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家用燃气快速热水器全预混燃烧的数值模拟与实验研究

刘凤国  
【摘要】:随着我国城镇天然气的发展,民用燃气具燃烧过程产生的NOx和CO对室内环境品质的的影响,越来越多地受到人们的关注。作为一种被广泛使用的民用燃气具,家用快速式燃气热水器普遍采用部分预混燃烧方式,氮氧化物的排放量可达90~95ppm,对室内环境的污染严重。针对这一问题,本文开发了一种稳定燃烧且低污染物排放的家用燃气快速热水器全预混燃烧器,通过数值模拟和实验验证,研究了全预混燃烧器混气系统的混合效果和燃烧特性,解决了全预混燃烧器开发过程的关键技术问题,指出了该技术在燃气具中应用潜力。 本文提出了利用多个引射器实现燃气和空气全预混概念,并建立了数学模型,进行了数值模拟研究。结果表明:喷嘴的直径越小,燃气压力增大,喷嘴位置对燃气压力影响可以忽略;喷嘴直径应大于1.3mm,否则燃气的质量流量不能满足热负荷要求;当喷嘴位置和空气系数不变时,喷嘴直径越大,风压越大;当喷嘴位置大于4mm时,燃气和空气的混合效果较好,但混气出口速度分布的均匀性差。在此基础上,提出了在混气系统出口加分配孔板技术,有效解决混气出口速度分布均匀问题。实验证明了本文研制的混气系统可以实现燃气和空气的完全预混。 建立了燃烧器污染物排放数学模型,研究了空气系数、火孔直径、火孔热强度对燃烧室内温度场、NO和CO浓度场的影响。结果表明,当空气系数一定时,CO的排放量随着火孔热强度的增加而减少;当火孔热强度不变时,CO的排放量随着空气系数的增加而迅速降低;方火孔和圆火孔族间、圆火孔族间产生气流涡旋,导致该区域温度的升高,氧气浓度的降低,使得NO和CO的生成量增加。通过增大火孔簇中小火孔的间距,减小火孔族与火孔族的间距,对火孔板进行了优化。结果表明,NO浓度较高的面积缩小,NO排放量降低。 论文开展了燃气快速热水器全预混燃烧器整机燃烧工况的实验研究。搭建了全预混燃烧器实验台,研究了全预混燃烧器污染物排放量和燃烧稳定性随喷嘴位置、喷嘴直径、空气系数和热负荷(火孔热强度)的变化。实验表明:空气系数对CO生成量的影响显著,当1.1<α<1.2时, CO的生成量受空气系数的影响显著,空气系数稍有增大,CO生成量急剧降低;当α1.2时,CO的生成量降低的速度缓慢;当α1时,NO与空气系数呈线性变化;喷嘴位置远离引射器入口有助于降低污染物的排放量;燃气负荷(火孔热强度)降低,污染物排放量呈下降趋势。 本文开发的全预混式燃烧器经整机实验验证燃烧稳定、污染物排放量低,为全预混燃气燃烧设备的研发提供了重要的技术支撑。


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