1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1、背景

当前我国的经济发展速度迅猛，人们的生活质量越来越高，但是经济对化石燃料的依赖问题变得也愈加突出。正是由于大量消耗化石燃料，我国的环境始终遭受着严重的破坏。据统计，我国的一次能源消费量持续上升。2015年我国的能源消耗量占世界消耗总量的近四分之一，位居世界第一^[1]。具体的能源结构如下图所示。

图1 中国一次能源消费量变化及2015年能源消费结构

不难发现，我国能源结构过于单一，在过去的半个世纪里，始终是以煤炭、石油为主要燃料。而大量消耗煤炭，使得CO₂的排放严重剧增，温室效应加剧。随之带来的一系列的问题便是全球气候变暖，南、北两极的冰川融化，海平面上升，厄尔尼诺现象频频发生，生态系统的平衡被打破。除了CO₂外，煤炭中还含有硫分与氮分，加之不合理的燃烧方式与技术，使得SO₂和NO_x的排放严重超标。SO₂和NO_x的排放会引发酸雨问题，造成雨水的PH值下降，腐蚀建筑物以及污染河流等等。

为了解决经济发展与环境污染不平衡的问题与实现可持续发展的战略，一方面需要我们去挖掘新能源，推动可再生能源的发展应用，另外一方面，我们也需要改进现有的燃料燃烧技术。燃气灶是我们日常生活中常见的烹饪器具。这里研究的是家用燃气灶具，故只介绍此类。家用燃气灶使用燃气有液化石油气、天然气、人工燃气和沼气。使用液化石油气、天然气和人工燃气的家用灶具单个燃烧器额定热负荷不大于5.23kW^[2]。使用燃气为沼气，则单个燃烧器额定热负荷不小于2.33kW^[2]。家用燃气灶主要由供气管路、燃烧装置以及辅助设备组成。燃烧装置是指燃烧器。辅助设备有点火、熄火以及其他部件。其他部件如外壳、支架、炉头和火盖等。

燃气灶具按照燃烧方式主要分为扩散式、大气式以及完全预混式。扩散式燃烧是指气体分子不断地扩散使得燃气与空气实现混合。优点是无回火、调节范围大。但是火焰很长,且不稳定，效率低下。大气式燃烧是指燃气与一部分空气先进行预混并燃烧。燃烧所需的剩余空气仍然通过气体分子扩散作用进行补充。只要前期的预混空气量恰当，就能产生不脱火不回火的稳定火焰区。但是这种燃烧方式会产生较多的CO与NO_X，因此有必要进一步改进燃烧方法。目前家用燃气灶具主要采用的是大气式燃烧方式，热效率较低，在50%#8211;60%之间，因而我们必须对此作出改进的措施^[2]。

人们由此提出了一种新的燃烧方式，即全预混燃烧。全预混燃烧需要将气体燃料与大于其完全燃烧所需要的空气量分别通过不同的管路引入混合室进行充分地混合，然后再对预混气体进行燃烧，主要的影响因素便是燃气自身的特性以及过量空气系数α。全预混的过量空气系数α大于1，空气量往往处于过剩的状态，使得燃气与空气的混合显得比较均匀，从而烟气中的NO_X含量低，为降低大气污染提供有利条件，而且热效率较高。但是这种燃烧技术也存在缺点：火焰不容易稳定，会发生脱火与回火。

多孔材料作为一种新型材料，在洁净煤技术、新能源技术、表面燃烧技术、高温气体净化技术与汽车尾气净化中的应用越来越多^[3]。近年来的研究表明，采用多孔介质材料作为燃气灶具的灶头，加之以全预混的燃烧方式，可以显著地改进传统的全预混式家用燃气灶具的不足，为我们提供了一种新型的燃烧方式。

2、多孔介质材料与多孔介质灶头全预混燃烧技术概况

多孔介质材料，顾名思义，其具有大量的孔隙。这些孔隙的存在不但没有削弱材料基体的各项性能，反而克服了传统致密材料的天然缺陷。反映多孔介质材料结构特征的参数有以下几点：孔隙率、孔密度、孔隙直径、颗粒直径、比表面积。孔隙直径是一个重要的特性因素。董领峰指出利用气泡法可以提高孔径测量的准确性，并且还可以用来确定材料裂纹的位置^[4]。

当前多孔介质材料主要分为多孔金属、多孔陶瓷、泡沫材料三个类别。金属材料的多孔介质一般是由铁、铬、铝等金属或其合金组成，具有可焊性、导电性以及延展性，耐热脆性能好，热导率高，而且自身具有众多的孔隙，比表面积大，当流体在其中流动时，极易形成涡流扰动，使得对流换热与辐射换热效果增强，因而换热性能及其优越，已成为换热部件的不二材料，但其高温抗氧化能力较差。多孔陶瓷材料的抗化学腐蚀能力强、耐高温性能好，因此其化学稳定性能优异，耐酸耐碱，但是热导率低，往往是作为隔热材料使用。而且多孔陶瓷材料很脆，使其使用受到了一定的限制。泡沫塑料的热导率一般也较低，因而往往作为隔热材料使用，其密度低，可以吸收冲击载荷，使其具有一定的缓冲能力。

多孔介质灶头全预混燃烧灶具主要由引射器、全预混燃烧装置、多孔金属火盖、支架（炉膛壁面采用隔热材料）、烟气排放管道和调节装置等部件组成。

这种燃气灶具可以充分地利用多孔介质的孔隙结构，将燃气燃烧释放的部分热量通过热传导、热对流以及热辐射送到上游区域对新鲜的预混气体实现预热。使得燃烧器中最高火焰温度将会超过传统燃烧器的绝热燃烧温度，故名为”超焓”燃烧^[5]。预混气体获得预热热，提高了初始温度，减少了着火热，故可以稳定火焰，同时防止回火与脱火。但是它自身也存在着一些问题需要解决。在高温条件下多孔金属材料很容易受到腐蚀。火焰温度选择不当，反而使整体温度水平过高，使得氮氧化物含量又将呈上升趋势。影响其传热性能的主要因素有当量比、孔隙率、孔密度、多孔材料厚度以及锅底距燃烧表面高度等。

图2 ”超焓”燃烧

图3 灶头多孔介质结构

3、多孔介质燃烧器国内外的研究现状

与传统的燃烧器相比，多孔介质燃烧器结构紧凑、效率高，并且污染物排放少^[6]。

李广鹏、李彬研究的是采用全预混多孔辐射燃烧器的燃烧灶具。研究发现过剩空气系数增大，灶内温度水平降低，辐射热减少，同时排烟量增大，使热效率降低，而CO排放量先减小后增大。当过剩空气系数为1.05时，污染物排放量最低^[7]。

李勇铜、巩亮、张克舫、徐会金分析不同形态多孔介质在微通道中对强化传热的影响，并与传统的微通道进行比较。他们介绍了完全填充、三角形填充、梯形填充、渐扩梯形填充与底层填充，并分析了提高传热性能的原因。结果表明在大雷诺数下微通道热沉中填充多孔金属可以显著强化换热^[8]。

文习之研究采用具有金属毡的燃烧器，分析其性能，发现其与传统燃烧器相比，具有诸多优势，并且得出了燃烧中污染物的排量情况以及相关的温度分布^[9]。

卢新伟从宏观与孔尺度两个方面下去寻找提高多孔泡沫金属强化换热的途径，并且得出了孔隙、孔密度与流动阻力以及对流换热系数之间的关系:他们发现孔密度增大会使流动阻力增大，但是孔隙率的上升反而会使压降减小^[10]。王济平分析了多孔材料孔隙的均匀性对于材料性能的影响，发现均匀性较差的结构会使扰动增强，但同时也会使流阻增大^[11]。王静、杨军、张建则介绍了当前多孔金属材料的主要几种制备方式，将其性能与传统的致密材料进行比较^[12]。王新震研究了ZnO材料的制备方式与各方面的性能^[13]。S. A. Hashemi 等人研究了金属多孔介质燃烧器运行范围与辐射热效率，特别是指出了多孔介质层数对燃烧器各项性能的影响^[14]。盛强、邢玉明、王泽研究泡沫金属对相变材料在储热方面的影响，发现添加多孔介质可以提高了相变储能装置温度的均匀性，同时还可以降低结晶水合盐的过冷度^[15]。杨阳研究了燃气中甲烷质量分数对火焰形态的影响^[16]。汪利先、明廷臻、刘超、章世斌发现管内布置多孔介质的面积与位置的不同，会使气体流动的雷诺数发生改变，产生不同的区域^[17]。因而存在一个最佳的区域，使得换热效果提高且阻力下降。裴如男、邓子辰、周加喜在圆柱壳内填充多孔金属夹层，发现可以强化换热，但是多孔金属夹层的数目并不是越多越好^[18]。明廷臻、周程、刘伟同样研究了在管内填充多孔金属材料如何影响强化换热的问题，但侧重于研究多孔金属材料填充位置产生的影响^[19]。张文杰指出当多孔金属材料的使用温度很高时，不能忽视其热辐射效应^[20]。传统的燃烧器在应对低热值气体往往会显得无能为力，但是多孔介质燃烧器却可以对这类燃气实现有效的使用，不仅可以节约能源，还减轻了环境污染。方元与张俊春分别进行了多孔介质燃烧器对低热值气体燃烧的研究，发现了这种新型的燃烧方式可以拓展贫燃极限，使燃烧火焰得到稳定^[4,21]。S. Panigrahy等人研究了液化石油气在家用多孔辐射燃烧器灶具中的燃烧，表明了多孔辐射燃烧器灶具具有降低CO与提高热效率的显著作用^[22]。K. Kwok等人借助数值均化与分析模型研究了多孔金属的蠕变反应^[23]。W. Depczynski等人研究了烧结多孔金属材料的微尺寸特性^[24]。D. Lee等人主要从事多孔辐射燃烧器的研究，发现该种燃烧器由于部分热量借助微通道回流的预热作用，使得其具有更快的燃烧速率^[25]。易加国对现有的全预混灶具结构提出了改进的方法^[26]。徐治国、赵长颖针对现有的预混式多孔陶瓷燃烧器的缺陷，提出添加多孔金属泡沫材料来改进其性能^[27]。当然多孔材料的截面形状也会使其各项性能发生一定的变化，从而就存在优化形状的问题^[28]。董帅发现在泡沫陶瓷内实现低热值气体的燃烧时，合适的当量比在0.32#8211;0.53之间^[29]。如今越来越多的研究者也在从事着多孔金属化合物的研究^[30]。

4、多孔金属灶头全预混燃烧灶具研究内容及其意义

鉴于多孔材料的诸多优势，特别是多孔金属材料的优良的导热性能。鉴于其高热导率，研究将多孔金属材料作为家用燃气灶具的灶头，使燃料实现充分燃烧，改善火焰稳定性，并实现对预混区域新鲜预混气体的预热，达到”超焓”燃烧，提升火焰燃烧温度、热效率与降低一氧化碳与氮氧化物的排放的目的。主要研究多孔金属几何参数、物理参数对燃气预热性能的影响以及研究对火焰燃烧特性的影响。

多孔金属的几何参数包括孔隙率、孔密度、孔隙直径、比表面积等。其物理参数有热导率、密度、比热容等。

最后，通过污染物排放量、热效率、燃烧稳定性等各项指标，将多孔金属灶头全预混燃烧灶具与传统的大气式灶具进行比较，进而对现有的家用灶具提出改进的方法，达到节约能源与改善室内空气质量的目的。

参考文献

[2] 国家质量监督检验检疫总局. 燃气灶具生产许可证实施细则[Z]. 2011#8211;03#8211;11.

[3] 赵延阳. 金属多孔材料在能源与环保中的应用[J]. 工程与材料科学，2014，13（7）：65 #8211; 66.

[4] 董领峰. 金属多孔材料的气泡孔径[J]. 过滤与分离，2015，25（4）：29#8211;31.

[5] 程乐鸣，岑可法，周昊，骆仲泱. 多孔介质燃烧理论与技术[M]. 北京：化工工业出版社，2013：

[6] 方元. 超低热值燃气多孔介质燃烧器的开发研究[D]. 天津：河北工业大学, 2013：6 #8211;11.

[7] 李广鹏，李彬. 环形金属纤维中餐灶燃烧器的实验研究[J]. 节能，2016，19（3）：77#8211; 80.

[8] 李勇铜，巩亮，张克舫徐会金. 多孔金属布置对热沉传热特性影响的数值研究[J]. 工程热物

[9] 文习之. 金属纤维燃烧器的数值模拟研究[D]. 武汉：华中科技大学，2014：1#8211;6，54.

[10] 卢新伟. 基于宏观和孔尺度模型的多孔泡沫金属强化换热数值模拟[D]. 广州：华南理工大学，

[11] 王济平. 多孔泡沫材料强化传热与流阻特性研究[D]. 重庆：重庆大学，2014：17.

[12] 王静，杨军，张建. 多孔金属材料制备技术研究进展[J]. 兵器材料科学与工程，2013，36（6）：

[13] 王新震. 多孔金属氧化物半导体材料的合成及其性能研究[D]. 济南：山东大学，2014：1， 18，

[14] S. A. Hashemi.，Experimental study of operating range and radiation efficiency of a metal porous b-

[15] 盛强，邢玉明，王泽. 泡沫金属复合相变材料的制备与性能分析[J]. 化工学报，2013，64（10）：

[16] 杨阳. 多孔介质中气体扩散燃烧的火焰特性研究[D]. 沈阳：东北大学，2014：16.

[17] 汪利先，明廷臻，刘超，章世斌. 管中心填充两层多孔介质强化传热研究[J]. 水力能源科学，

[18] 裴如男，邓子辰，周加喜. 二维蜂窝多孔金属夹层圆柱壳的传热性能数值模拟研究[J]. 西北

[19] 明廷臻，周程，刘伟. 管内填充环状金属多孔介质强化传热优化分析[J]. 武汉理工大学学报，

[20] 张文杰. 热辐射效应对泡沫金属有效导热系数的影响[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011：1

[21] 张俊春. 多孔介质燃烧处理低热值气体及燃烧不稳定性研究[D]. 杭州：浙江大学，2014：1#8211;

[22] S. Panigrahy.，Numerical and experimental analyses of LPG (liquefied petroleum gas) combustion i-

[23] K. Kwok.，Homogenization of steady-state creep of porous metals using three dimensional microstr-

[24] W. Depczynski.，Modelling and microstructural characterization of sintered metallic porous materia-

[25] D. K. Lee.，Experimental and theoretical study of excess enthalpy flames stabilized in a radial multi-

[26] 易加国. 一种全预混燃气灶具的燃烧器：中国，201420407139. 3[P]. 2014.07.22.

[27] 徐治国，赵长颖.预混预热式梯密度通孔金属泡沫燃烧器：中国，201310496700. X[P]. 2013.10.

[28] 刘慧. 多孔介质内预混气体燃烧的实验与数值模拟研究[D]. 沈阳：东北大学，2009：5，14#8211;19，

[29] 董帅. 预混气体在惰性多孔介质内燃烧的实验和数值模拟初步研究[D]. 沈阳：东北大学，2008

[30] 张华，冯培忠，王建忠，葛渊，吴光志，王晓虹. Ti-Si多孔材料的燃烧合成与孔隙结构特征[J].

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

2.1、本次课题拟采用理论分析的方法进行相关的研究，着重分析多孔金属的传热特性。利用其高热导率的优异特点，使预混气体能够充分、稳定地燃烧，提高热效率，同时避免各区域温度梯度过大。研究的主要内容有三点：

（1）提出灶具的基本结构，包含全预混引射器、灶膛以及多孔介质灶头，通过本次课题研究最终确定各主要部件的几何参数。几何参数具体包括孔密度、孔隙率、孔径、多孔介质的厚度、火焰表面至锅底的距离等几项。

（2）建立理论模型，借助热力学第一定律分析灶具中能量守恒与转换的具体关系。主要包括两个方面，一是整个燃烧灶具的能量方程式，二是多孔金属灶头的能量方程式。研究将多孔金属灶头全预混燃气灶具内的能量转化关系与未添加多孔介质时的全预混燃气灶具的能量方程式进行比较，从而发现多孔金属灶头的独特作用。

（3）为了研究这种新型的燃烧器，主要分析几何参数与物性参数对热效率所产生的影响，从而确定最佳的几何与物性参数。同时，将研究所得的结果与传统的全预混燃气灶具的换热性能进行比较，综合考虑提高的热效率以及额外增加的成本，最终去确定多孔金属灶头全预混燃气灶具的可行性。

2.2、研究手段如下：

查阅国家相关标准，先确定多孔金属基本参数与灶具结构参数：

表1 多孔金属几何参数

名称	单位	数值
孔密度	PPI	35
孔隙率	%	90
多孔材料厚度	m	0.005
孔径	m	7.23#215;10-4

表2 灶具基本参数

名称	单位	数值
灶头直径	m	0.2
炉膛高度	m	0.03
炉膛壁厚	m	0.02
灶口直径	m	0.3

再根据灶头热平衡与炉膛热平衡方程，先假设火焰温度与锅底温度，迭代计算确定火焰温度、锅底温度与火焰辐射热，之后假设预混气体预热后的温度，迭代计算确定预热热与预热温度，最后假设排烟温度，迭代计算确定对流换热、炉膛散热、排烟温度与热效率。

最后进行灶具性能分析。对灶具性能产生影响的主要因素有孔密度、孔径、多孔金属材料厚度及火焰至锅底的距离。通过控制变量的方法研究这几个参数的影响，画出效率变化的折线图并分析原因。

多孔材料是一种新型的优质材料。虽然近年来相关的研究越来越多，但是总体而言，有关多孔介质全预混燃烧灶具的研究还是显得不足。而且在全预混燃烧技术中引入多孔材料，在克服传统不足的同时，也会产生新的问题。因此希望通过本次课题的研究，对多孔介质全预混燃烧灶具的设计提出改进，实现结构与性能的最大合理优化，推动实际的生产运用。

图1 灶膛热平衡示意图