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家用燃气灶结构和性能分析
一、家用燃气灶的种类与型号
1．种类
根据燃气灶使用气源可分为液化石油气灶、天然气灶和人工煤气灶等；按灶面材质可分为不锈钢灶、搪瓷灶、烤漆灶和钢化玻璃灶等；按燃烧器数目可分为单眼灶、双眼灶、三眼灶和多眼灶等；按燃烧器引入一次空气位置可分为上进风灶和下进风灶；按燃烧方式可分为大气式燃气灶和完全预混式燃气灶；按安装方式可分为嵌入式灶和台式灶。
2．标识
表1 家用燃气灶技术参数指标标识
旺气牌嵌入式旋火型燃气灶
型号 JZ20Y2-2 燃气压力 3800Pa
气源 液化石油气 执行标准 GB16410-1996
热流量 左：3.5kW 右：3.5kW
出厂日期 2003.10.26 出厂编号 200369661
杭州旺气电器灶具有限公司
每台燃气灶的侧面或正面应有燃气灶标识(又称铭牌)，包括技术指标、警示性说明、操作标志等内容。下面举例解释(见表1)。燃气灶技术参数标识包括了灶具的品牌：旺气牌；安装方式：嵌入式；燃烧器类别：旋火型；灶具能源：燃气；型号：JZ20Y2-2(其中J2是家用燃气灶的汉语拼音缩写，20Y指当地液化气的气源成分，后面2是指燃烧器的数目两个，杠后2是指灶具的改型序号)；燃气压力：2800Pa(指使用气源的额定压力值)；气源：液化石油气(指灶具适用气源种类)；执行标准：GB16410-1996(家用燃气灶的国家标准代号)；热流量(指单个燃烧器额定每小时燃烧消耗的燃气热量)；左：3．5kW(指左燃烧器的热流量值)；还标出了出厂日期、编号、厂名。在灶具的明显位置印制警示性说明，在操作旋钮上方印制调整操作方向的标志。这些是国家标准对产品铭牌的要求。

二、家用燃气灶的结构分析
家用燃气灶是通过燃气的化学能向热能的转化来烹调菜肴、加工食品，以满足家庭需要的燃气用具。燃气灶由供气部分、燃烧部分和辅助部分组成。

图1 台式燃气灶结构图 1．供气部分
供气部分包括燃气管路(含燃气主管及支管)，阀门等。这部分的作用是根据燃烧器的设计流量，供应足够的燃气量；阀门是控制燃气灶的开关，要求阀门开关灵活，管路及阀门应保证严密不漏气。
阀门是灶具中的主要部件，以台式灶为例，阀门由旋塞和阀体两部分组成，旋塞的锥体上设有2组通气孔，第1组气孔是供给点火装置的气源，第2组气孔是供给燃烧器的气源。两组气孔分别对应阀体通向点火装置和燃烧器的供气管路。当旋钮按下到底后，旋塞向左旋转90度，此时第1组气孔与阀体通向点火装置的气孔连通，给点火装置供气，第2组气孔中主气孔与阀体通向燃烧器的气孔连通供气，点火装置动作点火，点燃燃烧器，此时处于最大供气量状态，火焰散发的热量最大。旋钮松开后，在弹簧作用下旋塞与阀体接通的点火气孔断开，点火结束。当旋钮继续向左旋转旋塞主气孔逐渐关小，火焰也逐渐减小，至90度时主气孔与阀体通向燃烧器的气孔断开，第二组气孔中火孔与阀体通向燃烧器的气孔连通，因火孔供气量小，火焰减小，处于保火状态。具备双环火的双通道燃烧器，配备的双气路阀门可使灶具在保火状态时，阀体通向外环火的气孔关闭，只有内环火通气，节约了燃气，方便了使用。台式灶的供气部分应设计直管和万向节两种进气管口结构，以满足不同位置安装胶管需要；设计万向节进气管口时，要考虑拆装胶管时受力较大和碰撞后易漏气的情况；T型管内径、阀体内管路内径及旋塞气孔直径按不同气源设计，防止因燃气量供应不足或供应燃气量过大影响燃烧性能。
2．辅助部分
辅助部分包括点火装置、自动控制装置和其它部件(外壳、支角、汤盘和锅架等)。下面介绍主要装置的功能。
2．1点火装置。燃气灶的点火普遍采用电火花点火方法，其点火装置主要有压电陶瓷点火器、脉冲点火器。2．1．1压电陶瓷点火器的结构紧凑，点火率高，工艺简单，成本较低。经实验一只压电陶瓷元件可连续打火50，000次左右。若每天打火7次，点火率80％，则一只压电陶瓷元件可用15年。压电陶瓷点火器由压电陶瓷元件、点火锤、簧、点火针、高压线、拨插片、点火喷嘴；接地放电端子及旋转开关组成。其工作过程是：用力按下旋钮，使与旋钮连在一起的拨插片凸出端与点火锤凸端顶住，随着旋转轴逆时针转动，拨插片带动点火锤后移和弹簧收缩。当旋转轴转动时，点火燃气通道被打开，燃气流向点火喷嘴，与此同时拨插片将点火锤移至极限位置，拨插片与点火锤凸端分开，弹簧复位，点火锤撞击压电陶瓷产生高压电，可达5，000伏至10，000伏。在电极处产生电火花点火，点燃点火器喷出燃气，点火器射出火焰再点燃主火燃烧器火孑L流出燃气。2．1．2脉冲点火器用干电池作电源，其高压元件采用晶体管作振荡元件或采用集成块作振荡元件；还包括脉冲开关、燃烧器火孔、点火针、高压线、接地放电端子。其工作过程是：按下旋钮，使与旋钮连动的脉冲开关连通，高压元件通电后，产生高压放电，由高压线传给点火针，产生连续放电点火，随着旋钮转动，主燃烧器喷嘴打开，燃气从火孔流出被点燃。压电陶瓷点火器优点是寿命长，无须其它电源，在潮湿高热场合能正常工作。缺点是一次点火只能出一个火花。脉冲点火器优点是点火时连续出现火花，点火率高，安全可靠。缺点是受潮后容易损坏；须保持清洁、干燥；点火火花变小，须更换电池；长期停用灶具须将电池取出。
2．2．自动控制装置。包括意外熄火时能自动关闭气源的熄火保护装置和过热状态时能自动关闭气源的过热保护装置、回火保护装置等安全装置。熄火保护装置的工作原理(见图2)。使用时，首先按下旋钮5(这一按钮与旋塞阀杆和点火器开关连在一起)，此时随旋塞阀1的阀杆下移，推动阀芯针在机械装置的作用下打开电磁阀2，在逆时针旋转90度时，旋塞的主气孔与阀体的进气管路接通，通气气路通过电磁阀2和旋塞阀1向燃烧器4供气的同时，点火器6电路被接通，产生高压放电，点燃燃烧器4，热电偶3被火焰加热，产生的热电势使电磁阀保持开启，点火结束。燃气灶进人工作状态后，手离开旋钮，使阀杆在弹簧的作用下复位，点火器电路断开，高压放电停止。当发生意外熄火时，热电偶逐渐冷却，热电势消失后，电磁阀自动关闭。还有一种光电熄火保护装置是利用集成控制电路和光电探测装置来完成熄火保护工作，即操作旋钮在机械装置作用下打开电磁阀和旋塞阀点燃火焰后，利用光电探测装置收集到的光信号，传递给集成控制电路，转变为通电信号，给电磁阀一个工作电流，使其保持开启状态；，当发生意外熄火后，光电信号消失，集成控制电路收不到信号，就会切断电源，自动关闭电磁阀。回火保护装置、过热保护装置也是利用热敏元件、集成电路组成控制电路。出现故障自动关闭电磁阀。安全保护装置保证燃气灶在使用中出现意外熄火等情况下，能够自动关闭燃气阀门，切断燃气气源，防止发生事故。

图2 熄火保护装置工作原理方框图 3．燃烧部分
燃烧部分指燃烧器，它是燃气灶的主要部分。家用燃气灶的燃烧器按照燃烧方式不同，可分为大气式燃烧器和预混式燃烧器两种。
3．1大气式燃烧器是根据部分预混燃烧方法设计的燃烧器，其一次空气系数0＜α′＜1。大气式燃烧器由头部及引射器两部分组成。其工作原理是：燃气在一定的压力下，以一定的流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，依靠燃气本身能量的引射作用，吸引周围空气进入引射器，这部分空气也称为一次空气。一次空气和燃气在引射器内混合，然后经头部火孔流出，进行燃烧。在燃烧中从火焰周围吸引空气助燃，这部分空气称为二次空气。
3．1．1 喷嘴是燃烧器的重要组成部分。喷嘴应具备两个性能：a．为燃烧器火焰提供数量准确的燃气；b．为引射规定使用燃气气源所需的一次空气量，应使燃气产生喷射作用，并在燃气周围形成负压。

图3 无侧孔喷嘴

图4 侧孔喷嘴

图5 花盆喷嘴

图6 小喷嘴 要按燃烧器对喷嘴性能的要求，根据气源、火孔形状、大小、面积、喉部直径、吸气口的形状、大小、综合分析确定喷嘴形状、有无侧孔及侧孔孔径。根据燃气的燃烧特性曲线可知，使用液化石油气容易出现黄焰现象，天然气容易出现脱火现象，人工煤气容易出现回火现象。下面针对燃气不同特点进行喷嘴设计分析。①侧孔喷嘴(见图4)。此喷嘴的特点是喷嘴出口孔径大于喷孔孔径，降低了扩散段流速，由于喷孔的出口侧壁开圆侧孔六个作为一次空气吸人口，随着侧孔增大，引射的一次空气量增加。侧孔孔径易小于3．2mm，保证喷嘴强度，防止扭距过大或震动引起断裂。在燃气喷射时从侧孔吸人部分一次空气与燃气混合，混合气经喷嘴顶端出口孔喷出，出口孔再次吸入部分一次空气，并在引射器内得到充分混合。侧孔喷嘴适于一次空气量需求较大的液化气、天然气下进风燃气灶。改变侧孔大小和调节喉部截面至喷嘴距离可消除脱火、黄焰等非正常燃烧状况。②无侧孔喷嘴(见图3)。此喷嘴的特点是喷孔设计在喷嘴顶端，燃气直接从顶端喷孔喷射，吸入一次空气，并在引射器内进行充分混合，调节喉部截面至喷嘴距离可消除回火等非正常燃烧状况。无侧孔喷嘴适于一次空气量需求较小的人工煤气燃烧器及其它小热流量的燃烧器。③花盆喷嘴(见图5)。此喷嘴形似花盆，称为花盆喷嘴。这种喷嘴特点是出口直径大于喷孔直径，侧面均匀设计条形侧孔数个，降低了扩散段的气体流速，使一次空气从喷嘴侧孔和喷嘴出口孔吸入，适于需求一次空气量较小的人工煤气上进风燃气灶，减小喷嘴高度和深入引射器的深度，可增加吸入一次空气量，将喷嘴用在天然气上进风燃气灶。此喷嘴通过调整与引射器喉部距离可消除回火、脱火等非正常燃烧工况。④小喷嘴(见图6)。这种喷嘴顶端设喷孔，喷射燃气，可引射较大量的一次空气，适于天然气、液化气上进风燃气灶。此喷嘴通过调整与引射器距离可消除脱火、黄焰等非正常燃烧工况。
新产品在设计定型试验中，当燃烧工况出现问题时，通过以下步骤依次试验解决：调整喷孔截面与引射器喉部距离→改变喷嘴设计→改进燃烧器火孔、火盖→更改引射器喉部设计。
使用时通过风量调节器(风门)控制引风量大小。当火焰出现脱火、回火时将风门开度减小，使一次空气量减小；当燃烧器出现黄焰，火焰发红，且产生软弱无力的长火焰时将风门的开度增大。火焰呈较短而有力的兰色火焰时燃烧效果最好。一次空气吸人口设在吸气收缩管上，其开口面积的大小按照设计热流量、气源参数计算。吸人口处风速不超过1．5m／s。
3．1．2引射器喉部截面到喷嘴喷孔截面应有一定距离L，位置不正确，将影响一次空气吸入量。当喉部直径大于喷嘴外径时，一般取L=(1．0～1．5)倍的喉部直径。安装喷嘴时，喷嘴中心线与混合管中心线应一致，偏移或有交角会影响一次空气量和二种气体的混合效果。
3．1．3火孔也称为燃烧孔，其形状或大小变化对燃烧效果影响很大。常用的有(1)圆火孔，常用钻头直接钻出，加工方便。为防止赃物堵塞，一般火孔应大于直径2mm。(2)方火孔(矩形或梯形孔)加工有铸造或机械两种方法，要求制造工艺高，适于可拆卸(火盖)燃烧器头部，且与二次空气火孔接触面较圆火孔大，适于二次空气量需要较多的场合。(3)条形火孔即缝隙火孔，一般宽度小于2mm，长度在(6～30)mm之间，在火盖上排列1～3排，火孔交叉布置，且沿水平方向呈一夹角。适于热流量大，加热面小的场合。条形火孔相当于多个方火孔相连，二次空气的接触较差，容易造成不完全燃烧，出现黄焰和CO过高等情况。如果设计合理，加工组装达到技术要求，这种条形火孔可以提高火孔热强度和热效率。
3．2完全预混式燃烧器燃气燃烧所需要的空气全部依靠燃气的能量从一次空气吸气口吸入，并进行预混，过剩空气系数α=1．03～1．06。常见的是红外线辐射燃烧器(以下简称红外燃烧器)，是一种低压引射式完全预混式燃烧器。当从引射器吸气口吸人足够量空气，且与燃气进行充分混合后，在燃烧时不需要二次空气，燃烧充分迅速，火孔外表面基本无火焰或火焰很短，所以又称红外辐射燃烧器为无焰燃烧器。
燃烧器分为引射器和头部两部分。引射器基本与大气式相同。头部火盖有多种形式，家用灶常用的是金属网或多孔陶瓷板。喷嘴喷出燃气的同时，在吸气收缩管周围形成负压，引射空气，经引射器混合后，混合气从头部金属网或陶瓷板逸出火孔。喉部截面积要根据预混式燃烧对空气量的需求设计，靠风门调节空气量，当火孔无明显火焰，且火盖外表面燃烧状态呈橘红色时最佳，此时形成红外线辐射体，不同火孔直径数据见表2。
表2 红外燃烧器不同气源火孔直径数据
气源 人工煤气 天然气 液化气
火孔(mm) 0.85～0.90 1.2～1.5 1.1～1.2

由于火孔总面积大，燃烧器内压降低，引射了大量的一次空气，点火初期，火焰在陶瓷板火盖的表面燃烧，随着陶瓷板表面温度的不断上升，火焰逐渐稳定，燃烧反应达火孔内数毫米处。这个反应层受到表面加热和燃气空气混合气的冷却相平衡后，即保持一定的温度。热流量过大，表面温度过高，易出现明显火焰，严重时有黄焰；热流量过低，易产生回火。热流量正常，设计合理的引射器结构，使燃气和空气比例合适，混合均匀，才能有较佳的燃烧效果，火盖表面呈橘红色，没有明显火焰，或有极短的火焰。优点是热辐射体产生热效率可达60％以上，燃烧完全，烟气中有害气体很少，加热均匀、受热面积大。缺点是热流量比大气式燃烧器低，体积较大。
红外辐射燃烧器喷嘴和风量调节器(风门)的结构及功能与大气式燃烧器中介绍相同，请参照大气式燃烧器有关内容。红外辐射燃烧器适合安装在台式燃气灶、嵌入式燃气灶使用。