燃气具基本结构

二、燃气具基本结构

我国目前民用燃气灶具基本上由燃烧器、供气系统、自动控制装置、点火装置和其他部件（如外壳、支架、灶盘和锅架等）五大部分组成。

（一）燃烧器

燃烧器的种类很多，分类方法也不尽相同。要用一种分类方法来全面反映燃烧器的特性是困难的。

按一次空气系数分为：扩散式、大气式、完全预混式。

按空气的供给方式，分为：引射式（空气被燃气射流吸入或燃气被空气射流吸入），鼓风式（用鼓风设备将空气送入燃烧系统）和自然引射式（靠炉膛中的负压将空气吸入燃烧系统）。

此外，还有按燃气压力进行分类等方法。低压燃烧器：燃气压力为5000Pa以下；高压燃烧器：燃气压力为5000～3×10⁵Pa。

1.扩散式燃烧器

按扩散式燃烧原理设计，一次空气系数α′＝0的燃烧器称为扩散式燃烧器。

根据空气供给方式不同，又可分为自然通风和强制鼓风两类。鼓风式燃烧器所需的空气全部由鼓风机一次供给，但燃烧前空气与燃气并不能实现完全预混合，所以还是扩散式燃烧方式。其燃烧强度由空气与燃气的混合程度决定。

对于鼓风式扩散燃烧器，根据对空气与燃气强化混合过程所采取的措施及工艺对火焰的强度要求，鼓风式扩散燃烧器可做成套管式、旋流式、平流式等各种式样。

2.旋流式燃烧器

其结构特点是燃烧器本身带有旋流器，一般都是鼓风式。根据旋流器的结构（蜗壳、导流叶片、螺旋板）及供气方式的不同，这种燃烧器又可做成多种形式。

图示3-4为带旋流器的ZZT2燃气灶结构简图。为了使燃气与空气良好混合，燃气分成若干股并经喷头上的斜小孔（小孔中心线与喷头径向角度为15°）喷出，进入旋转上升的空气流中。来自离心风机的空气经过调节蝶阀进入空气旋流器头部，在头部静压力作用下，从旋流器的斜孔（斜孔的中心线与旋流器头部径向角度为45°）喷入环形火道内，形成逆时针方向旋转气流。在火道内，燃气旋流与空气旋流相遇，并在火道内边混合边燃烧，形成一定形状和尺寸的火焰。在炉膛上方放置炒菜锅，炉内火焰可贴近锅底，以辐射和对流的方式向锅底传热。炉内烟气则由保温烟道排出炉膛。经燃气阀前一小旁通管送入的微量燃气，从喷孔流出并点燃后形成小火焰作为长明火。点火燃烧器用一根铜管制作，专门用来点燃长明小火。

图3-4　ZZT2型中餐燃气炒菜灶结构示意图

1—旋流器；2—燃气旋流喷头；3—环形耐火砖；

4—炉膛；5—余热锅；6—保温烟道

图3-5　旋流器结构简图

空气旋流器是在圆环形铸铁管上钻许多斜小孔作为空气喷出口而构成的。旋流器头部中的空气从斜喷孔流出时，因气流速度具有切向分量，而在炉膛环形通道内形成旋流。其工作原理类似于放置在径向流中的导流叶栅。环形通道内气体流动如图3-5所示。

与热负荷相同的引射式燃烧器相比，其结构紧凑，体型轻巧，占地面积小。当热负荷较大时，该优点更为突出。热负荷调节范围大，可预热空气或预热燃气。要求的燃气压力较低。能容易实现油—燃气的混合燃烧。缺点是需要鼓风，耗费电能，噪声较大。本身不具备燃气与空气成比例变化的自动调节特性。

3.大气式燃烧器

大气式燃烧器通常为引射式，主要由引射器和头部组成，如图3-6所示。通常是利用燃气引射一次空气，即燃气在一定压力下以一定的流速从喷嘴流出，进入吸气收缩管，靠燃气的能量吸入一次空气，在引射器内二者混合成为预混可燃气，然后经头部流出，进行部分预混式燃烧，形成火焰。

图3-6　大气式燃烧器

1—调风板；2—喷嘴；3—调风螺钉；4—引射器；5—火盖

大气式燃烧器的α通常在0.45～0.75范围。根据燃气压力不同，大气式燃烧器又可分为低压与高（中）压两种。大气式燃烧器主要由引射器和燃烧头两部分组成。

（1）引射器　主要由喷嘴、吸气收缩管、一次空气吸入口、混合管、扩散管等组成。喷嘴的作用是输送所要求的燃气量。喷嘴的形式很多，其形状和孔径大小直接影响燃烧器的热负荷和引射空气的流动。一般喷嘴有固定和可调两种，如图3-7所示。固定的喷孔面积不能调节，但制造容易，引射空气性能较好，适于家庭使用的燃气种类基本稳定的灶具。可调喷嘴引射空气能力相对差，但适于燃气种类可更换的，但要保持稳定热负荷的灶具。

（a）可调喷嘴

（b）固定喷嘴

图3-7　喷嘴

1—固定部分；2—可调部分

【小思考】

当原用于液化气的喷嘴改用于天然气的灶具时，喷嘴孔径该如何变化？

吸气收缩管，其作用是减少空气吸入时的阻力，可做成流线型或锥形。二者阻力损失相差无几。为制造方便，一般做成锥形。在收缩管中，压力下降，速度上升，当降低到一个大气压以下时，外界空气通过一次空气吸入口进入。

一次空气吸入口，设在收缩管上，其开口面积一般为燃烧器火孔总面积的1.25～2.25倍。开设位置如图3-8所示。图3-8（a）为一次空气吸入口截面与喷嘴轴线垂直，空气沿轴线方向吸入，因此阻力较小。图3-8（b）为一次空气吸入口截面与喷嘴轴线平行，吸入空气阻力较大。

（a）端部进风

（b）侧面进风

图3-8　一次空气吸入口及喷嘴的安装位置

为对一次空气的吸入量进行调节，可在空气吸入口外安装调风板。通过调风板的前后移动（如图3-9（a））或与吸入口的重合程度（如图3-9（b））来调节进风量，也可在混合管上安装调风螺钉或弯曲钢条，通过螺钉或钢条的上下运动来改变燃气射流的能量损失，从而调节一次进风量。

图3-9　调风板

混合管，有时又称为喉管（因此段截面积最小），其作用是使燃气与空气的混合物的速度、浓度、温度混合后，分布均匀，一般采用圆柱形。有些引射器没有混合管。

扩散管，也称扩压管，将气体的部分动压能转换为静压能，以满足燃烧器头部所需要的压力。同时，还可使燃气与空气能进一步混合均匀。

（2）燃烧器头部　作用是将燃气—空气混合物均匀地分布在各火孔上，并进行稳定和完全的燃烧。为此要求头部各点混合气体的压力相等，要求二次空气能均匀畅通地到达每个火孔上。此外，头部容积不宜过大，否则会噪声过大。根据用途不同，大气式燃烧器头部可做成多火孔或单火孔。

对于大气式燃气灶，其头部主要有三种形式，即多嘴立管式燃烧器（最适于天然气），如图3-10；多火孔式燃烧器和缝隙型燃烧器（适于人工煤气），如图3-11。

图3-10　多嘴立管式燃烧器

1—燃烧器顶盖；2—沉头螺钉；3—燃烧器头部

4—引射器；5—喷嘴；6—垫片；7—集气盘管

图3-11　多孔大气式燃烧器

1—调风板；2—一次空气入口；3—引射器喉部；

4—喷嘴；5—火孔

（3）大气式燃烧器的特点及应用　大气式燃烧器由于预混了一部分空气，所以比自然引风式燃烧器火焰短，火力强，燃烧温度高。可以燃烧不同性质的燃气，燃烧比较完全，燃烧效率比较高，且烟气中CO含量比较少。但是当热负荷较大时，多火孔燃烧器的结构比较笨重。

多火孔大气式燃烧器的应用非常广泛，在家庭及公用事业中的燃气用具如家用灶、热水器、沸水器及炒菜灶上用得最广。

【提示】

现有的中餐燃气炒菜灶绝大多数采用的是大气式或鼓风式燃烧方式，这些燃烧方式主要通过烟气以对流形式加热锅底进行传热，但烹饪中餐菜肴一般使用的是尖底锅，烹饪时仅使用锅深1/3～2/3以下的部位，而锅底的有效利用面积较小，仅靠对流传热，大部分热量不能被有效利用，因而导致热效率低。

4.完全预混式燃烧器

按照完全预混合燃烧方式设计的燃烧器称为完全预混式燃烧器，在燃烧之间实现全部预混，即α≥1。

完全预混式燃烧器由混合装置及头部两部分组成。根据燃烧器使用的压力、混合装置及头部结构的不同，完全预混式燃烧器可分为很多种。

红外线无焰燃烧是一种完全预混式无焰燃烧技术，具有过剩空气系数较小（大约为1.05～1.1）、燃烧速度快、燃烧完全、燃烧温度高、燃烧噪声低等特点。这种燃烧是以辐射和对流两种形式传热，一般辐射热量占总热量的45%～60%。通过调整辐射面的形状，容易达到定向加热的目的，能够满足中餐燃气炒菜灶对火力集中、锅底局部热强度高的要求，有利于提高燃烧设备的热效率。此外，由于红外线具有一定的穿透能力，可以穿透锅底进行加热，因而可以缩短加热时间，这也是中餐燃气炒菜灶所要求的。

【提示】

过剩空气系数就是实际燃烧的空气量和理论空气量的比值。

哈尔滨建筑大学燃气教研室研制的采用红外线无焰燃烧技术的中餐燃气炒菜灶燃烧器结构见图3-12，其热效率能达到42%，烟气中的一氧化碳含量大幅度减少，燃烧噪声有所降低。

图3-12　红外线燃烧器结构示意图

1—多环引射器；2—喷嘴；

3—内环引射器；4—多孔陶瓷板；

5—燃烧器外壳；6—辅助燃烧器

红外线无焰燃烧的主要缺点是热负荷的调节范围窄。为增加热负荷的调节范围，可将燃烧器设置成多环结构，按需要进行使用。也可以配置热负荷较小的大气式燃烧器作为辅助燃烧器，来增大热负荷的调节范围。采用组合燃烧方式对提高灶具的热效率更为有利。

5.燃烧器的技术要求

（1）燃烧比较完全。

（2）燃烧稳定。当燃气压力等在正常范围内波动时，不发生回火和脱火现象，无黄焰与积碳现象。

【提示】

产生黄焰及积碳现象标志着化学不完全燃烧的存在，这种燃烧产生大量一氧化碳（CO）有毒气体，既浪费能源又污染环境，其往往是由于助燃空气不足引起的。

（3）燃烧效率高。

（4）在额定压力下，燃烧器能达到所要求的热负荷。

（5）结构紧凑，材料消耗少，条件方便，工作无噪声。

（二）点火装置

自动点火装置，按点火源的不同，通常有下列三种。

1.小火点火

小火点火器是一种早期的简单点火装置。其机理是由点火源向燃气混合物传递热量。主要有直接式和间接式两种。

（1）直接式　如图3-13所示，只有一个固定的小火引火器，有时为了防止被风吹熄，加一个耐热金属网罩。在小火点燃后，将长明不灭。当需点燃主燃烧器时，打开主燃烧器阀门4即可。

图3-13　直接式小火点火装置

1—小火点火器；2—点火器阀门；3—主燃烧器；4—主燃烧器阀门

（2）间接式　不仅有一个固定的小点火器，还有引火管或爆炸室，既能有防风的作用，又能减少固定小点火器的数目。

小火点火结构简单，结构可靠，但因小火长明，既有浪费，又可能被风吹灭。不适于自动化技术发展的要求。

2.热丝点火

大多数情况下，与小火点火相似。主要由小火点火器、电源与开关、热丝点火元件组成。其装置如图3-14所示。设置小火点火器的目的主要是为防止热丝长期接触火焰而被损坏。电源在家用灶具上一般用干电池，而在大灶上一般多用市电。热丝即电阻丝，在民用灶具上多用铂、铂铹丝，此外，也有碳化硅和二硅化铝等非金属电热丝。电热丝点火时点火可靠，缺点是需外加电源。

图3-14　热丝自动点火装置

1—热丝；2—小火点火器；3—电池；

4—电开关；5—主燃烧器

图3-15　单脉冲陶瓷点火装置

1—燃气喷嘴；2—绝缘陶瓷；3—高压导线；

4—撞锤机构；5—压电陶瓷

3.电火花点火

目前在民用燃具上主要使用电火花点火方式，即利用点火装置产生的高压电在两极间隙产生电火花，来点燃燃气。电火花点火装置可分为单脉冲点火装置和连续电脉冲点火装置两种形式。

（1）单脉冲电火花点火装置（图3-15）　即每操作一次燃具点火开关，点火装置只产生一个电脉冲。单脉冲点火装置主要有压电陶瓷和电子线路两种。

压电陶瓷点火器由两组压电陶瓷Ⅰ和Ⅱ组成，需要点燃时，凭借旋转点火开关动作的外力，在弹簧的作用下，使压电陶瓷Ⅰ和Ⅱ发生撞击，把机械能转变为电能，输出8～18kV的瞬时高压。高压导线与安装在小火口或主燃烧器旁边的电极相近，电极由绝缘陶瓷包起来，露出针状尖端。与针状电极间隔一定距离的是接地放电端子，它可以是片状铁片式针体。瞬时高压击穿电极间隙4～6mm，产生电火花，燃气从电极旁边喷出，即被点燃。

【提示】

压电陶瓷是20世纪50年代发现的一种信息无机材料，其受冲击力作用时将产生高电压。

（2）连续脉冲点火装置（图3-16）　连续脉冲点火装置是指当按下燃具点火开关时，点火装置可以连续不断地放出电脉冲火花。其优点是操作方便，点火着火率高，达100%。

（a）可控硅式

（b）电压开关管式

图3-16　连续电脉冲点火装置

目前应用于民用燃具上的有以干电池的晶体管电子电路点火装置，有以市电作电源的自动控制系统。总结这些点火装置，大致分为可控硅式和电压开关管式两种。其工作原理基本相同，但放电频率的控制形式上有所不同。

如图3-16所示，点火开关S闭合，由R₁、V₁和T₁初级线圈组成的振荡电路起振，经T₁的次级线圈升压，二极管V₂整流后，一路到电容C₁储能，另一路通过R₂对C₂进行充电。因双向触发二节管V₃的阻断特性，当C₂两端的电压达到V₃的开通电压时，V₃导通，C₂储存的能力击发可控硅导通，C₁通过可控硅V₄和T₂的初级线圈回路放电，在T₂的次级线圈中感应出一个高压脉冲，击穿两极间隙产生一个电火花。C₂在触发V₄后，因端电压低于V₃的开通电压，V₃断路，电路再进行第二次充放电。改变R₂、C₂的大小，可以改变放电电火花的放电频率。

【小思考】

当采用连续脉冲的家用燃气灶发现打不出火花时，首先该如何处理？

（三）熄火保护装置

现代燃具在熄火保护方面，采用了两种处理方式，一种是当意外熄火时，如风吹或炉灶上汤水沸腾浇灭火焰时，能够自动点燃燃烧器，常应用于家用燃气灶。另外一种是当意外熄火时，能够自动切断燃气的供应，如《中餐燃气炒菜灶》（CJ/T28—2003）所规定的。

1.自动点燃熄火保护装置

使用灶具前，先点燃小火燃烧器。如图3-17所示，当打开旋塞1时，燃气与空气的混合气体进入燃烧器头部，并由喷孔3流出，进入小火管4，同时引射空气，形成能够燃爆的混合气体。该混合气体遇到小火即能点燃，火苗通过小火管4窜到主燃烧器，将其再次点燃。

图3-17　火眼燃烧器自动点燃系统

1—旋塞；2—头部；3—喷孔；4—小火管；5—小火

2.自动切断熄火保护装置

按检测元件检测原理，熄火保护装置有双金属片式、热电偶式、光电式和火焰导电式（离子针）等。其中热电偶式熄火保护装置又有直接关闭式和隔膜阀式两种。下面简单介绍直接关闭式（图3-18）。

图3-18　直接关闭式热电偶式熄火保护装置

1—气阀钮；2—气体阀；3—密封垫；4—弹簧；5—衔铁；

6—铁芯；7—感应线圈；8—高压放电针；

9—长明火种；10—热电偶

按下气阀钮时，点火装置产生的电火花点燃火种，热电偶的感热部分被加热，由于热电偶的“热惰性”，需保持此状态一段时间，直到热电偶产生的电流能激励电磁阀的铁芯和衔铁保持吸合状态，再松开气阀钮，此时灶具正常使用。

如在使用中，常明火种熄灭或其他原因造成热电偶热端温度下降，导致热电偶产生的电流降低到一定值时，电磁阀的铁芯和衔铁脱离，在弹簧力的作用下，电磁阀的密封垫切断气路，有效防止人身事故，还可以节省能源。

【小资料3-5】

热　电　偶

利用两种成分不同且有一定热、电特性的材料构成回路，则如果相接的两端温度不同，在回路中即有电动势（即热电势）产生，此电势经放大后可用来控制执行机构。

【提示】

目前市场上在售的燃气灶，基本上采用的意外熄火保护装置都是“热电偶熄火保护”。随着科技的不断发展，一种全新的安全技术“离子熄火保护装置”——即“离子针”技术正式诞生，“离子针”是基于火焰导电的原理而发明的。当意外熄火时，离子针会在0.1秒内感应电流状况，感应不到电流时电磁阀就会在4秒内切断气源。

（四）供气系统

民用燃气分管道供气和钢瓶供气两大类。对于天然气和城市煤气，一般采用管道供气的方式，液化石油气一般采用钢瓶供气。

1.管道供气

城市供气系统由气源分配、输配部分和用户三部分组成。我国现行供气系统是以输送压力来划分等级的，用户所需的压力一般在8～16Pa之间，气源的燃气要经由输配系统的调压室降压后才能进入低压管网输送到用户端。

对于商业厨房的用气，在日常使用燃气中，除了要遵循居民用气的通用规则之外，还应当掌握特定的安全技术规范。要有特别装置，以策安全。

（1）燃烧装置采用分体式机械鼓风，或者使用加氧、加压缩空气的燃烧器时，应当按照设计位置安装止回阀（防止回火），并在空气管道上安装泄爆装置。

（2）燃气管道以及空气管道上应当按照设计要求安装最低压力和最高压力报警装置、切断装置。

【提示】

在使用这些泄爆装置、报警装置、切断装置的时候，不能违规操作。有的用户担心报警装置发出报警信号，并且自动控制切断装置切断气源而给自己增加工作量，干脆使用塑料布等物品将报警装置探头包裹起来，使报警装置无法正常工作。这种做法实际上给自己单位的安全埋下了隐患。

【小思考】

为什么商业厨房用气比居民用气有较多的安全规范要求？

2.钢瓶和减压阀

（1）钢瓶　是专门储存液化石油气的高压钢瓶，它是一种有缝的焊接容器。液化石油气应用于民用燃具的钢瓶的规格有三种：YSP-10（10kg装）、YSP-15（15kg装）和YSP-50（50kg装）。

钢瓶的结构如图3-19所示，由底座、瓶体、护罩、瓶嘴等组成。一般钢瓶的材料采用16Mn低碳合金结构钢或20号优质碳素结构钢，以防止钢瓶在低温环境中焊缝发生冷脆裂痕。设计工作环境温度为-40～60℃之间。小于YSP-15的钢瓶自制造日期起使用寿命为15年，第一次至第三次检验的周期均为4年，第四次检验有效期为3年。如若出现严重腐蚀、损伤及其他可能影响安全使用的缺陷时，应提前进行检验。

（a）YSP-10YSB-15型

（b）YSP-50型

图3-19　钢瓶

1—底座；2—下封头；3—上封头；4—瓶阀座；

5—护罩；6—瓶阀；7—筒体；8—瓶帽

钢瓶在工作时，打开角阀，则液化气在环境温度的作用下变成气体，此时汽化后压力可高达196～980kPa。但是对于家用燃气灶和中餐燃气炒菜灶，其压力变化范围（对于液化石油气），一般分别为2800～3000Pa及2800～5000Pa。故需要在角阀和灶具之间设置减压阀。

【小思考】

如果没有减压阀，那么会发生什么情况？

（2）减压阀　又称为减压器、调压器、调压阀，其作用是将从钢瓶来的燃气高压降低，并调节稳定在适应燃烧器燃烧的一定范围之内。所以，它实际上一种自动调压装置。一般的，常用的减压阀有往复式和杠杆式两种。

杠杆式减压阀结构如图3-20所示。其工作原理为：当进气压力升高时，进入减压室的液化石油气增多，其压力随之升高，从而使橡胶薄膜上凸，上气室的空气由呼吸孔排出阀体。这样就带动杠杆向上移动，使阀垫下移，进气喷嘴变小，进气量变小，压力降低。当减压室压力降到一定程度时，橡胶薄膜下凹，带动杠杆向下移动，外部空气从呼吸孔进入上气室，使阀垫向上移动，进气喷嘴变大，进气量增加，压力升高。这样就保持了进气压力无论偏高或偏低，减压室的压力总是恒定的，出口压力也是恒定的，从而起到减压和稳压的作用，保证灶具燃烧的稳定性。

（a）

（b）

图3-20　减压阀的结构原理与外形图

1—进气口；2—出气口；3—手轮；4—上阀盖；5—下阀盖；6—进气喷嘴；7—呼吸孔；8—上气室；

9—减压室；10—阀垫；11—杠杆；12—橡胶薄膜；13—弹簧；14—反扣连接