旋缝火孔燃气灶在不同气源组分下的性能测试研究
Outline:
张杨竣
,
秦朝葵
,
田春燕
收稿日期：2011-11-13
基金项目：广东省天然气管网公司项目资助“多气源天然气互换性与对策研究”(GDNGG-11-FW-019)
作者简介：张杨竣(1986-)，男，浙江浦江人，在读博士，主要从事天然气互换性研究。地址：(201804)上海市嘉定区曹安公路4800号同济大学机械楼A316。电话：021-69583802。E-mail:
zyjtongji@163.com.
摘要：旋缝火孔目前在燃气灶中广泛使用。选择了15台样本燃气灶，测试在10种气源情况下的效率、排放等性能，并对旋缝火孔和圆火孔燃气灶进行了性能比较。结果表明：旋缝火孔样本灶在热负荷和热效率方面的表现并不优于圆火孔灶具，CO排放普遍偏高且随气源变化极易出现超标，但对于降低燃具NOx排放效果显著。
关键词：天然气 旋缝火孔 圆火孔 灶具性能响应
Performance experimental of rotating-strip-port gas cookers under different natural gas components
Outline:
Zhang Yangjun
,
Qin Chaokui
,
Tian Chunyan
College of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract: Rotating-strip-port is wildly used in gas cookers at present. 15 gas cookers of this kind of port were selected to test the performance such as efficiency and emissions under 10 different gas components. Results showed that rotating-strip-port gave no much better performance than round -port cooker, CO emissions usually were higher and tended to exceed standard with changing of gas components. However, the decrease of NOx emissions has a remarkable effect.
Key words:
natural gas rotating-strip-port round-port response of performance
随着家用燃气灶具加工工艺的日益成熟，燃烧器火孔型式也逐渐多样化，近年来采用三维旋转条缝形火孔设计的燃气灶越来越多。采用旋缝火孔设计的燃气灶主要有以下优点：可取较大的一次空气系数与火孔热强度，减小火盖头部尺寸；不易发生回火和离焰等燃烧不稳定现象；利用旋转气流增强传热有利于提高热效率等。其实早在20世纪40年代就已经出现过类似的环缝形火孔，但由于旋转气流使得二次空气供给不充分，从而导致污染物排放升高[1-3]。
较之常见的圆火孔和方火孔燃气灶，旋缝火孔的燃气灶在面对气源组分发生变化时，其性能可否保持预想的效果，抑或在某些热工性能方面的表现出现下降？这些问题有待进一步探讨。
随着LNG进口量的不断增加，国内气源情况日趋复杂，本文针对目前国内燃气具市场情况，通过实验来验证当气源气质发生变化时，旋缝火孔燃气灶相比传统火孔型式灶具在性能响应方面的优劣表现情况。
1 实验描述
1.1 燃气灶具和气源
本次研究以某省为对象，选择了目前该省燃气灶市场具有代表性的15台不同火孔型式的嵌入式家用燃气灶作为实验样本灶，包括8台旋缝火孔和7台圆火孔。且选择了9种该省既定气源以及国标规定的12T基准气进行性能响应实验测试。
9种气源和12T-0的配气所得组分特性如表 1所示。
表 1
|
表 1 气源组分特性
|
实验以华白数位于所有气源华白数60%的粤西LNG2为基准气，对15台灶具进行初状态调节，使所有灶具在基准气情况下达到最佳状态，之后根据GB 16410-2007《家用燃气灶具》中家用燃气灶具性能响应测试项目和测试要求，分别在不同气源下进行性能响应测试。
1.2 实验设备
实验设备主要包括两部分：配气设备和实验测试装置。
本次实验采用纯组分配气以保证配制气与目标气的华白数、燃烧势以及各单一组分基本一致。配气装置见图 1，各单一气体和管道气经同一燃气表计量后进入5 m3湿式储气罐，储气罐内设置搅拌风机使各组分混合均匀。在配气前用管道气冲洗储罐5次，之后采用甲烷-管道气-乙烷-各含量较少的单一气体-乙烷-管道气-甲烷的分层进气方式来减少甲烷和乙烷汽化降温对系统和计量的影响，同时避免管道内残存气体对配气精度的影响。在实验测试过程中，对配制气多次取样进行色谱分析。分析结果表明：上述操作步骤可保证配制气与目标气之间的华白数偏差在±1%以内[4]，且较为稳定。
测试装置根据GB 16410-2007《家用燃气灶具》进行搭设[5]，具体见图 1。
2 测试结果分析
2.1 热负荷
当以一种燃气置换另一种燃气时，首先保证的是燃具热负荷在互换前后不发生大的变化。当燃烧器喷嘴前压力不变时，根据燃具热负荷计算公式可知，燃具热负荷Q与燃气热值H成正比，与燃气相对密度s的平方根成反比，即：
 |
(1) |
式中：Q为燃具热负荷，kW；W为燃气华白数，kJ/m3；K为比例常数。
故燃具热负荷Q与燃气华白数W成正比。因此当忽略燃气粘度等影响因素以及保持实验喷嘴前压力即灶前压力不变情况下，可认定燃具热负荷Q随着华白数的升高而增大[6]。
所取的10种气源中，川气最贫，因此当气源变化时，随着华白数的升高，各样本燃气灶热负荷增大，且川气情况下热负荷最小。故现以川气为参照标准，计算所有灶具在所有气源情况下的热负荷升高比例，以期确定当气源气质发生变化时，旋缝形火孔灶具的热负荷增长率是否优于传统圆火孔灶具。
图 2给出了两种火孔型式灶具在所有气源情况下相比川气的热负荷增长率平均值的变化趋势，并拟合出两个一次方程。其中旋缝火孔灶具的热负荷增长率的斜率为1.25，传统圆火孔灶具的斜率为1.22，二者基本一样。因此通过实验测试发现：当气源组分发生变化时，旋缝火孔与传统圆火孔在灶具热负荷方面的响应基本类似，不存在孰优孰劣。
2.2 热效率
旋缝火孔设计之初，其中一大优势就是通过利用旋转气流增强传热从而提高燃具热效率。但通过测试发现燃具热效率的影响因素复杂，既要考虑合适的锅架高度以利于火焰形态的保持及二次空气的充分供给，同时也要防止锅架过高而导致传热效果不佳，最终影响燃具热效率。通过三维旋缝可以使火焰产生旋转气流增加紊动，从而加强对流，但由于火焰紊动增强会导致二次空气的供给不充分，最终导致不完全燃烧，从而可能影响燃具热效率。
本次实验依据GB 16410-2007，在相同的10种气源情况下，对8台旋缝火孔样本灶和7台传统圆火孔样本灶进行热效率响应测试。通过测试，将各气源情况下两种火孔型式热效率不达标的样本数进行统计，列于表 2。
表 2
|
|
表 2 热效率不合格样本灶统计
|
从表 2发现：除了在国标规定的12T基准气(12T-0)情况下，圆火孔样本灶不合格率超过旋缝火孔样本灶外，在其他出现效率不合格情况的气源，旋缝火孔样本灶的热效率不合格率均高于传统圆火孔样本灶。
图 3给出了所有旋缝火孔样本灶和圆火孔样本灶各气源情况下热效率响应测试结果。根据GB 16410-2007规定，嵌入式家用燃气灶的达标效率为50%。如图 3所示，在基准气(即华白数为51.1 MJ/m3的粤西LNG2)情况下，所有灶具经调试后的热效率均达标；随着气源气质变化，旋缝火孔样本灶热效率处于50%以下的测试工况点明显多于圆火孔样本灶。
通过实验测试发现，旋缝火孔在随着气源发生变化时，热效率响应方面并不优于传统圆火孔；且根据各气源情况下的工况测试，同气源情况下，旋缝火孔灶具的热效率并不高于传统圆火孔灶具。故旋缝火孔设计有利于提高燃具热效率这一说法有待进一步探讨。
2.3 CO和NOx排放
本次实验对CO、NOx等污染物排放的检测主要是利用英国Kane公司生产的KM9106烟气分析仪来进行数据采集，并按照GB 16410-2007规定的排放物检测操作流程进行，所采数据具有一定的可信度。
烟气排放中CO浓度对使用者身体健康和人身安全有直接影响，GB 16410-2007中将干烟气中CO体积分数列为强制性条文，规定在基准气、额定压力下、过剩空气系数为1时，CO排放不得超过500×10-6(φ)。同时在高温燃烧环境下，氧与氮会发生化学反应，生成NO、NO2等微量NOx，其对人体的毒性比CO高数倍，但目前我国国标并未对其排放超标量做出强制规定[7-8]。
通过测试，对各气源情况下两种火孔型式灶具CO排放超标的样本数进行统计，列于表 3。
表 3
|
|
表 3 CO排放超标样本灶统计
|
如表 3所示，在较贫和较富的气源情况下，旋缝火孔灶具的CO排放情况相比于传统圆火孔灶具样本的CO排放超标率更高，表现较恶劣。
图 4给出了所有样本灶在10种气源情况下CO和NOx排放响应测试结果。
从图 4中CO排放分布图可以看出：旋缝火孔样本灶的CO排放值普遍高于圆火孔样本灶(圆点分布普遍高于星形分布)；在基准气(即华白数为51.1 MJ/m3的粤西LNG2)情况下，所有样本灶的CO排放值符合GB 16410-2007规定的500×10-6(φ)超标值，随着气源华白数的变化，不难发现旋缝火孔样本出现CO超标的测试工况点明显多于圆火孔样本，即测试表明，旋缝火孔燃具在面对气源气质变化时更易出现CO排放超标。
从图 4中NOx排放分布情况说明：旋缝火孔样本灶的NOx排放值相比于圆火孔样本灶普遍要小很多，基本处于(30~60)×10-6(φ)之间；且随着气源华白数变化，旋缝火孔样本灶对NOx排放的响应较为理想，不会出现NOx排放过高现象，相比圆火孔样本灶，其表现更稳定。
通过实验测试及对数据分析发现：旋缝火孔燃具在污染物排放方面有其自身的优点同时也存在不利因素，如旋缝火孔燃具的CO排放明显高于圆火孔燃具，并且当气源气质发生变化时，CO排放响应表现更糟糕，极易出现超标现象；另一方面旋缝火孔燃具在NOx等高毒性污染排放方面具有一定的优势，排放值明显低于圆火孔燃具，且对气源变化的响应也更稳定。
3 结论
通过本次实验测试，可以得到以下结论：
(1) 当气源气质发生变化时，旋缝火孔与传统圆火孔对灶具热负荷变化的影响基本类似，不存在孰优孰劣；
(2) 旋缝火孔在随着气源发生变化时，热效率响应方面并不优于传统圆火孔；且同气源情况下，旋缝火孔燃具的热效率并不高于传统圆火孔燃具。故旋缝火孔设计有利于提高燃具热效率这一说法有待进一步探讨；
(3) 旋缝火孔燃具的CO排放高于圆火孔燃具，并且当气源气质发生变化时，CO排放响应表现更糟糕，极易出现超标现象；
(4) 采用旋缝火孔设计的燃具，对于降低NOx等高毒性污染排放方面效果明显，排放值明显低于圆火孔燃具，且对气源变化的响应也更稳定。
随着目前国内燃具市场旋缝火孔技术的广泛应用，其在降低污染物特别是高毒性污染物排放方面的作用应加以推广，而对其在提高燃具热效率、增大热负荷等方面的技术则应做进一步的研究，以期达到更好的效果。
| [1] |
|
| [2] |
|
| [3] |
|
| [4] |
国家质检总局. GB/T 13611-2006城镇燃气分类和基本特性[S].北京: 中国标准出版社, 2006.
|
| [5] |
国家质检总局. GB 16410-2007家用燃气灶具[S].北京: 中国标准出版社, 2007.
|
| [6] |
同济大学. 燃气燃烧与应用[M]. 上海: 中国建筑工业出版, 2000: 212-222.
|
| [7] |
|
| [8] |
庄永茂, 施惠邦. 燃烧与污染控制[M]. 上海: 同济大学出版社, 1998: 78-80.
|
2012, Vol. 41