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1引言

嵌入式燃氣灶因其外觀美觀且符合整體廚房的趨勢，越來越被消費者認可并購買，但嵌入式燃氣灶的劣勢是其熱效率不高。燃氣灶的熱效率是指在標準試驗條件下，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，是衡量燃氣灶是否節能的關鍵指標。但受嵌入式結構的限制，一次進風不暢，其熱效率低于臺式燃氣灶，造成了能源的浪費。目前，國內嵌入式燃氣灶產品的熱效率通常在55％～63％，國家標準GB30720-2014《家用燃氣灶能效限定值及能效等級》規定了嵌入式燃氣灶的能效等級要求，其中最高能耗的三級嵌入式燃氣灶的熱效率必須高于55％；而同類的臺式燃氣灶的熱效率則高于60%。國內嵌入式家用燃氣灶保有量約1×108臺，即使其熱效率僅提高1％，也將為國家節約非常可觀的燃氣資源。因此提高嵌入式燃氣灶的熱效率，有助于我國的節能減排，提高能源的利用率。燃氣灶一般采用天然氣和液化氣作為燃燒工質，由于天然氣和液化氣相對成本低廉，且主要燃燒產物為水和二氧化碳等，對于環境的污染較少。對于消費者而言，產品能效的高低，直接影響著燃氣或者液化氣的用氣量。因此燃氣灶的熱效率高低直接影響著消費者的生活成本，尤其是各地對于天然氣實行階梯價格，因此需要研究開發高能效的燃氣灶。同時嵌入式燃氣灶的有效熱量即被鍋吸收的熱量僅為燃燒氣體所產生的熱量的50%～70%，其余大部分散失到周圍空氣中。因此，需要將這部分無效熱量減少，使其有效熱量的比例增加，進而提高能源的利用效率。目前國內嵌入式燃氣灶存在熱效率低、能耗大、局部過熱等問題。本文通過對嵌入式燃氣灶進行熱工分析，研究其燃燒和傳熱過程，驗證影響嵌入式燃氣灶熱效率的各種因素，如燃氣的熱值、燃氣壓力、補氣溫度、燃燒器的噴嘴、文丘里管、火蓋和鍋架等。本文通過實驗逐步分析各要素，發現減小二次空氣進口面積，提高內環熱負荷比例，優化火蓋以及降低鍋架高度等可以提高嵌入式燃氣灶的熱效率。

2熱工分析和實驗樣機

對燃氣在嵌入式燃氣灶的燃燒進行熱工分析，輸入總熱量Q入包括燃氣燃燒產生的化學熱Q1、參與燃燒的空氣帶入的熱量Q2、參與燃燒的燃氣帶入的熱量Q3，燃燒釋放的總熱量近似等于燃氣燃燒產生的化學熱。其在換熱過程有三種方式，分別是熱傳導、對流和輻射。根據能量守恒定律可得：Q入=Q出Q入=Q1+Q2+Q3Q出=Q4+Q5+Q6η=Q4/Q1式中：Q入—傳熱過程中的總輸入熱量，kJ；Q出—傳熱過程中的總輸出熱量，kJ；Q1—燃氣燃燒時產生的熱量，kJ；Q2—燃氣帶來的熱量，kJ；Q3—燃氣燃燒時，空氣帶來的熱量，kJ；Φ—鍋內水的吸收的熱量，即有效熱量，kJ；Q5—高溫煙氣帶走的熱量，kJ；Q6—其他對外的損失熱量，kJ；η—熱效率，%。其中，高溫煙氣帶走的熱量Q5和其他對外的損失熱量影響著嵌入式燃燒灶的熱效率。因此通過提高鍋水的熱吸收、減少損失熱量是提高燃氣灶熱效率最直接有效的方法。提高鍋水的熱吸收量，據傳熱學公式：Φ=AhΔT式中：A—傳熱面積，m2；h—總傳熱系數，W／(m2•K)；ΔT—傳熱溫差，K。其中：式中：h1—燃燒側對鍋底的對流傳熱系數，δ—鍋的厚度，λ—鍋底的導熱系數，h2—鍋對水的的對流系數，ΔT—火焰外焰溫度tf1與鍋內水的溫度tf2之間的傳熱溫差。提高鍋的吸收熱量需要從煙氣側的對流系數，火焰和鍋底的接觸面積和提高傳熱溫差三個方向考慮。（1）提高鍋外側的對流傳熱系數h1。對流傳熱系數h1與煙氣的物性、流動速度以及鍋的表面結構有關，降低鍋底的熱阻即減小鍋表外面熱力邊界層。通過增加擾動降低熱力邊界層，提高換熱系數。如采用旋轉火焰燃燒或交叉火焰燃燒等方式。（2）增加燃氣灶的火焰與鍋底的鍋底面接觸。目前的燃燒器一般包括內環火焰與外環火焰，由于內環的熱負荷小，熱流強度不高，雖然外環火焰與二次空氣接觸充分，但火焰靠近鍋底外側，造成熱效率不高。通過優化火孔分布，加強內環火焰的熱負荷，提高鍋底熱流強度，提高熱效率。（3）提高火焰與鍋底的傳熱溫差。鍋的溫度一般相對穩定，只能提高火焰外焰溫度tf1來增圖1內環熱負荷對熱效率的影響大換熱量。在燃氣成分與燃燒熱功率一定的情況下，火焰溫度與過剩空氣系數緊密相關。對于燃氣灶，其過剩空氣系數受一次空氣量和二次空氣量的影響。一次空氣量取決于引射結構，提高一次空氣的溫度和加速一次空氣與燃氣發生預混，使其燃燒速度加快，火焰溫度高，為了確保燃氣的完全燃燒，參加燃燒的二次空氣量往往較大，導致火焰溫度和煙氣溫度的降低。因此，提高一次空氣系數，降低過剩空氣系數，可以有效提高火焰外焰溫度tf1。實驗樣機為我司以液化石油氣/天然氣為燃料的三級能效的嵌入式燃氣灶，額定熱負荷是4.2kw，熱效率為55%。現有匹配的火蓋為普通直流火蓋，其在燃燒工況下，煙氣中Q2的體積分數為10.7%，CO的體積含量為243ppm。根據上述的理論，對燃氣灶進行節能設計。測試環境條件：大氣壓力：100.6kpa，環境溫度：23.5℃，濕度：73.4%RH。測試使用燃氣為液化石油氣（20Y），15℃低熱值華白數：73.51MJ/Nm3，理論CO2：13.788%，額定燃氣壓力：2.8kpa.

3節能設計優化

3.1燃燒器的結構優化。燃氣經噴嘴噴出，進入文丘里管時，燃氣壓力下降，流速提升，吸進一次空氣，一次空氣與燃氣在擴張管內混合后，經過火蓋的火槽，以一定的夾角和速度噴出，燃燒火焰向上擴散，底部形成負壓，進一步吸入二次空氣，加速空氣與燃氣的再混合燃燒。因此合理的噴嘴尺寸與文丘里管的最優匹配，將帶入足夠的一次空氣，提高了燃氣灶的熱效率。噴嘴的配比與文丘里管如同冰箱中壓縮機，對于燃氣灶的熱效率起著關鍵作用。燃氣在流經火蓋時，使其火焰產生較強的擾動，提高提高過外側的對流傳熱系數h1。優化設計采用旋流式火蓋，減小溫度邊界層和熱力邊界層，提高換熱系數。通過實驗驗證新設計旋流式活蓋對整機的熱效率的影響，測試發現旋流式火蓋性能由于普通直流式火蓋，熱效率和煙氣等性能指標，普通的直流式熱效率均低于旋轉式的火蓋，旋轉式火蓋燃燒器燃燒更均勻穩定且，煙氣中CO含量更低。測試結果見表1。3.2提高內環的熱負荷。外環火焰直接與大氣接觸，如果外環熱負荷過大，則產生大量的高溫煙氣來不及與鍋進行換熱，直接排到大氣中，造成能量的損失。通過主副燃燒器的噴嘴尺寸優化，來調整其內外火環的熱負荷比例，實現熱效率的提升。在試驗過程中，不斷提高內環火熱功率，其熱負荷從23％逐步提高至38％，發現其熱效率先增加后減小的趨勢。在增大到一定比例時，其煙氣中CO含量翻倍增長，熱效率未出現提升，如見表2所示。由圖1、2可知，在熱負荷33%時，其熱效率表3不同二次進風面積對燃燒對比二次空氣面積mm2熱最高，燃料燃燒比較充分以及過剩的空氣系數較小。提高內環的熱負荷，有利于燃氣灶的熱效率的提高，但當內環熱負荷過高，出現熱效率下降的趨勢，煙氣中CO含量隨之快速增加，不符合國家標準規定。造成燃燒惡化的主要原因是二次進風量滿足不了內環的需求量，導致貧氧燃燒，火焰長度拉長，造成了燃燒工況的惡化，從而導致煙氣中CO含量超標。內環火在鍋底中央，其產生的高溫煙氣在鍋底滯留的時間相對較長，因此增大內圈火的熱功率，火力更加集中在鍋底，增加傳熱面積，增強了高溫煙氣對鍋和水的對流傳熱。但當內環熱負荷增大到一定程度時，內環火焰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。因此確定合適的內環火熱功率有利于提高燃氣灶的熱效率。3.3改善二次進風量。嵌入式燃氣灶面板處于封閉狀態，二次進風不像臺式灶具那樣，中間通道供給空氣。因此嵌入式燃氣灶需要優化設計二次空氣通道用于補充空氣。測試發現檢測煙氣中的氧含量往往高于臺式燃氣灶燃燒所產生的氧含量，表明其過剩空氣系數較大，故其熱效率不高。因此改善二次進風，減小高溫煙氣的損失，有利于嵌入式燃氣灶熱效率的提高。煙氣體積取決于過剩空氣系數，減小煙氣量的熱損失，有助于其熱效率的提高。通過改善二次空氣補充，降低過剩空氣系數。燃燒過程中，熱損失主要包括高溫煙氣帶走的熱量Q5和其他損失熱量Q6，如火焰對外輻射的熱量以及燃氣灶對外的熱量損失，因Q6影響因素太多，此處不做太多分析。根據換熱原理有：Q5=CpρVyΔT煙式中：ρ—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)；ΔT煙—煙氣離開鍋壁面的溫度與環境溫度的差值，℃。針對二次進風面積，設計了四款不同的爐頭，其中其二次進風的面積分別是6825mm2，5119mm2，，3413mm2，1706mm2，并通過實驗驗證其不同面積的二次進風量的熱效率。其CO的含量和熱效率如表3所示。適當降低二次進風面積，減小了其剩余空氣系數，降低了高溫煙氣帶走的熱損失，進而提高了燃氣灶的熱效率，但繼續降低二次進風面積，則出現熱效率下降，以及CO的體積含量急速升高，主要是因為內環的火焰無法獲得足夠的空氣，出現不完全燃燒導致的。因此合理的設計二次進風面積，才能獲得燃燒效率的提升。3.4鍋架高度的優化。當燃燒器和內外熱負荷確定后，需要對鍋架進行最優化匹配，往往鍋支架高度越低，燃燒火焰越易與鍋底表面接觸，增加了傳熱面積，有利于鍋熱量的吸收，增加有效熱量提高。但導致了二次空氣量減小，造成不完全燃燒，煙氣中CO含量超標。接觸表面的提高，鍋支架高度越高，其燃燒所需的二次空氣量很多，燃燒也越充分，煙氣中CO含量很低。但火焰與鍋底的接觸表面的減小，煙氣的熱損失也增加，不利于鍋熱量的吸收，降低了熱效率。實驗驗證鍋架高度對于嵌入式燃氣熱效率的影響，其中鍋架高度是指鍋架的高度與火孔之間的高度差。測試鍋架高度分別為25mm，20mm，15mm，10mm等不同高度的鍋架，其測試分熱效率如表4所示。實驗表明，適當降低鍋架高度，可以提高嵌入式燃氣灶的熱效率，但是隨著高度的降低，其煙氣中CO的含量也在隨著快速增加，造成這種現象的主要原因是，高度的下降，提高了火焰在鍋底的停留時間，但同時也惡化了二次進風，造成貧氧燃燒，降低的了燃氣的燃燒效率，進而降低了嵌入式燃氣灶的熱效率，隨著鍋架高度的增加，外環的二次空氣增加，促進了外環內焰的燃燒，減小了不完全燃燒的損失，故其內火焰的溫度升高，但其內環的火焰溫度下降，長度變短，內環的外火焰溫度和長度變化不大。雖然二次空氣量增大，同時也促進了外延的擴散燃燒，但其熱損失也在增加，使得外延溫度變化不大。3.5余熱利用。嵌入式燃氣灶在使用燃燒時，不可能實現燃料的能量100%轉移到鍋具內，總有一部分的熱量通過對流、熱輻射的方式，散失到外界空氣中。如何考慮對于煙氣中余熱回收，也是燃氣灶熱效率提升的一種方式。通過煙氣的余熱預熱一次空氣，提高空氣的焓值，有利于提高火焰的燃燒溫度，增加鍋底的熱流強度，提高火焰與鍋底的換熱效率，進而提高燃氣灶的熱效率；同時對嵌入式燃氣灶周圍盤有水管，利用煙氣的余熱加熱水，并與其他設備合理利用，提高了能量的利用率和減少煙氣與大氣環境的熱擴散，在一定程度也是一種提高燃氣灶熱效率的方式。

4結論

（1）本文通過對嵌入式燃氣灶做燃燒和傳熱過程的分析，通過對其燃燒結構優化，改善內外環熱負荷比率，提高鍋底的熱流強度，增強火焰與鍋底的擾動，加快燃燒速度，強化對流換熱，實現較大幅度節能效果。（2）一次空氣和二次空氣對嵌入式燃氣灶的影響較大，因此合理配比一次空氣和二次空氣，優化二次進風面積，降低過剩空氣系數，提高火焰溫度，增加鍋底的熱流強度，進而獲得較高的熱效率。（3）增加燃氣灶上余熱回收裝置，加熱一次空氣提高火焰溫度和利用高溫煙氣余熱加熱水用于其他用途，提高了能源利用率和燃氣灶的熱效率。

作者:魏華鋒 班永 王強 單位:杭州老板電器股份有限公司