家用二甲醚灶具額定壓力的確定

摘 要

摘要：通過整理大氣式燃燒器的基本計算公式，得出噴嘴前供氣壓力的計算公式。利用二甲醚灶具設計參數的推薦值，計算出二甲醚灶具噴嘴前供氣壓力范圍，通過驗證試驗，確定家用二甲醚灶
摘要：通過整理大氣式燃燒器的基本計算公式，得出噴嘴前供氣壓力的計算公式。利用二甲醚灶具設計參數的推薦值，計算出二甲醚灶具噴嘴前供氣壓力范圍，通過驗證試驗，確定家用二甲醚灶具的額定壓力為2kPa。
關鍵詞：二甲醚；家用燃氣灶；額定壓力；灶具
Determination of Rated Pressure of Domestic DME Cooking Appliance
CHEN Jinrui，WANG Qi，ZHAO Zijun，ZHANG Jinhuan
Abstract：The calculation formula of gas supply pressure in front of the nozzle is obtained based on the basic calculation formula of atmospheric burner.The gas supply pressure range in front of the nozzle of DME cooking appliance is calculated by the recommended design parameter of DME cooking appliance.Through the verification test，it is determined that the rated pressure of domestic DME cooking appliance is 2kPa.
Key words：DME；domestic gas cooking appliance；rated pressure；cooking appliance
1 概述
    近年來，關于二甲醚的研究不僅局限于制備工藝、儲存運輸等環節，將其作為民用燃料的研究也進行得如火如荼，這就對研發各種民用二甲醚應用設備提出了要求，特別是居民生活必不可少的家用灶具。在設計新型氣源的灶具時，常面臨設計參數更新不足和試驗資料短缺等問題。本文依據燃氣燃燒與應用理論，結合試驗研究，推薦家用二甲醚灶具的額定供氣壓力，為二甲醚灶具產品的研發提供有價值的參考依據。
2 燃燒器噴嘴前供氣壓力的計算公式
    進行燃燒器設計時，各項設計參數可以查閱設計手冊，但對于二甲醚等新型燃氣，設計參數更新不足。特別是噴嘴前供氣壓力，其關系到灶具的熱流量以及燃燒器的穩定性等問題，需要加以確定。
低壓引射器的基本計算公式[1]是通過分析引射器的工作原理，利用動量定理、連續性方程和能量守恒定律推導而來的，見式(1)。
 
式中pj——頭部必須具有的靜壓力，Pa，計算見式(2)
    p——噴嘴前燃氣壓力，Pa
    μ——噴嘴流量系數，取0.85～0.90
    A——無因次面積，計算見式(3)
    K——能量損失系數，與引射器的形狀、尺寸、阻力特性有關，通常取2.1
    u——質量引射系數，計算見式(4)
d——燃氣的相對密度
 
式中vp——火孔出口流速，m/s
 
式中At——引射器喉部截面積，mm2
    Aj——噴嘴出口截面積，mm2
 
式中α——一次空氣系數
    V0——理論空氣需要量，m3/m3
對于低壓常溫燃氣，當引射空氣亦為常溫，已知噴嘴直徑時，引射器喉管直徑的計算見式(5)[2]。
 
式中Dt——引射器喉管直徑，mm
    Dj——噴嘴直徑，mm
    K1——綜合阻力系數，取1.2
    將式(2)～(5)代入式(1)，整理得到噴嘴前供氣壓力的計算公式，見式(6)。
 
    由式(6)可見，噴嘴前供氣壓力與燃氣性質(V0，d)和引射器設計參數(vp，α，μ，K，K1)等有關。特別是當已知能使燃氣在火孔處穩定燃燒的vp和α時，就可通過式(6)得到噴嘴前供氣壓力的近似值。
3 二甲醚灶具基本設計參數推薦值
    二甲醚灶具無統一的設計參數，給燃燒器的設計帶來不便。通過比較二甲醚與天然氣、液化石油氣等氣源的氣質差異，初步確定二甲醚灶具設計時的一次空氣系數應比天然氣和液化石油氣略大。同時，利用民用灶具結構設計基本公式，結合12T、20Y等主要城鎮燃氣灶具對二甲醚熱工適應性研究中的試驗結果，通過其他燃氣灶具的一次空氣系數校核出二甲醚灶具的一次空氣系數。通過大量試驗，得出二甲醚灶具設計時的一次空氣系數為0.65～0.70。利用主要城鎮燃氣灶具對二甲醚熱工適應性研究中的試驗結果，計算出二甲醚灶具的火孔出口流速為1.1～1.7m/s，火孔熱強度為6.0～9.0W/m2。
    通過比較二甲醚與天然氣、液化石油氣等燃氣的氣質差異，計算燃燒器頭部靜壓力以及研究燃燒特性曲線等方法進行驗證分析，最終證明試驗得出的數據是合理的。二甲醚灶具設計參數推薦值見表1。
表1 二甲醚灶具設計參數推薦值
項目
數據
火孔尺寸
圓形火孔直徑/mm
2.5
矩形火孔尺寸
2.0mm×3.0mm
條縫形火孔寬度/mm
0.9
一次空氣系數
0.65～0.70
火孔出口流速/(m·s-1)
1.1～1.7
火孔熱強度/(w·mm-2)
6.0～9.O
    表1中的推薦值可能只是二甲醚灶具較佳設計參數中的幾種，但由于二甲醚可能會成為城鎮燃氣的應急氣源，結合其他氣源灶具得出的設計參數仍具有很大的實用價值。
4 二甲醚灶具噴嘴前供氣壓力的確定
    已知d=1.592，V0=14.3m3/m3，μ=0.85，根據表1中的數據，利用式(6)，計算得二甲醚灶具噴嘴前供氣壓力為1.029～2.792kPa。初步認定二甲醚灶具噴嘴前供氣壓力為1.029～2.792kPa時，可以提供穩定燃燒所需的靜壓力，火孔出口流速達到1.1～1.7m/s。
    同時，利用本生燈測試不同噴嘴前供氣壓力下二甲醚的穩定燃燒情況，在試驗壓力為1～3kPa時，二甲醚均能穩定燃燒。在二甲醚燃氣灶研究初期，對天然氣灶、液化石油氣灶等其他氣源灶具的二甲醚適應性作了探討。當試驗壓力分別為2kPa、2.8kPa時，二甲醚在天然氣灶具上燃燒穩定，未出現回火、脫火、黃焰等現象。當試驗壓力為2.8kPa時，二甲醚在改造過的液化石油氣灶具上燃燒效果良好。
    可見，從燃燒理論方面確定二甲醚燃氣灶的額定壓力，選擇20Y液化石油氣灶具的額定壓力2.8kPa或12T天然氣灶具的額定壓力2kPa均可。
    從燃氣輸配方面來看，需要保障供氣的安全性，供氣壓力越高，安全隱患越大，故選擇2kPa作為二甲醚灶具的額定壓力比較合理，也有利于節約能源，更加環保。
    目前，已有家用二甲醚減壓閥產品，與二甲醚氣瓶配套使用，輸出壓力穩定，低壓性能良好，其技術數據見表2。
表2 家用二甲醚減壓閥技術數據
參數
數據
進口壓力/MPa
0.03～O.80
出口壓力/kPa
2.O±O.4
額定流量/(m3·h-1)
0.6
關閉壓力/kPa
＜2.8
參考文獻：
[1] 同濟大學，重慶建筑大學，哈爾濱建筑大學，等.燃氣燃燒與應用[M].3版.北京：中國建筑工業出版社， 2000：146-153.
[2] 《煤氣設計手冊》編寫組.煤氣設計手冊(下)[M].北京：中國建筑工業出版社，1987：273-279.
 
(本文作者：陳津蕊1、2 王啟1、2 趙自軍1、2 張金環1、2 1.中國市政工程華北設計研究總院燃氣技術研究院 天津 300074；2.國家燃氣用具質量監督檢驗中心 天津 300384)