摘　要：從減少燃氣灶煙氣熱損失方面，研究提高家用大氣式燃氣灶熱效率的方法。通過采用火孔向內聚中分氣盤和喇叭孔旋火火孔、加裝半封閉燃燒室和減小排煙間隙等方法，可顯著提高熱效率，達70％以上。

關鍵詞：家用大氣式燃氣灶；  旋火火孔；

Research on High-efficience and Energy-saving Domestic Atmospheric Gas Stove

Abstract：The way to improve the thermal efficiency of domestic atmospheric gas stove is studied by reducing the exhaust gas heat loss．The thermal efficiency of more than 70％can be significantly improved by adopting the air distribution disk with flame hole cohesion and trumpet-shaped voNex flame hole，adding the semiclosed combustion chamber and reducing the gap for smoke exhaust．

Keywords：domestic atmospheric gas stove；voflex flame hole；thermal efficiency；semi-closed combustion chamber；gap for smoke exhaust

1　概述

中國由于人口眾多，能源資源相對匱乏，人均能源可采儲量遠低于世界平均水平，僅約為世界平均值的10％，因此能源問題較其他國家更為突出，而且燃氣價格不斷攀升，消費者的生活負擔日益加重。

燃氣灶作為日常生活必需的廚房加熱器具，目前國內市場上的大氣式燃氣灶熱效率通常僅為50％～54％，市場對節(jié)能燃氣灶的需求非常迫切，因此開發(fā)高效節(jié)能的燃氣灶是必然的發(fā)展方向^[1]。

2　燃氣灶熱損失分櫥

根據(jù)能量守恒定律得：

式中Qi——換熱過程中的總輸入熱量，kJ

Qo——換熱過程中的總輸出熱量，kJ

Qa——空氣帶入的熱量，kJ

Qg——燃氣帶入的熱量，kJ

Qgc——燃氣燃燒產(chǎn)生的化學熱(以低熱值計)，kJ

Qb——鍋中水吸收的熱量，kJ

Qf——煙氣帶走的熱量，kJ

Qc——燃燒過程中火焰對外輻射熱損失，kJ

h——熱效率

Qa和Qg可以忽略不計，因此總輸入熱量近似等于燃氣燃燒產(chǎn)生的熱量。按照GB l6410—2007《家用燃氣灶》對我公司某型號燃氣灶進行實驗測試，并應用煙氣焓值等計算公式^[2-3]進行計算，發(fā)現(xiàn)煙氣熱損失占總輸入熱量的比例為19.6％。因此，在燃燒過程中影響燃氣灶熱效率的主要因素為煙氣熱損失。

3　影響燃氣注耀氣熱損失的主要囂紊

影響燃氣灶煙氣熱損失的主要因素有燃燒器火孔分布和形式、燃燒器位置、排煙溫度。

①燃燒器火孔分布和形式

傳統(tǒng)燃燒器的火孔是布置在分氣盤的外側邊緣(稱為火孔向外散開分氣盤)，火焰向外燃燒，其外焰對鍋底的加熱面過于開散，不能集中于鍋底有效部位，使得高溫煙氣與鍋底之間得不到有效換熱。此外，傳統(tǒng)燃燒器采用圓孔火孔，從圓孔火孔流出的空燃混合物流速高，與二次空氣的混合不均勻，往往導致燃燒不完全。因此需要增大鍋支架高度來增大二次空氣補充量，增加燃氣分子與空氣分子碰撞的可能性，促使燃燒完全，但是這樣也會導致過?？諝庀禂?shù)增大，煙氣體積增大，煙氣帶走的熱量損失也增大。

因此，可以考慮改變火孔的分布方式和火孔形式，來彌補傳統(tǒng)燃燒器存在的上述不足。

②燃燒器位置

傳統(tǒng)燃氣灶的燃燒器是在面板上部完全敞開的，其燃燒的火焰完全裸露在空氣中，向四周輻射而損失了大量熱量，并且燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣會干擾二次空氣的補充，導致產(chǎn)生更多的煙氣熱損失。

因此燃燒器應當放置在半封閉的燃燒室內，通過設計專用空氣通道供給燃燒所需空氣，實現(xiàn)空氣與煙氣分離，使燃燒系統(tǒng)達到一個穩(wěn)定的燃燒狀態(tài)，減少煙氣帶走的熱量損失，從而提高燃氣灶的熱效率。

③排煙溫度

傳統(tǒng)燃氣灶鍋支架是敞開式的，燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣從鍋支架與鍋底之間形成的間隙(稱為排煙間隙)排出。當產(chǎn)生的煙氣總量一定，排煙間隙面積越大，通過鍋底壁面的高溫煙氣流速越小，換熱量就越少，導致排出的煙氣溫度越高，煙氣帶走的熱量也就越多。

因此，在保證燃燒器端面與鍋底有足夠的距離使燃氣燃燒完全的前提下，運用微隙排煙技術，降低排煙間隙高度，減小通過鍋底壁面的高溫煙氣厚度，加強換熱，降低排煙溫度，減少煙氣帶走的熱量，從而提高燃氣灶的熱效率。

4　高效率燃氣灶的研究

①燃燒器火孔分布和形式

改變原來的火孔向外散開分氣盤結構，將分氣盤設計成火孔向內聚中分氣盤，即火孔分布在分氣盤內側邊緣。在火孔排布時，分氣盤應采用上下兩排火孔，兩排火孔的中軸線均與分氣盤的中軸線錯開，且火孔中軸線與水平面成一定角度，這樣的火孔稱為旋火火孔。旋火火孔產(chǎn)生的火焰圍繞分氣盤的中軸線呈盤繞狀，比直火火孔(火孔的中軸線與分氣盤的中軸線相交)更能產(chǎn)生渦流形成負壓，卷入更多的二次空氣，加速燃氣與二次空氣的再混合，并推動高溫煙氣螺旋上升，燃燒更聚中、充分，增強了高溫煙氣與鍋底的熱交換，減少了熱損失，從而提高了熱效率?；鹂紫蛲馍㈤_分氣盤結構見圖1，火孔向內聚中分氣盤結構見圖2。

在火孔設計時，將火孔設計成喇叭孔形，即沿著火孔內的混合氣流動方向，火孔孔徑由小變大，實現(xiàn)混合氣從小孔進入、大孔流出。小孔進氣可以解決回火問題，大孔出氣可以降低火孔出口處的混合氣流速，便于更多的二次空氣供應到火焰根部，使得燃燒更充分，從而大大降低鍋支架的高度，提高燃氣灶的熱效率。

將傳統(tǒng)燃氣灶按照上述方法進行火孔分布和形式的改進，在鍋支架高度均為30mm、排煙間隙為30mm，未加裝半封閉燃燒室的情況下進行測試，改進前、后的測試結果見表1。在表1～4中，CO體積分數(shù)是指標準狀態(tài)下、過?？諝庀禂?shù)為1時的折算值。

旋火火孔中軸線與分氣盤中軸線的夾角a、旋火火孔中軸線與水平面的夾角b對煙氣中CO體積分數(shù)和燃氣灶熱效率影響的實驗結果(在鍋支架高度均為30mm，排煙間隙為30mm，采用火孔向內聚中分氣盤和喇叭孔旋火火孔，未加裝半封閉燃燒室情況下)見圖3、4，圖3中CO體積分數(shù)是指標準狀態(tài)下、過剩空氣系數(shù)為1時的折算值。由圖3、4可知，a越大，煙氣中CO體積分數(shù)越低，燃氣灶熱效率明顯升高。但a達到一定角度后，改善效果慢慢減小，并且加工難度越來越大，只適合制作樣機，難以大批量生產(chǎn)。b越大，煙氣中CO體積分數(shù)越高，b增大到一定程度后，CO體積分數(shù)翻倍增長，而熱效率無明顯變化。

在加工工藝允許的情況下，夾角a應盡量大，夾角b啟應盡量小，此時燃燒工況較佳，既可減少CO排放量，又可提高熱效率。綜合考慮加工工藝及燃燒工況，夾角a和b均取20°比較理想。

②燃燒器位置

將燃燒器放置在半封閉的燃燒室內進行測試，由于半封閉燃燒室的作用，燃燒所需空氣通過專用空氣通道從燃燒器頂端與中心下方供給，實現(xiàn)空氣與煙氣分離，使得空氣與煙氣互不干擾，燃燒更充分，有效降低了過剩空氣系數(shù)，減少了熱損失。加裝半封閉燃燒室前后的測試結果(在鍋支架高度為28mm，采用向外散開分氣盤和圓孔直火火孔，排煙間隙為14mm情況下)見表2。由表2可知，加裝半封閉燃燒室后，熱效率(絕對值)提高了4.7％，CO排放量更低。加裝半封閉燃燒室后的燃氣灶結構見圖5。

③降低排煙溫度

在保證燃燒器端面與鍋底有足夠距離使燃氣燃燒完全的前提下，逐步減小排煙間隙，不同排煙間隙下的燃燒情況測試結果(鍋支架高度為30mm，采用向內聚中分氣盤和圓孔直火火孔，加裝半封閉燃燒室)見表3。由表3可知，排煙間隙由14mm逐步減小至8mm，其煙氣溫度逐漸降低，熱效率逐漸增高，但排煙間隙高度減小到一定程度時，CO排放量翻倍增長且超出了相關標準的要求(在標準狀態(tài)下，過剩空氣系數(shù)為1時的CO體積分數(shù)≤500×10^-6)。

通過測試可知，排煙間隙小于10mm時，由于排煙阻力增大，不利于一次空氣與二次空氣的供給，造成燃燒不完全，CO排放超標。而排煙間隙為10mm時，熱效率可達70％以上，CO排放量也在標準要求的范圍之內。因此排煙間隙為10mm最為理想。

④新型燃氣灶整機燃燒測試結果

將以上改進方法進行綜合應用，新型燃氣灶整機燃燒測試結果(鍋支架高度為28mm)見表4。

5　結論

采用火孔向內聚中分氣盤、喇叭孔旋火火孔，燃燒時形成渦流，加快燃燒，燃燒充分，加強了換熱效果，減少了熱損失，是提高熱效率的關鍵。設置半封閉的燃燒室，將二次空氣與高溫煙氣完全隔離，使得空氣與煙氣互不干擾，燃燒更充分，降低了過?？諝庀禂?shù)，減少了熱損失。適當降低排煙間隙，減薄通過鍋底壁面的高溫煙氣厚度，加強換熱，降低排煙溫度。將以上三個方面結合，可有效提高家用大氣式燃氣灶的熱效率。通過應用到我公司產(chǎn)品上，節(jié)能效果非常顯著，熱效率可達70％以上，煙氣中CO排放量均遠低于國家標準的限值。

參考文獻：

[1]周亮．提高家用大氣式燃氣灶熱效率的方法[J]．煤氣與熱力，2014，34(5)：A29-A32．

[2]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，2011：7-17．

[3]嚴銘卿．燃氣工程設計手冊[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008：865-873．

本文作者：張煜圣  周亮  鐘家淞

作者單位：廣東萬和新電氣股份有限公司