低碳节能燃气灶具燃烧组织与热流协同调控技术

科技成果来源：浙江科技成果库;
地区：浙江
成果名称:低碳节能燃气灶具燃烧组织与热流协同调控技术
成果登记号:DJ31225Y181
知识产权:国际先进
完成单位
序号 单位名称 通讯地址
1 浙江大学 杭州市西湖区余杭塘路866号
2 宁波方太厨具有限公司 浙江省宁波前湾新区滨海六路1266号
完成人
序号 姓名 工作单位 对成果的贡献
1 王高峰 浙江大学 负责项目的顶层设计、组织实施，制定总体工作方案
2 姚青 宁波方太厨具有限公司 项目应用与推广
3 朱志新 浙江大学 提出了强预混低排放分级燃烧组织技术，支撑了极火直喷系列燃气灶产品、水冷预混燃气锅炉和F级燃气轮机强预混燃烧室的开发，显著降低了污染物排放
4 俞瑜 宁波方太厨具有限公司 提出了一种阀体结构和高效燃气燃烧器设计方案，成功应用于方太上市产品。设计了一种灶具用高效聚能圈结构，可有效提升灶具热效率。
5 方元祺 浙江大学 热声耦合系统声学模态耦合分析
6 钟亮 浙江大学 加热均匀度和热效率快速评估优化方法
7 刘晓刚 宁波方太厨具有限公司 极火直喷燃烧技术创新
8 马承飚 浙江大学 流动燃烧组织技术
9 章建锋 宁波方太厨具有限公司 燃烧组织技术创新
1 杨瑶 浙江大学 燃烧不稳定可视化诊断技术
11 徐强 宁波方太厨具有限公司 燃烧灶具技术负责人
12 胡科琪 浙江大学 燃烧数值仿真负责人
13 严力峰 宁波方太厨具有限公司 燃烧灶具技术创新
14 郑军妹 宁波方太厨具有限公司 燃烧灶具技术创新
15 蔡国汉 宁波方太厨具有限公司 燃气灶具技术创新
成果简介:
天然气作为低碳化石能源，在我国一次能源消费中的占比已达8.5%，在现阶段替代煤炭具有显著减少碳排放和缓解环境污染的作用，对于我国实现“双碳”目标具有战略意义。从终端能源消费结构剖析，我国天然气利用形成工业燃料、城市生活与燃气发电三大核心板块，其中42%消费以燃气锅炉为载体，33%消费聚焦民用燃气灶具，17%用于燃气轮机发电，发展低排放高效燃气燃烧的能源利用技术具有重大应用前景。 天然气燃烧设备采用预混燃烧能够显著降低NOx等污染物排放、提高燃烧效率，却面临着强预混、宽负荷、高热容条件下稳定燃烧边界窄、热声振荡风险大和燃烧换热匹配难等挑战。项目团队紧密围绕我国燃气燃烧设备高效低排放燃烧的产业发展需求，经过8年校企协同攻关，把传统扩散式或半预混式的燃烧组织方式变革为以强预混为主的燃烧模式，创新发展了强预混燃气燃烧组织与热流协同调控技术，实现了天然气强预混燃烧“着得好”、“控得稳”、“换热快”，成功应用于燃气轮机、燃气灶具和燃气锅炉等设备革新研制，树立了高热效率和低排放等关键性能的行业标杆，推动了我国燃气燃烧设备产业的创新发展。本项目的主要科技创新点包括：1.发展了强预混宽负荷燃烧组织技术：围绕提高能效和降低排放核心问题，通过优化燃烧反应区和进气掺混的组织形式、精细设计点火联焰路径、发展多级火力调控技术，形成了极火直喷、水冷预混低氮和多旋流强预混分区燃烧组织核心技术，解决了强预混稳定燃烧难题，显著拓宽了热负荷调节范围，提升了热效率，支撑了燃气灶具、燃气锅炉和燃气轮机燃烧器产品研制。2.提出了强预混燃烧热声振荡控制技术：围绕燃烧器热声耦合的不稳定性难题，建立了耦合系统声学模态的仿真分析预测方法以及燃烧不稳定性的诊断技术，揭示了火焰放热脉动的多物理场的耦合机制，提出了隔板抑制和对称性破缺等热声振荡控制方法，形成了针对缝式燃烧和环形燃烧热声振荡控制技术，解决了高负荷强预混燃气燃烧器的热声振荡问题。3.形成了强预混燃烧高效换热匹配技术：围绕强预混高热容条件下高效换热与用能问题，发明了多层空气腔隔热复合型聚能技术、耦合水冷预混燃烧的相变换热技术以及燃烧与涡轮耦合匹配技术，解决了高效燃烧、强化换热和结构温控的整体协同优化设计难题，提升了高热容强预混燃烧系统的用能效率。本项目授权发明专利42项，主持/参与制定国家标准8部，获中国发明协会创新创业奖一等奖、中国轻工业联合会科技进步奖一等奖、中国锅炉科学技术奖一等奖等科技奖励，获IF奖、红点奖等国际国内奖项12项，累计培养博士生21名、硕士生7名。成果应用于燃气燃烧设备，多个关键指标居行业领先水平：极火系列燃气灶具效率达8.8%，居行业第一；水冷预混燃气锅炉NOx排放低至5mg/Nm3，热功率最高达163MW；1kW-2MW小型燃气轮机填补国内空白，F+级燃气轮机实现全预混燃烧方式，NOx排放低于15ppm。近三年产品销售额达78.7亿元，经济与社会效益显著。
评价（鉴定、验收）委员会名单
序号 姓名 单位 专业领域 职称
1 唐志共 中国空气动力研究与发展中心 空气动力学 院士
2 乐嘉陵 中国空气动力研究与发展中心 空气动力学 院士
3 崔晓春 中国航空空气动力技术研究院 空气动力学 正高
4 刘小勇 中国航天科工集团三院三十一所 冲压发动机燃烧 正高
5 徐华胜 中国航发四川燃气涡轮研究院 航空发动机燃烧 正高
6 朱民 清华大学 燃烧学 正高
7 彭世尼 重庆大学 燃气工程 正高
8 高乃平 同济大学 工程热物理 正高
9 韩省思 南京航空航天大学 燃烧学 正高
组织评价单位:中国空气动力学会
评价（鉴定、验收）意见:
项目围绕“双碳”目标从高效节能燃气灶具设计需求出发，将航空发动机燃烧组 织、热流诊断测试技术和热流协同优化设计方法应用于燃气灶具设计，突破了直喷强 预混分级燃烧组织、高效聚能热流协同优化、锅灶耦合燃烧不稳定性控制等关键技术， 构建了燃气灶具高效燃烧组织与热流协同调控的技术体系。经国家燃气检测中心检 测，热效率指标最高为8.8%,达到了当前燃气灶具行业关键性能指标的最高水平。 主要创新点如下：1.发明了燃气灶具中心分级强预混燃烧技术，支撑了宽范围燃烧器产品开发。围 绕提高能效和降低排放核心问题，通过燃烧反应区和进气掺混的合理组织、优化点火 联焰路径、多级火力调控、多射流引射、撞击式掺混和增压舱技术，提升了热效率， 拓宽了热负荷范围，提高点火可靠性，用户体验得到显著提升。2.发明了多腔体隔热层复合聚能技术，提高了燃气灶具的热效率。发展高效聚能 热流协同优化设计方法，发明多层空气隔热聚能罩装置，建立锅底加热均匀性和热功 率快速评价方法，优化了聚能腔体间燃气流动、二次空气补燃和换热边界层设计，解 决了强化换热、加热均匀性和结构温控的整体协同优化设计难题，实现了强化换热， 有效减小了热损失。3.提出了锅灶耦合强预混燃烧器热声振荡抑制方法，解决了高负荷强预混燃烧器 的燃烧单音噪声问题。建立了锅灶聚能耦合的声学仿真方法和燃烧不稳定性诊断技 术，揭示了火焰放热脉动多物理耦合作用机制，提出了隔板抑制环形缝式火孔的燃烧 不稳定性控制技术，降低燃气灶具的噪声水平1dB。本项目技术复杂度高、创新性强，具有完全自主知识产权，总体上达到国际先进 水平，其中燃气灶具直喷强预混分级燃烧组织方法、多腔体隔热层复合聚能技术、主 要技术指标热效率达到了国际领先水平。该项目发明的技术已应用于系列产品开发， 取得了显著的经济效益，引领了我国低碳节能燃气灶具燃烧组织与热利用技术发展， 节能减碳潜力巨大。

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