摘要：針對紅外輻射式燃燒器燃燒穩定性差的問題，結合試驗，對產生回火、脫火和噪聲問題的原因進行分析，通過燃燒器結構及腔體結構的合理設計，以及燃燒器表面材料的合理選取，達到穩定燃燒、不回火、不脫火、無高頻噪聲的效果。

關鍵詞：  紅外輻射式燃燒器；  全預混燃燒；  燃燒穩定性；  金屬網；  噪聲

Study on Combustion Stability and Noise of Infrared Radiation Burner

Abstract：In view of poor stability of infrared radiation burner，the causes for flash back：flame lifting and noise are analyzed experimentally．The stable combustion，no flash back，on flame lifting and no high-frequency noise can be achieved by rational design of burner structure and its head structure as

well as rational select ion of burner surface material．

Key words：  infrared radiation burner；  fully premixed combustion：  combustion stability；metal mesh：  noise

1 概述

紅外輻射式燃燒器在燃燒效率與煙氣指標方面較佳，它比較適用于蒸烤類灶具，如蒸箱、大鍋灶和烤箱等。該燃燒器是一種低壓引射式完全預混燃燒器，燃燒所需要的空氣全部依靠低壓燃氣的能量吸入，并進行全部預混，過剩空氣系數為1．03～1．06。基本不需要二次空氣，燃氣-空氣混合物到達燃燒區后能瞬間完成燃燒，火焰很短甚至看不見。這種燃燒方式燃燒比較完全，能達到較高的燃燒溫度，對流熱損失小，而且燃燒產物中N0_x及C0濃度都很小。另一方面，由于這種燃燒方式的一次空氣系數較大，空-燃比接近于理論值，造成這種燃燒方式的穩定性較差，燃燒溫度較高時容易發生回火，以及燃燒器表面材料對燃燒穩定性產生影響。從我們掌握的商用紅外輻射式燃燒器使用情況看，很多是由于陶瓷板燒裂、陶瓷板邊緣與金屬交接處密封不嚴等多種原因產生回火，影響其正常工作。目前紅外輻射燃燒技術在中餐灶的應用主要是陶瓷板燃燒器，但陶瓷板材料抗高溫、抗機械沖擊能力差，使用不當易造成水流到熾熱的燃燒器表面而產生炸裂，發生回火，使用壽命縮短。有的廠家為了防止回火，或為了滿足用戶對明火的需求而采用帶小火苗的紅外燃燒器，殊不知這樣會導致煙氣中的C0超標，未達到紅外輻射式燃燒器應有的效果。因此，我們針對該燃燒器存在的問題，對燃燒器的結構進行研發，從工藝和材質上進行改進。采用鐵絡鋁金屬網面燃燒器，避免了這一缺陷，有一定的機械強度，使用壽命大大提高，而且特殊的結構設計又進一步提高了熱效率。

2 陶瓷板紅外輻射式燃燒器的特性

陶瓷板紅外輻射式燃燒器的燃燒表面由若干塊多火孔陶瓷板組成，適用于天然氣的陶瓷板的火孔直徑d_p=1．2～1．5 mm，適用于液化石油氣的d_p=1．1～1．2 mm。為了防止回火，陶瓷板的熱導率小于0．58 W／(m·K)。燃燒器工作時，燃氣-空氣混合物以很小的速度(0．10～0．14 m／s)從火孔逸出進行燃燒。點燃后約過40～50 S，板面溫度即可達到800～900℃。這時板面呈紅色，向外輻射紅外線。輻射熱效率隨形狀不同，可達到45％～60％。

陶瓷板具有熱導率小、質地均勻、成本低等特點，陶瓷材料的低熱導率有助于保持火焰的穩定，燃燒器火孔采用蜂窩狀排列，能有效地避免離焰和回火，增大熱負荷調節比。但是，當陶瓷板有裂縫時，很容易發生回火。當熱負荷過大時，火孔熱強度過大，溫度過高，會使陶瓷板燒酥，縮短陶瓷板的使用壽命。

3 凹面組合金屬網紅外輻射式燃燒器

①結構

燃燒器表面由多個扇形金屬網塊組成一個坡向中心的碟狀坡面，中心為一個圓形金屬網塊，燃燒器表面組合成凹面結構。這樣增大了火孔總面積，同時也增加了與被加熱鍋的接觸面積，有利于提高熱效率。坡向中心的凹面結構使得火力集中，減少了輻射熱損失，進一步提高熱效率。該燃燒器適用于大鍋灶。

燃燒器主要由引射器、火蓋和腔體三部分組成。引射器包括噴嘴、喉管、擴散管。火蓋由金屬網塊和支撐框架組成。腔體采用中心下凹狀結構，擴散管設置在下凹腔體內。這既縮小了腔體的體積，又能容納引射器擴散管且不影響擴散管的功能。凹面組合金屬網紅外輻射式燃燒器結構見圖l。

②性能

燃燒器頭部以雙層金屬網代替陶瓷板，雙金屬網作為穩焰載體，燃燒器工作時可燃氣體混合物在內網與外網之間進行燃燒。當輻射表面溫度達到850～900℃的高溫時，便向外輻射紅外線。輻射面熱強度可達0．14～0．19 W／mm²，輻射效率為45％左右。金屬網的細密性決定了燃燒器的回火傾向性極低。另外，鐵絡鋁材質的金屬網耐高溫性能好，熱惰性小，能被很快地加熱和冷卻。金屬網比多孔陶瓷板結實，遇水不會產生炸裂，有一定的機械強度。

4 回火問題分析與改進措施

紅外輻射式燃燒器屬全預混燃燒器，燃燒完全，一次空氣系數較大，燃燒穩定性就受到影響，容易產生回火現象，因此，如何控制回火是關鍵的問題。造成回火的原因有多種，火孔熱強度過高容易產生回火。金屬網變形后孔徑變大，陶瓷板龜裂破損漏氣而導致火孔熱強度降低時，也易回火。陶瓷板紅外輻射式燃燒器與金屬網紅外輻射式燃燒器的燃燒過程與回火原因有所不同。

①陶瓷板紅外輻射式燃燒器回火分析

多孔陶瓷板燃燒狀況見圖2^[1-2]。陶瓷板紅外輻射式燃燒器的輻射面是布滿許多小孔道的陶瓷板，當燃氣-空氣混合氣體通過小孔道著火后，燃燒所產生的熱量主要加熱煙氣和陶瓷板，其中陶瓷板得到的熱量大部分由A面向外輻射。當低溫的燃氣-空氣混合氣體從B面流進孔道以后，對孔道壁進行沖刷冷卻，同時其本身沿孔道長度方向溫度逐漸升高，當接近A面時，又得到來自火焰面的輻射熱，使其立即達到著火溫度而燃燒。隨著陶瓷板外表面溫度的升高，其沿A—B各點溫度也相應升高，使小孔道內的未燃混合氣體預熱溫度也相應升高，加劇了燃燒反應，提高了燃燒溫度和火焰傳播速度，火焰面從A面向板內移動，同時燃燒溫度升高，增加了陶瓷板內各點溫度，使其既向外增加輻射熱，又提高了小孔道內未燃混合氣體的預熱溫度。當燃燒反應熱等于散熱而達到熱平衡后，燃氣-空氣混合氣體的預熱溫度不再升高并有可能在離A面某一距離的C而就達到著火溫度。氣流速度和火焰傳播速度達到一定的動平衡，火焰面就穩定在C而上。如果增加負荷即增加燃燒反應熱，而陶瓷板的散熱速度小于反應熱的生成速度，則火焰面向B面移動，此時，靠近陶瓷板內表面B面處的燃氣-空氣混合氣體預熱溫度升高很快，當達到著火溫度時，火焰面就立即移至外殼內形成回火，稱為熱回火，即負荷過大使相應的火孔熱強度大而產生熱回火。

②金屬網紅外輻射式燃燒器的回火分析

金屬網紅外輻射式燃燒器的輻射而是由兩層相隔一定距離的孔徑不同的金屬絲網構成的，外網孔徑大，內網孔徑小，材料采用鐵絡鋁合金絲。當靠近外網的外表面遇到火源著火后，因外網的網孔面積大，火焰傳播速度大于外網網孔內燃氣-空氣混合氣體流速而使火焰立即縮入外網內。又因內網網孔面積小．火焰傳播速度小于內網網孔內氣流速度，使火焰被阻于內網外，這樣，火焰面就被限制在內網與外網之間的空間內。在火焰面上，燃氣-空氣混合氣體的氣流速度與火焰傳播速度處于動平衡狀態。但是，如果因某種原因引起流過內網上某一點網孔內的燃氣-空氣混合氣體速度小于火焰傳播速度，兩者就失去動平衡，火焰就縮入內網進入腔體而引起回火。如果流過內網網孔內的氣流速度足夠小(火孔熱強度足夠小)，導致火焰面就在內網上，此時由于內網的散熱作用，火焰溫度下降，使得本來極少的燃燒反應熱不能將貼近火焰面的燃氣-空氣混合氣體預熱到著火溫度而使燃燒中斷，自動熄滅。

此外，可燃混合氣體的反應熱被外網、內網、煙氣和火焰面上游側的未燃混合氣體吸收，而內網的輻射熱又加熱了流經內網的燃氣-空氣混合氣體，使其預熱溫度升高。如果系統在單位時間內的燃燒反應熱等于散熱．則整個系統內無熱量積聚，燃氣-空氣混合氣體的預熱溫度就不再變化，氣流速度和火焰傳播速度之間保持了一定的動平衡狀態，火焰面就穩定在內、外網間的某一位置上，燃燒處于熱平衡狀態；如果增加熱負荷，使系統在單位時間內的燃燒反應生成熱大于散熱，則整個系統溫度上升，進入新的熱量平衡狀態，燃氣-空氣混合氣體的預熱溫度將升高，反應加劇，火焰傳播速度的增加大于穿過內網孔氣流速度的增加，動平衡的改變使火焰面向內網靠近，內網的溫度升高。如果繼續增加熱負荷，火焰面將越來越貼近內網，內網的溫度也越來越高，一直到靠近內網上游側的燃氣-空氣混合氣體達到著火溫度時，在某一點就首先著火燃燒而形成回火^[1]。

因此，燃氣紅外輻射式燃燒器穩定燃燒時的火焰面是處在氣流速度與火焰傳播速度的動平衡和燃燒反應熱與散熱的熱平衡狀態。

實踐證明，對于輻射面完好、選用合理、熱強度小于回火極限的上述燃氣紅外輻射式燃燒器一般不會發生回火，但是超過回火極限時，則會發生回火^[1]。

③金屬網變形等原因產生的回火及改進措施

火蓋不嚴，漏火點過大，以及金屬網變形后孔徑變大，超過了同火極限孔徑，由于火孔熱強度相對于一般大氣式燃燒器要低，如果火孔之外再有不嚴密的地方，就會造成出火面積過大，火孔熱強度過低，造成回火。還有結構方面的原因，金屬網紅外輻射式燃燒器火焰在上下兩層網之間燃燒，網間距為10～12 mm，由于火焰的溫度較高，金屬網表面的溫度達到l 000℃左右，使得外網容易發生變形，變形嚴重時，上下網之間的間距縮小，局部有些地方距離過小甚至貼上，就會使火焰在內網上燃燒，從而發生回火現象。在兩層網之間加設支架能減小變形，控制上下網之間的間距，達到避免回火的目的。金屬網支架見圖3。

5 脫火問題分析

當紅外輻射式燃燒器的火孔出口流速過大時．火焰在燃燒器表面燃燒，不能將燃燒器表面材質燒紅。造成這種現象的原因有兩種，一種是一次空氣流量過大，這是因為過量的一次空氣帶走了燃燒反應熱，使燃燒器表面溫度降低，從而破壞了焰面上燃燒的熱平衡和速度的動平衡，使火焰面外移。另一種是燃氣流量與空氣流量都過大。因此，要在保證燃燒負荷的前提下，通過合理設計燃燒器和調節風門來控制空-燃比，才能控制燃燒不脫火。

6 吊火高度對煙氣和熱效率的影響

紅外輻射式燃燒器非常適用于大鍋灶，燃燒器安裝于鍋體的下方，爐膛底部。吊火高度是指鍋底距燃燒器上表面中心的距離。紅外輻射式燃燒器采用完全預混式燃燒，幾乎不需要從周圍獲取二次空氣。較小的吊火高度，對紅外輻射式燃燒器與鍋的換熱是有利的。一方面產生的高溫煙氣與鍋底充分接觸．進行輻射和對流換熱；另一方面根據輻射換熱角系數的定義，赤熱的板面離鍋底越近，平均角系數越大，輻射換熱量就越多，而從鍋底與燃燒器上表面之間的空隙向周圍環境的輻射熱損失就越小^[3]。

吊火高度過低則排煙不暢，影響一次空氣的引入而導致煙氣中的C0含量偏高；吊火高度過高，煙氣中的C0含量雖然低，但影響了熱效率。因此，在保證煙氣中C0含量達到相關標準的前提下，應盡可能降低吊火高度。經試驗得出，吊火高度取30～40 mm比較合適。

大氣式燃氣灶的吊火高度是比較大的，因為較小的吊火高度會減少二次空氣的供給量，同時，燃燒形成的本生火焰易與冷的鍋底接觸，這樣都會產生不完全燃燒而導致煙氣中的C0含量升高。較高的鍋支架高度，會增加周圍空氣向火焰的擴散，降低火焰溫度而減少了對鍋的換熱。這也正是紅外輻射式燃燒器比大氣式燃燒器熱效率高且污染低的原因之一。

7 燃燒器結構對噪聲及吊火高度的影響

在實際使用和實驗中發現，當燃燒器的腔體過大時，大氣式燃燒器會產生較大的關火噪聲，紅外輻射式燃燒器在燃燒時會產生高頻噪聲。

據分析，燃燒器腔體的微正壓要保持在一定的范圍，超出這個范圍，燃燒器腔體壓力過低，就會使得燃燒產生回火趨勢而產生噪聲。腔體過大就會產生這種效果。同時，燃燒器腔體過大，起到了放大噪聲的作用，因此腔體的體積要適度。

燃燒器腔體結構的設計是燃燒器穩定燃燒的關鍵因素之一。由于引射器的擴散管在燃燒器的腔體內部．因此，為容納擴散管，傳統的紅外輻射式燃燒器腔體高度相對較高，使得腔體的體積偏大，當完全預混燃燒時，就會產生高頻噪聲，腔體還會起到放大噪聲的作用。因此，在保證正常燃燒的前提下，應盡可能降低腔體的高度。

采用下凹狀結構燃燒器腔體后，腔體的體積變小，同時又能容納引射器擴散管且不影響擴散管的功能，改變了噪聲耦合頻率，高頻噪聲消失。燃燒器腔體結構見圖4。

燃燒器腔體結構改造前，燃燒器的腔體高度h=124 mm。為了消除高頻噪聲，只能靠增加吊火高度，吊火高度在150 mm時，噪聲消失；吊火高度小于150 mm時就會出現高頻噪聲。這樣的吊火高度大大影響了灶具熱效率的提高。因此，靠提升吊火高度來消除噪聲的方法不可取。

采用新型結構燃燒器腔體后，腔體的體積變小，同時改變了噪聲耦合頻率，高頻噪聲消失。但腔體內部高度要適宜，過小易造成燃氣、空氣混合不均，燃燒不完全而使C0含量升高。燃燒器腔體結構改造后試驗數據見表l。

由表l的試驗數據可以看出，腔體高度h=90mm時，在吊火高度比較低的情況下燃燒狀況、熱效率和煙氣中的C0含量等綜合狀況相對較好。因此，該燃燒器腔體高度比較合適。燃燒器腔體高度確定后，將金屬網紅外輻射式燃燒器安裝在鍋直徑為800 mm的大鍋灶上進行試驗，腔體高度為90mm時調整吊火高度的試驗數據見表2。

由試驗得出，所測試的燃燒器安裝在鍋直徑為1 000 mm的大鍋灶上時負荷偏小，在國家標準的測試工況條件下，水的升溫速度偏低。從表2數據看出，安裝在鍋直徑為800 mm的大鍋灶上，雖然熱效率略有下降，但升溫速度提高了，滿足了國家標準，同時煙氣中的C0與N0_x含量比較低。對于鍋直徑為800 mm的大鍋灶，國家標準規定的測試工況條件下的升溫速度是3．0℃／min，C0體積分數小于0．1％，熱效率大于45％。從表2可以看出，熱效率為53．7％，高于國家標準規定值，煙氣中的C0體積分數為0．026 4％，遠低于國家標準規定值。

8 結論

紅外輻射式燃燒器由于其穩定性較差，受結構、材料、設計、加工工藝以及使用環境的影響比較大。當結構設計不合理時會產生噪聲等問題。工藝設計不合理，會產生氣密性差的問題，從而產生回火。使用不當(如淋水)，陶瓷板會發生炸裂而影響其正常燃燒。因此，經過創新研發、合理設計燃燒器腔體結構，采用金屬網材料的紅外輻射式燃燒器，避免了上述問題的發生，充分發揮了紅外輻射式燃燒器的良好特性，具有燃燒完全、N0_x、CO污染物排放量少、熱效率高等特點。

參考文獻：

[1] 施惠邦，莊永茂，徐吉浣．城市煤氣紅外輻射器回火性的研究[J]．城市公用事業，l990(2)：25-28．

[2] 張永康，張永剛，徐吉浣，等．多孔陶瓷板燃氣紅外灶回火的研究[J]．煤氣與熱力，1999，19(1)：40-42．

[3] 李艷紅，徐吉浣，簡瑞民，等．引射式大負荷陶瓷紅外輻射燃燒器的研究[J]．煤氣與熱力，1997，17(3)：34-38

本文作者：高春梅   察瑞東   張晶

作者單位：北京市公用事業科學研究所