具有定時(shí)功能的燃?xì)庠钭詣?dòng)關(guān)閉裝置設(shè)計(jì)

摘" 要：為有效提升家用燃?xì)庠罟ぷ餍埽撐脑O(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)定時(shí)關(guān)閉燃?xì)夤δ艿脑罹摺ＫO(shè)計(jì)的燃?xì)庠钋度胱詣?dòng)關(guān)閉裝置，可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)模式、自動(dòng)開斷功能，提高燃?xì)庠罹叩陌踩院捅憷浴Ｕn題對(duì)燃?xì)庠畹年P(guān)閉方式進(jìn)行改進(jìn)，利用熄火保護(hù)裝置，對(duì)燃?xì)庠畹碾姶砰y結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過3D建模演示和數(shù)據(jù)模擬分析，開發(fā)出具有自動(dòng)開關(guān)和定時(shí)使用功能的燃?xì)庠睢ＫO(shè)計(jì)的燃?xì)庠羁梢杂行Ч?jié)約燃?xì)獾氖褂昧浚瑴p少碳排放，是一款節(jié)能環(huán)保的新型家用設(shè)備。

關(guān)鍵詞：燃?xì)庠睿欢〞r(shí)功能；自動(dòng)關(guān)閉裝置；電磁閥結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)模擬分析

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）15-0113-04

Abstract： In order to effectively improve the working efficiency of domestic gas stoves， a kind of stove with the function of automatically turning off the gas at a certain time was designed. The designed gas cooker embedded with automatic shut-off device could realize timing mode and automatic on-off function， and improve the safety and convenience of gas cooker. This project is to improve the closing mode of gas stove， and optimize the solenoid valve structure of gas stove by using flameout protection device. Through 3D modeling demonstration and data simulation analysis， a gas stove with automatic on-off and timing functions was developed. The designed gas stove could effectively save gas consumption and reduce carbon emissions， and therefore proves to be a new type of energy-saving and environment-friendly household equipment.

Keywords： gas stove; timing function; automatic shut-off device; solenoid valve construction; data simulation analysis

餐飲業(yè)油煙污染物排放是大氣環(huán)境污染的重要源頭之一，隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)和大氣污染防治的法制化，飲食業(yè)油煙排放標(biāo)準(zhǔn)將更加嚴(yán)格[1]。國內(nèi)外目前對(duì)燃?xì)庠畹碾姶砰y及自動(dòng)化進(jìn)行了大量的研究，張思輝[2]通過研究中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活水平發(fā)現(xiàn)國內(nèi)燃?xì)庠町a(chǎn)業(yè)市場(chǎng)慢慢從中低端產(chǎn)品轉(zhuǎn)向高端的智能化產(chǎn)品；針對(duì)鍋底溫度傳感器判斷處理了鍋溫檢測(cè)的輸入，實(shí)現(xiàn)了控制功能和安全保護(hù)功能，并提出針對(duì)目前家用智能燃?xì)庠罹哳I(lǐng)域的故障檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)思路和建議。萬有群[3]通過目前燃?xì)庠罹叩恼｜c(diǎn)火需要針對(duì)橫向課題的具體要求，研究了無線電能傳輸（WPT）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)燃?xì)庠罹叩狞c(diǎn)火控制器供電；圍繞燃?xì)庠铧c(diǎn)火器的無線電能傳輸研究，擺脫電能傳統(tǒng)的通過導(dǎo)線傳輸?shù)木窒扌问剑岣吡水a(chǎn)品的靈活性、安全性和可靠性。曹曉峰等[4]研究了商用燃?xì)庠罹咴O(shè)計(jì)熱工性能自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合熱工性能項(xiàng)目需求，利用傳統(tǒng)檢測(cè)方法局限性的問題實(shí)現(xiàn)檢測(cè)方法的智能化改造，采用傳感器終端動(dòng)作器等模塊提出自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并以燃?xì)庹粝涞脑O(shè)計(jì)為例，得到了自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖。丁浩等[5]通過國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)家用燃?xì)庑阅艿募夹g(shù)要求，采用小型可編程邏輯控制器搭配多通道模擬模塊，采用壓力和水溫度信號(hào)將數(shù)據(jù)采集到控制中心傳輸至電腦中，并用圖形化編程語言開發(fā)軟件分析采集的數(shù)據(jù)，完成家用燃?xì)庠罹叩淖詣?dòng)檢測(cè)。針躍軍[6]通過定時(shí)器和鎖相環(huán)的伺服系統(tǒng)，針對(duì)一些運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的伺服器進(jìn)行輸出正交的可變分頻脈沖，研究電機(jī)軸的位置信息，即編碼器原始信號(hào)產(chǎn)生的速度信息和位置信息，經(jīng)過移相產(chǎn)生輸出信號(hào)進(jìn)行鎖相環(huán)形成負(fù)反饋閉環(huán)。

本課題在這一背景下，以節(jié)能減排，提升綜合效能為目標(biāo)，將傳統(tǒng)燃?xì)庠畹娜紵P(guān)閉系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，開展具有定時(shí)功能的燃?xì)庠钭詣?dòng)關(guān)閉裝置設(shè)計(jì)開發(fā)。針對(duì)氣閥系統(tǒng)的復(fù)雜性，通過模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)氣閥系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1" 設(shè)計(jì)方案

1.1" 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國內(nèi)常見的傳統(tǒng)鼓風(fēng)式商用燃?xì)庠钪饕Y(jié)構(gòu)包括風(fēng)機(jī)、空氣燃?xì)忸A(yù)混器、燃?xì)饪刂崎y、燃燒器、燃?xì)庠畋倔w、助燃空氣控制閥和尾端煙道[7]。這種燃?xì)庠畹墓ぷ髟硎怯晒娘L(fēng)機(jī)推送燃燒需要的空氣，經(jīng)過風(fēng)道和管道進(jìn)入預(yù)混器。預(yù)混器側(cè)壁開有小孔，讓燃?xì)饨?jīng)這些小孔高速射入預(yù)混器與空氣發(fā)生碰撞混合，混合之后進(jìn)入爐膛內(nèi)，經(jīng)燃燒器流出發(fā)生燃燒反應(yīng)放出熱量加熱鍋底，而反應(yīng)生成的高溫?zé)煔饨?jīng)爐膛內(nèi)設(shè)有的煙道排出。隨著居民生活水平的提高和住宅結(jié)構(gòu)的發(fā)展，燃?xì)庠钚袠I(yè)發(fā)展迅速。隨著持續(xù)地研發(fā)，燃?xì)庠钚阅堋⑼庥^和功能不斷得到改進(jìn)，新產(chǎn)品層出不窮。目前，家用燃?xì)庠钚袠I(yè)追求的目標(biāo)和攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保。這不僅符合當(dāng)前節(jié)能減排趨勢(shì)和國家環(huán)保要求，也是消費(fèi)者自身的需要。更有效的煤氣灶不僅可以降低燃燒產(chǎn)物中的有害物質(zhì)，還可以節(jié)約氣體的使用量，提高煤氣灶的熱效率。

針對(duì)這一需求，設(shè)計(jì)了如圖1所示的具有定時(shí)功能的燃?xì)庠钭詣?dòng)關(guān)閉裝置。本設(shè)計(jì)首先結(jié)合燃?xì)庠畹南ɑ鸨Ｗo(hù)裝置分析其熄火保護(hù)原理，通過定時(shí)裝置與電磁閥實(shí)現(xiàn)燃?xì)庠畹亩〞r(shí)與自動(dòng)關(guān)閉功能。其次，在理論研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)商用灶具中的小炒灶型，對(duì)裝置進(jìn)行輕量化美觀設(shè)計(jì)，提出將灶具內(nèi)部裝置與熱電偶合并安裝的設(shè)計(jì)方案。最后，根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)了具有定時(shí)功能的燃?xì)庠钭詣?dòng)關(guān)閉裝置，并進(jìn)行灶具整體設(shè)計(jì)和試制，利用試制樣機(jī)對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行演算實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的合理性和性能的可靠性。

1.2" 定時(shí)器設(shè)計(jì)

自從古代將沙漏作為計(jì)時(shí)工具開始，計(jì)時(shí)器已經(jīng)發(fā)展了200多年。作為社會(huì)的發(fā)展，計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)也應(yīng)人們的需要，不斷改進(jìn)和向前發(fā)展。隨著生產(chǎn)生活水平和科研等需求的提高，計(jì)時(shí)器的性能要求也不斷被提高，包括定時(shí)的精度、定時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)度等[8]。

所設(shè)計(jì)的定時(shí)器如圖2所示，主要包括蓋碗、開關(guān)凸輪、摩擦片、頭輪、發(fā)條、主軸、棘爪孔、棘輪和振子等結(jié)構(gòu)。定時(shí)裝置由定時(shí)器和開關(guān)組成，定時(shí)器包含2部分，一部分是計(jì)時(shí)部分，一部分是觸發(fā)輸出部分。計(jì)時(shí)部以一定的速度計(jì)時(shí)；觸發(fā)部在定時(shí)部定時(shí)與觸發(fā)部的設(shè)定值一致的情況下定時(shí)器輸出一個(gè)命令，驅(qū)動(dòng)開關(guān)斷開。

2" 理論設(shè)計(jì)計(jì)算

社會(huì)文明發(fā)展和科技進(jìn)步是驅(qū)動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的兩大動(dòng)力[9]。隨著我國天然氣市場(chǎng)的發(fā)展，天然氣的利用范圍不斷擴(kuò)大。天然氣需求增量主要來自大氣污染治理重點(diǎn)地區(qū)的氣化項(xiàng)目、天然氣發(fā)電及分散能源項(xiàng)目、交通領(lǐng)域的氣化項(xiàng)目及節(jié)約替代項(xiàng)目[10]。中國的能源構(gòu)成煤占70%、天然氣只占4%[11]，隨著環(huán)境保護(hù)政策日趨完善，全球能源消費(fèi)低碳化趨勢(shì)日益明顯，天然氣將成為全球能源由高碳向低碳轉(zhuǎn)變的重要橋梁，發(fā)展速度明顯高于煤炭和石油[12]。

本設(shè)計(jì)的最大特點(diǎn)在于提供雙重保障，即考慮到定時(shí)關(guān)閉燃?xì)馇闆r，也考慮到熄火保護(hù)功能。考慮到作品應(yīng)用于燃?xì)獾奶厥庑裕Y(jié)構(gòu)尺寸的合理性和安全性設(shè)計(jì)是必要的。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題是：定時(shí)器的計(jì)時(shí)部分要做到準(zhǔn)確，在指定時(shí)間按一定的速度計(jì)時(shí)，觸發(fā)裝置通電連接到電磁閥，在驅(qū)動(dòng)開關(guān)斷開后，電磁閥也會(huì)順利斷電。

所設(shè)計(jì)的燃?xì)庠罹弑M可能具有較小體積和質(zhì)量，降低研發(fā)成本，同時(shí)具有可靠的性能和安全性。

設(shè)計(jì)的原始資料是來源壓力、氣源種類和氣源物質(zhì)參數(shù)。

2.1" 大氣式燃燒器頭部設(shè)計(jì)計(jì)算

灶具的熱工性能主要用燃燒穩(wěn)定性、熱效率和煙氣中一氧化碳含量等指標(biāo)來衡量[7]。頭部設(shè)計(jì)以穩(wěn)定為原則，保證灶具在0.5～1.5倍燃?xì)忸~定壓力范圍內(nèi)正常使用。火焰燃燒必須穩(wěn)定，不能出現(xiàn)離焰、回火和黃焰等現(xiàn)象，同時(shí)火焰應(yīng)當(dāng)滿足加熱工藝要求。

1）選取火孔熱強(qiáng)度qP，根據(jù)給定的氣源種類及其相關(guān)物性參數(shù)確定火孔熱強(qiáng)度。

2）選取火孔直徑dP，根據(jù)選定的火孔熱強(qiáng)度確定燃燒器頭部的火孔尺寸。

3）計(jì)算火孔總面積FP，按我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，家用燃?xì)庠钪骰鹑紵鞯念~定熱負(fù)荷不得小于2.9 kW，但不得大于4.07 kW。

5）確定火孔深度。增加孔深，有利于提高灶具的脫火極限，使燃燒器更加穩(wěn)定，工作范圍增大，在一定范圍內(nèi)，回火極限降低，氣流阻力加大，不利于一次空氣吸入。孔深一般設(shè)定為燃燒器火孔直徑的2～3倍。

6）確定火孔間距。火孔間距太大，不利于順利傳火；火孔間距太小，容易出現(xiàn)火焰合并，影響二次空氣供給，出現(xiàn)黃焰現(xiàn)象。因此，火孔間距離是火孔直徑的2～3倍。

7）設(shè)計(jì)火孔排列型式。①設(shè)計(jì)排數(shù)小于4排，對(duì)選擇燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)無影響，對(duì)脫火極限無影響。②設(shè)計(jì)排數(shù)大于4排，隨著排數(shù)增加，二次空氣供給受到限制，容易產(chǎn)生黃焰。一般情況下，每增加1排，一次空氣系數(shù)相應(yīng)提高5%～7%。

8）確定頭部截面積。①當(dāng)燃?xì)忸^部截面積過大時(shí)，點(diǎn)火時(shí)燃?xì)忸^部會(huì)積存大量的空氣，引起劇烈的爆炸噪音，滅火時(shí)頭部所積存的大量氣體、空氣混合物這2種氣體會(huì)引起回火噪聲。②當(dāng)燃?xì)忸^部截面積過大時(shí)，燃?xì)忸^部將增加金屬的消耗量，增加燃?xì)庠罹叩纳a(chǎn)成本。③當(dāng)頭部截面積過小時(shí)，燃?xì)庠罹唿c(diǎn)火時(shí)燃?xì)狻諝饣旌蠚饬鞑荒芫鶆虻姆植荚诿總€(gè)火孔，導(dǎo)致火焰不整齊以及火孔熱強(qiáng)度大小分布不均勻。④經(jīng)過3次分析得出，頭部截面積一般應(yīng)為火孔總面積的2倍以上。

2.2" 灶具外觀設(shè)計(jì)及附屬零件選擇

1）點(diǎn)火裝置的選擇選擇壓電陶瓷點(diǎn)火。合格點(diǎn)火開關(guān)使用壽命連續(xù)6 000次以上，且旋塞氣密性仍合格。

2）定時(shí)裝置的選擇。選擇機(jī)械定時(shí)旋鈕，使用壽命在6 000次以上。

3）外觀設(shè)計(jì)。①外觀設(shè)計(jì)應(yīng)美觀大方，應(yīng)保證一定的堅(jiān)固程度，面板材料應(yīng)當(dāng)經(jīng)過沖擊試驗(yàn)。面板材料不使用鐵皮，爐頭、火蓋要精密加工，無明顯的毛刺。②點(diǎn)火開關(guān)方面，開（ON）、關(guān)（OFF）、小火位置標(biāo)注準(zhǔn)確，并應(yīng)有限位和自鎖裝置。③灶具氣密性和噪聲方面，灶具的供氣管、配件及連接件應(yīng)嚴(yán)密不漏氣。要求用10 kPa試驗(yàn)壓力進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，穩(wěn)壓1 min，不得有壓降現(xiàn)象。

3" 工作原理及性能分析

影響煤氣灶性能的因素很多，其中運(yùn)行工況因素和結(jié)構(gòu)尺寸因素是最重要的影響因素。熱負(fù)荷、鍋支架高度等模式因素可在實(shí)驗(yàn)中調(diào)整，燃?xì)庠钛兄频年P(guān)鍵是其爐具結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)。現(xiàn)有煤氣灶安全性低，智能化程度低[13]，在研究燃?xì)庠疃〞r(shí)自動(dòng)關(guān)閉裝置時(shí)，采用如圖3所示的定時(shí)裝置與電磁閥的結(jié)構(gòu)連接方式，大大優(yōu)化了燃?xì)庠畹臍忾y通路。

燃?xì)庠畹亩〞r(shí)點(diǎn)火裝置采用內(nèi)部安裝的方法，定時(shí)裝置、熱電偶、電磁閥采用了如圖4所示的三點(diǎn)電路接通方式，極大地增添了燃?xì)庠畹拿烙^性。當(dāng)定時(shí)器在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，定時(shí)裝置的電路處于開通狀態(tài)，熱電偶在燃?xì)庠钍褂玫那闆r下產(chǎn)生電流連接至電磁閥。電磁閥在工作狀態(tài)下，打開氣閥，當(dāng)達(dá)到定時(shí)時(shí)間，定時(shí)裝置斷開電路。此時(shí)，熱電偶和電磁閥自動(dòng)斷開連接，電磁閥停止工作，關(guān)閉氣閥，斷開氣源。

燃?xì)庠钭詣?dòng)關(guān)閉裝置設(shè)計(jì)的核心是通過定時(shí)裝置與電磁閥通過并聯(lián)的方式連接，當(dāng)定時(shí)裝置開啟之后，電磁閥通過電線產(chǎn)生磁力，定時(shí)裝置通過鐵片連接燃?xì)庠畹南ɑ鸨Ｗo(hù)裝置。當(dāng)達(dá)到定時(shí)閾值后，定時(shí)裝置切斷鐵片與電磁線圈的連接，閥芯復(fù)位將閥門關(guān)閉，切斷燃?xì)獾臍饴罚瑢?shí)現(xiàn)燃?xì)獾淖詣?dòng)關(guān)閉功能。

4" 結(jié)束語

隨著世界各國都在向“碳中和”不懈努力的時(shí)候，能源品位正在向“低品位區(qū)間”拓展，各國迫切需要探索低碳能源技術(shù)路線。本設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)的燃?xì)庠羁蓪?shí)現(xiàn)燃?xì)獾淖詣?dòng)化關(guān)閉，改變傳統(tǒng)燃?xì)庠铌P(guān)閉復(fù)雜的問題。在傳統(tǒng)的煤氣灶的使用中，需要人為地進(jìn)行開關(guān)和操作。根據(jù)這一缺陷，本團(tuán)隊(duì)在煤氣灶中置入定時(shí)裝置，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)燃燒和自動(dòng)關(guān)閉功能，提高了家用燃?xì)庠畹闹悄苄院桶踩浴?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 蘭彥冰.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的高效燃?xì)庠畹难邪l(fā)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2020.

[2] 張思輝.燃?xì)庠罹咤仠貦z測(cè)及補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)研究[J].日用電器，2022（7）：101-106.

[3] 萬有群.燃?xì)庠罹唿c(diǎn)火控制器無線供電系統(tǒng)的電磁耦合機(jī)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)[D].重慶：重慶大學(xué)，2017.

[4] 曹曉鋒，葉梓茂，趙軼，等.商用燃?xì)庠罹邿峁ば阅茏詣?dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)[J].工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，2020，7（4）：116-119.

[5] 丁浩，張杰，何正罡，等.基于PLC的家用燃?xì)庠罹咦詣?dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研制[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2012，8（17）：4241-4243.

[6] 針躍軍.基于定時(shí)器和鎖相環(huán)的伺服系統(tǒng)分頻輸出方法應(yīng)用研究[J].機(jī)電信息，2022（3）：13-16，21.

[7] 陳彥河，李燕輝，王文華，等.用機(jī)械定時(shí)器控制變電站水箱自動(dòng)上水[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013（9）：23.

[8] 鄒才能，潘松圻，黨劉栓.論能源革命與科技使命[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，41（3）：1-12.

[9] 王震，薛慶.充分發(fā)揮天然氣在我國現(xiàn)代能源體系構(gòu)建中的主力作用-對(duì)《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的解讀[J].天然氣工業(yè)，2017，37（3）：1-8.

[10] 華賁.天然氣在中國向低碳能源過渡時(shí)期的關(guān)鍵作用[J].天然氣工業(yè)，2011，31（12）：94-98.

[11] 李偉，陳燕，粟科華，等.“十三五”期間我國天然氣行業(yè)發(fā)展環(huán)境分析[J].國際石油經(jīng)濟(jì)，2015，23（3）：5-10.

[12] 譚順民.家用燃?xì)庠罹邿峁ば阅艿膬?yōu)化研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1995（3）：21-29.

[13] 王恒勇，石光凱，王悅忠，等.基于單片機(jī)控制的智能定時(shí)燃?xì)庠铋_關(guān)裝置設(shè)計(jì)[J].信息與電腦（理論版），2019，31（22）：91-93.