[发明专利]燃气热水器用渐变型多孔介质材料及其制备方法、应用和燃气热水器

说明书

本发明属于燃烧器技术领域，具体涉及一种燃气热水器用渐变型多孔介质材料及其制备方法、应用和燃气热水器。本发明首先构建用于3D打印的渐变三维空间孔骨架模型，然后结合3D打印法制备燃气热水器用渐变型多孔介质材料。该材料具有孔隙率可大范围调控、燃烧均匀、燃烧强度高、燃烧效率高、污染物排放低、抗热震性能好和服役寿命高的优点，所制备的燃气热水器用多孔介质燃烧器燃烧装置气孔贯通且分布均匀等优点。

技术领域

本发明属于燃烧器技术领域，具体涉及一种燃气热水器用渐变型多孔介质材料及其制备方法、应用和燃气热水器。

背景技术

目前，基于多孔介质燃烧技术具有燃烧强度大、燃烧效率高、污染物排放低等优点，市面上燃气热水器多采用多孔介质结构作为燃烧器。多孔介质的结构主要有纤维网状、颗粒堆积、直孔网络和泡沫型四种，材料主要包括金属材料和非金属材料两大类。其中，金属纤维结构因具备孔隙率较高、流动阻力小、良好的强度、刚度和韧性以及导热和辐射等优点，是目前燃气热水器用燃烧器的常见结构。但是该结构生产技术难度大，制备成本较高；且由于燃烧器启动和停止过程中多孔介质固体骨架需承受较高的热应力，结构极易发生变形。泡沫陶瓷多孔介质结构因孔径大小(100μm～5mm)和分布较均匀、孔隙率高(70～90％)、比表面积大等优点，成为近些年工业多孔介质燃烧器用主流结构。另外，泡沫陶瓷多孔介质结构采用Al₂O₃、ZrO₂、SiC等无机材料制备，解决了金属纤维结构的易变形问题。因此，该种结构也被应用在燃气热水器领域，同时为进一步保证使用安全和燃烧效率，燃气热水器用多孔介质燃烧器多采用双层或多层渐变孔复合结构，结合热压注工艺、注凝成型、注浆或挤出等方法生产。但是，这种多层骨架结构间极易因为尺寸不匹配而发生流通面积突变，造成界面处燃烧火焰不稳定。基于现有的生产技术，这种多孔结构孔单元没有规律可循或排列无规则，描述其几何形状比较困难，使得孔的结构、尺寸不可控，导致采用该结构进行多温度域燃烧效率的调控幅度受限。

不难发现，家用燃气热水器燃烧器用多孔介质固体骨架的传热特性参数会对多孔介质燃烧、传热和产物生成产生较大影响。而骨架中大小孔介质的孔径和孔隙率等，不仅会对多孔介质的热物性参数产生影响，更是设计与优化多孔介质燃烧器之根本所在。但是，目前家用热水器燃烧器的研究主要聚焦在温控系统、安全系统、降噪、燃烧器单体、火排结构等方面。对多孔介质技术的研究，也主要集中在制备工艺及材质改进、孔内燃烧理论、燃烧效率及污染物排放控制方面。尽管少量研究涉及到多孔骨架的设计方面，但是也未涉及到燃气热水器的使用背景上。

“燃烧器的火排、燃气热水器的燃烧器和燃气热水器”(CN208349301U)专利技术，在分火器中设计多个通气通道的连接方式及孔径，在燃烧基板中设计燃烧孔分布数量，同时设计导气管的连接方式。该设计能促进燃气燃烧，有利于降低燃气热水器工作时所产生的氮氧化物排放，但是主要针对通气通道的设计，并未涉及到燃烧器多孔骨架结构的改性。

“家用燃气热水器燃烧器单体”(CN111735206U)专利技术，在火排片上设计了若干火焰孔在分火器中设计多个通气通道的连接方式及孔径，在燃烧基板中设计燃烧孔分布数量，同时设计导气管的连接方式。该设计能促进燃气燃烧，有利于降低燃气热水器工作时所产生的氮氧化物排放，但是主要针对火排结构孔的设计，并未涉及到燃烧器多孔骨架结构的改性。

“一种梯度孔结构碳化硅基多孔陶瓷的制备方法”(CN105801122B)专利技术，通过碳化硅多孔陶瓷的预处理、硅浆的制备、硅浆在碳化硅多孔陶瓷表面的涂覆和气氛烧结四步，在碳化硅多孔陶瓷的表面涂覆一层孔径小于碳化硅多孔陶瓷孔径的纳米级氮化硅晶须。虽然该制备能形成由内向外孔径逐渐变大的梯度孔结构碳化硅基多孔陶瓷，在不降低过滤元件使用性能的前提下可提高其耐用性，但是采用的是多孔陶瓷模板，孔结构尺寸及分布的设计仍不可控。