1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、研究背景

近几年来，就我国而言，尽管能源种类与能源总量占世界前列，但由于人口众多，人均可用能源量却比世界上大多数国家都少。同时，我国的能源消费也在逐年增长。到2040年,我国一次能源人均消费量约将达到2171t标准煤^[1],并且人均能源消费量刚达到目前世界人均能源消费量的平均水平。我国的天然气分布地区主要为：鄂尔多斯盆地、四川盆地、南部莺琼盆地以及具有”8-8” （新疆地区的塔里木、准格尔、吐哈三大盆地共发现8个气田，8个煤层气田）之称的西北新疆含气盆地。据我国最新的资源评价成果，我国的天然气总资源为47.00,其中路上天然气资源占82.1％，海上资源占17.9％^[2]。

工业生产开始以来，煤在能源结构中占有了主导地位，有专家预测，2020年我国一次能源需求量将会达到54亿吨标准煤^[3]。图1为我国能源消费格局，从图中可以看出：虽然各新型能源消费逐年增加，但煤炭仍然是我国能源消费的主体。

图1 我国能源消费格局（能源消费总量：百万吨油当量/Mtoe）

这种能源结构会导致：过度依赖煤能源加速了煤炭资源的枯竭，致使影响能源安全；煤炭的大量消耗和开采是环境问题凸显；而我国单位GDP能耗高，2010年我国消耗了19.5%的世界能源创造了 9.5%的世界GDP，就GDP能而言耗比世界平均值高出一倍，更是比发达国家高出好几倍^[4]。环境问题的突出，给我国经济发展和社会进步带来了许多不良的影响。因此，当下紧急需要转变对煤炭过度依赖的现状，加大开发和利用新能源力度，提高其他能源在能源消耗中的占比。

燃气灶是天然气能源利用的方式之一，燃气灶是指以液化石油气（液态）、人工煤气、天然气等气体燃料进行直火加热的厨房用具。燃气灶分家用燃气灶、商用燃气灶。按气源讲，其主要分为液化气灶、煤气灶、天然气灶。按灶眼讲，分为单灶、双灶和多眼灶。其主要特点为：外形美观大方，火力较猛，整体使用方便，维修率低，价格比较合理。按照最新国家标准对于三级能效的规定，要达到三级、二级和一级能效，台式燃气灶的热效率要分别达到58%、62%和66%，嵌入式燃气灶则要分别达到55%、59%和63%^[5]。

二、引射器状况

1、引射器的结构及工作原理

引射器全称燃气灶具引射器，在燃气灶具中的引射器是燃烧器的重要组成部件，如图1引射器由喷嘴、一次空气进风口、调风板、收缩管、喉管（混合管）、扩散管组成。引射器的有三大作用：（1）混合气体形成一定的压力，克服通道的阻力损失，火孔出口处获得一定的速度，保证燃烧火焰的稳定性。（2）把高能量的燃气引射低能量的空气，并使两者在引射器内均匀混合。（3）输送一定量的燃气，保证燃烧器所需的热流量。

图2 引射器结构图

引射器的主要工作机理是，由于射流具有紊动扩散作用，因此可以使压力不同的两股流体进行相互掺混，由此发生能量交换，在此工作过程中不需要外在直接施加机械能 ^[6]。工作流体在通过减缩喷嘴（工作喷嘴）时，由质量守恒方程可知，截面积减小，流体的速度增大，压力降低^[7]，工作流体将势能或者热能转换为动能。由于压力差和流体的黏性作用，工作流体在喷嘴出口即接受室吸引压力较低的被引射流体，在此过程中工作流体的一部分动能传递给引射流体，两种流体进行混合和能量交换；混合流体沿着混合管流动，速度逐渐趋于均匀直至两种流体混合均匀；再进入扩压段（扩散器），扩压段为渐扩管，截面积逐渐增大，流体的流速减小而压力升高，使其达到引射器出口所需的压力与流速。

2、引射器的分类

在引射器的使用过程中也存在着一系列的问题，如：热效率低；不完全燃烧时会排放有毒的CO及氮氧化物的问题。

三、国内外研究现状

1、国内研究状况

在国内，由于供气格局的变化，城镇居民使用的燃气组分会发生改变，这就涉及到大气式燃烧器适应性问题。

广州中国科学院工业技术研究院的郑瑞芸和岳昊^[9]进行了壁挂式家用燃气灶L型引射器性能研究，得到了L型引射器引射的空气量小于常规的文丘里管引射器。同济大学热能与环境工程研究所的钟芬、高乃平、魏敦崧^[10]等人通过数值模拟方法对一款家用浓淡燃烧器灶具 4 组不同的 2 型低压引射器进行了设计与分析，对比了不同工况下引射器的引射系数。研究结果显示引射器引射性能的主要影响因素包括引射器喉部直径、引射器出口压力及喷嘴距离等，其引射系数随着引射器出口压力的减小而增大，且受引射器喉部直径和喷嘴直径的相对大小影响。

广东万和新电气股份有限公司张的煜圣、周亮、钟家淞从减少燃气灶烟气热损失方面，研究提高家用大气式燃气灶热效率的方法。通过采用火孔向内聚中分气盘和喇叭孔旋火火孔、加装半封闭燃烧室和减小排烟间隙等方法，可显著提高热效率，达70%以上，烟气中 CO 排放量均远低于国家标准的限值^[11]。陈传宝、章萍、应林^[12]进行了气-液引射器性能模拟研究，以满液式冷水机组中压缩机回油环路的引射器为研究对象，建立气－液引射器的三维数学模型，模拟引射器出口压力、喷嘴出口直径和流体动力黏度等因素对引射器性能的影响。模拟结果表明，随着引射器出口压力的升高，引射系数略有下降，工作流体的压差快速下降，但引射流体的压差基本不变；喷嘴出口直径增大时，引射系数急剧下降，工作流体的压差快速下降，而引射流体的压差快速增大；随着流体动力黏度的增加，引射系数急剧下降，工作流体的压差快速上升，而引射流体压差快速下降。

钱申贤^[13]进行了气体引射器流体动力特性实验研究，通过实验装置上对气体引射器计算基本公式的计算得出：从动量方程和质量守恒方程导出的引射器基本特性方程能与实际测定结果良好地吻合，喷嘴前气体压力超过5kpa时，应当考虑气体喷出时的降压膨胀，否则会引起引射器末端压力不足或引射器系数过高的结论。同样的李成明、徐江荣^[14]进行了燃气文丘力空气引射器的数值模拟研究，得出了燃烧器的引射器喷嘴入口长度的最佳参数为５ｍｍ，提高了引射器的工作性能的结论。

何芳兵、吴俐等人针对现有上进风燃气灶存在一次空气量不足、燃烧不够充分和热功率难以提高的问题，运用空气动力学附壁原理等相关理论，设计出一种新型环缝型引射器，能提高引射的空气量。通过利用 CFD 软件对其进行数值模拟，计算结果表明，新型引射器的结构是合理的，有利于燃气充分燃烧,与通用上进风引射器相比，燃气质量流量提高了22%，提高了上进风燃气灶的热功率。

宓亢琪^[16]提出天然气引射器的特性方程式和最佳结构参数计算式,应用计算机计算分析运行工况,获得可用于设计与应用的数据，得出引射器出口压力受被引射天然气压力的制约的结论。段常贵、衰惠英、严铭卿^[17]对中压引射容实脸研究的基础上论述了引射琴结构尺寸的确定问题，对实脸结果进行分析,指出喻嘴轴向位工,混合管长度对引射器特性的影响。

为缩短燃气灶的研发周期、降低研发成本、进一步提高燃气灶热效率, 蒋绍坚,刘震杰^[18]等人以旋流燃气灶为对象,以甲烷为燃料,利用Fluent模拟软件,研究了锥角和锅支架高度、一次空气系数因素对燃气灶热效率的影响。实验结果表明:一次空气系数为0.6、锥角为45#176;、锅支架高度为22.5 mm为最优水平组合。

赵静野,孙厚钧,高军^[19]介绍引射器的基本工作原理及其特性,归纳了人们对于引射器建立模型的分析方法,指出虽然对引射流场已有较精细的分析,但由于流动的复杂,目 前仍是以一元均匀流为主。

李雪亮,杨瑞昌^[20]在试验研究的基础上,对引射器的特性进行了分析和研究,进而提出了安装有引射器的回路系统流动特性计算方法,具有较大的应用价值。华中科技大学的谢泓^[21]通过 FLUENT模拟，建立了燃气灶冷、热态模型，通过冷态模拟确定的成型的高效灶成功达到热效率63%，烟气中CO的含量低于400ppm。

马爱纯^[22]介绍了一种新型燃烧器的结构特点，并对该燃烧器进行了实验并且研究了新型燃烧器的热工性能。实验结果表明，此燃烧器燃烧稳定，燃气燃烧充分，检测烟道中可燃性成分的含量、炉膛内温差=分布较均勾；有害气体的含量远远低于国家对于中餐灶排放标准所规定上限量。姜振侯等详细介绍了燃烧器燃烧的计算步骤，主要有火孔热强度，以及火孔面积和数目的确定，引射管、喷嘴尺寸的计算，一次空气系数的计算。彭世尼根据能量守恒原理，推导出了引射器的最佳计算公式，燃烧器的最佳面积、出口流速和火孔热强度，同时说明了这些最佳结构参数的具体计算方法^[23]。

冯良^[24]采用计算流体动力学，模拟了大气式燃气燃烧器中引射器的流场，模拟结果表明通过数值模拟不仅可以提供详细的流场信息，而且具有传统实验研究无法比拟的优点。张起祥^[25]利用 FLUENT 对不种结构燃煤器的燃烧进行了数值模拟研究，通过研究确定出较优的结构形式，将实验过程大大减少，节省了大量燃气资源。祝易松^[26]采用数值模拟的计算方法对旋流燃油燃烧器在一、二次风量配比不同的状况下进行分析，得到最佳配风比。游超林^[27]则主要对多射流引射器进行数值模拟研究和实验研究，其研究结果表明数值模拟对引射器的研究具有很大的意义，并且通过实验和模拟证明其研究的多射流引射器混合性良好。

2、国外研究状况

Randheer L. Yadav, Ashwin W. Patwardhan，研究燃烧室几何形状因素的影响，喷射环流反应器是两流体混合的吸引装置^[28]。在这种反应堆产生的高界面能让他们在传统的接触器的优点。吸入室的两个流的一次和二次流体满足是一个重要组成部分的整体喷射器的几何形状。本工作涉及使用计算流体动力学（CFD）的吸入室的几何形状的优化。的影响（1）投射比（LTN／dt），即喷嘴头和喉咙之间的距离比（LTN）的喉径（DT），（2）吸入室的直径（DS）和（3）的收敛段的角度θ二流体夹带率进行了研究。认为D_S对夹带率影响，夹带率表现出最大值时，D_S在很宽的范围内变化。结果表明，不同的观点最佳体现在5#176;#8212;15#176;。

Oumar Samak#233;, Nicolas Galanis, Mikhail Sorin^[29]用于喷射器设计的热力学模型被描述，验证和应用于具有热蒸汽压缩的多效海水淡化系统中盛行的条件。该模型计算喷射器的所有尺寸，包括几个创新。首先，它在加速和减速过程中使用多变效率解决不可逆性，因此考虑压力比对相应损失的影响。其次，在假想喉部处和在主喷嘴出口处的压力之间提出的参数关系构成了在先前研究中处理的特定几何形状和操作条件的概括。第三，其考虑在同时压力和面积变化的同时进行的混合过程。该模型最初用于确定基本情况下的喷射器尺寸和流体特性。然后进行参数研究以证明存在使主喷嘴的尺寸和恒定直径管道的长度最小化的设计选择。

Stefan Elbel, Neal Lawrence^[30]认为以前对用于膨胀工作恢复的喷射器的评论已经提供了对喷射器循环，零维喷射模塑，喷射器几何效应和替代喷射器循环的操作特性和控制的详细讨论。然而，喷射器技术领域中的重要进展发生自从先前的评论被写出。近来喷射器研究的几个焦点是多维CFD喷射器模型的发展，替代喷射器循环的研究和由喷射器回收的工作的使用，实施有效的喷射器循环控制策略以及喷射器在实际系统中的应用。

D.W. Sun^[31]文章中提到：根据夹带比的定义，改善夹带比的另一种有效方式是降低运动质量流量。然而，当流是超音速流时，对于给定的入口操作条件，动力质量流率仅对应于主喷嘴喉部。因此，处理这种挑战的潜在方法被提出作为可调节几何形状的喷射器。对于带旁路的喷射器可以提高夹带能力。性能改善随着动力或诱导压力的增加而增加。当PH从0.30MPa变化到0.40MPa时，改进可以从10.7％增加到32.8％。总是存在最大夹带比的最佳位置，并且其位置随着动力或诱导压力增加而向下游移动^[32]。

四、结束语

近几年来，国家大力推行”节能减排”政策，商用节能灶市场，逐渐被大众所关注。燃气灶在使用过程中普遍存在着热效率不高、产生CO、NO_X等有害气体的问题。全预混燃烧技术是一种解决此问题的有效方法，同时引射器的结构创新是实现全预混燃烧的关键。因此需要进行引射器结构的创新与设计，使之既可以提高燃烧的热效率又能减少有害气体的排放。

参考文献

[1] 陈和平.中国十五年节能规划及对策[J].能源研究与应用,2001(1):7-11.

[2] 贵贲.天然气与中国能源低碳转型战略[M].广州：华南理工大学出版社.

[3] 刘然冰.国内外天然气发展现状及我国国际合作探讨[J].当代石油石化，2008,16(2):29-44.

[4] 钱伯章.世界能源消费现状和可再生能源发展趋势[J].节能与环保,2006,8(3):8-9.

[5] 杨世倜.二次引射器及其理论计算[J].长沙铁道学院学报,1986,4(1):21-30.

[6] 沈维道,童钧耕编.工程热力学[M].第4版. 高等教育出版社，2007,(6):246.

[7] 索科洛夫,津格尔.喷射器[M].科学出版社,1977,(3):1.

[8] 沈维道,童钧耕编.工程热力学[M].第4版. 高等教育出版社，2007.6:246.

[9] 郑瑞芸,岳昊.壁挂式家用燃气灶L型引射器性能研究[J].上海煤气,2016,(5):33-35.

[10] 钟芬,高乃平,魏敦崧.大气式浓淡燃烧器低压引射器的设计与研究[J].上海煤气,2015,(4):28-33.

[11] 张煜圣,周亮,钟家淞.高效节能家用大气式燃气灶的研究[J].煤气与热力,2014,34(7):A31-A34.

[12] 陈传宝,章萍,李应林.气-液引射器性能模拟研究[J]. 煤气与热力，2016,16(10):20-27.

[13] 钱申贤.气体引射器流体动力特性实验研究[J].煤气与热力,1996,16(5):49-54.

[14] 李成明,徐江荣.燃气文丘力空气引射器的数值模拟研究[J].杭州电子科技大学学报（自然科学版）,2016,36(2):90-16.

[15] 何芳兵,吴俐,王树,陈顺发,李智成.上进风燃气灶环缝型引射器的数值模拟[J].能源研究与利用,2015( 2):36-39.

[16] 宓亢琪.天然气引射器特性方程与工况的研究[J].煤气与热力,2006, 26(6):1-5.

[17] 段常贵,衰惠英,严铭卿.液化石油气混空气中压引射器实验研究[J].煤气与热力 1997, 17( 2):15-20.

[18] 蒋绍坚,刘震杰,张灿,艾元方,蒋受宝,黄波.旋流燃气灶数值模拟研究[J].热科学与技术,2009,8(4):338-342.

[19] 赵静野,孙厚钧,高军.引射器基本工作原理及其应用[J].北京建筑工程学院学报,2000,1(4):12-15.

[20] 李雪亮,杨瑞昌.引射器特性的实验研究和理论分析[J].热能动力工程,1997,12 (6):419-423.

[21] 谢泓.大功率高效的燃气灶的研发[D].华中科技大学,2014:38-42.

[22] 马爱纯,吴慧卿.高效低污染燃气燃烧器及其燃烧特性实验[J].工业炉,2007,29（3）:5-8.

[23] 姜振侯,郭文博.燃气燃烧与应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2000,5:137-155.

[24] 冯良,刘鲲,韩国园.大气式燃气燃烧器引射器的CFD 研究[J].上海煤气.2003,5(4): 13-16.

[25] 张起祥,李朝阳,张晓英,卢培民.基于FLUENT的燃煤器燃烧模拟及结构改进.铸造设备与工艺, 2009, 3(3): 3-5.

[26] 祝易松,杨步云,李文科.一、二次风量配比对旋流燃烧器燃烧过程影响的数值模拟.工业炉, 2009, 31(6): 5-8.

[27] 游超林,陈迪龙,蔡国汉等.多射流引射器的数值模拟[J].煤气与热力.2010, 30(6): 12-15.

[28] Randheer L. Yadav, Ashwin W. Patwardhan. Design aspects of ejectors: Effects of suction chamber geometry[J]. Chemical Engineering Science .2008(63): 3886 #8211; 3897.

[29] Oumar Samak#233;, Nicolas Galanis, Mikhail Sorin. On the design and corresponding performance of steam jet ejectors[J]. Desalination.2016(381):15-25.

[30] Stefan Elbel, Neal Lawrence. Review of recent developments in advanced ejector technology[J]. international journal of refrigeration.2016,(62):1-18.

[31] D.W. Sun, Variable geometry ejectors and their applications in ejector refrigeration systems, Energy 21 (1996) 919#8211;929.

[32] R.J. Moffat, Describing the uncertainties in experimental results, Exp. Therm.Fluid Sci. 1 (1) (1988) 3#8211;17.

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

大气式燃气引射器为单级引射，空气系数在0.35-0.65，燃烧过程中会造成热效率不高，热损失大和排放有害气体的问题。本课题需要比较在不同的过量空气系数下的截面比从而得到引射器的最优尺寸，因此本课题中的过量空气系数α分别取0.35、0.45、0.55、0.65。

本课题针对大气式燃气引射器进行结构设计及性能分析，通过重新设计引射器的结构，在确定基本工作条件的基础上，进行理论计算和引射性能分析和结构优化分析。