嵌入式燃气灶节能设计探讨

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1引言

嵌入式燃气灶因其外观美观且符合整体厨房的趋势，越来越被消费者认可并购买，但嵌入式燃气灶的劣势是其热效率不高。燃气灶的热效率是指在标准试验条件下，有效利用的热量在燃气燃烧所释放总热量中所占的比例，即燃气能源的利用率，是衡量燃气灶是否节能的关键指标。但受嵌入式结构的限制，一次进风不畅，其热效率低于台式燃气灶，造成了能源的浪费。目前，国内嵌入式燃气灶产品的热效率通常在55％～63％，国家标准GB30720-2014《家用燃气灶能效限定值及能效等级》规定了嵌入式燃气灶的能效等级要求，其中最高能耗的三级嵌入式燃气灶的热效率必须高于55％；而同类的台式燃气灶的热效率则高于60%。国内嵌入式家用燃气灶保有量约1×108台，即使其热效率仅提高1％，也将为国家节约非常可观的燃气资源。因此提高嵌入式燃气灶的热效率，有助于我国的节能减排，提高能源的利用率。燃气灶一般采用天然气和液化气作为燃烧工质，由于天然气和液化气相对成本低廉，且主要燃烧产物为水和二氧化碳等，对于环境的污染较少。对于消费者而言，产品能效的高低，直接影响着燃气或者液化气的用气量。因此燃气灶的热效率高低直接影响着消费者的生活成本，尤其是各地对于天然气实行阶梯价格，因此需要研究开发高能效的燃气灶。同时嵌入式燃气灶的有效热量即被锅吸收的热量仅为燃烧气体所产生的热量的50%～70%，其余大部分散失到周围空气中。因此，需要将这部分无效热量减少，使其有效热量的比例增加，进而提高能源的利用效率。目前国内嵌入式燃气灶存在热效率低、能耗大、局部过热等问题。本文通过对嵌入式燃气灶进行热工分析，研究其燃烧和传热过程，验证影响嵌入式燃气灶热效率的各种因素，如燃气的热值、燃气压力、补气温度、燃烧器的喷嘴、文丘里管、火盖和锅架等。本文通过实验逐步分析各要素，发现减小二次空气进口面积，提高内环热负荷比例，优化火盖以及降低锅架高度等可以提高嵌入式燃气灶的热效率。

2热工分析和实验样机

对燃气在嵌入式燃气灶的燃烧进行热工分析，输入总热量Q入包括燃气燃烧产生的化学热Q1、参与燃烧的空气带入的热量Q2、参与燃烧的燃气带入的热量Q3，燃烧释放的总热量近似等于燃气燃烧产生的化学热。其在换热过程有三种方式，分别是热传导、对流和辐射。根据能量守恒定律可得：Q入=Q出Q入=Q1+Q2+Q3Q出=Q4+Q5+Q6η=Q4/Q1式中：Q入—传热过程中的总输入热量，kJ；Q出—传热过程中的总输出热量，kJ；Q1—燃气燃烧时产生的热量，kJ；Q2—燃气带来的热量，kJ；Q3—燃气燃烧时，空气带来的热量，kJ；Φ—锅内水的吸收的热量，即有效热量，kJ；Q5—高温烟气带走的热量，kJ；Q6—其他对外的损失热量，kJ；η—热效率，%。其中，高温烟气带走的热量Q5和其他对外的损失热量影响着嵌入式燃烧灶的热效率。因此通过提高锅水的热吸收、减少损失热量是提高燃气灶热效率最直接有效的方法。提高锅水的热吸收量，据传热学公式：Φ=AhΔT式中：A—传热面积，m2；h—总传热系数，W／(m2•K)；ΔT—传热温差，K。其中：式中：h1—燃烧侧对锅底的对流传热系数，δ—锅的厚度，λ—锅底的导热系数，h2—锅对水的的对流系数，ΔT—火焰外焰温度tf1与锅内水的温度tf2之间的传热温差。提高锅的吸收热量需要从烟气侧的对流系数，火焰和锅底的接触面积和提高传热温差三个方向考虑。（1）提高锅外侧的对流传热系数h1。对流传热系数h1与烟气的物性、流动速度以及锅的表面结构有关，降低锅底的热阻即减小锅表外面热力边界层。通过增加扰动降低热力边界层，提高换热系数。如采用旋转火焰燃烧或交叉火焰燃烧等方式。（2）增加燃气灶的火焰与锅底的锅底面接触。目前的燃烧器一般包括内环火焰与外环火焰，由于内环的热负荷小，热流强度不高，虽然外环火焰与二次空气接触充分，但火焰靠近锅底外侧，造成热效率不高。通过优化火孔分布，加强内环火焰的热负荷，提高锅底热流强度，提高热效率。（3）提高火焰与锅底的传热温差。锅的温度一般相对稳定，只能提高火焰外焰温度tf1来增图1内环热负荷对热效率的影响大换热量。在燃气成分与燃烧热功率一定的情况下，火焰温度与过剩空气系数紧密相关。对于燃气灶，其过剩空气系数受一次空气量和二次空气量的影响。一次空气量取决于引射结构，提高一次空气的温度和加速一次空气与燃气发生预混，使其燃烧速度加快，火焰温度高，为了确保燃气的完全燃烧，参加燃烧的二次空气量往往较大，导致火焰温度和烟气温度的降低。因此，提高一次空气系数，降低过剩空气系数，可以有效提高火焰外焰温度tf1。实验样机为我司以液化石油气/天然气为燃料的三级能效的嵌入式燃气灶，额定热负荷是4.2kw，热效率为55%。现有匹配的火盖为普通直流火盖，其在燃烧工况下，烟气中Q2的体积分数为10.7%，CO的体积含量为243ppm。根据上述的理论，对燃气灶进行节能设计。测试环境条件：大气压力：100.6kpa，环境温度：23.5℃，湿度：73.4%RH。测试使用燃气为液化石油气（20Y），15℃低热值华白数：73.51MJ/Nm3，理论CO2：13.788%，额定燃气压力：2.8kpa.

3节能设计优化

3.1燃烧器的结构优化。燃气经喷嘴喷出，进入文丘里管时，燃气压力下降，流速提升，吸进一次空气，一次空气与燃气在扩张管内混合后，经过火盖的火槽，以一定的夹角和速度喷出，燃烧火焰向上扩散，底部形成负压，进一步吸入二次空气，加速空气与燃气的再混合燃烧。因此合理的喷嘴尺寸与文丘里管的最优匹配，将带入足够的一次空气，提高了燃气灶的热效率。喷嘴的配比与文丘里管如同冰箱中压缩机，对于燃气灶的热效率起着关键作用。燃气在流经火盖时，使其火焰产生较强的扰动，提高提高过外侧的对流传热系数h1。优化设计采用旋流式火盖，减小温度边界层和热力边界层，提高换热系数。通过实验验证新设计旋流式活盖对整机的热效率的影响，测试发现旋流式火盖性能由于普通直流式火盖，热效率和烟气等性能指标，普通的直流式热效率均低于旋转式的火盖，旋转式火盖燃烧器燃烧更均匀稳定且，烟气中CO含量更低。测试结果见表1。3.2提高内环的热负荷。外环火焰直接与大气接触，如果外环热负荷过大，则产生大量的高温烟气来不及与锅进行换热，直接排到大气中，造成能量的损失。通过主副燃烧器的喷嘴尺寸优化，来调整其内外火环的热负荷比例，实现热效率的提升。在试验过程中，不断提高内环火热功率，其热负荷从23％逐步提高至38％，发现其热效率先增加后减小的趋势。在增大到一定比例时，其烟气中CO含量翻倍增长，热效率未出现提升，如见表2所示。由图1、2可知，在热负荷33%时，其热效率表3不同二次进风面积对燃烧对比二次空气面积mm2热最高，燃料燃烧比较充分以及过剩的空气系数较小。提高内环的热负荷，有利于燃气灶的热效率的提高，但当内环热负荷过高，出现热效率下降的趋势，烟气中CO含量随之快速增加，不符合国家标准规定。造成燃烧恶化的主要原因是二次进风量满足不了内环的需求量，导致贫氧燃烧，火焰长度拉长，造成了燃烧工况的恶化，从而导致烟气中CO含量超标。内环火在锅底中央，其产生的高温烟气在锅底滞留的时间相对较长，因此增大内圈火的热功率，火力更加集中在锅底，增加传热面积，增强了高温烟气对锅和水的对流传热。但当内环热负荷增大到一定程度时，内环火焰燃烧所需的二次空气补充不足，不完全燃烧程度增大，从而导致烟气中CO含量迅速增长。因此确定合适的内环火热功率有利于提高燃气灶的热效率。3.3改善二次进风量。嵌入式燃气灶面板处于封闭状态，二次进风不像台式灶具那样，中间通道供给空气。因此嵌入式燃气灶需要优化设计二次空气通道用于补充空气。测试发现检测烟气中的氧含量往往高于台式燃气灶燃烧所产生的氧含量，表明其过剩空气系数较大，故其热效率不高。因此改善二次进风，减小高温烟气的损失，有利于嵌入式燃气灶热效率的提高。烟气体积取决于过剩空气系数，减小烟气量的热损失，有助于其热效率的提高。通过改善二次空气补充，降低过剩空气系数。燃烧过程中，热损失主要包括高温烟气带走的热量Q5和其他损失热量Q6，如火焰对外辐射的热量以及燃气灶对外的热量损失，因Q6影响因素太多，此处不做太多分析。根据换热原理有：Q5=CpρVyΔT烟式中：ρ—烟气的密度，kg／m3；Vy—燃烧过程中产生的烟气体积，m3；Cp—烟气的比定压热容，kJ／(kg•K)；ΔT烟—烟气离开锅壁面的温度与环境温度的差值，℃。针对二次进风面积，设计了四款不同的炉头，其中其二次进风的面积分别是6825mm2，5119mm2，，3413mm2，1706mm2，并通过实验验证其不同面积的二次进风量的热效率。其CO的含量和热效率如表3所示。适当降低二次进风面积，减小了其剩余空气系数，降低了高温烟气带走的热损失，进而提高了燃气灶的热效率，但继续降低二次进风面积，则出现热效率下降，以及CO的体积含量急速升高，主要是因为内环的火焰无法获得足够的空气，出现不完全燃烧导致的。因此合理的设计二次进风面积，才能获得燃烧效率的提升。3.4锅架高度的优化。当燃烧器和内外热负荷确定后，需要对锅架进行最优化匹配，往往锅支架高度越低，燃烧火焰越易与锅底表面接触，增加了传热面积，有利于锅热量的吸收，增加有效热量提高。但导致了二次空气量减小，造成不完全燃烧，烟气中CO含量超标。接触表面的提高，锅支架高度越高，其燃烧所需的二次空气量很多，燃烧也越充分，烟气中CO含量很低。但火焰与锅底的接触表面的减小，烟气的热损失也增加，不利于锅热量的吸收，降低了热效率。实验验证锅架高度对于嵌入式燃气热效率的影响，其中锅架高度是指锅架的高度与火孔之间的高度差。测试锅架高度分别为25mm，20mm，15mm，10mm等不同高度的锅架，其测试分热效率如表4所示。实验表明，适当降低锅架高度，可以提高嵌入式燃气灶的热效率，但是随着高度的降低，其烟气中CO的含量也在随着快速增加，造成这种现象的主要原因是，高度的下降，提高了火焰在锅底的停留时间，但同时也恶化了二次进风，造成贫氧燃烧，降低的了燃气的燃烧效率，进而降低了嵌入式燃气灶的热效率，随着锅架高度的增加，外环的二次空气增加，促进了外环内焰的燃烧，减小了不完全燃烧的损失，故其内火焰的温度升高，但其内环的火焰温度下降，长度变短，内环的外火焰温度和长度变化不大。虽然二次空气量增大，同时也促进了外延的扩散燃烧，但其热损失也在增加，使得外延温度变化不大。3.5余热利用。嵌入式燃气灶在使用燃烧时，不可能实现燃料的能量100%转移到锅具内，总有一部分的热量通过对流、热辐射的方式，散失到外界空气中。如何考虑对于烟气中余热回收，也是燃气灶热效率提升的一种方式。通过烟气的余热预热一次空气，提高空气的焓值，有利于提高火焰的燃烧温度，增加锅底的热流强度，提高火焰与锅底的换热效率，进而提高燃气灶的热效率；同时对嵌入式燃气灶周围盘有水管，利用烟气的余热加热水，并与其他设备合理利用，提高了能量的利用率和减少烟气与大气环境的热扩散，在一定程度也是一种提高燃气灶热效率的方式。

4结论

（1）本文通过对嵌入式燃气灶做燃烧和传热过程的分析，通过对其燃烧结构优化，改善内外环热负荷比率，提高锅底的热流强度，增强火焰与锅底的扰动，加快燃烧速度，强化对流换热，实现较大幅度节能效果。（2）一次空气和二次空气对嵌入式燃气灶的影响较大，因此合理配比一次空气和二次空气，优化二次进风面积，降低过剩空气系数，提高火焰温度，增加锅底的热流强度，进而获得较高的热效率。（3）增加燃气灶上余热回收装置，加热一次空气提高火焰温度和利用高温烟气余热加热水用于其他用途，提高了能源利用率和燃气灶的热效率。

作者:魏华锋 班永 王强 单位:杭州老板电器股份有限公司