一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶

1.本发明涉及燃气灶，特别是涉及一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶


背景技术：

2.氢气在所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中有着最高的热值，同时其具有燃烧速率快、燃点高、燃烧产物无污染等优点，是未来能源发展中的一个极具潜力的发展方向。
3.目前生活中纯氢燃气具数量极少，而将氢气燃气灶取代天然气、煤气灶是清洁能源替代化石能源的有效解决方案。常采用将氢气与氧气进行预混合以保障充分燃烧，但现有燃气灶的预混合方式掺混比例精确度较低且在燃料用量调整过程中易出现比例波动，难以保障经过传递后在点火处的燃气均匀度导致在灶体中出现掺混比例失衡引起爆炸。因此，需要对燃气灶内部进行设计以保证预混及传递过程中的燃气均匀度，同时采用控制器调整燃气灶的进气量及调整过程中的比例控制，以控制燃气的精确比例以及调整过程中的实时比例。


技术实现要素：

4.本发明提出一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶，解决现阶段氢燃气灶燃气传递过程中混合不均匀及燃气灶调整过程中的实时比例难以控制的问题。
5.为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明的一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶，包括电控调压阀、风机、膨胀囊、气压腔、恒压阀、电磁流量阀、单向阀、气体扰流装置、气体混合器、气体混合层、稳流室、防回火支撑层、气体预热层、预燃层、点火面、燃烧辐射层；
7.两种待预混气体依次经相应管道的电控调压阀、风机、膨胀囊、恒压阀、电磁流量阀，空气管道在电磁流量阀后设置有单向阀及气体扰流装置，两种气体在气体混合器与氢气预混然后依次经过气体混合层、稳流室以保证气体充分混合，混合燃气通过防回火支撑层后依次经过气体预热层、预燃层抵达点火面进行点火燃烧，燃烧的火焰主要集中于燃烧辐射层内部。
8.进一步地，所述风机的转速将根据电磁流量阀的阀门开度由控制器进行伴随控制，保障燃气的实时比例，确保调整过程中燃气比例在预设控制范围内，调整过程中精度控制在1％；
9.进一步地，所述膨胀囊被气压腔包围，分为前后两部分由恒压阀连接；
10.进一步地，所述气压腔被预充有压力，压力值较用气压力低500～1000pa；
11.进一步地，所述氢气管道电磁流量阀及空气管道电磁流量阀可根据用户需求控制气体输入量，同时根据预设值控制空气掺混范围为10～20％，精度为0.5％；
12.进一步地，所述多孔式引射器前端呈圆锥状，前端部分具有均匀布置的圆形通孔，锥形壁面与氢气管道壁面呈15～45
°
布置；
13.进一步地，所述气体混合器，前端布置有泡沫镍/铜，其孔隙度在0.9～0.95之间。
在出口端至壁面前具有空腔，出口壁面具有均匀通孔；
14.所述气体混合层中布置有多孔金属导流板，由边缘向中心方向金属导流板逐渐变短，渐变式的设置使递减的多孔金属板与金属板空隙之间具有一个压力梯度，可使燃气在金属板间不断地进行对流以充分混合；
15.所述防回火支撑层、气体预热层、预燃层、燃烧辐射层自下往上一起构成了燃烧辐射段，采用孔隙率0.8～0.9的al2o3泡沫做为防回火支撑层，预热层为氧化铝小球，燃烧辐射层选用氧化锆泡沫陶瓷；
16.所述燃烧辐射段在上游采用比下游孔径较大的泡沫陶瓷，以提高火焰传播速度，下游小孔径的多孔介质具有更大的燃气接触面积提高了热量的回流。
17.所述模糊控制器在监测到旋钮启动后，将检测到的档位偏差度s(c)及旋钮偏差度变化se(i)做为输入量，经模糊控制器计算后得到输出量阀门调整度u，根据u控制电磁流量阀开度，同时控制氢气管道中电控调压阀与空气管道中的风机启动向管道中供应对应压力的燃气，管道中的气体先由电控调压阀进行降压后通入前部膨胀囊，然后经过恒压阀到达后部膨胀囊，膨胀囊中预定压力与燃气灶内工作压力保持一致，空气经扰流器后在管道中与氢气进行混合；
18.所述模糊控制器内部实现逻辑如下：
19.s1:首先定义旋钮档位偏差度-50≤s(c)≤50，旋钮偏差度变化-25≤se(i)＝s(c)-s(c-1)≤25；s(c)基本论域取[-50，50]，se(i)基本论域取[-25，25]，阀门调整量u基本论域取[-30，30]；
[0020]
s2:对三个变量进行离散化，相应离散化：
[0021][0022]
其中，x∈[a,b]，n为离散度，三个变量均取离散度n＝3。离散后语言值论域皆为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应描述模糊控制器的输入、输出变量的状态，再加上正负两个方向和零状态，共有7个词汇：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}一般用这些词的英文字头缩写为：{nb,nm,ns,o,ps,pm,pb}
[0023]
s3:采用平滑高斯函数做为隶属函数，边界采用钟形隶属度函数,具体公式如下：
[0024][0025]
s4:设置相应的模糊规则库如下表：
[0026][0027][0028]
s5:由模糊规则表可知输入与输出间的模糊关系，根据不同规则进行模糊推理，对各模糊关系子矩阵取并集得到模拟量输出，采用重心法法对模糊量进行解模糊化，相应公式如下：
[0029][0030]
从而得到阀门调整量的精确值，u。
[0031]
s6:控制器根据u调整阀门开度及风扇转速，使燃气灶得到预设比例的所需流量气体供应。
[0032]
本发明的一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶，其积极有益效果在于：通过控制器控制电控调压阀开度及风机转速以调整气体进入膨胀囊时的压力，通过前后两部分的膨胀囊及位于中部恒压阀的缓冲使囊内气体处于恒压平稳状态，由控制器控制电磁流量阀开度使氢气与空气以预定混合比例进入管道，然后通过气体扰流将气体进行初步预混合后以湍流形式进入灶体，经过气体混合层的渐变式设置在递减的多孔金属板与金属板空隙之间具有一个压力梯度，使燃气在金属板间不断地进行对流以充分混合，最后在燃烧辐射段对燃气进行一个充分燃烧，在燃烧辐射层采用比预燃层孔径更大的泡沫陶瓷，可提高多孔介质的热量回流，有效提高火焰传播速度，提高燃气灶的热效率。通过采用模糊控制算法可使电动调控阀及电磁流量阀的调动幅度得到及时精确的控制，避免阀门调整期间由于氢空管道阀门调动时间偏差引起的气体预混比例失衡。
附图说明
[0033]
图1为一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶；
[0034]
图2为监控系统接线图；
[0035]
图3为控制过程流程图；
[0036]
图4为预混工作流程图。
具体实施方式
[0037]
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0038]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
[0039]
本发明的具体工作过程和实施下：
[0040]
如图1所示的一种定量预混式多孔介质氢燃气灶，包括电控调压阀1、风机2、膨胀囊3、气压腔4、恒压阀5、电磁流量阀6、单向阀7、气体扰流装置8、气体混合器9、气体混合层10、稳流室11、防回火支撑层12、气体预热层13、预燃层14、点火面15、燃烧辐射层16；
[0041]
两种待预混气体依次经相应管道的电控调压阀1、风机2、膨胀囊3、恒压阀5、电磁流量阀6，空气管道在电磁流量阀6后设置有单向阀7及气体扰流装置8，两种气体在气体混合器9与氢气预混然后依次经过气体混合层10、稳流室11以保证气体充分混合，混合燃气通过防回火支撑层12后依次经过气体预热层13、预燃层14抵达点火面15进行点火燃烧，燃烧的火焰主要集中于燃烧辐射层16内部。
[0042]
风机的转速将根据电磁流量阀的阀门开度由控制器进行伴随控制，保障燃气的实时比例，确保调整过程中燃气比例在预设控制范围内，调整过程中精度控制在1％；
[0043]
膨胀囊被气压腔包围，分为前后两部分由恒压阀连接；气压腔被预充有压力，压力值为2.5kpa；
[0044]
氢气管道电磁流量阀出口压力为4kpa,控制器根据用户需求调整电磁流量阀及风机，使空气掺混比为15％
±
0.5％，单向阀出口压力为5kpa避免气体回流导致无法混合；
[0045]
所示气体扰流装置前端呈圆锥状，前端部分具有均匀布置的圆形通孔，锥形壁面与氢气管道壁面呈30
°
布置；
[0046]
气体混合器前端布置有泡沫镍，其孔隙度为0.9。在出口端至壁面前具有空腔，出口壁面布置有均匀通孔；
[0047]
在气体混合层中布置有多孔金属导流板，由边缘向中心方向金属导流板逐渐变短，渐变式的设置使递减的多孔金属板与金属板空隙之间具有一个压力梯度，可使燃气在金属板间不断地进行对流以充分混合；
[0048]
防回火支撑层、气体预热层、预燃层、燃烧辐射层自下往上一起构成了燃烧辐射段，采用孔密度60ppi孔隙率0.8的的al2o3泡沫布置厚度30mm的防回火支撑层，选用孔隙率为0.4，6mm氧化铝小球布置厚度60mm的预热层，燃烧辐射层选用孔密度为10ppi，孔隙率为0.82的氧化锆泡沫陶瓷厚度40mm；
[0049]
燃烧辐射段在上游采用比预燃层孔径较大的10ppi的泡沫陶瓷，以提高火焰传播速度，下游小孔径的多孔介质具有更大的燃气接触面积提高了热量的回流；
[0050]
模糊控制器在监测到旋钮启动后，将检测到的档位偏差度s(c)及旋钮偏差度变化se(i)做为输入量，经模糊控制器计算后得到输出量阀门调整度u，根据u控制电磁流量阀开度，同时控制氢气管道中电控调压阀与空气管道中的风机启动向管道中供应对应压力的燃
气，管道中的气体先由电控调压阀进行降压后通入前部膨胀囊，然后经过恒压阀到达后部膨胀囊，膨胀囊中预定压力与燃气灶内工作压力保持一致，空气经扰流器后在管道中与氢气进行混合；
[0051]
所述模糊控制器内部实现逻辑如下：
[0052]
s1:首先定义旋钮档位偏差度-50≤s(c)≤50，旋钮偏差度变化-25≤se(i)＝s(c)-s(c-1)≤25；s(c)基本论域取[-50，50]，se(i)基本论域取[-25，25]，阀门调整量u基本论域取[-30，30]；
[0053]
s2:对三个变量进行离散化，相应离散化：
[0054][0055]
其中，x∈[a,b]，n为离散度，三个变量均取离散度n＝3。离散后语言值论域皆为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应描述模糊控制器的输入、输出变量的状态，再加上正负两个方向和零状态，共有7个词汇：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}一般用这些词的英文字头缩写为：{nb,nm,ns,o,ps,pm,pb}
[0056]
s3:采用平滑高斯函数做为隶属函数，边界采用钟形隶属度函数,具体公式如下：
[0057][0058]
s4:设置相应的模糊规则库如下表：
[0059][0060]
s5:由模糊规则表可知输入与输出间的模糊关系，根据不同规则进行模糊推理，对各模糊关系子矩阵取并集得到模拟量输出，采用重心法法对模糊量进行解模糊化，相应公
式如下：
[0061][0062]
从而得到阀门调整量的精确值，u。
[0063]
s6:控制器根据u调整阀门开度及风扇转速，使燃气灶得到预设比例的所需流量气体供应。
[0064]
通过采用模糊控制算法可使电动调控阀及电磁流量阀的调动幅度得到实时精确的控制，避免阀门及风机转速调整期间由于调动时间偏差引起的气体预混比例失衡。
[0065]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0066]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶，其特征在于：包括电控调压阀、风机、膨胀囊、气压腔、恒压阀、电磁流量阀、单向阀、气体扰流装置、气体混合器、气体混合层、稳流室、防回火支撑层、气体预热层、预燃层、点火面、燃烧辐射层；两种待预混气体依次经相应管道的电控调压阀、风机、膨胀囊、恒压阀、电磁流量阀，空气管道在电磁流量阀后设置有单向阀及气体扰流装置，两种气体在气体混合器与氢气预混然后依次经过气体混合层、稳流室以保证气体充分混合，混合燃气通过防回火支撑层后依次经过气体预热层、预燃层抵达点火面进行点火燃烧，燃烧的火焰主要集中于燃烧辐射层内部；所述风机的转速将根据电磁流量阀的阀门开度由控制器进行伴随控制，保障燃气的实时比例，确保调整过程中燃气比例在预设控制范围内，调整过程中精度控制在1％；所述膨胀囊被气压腔包围，分为前后两部分由恒压阀连接；所述气压腔被预充有压力，预充压力为500～1000pa；所述电磁流量阀可根据用户需求控制气体输入量，控制混合后的燃气中空气掺混范围为10～20％，精度为0.5％；所述气体扰流装置前端呈圆锥状，前端部分具有均匀布置的圆形通孔，锥形壁面与氢气管道壁面呈15～45
°
布置。2.根据权利要求1所述的气体混合器，前端布置有泡沫镍/铜，其孔隙度在0.9～0.95之间；在出口端至壁面前具有空腔，出口壁面上具有均匀通孔。3.根据权利要求1所述的气体混合层中布置有多孔金属导流板，由边缘向中心方向金属导流板逐渐变短。4.根据权利要求1所述的所述防回火支撑层、气体预热层、预燃层、燃烧辐射层自下往上一起构成了燃烧辐射段，采用0.8～0.9孔隙率的al2o3泡沫做为防回火支撑层，预热层为氧化铝小球，燃烧辐射层选用氧化锆泡沫陶瓷；所述燃烧辐射段在上游采用比下游孔径较大的泡沫陶瓷，以提高火焰传播速度，下游小孔径的多孔介质具有更大的燃气接触面积提高了热量的回流。5.一种包含权利要求1所述的精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶的控制方法，其特征在于，采用了模糊控制器进行精确预混比例的控制，具体过程如下：在监测到旋钮启动后，将检测到的档位偏差度s(c)及旋钮偏差度变化se(i)做为输入量，经模糊控制器计算后得到输出量阀门调整度u，根据u控制电磁流量阀开度，同时控制氢气管道中电控调压阀与空气管道中的风机启动向管道中供应对应压力的燃气，管道中的气体先由电控调压阀进行降压后通入前部膨胀囊，然后经过恒压阀到达后部膨胀囊，膨胀囊中预定压力与燃气灶内工作压力保持一致，空气经扰流器后在管道中与氢气进行混合；所述模糊控制器内部实现逻辑如下：s1:首先定义旋钮档位偏差度-50≤s(c)≤50，旋钮偏差度变化-25≤se(i)＝s(c)-s(c-1)≤25；s(c)基本论域取[-50，50]，se(i)基本论域取[-25，25]，阀门调整量u基本论域取[-30，30]；s2:对三个变量进行离散化，相应离散化：
其中，x∈[a,b]，n为离散度，三个变量均取离散度n＝3。离散后语言值论域皆为{-3,-2,-1,0,1,2,3}，对应描述模糊控制器的输入、输出变量的状态，再加上正负两个方向和零状态，共有7个词汇：{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}一般用这些词的英文字头缩写为：{nb,nm,ns,o,ps,pm,pb}s3:采用平滑高斯函数做为隶属函数，边界采用钟形隶属度函数,具体公式如下：s4:设置相应的模糊规则库如下表：s5:由模糊规则表可知输入与输出间的模糊关系，根据不同规则进行模糊推理，对各模糊关系子矩阵取并集得到模拟量输出，采用重心法法对模糊量进行解模糊化，相应公式如下：从而得到阀门调整量的精确值，u。s6:控制器根据u调整阀门开度及风扇转速，使燃气灶得到预设比例的所需流量气体供应。

技术总结
本发明涉及一种精确控制氢空预混比例的纯氢燃气灶。其包括包括电控调压阀、风机、膨胀囊、气压腔、恒压阀、电磁流量阀、单向阀、气体扰流装置、气体混合器、气体混合层、稳流室、防回火支撑层、气体预热层、预燃层、点火面、燃烧辐射层；通过在控制器监控下的电控调压阀、膨胀囊与恒压阀的共同作用保障气体恒压稳定的按预定比例通入管道内，以精确控制氢气与空气掺混比例，然后空气经气体扰流装置进入混合器与氢气进行初步混合后以湍流形式进入灶体，经过气体混合层的渐变式设置将燃气充分混合到达燃烧层；采用模糊控制算法使电控阀及风机的调动幅度得到实时精确的控制，避免阀门及风机转速调整期间引起气体预混比例失衡。速调整期间引起气体预混比例失衡。速调整期间引起气体预混比例失衡。


技术研发人员：万忠民 阎翰章 龙礼文 周裕恒 戴勇 潘定昌 欧阳广 张幸福 王林青 陈伊宇
受保护的技术使用者：湖南理工学院
技术研发日：2022.11.18
技术公布日：2023/7/31