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[摘 要]烧烤在欧美国家是非常流行的，每家每户都会拥有一个烧烤炉。烧烤炉的种类可分为碳炉、气炉、电炉、烟熏炉；形式可分为Table Top、Patio、BBQ Cart、BBQ Island。現在的流行趋势是燃气烤炉占主流市场，而燃烧系统对于烤炉是至关重要的组成部份。本文将从燃气、供气、点火和燃烧器几部份对烤炉燃烧系统进行简单介绍。
[关键词]烤炉 燃气 点火 炉头 减压阀
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-001-02
烧烤（Barbecue）是欧美国家的一种烹饪文化，它最早从将木头放在地上或石头上燃烧，后来利用油桶做简易烧烤炉，发展到现在多种多样的烧烤炉。同时它也催生了一个行业的高速发展，根据CASUAL LIVING杂志统计，2011年在美国销售的烤炉达到29.25亿美元，而到2016年将会增长到34.5亿美元。最早烧烤炉是美国本土生产，后来移到台湾，现在大多数是国内厂家生产。
对于烧烤炉最核心部分——燃烧系统，它类似家用燃气灶，但也有所区别。它分为三个部分：供气部分、点火部分、燃烧部分。它的好坏直接影响到烤炉的性能。燃烧系统的设计需要考虑燃气种类、炉面温度、燃烧能效和安全标准等因素。
一、燃气
一般国外会用到以下几种燃气：
（一）液化气（LPG），高热值为108900kJ/Nm?，低热值为87900kJ/Nm?，主要成分
是C3（丙烷/丙烯）和C4（丁烷/丁烯）不同国家有不同的比例。它是最常用的一种燃气，目前市场上大多数的烤炉采用这种燃气。
（二）丙烷（Propane），高热值为101266kJ/Nm?，低热值为93240kJ/Nm?。
（三）丁烷（Butane），高热值为183885kJ/Nm?，低热值为123649kJ/Nm?。
（四）天燃气（NG），高热值为41860kJ/Nm?，低热值为33500kJ/Nm?，这种燃气在
加拿大市场上较常用，但需要有专门的管道转换器。现在市场上有相当一部分烤炉是LPG和NG双燃气的。
燃气的热值是指1 Nm ?燃气完全燃烧所放出的热量，单位为kJ/Nm?。高热值是指1 Nm ?燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。低热值是指1 Nm ?燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。
二、供气
供气部分主要由减压阀（Regulator）、瓦斯管（Hose）、歧管（Valve）组成，而这些部件必须有独立的相关安全认证，如进入北美市，需要CSA认证，进入欧洲市场，需要CE认证。
减压阀的作用是将高压燃气转换成低压燃气，它涉及的参数有额定流量、出口压力，更重要的是它必须要有防泄漏装置。各国的额定压力不一样，单位也不一样，如美国为11寸水柱，而欧洲有28/29/30/50mbar。
瓦斯管的作用是连接减阀与歧管，材料一般为橡胶，不同国家标准对于它的规格都有要求，美国为5/16”，欧洲有8mm和10mm。
歧管的作用是为燃烧器提供燃气，它实际上是一个带喷嘴的开关阀，一般设置有三个档位：OFF、HI、LOW，实现对烤炉的开关和炉温控制。喷嘴是控制燃气流量大小的关键零件，它的大小确定了单支炉头的BTU（英制热值单位，1BTU=1055J）。BTU是烤炉的一项主要技术参数。流量与喷嘴孔径的关系可按下面公式计算：
流量（Q）计算公式：
其中：Q—流量（SCFH） ?—孔径mm
k—流量系数 一般采用0.8 p--流体压力 mmH2 O
d—相对比重 空气为1.0 天然气为0.6 LPG为1
热值（T）计算公式：
T=单位热值x Q
一般可按下图的经验值来确定喷嘴与BTU的关系：
而总BTU的确定一般可按80-100BTU/H·IN?计算，即烤炉的总热值=（80-100）X烧烤面积。烧烤面积也是烤炉的一个重要参数，它是用户可放置食物的有效面积，一般大于或等于烤网面积，单位为IN?。
三、点火
点火是指如果盛有可燃混合物的容器，其温度升高到某一温度时即发生燃烧。只有当火花产生的能量超过最低点火能Emin时，才能将燃气点燃。
常用的烤炉点火方式有以下几种：
（一）手动点火，它是一个可放置火柴的装置，一般是与烤炉不可分拆，它是在炉头点火功能失效后，可利用它进行点火。现在已经是烤炉的标配部件。
（二）脉冲点火，它是采用电池供电，内有带高压包的电子电路，能够可连续发出高压电弧。特点是安全可靠，但价格较高。
（三）压电点火，它是利用机械撞击压电陶瓷，产生电压放电。特点是价格较低，但电弧的不连续性降低了点火成功率。
脉冲点火和压电点火都电火花点火，利用两电极增高电压，产生电场，燃气中的带电体被电场加速，运动的带电粒子积聚足够的动能，产生与分子的非弹性碰撞，使后者电离，带电粒子的浓度以指数级数增加，开始时的微小电流被放大几百万倍，产生一个大电流。此过程所需的时间取决于所加的电压与击穿电压的比值。点火器产生的电压在15-20KV之间。击穿电压在其种程度上取决于燃气组分、电极形状、温度和压力。击穿电压一般可按下公式近似计算出：
Vb=2.7+1.4d
其中Vb----击穿电压（kV）
d----电极间距（mm）
一般混合气体的击穿电压在8kV左右。
当电极间距大于临界直径D0，最小点火能Emin就不受电极间距大小的影响，如果电极间距小于D0，热量就要向电极上散失，点燃燃气就需要更多的能量。下图显示了电极间距、直径和点火能量的关系： 可见，一般电极间距取3-5mm。
另外，燃气的浓度对点火也有一定的影响，可以增加集气罩，增加燃气浓度，以保证点火的可靠性。
四、燃烧器
燃烧器即炉头，是烤炉至关重要的部件，它的好坏决定了一个烤炉的性能。烤炉的炉头属于大气式燃烧器，它由头部和引射器两部分组成，其工作原理是燃气在一定的压力下以一定的流速从喷嘴喷出，依靠燃气动能产生的引射作用从一次空气口吸入一次空气，在引射器内燃气与一次空气混合，经排列在头部的火孔流出而进行燃烧。大气式燃烧器的火焰应有较大的稳定范围，即在高负荷下不离焰，低负荷下不回火，火焰中不产生碳微粒且火焰高度基本相等。欧美国家对于烤炉的一氧化碳的排放都有标准限制。
常见的炉头有冲压成型炉头、铸铁炉头、铸铜炉头、管形炉头、红外线陶瓷炉头。冲压炉头多用于低档的烤炉，通常为单头或双头炉，BTU值不高。铸铁和铸铜炉头一般出现在高档烤炉上，由于铸造炉头在型腔和火孔上有忧势，它的燃烧效果是最好的，但价格也是最高的。目前市场上大多数的炉头采用管形炉头，它的价格相对较低，取材方便宜，加工简单。
管形炉头的设计需要考虑以下几个因素：引射管、火孔面积和排布、一次空气口。下面简要说明管形炉头的参数设计。
设计炉头时应注意一次空气口、火孔和引射管的设计，以防止离焰、回火和黄焰的出现。当焰面上燃气和空气混合物的流速大于燃烧速度时，会产生离焰。离焰极限可用以下公式估算
对于人工煤气（H=20000kJ/m3，s=0.65）log
对于天然气（H=42290kJ/m3，s=0.38）和丁烷log
其中，m----斜率，天然气为0.008，丁烷为0.0084，人工煤气为0.01
F、N----常数，如下表
a ----离焰极限一次空气系数，%
q1----离焰极限火孔热强度（W/mm2）
当焰面上燃气和空气混合物的流速小于燃烧速度时，会产生回火。燃气性质、可燃混合物温度及火孔形状、尺寸对回火极限热强度及一次空气系数都有影响，下图显于出不同燃气在不同条件下的回火极限参数
当一次空气系数较小时，火焰向扩散燃烧方向过渡，析出碳微粒，产生黄焰。
由引射管吸入的一次空气量受燃气压力、相对密度和热值的影响，其关系式如下：
其中， ----一次空气系数
P----燃气压力（Pa）
s----燃气相对密度
H----燃气热值（kJ/Nm3）
Am----引射管喉部与出口截面的平均值（mm2）
Ap----燃烧火孔总面积（mm2）
Q----炉头的执负荷（kJ/h）
T----炉头头部燃气和空气混合物的绝对温度（K）
值可称为燃气的空气引射能力因子，它表示对于不同的燃气，
因其压力、相对密度和热值不同，将具有不同的空气引射能力。在设计炉头时，应考虑燃气成分的变化和压力的波动，通过对一次空气量的调节，可以实现在各种工况下吸入足够的一次空气量，以达到稳定燃烧。还应充分考虑火孔的直径、孔距和行数。一般火孔直径越大，越易回火；火孔直径越小，越易离焰；火孔直径越大，越易黄焰。设计时可采用的最大火孔直径如参考下表
一般火孔間距为2～3倍dp（火孔直径）。另外，火孔行数在一般情况下取2行，最多不超过3行，行数增加时应加大一次空气系数，以避免黄焰，每增加一排火孔，一次空气系数增加5～7%。引射管是影响炉头性能的最主要的因素，一般的引射管采用文丘里管，喉管的直径可按与火孔总面积之比确定，就管形炉头来说，喉管截面积为火孔总面积的35%～45%时，引射一次空气的性能最好。引射管过短会造成混合不良，一般喉部到炉头头部的尺寸为喉部直径的6～10倍。由一次空气系数公式中可以看出一次空气系数 与火孔总面积Ap、引射客平均面积Am及热负荷Q之间的关系，在设计炉头时应充分利用该公式，以确定炉头的主要尺寸参数。
对于烤炉燃烧系统的设计，除了供气部分、点火部分、燃烧部分，还有一些地方需要注意到，即烧烤面均温、吹风和部件超温。对于一个好的烤炉，要求烧烤面各点温差不得大于9.7°C，这需从炉头分布、烟气扰流、烤网与分火板和炉头之间的高度等方面进行优化设计以及大量的实验测试确定。吹风和部件超温问题主要是根据CSA或CE标准执行，吹风测试达到标准要求和各部件的温度不超过标准所规定的温度就可以了。
参考文献：
[1] 姜正侯主编，燃气工程技术手册，上海，同济大学出版社，1993
[2] 普利查德，燃气应用技，北京，中国建筑工业出版社，1983
[3] 许晋源、徐通模，燃烧学，北京，机械工业出版社，1980
[4] CASUAL LIVING，USA，Sandow Media LLC.，March 2012
[关键词]烤炉 燃气 点火 炉头 减压阀
中图分类号：TG333.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）26-001-02
烧烤（Barbecue）是欧美国家的一种烹饪文化，它最早从将木头放在地上或石头上燃烧，后来利用油桶做简易烧烤炉，发展到现在多种多样的烧烤炉。同时它也催生了一个行业的高速发展，根据CASUAL LIVING杂志统计，2011年在美国销售的烤炉达到29.25亿美元，而到2016年将会增长到34.5亿美元。最早烧烤炉是美国本土生产，后来移到台湾，现在大多数是国内厂家生产。
对于烧烤炉最核心部分——燃烧系统，它类似家用燃气灶，但也有所区别。它分为三个部分：供气部分、点火部分、燃烧部分。它的好坏直接影响到烤炉的性能。燃烧系统的设计需要考虑燃气种类、炉面温度、燃烧能效和安全标准等因素。
一、燃气
一般国外会用到以下几种燃气：
（一）液化气（LPG），高热值为108900kJ/Nm?，低热值为87900kJ/Nm?，主要成分
是C3（丙烷/丙烯）和C4（丁烷/丁烯）不同国家有不同的比例。它是最常用的一种燃气，目前市场上大多数的烤炉采用这种燃气。
（二）丙烷（Propane），高热值为101266kJ/Nm?，低热值为93240kJ/Nm?。
（三）丁烷（Butane），高热值为183885kJ/Nm?，低热值为123649kJ/Nm?。
（四）天燃气（NG），高热值为41860kJ/Nm?，低热值为33500kJ/Nm?，这种燃气在
加拿大市场上较常用，但需要有专门的管道转换器。现在市场上有相当一部分烤炉是LPG和NG双燃气的。
燃气的热值是指1 Nm ?燃气完全燃烧所放出的热量，单位为kJ/Nm?。高热值是指1 Nm ?燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，而其中的水蒸气以凝结水状态排出时所放出的热量。低热值是指1 Nm ?燃气完全燃烧后其烟气被冷却至原始温度，但烟气中的水蒸气仍为蒸气状态时所放出的热量。
二、供气
供气部分主要由减压阀（Regulator）、瓦斯管（Hose）、歧管（Valve）组成，而这些部件必须有独立的相关安全认证，如进入北美市，需要CSA认证，进入欧洲市场，需要CE认证。
减压阀的作用是将高压燃气转换成低压燃气，它涉及的参数有额定流量、出口压力，更重要的是它必须要有防泄漏装置。各国的额定压力不一样，单位也不一样，如美国为11寸水柱，而欧洲有28/29/30/50mbar。
瓦斯管的作用是连接减阀与歧管，材料一般为橡胶，不同国家标准对于它的规格都有要求，美国为5/16”，欧洲有8mm和10mm。
歧管的作用是为燃烧器提供燃气，它实际上是一个带喷嘴的开关阀，一般设置有三个档位：OFF、HI、LOW，实现对烤炉的开关和炉温控制。喷嘴是控制燃气流量大小的关键零件，它的大小确定了单支炉头的BTU（英制热值单位，1BTU=1055J）。BTU是烤炉的一项主要技术参数。流量与喷嘴孔径的关系可按下面公式计算：
流量（Q）计算公式：
其中：Q—流量（SCFH） ?—孔径mm
k—流量系数 一般采用0.8 p--流体压力 mmH2 O
d—相对比重 空气为1.0 天然气为0.6 LPG为1
热值（T）计算公式：
T=单位热值x Q
一般可按下图的经验值来确定喷嘴与BTU的关系：
而总BTU的确定一般可按80-100BTU/H·IN?计算，即烤炉的总热值=（80-100）X烧烤面积。烧烤面积也是烤炉的一个重要参数，它是用户可放置食物的有效面积，一般大于或等于烤网面积，单位为IN?。
三、点火
点火是指如果盛有可燃混合物的容器，其温度升高到某一温度时即发生燃烧。只有当火花产生的能量超过最低点火能Emin时，才能将燃气点燃。
常用的烤炉点火方式有以下几种：
（一）手动点火，它是一个可放置火柴的装置，一般是与烤炉不可分拆，它是在炉头点火功能失效后，可利用它进行点火。现在已经是烤炉的标配部件。
（二）脉冲点火，它是采用电池供电，内有带高压包的电子电路，能够可连续发出高压电弧。特点是安全可靠，但价格较高。
（三）压电点火，它是利用机械撞击压电陶瓷，产生电压放电。特点是价格较低，但电弧的不连续性降低了点火成功率。
脉冲点火和压电点火都电火花点火，利用两电极增高电压，产生电场，燃气中的带电体被电场加速，运动的带电粒子积聚足够的动能，产生与分子的非弹性碰撞，使后者电离，带电粒子的浓度以指数级数增加，开始时的微小电流被放大几百万倍，产生一个大电流。此过程所需的时间取决于所加的电压与击穿电压的比值。点火器产生的电压在15-20KV之间。击穿电压在其种程度上取决于燃气组分、电极形状、温度和压力。击穿电压一般可按下公式近似计算出：
Vb=2.7+1.4d
其中Vb----击穿电压（kV）
d----电极间距（mm）
一般混合气体的击穿电压在8kV左右。
当电极间距大于临界直径D0，最小点火能Emin就不受电极间距大小的影响，如果电极间距小于D0，热量就要向电极上散失，点燃燃气就需要更多的能量。下图显示了电极间距、直径和点火能量的关系： 可见，一般电极间距取3-5mm。
另外，燃气的浓度对点火也有一定的影响，可以增加集气罩，增加燃气浓度，以保证点火的可靠性。
四、燃烧器
燃烧器即炉头，是烤炉至关重要的部件，它的好坏决定了一个烤炉的性能。烤炉的炉头属于大气式燃烧器，它由头部和引射器两部分组成，其工作原理是燃气在一定的压力下以一定的流速从喷嘴喷出，依靠燃气动能产生的引射作用从一次空气口吸入一次空气，在引射器内燃气与一次空气混合，经排列在头部的火孔流出而进行燃烧。大气式燃烧器的火焰应有较大的稳定范围，即在高负荷下不离焰，低负荷下不回火，火焰中不产生碳微粒且火焰高度基本相等。欧美国家对于烤炉的一氧化碳的排放都有标准限制。
常见的炉头有冲压成型炉头、铸铁炉头、铸铜炉头、管形炉头、红外线陶瓷炉头。冲压炉头多用于低档的烤炉，通常为单头或双头炉，BTU值不高。铸铁和铸铜炉头一般出现在高档烤炉上，由于铸造炉头在型腔和火孔上有忧势，它的燃烧效果是最好的，但价格也是最高的。目前市场上大多数的炉头采用管形炉头，它的价格相对较低，取材方便宜，加工简单。
管形炉头的设计需要考虑以下几个因素：引射管、火孔面积和排布、一次空气口。下面简要说明管形炉头的参数设计。
设计炉头时应注意一次空气口、火孔和引射管的设计，以防止离焰、回火和黄焰的出现。当焰面上燃气和空气混合物的流速大于燃烧速度时，会产生离焰。离焰极限可用以下公式估算
对于人工煤气（H=20000kJ/m3，s=0.65）log
对于天然气（H=42290kJ/m3，s=0.38）和丁烷log
其中，m----斜率，天然气为0.008，丁烷为0.0084，人工煤气为0.01
F、N----常数，如下表
a ----离焰极限一次空气系数，%
q1----离焰极限火孔热强度（W/mm2）
当焰面上燃气和空气混合物的流速小于燃烧速度时，会产生回火。燃气性质、可燃混合物温度及火孔形状、尺寸对回火极限热强度及一次空气系数都有影响，下图显于出不同燃气在不同条件下的回火极限参数
当一次空气系数较小时，火焰向扩散燃烧方向过渡，析出碳微粒，产生黄焰。
由引射管吸入的一次空气量受燃气压力、相对密度和热值的影响，其关系式如下：
其中， ----一次空气系数
P----燃气压力（Pa）
s----燃气相对密度
H----燃气热值（kJ/Nm3）
Am----引射管喉部与出口截面的平均值（mm2）
Ap----燃烧火孔总面积（mm2）
Q----炉头的执负荷（kJ/h）
T----炉头头部燃气和空气混合物的绝对温度（K）
值可称为燃气的空气引射能力因子，它表示对于不同的燃气，
因其压力、相对密度和热值不同，将具有不同的空气引射能力。在设计炉头时，应考虑燃气成分的变化和压力的波动，通过对一次空气量的调节，可以实现在各种工况下吸入足够的一次空气量，以达到稳定燃烧。还应充分考虑火孔的直径、孔距和行数。一般火孔直径越大，越易回火；火孔直径越小，越易离焰；火孔直径越大，越易黄焰。设计时可采用的最大火孔直径如参考下表
一般火孔間距为2～3倍dp（火孔直径）。另外，火孔行数在一般情况下取2行，最多不超过3行，行数增加时应加大一次空气系数，以避免黄焰，每增加一排火孔，一次空气系数增加5～7%。引射管是影响炉头性能的最主要的因素，一般的引射管采用文丘里管，喉管的直径可按与火孔总面积之比确定，就管形炉头来说，喉管截面积为火孔总面积的35%～45%时，引射一次空气的性能最好。引射管过短会造成混合不良，一般喉部到炉头头部的尺寸为喉部直径的6～10倍。由一次空气系数公式中可以看出一次空气系数 与火孔总面积Ap、引射客平均面积Am及热负荷Q之间的关系，在设计炉头时应充分利用该公式，以确定炉头的主要尺寸参数。
对于烤炉燃烧系统的设计，除了供气部分、点火部分、燃烧部分，还有一些地方需要注意到，即烧烤面均温、吹风和部件超温。对于一个好的烤炉，要求烧烤面各点温差不得大于9.7°C，这需从炉头分布、烟气扰流、烤网与分火板和炉头之间的高度等方面进行优化设计以及大量的实验测试确定。吹风和部件超温问题主要是根据CSA或CE标准执行，吹风测试达到标准要求和各部件的温度不超过标准所规定的温度就可以了。
参考文献：
[1] 姜正侯主编，燃气工程技术手册，上海，同济大学出版社，1993
[2] 普利查德，燃气应用技，北京，中国建筑工业出版社，1983
[3] 许晋源、徐通模，燃烧学，北京，机械工业出版社，1980
[4] CASUAL LIVING，USA，Sandow Media LLC.，March 2012