蜂窩形預混節能燃氣灶研究

黃孟璇，曹安琪，郭希鵬

（西北工業大學，西安 710129）

蜂窩形預混節能燃氣灶研究

黃孟璇，曹安琪，郭希鵬

（西北工業大學，西安 710129）

隨著國家“節能減排”發展戰略的提出，本文提出了一款完全封閉、完全預混余熱回收式節能燃氣灶。采用完全預混、封閉燃燒、回熱利用的方法，分別從燃燒、傳熱、余熱回收角度對現有燃氣灶做出改進。通過80C51單片機控制，實現了一鍵開始/暫停；中途熄火，自動斷掉燃氣供應，并等待指令重新點火；溫度實時采集；數碼管顯示溫度；實時控制火焰的溫度大小的5點要求。將燃氣灶的燃氣燃燒效率由55%（國家新標準）提高至82%（本燃氣灶），并基本實現了智能控制，減少了廚余氣體的室內排放，值得市場推廣與應用。

完全預混；封閉燃燒；回熱利用；節能減排；智能控制

1　研制背景及意義

1.1研制背景

目前世界范圍內能源短缺，可持續發展的要求與日俱增。國家“節能減排”的發展戰略推動著蜂窩型預混燃燒節能燃氣灶的發展，其作為一種高效節能的燃氣用具受到廣泛的政策支持。此外，商用燃氣灶能耗標準的制定，國家燃氣灶市場的規范，燃氣用具領域技術進步、國家相關政策的傾斜也為蜂窩形預混燃燒節能燃氣灶帶來了良好的發展契機。

1.2研制意義

第一，“節能減排，低碳環保”是當今時代的主題，“智慧城市”是我國城市發展的主題。本燃氣灶燃氣能量利用率高，節能效果顯著。其利用高溫煙氣熱量預熱冷空氣的回熱方法和完全封閉、完全預混的燃燒方法以及圓盤火焰的均勻加熱方法，大幅提高燃氣能量利用率。

第二，本燃氣灶更加智能可控，通過單片機控制實現以下5項功能：一鍵開始/暫停；中途熄火，自動斷掉燃氣供應，并等待指令重新點火；溫度實時采集，反應速度在1s內；數碼管顯示溫度；實時控制火焰的溫度大小，利于節能。

第三，本燃氣灶更人性化、經濟化。全程采用先進的加工方式，周圍采用高性能的隔熱材料，避免外殼溫度過高燙傷使用者。兼顧使用性和烹飪環境的舒適性，由于篦齒封嚴結構的存在使得熱空氣不會擴散到使用者四周，減少廚房的熱污染，避免廚房有害氣體的產生及擴散，是一款人性化的燃氣灶。

該燃氣灶無高溫轉動部件，無精密貴重儀器，選用增強輻射換熱的高溫輻射板和價格便宜、性能優良的不銹鋼制作爐體，導熱系數高的銅材和耐熱溫度高的材料制作回熱結構及燃燒爐腔，絕大多數部件可以在市場上直接買到或者易于加工，制造成本沒有明顯增加。

2　設計方案

2.1基本結構

蜂窩形預混節能燃氣灶的基本結構如圖1所示。

圖1　蜂窩型預混燃燒節能燃氣灶剖面

2.2機械部分和電氣控制

2.2.1機械部分

本燃氣灶采用一體化的全封閉、全預混設計，即外部空氣經壓縮機加壓后由空氣管導入爐腔回熱之后與液化氣以同等壓力后與液化氣從平焰噴嘴的X、Y方向進入預混器，形成旋轉前進的完全預混預熱的混合燃氣，在噴嘴處點燃后經45°傾角的擴壓腔進入爐腔，以直徑在10～30 mm、厚度在10～20 mm的圓盤型火焰平面鋪開，加熱鍋底，同時爐腔采用輻射板，強化輻射對流換熱，在爐腔的頂部圓周開有直徑為1 cm的圓孔16個，爐腔內的乏氣回熱加熱空氣管后由這些小孔排出到下腔最終匯入乏氣總管排出，下腔由高溫輻射板圍成圓柱狀。在整個燃燒過程中，火焰不與大氣環境直接接觸；采用預混燃燒器，在燒嘴和點火點之前完成一次空氣和氣體燃料的完全混合，并與燒嘴一體；采用平焰噴嘴出火方式，產生圓盤形火焰均勻加熱；利用空氣換熱器預熱空氣，運用回熱管回收高溫煙氣中的能量，提高燃氣能量效率，并減少有害的廚余氣體排放；采用蜂窩—篦齒及刷式封嚴的非接觸式封嚴結構、添加輻射板強化壁面輻射傳熱。

2.2.2電氣部分

電氣部分（見圖2）主要由80C51單片機控制實現，為保障安全性，精確測量并顯示火焰溫度，火焰溫度控制也更為容易。因此，應首先保障系統的安全性，再實現系統的準確性，最后考慮操作的人性化。為達到上述性能，結合具體實驗，提出以下5點設計要求：一鍵開始/暫停；中途熄火，自動斷掉燃氣供應，并等待指令重新點火；溫度實時采集，反應速度在1 s內；數碼管顯示溫度；實時控制火焰的溫度大小。利用塞貝效應，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。

圖2　電氣控制部分

圖3　熱電偶溫度測量組成部分

圖4　熱電偶測溫電路

針對這5點設計要求，采用以下實現方案。

（1）通過一個優先級最高的外部中斷，實現一鍵開始/暫停的功能。硬件上采用物理按鍵。

（2）設定一個人為可調節的溫度下限，可知若不熄火溫度不會降低到該閥值之下。采集溫度后，判斷是否熄火，若熄火，則先斷掉燃氣與空氣供應，等待再次開始指令，進入點火程序。

（3）通過A/D模塊，處理溫度傳感器傳回的信號，解決溫度實時采集問題。由于實驗環境為超高溫，計劃使用鉑銠合金熱電偶作為傳感器（見圖3、圖4）。

（4）通過4個8段顯示器，顯示溫度。

（5）通過A/D模塊，對可調電位器電壓進行數字處理，得知需要調制的溫度。通過控制一個0～10 V的鼓風機，調控空氣流量。通過一個五線四相步進電機控制燃氣閥門，控制燃氣流量。

（6）點火裝置為一個改進后的電火花打火器，通過一個繼電器控制開關。

（7）額外設置了一個LED顯示燈，用于顯示工作狀態。

3　理論設計計算

3.1傳熱過程的回熱計算結果

平焰燒嘴空氣進口流量4.9 m3/h，燃氣進口流量0.16 m3/h；轉化為質量流量空氣進口質量流量為5.733 kg/h，燃氣進口質量流量為0.4 kg/h.所以平焰噴嘴出火口質量流量為6.133 kg/h，出口溫度為1 473 K（1 200℃）。

煙氣外掠回熱管的熱過程、管壁傳熱、管槽內湍流強制對流傳熱、實驗煙氣進入管束的流量計算4個過程，總回收熱量420 W。

3.2燃氣灶的燃燒效率計算

借鑒目前市場上普通燃氣灶的工作數據及部分論文所得的實驗數據，可做如下計算。

水的比熱為4.2×103J/（kg×℃），用3 000 ml的水進行燃燒試驗：

Q水=cm?t=4.2×103×103×0.003×（100-20）=10.08×102kJ

燃氣的熱流量為14 786 kJ/h，理論按照燃燒效率為100%，則所需的理論燃燒時間為：

根據實驗結果，普通燃氣灶的燃燒時間為7分30秒，即所需的的燃燒量為：

Q=14 786×0.13=1922.18kJ

實際的燃燒效率為：

燃氣灶的燃燒時間為5分鐘，即所需的燃氣燃燒量為：

Q=14 786×5/60=1232.16kJ

鼓風機所需的電量為：Q鼓=20×5×60=6kJ

實際的燃燒效率為：

普通燃氣灶本燃氣灶燃燒效率52.4% 81.4%

以上僅為實驗結果，在加強密封性和空氣過量系數控制后，本燃氣灶效率可達82%，相對普通燃氣灶效率整整提高了29%，相當于提高了原效率的56.4%。

4　結 語

蜂窩形預混節能燃氣灶的推廣應用符合國家“節能環保”的發展戰略。本燃氣灶完全自主設計已獲國家實用新型專利授權（201520275497.8），由于獨特的創新設計，使得本燃氣灶在節能美廚方面表現突出。同時該燃氣灶無高溫轉動部件，無精密貴重儀器，絕大多數部件都可以在市場上直接買到或者易于加工，制造成本沒有明顯增加。預計在餐飲行業、酒店及企事業單位食堂會有廣闊的市場，技術落地轉化后將應用于商用及家用燃氣灶市場，如商用燃氣大鍋灶和家用普通燃氣灶等。假設單臺商用灶為雙灶眼，平均使用功率為10 000 W，每天連續使用時間為6 h，每年使用天然氣2 050 m3，本燃氣灶只需1 435 m3的天然氣，每戶每年可節省615 m3的天然氣，約合人民幣1 350元。全國2 000萬臺商用灶可節省123億立方米的天然氣，約合人民幣270億元。它的推廣使用，利國利民，對我國節能減排有重要影響，每年將會節約天然氣折合標煤3 000萬噸，減少7 300萬噸CO2排放。由此推斷，本燃氣灶將會有非常好的市場前景和開發潛力。

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.16.087

TG95

A

1673-0194（2015）16-0118-02

2015-06-11

2 0 1 4年度國家級大學生創新創業訓練項目（201410699054）。