周亮

(廣東萬和新電氣股份有限公司)

1、前言

家用燃氣灶作為日常生活必需的廚房加熱烹飪器具，是消耗燃氣能源的主要產(chǎn)品之一。我國政府逐步加大了對環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品在經(jīng)濟上和政策上的支持力度，隨著家用燃氣灶具能效限定國家強制標準的出臺，各大企業(yè)紛紛加緊了對環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)。高效率、低排放的家用燃氣灶已經(jīng)成為市場的主流。紅外線家用燃氣灶在節(jié)能減排方面表現(xiàn)出色，普通的紅外線燃氣灶都能做到1級能效，熱效率在65%以上；然而對于紅外線燃氣灶來說，其熱效率還有很大的提升空間，對充分發(fā)揮紅外線燃氣灶的節(jié)能減排優(yōu)勢能力，提升紅外線家用燃氣灶的熱效率尤為重要。

2、紅外線家用燃氣灶加熱過程理論分析

紅外線家用燃氣灶加熱過程，是燃氣燃燒放熱到烹飪鍋具吸熱的過程。以燃氣灶和烹飪鍋具作為研究對象，紅外線家用燃氣灶的加熱過程如圖1：

↑圖1：紅外線家用燃氣灶能量交換示意

紅外線家用燃氣灶加熱過程中，燃氣和空氣的混合物燃燒所釋放的化學(xué)能，一部分用以加熱紅外線輻射器，以輻射熱的形式進行熱交換，是為E1；一部分用以加熱燃燒產(chǎn)物，通過對流和輻射的方式進行熱交換，是為Q1；還有少部分通過傳遞的方式傳遞到燃燒器周邊物質(zhì)，是為Q'0。

而參與烹飪鍋具換熱的輻射熱E1和對流熱Q1并不是完全被烹飪鍋具吸收的，根據(jù)能量守恒定律，

式中：

Q0為燃氣燃燒所釋放的化學(xué)能；

E1為紅外輻射器發(fā)出的輻射能；

Q1為燃燒產(chǎn)物的物理熱量；

Q'0為損失的傳導(dǎo)熱能；

E12為烹飪鍋具吸收輻射器發(fā)出的有效輻射能；

E'1為輻射器發(fā)出的損失的輻射能；

Q12為燃燒產(chǎn)物有效對流換熱；

E22為烹飪鍋具吸收燃燒產(chǎn)物發(fā)出的有效輻射能；

E'2為燃燒產(chǎn)物發(fā)出的損失的輻射能；

Q'1為燃燒產(chǎn)物損失的物理熱量；

η為熱效率；

根據(jù)以上公式可知，提高紅外線家用燃氣灶的熱效率，增加烹飪鍋具對輻射熱和對流熱的有效吸收，和減少輻射損失及燃燒產(chǎn)物帶走的物理能量，是最直接有效的方法，即增加E12+Q12+E22，減少Q(mào)'1+E'1+E'2。

3、提高紅外線家用燃氣灶熱效率的方法研究

3.1影響輻射換熱的原理分析

對于輻射傳熱，物體的輻射能力與輻射器的材質(zhì)、面積、溫度等息息相關(guān)。

物體的輻射能力指在一定溫度下，單位面積、單位時間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，用E來表示，其單位為W/m2。

燃燒穩(wěn)定時，溫度恒定，單位時間的輻射能與其輻射面積有關(guān)：

根據(jù)Steafan-Baltzman定律，物體的輻射能力與其表面溫度有關(guān)。

式中σ0為黑體輻射常數(shù)，C0為黑體的輻射系數(shù)，C為灰體的輻射系數(shù)，其與輻射器的材質(zhì)有關(guān)。

由式，物體的輻射能力與熱力學(xué)溫度四次方成正比關(guān)系。

由此可知，在紅外線燃氣灶中，輻射能E0與紅外輻射器的材質(zhì)、輻射器表面積及輻射器熱力學(xué)溫度有關(guān)。輻射器材質(zhì)灰度系數(shù)越大、表面積越大、熱力學(xué)溫度越高，則E0越大。

3.2影響對流換熱的原理分析

對于對流傳熱，根據(jù)牛頓冷卻定律：

式中：

在相同時間內(nèi)，要提高對流傳熱Q1，可以通過提高傳熱系數(shù)h，增大傳熱面積A，提高燃燒產(chǎn)物溫度T來實現(xiàn)。

3.3減少燃燒產(chǎn)物物理能量損失

熱力學(xué)中將物體的物理能量稱之為焓。

燃氣與空氣混合物燃燒前的焓設(shè)為初焓，燃燒后以煙氣形式排出，與烹飪用具經(jīng)熱交換后的焓設(shè)為終焓，這部分焓差，即為上所述的Q'1，即燃燒產(chǎn)物損失的物理能量。

由上所述燃燒過程可知，紅外線燃氣灶工作時，要獲得更理想的有效輻射熱和對流熱，則需提高其燃燒后的熱力學(xué)溫度T；而隨著T的提高，燃燒前后的焓差值的變化也相應(yīng)增大，如圖2：

燃燒產(chǎn)物中，N2與過剩的O2占了較大部分，這兩種物質(zhì)對熱輻射是透明的，其攜帶的物理熱只能通過對流的方式進行傳遞，而對流換熱的往往是不完全的，這就難以避免的出現(xiàn)了熱損失。

因此，需要通過降低過?？諝猓瑴p少空氣的焓溫值；同時，應(yīng)用積極的結(jié)構(gòu)方式預(yù)熱燃氣和空氣，預(yù)先提高燃氣與空氣的初焓，以達到提高燃燒溫度而減少焓差的目的。

↑圖2：燃燒產(chǎn)物的焓溫圖

↑圖4：天然氣-空氣在多孔陶瓷板上燃燒時的溫度變化曲線

紅外線家用燃氣灶所使用的燃燒器，常見有多孔陶瓷板和耐高溫金屬網(wǎng)兩種形式。以多孔陶瓷板為例（如圖3），小火孔直徑為：天然氣dp=1.2～1.5mm；液化石油氣dp=1.1～1.2mm。點火時，燃氣-空氣混合物以很小的速度從火孔逸出進行燃燒；點火后約40～50s，板面溫度可達到800～1100℃，于是向外輻射紅外線。隨著板面的溫度升高，燃氣-空氣混合物進入小火孔即得到了預(yù)熱，在離輻射器外表面很近的距離內(nèi)便全部燃燒完成。

紅外線燃氣灶所使用燃燒器為全預(yù)混燃燒，其過剩空氣系數(shù)在1.03～1.06左右，本身就經(jīng)過了嚴格控制，因此需要通過預(yù)熱燃氣與空氣的方式達到減少焓差的目的。圖4表明，紅外線輻射器本身就具有一定的燃氣與空氣預(yù)熱能力；再預(yù)設(shè)燃氣通道及空氣通道，讓燃氣與空氣進入陶瓷板前進行預(yù)熱，必能更大的減少焓差，達到提升熱效率的目的。

↑圖3：紅外線輻射器示意圖

↑圖5：平面式、方波式、弦波式輻射器

表1：平面式、方波式、弦波式輻射器能效測試

↑圖6：保溫倉預(yù)熱通道結(jié)構(gòu)示意

↑圖7：單層反射罩、雙層反射罩結(jié)構(gòu)示意

3.4減少輻射損失

紅外線家用燃氣灶加熱過程中，以輻射熱的交換占了五成以上，因此，減少輻射熱的損失顯得更為關(guān)鍵。

而眾所周知，紅外線也是一種電磁波，遵循著直線傳播的特性，因此，在紅外線輻射器的外圍增加反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，不僅能減少損失，還能增加烹飪鍋具對輻射熱的吸收量。

4、結(jié)構(gòu)研究與試驗驗證

綜合以上的提高能效的方法分析，設(shè)計出多款不同結(jié)構(gòu)的紅外線燃氣灶，并對樣機進行測試驗證。

為增加輻射面積，將多孔陶瓷輻射器表面設(shè)計成高低起伏的多維空間，其截面呈正弦波或方波狀，其有效輻射面積較平板面可增加30%以上，如圖5：

紅外線輻射器表面輻射能與輻射面積成正比關(guān)系，輻射面積增加，輻射能增加。經(jīng)裝機測試，在同等熱負荷3.5kW條件下，方波式、弦波式輻射器熱效率提升4%以上，且煙氣排放更低。測試數(shù)據(jù)見表1。

提高燃燒溫度，可以提升輻射換熱及對流換熱的效果。在低過剩空氣系數(shù)的前提下，考慮預(yù)設(shè)保溫倉通道，使用密封的底殼，迫使灶具內(nèi)部的空氣通過預(yù)設(shè)通道方可進入灶具內(nèi)部，再由燃氣引射到燃燒器混合腔進行混合，相當(dāng)于回收利用了燃燒中沒有參與熱交換部分的損失熱，起到了降低燃燒前后混合氣體的焓差作用，同時有效提高了燃燒溫度，提升輻射換熱及對流換熱的效果。達到提高熱效率的目的。試驗證明，設(shè)置保溫倉，對熱效率的提升可達到2%以上。如圖6：

為減小輻射損失，設(shè)置反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，增加烹飪鍋具對輻射熱的吸收量。試驗證明，設(shè)置單重甚至雙重反射聚能環(huán)，對紅外線家用燃氣灶的能效提升非常大，達到5%以上。如圖7：

5、結(jié)語

本文通過對紅外線家用燃氣灶加熱過程進行分析，通過分析影響有效換熱的輻射換熱、對流換熱的發(fā)生原理及紅外輻射器的燃燒機理，得出實際可行的提高熱效率的方法。

設(shè)計高低起伏的多維空間多孔陶瓷輻射器表面，其截面呈正弦波或方波狀，有效增加其表面輻射面，提高輻射熱；設(shè)置保溫倉，使用密封的底殼，迫使灶具內(nèi)部的空氣通過預(yù)設(shè)通道方可進入灶具內(nèi)部，再由燃氣引射到燃燒器混合腔進行混合，回收利用了燃燒中沒有參與熱交換部分的損失熱，降低燃燒前后混合氣體的焓差，有效提高了燃燒溫度，從而提高了輻射換熱及對流換熱的效果，達到提高熱效率的目的；設(shè)置防輻射損失的反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，增加烹飪鍋具對輻射熱的吸收量。經(jīng)實際應(yīng)用至我司產(chǎn)品，熱效率可高達80%以上，效果顯著。