提高家用大氣式燃氣灶熱效率的方法

摘 要

摘　要：通過分析家用大氣式燃氣灶加熱過程，根據能量守恒定律和燃燒及傳熱原理，從提高熱吸收和減少熱損失方面研究提高熱效率的方法。經過試驗驗證，設計旋流火蓋、設置二次空氣獨

摘　要：通過分析家用大氣式燃氣灶加熱過程，根據能量守恒定律和燃燒及傳熱原理，從提高熱吸收和減少熱損失方面研究提高熱效率的方法。經過試驗驗證，設計旋流火蓋、設置二次空氣獨立流動通道、適當增大內圈火熱功率等方法可顯著提高家用燃氣灶熱效率。

關鍵詞：家用大氣式燃氣灶； 旋流火蓋； 二次空氣獨立流動通道； 內圈火； 熱效率

Methods for Improving Thermal Efficiency of Domestic Atmospheric Gas Stove

Abstract：rough the analysis of heating rocess of domestic atmospheric gas stove，and according to the law of conservation of energy as well as the principles of combustion and heat transfer，Methods for improving the thermal efficiency of the gas stove are studied in terms of increasing the heat absorption and reducing heat loss．After the experimental verification，the methods of designing the cyclone fire cover，setting the independent flow channel for secondary air and appropriately increasing the heat power of inner ring flame can significantly improve the thermal efficiency of domestic gas stove．

Keywords：domestic atmospheric gas stove；cyclone fire cover；independent flow channel for secondary air；inner ring flame；thermal efficiency

 

1　概述

家用燃氣灶作為日常生活必需的廚房加熱烹飪器具，是消耗燃氣的主要產品。我國政府逐步加大了對環(huán)保、節(jié)能產品在經濟上和政策上的支持力度，國家標準《家用燃氣灶能效限定值及能效等級》即將出臺，各大企業(yè)紛紛加緊了對環(huán)保節(jié)能產品的研發(fā)，高熱效率、低排放的家用燃氣灶必將成為市場的主流。

目前，國內家用燃氣灶產品的熱效率通常在50％～54％，很多中小企業(yè)生產的燃氣灶實際熱效率甚至達不到GB 16410—2007《家用燃氣灶具》要求的50％。國內家用燃氣灶保有量約3×108臺，即使熱效率提高1％，也將為國家節(jié)約非?？捎^的燃氣資源。因此提高家用燃氣灶的熱效率尤為重要。

2　家用燃氣灶加熱過程分析

家用燃氣灶熱效率是在標準試驗條件下，有效利用的熱量在燃氣燃燒所釋放總熱量中所占的比例，即燃氣能源的利用率，是衡量家用燃氣灶是否節(jié)能的關鍵指標。我們以GB16410—2007《家用燃氣灶具》規(guī)定的標準試驗條件下的燃氣灶和試驗用鍋作為研究對象，分析燃氣灶的加熱過程(見圖1)。

 

家用大氣式燃氣灶加熱過程中，燃燒所釋放的總熱量包括燃氣燃燒產生的化學熱、參與燃燒的空氣帶入的熱量、參與燃燒的燃氣帶入的熱量，后兩項可以忽略不計，因此燃燒釋放的總熱量近似等于燃氣燃燒產生的化學熱。在熱傳遞過程中，主要有熱傳導、對流和輻射3種方式[1]5-11。根據能量守恒定律可得：

 

式中Q——燃燒所釋放的總熱量，kJ

Q1——火焰高溫外焰對鍋和水的對流傳熱量，kJ

Q2——火焰對鍋和水的輻射傳熱量，kJ

Q3——鍋架對鍋和水的導熱量，kJ

Q4——高溫煙氣帶走的熱量，kJ

Q5——火焰對外輻射的熱量(即輻射給面板、灶臺、周圍大氣等的散熱損失)，kJ

Q6——燃氣灶對外的熱量損失，kJ

h——熱效率

其中，鍋和水吸收的總熱量為有效熱量，是Q1、Q2及Q3之和。高溫煙氣帶走的熱量Q4占燃氣灶總熱量損失的85％左右。分析以上公式可知，提高熱吸收、減少熱損失是提高燃氣灶熱效率最直接有效的方法。

3　提高家用燃氣灶熱效率的方法

3.1　提高熱吸收的方法

在燃氣灶實際使用過程中，Q3占有效熱量的比例非常小，通常不到1％。因此我們主要從Q1、Q2兩方面來分析如何提高熱吸收。

①從Q1方面分析[1]197-211

根據牛頓冷卻定律：

Q1=hA(qy-qg)t

式中h——表面?zhèn)鳠嵯禂担?span lang="EN-US">W／(m2·K)

A——對流傳熱面積，m2

qy——火焰外焰溫度，℃

qg——鍋底溫度，℃

t——加熱時間，s

在相同時間內，要提高Q1，可以通過提高h，增大A，提高qy來實現。

a．提高表面?zhèn)鳠嵯禂?span lang="EN-US">h。h與煙氣物性、煙氣流動狀態(tài)(層流和湍流)以及鍋的形狀大小有關。湍流表面?zhèn)鳠嵯禂荡笥趯恿鞅砻鎮(zhèn)鳠嵯禂?，因此提高燃燒器燃燒火焰的湍流程度，如采用旋轉火焰燃燒或交叉火焰燃燒等，可以提高表面?zhèn)鳠嵯禂怠?span lang="EN-US">

b．增大對流傳熱面積A。在燃燒熱功率一定的情況下，可以通過設計成旋轉火和內聚火來提高火焰高溫外焰與鍋底的傳熱面積。將鍋底設計成凸凹不平的形狀或者將燃燒器出火部位設計成多臺階結構均可增大傳熱面積。

c．提高火焰外焰溫度qy。在燃氣組成與燃燒熱功率一定的情況下，火焰溫度與過?？諝庀禂?/font>[2]868-869緊密相關。對于大氣式燃氣灶，其過?？諝庀禂凳芤淮慰諝饬亢投慰諝饬?/font>[3]9-11的影響。一次空氣量決定于燃燒器引射結構，一次空氣量越大，燃燒速度越快，火焰越短，溫度越高，外焰離火孔越近，二次空氣需求量減少。因此，提高一次空氣系數，降低過?？諝庀禂?，可以有效提高火焰外焰溫度qy。

②從Q2方面分析

火焰一般由雙原子氣體(N2、O2、CO)、三原子氣體(CO2、H2O、SO2)和懸浮固體粒子(碳黑、飛灰、焦炭粒子)組成[3]5-7。其中N2和O2對熱輻射是透明的，CO、SO2的含量一般很低，因此火焰中具有輻射熱傳能力的組分主要是H2O、CO2和懸浮固體粒子。根據傳熱學原理，H2O和CO2向鍋底和水的輻射熱[1]419-429主要與鍋底受輻射面積和火焰溫度有關，因此通過增大鍋底受輻射面積和提高火焰溫度，均可增大火焰對鍋和水的輻射傳熱量Q2。

3.2　減少熱損失的方法

燃燒過程中，熱損失主要包括高溫煙氣帶走的熱量Q4、火焰對外輻射的熱量Q5以及燃氣灶對外的熱量損失Q6。Q5和Q6占總熱損失的比例小，而且影響因素太多，不便于分析，此處主要分析占總熱損失比例最大的Q4。

根據燃燒原理有：

Q4=rVycpqL

式中r——煙氣的密度，kg／m3

Vy——燃燒過程中產生的煙氣體積，m3

cp——煙氣的比定壓熱容，kJ／(kg·K)

qL——煙氣離開鍋壁面的溫度，℃

在燃氣組成一定的情況下，假設燃燒完全，煙氣體積取決于過?？諝庀禂?。要減小煙氣體積，可以降低過剩空氣系數，改善二次空氣補充。對于嵌入式燃氣灶，煙氣排放與二次空氣補充都處在鍋底與燃燒器之間的同一空間內，兩者流動方向相反。在各自的流動過程中，兩者必然相互干擾和作用，存在氣體成分交換和熱量交換。高溫煙氣在排放過程中，煙氣的部分熱量被二次空氣帶走，導致煙氣溫度下降，降低了煙氣對鍋和水的加熱能力。同時，部分煙氣混合在二次空氣內，導致二次空氣中氧含量降低，火焰外焰加長，也降低了高溫煙氣對鍋和水的加熱能力。因此二次空氣補充通道獨立設置將減少熱損失。

4　結構改進及試驗驗證

綜合以上提高熱效率方法，我們設計了多款不同結構的燃燒器，并制作出樣機進行了反復的試驗。

①燃燒器火蓋設計成旋流結構

為提高表面?zhèn)鳠嵯禂?，我們將燃氣灶燃燒器火蓋設計成了旋流結構，其內錐面與水平面成一定夾角，火孔由火孔中心線與內錐面母線夾角和外側面火槽與豎直線夾角來定位，沿火蓋圓周均勻布置，見圖2。

 

當燃氣以一定壓力經噴嘴噴出，引射空氣進入燃燒器中的引射器[2]878-885，兩者混合后，經過旋流火蓋的火槽，以一定的夾角和速度噴出，在燃燒的同時旋轉形成了湍流，促使不斷吸入二次空氣，加速空氣與燃氣的再混合，推動高溫煙氣螺旋上升，提高了燃燒速度，增強了換熱效果，起到了強化燃燒的作用。

經過整機測試，與傳統(tǒng)的直流火蓋燃燒器對比，旋流火蓋燃燒器比傳統(tǒng)直流火蓋燃燒器燃燒更均勻穩(wěn)定，熱效率高4％(絕對值)以上，煙氣中CO含量更低。測試結果見表1。

 

②設置補充二次空氣的獨立流動通道

為提高火焰溫度，降低過?？諝庀禂?，改善二次空氣補充狀況，在燃燒器引射能力較好、一次空氣系數較大的情況下，主要考慮二次空氣補充的區(qū)域設計。二次空氣入口面積受布置空間、火焰狀態(tài)、煙氣中CO含量等因素的限制，燃燒器結構較難做出大的改善。為了減少高溫煙氣與二次空氣流動的互相干擾，我們采取了將高溫煙氣與二次空氣互相隔離、形成獨立流動通道的創(chuàng)新方法，設計一個結構件作為二次空氣的獨立流動通道。帶獨立流動通道的燃燒器加熱過程見圖3。高溫煙氣與二次空氣通過一個特殊的爐架分隔，高溫煙氣從爐架上方排出，二次空氣從爐架下方吸入，經過獨立流動通道補充至燃燒器。

 

燃氣灶工作時，燃燒所需的二次空氣經過獨立流動通道補充，與高溫煙氣完全隔離，不會帶走高溫煙氣的熱量，減少了熱損失，有利于高溫外焰與鍋和水之間的對流換熱。同時保證了二次空氣不受煙氣干擾，直接補充到火焰根部，保證了火焰的穩(wěn)定性，實現火焰高溫區(qū)向中心移動，增大了有效換熱面積，熱效率提升非常明顯，相比普通燃燒器，可提高6％(絕對值)以上。煙氣中CO和NOx含量非常低。

③適當增大內圈火熱功率

在燃燒器直徑一定的情況下，適當增大內圈火熱功率也可實現熱效率的提升。以我公司某款不帶二次空氣獨立流動通道的嵌入式燃氣灶為例，燃燒器熱功率為4.0kW，內圈火熱功率所占比例為20％，即0.8kW。在試驗過程中，不斷增大內圈火熱功率所占的比例，由20％逐步提高至30％，其熱效率逐漸增高。但增大到一定比例時，其煙氣中CO含量翻倍增長，熱效率增加減緩。不同內圈火熱功率的測試結果見表2，具體數值變化情況與燃燒器結構設計有直接關系，因此內圈火熱功率應針對具體的燃氣灶進行試驗確定。

 

內圈火在鍋底中央，其產生的高溫煙氣在鍋底滯留的時間相對較長，增大內圈火的熱功率，火力更加集中在鍋底，實質上增強了高溫煙氣對鍋和水的對流傳熱，延長了換熱時間。而內圈火熱功率增大到一定程度時，內圈火燃燒所需的二次空氣補充不足，不完全燃燒程度增大，從而導致煙氣中CO含量迅速增長。結合帶二次空氣獨立流動通道的方法，可以較好地解決熱效率提升與煙氣中CO含量猛增的矛盾，較大地提升熱效率。

5　結論

本文通過對家用大氣式燃氣灶燃燒加熱過程進行深入分析，分析影響燃氣灶熱效率的關鍵因素，通過反復的試驗，得出實際可行的提高熱效率的方法。

設計旋流結構火蓋的燃燒器，燃燒時形成湍流，加快燃燒速度，強化對流換熱，可顯著提高換熱效果。設置補充二次空氣的獨立流動通道，將二次空氣與高溫煙氣完全隔離，降低了過剩空氣系數，提高了火焰溫度，并有效增大了換熱面積，減少了高溫煙氣的熱損失。同時，適當增加內圈火熱功率，使高溫區(qū)向中心移動，提高了換熱效果，三者結合，可顯著提高家用大氣式燃氣灶的熱效率。將這三項技術應用到我公司家用燃氣灶產品，熱效率可提高40％(比例)以上，煙氣中CO和NOx排放量均遠遠低于國家標準限值，節(jié)能減排效果非常顯著。目前該家用燃氣灶產品已獲得2項國家專利[4-5]。

 

參考文獻：

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[2]嚴銘卿．燃氣工程設計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008．

[3]同濟大學，重慶大學，哈爾濱工業(yè)大學，等．燃氣燃燒與應用[M]．4版．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011．

[4]葉遠璋，周亮，尹曉彬，等．灶具(N3802X)：中國，ZL 201330100770．X[P]．2013-08-21．

[5]葉遠璋，周亮，尹曉彬，等．灶具(N3806X)：中國，ZL 201330100779．0[P]．2013-08-21．

 

 

本文作者：周亮

作者單位：廣東萬和新電氣股份有限公司