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

能源是人类生存和社会发展的基础，化石燃料是目前最主要的能源来源。而随着人类对其不断地开采与利用，人类当今已面临着能源枯竭、环境污染等危机。因此节能减排已成为全世界的发展目标。

随着世界文化的交流与发展，中国的饮食文化在世界范围内颇受欢迎，而中餐的烹饪离不开燃气灶。燃气灶主要分为民用灶和商用灶。民用灶主要采用的燃烧方式为大气式燃烧，而商用灶的燃烧方式主要为鼓风式燃烧和大气式燃烧。商用灶具有火力集中、火力调节方便、耐用性要求高等要求^[1]。但大气式燃烧在实际使用过程中存在着热效率不高、燃烧不完全产生大量的有害气体等问题^[2]。近年来鼓风式燃烧在燃气灶中也得到了应用，但存在着运行噪声大、稳定性不佳、空燃比控制精度差等缺点。

非全预混燃烧是造成热效率低和排放CO、NO_X有害气体的主要原因。在大气式燃烧中，引射器是器必不可少的构件，而现在大部分大气式引射器的空燃比系数在0.45-0.75之间^[3]，不能达到全预混燃烧的要求。鼓风式燃烧分为鼓风扩散式和鼓风预混式燃烧。鼓风扩散式也属于非全预混燃烧，鼓风预混式虽能达到全预混，但需要风机强制鼓风，具有噪音大的缺点。因此为了节约能源、保护环境必须对燃气灶进行改造创新。而创新的突破点主要为：预混结构的创新（以引射器为主）和燃烧结构的创新^[4]。

2、引射器的状况

2.1引射器的结构及工作原理

在大气式中餐灶中，引射器是一个必不可少的构件。引射器的结构简单，主要由工作喷嘴、接受室、混合室、扩散器四个部分组成。工作喷嘴一般为渐缩形或者缩放形喷管，其作用是把工作流体的一部分静压转换为动能；接受室和混合室为两种流体的引射和混合提供充足的空间；扩散器为渐扩形，混合流体经过扩散器后达到所需的压力和流速。

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 ^[5]。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^[6]，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。

2.2引射器的分类及作用

目前在国际上引射器有很多不同的命名，且没有统一的规定。一般情况下，根据工作流体或者引射流体的物理性质把其分做引射器和喷射器：工作流体可压缩叫引射器；工作流体不可压缩叫喷射器。

《喷射器》^[7]一文中指出，引射器可以根据相互作用介质相态的异同来分：同相引射器、异相引射器、变相引射器。具体分类见下表。

气体喷射压缩器主要用于提高管网中气体压力和废汽的压力等；气体引射器通常用在需要保持很高真空度的设备；气体喷射器通常用在蒸汽发生器和锅炉燃烧设备的气体喷燃器和蒸汽-空气吹风喷射器等；喷射泵通常由液体作为工作介质或者引射介质，如：水井中抽水用的水喷射泵；气力输送喷射器主要包括：气体引射散粒状固体或液体和蒸汽引射散粒状固体而水力喷射器主要用于液体引射散粒状固体。

引射器还可根据结构来分，主要分为单级引射器和多级引射器^[8，9]。而在燃气灶中使用的引射器主要为单级引射器。

燃气灶中使用的引射器可以根据燃气和空气的混合方式分为全预混无焰引射器、扩散式有焰引射器。其中全预混无焰引射器又可分为引射式单火道无焰引射器，全预混多火道无焰引射器，机械送风全预混燃烧器；扩散式有焰引射器又可分为管式扩散引射器，冲焰式扩散引射器，炉床式扩散燃烧器。

燃气灶引射器的空气引射系数一般在0.4-0.8范围内，属于半预混燃烧，因此，火焰温度、均匀性和热强度都受到限制，同时二次空气的补充能力直接影响了燃气灶的燃烧性能，并导致有害气体排放较多。

3、国内外研究现状

引射器运用范围是十分广阔，主要应用于制冷^[10]、供暖、动力、石油化工等行业^[11]，本文主要讨论引射器在燃气灶方面的发展状况。对于燃气灶引射器的研究主要从实验研究和数值模拟研究两个方面进行。

Chris Lawn^[12]提出，使用基于一维流动动量守恒的这种”喷射器”的公认的理论,忽略性质变化引入的小误差，引射流体与工作流体的比率与喷嘴平面处的两种流体的面积比相关。

据引射器性能的影响因素研究表明^[13]，引射器的性能主要由喷嘴距、吸入口直径、混合段直径与喷嘴出口直径比和混合管长度决定。引射压力增大，最优喷嘴距增大；出口压力减小，最优喷嘴距减小；吸入口直径越大，引射器性能越好；喷嘴出口截面积一定时，存在最佳混合段直径，此值与工质类型和被引射气体的增压有关，同时要使引射器性能较好则混合室长度为混合室直径的3-5倍^[14]。

据引射器结构优化设计^[15]可知，引射系数和工作效率是衡量引射器性能的重要指标。引射器在压缩比一定的情况下，存在最佳喷嘴间距、混合室直径、混合室长度和扩压室长度使得引射系数和等熵效率达到最大值。据研究喷嘴位置对引射器性能的影响^[16]可知，当燃气为甲烷，额定压力为2000Pa，引射流体为空气，空气的进口压力为标准大气压且混合器出口压力为1.7Pa时，引射器工作性能最佳时喷嘴轴向位置离引射器的空气入口为1mm。

Stefan Elbel , Neal Lawrence^[17]提出最近的引射射器研究的几个焦点是多维CFD引射器模型的发展，替代引射器循环的研究和由引射器回收的工作的使用，实施引射器循环的有效控制策略，以及在实际系统中应用引射器。

Nicolas Galanis, Mikhail Sorin^[18]对引射器的性能和结构设计研究提出了一种在流体入口条件和质量流量确定的情况下确定临界压力、混合效率和引射器最佳压缩比的一维热力学模型。背压的最大值受热力学第二定律的限制并且要求流体必须在扩压入口达到亚音速，混合效率必须为正数但比1小，对于等截面管道的长度与直径之比必须在以前研究的固定限制推荐之间。这种模型使用了一个固定的多变效率（而不是以前使用的固定等熵效率）模拟加速和减速过程从而考虑在非设计工况操作下的压力比的影响。

燃气灶在使用过程中会产生一氧化碳、二氧化硫及氮氧化物等对人体健康和环境有害的气体。随着人们健康意识和环保意思的强化，近年来这些气体对于人体健康和环境的影响也倍受关注^[19]。据对燃气灶设计和改进中降低NOx的建议^[20]可知，在引射器中提高一次空气系数可以降低氮氧化物的生成量并减少有害气体的产生。

据中餐炒菜灶的特点和节能措施的选择^[21]可知，全预混燃烧可以明显降低氮氧化物的排放量，但同时也会产生少量的一氧化碳，因此全预混燃烧灶具的研究还有待提升。空燃比的大小可以直接影响燃烧排放物的达标程度，且冷热态温度变化对空燃比值有很大影响，因此提出了多级耦合控制系统控制空燃比^[22]。空燃比的调节也可根据调节阀的相对流量与相对开度来调节^[23]。

由鼓风预混式中餐灶空气一燃气混合室改造实验研究^[24]可知，当空气与燃气混合均匀时，一氧化碳的生成量会显著降低。可利用射流理论和圆管中流体稳定流动的断面速度分布规律分析和计算引射器混合室的最佳长度^[25],且分析结果指出，混合管最佳长度和喉管直径成倍数关系，主要与引射流体和被引射流体的密度、容积引射系数、被引射流体的入口面积、喉管直径和混合室内壁的粗糙度等有关。被引射流体密度比引射流体密度大则混合室最佳相对长度小，反之就大。容积引射系数大，最佳长度小，反之就大，当容积引射系数大于10是，其影响趋于稳定。被引射流体入口相对面积大时最佳长度就大，反之就较小。

同时也可以通过改变引射器喷嘴的形状来增强引射器中气体的混合程度^[26],对后缘开缝喷嘴及花瓣状喷嘴进行等面积多喷嘴引射器性能实验研究实验表明六缝喷嘴的引射性能最好，三缝喷嘴次之；随着引射效率的增加，花瓣状喷嘴从与三缝喷嘴接近逐渐向圆锥喷嘴接近。

有上述内容可知，引射器的结构对于中餐灶的工作性能以及污染物的排放量有着很大的影响。

4、本课题研究概况

主要由大气式中餐灶出发，要使其达到完全预混可以通过引射器结构创新和燃烧器结构创新。本课题主要从引射器结构出发进行创新，使其预混系数能够达到全预混的要求，即使空燃比在1.05-1.1^[27]之间。同时要充分利用燃气的压头来引射空气。再通过相关计算使其混合气体在出口能够满足相关的要求。在引射器的结构计算时，引射器的具体设计方法可以参考单级引射器的计算方法^[28-30]，同时对相关影响因素进行分析，使其结构达到最优化。

5.结语

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，响应我国节能环保的号召。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

因为大气式中餐灶中的引射器为单级引射，引射系数最高只能达到0.75，不能满足全预混燃烧的要求，会造成热效率不高，热损失大和排放有害气体的影响。本课题针对全预混中餐灶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，使引射器能够实现燃气和空气的全预混引射，之后建立全预混引射器的理论模型，在确定基本工作条件的基础上，进行理论计算和全预混引射器的引射性能分析和结构优化分析。

由上述情况可知，需要设计一种新型的引射器来改善这种情况，本课题根据相关文献的研究，打算将单级引射器进行结构创新为双级引射器。

本课题的主要研究内容：