燃气热水器用渐变型多孔介质材料及其制备方法、应用和燃气热水器技术

本发明专利技术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。本发明专利技术首先构建用于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。等优点。等优点。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于燃烧器
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]“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。
[0005]“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。
[0006]“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。
[0007]“一种多孔复合材料及其制备和应用”(CN113750978A)专利技术，采用多孔吸附材料和高分子粘结剂制备固含量为10wt％～80wt％的吸附浆料，然后将多孔骨架材料和吸附浆料通过挤压或辊压的方式，在其表面自发形成均一涂层结构，制备单次载量高的多孔复合材料。该专利虽实现了对任意孔尺寸泡棉的均匀包覆，但是孔结构仍取决于多孔吸附材料，无法实现孔径、孔型的调控。
[0008]“一种基于十四面体的渐变性多孔骨诱导结构”(CN212630965U)专利技术，通过十四面体支架和八面体支架的两级单元的尺寸调控，实现孔径可调的渐变性多孔骨诱导结构设计。该结构力学性能良好，解决了生物学领域渐变性孔隙结构交界处存在大量断支的问题，但是并未涉及到渐变性结构微观结构参数(孔筋长度、半径、形状等)对温度特性、稳定燃烧特性、贫燃特性、污染物排放特性和辐射效率特性等燃烧特性的影响。

技术实现思路

[0009]为解决现有技术的不足，本专利技术提供了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。本专利技术的制备方法基于对渐变三维空间孔骨架的3D打印成型，可对渐变三维空间孔骨架的单元结构进行形状和尺寸的可控调节。所制备得到的燃气热水器用渐变型多孔介质材料具备孔微结构可控、燃烧强度大、燃烧效率高、污染物排放低的特点。
[0010]本专利技术所提供的技术方案如下：
[0011]一种燃气热水器用渐变型多孔介质材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]1)构建用于3D打印的渐变三维空间孔骨架模型；
[0013]2)将所述步骤1)得到的所述渐变三维空间孔骨架模型导入3D打印设备中，然后，采用直接打印法所用的打印材料进行3D打印，制备得到直接打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架；或者，采用模板打印法所用的打印材料进行3D打印，制备得到中间渐变三维空间孔骨架，再将所述中间渐变三维空间孔骨架涂覆烧结材料，得到模板打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架；
[0014]3)将步骤2)得到的所述直接打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架进行烧结固化，得到燃气热水器用渐变型多孔介质材料；或者，将步骤2)得到的所述模板打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架进行烧结成型，得到燃气热水器用渐变型多孔介质材料。
[0015]现有技术中，多孔介质燃烧器主要通过烧结法制备，在通过烧结过程形成的孔洞或孔道的结构、尺寸难以准确成型。另一方面，虽然烧结过程会形成孔腔，但由于烧制材料和工艺等因素，许多孔腔不具有较大的开口，甚至只能通过一个开口与其他孔腔连通，从而导致多孔介质燃烧器内的孔腔的全局的连通性降低。再一方面，对于多层骨架结构，无法消
除各层连接面的界面问题，造成交界处热应力过大，使用寿命低。
[0016]上述技术方案利用3D打印，可以根据设计方法，精确的制备出渐变三维空间孔骨架模型，并根据需要调整渐变三维空间孔骨架模型中各胞元的尺寸、结构等。而基于结构的调整，更可以让各胞元的各侧壁具有通孔结构，从而进一步的提高多孔介质燃烧器内的孔腔的全局的连通性，提升孔隙率。
[0017]在实际应用时，可明显的提高燃烧强度，显著降低燃烧后NOx浓度和CO浓度。
[0018]另一方面，本专利技术采用3D打印技术成型渐变三维空间孔骨架，骨架结构分布连续。当骨架结构包含多层结构时，界面处一体成型，不会受限于制备技术使得孔结构和尺寸不可控，并影响界面燃烧效率和寿命。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种燃气热水器用渐变型多孔介质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建用于3D打印的渐变三维空间孔骨架模型；2)将所述步骤1)得到的所述渐变三维空间孔骨架模型导入3D打印设备中，然后，采用直接打印法所用的打印材料进行3D打印，制备得到直接打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架；或者，采用模板打印法所用的打印材料进行3D打印，制备得到中间渐变三维空间孔骨架，再将所述中间渐变三维空间孔骨架涂覆烧结材料，得到模板打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架；3)将步骤2)得到的所述直接打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架进行烧结固化，得到燃气热水器用渐变型多孔介质材料；或者，将步骤2)得到的所述模板打印法待烧结的渐变三维空间孔骨架进行烧结成型，得到燃气热水器用渐变型多孔介质材料。2.根据权利要求1所述的燃气热水器用渐变型多孔介质材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，制备得到的各所述渐变三维空间孔骨架至少包括第一层几何框架(1)和第二层几何框架(2)，所述第一层几何框架(1)为由第一层基础胞元体框架结构(101)分别沿长度、宽度和高度方向阵列n1、n2、n3个得到，所述第二层几何框架(2)为由第二层基础胞元体框架结构(201)分别沿长度、宽度和高度方向阵列n4、n5、n6个得到，所述第二层几何框架(2)和所述第一层几何框架(1)上、下平行设置，并且，所述第一层几何框架(1)上端面的各孔筋所在的层与所述第二层几何框架(2)下端面的各孔筋所在的层共层。3.根据权利要求2所述的燃气热水器用渐变型多孔介质材料的制备方法，其特征在于，所述渐变三维空间孔骨架模型的构建方法包括如下步骤：1a)构建所述渐变三维空间孔骨架模型的第一层基础胞元体框架模型；1b)将所述第一层基础胞元体框架模型分别沿燃烧器装置的长度、宽度和高度方向阵列n1、n2、n3个，得到所述的第一层几何模型；1c)在所述第一层几何模型的上端面上构建所述渐变三维空间孔骨架模型的第二层基础胞元体框架模型，并将所述第二层基础胞元体框架模型的下端面的各孔筋模型所在的层平行的重合到所述第一层几何模型上端面的各孔筋模型所在的层中；1d)将所述第二层基础胞元体框架模型分别沿燃烧器装置的长度、宽度和高度方向阵列n4、n5、n6个，得到所述的第二层几何模型。4.根据权利要求3所述的燃气热水器用渐变型多孔介质材料的制备方法，其特征在于：水器用渐变型多孔介质材料的制备方法，其特征在于：水器用渐变型多孔介质材料的制备方法，其特征在于：H2＝H
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【专利技术属性】
技术研发人员：潘丽萍，李亚伟，梁雄，马诗涵，张宇航，赵冬贤，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：