腔中心线有5°～10°倾角以满足划分15个等面积的流域，从而降低中心区域质量流量，提高边壁区域质量流量，显著增强均流效果。计算出D值为0.04，符合设计要求。
(b)倾斜导流板3倾斜角度取决于预混腔2形状：
对于扩口、缩口型预混腔，如本实施例圆台型预混腔，倾斜导流板3与预混腔2中心线可夹10°～45°角布置。
对于长方体、圆柱形预混腔，倾斜导流板3与预混腔2中心线可夹0°角布置(即平行布置)，此时倾斜导流板3仍与竖直导流板4垂直，但变化为与中心线平行的平行导流板。
预混腔2进出口处被分成10块流体区域，依据流体连续性方程与流体伯努利方程式(1)式(2)，各区域内流体的质量流量相同。
Figure BDA0003589922120000081
Figure BDA0003589922120000082
式中，Ai、Aj分别为进口、出口处被倾斜导流板3与竖直导流板4分块的面积m2；vi，vj分别为进口、出口处各块区域内预混气体流速m/s。ρi、ρj分别为进口、出口处预混气体的密度kg/m3，保持不变；hi、hj分别为进口、出口处预混气体所在的高度m。
离开倾斜导流板3和竖直导流板4，预混气体通过一段多孔介质板5，倾斜导流板3与一段多孔介质板5之间的距离为预混腔2高度的0.05～0.1倍。该孔板采用大孔径(孔数20PPI)，热导率1.2W/(m·K)的石英陶瓷材料，其孔径大，对燃气流动阻力小。孔板厚度与孔数选取考虑压降损失，厚度控制在0.1～0.15倍预混腔2高度，压降计算依据Forchheimer-Ward修正公式(3)。
Figure BDA0003589922120000083
式中，dP/dx为压力梯度；u为通过多孔孔板的平均流速m/s；Kp为多孔孔板渗透率；μ为预混气体动力粘度N·s/m2；ρg为预混气体密度kg/m3；F为二次项系数。
回火发生时，热波传播方向(式4)与火焰面(燃烧波)传播方向(式5)相反且燃烧波速度ut高于预混气体流速ug。
Figure BDA0003589922120000084
Figure BDA0003589922120000085
ΔTad＝FQ/(ρgcg)，  式(6)
a＝λshv/(cgρgug)2，  式(7)
式中，ut、ug、uw分别为热波波速、预混气体流速和燃烧波波速m/s；ρgcg、ρscs分别为多孔孔板气相与固相热容J·K-1；ΔTad、ΔTc分别为升高的绝热温度与升高的燃烧温度K；F为燃气质量流量kg/m3；Q为化学反应热，此例中为甲烷燃烧，反应放热890.3kJ/kg；β为壁面热损失系数W/(m2·K)，此例中为5W/(m2·K)；hv为体积对流换热系数W/(m2·K)；a为无量纲常数；λs为固体热导率W/(m·K)，此例中为1.2W/(m·K)。
燃烧层内火焰回传至一段多孔介质板5，该孔板热导率λs低，火焰热量难以通过导热形式传递给上游燃气，且火焰面穿过孔板的阻力大，uw＜ug，从而可以迅速阻止回火发生。随后燃气流经二段多孔介质板6，该孔板采用热导率为2.2W/(m·K)，孔径中心小(孔数60PPI)外侧大(孔数20PPI)沿径向渐变分布的氧化铝泡沫陶瓷材料。此处二段多孔介质板6设计考虑对燃气的均流作用，设计时厚度尺寸与孔数同样依据压降,根据经验公式(8)计算压降ΔP：
ΔP＝-108.57+296.13ut+51.67ut 2，  式(8)
式中，ΔP为流动压降Pa。
二段多孔介质板6中心处开孔密集且孔径小，压降ΔP大，使得中心区域流速高的燃气被减速；沿中心向外侧，开孔逐渐稀疏且孔径增大，压降ΔP减小，使得外侧低流速流体尽可能保持原流速通过孔板，因此燃气通过二段多孔介质板6后，在预混腔2内各处流速均匀。在本实施例中，外圈大孔径孔开孔面积占二段多孔介质板6面积的30％～40％，中圈中孔径开孔面积占15％～25％，内圈小孔径开孔面积占5％～15％。流场组织良好的燃气进入多孔介质燃烧层7，在多孔介质内预热、燃烧，火焰充满整个多孔介质，没有燃烧“死角”。此外，燃烧温度均匀，不存在局部高温和局部低温区域，因此NOx和CO排放量低，符合国家4级标准。不同基准下的NOx和CO的排放量换算由式(9)计算，氮氧化物排放等级由表2给出。
Figure BDA0003589922120000101
式中，Rf和Rm分别为污染物(NOx、CO等)的参考值与测量值；(O2)f和为(O2)m为O2的参考值与测量值，本实施案例中(O2)f取5％。
表2氮氧化物排放等级表
Figure BDA0003589922120000102
燃尽后，烟气的热量一部分回流给多孔介质燃烧层7，用于预热上游燃气，一部分随烟气进入尾部烟道。叉排的管式换热器组9内流有用户用水，管组与来流烟气进行对流换热，吸收烟气热量，降低烟气温度，同时管组还接受来自多孔介质燃烧层7的辐射换热，吸收的热量加热冷水，升温并导出给用户。
换热后烟气通过收缩段10，依据流体连续性方程式(10)，出口段面积A2减小，出口流速v2提高，雷诺数Ref式(11)增大。故能增大后排管式换热器组9的对流换热能力。最后，被充分冷却的烟气通过出气管11排出。
A1v1＝A2v2，  式(10)
式中，A1、A2分别为收缩段10进口和出口截面面积m2；v1、v2分别为烟气在收缩段10进口和出口处流速m/s。
Ref＝ρyv2d/μy，  式(11)
式中，ρy为烟气密度kg/m3；μy为烟气动力粘度N·s/m2。
燃烧器壁面材料长期在升温快，温升高的温度周期性变化工况下会发生蠕变。对于合金钢材料，温度超过400℃就会出现蠕变效应，多孔介质燃烧层温度高达1100℃，对材料破坏影响显著。蠕变的计算由常用式(12)计算：
εr＝ε0+βdt1.73+k，  式(12)
式中，εr、ε0分别为材料的应变；t为时间s；βd、k分别为减速蠕变和恒速蠕变.
本实施案例中燃烧器壁面温度均匀，运行环境改善显著。经计算，蠕变寿命为10000h，蠕变应变为0.004/100h。
实施例2
如图6，本实施例提供了一种周期往复式多孔介质燃烧器，燃气流经三通阀后可以周期性地从左侧或者右侧进气。燃气亦可从出气管11进气，经均流、燃烧以及换热后从进气管1处流出。因此收缩段10和出气管11同样设置了导流板组以及多孔孔板。导流板组的板数和多孔孔板的孔径根据三通管右侧进气流量设置，可以与左侧设计不同。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。

Claims (8)

1.一种均流式多孔介质燃烧器，其特征在于，包括燃烧器外壳(8)，燃烧器外壳(8)两端分别连接有预混腔(2)和收缩段(10)，预混腔(2)连接有进气管(1)，收缩段(10)连接有出气管(11)；燃烧器外壳(8)内设有多孔介质燃烧层(7)和管式换热器组(9)；预混腔(2)前段设有若干倾斜导流板(3)和竖直导流板(4)，将预混腔(2)均分为若干过流区域；预混腔(2)后段设有一段多孔介质板(5)和二段多孔介质板(6)，一段多孔介质板(5)的孔径相等，二段多孔介质板(6)的孔径沿半径方向由内圈向外圈递增；一段多孔介质板(5)的孔隙密度为20～30PPI；二段多孔介质板(6)内圈的孔隙密度为40～60PPI，外圈的孔隙密度为10～20PPI；多孔介质燃烧层(7)的孔隙密度为60～80PPI；一段多孔介质板(5)的热导率为0.6～2.2W/(m·K)，二段多孔介质板(6)的热导率为2～5.2W/(m·K)，多孔介质燃烧层(7)的热导率为50～80W/(m·K)。
2.根据权利要求1所述的均流式多孔介质燃烧器，其特征在于，一段多孔介质板(5)的材质为石英陶瓷、氧化铝或钛酸铝，二段多孔介质板(6)的材质为二氧化锆、莫来石或堇青石，多孔介质燃烧层(7)的材质为碳化硅。
3.根据权利要求1所述的均流式多孔介质燃烧器，其特征在于，一段多孔介质板(5)与二段多孔介质板(6)之间的距离为预混腔(2)高度的0.2倍；一段多孔介质板(5)和二段多孔介质板(6)的厚度为预混腔(2)高度的0.1～0.15倍。
4.根据权利要求1所述的均流式多孔介质燃烧器，其特征在于，竖直导流板(4)设置在倾斜导流板(3)的轴对称面的垂直面上；倾斜导流板(3)高度方向上的尺寸为预混腔(2)的0.45～0.6倍；竖直导流板(4)与倾斜导流板(3)的起始端重合，高度方向的尺寸为预混腔(2)的0.4～0.55倍。
5.根据权利要求1所述的均流式多孔介质燃烧器，其特征在于，沿进气管(1)至出气管(11)方向，预混腔(2)的截面积渐扩，收缩段(10)的截面积渐缩。
6.根据权利要求5所述的均流式多孔介质燃烧器，其特征在于，预混腔(2)的截面为矩形，收缩段(10)的截面为圆形。
7.根据权利要求1所述的均流式多孔介质燃烧器，其特征在于，多孔介质燃烧层(7)的总厚度为燃烧室高度的0.4～0.6倍。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的均流式多孔介质燃烧器的工作方法，其特征在于，包括：
燃料和空气混合成的混合气体由进气管(1)进入预混腔(2)，在若干倾斜导流板(3)和竖直导流板(4)的作用下分区域通过预混腔(2)，实现均质；混合气体流经一段多孔介质板(5)时增强扰动和混合，流经二段多孔介质板(6)时，中心稠密且流速高的混合气体被减速，外侧系数流速低的混合气体影响较小，从而使混合气体流速均一、分布均匀地进入多孔介质燃烧层(7)进行预热、燃烧、换热并形成烟气，与管式换热器组(9)换热后流经收缩段(10)后由出气管(11)排出；管式换热器组(9)内的冷水流动并吸热升温，产生的热水输出燃烧器。
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