聚能環(huán)材質對灶具熱效率的影響

汪 昕，彭世尼(重慶大學 城市建設與環(huán)境工程學院，重慶400045)

1 概述

目前，國內家用燃氣灶具大多采用大氣式燃燒方式。預混后的燃氣在敞開的大氣空間中進行燃燒，根據熱平衡理論，燃氣燃燒產生的熱量一部分被鍋和水吸收，稱為有效熱量；另一部分散發(fā)到環(huán)境中，被外界空氣、灶面、鍋架等吸收，稱為損失熱量。聚能環(huán)能夠改變二次空氣通道，減小了煙氣從鍋底流出通道的截面積，提高煙氣沖刷鍋底的速度，增強了與鍋底的對流換熱，使得有效熱量增加；并且阻止了多余的二次空氣進入，使得熱損失減小；煙氣向外輻射和通過熱對流傳遞的熱量一部分傳遞給聚能環(huán)，聚能環(huán)上表面又通過輻射換熱將熱量傳遞給鍋底，使得損失熱量減小。

目前市場上主要的聚能環(huán)材質為鑄鐵，其具有一體成型、整體性強和耐高溫的優(yōu)點。作為提升灶具熱效率的方法之一，許多學者力求尋找更適合的材料來制作聚能環(huán)，開發(fā)更高效、更節(jié)能的聚能環(huán)。宋百隆[1]對比了鑄鐵聚能環(huán)和不銹鋼聚能環(huán)，發(fā)現(xiàn)不銹鋼材質更加均勻，表面更加光滑，提高了聚能環(huán)的熱輻射作用，因此熱效率較高；張恒[2]對比了鐵制、高硅氧、陶瓷聚能環(huán)，發(fā)現(xiàn)高硅氧聚能環(huán)對灶具熱效率提升更大。但是他們沒有經過理論分析，是僅通過實驗得到結論。本文通過對比鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)，從理論和實驗兩方面分析聚能環(huán)材質對灶具熱效率的影響。

2 聚能環(huán)對灶具熱效率的影響理論分析

2.1 熱平衡分析

① 灶具熱平衡分析

水從溫度t1加熱到溫度t2，整個過程的灶具熱平衡公式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=Qc1+Qc2+Qc3+

Qc4+Qc5

(1)

式中Qr1——燃氣帶入的化學熱量,kJ

Qr2——燃氣帶入的物理熱量,kJ

Qr3——空氣帶入的物理熱量,kJ

Qc1——水和鍋吸收的熱量,kJ

Qc2——燃氣不完全燃燒引起的熱量損失,kJ

Qc3——高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量,kJ

Qc4——煙氣帶走的物理熱量,kJ

Qc5——釋放到環(huán)境(鍋架、灶面、空氣、聚能環(huán))的熱量,kJ

燃氣和空氣帶入的物理熱量很少，可忽略。因此得到灶具熱效率公式為：

(2)

式中η——灶具熱效率

一般來說，燃燒溫度低于1 800 ℃時，熱離解反應很微弱，多原子氣體離解所吸收的熱量Qc3可以不考慮[3]；燃氣正常燃燒，不完全燃燒引起的熱量損失Qc2也可以忽略不計。同樣的環(huán)境下，是否添加聚能環(huán)不會影響燃氣帶入的化學熱量Qr1以及燃氣、空氣帶入的物理熱量Qr2、Qr3。因此，主要分析聚能環(huán)對水和鍋吸收的熱量Qc1、煙氣帶走的物理熱量Qc4、釋放到環(huán)境的熱量Qc5的影響。

水和鍋吸收的熱量主要來自于煙氣與鍋底和鍋側面的輻射換熱和對流換熱，以及聚能環(huán)對鍋底的輻射換熱。由于鍋側面的煙氣溫度較低，對流換熱量、輻射換熱量較小，在此不做分析。

② 煙氣熱平衡分析

添加聚能環(huán)時，水從溫度t1加熱到溫度t2，整個過程煙氣的熱平衡公式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=QY1+QY2+QY3+QY4

(3)

式中QY1——煙氣通過熱輻射、對流換熱傳遞給鍋底的熱量，kJ

QY2——煙氣通過熱輻射、對流傳熱傳遞給聚能環(huán)的熱量，kJ

QY3——煙氣排出帶走的熱量(忽略鍋側面的換熱)，kJ

QY4——煙氣通過熱輻射、對流換熱傳遞給鍋架的熱量，kJ

不添加聚能環(huán)時，其煙氣熱平衡分析中，QY2應為煙氣通過熱輻射、對流換熱傳遞給灶面、空氣的熱量，單位為kJ。

③ 聚能環(huán)熱平衡分析

添加聚能環(huán)時，水從溫度t1加熱到溫度t2，整個過程聚能環(huán)的熱平衡公式如下：

QJ1+QJ2=QJ3+QJ4+QJ5+QJ6

(4)

式中QJ1——聚能環(huán)通過輻射換熱從煙氣處獲得的熱量，kJ

QJ2——聚能環(huán)通過對流換熱從煙氣處獲得的熱量，kJ

QJ3——聚能環(huán)上表面通過輻射換熱傳遞給鍋底的熱量，kJ

QJ4——聚能環(huán)下表面通過對流換熱傳遞給環(huán)境空氣的熱量，kJ

QJ5——聚能環(huán)下表面通過輻射換熱傳遞給灶面的熱量，kJ

QJ6——聚能環(huán)自身所吸收的熱量，kJ

2.2 聚能環(huán)對煙氣與鍋底換熱量的影響

高溫煙氣與鍋底的對流換熱量可根據牛頓冷卻公式進行計算：

Φ0=hA(ts-tp)

(5)

式中Φ0——高溫煙氣與鍋底的對流換熱量，W

h——煙氣與鍋底的平均表面?zhèn)鳠嵯禂担琖/(m2·K)

A——煙氣與鍋底的對流換熱面積，取鍋底面積，m2

ts——煙氣的平均計算溫度，℃

tp——鍋底的平均計算溫度，℃

高溫煙氣與鍋底的對流換熱模型可以近似為穩(wěn)態(tài)常物性流體強制掠過平板層流模型，由理論模型推導出來的公式[4-5]可知：

(6)

式中ν——煙氣的運動黏度，m2/s

a——煙氣的熱擴散率，m2/s

u——煙氣掠過鍋底的平均流速，m/s

l——特征長度，取鍋底半徑，m

根據文獻[6-7]的結論，鍋底溫度與鍋內水的溫度差約為25 ℃，因此水溫從t1加熱到t2時，鍋底溫度的變化也相同。結合式(5)、(6)可知，影響高溫煙氣與鍋底對流換熱量的主要因素為ts和u。由于聚能環(huán)的存在，減小了煙氣從鍋底流出通道的截面積，提高了煙氣掠過鍋底的平均流速，使得煙氣與鍋底的平均表面?zhèn)鳠嵯禂底兇蟆Ａ硗猓勰墉h(huán)的存在，減小了燃氣與外界空氣的接觸面積，降低了二次空氣系數，從而減少了單位體積燃氣燃燒所生成的煙氣量，而單位體積燃氣燃燒所產生的熱量是不變的，這將使煙氣的平均溫度ts升高。綜上，添加聚能環(huán)會增大煙氣通過對流換熱傳遞給鍋底的熱量，使得水和鍋吸收的熱量Qc1變大，因此灶具的熱效率有提高趨勢。

此外，添加聚能環(huán)將提高煙氣的平均溫度，而鍋底的溫度不變，因此，添加聚能環(huán)也將提高煙氣向鍋底的輻射換熱量，增大水和鍋吸收的熱量Qc1，因此灶具的熱效率有提高趨勢。

2.3 聚能環(huán)與鍋底、灶面的輻射換熱量

聚能環(huán)與鍋底、灶面間的輻射換熱模型可以近似為兩塊平行平板(灰體)間的輻射換熱模型，由理論模型推導出的公式[5]有：

(7)

式中Φ——聚能環(huán)向鍋底(灶面)的輻射換熱量，W

A1——聚能環(huán)的表面積，m2

Tj——聚能環(huán)的溫度，K

Td——鍋底(灶面)的溫度，K

ε1——聚能環(huán)的發(fā)射率

ε2——鍋底(灶面)的發(fā)射率

X12——聚能環(huán)對鍋底(灶面)的角系數

τm——煙氣(空氣)的透射率

由式(7)可知，減小聚能環(huán)下表面的發(fā)射率，可以有效減少聚能環(huán)向灶面輻射的熱量，即減小釋放到環(huán)境的熱量Qc5；增大聚能環(huán)上表面的發(fā)射率，可以有效增加聚能環(huán)向鍋底輻射的熱量，即增大水和鍋吸收的熱量Qc1，從而有提高灶具熱效率的趨勢。

鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)的物性參數[5]見表1。

表1 不同材質聚能環(huán)物性參數對比

3 添加聚能環(huán)時灶具熱效率測試實驗

3.1 實驗設計

選取一臺固定的嵌入式燃氣灶具進行熱效率測試，實驗設備和實驗條件嚴格符合GB 30720—2014《家用燃氣灶具能效限定值及能效等級》和GB 16410—2007《家用燃氣灶具》要求。控制灶前壓力為2 000 Pa，一次空氣調節(jié)閥門開度保持不變，分別在不加聚能環(huán)、添加鑄鐵聚能環(huán)、添加鋁制聚能環(huán)3種情況下，測試灶具的熱效率。為了使測試結果更加準確，同一條件下重復進行3次測試，熱效率取3次測試的平均值，熱效率最大值與最小值的相對誤差不超過1%，否則重新進行實驗。為了研究不同材質聚能環(huán)對溫度場分布的影響，在內外環(huán)火焰中心處、鍋底煙氣出口處、聚能環(huán)表面處、灶面和鍋架處布置溫度測點，用熱電偶測量整個過程(規(guī)范要求鍋內水溫從室溫加5 ℃升至室溫加55 ℃,本實驗室溫為15 ℃，即該過程水溫從20 ℃升至70 ℃)各測點溫度。

為了研究聚能環(huán)對二次空氣的影響，利用煙氣取樣環(huán)采集煙氣并通過煙氣分析儀分析煙氣組成。

按式(8)計算灶具的實測熱效率：

(8)

m=m1+0.213m2

(9)

式中η1——灶具實測熱效率

m——實際加水量與鋁鍋換算為當量加水量之和，kg

c——水的比熱容，kJ/(kg·K),取4.2 kJ/(kg·K)

t2——水終溫，℃

t1——水初溫，℃

V1——實測燃氣消耗量，m3

QL——溫度為15 ℃，壓力為101.3 kPa狀態(tài)下燃氣的低熱值，kJ/m3，取33 223 kJ/m3

tg——測定時燃氣流量計內的燃氣溫度，℃

pa——實驗時的大氣壓力(絕對壓力)，kPa

pj——實測燃氣流量計處燃氣的相對靜壓力，kPa

pb——溫度為tg時的飽和水蒸氣壓力(絕對壓力)，kPa

m1——鋁鍋中水的質量，kg

m2——鋁鍋的質量,kg

實驗設備連接見圖1，煙氣取樣環(huán)與鍋底距離為30 mm。溫度測點分布見圖2。

圖1 實驗設備連接

圖2 溫度測點分布

3.2 實驗結果

不同情況下實驗結果見表2。表2中過剩空氣系數是煙氣分析儀顯示的值。

由表2可知，不加聚能環(huán)時灶具熱效率最低，添加鑄鐵聚能環(huán)時灶具熱效率(絕對值)提高1.75%，添加鋁制聚能環(huán)時灶具熱效率(絕對值)提高3.22%，說明不同材質聚能環(huán)對灶具熱效率影響較大。3種情況下煙氣中的CO含量、NO含量均滿足規(guī)范要求，不加聚能環(huán)時過剩空氣系數最大，由于鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)形狀基本一致，因此過剩空氣系數幾乎相等，小于不加聚能環(huán)時的過剩空氣系數。

表2 不同情況下實驗結果

整個過程各測點溫度隨時間變化趨勢見圖3～7，時間為水溫從20 ℃升至70 ℃的時間。

圖3 內外環(huán)火焰中心溫度隨時間變化趨勢

圖4 聚能環(huán)溫度隨時間變化趨勢

圖5 鍋底出口煙氣溫度隨時間變化趨勢

圖6 灶面溫度隨時間變化趨勢

圖7 鍋架溫度隨時間變化趨勢

由圖3可知，比較內外環(huán)火焰中心溫度可知，鋁制聚能環(huán)溫度最高，其次是鑄鐵聚能環(huán)，不加聚能環(huán)溫度最低。由于聚能環(huán)的存在，減小了過剩空氣系數，使得燃燒產生的煙氣量減小，從而使火焰溫度升高。由于鋁的密度遠小于鐵，而且鋁制聚能環(huán)較薄,相同形狀的鑄鐵聚能環(huán)的質量是鋁制聚能環(huán)的17倍，熱效率實驗中聚能環(huán)吸收熱量的計算結果見表3。在整個實驗中，鑄鐵聚能環(huán)吸收的熱量遠大于鋁制聚能環(huán)吸收的熱量，鋁制聚能環(huán)吸收的熱量僅占燃氣帶入化學熱量的0.15%，而鑄鐵聚能環(huán)吸收的熱量占燃氣帶入化學熱量的1.27%。這是添加鋁制聚能環(huán)時灶具熱效率高的原因之一。

聚能環(huán)得熱主要途徑是高溫煙氣的熱輻射和對流換熱。僅改變聚能環(huán)的材質對過剩空氣系數沒有影響，對燃燒場和流場影響很小。由于熱效率測試的整個過程，鋁制聚能環(huán)溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，而發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此鋁制聚能環(huán)從高溫煙氣處獲得的總熱量小于鑄鐵聚能環(huán)，因此內外環(huán)火焰中心處煙氣溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，即添加鋁制聚能環(huán)后鍋底煙氣的平均溫度高。鍋底高溫煙氣通過對流換熱、輻射換熱傳遞給鍋底的熱量增多，提高了水和鍋吸收的熱量Qc1，從而有提高灶具熱效率的趨勢。

由圖5可知，比較鍋底出口煙氣溫度，添加鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)時差別不大，不加聚能環(huán)時鍋底出口煙氣溫度最低。但不加聚能環(huán)時過剩空氣系數較大，燃燒產生的實際煙氣量也大于添加聚能環(huán)時的煙氣量，因此添加聚能環(huán)時煙氣帶走的物理熱量減少，這將導致熱效率提高。由表2可知，添加不同材質聚能環(huán)時的過剩空氣系數基本相同，且由圖5知，鍋底出口煙氣溫度也基本相同，因此煙氣帶走的物理熱量也基本相同。

由圖6可知，不加聚能環(huán)時灶面溫度最高，鑄鐵聚能環(huán)次之，鋁制聚能環(huán)最低。除了傳遞給鍋底的熱量外，煙氣向外輻射和通過熱對流傳遞的熱量傳遞給聚能環(huán)，雖然聚能環(huán)也會通過熱輻射傳遞給灶面一部分熱量，但其溫度小于煙氣的平均溫度，所以添加聚能環(huán)時，通過熱輻射傳遞給灶面的熱量少，即添加聚能環(huán)后灶面溫度變低，從而使得釋放到環(huán)境的熱量Qc5減小，有提高灶具熱效率的趨勢。由于鋁制聚能環(huán)的發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此其傳遞給灶面的熱量少于鑄鐵聚能環(huán)，即添加鋁制聚能環(huán)時灶面溫度低，這與實驗結果一致。后續(xù)實驗可以考慮在聚能環(huán)下表面涂抹發(fā)射率更小的材料，從而減少聚能環(huán)輻射給灶面的熱量；在聚能環(huán)上表面涂抹發(fā)射率更大的材料，從而增加聚能環(huán)向鍋底輻射的熱量。

由圖7可知，添加不同材質聚能環(huán)時，整個過程鍋架的溫升幾乎相等，即鍋架吸收的熱量大致相等。但鍋架溫度越高，散失到環(huán)境的熱量也會越大。后續(xù)實驗可考慮選用對流換熱系數小、發(fā)射率小的材料作為鍋架。

4 結論和展望

① 針對兩種不同材質(鑄鐵、鋁)聚能環(huán)，依據傳熱理論，分析聚能環(huán)對灶具熱平衡各部分熱量的影響。高溫煙氣與鍋底對流換熱量主要影響因素是煙氣與鍋底之間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂狄约盁煔夂湾伒椎臏囟炔睿砻鎮(zhèn)鳠嵯禂蹬c煙氣掠過鍋底的流速相關。聚能環(huán)減小了煙氣從鍋底流出通道的截面積以及煙氣與外界空氣接觸的面積，提高了煙氣掠過鍋底的平均流速并提高了煙氣的平均溫度，從而增加了水和鍋具吸收的熱量，灶具熱效率有提高的趨勢。除傳遞給鍋底的熱量外，煙氣向外輻射的熱量大部分被聚能環(huán)擋住并吸收，然后通過輻射換熱傳遞給鍋底繼而傳遞給鍋具和水，使得損失熱量減小。因此，添加聚能環(huán)能有效提高灶具的熱效率。

② 實驗結果表明：添加鋁制聚能環(huán)灶具的熱效率高于添加鑄鐵聚能環(huán)灶具。鋁制聚能環(huán)溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，而發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此鋁制聚能環(huán)從高溫煙氣處獲得的總熱量小于鑄鐵聚能環(huán)，因此內外環(huán)火焰中心處煙氣溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，即添加鋁制聚能環(huán)后鍋底煙氣的平均溫度高。鍋底高溫煙氣通過對流換熱、輻射換熱傳遞給鍋底的熱量增多，提高了水和鍋具吸收的熱量，從而有提高灶具熱效率的趨勢。添加聚能環(huán)時，通過熱輻射傳遞給灶面的熱量減少，有提高灶具熱效率的趨勢。由于鋁制聚能環(huán)的發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此其傳遞給灶面的熱量少于鑄鐵聚能環(huán)，因此添加鋁制聚能環(huán)時灶面溫度低。添加不同材質聚能環(huán)時，整個過程鍋架吸收的熱量大致相等。

③ 為了結論的通用性，后續(xù)應選擇更多材質的聚能環(huán)進行試驗，或在聚能環(huán)上下表面涂抹涂層驗證實驗結論。