基于传热性能分析的大气式燃气灶结构优化

基于传热性能分析的大气式燃气灶结构优化
发布时间：2022-10-12T09:15:45.644Z 来源：《中国科技信息》2022年6月第11期作者：韩君庆
[导读] 采用计算流体力学的手段对仿真大气式燃气灶在不同锅支架高度下的燃烧情况进行模拟，
韩君庆
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摘要：采用计算流体力学的手段对仿真大气式燃气灶在不同锅支架高度下的燃烧情况进行模拟，然后将模拟结果与实际结果对比，分析模拟数据计算的准确性，从而也能判断计算流体力学这一方法的可靠性。

从流体力学的角度分析，锅支架高度的变化会对锅底在对流换热系数、锅底近区域流体与锅壁之间的传热温差产生一定的影响。

按照模拟数据分析，锅支架高度降低对锅底近壁面区域的传热性能不会造成极大的影响，不过锅底的平均对流传热系数会增加，那么大气式燃气灶的热效率也会提高；若是锅支架的高度提高，那么锅底对流换热系数以及近壁面区域传热温差也会减少，因此对流传热能力会减少，大气式燃气灶的热效率也会降低。

关键词：传热性能；大气式燃气灶；结构优化
大气式燃气灶作为燃气灶的重要结构模式，针对其结构进行研究和优化对提高热效率有积极影响。

大气式燃气灶的火焰向被加热物体进行传播的方式包括热传导、热对流、热辐射三种，通过火焰的外焰以及烟气的对流传热向锅具传递热量是主要方式，对流传热的能量占总传热量的90%以上。

在热平衡的角度上分析，如何提高被加热物体热量的吸收、减少燃烧过程的热损失是提高燃气灶热效率的主要手段。

例如锅支架高度、二次空气进口面积、一次空气系数、火孔形状等都是影响燃气灶热效率的主要因素，结构系数方面，锅支架高度的变化会对燃烧区域的温度场进行控制，从而造成热效率的变化。

在燃气灶设计中，锅支架高度的调节较为简单，通过锅支架高度变化进行大气式燃气灶热效率的优化是最有效的手段，锅支架高度的变化不仅能够影响二次空气的供给，过量空气系数也会发生变化，影响火焰与锅底的传热、散热损失等。

一、研究背景
大气式燃气灶的燃烧火焰属于层流预混火焰，属于双重火焰，内部为燃烧丰富的预混火焰，外部则属于层流扩散火焰，中心属于圆锥形的燃气混合气核心区。

通过平面火焰研究锅支架高度对火焰结构、燃烧区域温度变化、热效率的影响，锅支架高度降低，火焰的外焰与內焰逐渐从原本的圆锥形转变为喇叭形，火焰的高温区域也会不断增大从而远离火焰中心。

按照黄亚继的研究，通过FLUENT软件模拟大气式燃气灶的燃烧过程，对比不同情况下燃烧区域的火焰结构、温度场变化，分析锅支架高度对大气式燃气灶的火焰、热效率产生的影响。

若是锅支架高度升高，二次空气补给量也会提高，减少了可燃混合气的不完全燃烧，会导致外圈火焰的温度提高、内圈火焰温度的降低，而外焰温度保持不变。

很多学者针对锅支架高度对大气式燃气灶的热效率、二氧化碳排放等情况进行了实验模拟研究，根据大量实验结果分析可知，锅支架高度越低那么大气式燃气灶的热效率就会越高，二氧化碳排放量也会提高。

根据相关文献的查询发现，最佳的锅支架高度能够提高大气式燃气灶的热效率，不过很多研究都是从热平衡的角度来分析热量传递过程，很少会通过仿真模拟实验对大气式燃气灶锅底区域的传热变化进行分析。

燃烧中的实验锅传热主要通过火焰外焰和烟气的对流传热，实验锅换热的过程集中在锅底，对流换热的热流量取决于对流换热系数、传热温差以及换热面积的大小[1]。

本文在额定热功率为4.5kW的状态下进行实验，采用28.5mmm、30.5mm、33mm、36.5mm以及40.5mm不同高度的锅支架分析大气式燃气灶热效率的评估，保持实验中燃烧器结构的不变。

在提高热效率的情况下，评估不同锅支架高度中二氧化碳的排放量，通过模拟仿真方法模拟不同锅支架下大气式燃气灶的燃烧过程，通过与实际结果对比判断仿真实验的可靠性。

最后，针对对热换流系数、锅底近壁温差两个方面分析锅支架高度对锅底传热的过程所带来的影响。

二、实验研究
本次实验采用的大气式燃气灶为两炉头结构，燃烧器是外圈主燃烧器和内部次燃烧器组成的，采用天然气12T，原本锅支架高度为33mm。

实验采用纯度为99.99%甲烷作为燃气，甲烷低位热值为35.88MJ/Nm3，通过品川W-NK-1B型湿式流量计评估燃气流量、用K型铠装热电偶观察水温的变化。

CO取样高度在实验锅底的40mm位置，并且采用testo330-1LL型烟气分析仪评估一氧化碳、二氧化碳、氧气的含量[2]。

燃气灶的测试热负荷为4.5kW，对应燃气流量为7.53L/min，热效率表示实验锅在燃烧过程中释放热量的吸收率。

三、实验模拟
按照大气式燃气灶的实际尺寸构建模型，并且对模型进行网格划分，燃气灶为半开放燃烧，因此构建8倍炉头直径为圆柱体区域作为燃烧过程的计算区域，该计算区域还可分为多个部分，复杂的区域采用非结构网格划分，其他区域则采用结构化网格划分。

采用CFD软件，在组分输运、反应模型的基础上，针对大气式燃气灶的燃烧过程进行模拟仿真计算。

通过Realizable k-ε湍流模型、标准壁函数、DO辐射模型作为实验模拟工具。

燃料为甲烷，燃烧过程化学反应为甲烷-空气反应，将内燃烧器和外燃烧器的燃料进口设置为速度进口，燃烧区域的出口设置为压力出口。

燃烧器、实验锅壁面温度数据是在实际燃烧中获取的。

四、研究结果
（一）锅支架高度对热效率带来的影响
本次实验分析在不同的锅支架高度下，燃气灶热效率的变化，见图1。

从图中不难发现，锅支架高度越低热效率则越高，反之的热效率越低。

从热平衡角度分析，锅支架高度降低则火焰更加贴近锅底，加强了火焰、烟气与锅底之间的传热过程。

进入燃烧区域的二次空气会减少，从而减少了燃烧中的热量损失，提高了热效率。

不过锅支架高度的降低会导致燃气不完全燃烧，提高一氧化碳的排放量[3]。

图1 锅支架高度与热效率变化的关系图
相比原本锅支架热效率有提高的情况下一氧化碳的变化规律，在本文设置的不同锅支架高度下，一氧化碳排放情况见图2。

从图中不难发现，锅支架高度降低则一氧化碳排放量则会提高，在锅支架高度为30.5mm的时候，几乎达到了一氧化碳的国标排放上限，若是锅支架高度在28.5mm的时候，一氧化碳排放量严重超标，因此将锅支架高度设置为30.5mm不仅能够提高热效率，还能保证一氧化碳的排放量符合标准。

图2 锅支架高度与一氧化碳排放量的关系图
（二）模型结果与实验结果对比根据模拟仿真数据分析，实验锅的换热过程主要集中在锅底面，锅侧面的换热量可以忽略不计，通过分析燃烧区域速度矢量图以及温度数据，具体位置速度、温度信息可以获取，并且用于分析火焰与锅底的换热情况[4]。

通过实验数据对比，可见图3，模拟仿真计算获取的热效率随着锅支架高度的变化数据与实验结果相一致，因此模拟仿真评估的手段能够准确的将热效率的变化反映出来，具有一定的应用价值。

图3 模拟仿真计算结果与实验结果在热效率上的对比
五、小结
在锅支架高度发生变化的时候，近壁面区域的流体流速是造成过低对流换热系数发生变化的主要因素，锅支架高度降低对近壁面区域的传热温差影响不大，锅底的对流换热系数会增加，因此热效率会提高。

参考文献：
[1]邓鹏飞,吴勇,廖标建等. 基于传热流动分析的集成灶风口结构优化[C]//.2021年中国家用电器技术大会论文集.,2021:1273-1278.
[2]卓丽玲. 大气—红外复合型上进风燃气灶的结构优化研究[D].华中科技大学,2021.
[3]刘洪佚. 基于多因素耦合作用的大气/红外组合式灶用燃烧器设计与优化[D].华中科技大学,2018.
[4]邓鹏飞,汪一,王维亮等. 基于传热性能分析的大气式燃气灶结构优化[C]//.2016年中国家用电器技术大会论文集.,2016:987-994. 广东省中山市小榄镇华园路1号华帝股份研发大楼，韩君庆，159****3310。