全预混燃烧

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罩极式电机的优点是结构简单和价格低廉，但其操作效率低（一 般只有20%~40%），且只有1~2档速度，其套筒轴承的工 作寿命大约只有25000h。 通用电机的速度很高，通常可以使用外加控制器对速度进行控制， 但其内部电刷的寿命一般只有10000h。另外，射频干扰 （RFI）使其在某些场合的使用受到限制。 RFI是射频干扰（Radio Freqency Interference）的英文 简写。 射频是一种高频交流电,也就是通常所说的电磁波.射频 干扰就是电磁波所带来的干扰.如两个频率相差不多的电磁波会 同时被接收机接收造成干扰. 在离发射台近的地方会有谐波干扰. 干扰其他的接收设备.发射相同频率的电磁波可干扰敌人的电台. 无刷直流（BLDC）电机使用低压直流电源（12V~48V）。 新型的设计集成了全桥整流电路部分，将交流电压（220V）直 接转换为电机需要的直流电压。BLDC电机的操作效率高，一般 可达60%~85%，电机的寿命可达40000h。但缺点就是价 格很高。
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考虑到燃烧的稳定性，燃烧器火孔热强度应适当。以某一个 24kW天然气全预混燃烧器为例，使用不锈钢圆筒形燃烧头，其 火孔总面积为1175.8mm2，则其火孔热强度为：
24 kW 20.4W / mm 2 1175 .8mm 2
再如，另一个金属纤维表面的全预混燃烧器，输入功率为 33.5kW，金属纤维表面积为37680mm2，则计算得到燃烧器 表面热强度为0.89W/mm2。
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下面的曲线图给出了在燃烧装置不同的额定输入功率下，且燃气 进口压力降为50Pa时的文丘里混合装置的调节范围。
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四、燃气阀组与调节原理 冷凝式燃气壁挂炉使用的燃气阀组包括：安全切断电磁阀EV1、 伺服电磁阀EV2、伺服压力调节器RP、零点迁移量调节器 G/A、空燃比例调节阀RQ等组成。如下图所示，与文丘里混 合器配合，在负荷调节 过程中，始终保证燃气流量与空气流量 的比例恒定。
式中 Vg——燃气流量，m3/h β——燃气喷嘴流量系数 Ag——燃气喷嘴面积，m2 Pg——燃气喷嘴前静压，Pa Pa2——文丘里混合器喉部静压，Pa ρg——燃气密度，kg/m3 Kg——喷嘴系数。
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2( Pg Pa2) Vg β × Ag Kg Pg Pa2 ρ g
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二、冷凝式燃气壁挂炉采用全预混燃烧器 目前，冷凝壁挂锅炉上使用的全预混燃烧器均为鼓风式全预混燃 烧器，主要有：平板形、半球形和圆柱形，如下图所示，其中圆 柱形应用居多。实践证明，圆筒形和半球形表面与平面相比，比 较容易形成均匀的气流分布。全预混燃烧器的组成主要包括：燃 烧头、鼓风机、混合气以及燃气电磁阀. 燃烧头的表面材料主要有两种：不锈钢和金属纤维编织物，其中 前者应用较多。对于不锈钢圆柱形头部，是在一个不锈钢圆筒的 筒壁上，按照设计的要求形成许多小孔。燃气和空气的混合物从 小孔中喷出后被点燃；对于金属纤维编织物表面的燃烧头，燃气 与空气的混合物透过金属纤维表面均匀渗出后被点燃。由于是全 预混燃烧，因此只在筒壁上形成非常薄的一层蓝色火焰。同时， 圆筒壁被加热到很高的温度，形成一个高温辐射源。因此，这种 燃烧器与普通壁挂锅炉中使用的大气式燃烧器的另一点不同之处 在于，前者对于换热器既有对流换热又辐射换热；而后者主要为 对流换热，辐射换热所占比例很小。
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另外，由于是用于全预混燃烧系统，因此从防爆的角度考虑，风 机采用抗静电叶轮。这种风机比普通型壁挂炉中使用的风机具有 更高的扬程，因为在冷凝式壁挂锅炉中使用鼓风式全预混燃烧系 统要克服比普通型壁挂炉更高的阻力；其次，燃气比例调节阀在 工作时需要较高的空气压力驱动。 四、文丘里型混合器 在全预混燃烧系统中，一般采用文丘里混合装置来保证燃气与空 气的充分混合。燃气与空气的混合可以在风机出口进行（后预 混），也可在风机入口进行（前预混）。 1.后预混型文丘里混合器
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三、燃气/空气比例调节系统 1.对于鼓风式全预混燃烧器，在燃烧过程中，特别是在符合变 化过程中始终保证燃气与空气的混合比例恒定，是保证稳定、高 效、低排放燃烧的先决条件。因此，有一个精确可靠的燃气/空 气比例调节系统是非常重要的。 对于普通的大气式燃烧器，由于引射器在一定范围内具有自动调 节能力，即当燃气喷嘴的流量发生变化时，被引射进入的一次空 气量也会随之相应的变化、这在一定程度上保证了燃气/空气比 例的恒定。而在鼓风式全预混燃烧器中，由于燃气与空气的混合 方式不同，燃气流量与空气流量失去了在大气式燃烧器中所具有 的相互关联，因此需要使用调节装置来实现对燃气/空气比例的 控制。实现这一功能的技术通常有两种： 1）电子式燃气/空气比例的控制技术。该技术是利用流量传感 器检测空气流量信号，控制器根据该信号经相应的运算后控制燃 气比例调节发，以维持燃气与空气流量比例的恒定。这种控制方 法多用于大型的燃烧系统，特别是非线性系统。由于目前技术条 件限制，应用于如燃气壁挂炉这样的小型燃烧系统上，其控制精 度不够理想。
根据上述两个公式得到：
Vg Kg Pg Pa 2 × Va Ka Pa1 Pa 2 当Pg=Pa1时：
Vg Kg Va Ka
燃气流量与空气流量的比值为一常数。因此只要保证在负荷调节过 程中维持Pg=Pa1，即可保证空燃比恒定。如欲改变燃气与空气 的流量配比，只需调节Kg即可（改变燃气喷嘴）。 2）预混系统工作原理： 下图为这一系统的内部结构原理图，其工作过程如下 ： 当两个电磁阀EV1、EV2均不得电时，在阀组入口处测得燃气压 力为燃气管网额定压力Pin。当电磁阀EV1打开时，点火燃烧气开 始工作(如有点火燃烧器，在鼓风全预混燃烧方式的壁挂锅炉中均 不设点火燃烧器)；当电磁阀EV2打开后，主燃烧器才能工作，此 时才可测得压力Pint。
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1-燃气进口；2-安全电磁阀；3-调节阀；4、6、9-联通孔；5-伺服 电磁阀；7-指挥阀；8-指挥阀膜片；10-调节阀膜片；11-比例调节 阀；12-鼓风压力信号管；13-燃气喷嘴；14-空气进口；15-文丘 里混合器；16-混合气（燃气+空气）出口；17-零点调节螺丝；18比例调节螺丝
第四章 全预混燃烧技术
一、燃气全预混燃烧的特点 1.燃气全预混燃烧是指燃气在燃烧器前与足够的空气进行充 分混合，在燃烧的过程中不再需要供给空气的燃烧方式。 全预混燃烧的火焰传播速度快，燃烧室容积热强度很高，一 般可达28~56x103kW/m2或更高，且能在很小的过剩空 气系数下达到完全燃烧（通常α=1.05~1.1），几乎不存 在化学不完全燃烧现象。因此，燃烧温度很高，但火焰稳定 性较差，易发生回火。为防止回火，应尽可能使气流速度场 均匀，保证在最低负荷下燃烧器上各点的气流速度均大于火 焰传播速度。同时，气流分布均匀也保证了燃烧器表面火焰 的均匀，避免在燃烧器表面上火焰过长，接触到换热器表面 导致不完全燃烧。 2.全预混燃烧方式有效降低污染物的排放 1）全预混燃烧降低了氮氧化物的排放 首先，全预混燃烧不产生燃料型氮氧化物；其次，全预混燃 烧不产生快速型氮氧化物；最后，全预混燃烧降低了温度型
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对流换热的概念 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表面之间的热量传递 现象。 对流换热是指流体与固体表面的热量传输。对流换热是在 流体流动进程中发生的热量传递现象，它是依靠流体质点的移 动进行热量传递的，与流体的流动情况密切相关。当流体作层 流流动时，在垂直于流体流动方向上的热量传递，主要以热传 导（亦有较弱的自然对流）的方式进行。对流换热与热丢刘不 同，既有热对流，也有导热；不是基本传热方式。 对流换热的特点：(1) 导热与热对流同时存在的复杂热传 递过程。(2) 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差。 辐射换热的概念 两个温度不同且互不接触的物体之间通过电磁波进行的换热过 程，是传热学的重要研究内容之一
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氮氧化物的生成浓度。 2）全预混燃烧降低了CO浓度 由CO的生成机理可知，CO是由含碳燃料氧化而产生的一种 中间产物，燃料中最初所含有的碳都将先被氧化成CO，再进 一步被氧化成CO2。实验证明，在火焰温度下，如果有充分 的氧气和停留时间，CO的浓度就会在反应之后降至很低的程 度。由于全预混燃烧在燃烧前已经完成了燃气与过剩空气的 均匀混合，可以在很大程度上保证每一个燃气分子周围都有 充分的氧气分子存在。因此全预混燃烧的CO排放浓度很低。
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在分析大气式燃烧热水器的热交换过程时，必须注意到燃烧 产生的是不发光火焰。因此，火焰辐射式依靠三原子气体 （没有固体粒子辐射）。而气体燃料所产生的三原子气体所 占份额很小。更为重要的是，热水器燃烧室尺寸都很小，其 辐射层厚度很小，气体辐射能力很弱，辐射热交换吸热在总 吸热中只占较小的部分。 而全预混燃烧器在圆筒形燃烧器的壁面上形成一层非常薄的 蓝色火焰，圆筒壁被加热到很高的温度，形成一个高温辐射 源，因此在全预混燃烧器的热交换过程中，辐射换热也占到 一定的比例。
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后预混方式与前预混方式相比，由于是在风机出口处混合，因此 对风机的防爆要求比前预混低。
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2.前预混文丘里混合器 前预混混合器设在风机入口处，仍为文丘里型，系统如下图：
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混合器一侧的空气吸入口3的开度可通过调节环4进行调节，其 完全打开时，对应混合器所能适用的最大输入功率；当其完全关 闭时，对应混合器所能适用的最小输入功率。最大和最小输入功 率与燃烧装置的特性密切相关。
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上图为混合气的结构，空气流过文丘里混合气，将在文丘里管喉 部产生负压，燃气从文丘里管喉部进入后与空气混合。在文丘里 管入口处设有取压环室，取出的静压用于控制燃气调节阀，实现 燃气流量与空气流量的同步调节，并保持恒定比例，后预混式混 合器的负荷调节范围一般为1：5。下图给出了两种不同型号混 合气的特性曲线。从曲线上可以看出，当提高风机进口压力时， 在保持混合比不变的情况下增大了负荷。文丘里混合气安装在风 机出口。
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2）机械式燃气/空气比例控制技术。目前在冷凝式燃气壁挂炉 中广泛使用的是第二种技术，即利用风压变化自动调节燃气流量 的机械式燃气/空气等比例控制技术，原理图如下：
机械式燃气/空气等比例调节技术 2.风机的选择 1）风机所用的电机 燃烧器上的风机使用的电机一般有三种形式：罩极式电机、通用 电机和无刷直流电机。
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当需要提高燃烧负荷时，首先提高风机转速，使风量增加，此 时文丘里混合器入口静压Pa1增加，经空气取压管12，使得 膜片8上侧压力增加，指挥阀的阀口7被关小。其结果使得原经 过指挥阀阀口7、联通孔6的燃气泄流阻力增加，进而使得经联 通孔9导入调节阀膜片10下侧的压力增加，调节阀3被开大， 燃气流量增加，此时建立的压力平衡关系为： Pint=调节阀膜片10下侧压力=膜片8下侧压力=膜片8上侧 压力Pa1+弹簧力Os 即： Pint=Pa1+Os 由于在变负荷过程中膜片8上侧弹簧的位移很小，因此认为弹 簧的弹性力Os恒定不变。 由式（3-4-1）可知，此时无论风量如何变换（Pa1变换）， 均能保持Pint与Pa1的比例关系。通过零点调节螺丝17可以 改变Os值，称为“零点迁移”，如下图所示。
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1）文丘里混合器的恒混合比原理：
根据伯努利方程，流过文丘里混合器的空气流量为：
Va Aa
2( pa1 pa 2 )
aFra Baidu bibliotek
Ka pa1 pa 2
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式中 Va——空气流量，m3/h а——文丘里混合器流量系数 Aa——文丘里混合器过流面积，m2 Pa1——文丘里混合器前静压，Pa Pa2——文丘里混合器喉部静压，Pa ρa——空气密度，kg/m3 Ka——混合器阻力系数。 进入文丘里混合管的燃气流量为：