多引射管大气式燃烧器设计探讨

多引射管大气式燃烧器设计探讨
作者：吴成年文章来源：深圳市火王燃器具公司
前言
大气式燃烧器被广泛用于家用燃气具上。

大气式燃烧器由引射管与头部组成；常见的大气式燃烧器，一般都是一个引射管对应一个头部。

大气式燃烧器的燃烧性能，取决于燃烧器工作过程中空气的补充及空气与燃气的混合。

改善一次空气的补给，可以在保持燃烧器火孔面积不变的前提下，从增大引射管喉部截面积入手，但是，增大引射管喉部截面积受到燃烧器结构尺寸等的限制。

如何改善一次空气的补给及改善一次空气与燃气的混合，提高大气式燃烧器的燃烧性能？本文将从多引射管大气式燃烧器与单引射管大气式燃烧器(以下分别简称为多引射管燃烧器、单引射管燃烧器)喷嘴孔圆周燃气流量密度的比较、喷嘴孔圆周长的比较、一次空气系数的比较入手，提出采用多引射管燃烧器改善大气式燃烧器燃烧性能的方法。

这种方法对于改善大气式燃烧器的设计，尤其是对用于嵌入式、台式家用燃气灶的上进风燃烧器的设计具有一定的启示作用。

一、喷嘴孔圆周燃气流量密度的比较
本文所称的多引射管燃烧器，是指引射管与燃气喷嘴一一对应，多个引射管共用一个头部，且在头部内相通的燃烧器。

为了对不同孔径喷嘴出口处燃气的状况进行比较，本文使用喷嘴孔圆周燃气流量密度作为比较参数。

本文所称的喷嘴孔圆周燃气流量密度γL，即喷嘴燃气流量在喷嘴孔圆周长上的比值。

喷嘴孔圆周燃气流量密度计算公式
γL=V
L
=
V
π×d t(1) 式中
V一一喷嘴燃气流量
L一一喷嘴孔圆周长，
d t一一喷嘴孔直径口
下面将在燃气流量相等的前提下，对单引射管燃烧器与多引射管燃烧器的喷嘴孔圆周燃气流量密度进行比较。

对于多引射管燃烧器，设喷嘴数量为N，喷嘴孔直径为d tn，通过每个喷嘴的燃气流量为V n，V n=V/N。

多引射管燃烧器喷嘴孔圆周燃气流量密度的计算公式为：
γLn=V n
L
=
V N
π×d tn
=
V
N×π×d tn
(2)
要保持单引射管燃烧器与多引射管燃烧器燃气流量相等，须保证多引射管燃烧器多个喷嘴孔面积之和与单引射管燃烧器喷嘴孔面积相等。

π4×d t2=N×
π
4
×d tn2
(3)
d t2=N×d tn2
d t= Nd tn
利用(1)(2)(3)式，即可得到多引射管燃烧器喷嘴孔圆周燃气流量密度与单引射管燃烧器喷嘴孔圆周燃气流量密度比值ξ的计算公式：
ξ=γLn
L
=
V
tn
÷
V
t
=N−0.5(4)
从(4)式可以看出，多引射管燃烧器喷嘴孔圆周燃气流量密度与单引射管燃烧器喷嘴孔圆周燃气流量密度比值ξ只与喷嘴数有关，表1列出不同喷嘴数量时比值ξ的变化情况。

随着喷嘴数N的增加，比值ξ减小。

表 1 不同喷嘴数量喷嘴孔圆周燃气流量密度比值ξ计算结果
二、喷嘴孔圆周长的比较
对多引射管燃烧器与单引射管燃烧器的喷嘴孔圆周长进行比较，目的是比较喷嘴出口处燃气与空气的接触面积，以此判断多引射管燃烧器与单引射管燃烧器在一次空气的补充及掺混方面的优劣。

在燃气流量相等的前提下，多引射管燃烧器与单引射管燃烧器喷嘴孔圆周长L的计算公式为：
L=π×d t(5) L n=N×π×d tn(6)
ζ=L n
L
= N(7)
公式(7)说明，喷嘴孔圆周长比值ζ只与喷嘴数相关，随着喷嘴数的增加，喷嘴孔圆周长比值ζ增加。

表2给出了不同喷嘴数时喷嘴孔圆周长比值ζ的计算结果。

它表明，多引射管燃烧器随着喷嘴数量的增加，喷嘴孔圆周长显著增加，换句话说，多引射管燃烧器随着喷嘴数量的增加，喷嘴出口处燃气与空气的接触面积显著增大，这不仅有利于一次空气的补充，还有利于燃气与空气的掺混。

三、一次空气系数的比较
燃烧器的一次空气系数，可通过以下经验公式进行计算：
α′=1.54×
P×S
4
H
×
10129×A×A
4
Q
×
300
(8)
式中：α′为一次空气系数(%)，P为燃气压力(Pa)，S为燃气的相对密度，A m为引射管喉口截面与出口截面的平均面积值(mm2)，A p为燃烧火孔总面积(mm2)，Q为燃烧器的热负荷(kJ∙h−1)，T为燃烧器头部燃气与空气混合物的平均温度(K)。

从公式((8)可以看出，保持燃烧器火孔总面积A p与热负荷Q不变，增大引射管喉部与出口截面平均值A m，一次空气系数可以得到提高。

对于单引射管燃烧器，其引射管的d m值本身就较大，增大A m值来提高一次空气系数会受燃烧器结构尺寸的限制。

对干多引射管燃烧器，其d mn值比单引射管燃烧器d m小得多，因此，通过增大A mn值来提高一次空气系数的空间要比单引射管燃烧器大得多。

另外，由干多引射管燃烧器的d mn值比单引射管燃烧器d m小得多，因此设计结构紧凑的燃烧器时多引射管燃烧器就更为有利。

从上述公式还不能直接对多引射管燃烧器与单引射管燃烧器的一次空气系数进行比较，需对公式进行变换。

通过燃烧器的热负荷Q，对式(8)进行变换。

因为
Q=0.035×μ×d t2×P
×H(9)
对多引射管燃烧器与单引射管燃烧器的一次空气系数进行比较，前提条件是热负荷相等、火孔总面积相等、喉部与出口截面的平均值相等。

对于单引射管燃烧器，可直接利用(9)式
计算热负荷，对于多引射管燃烧器，则须用下式计算热负荷。

Q n=0.035×N×μ×d tn2×P
S
×H(10)
比较(9)(10)，当Q N=Q，同样得到d t=Nd tn。

将(9)(10)式分别代入(8)式得到
α′t=1.54×
P×S
4
H
10129×A×A
4
0.035×μ×d t2×
P
S×H
300
T(11)
α′tn=1.54×
P×S
4
H
×
10129×A×A
4
0.035×N×μ×d tn2×
P
S×H
300
(12)
比较(11)(12)式，并代入(3)式得到：
α′tn
t =
μ×d tN
t
=1(13)
(13)式表明在热负荷相等、火孔总面积相等、喉部与出口截面的平均值相等的条件下，多引射管燃烧器与单引射管燃烧器的一次空气系数相等。

由于两种燃烧器引射管喉部与出口
截面的平均值总和相等，即A m=A mN。

因A m=π
4×d m2，A mn=N×π
4
d mn2，所以
d mn=d mμ(14)
式中，d mn——多引射管燃烧器中单个引射管喉部与出口的平均直径，d m——单引射管燃烧器引射管喉部与出口的平均直径，N——多引射管燃烧器中引射管个数。

利用式(14)，对d mn、d m进行计算比较，见表3。

四、基本意见
上述比较结果表明：
1、设计多引射管燃烧器，可以明显提高燃烧器一次空气补给能力及燃气与空气的掺混能力，有效提高燃烧器的燃烧性能；
2、多引射管燃烧器可用于结构要求紧凑，且燃烧性能要求较高的燃气具上，尤其是使用上进风燃烧器的嵌入式、台式家用燃气灶上。

五、值得关注的几个问题
1、多引射管燃烧器引射管的数量，不仅受燃烧器结构尺寸的限制，也受一次空气进口布局的限制。

理论上讲，引射管数量越多，空气补给及燃气与空气的掺混越好，燃烧器的燃
烧性能就越好；但实际上，引射管数量越多，引射管一次空气进口布局越困难，各引射管进口处一次空气的相互扰动就越大，反过来会影响一次空气的补给。

另外，引射管数量过多，会使燃烧器的工艺性变差，成本增高。

因此，设计多引射管燃烧器时要对多种因素进行综合平衡；对于家用燃气灶所使用的多引射管燃烧器，引射管数量应不超过10个为宜。

2、多引射管燃烧器虽然可以明显改善燃烧器的燃烧性能，但也可能带来离焰问题，在设计时要给予充分重视。

六、结束语
本文仅仅是从改善燃烧器的一次空气补给能力及改善一次空气与燃气的掺混能力这个角度研究、探讨多引射管燃烧器的设计问题，希望这个探讨能对多引射管燃烧器的设计起到一点抛砖引玉的效果。

参考资料：姜正侯主编《燃气工程技术手册》—同济大学出版社。