高热负荷、高热效率燃气灶的研制

2004-03-19 09:47 来源：广东万家乐燃气具有限公司仇明贵冯耀宏

国家标准规定家用燃气灶，台式灶热效率大于55%，烟气中CO含量低于500ppm。由于灶具有别于燃气热水器和其他燃烧设备的燃烧和热交换条件，所以要达到上述指标并不容易，目前不少厂家的产品仍然在合格线上挣扎。然而国家标准规定家用燃气灶具的这些热工性能指标也是燃气灶具产品相对于其他众多厨房加热器具的优势所在、立足之本。较高的热负荷及方便的功率调节方式，是电热器具所难以匹敌的，热效率较高、排烟污染小，也是它与其他燃煤、燃木柴灶具相比的优势所在。但是，燃气毕竟属于较贵的一次能源，而且与燃气热水器、电热器具80%以上的热效率相比，燃气灶55%的热效率尚有待提高，或者说燃气灶具在热效率方面比上述产品有更大的潜力可以挖掘。试想，如果燃气灶的热效率能提高到60%以上，那么其燃气能源消耗量将可降低10%以上。据统计，目前燃气灶具的普及率还是远高于热水器等其他家用燃气具，而且燃气灶的使用率随季节变化不明显，所以燃气灶的燃气消耗量占民用燃气总消耗量的一半以上。也就是说，燃气灶热效率的提高，将直接降低民用燃气的消耗量，这对于节约能源、保护环境等方面都有着十分重大而深远的意义。

燃气灶有着较特殊的燃烧与换热条件，主要体现在以下几方面：

一、燃烧方面：燃气灶为敞开式燃烧，对流、辐射热量的利用均有所直接换热，对火焰有较强的淬熄作用，容易形成接触黄焰，燃烧不易完全，CO容易偏高；燃烧区域高度受限，空间狭窄，因而对燃烧速度要求较高；缺乏燃烧室、烟道等结构，对二次空气的抽吸作用不强，不易组织良好的燃烧过程。

二、换热方面：标准检测条件下，受热面为标准水锅，换热面积及方式均为燃气热水器中的翅片管热交换器大打折扣。实际使用条件下，用户使用大小、形状不一的炊具，燃烧与换热条件均无保障。

针对燃气灶具的这些特点，国内不少厂家提出了一些较为有效的解决方案，比较典型的是旋转火和红外线灶具。

1、旋转火灶具通过多个条形火孔使燃气气流切向喷出，整体上形成螺旋上升的火焰，接触锅底后以螺旋形或切向扩散，与水锅进行热交换，其效果是火焰烟气与水锅这间的热交换流程与时间延长，使热效率得到一定的提高，一般可达60%。但是由于火焰的分布更趋向中心，导致二次空气不足，过大的火孔倾角使焰被火盖淬熄，容易使烟气CO超标。

2、红外线灶具以低压引射安全预混式的陶瓷板红外线燃烧器利用火焰的热量先加热陶瓷板，使其温度达到900度左右，辐射出红外线进行一次换热，再以火焰烟气进行二次换热，再以火焰烟气进行二次换热。红外线灶具从传热方式上突破了传统的对流换热方式，利用辐射换热系数较大的特点解决了灶具传热面积不足的问题，其热效率也可做到60%左右，如果配合高黑度的水锅，热效率可达655以上。然而，陶瓷板的成本较高，强度较低，抗热冲击性、热疲劳性较差，容易破碎，在食物汤汁溢出时易结焦堵塞，是其较难推广应用的主要原因。

在分析了上述情况的基础上，我们根据我公司产品系列和生产工艺实际情况，提出了高热负荷、高热效率燃气灶的研制方案，并研制成功了合符设计指标的产品。其特征为：

1、采用旋转火火盖，气流方向与垂直面成一定夹角；

2、将通常旋转火盖的单锥面或平面改为内外双锥面，在中间小火分火器的中央开孔以补充二次空气；

3、将径向条形火孔改为渐开线形火孔，与径向形成15度夹角；

4、双锥面均有火孔，内外火孔旋向相反；

5、适当加大炉头座喉管直径。

以下我们针对这些特征分别说明：

1、旋转火火盖

我们采用旋转火火盖是因为经有着上述的一系优点，它所形成的旋转气流，可以加强火焰脉动和扰动，促进了整个火焰区内火焰对二次空气、未燃燃气的预热，并强化了各片火焰之间热量、燃烧各阶段产物及过剩空气的交流，而且火焰与火盖之间的接触适当加大，还有着预热燃气、加速燃烧的特点，只要能采取适当措施改善燃烧状况，其效率高，成本低的优势就可得到充分发挥。

2、双锥面

传统火盖的烟气问题之所以不突出是因为大部分的火焰气流是从火盖边沿基本呈径向流出，形成较大的火焰锥面，与二次空气的接触较充分，所以燃烧较完全。一般旋转火火盖，尤其是内锥面旋转火盖，在提高热效率的同时，其结构上也失去了上述有利燃烧的特点，所往往需要通过加大炉架高度来改善燃烧。我们知道，火盖上向内的火孔组产生向内的火焰锥面，对火焰锥面内部的二次空气利用较好，火盖上向外的火孔组产生向外的火焰锥面，对火焰锥面外部的二次空气利用较好。从灶具发展的过程来看，火焰从一环、二环到三环、四环，从原理上来说就是随着热负荷的增大，必须更充分合理地利用二次空气以改善燃烧工况。我们采用内外双锥面旋转火盖，中间小火分火器的中央开孔的结构，正是形成了四环火，令里外四个火焰锥面都能充分接触和利用二次空气，使燃烧更完全。所以即使热负荷达到了4.2KW，烟气CO含量依然较低。

3、渐开线形火孔

开口偏向内侧的渐开线形火孔较通常的径向条形火孔更能使火焰旋流具有向内收敛的趋势，令火焰烟气与水锅之间的热交换流程延长，提高热交换效果，又由于角动量守恒，使旋流角速度提高，火焰内部微气团之间及火焰与周围空气之间的相对剪切运动加强，促进渗混，改善燃烧。

4、内外环火孔旋向相反

在上述渐开线形火孔加大旋流强度、改善燃烧、热交换效果的基础上，我们还采取了内外环火孔旋向相反的结构，使内外环火焰旋向相反。其作用也是使内外环火焰之间的相对剪切运运加盟，促进渗混。从燃烧现象来看，我们的产品并没有像普通旋转火盖那样产生单个粗大的旋转火焰，而是分成内外两环反向旋转，内外两环之间还形成了与单环火孔数相等的多具小型火焰漩涡，打一个形象的比喻，这就正如一个滚珠轴承的内外圈分别反向旋转，而内外两圈之间的滚珠则在内外圈的带动下原地自转。这种大旋涡小旋涡内外相套、环环相生的结构，很有效地捕获和利用了二次空气，达到了“准紊流”燃烧的效果。

5、加大喉管直径

加大喉管直径的作用显而易见，就是加大一次空气进气量。我们知道，灶具设计中，一般将喉管面积定为火孔总面积的50%左右，在火孔热强度不变的情况下，随着热负荷的增大，火孔面积和喉管面积都必然要作相应调整。此外，一次空气也是决定整个燃烧过程好坏的决定因素，一般来说，一次空气系数越接近1，燃气与空气混合物的燃烧速度就越高，烟气中不完全燃烧产物含量就越低，在一次空气系数略高于1的完全预混燃烧装置中，烟气CO可低至10PPM。所以，在燃气具设计中，一次空气的合理控制是解决燃烧工况问题之有效、事半功倍的办法。

结论

通过综合运用上述措施，燃气灶提高了对一次空气、二次空气的利用效率，在热负荷增加的情况下改进和完善了燃烧效果；加大了旋转火焰的强度，形成了宏观和微观的火焰旋涡紊流，同时强化了燃烧与换热，加上燃烧的强化，可降低炉架高度，进一步提高热效率。经过改进，我们的产品达到了热负荷大于4.2kw，热效率高于60%，烟气CO低于300PPM的较好指标。

研究展望

我们认为，燃气灶具想向高热负荷、高热效率方向发展，必须要结合前文提到的燃气灶具中特殊的燃烧和换热条件来进行。以下我们提出几条研究开发思路供同行参考：

1、大气式燃烧灶具燃烧、换热紊流化

燃气灶中燃烧空间狭小，换热面积不足，是制约燃气灶向“双高”发展的主要因素，而燃烧、换热紊流化可以大大提高火焰的容积热强度和对流换热系数，在相同燃烧空间内实现更高的热负荷，在相同换热面积下实现更高的热效率，可望单炉头热负荷大于5kw，热效率高于65%。

2、大气式燃烧灶具辅助吸热技术

以带翅片的辅助吸热体先吸收火焰热量，再以传导方式传热给水锅等炊具，以数倍的换热面积大大提高热效率，可望热效率高于70%。

3、红外线灶具普及化工作

降低陶瓷板燃烧器的成本，提高强度，抗热冲击、热疲劳性，以提高其普及率。

4、研制新型红外线灶具

（1）高辐射转换率红外线灶具；

（2）高角度系数、高红外传送率红外线灶具；

（3）结合紊流燃烧换热、火道式高速无焰燃烧器、红外燃烧器于一身的全新型红外线灶具。