紅外線中餐燃?xì)庠顮t膛改造的實(shí)驗(yàn)研究

摘 要

摘要：研究了中餐燃?xì)庠顮t膛內(nèi)的傳熱過(guò)程，確定了改造方案，通過(guò)對(duì)比改造前后的熱效率，改造后的中餐燃?xì)庠罹哂懈叩臒嵝?，證明了改造方案的可行性。關(guān)鍵詞：紅外線中餐燃?xì)庠?；輻射換
摘要：研究了中餐燃?xì)庠顮t膛內(nèi)的傳熱過(guò)程，確定了改造方案，通過(guò)對(duì)比改造前后的熱效率，改造后的中餐燃?xì)庠罹哂懈叩臒嵝?，證明了改造方案的可行性。
關(guān)鍵詞：紅外線中餐燃?xì)庠睿惠椛鋼Q熱；對(duì)流換熱；爐膛改造；熱效率
Experimental Research on Reconstructing the Furnace Chamber of Infrared Chinese Gas Cooking Range
School of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University Li Guangpeng，Cui Yongzhang
Abstract：The heal transfer processes in Furnace Chamher of the Infrared Chinese Gas Cooking Range are studied，and the reconstructed scheme is detemfined.Through comparing the experiments，it is found lhat the reconstructed Chinese Gas Cooking Range has a higher heat efficiency，which proves the hasihility of the reconstructed scheme.
Keywords：the Infrared Chinese Gas Cooking Range；radiant heat transfer；convection heat transfer；the furnace chamber；thermal effieiency
1 引言
    中餐燃?xì)庠钪饕糜谫e館、酒店和食堂等烹飪菜肴，其主要特點(diǎn)是熱負(fù)荷較大、火力集中、鍋底熱強(qiáng)度大和加熱速度快。為了提高熱效率，減少環(huán)境污染，不少學(xué)者在紅外輻射燃燒器方面進(jìn)行了大量研究，并證實(shí)了紅外輻射燃燒器應(yīng)用到中餐燃?xì)庠畹膬?yōu)越性，但對(duì)爐膛研究較少。本文通過(guò)對(duì)紅外線中餐燃?xì)庠顮t膛的改造，以研究其對(duì)熱效率的影響。
2 中餐燃?xì)庠顮t膛換熱分析
   中餐燃?xì)庠顮t膛內(nèi)的簡(jiǎn)化換熱模型如圖1所示。對(duì)于氣體燃料，燃燒完全產(chǎn)物主要是C02和H20，氣體輻射量相對(duì)較小。如果忽略氣相輻射，鍋底接受的總熱量主要有燃燒器表面的輻射換熱和煙氣對(duì)流換熱。鍋底接受的總熱量可用式(1)表示。
    qtotal=qc+qr=h0(T1-T2)+F1-2εσ(T14-T24)    (1)
式中：qtotal為鍋底接受的總熱量，kw/m2；qc為熱煙氣與鍋底之間的對(duì)流換熱，kw/m2；qr為燃燒器表面與鍋底的輻射換熱，kw/m2；Tf為沖刷鍋底的煙氣溫度，K；T1為燃燒器表面溫度，K；T2為鍋底溫度，K。
    其中燃燒器表面與鍋底的輻射換熱量為
    qr=F1-2εσ(T14-T24)    (2)
    式中：F1-2為圖1中燃燒器表面到鍋底表面的輻射換熱角系數(shù)；ε為表面輻射特性參數(shù)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8w/(m2·K4)。
大氣式或鼓風(fēng)式中餐燃?xì)庠畹娜紵a(chǎn)物直接沖刷鍋底，通過(guò)鍋底表面進(jìn)行對(duì)流換熱。輻射換熱量受燃燒產(chǎn)物與燃燒表面對(duì)流換熱的限制而導(dǎo)致值較小，鍋底接受的熱量以燃燒產(chǎn)物與鍋底的對(duì)流換熱為主。而紅外輻射燃燒器以輻射和對(duì)流兩種形式傳熱，一般輻射熱量占總熱量的45%～60%?？梢?jiàn)，傳統(tǒng)的大氣式燃燒器的爐膛結(jié)構(gòu)不能合理分配對(duì)流換熱量和輻射換熱量，因此有必要對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化沒(méi)計(jì)，以達(dá)到中餐灶高效利用的目的。
 
    圖2為中餐灶結(jié)構(gòu)示意岡，爐膛結(jié)構(gòu)主要影響煙氣對(duì)流換熱，煙氣主要分為兩部分：一是經(jīng)鍋圈排煙氣，其對(duì)熱效率影響較大；二是經(jīng)煙道排炯?xì)?，其一般加熱溫鍋灶后再排出，排煙溫度約在200℃以上。經(jīng)過(guò)鍋圈流出煙氣主要是以對(duì)流方式加熱鍋底和鍋側(cè)，提高速度有利于提高對(duì)流換熱，則鍋與爐膛耐火保溫材料間隙、鍋圈與鍋之間間隙成為重要因素。另外，兩股氣流的分配也影響到中餐灶的熱效率。
    原灶是采用強(qiáng)制鼓風(fēng)燃燒器，其過(guò)剩空氣量高達(dá)1.6以上，煙氣量較高，鍋圈間隙較大。而紅外輻射燃燒器的過(guò)?？諝庀禂?shù)僅在1.05以下，炯?xì)饬髁看蟠蠼档?，在原鍋圈條件下流速較低。煙氣沖刷鍋底，速度越大對(duì)流換熱越強(qiáng)，因此提出減少鍋圈與鍋之間的距離，以適當(dāng)提高煙氣沖刷的速度。
    常用的爐膛的耐火材料是粘土磚和水泥，其具有一定的蓄熱能力，但爐溫提升慢，且重量較重，不容易更換。硅酸鋁板耐火溫度高，高鋁型可達(dá)到1400℃以上，因此采用環(huán)形硅酸鋁板作為耐火保溫材料。
    本方案將原鍋周與鍋之間的距離9mm現(xiàn)改為5mm；在爐膛的煙氣出口設(shè)置擋煙板，減少煙氣外排量；爐膛部位是對(duì)流沖刷的主要受熱部位，改善該部位的氣流組織也必然會(huì)影響到熱效率，因此設(shè)計(jì)了錐形硅酸鋁塊，形成煙氣與鍋底之間有效沖刷。
4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析
4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)
    為對(duì)比改造前后中餐灶熱效率，在原有額定負(fù)荷為18kW的紅外中餐燃?xì)庠畹幕A(chǔ)上對(duì)爐膛進(jìn)行煙道、鍋圈和爐膛結(jié)構(gòu)的改造，并對(duì)改造后的熱效率進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置的布置和流程如圖3所示。
4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析
    (1) 改造煙道實(shí)驗(yàn)
    如前所述燃燒產(chǎn)生的煙氣可分為兩部分，一是隨煙道排走，二是隨鍋圈排走。改造煙道后熱效率變化見(jiàn)圖4。在額定熱負(fù)荷18kW下熱效率約為45%，相比于改造前可提高5%左右。原因是改造煙道后改變煙氣流量分配，增加了沖刷鍋底的對(duì)流煙氣量。
    (2) 改造鍋圈實(shí)驗(yàn)
    為研究鍋圈對(duì)效率的影響，將所有煙氣口全部封閉，測(cè)試發(fā)現(xiàn)熱效率降低明顯。將原鍋圈與鍋之間的距離10mm現(xiàn)改為5mm后進(jìn)行熱效率測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖5，其效率提高在8%左右。在低負(fù)荷下熱效率提高低于高負(fù)荷下熱效率的提高，原因是高負(fù)荷下煙氣量較大，氣流沖刷速度大增強(qiáng)了對(duì)流換熱量。
    (3) 改造爐膛結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)
    在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)紅外中餐燃?xì)庠铄伻Φ臏囟容^高，高達(dá)120℃以上。原因是燃燒表面的輻射換熱有很大部分輻射到原先的耐火粘土磚上，而將熱量傳遞給鍋圈。另外，點(diǎn)火后測(cè)定熱效率，低于燃燒器穩(wěn)定一定時(shí)間后的熱效率。原因也是粘土磚的吸熱，因此將耐火磚改為輕質(zhì)的硅酸鋁纖維板。
    改為硅酸鋁纖維板后的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖6，灶的熱效率基本沒(méi)變化，但鍋圈溫度快速降低，基本維持在60℃以下，操作環(huán)境大大改善。
    改造爐膛形狀后的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7，其約提高2%～4%之間，其中負(fù)荷越大提高越高，說(shuō)明對(duì)流換熱的加強(qiáng)，額定負(fù)荷下熱效率達(dá)到49.5%。
5 結(jié)論
    (1) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中餐燃?xì)庠顭嵝逝c煙道、鍋圈、爐膛結(jié)構(gòu)有關(guān)。合理分配煙氣在煙道和鍋圈處的流量，通過(guò)調(diào)節(jié)炯道流量可提高熱效率8%；減小鍋圈間隙，降低鍋圈流通面積可提高熱效率8%；將圓柱爐膛改為錐形爐膛，可提高熱效率2%～4%。
    (2) 爐膛材料雖對(duì)熱效率影響不大，但將普通粘土磚改為硅酸鋁板，可加快爐膛溫升，降低鍋圈溫度和爐膛無(wú)效蓄熱，改善操作環(huán)境。
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(本文作者：李廣鵬 崔永章 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院 250101)