基于TRIZ理论的户用生物质气化炉具设计.doc

学士学位毕业设计基于TRIZ理论的户用型生物质气化炉具设计学生姓名：学 号：20064024636指导教师：所在学院：工程学院专 业：机械设计制造及其自动化中国大庆2010年6月VI摘 要根据生物质燃烧特点，研究生物质高效清洁燃烧技术，开发出了与生物质成型燃料配套的户用炊事炉具。炉具采用上吸式气化技术（逆流式气化），气化产物直接燃烧。做到了结构简单、操作方便、成本低廉、热效率高、炊事火力强，污染排放量能达到北京市环保标准。为在广大农村推广使用创造了条件。运用市场调查问卷法了解现有产品特点，及消费者满意度和对产品的新的需求；运用文献资料法了解国内外全行业的发展状况，掌握发展趋势；运用数理统计软件，采用统计学方法，对消费者的消费行为进行分析；运用所学的专业理论知识：艺术设计学、人机工程学、机械基础学、现代工程材料学、建筑学、技术美学、现代加工工艺学等对所设计的产品进行综合分析、改进以达到最佳设计要求。运用计算机三维软件建模、渲染，在形体、色彩、材质等方面分析出最佳方案。制作模型，进而改进人机尺寸使其符合实际要求。采取平面广告和影视广告两种推广方式以达到好的销售效果。关键词：TRIZ理论；生物质；炉具 黑龙江八一农垦大学本科毕业设计AbstractAccording to the characteristics of biomass burning，graduate students clean combustion technology material，developed and biomass fuel molding in supporting the kitchen stove。Biomass stoves do simple structure, convenient operation, low cost, high thermal efficiency, cooking fire，pollution emissions can reach Beijing environmental standards. In the vast rural areas to promote the use of creating the conditions.Using the questionnaire survey about current market product, and customer satisfaction and the new demand for products; By using the methods of documentation and understand the whole industry development, the development trend of master; Using the theory of knowledge: art design, ergonomics, machine learning, modern engineering materials science, architecture, technology, modern processing technology aesthetics design of products on the comprehensive analysis and improvement to the best design requirements. Using the computer modeling and rendering 3d software, in form, colourful, material analysis, etc gives optimal plan. Making model, then improved human-computer size makes it accord with the actual requirement. On the final product packaging design, Take plane advertisement and television advertising two ways to achieve good sales promotion.Keywords Biomass； Stoves； TRIZ theory目 录摘 要I目 录III绪 论V1课题论证11.1课题的建立11.2对产品现有状况的分析11.3设计想法和理论支持31.4设计目的41.5设计原则42市场调研部分52.1生物质能资源的特点52.2国内外生物质能的利用现状52.3对生物质炉具发展及现状的分析62.3.1对于TRIZ理论发展的调研62.3.2对于国内生物质炉具的调研72.3.4产品的定位102.3.5基于TRIZ理论的生物质气化炉具的设计方案102.4对生物质炉具方案可行性分析112.4.1技术方面的分析112.4.2经济方面的分析112.5设计思路分析122.5.1从功能方面分析122.5.2从市场方面分析122.6用户要求调研分析132.6.1调查问卷133功能原理的分析153.1主要功能和辅助功能的分析154生物质燃气灶具的性能研究154.1燃气灶具基本性能参数的测定164.1.1试验装置和方法164.1.2试验结果与讨论184.2灶具热效率与燃烧火势的关系研究204.2.1燃烧火势的定义204.3烟气中污染物排放量的测定224.3.1试验装置和方法224.3.2试验结果和讨论244.4生物质气体与氧气的消耗量255生物质炉具图275.1市场上炉具图275.2生物质炉具方案的评价306人机关系的分析336.1人机尺寸设计337材料的说明和选择337.1材料选择分析337.1.1钢化玻璃台面材料的分析337.1.2钢化玻璃的优点337.1.3无机矿物质涂料的分析347.2成型加工工艺的分析348结构的设计348.1结构创新点348.2炉具三维图359色彩方案的分析409.1颜色与年龄的分析409.2色彩方案分析419.2.1第一组色彩方案419.2.2第二组色彩方案419.2.3对最终色彩的分析4110对最终方案的评价4110.1外形评价4110.2色彩评价4110.3功能评价4110.4人机评价4211广告方案4211.1平面广告设计4211.2影视广告方案4212市场推广与营销4312.1生物质汽化炉具的市场推广4312.1.1市场分析4312.1.2生物质汽化炉具消费现状及心理分析4312.1.3营销策略4412.1.4广告策略44结 论45参 考 文 献46致 谢48绪 论能源危机迫在眉睫，世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在化石能源基础之上的一种经济。然而，由于这一经济的资源载体将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭。石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限，大约为11801510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050年左右宣告枯竭，天然气储备估计在131800152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在5765年内枯竭。 煤的储量约为5600亿吨。1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年。 铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。 核聚变到2050年还没有实现的希望。 化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁；在国内，也可能出现由于能源基地工人下岗而引发的许多新的矛盾和冲突。 总之，能源危机迟早会爆发；它的爆发将具有爆炸性！生物质是指通过光和作用而形成的各种有机物，包括所有的动植物和微生物。而所谓生物质能（biomass energy ），就是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，即以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态、液态和气态燃料，取之不尽、用之不竭，是一种可再生能源，同时也是唯一一种可再生的碳源。生物质能的原始能量来源于太阳，所以从广义上讲，生物质能是太阳能的一种表现形式。目前，很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中，它是由太阳能转化而来的。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能，通常包括木材、及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。有关专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到下世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40以上。目前市场上利用生物质能的主要有户用生物质气化炉， 户用生物质成型燃料炉，户用生物质多功能炉具，由此，生物质气化炉具是本设计加紧研究的重大课题。生物质气化集中供气技术的推广应用是一项新兴的事业,对于消化农村大量剩余秸秆,减少环境污染,改善农村用能结构,促进农业可持续发展具有重要意义。作为该技术重要组成部分的生物质燃气灶具,是实现用气的终端设备,直接影响到用户的用气效果。使用没有经过正规设计计算和实验研究而简单改装成的灶具,不仅浪费能源,而且造成环境的二次污染,甚至会出现安全事故。鉴于此,1998年河南省重大科技攻关项目“新型生物质气化系统的研究与开发”中的子课题“生物质燃气专用灶具的研制”,就是要针对生物质燃气的燃烧特性,研制出一种达到和超过GB16410家用燃气灶具标准要求的生物质燃气专用灶具。黑龙江八一农垦大学本科毕业设计1课题论证1.1课题的建立什么样的炉具才是最高效节能环保炉具，怎样才能更好的利用能源，这正向每一位为环境担忧的人士发出疑问，如果单凭利用煤气或者天然气来进行日常的生活，那么每天排出的废气会污染环境而且所用的能源是不可再生的资源，随着时光的飞逝以及人口的增长早晚有一天会用尽的，怎样才能既不污染环境又可以永久的利用能源，恐怕是当前最最重要的要解决的问题了，随着人们对环保认知提高，并且渐渐由被动变为主动，需求更趋多元化和理性化，对安全环保、高效节能、产品质量等提出了更高要求，对价格、品牌及售后服务有了更全面的综合考虑，因此更为专业环保的生物质炉具设计正在被广泛的需求，以此来满足广大消费者。1.2对产品现有状况的分析我国13亿人口，有着成千上万的家庭，而家庭做饭所需的炉具是一个相当大的数量，但是，我国生物质汽化炉具市场中所占的比重仅为5%左右，有品牌的生物质炉具生产厂家不到50家，而且还有相当一些假的生产厂家，这与约占5/1人口的家庭的比例极不相称，反之也说明市场的巨大潜力和空间。最近的一项国内城市生物质炉具市场调查表明，约有4/5的家庭，使用炉具，46%的家庭有购买生物质炉具的欲望，可见生物质炉具市场有待进一步开发适销产品。 国内的生物质炉具，无论在产品还是在市场环节都存在很多问题，表现在以下几方面： （1）国内品牌缺乏市场培育过程生物质炉具虽然在整个炉具市场中份额不大，但竞争激烈。目前，国外品牌的生物质炉具占国内市场的30%，在国内厂家占有的70%市场份额中，只有30%拥有品牌，70%处于无品牌竞争状态。除北京和上海等大城市外，国内多数消费者在购买生物质炉具时不崇尚品牌。品牌效益还未显现，现在没有一家生物质炉具企业能在市场上占有主导地位，在全国市场形成霸主地位。因此，目前，品牌、价格、质量之间没有明显的因果关系。 （2）品牌价格合理性未得到消费者普遍认可生物质炉具大体分为镶嵌试和台试的两大类。台式灶具:双灶钢化玻璃台面一般尺寸72X40，不锈钢台面 71X40 ，单灶钢化玻璃台面一般尺寸33X43 ，不锈钢台面 37X28镶嵌灶具，双灶钢化玻璃台面一般尺寸73X41 ，不锈钢台面74X43 ，单灶钢化玻璃台面一般尺寸37X28，一般家用灶具寿命8年。 国外生物质炉具的价格较高，但其技术已经成熟，国内的生物质炉具价格虽相对于国外的低，但其技术水平没有国外的成熟，所以国内生物质炉具价格的合理性得到质疑，也在情理之中。这需要企业和消费者共同的努力，才可以改变这种对峙状况。（3）产品出现假货目前国内的生物质炉具市场中，产品出现假货。市场上出现了打着生物质汽化炉具的名声卖假货的现象，有很大一批消费者受骗上当，对整个生物质炉具市场产生了严重的消极影响，广大消费者对生物质炉具产生了怀疑态度，不过在今年的广州、深圳和东莞的生物质炉具展览会上，已出现了一批又实力了生产厂家对整个生物质炉具领域有带动作用，预示着生物质炉具市场正在走向成熟。 （4）产品设计水平良莠不齐在今年的几大展览会上，许多大企业纷纷上马生物质炉具，一时烽烟四起。但仔细看来，大多产品依然雷同，差异化不明显。共同的特点是外观略有差异，但家具内部功能单一。另外色彩过于鲜艳，不符合色彩的科学适用原则，只注重了色彩的视觉冲击力，而不懂得色彩对人的危害性，尤其是妇女影响。安全性不够，在设计中重视了造型，而忽略了安全性和便利性。总之，产品设计问题我认为是最突出的问题，这个问题不解决，生物质炉具市场也很难得到健康、快速的发展。 （5）研究水平较低我国没有专门生物质设计研究机构和专业人士的培训基地。同时，企业在对生物质炉具的研究上也投入不足。为了急功近利，往往很少有厂家花力气和财力研究消费的对象一一妇女，关注他们的生存空间，生活习性，学习对生物质炉具的要求，储藏种类和数量，以及他们的消费行为、影响因素和接收信息的渠道等，其实这些无不影响生物质炉具的设计、生产、营销和服务质量。研究市场、研究产品的使用者，是开发产品前的最重要的第一件事，希望企业重视。另外，国内生物质炉具的设计师几乎没有，大多是国外引进的技术，因此没有积淀，出现目前的问题也不足为怪。成长需要时间，更需要摔打和失败，我相信几年之后才华横溢的炉具设计师就会脱颖而出。以上阐述了我国生物质炉具中存在的种种问题。既然是问题，力争改正和调整，必将会有新的进步。1.3设计想法和理论支持生物质炉具在满足其使用价值的同时，还应具备一下几点特点：（1）高效性和节能型；（2）舒适性和环保性；（3）安全性和可靠性。颜色上避免过于艳丽，颜色越深的涂料中含重金属的成分越多，污染越大，尤其是铅污染。材料上选的钢化玻璃台面或绿色环保材料，以钢化玻璃为主，绿色环保材料为辅，这种材料有利于使用者身体健康。1.4设计目的在飞速发展的21世纪，每一位有环保思想的人都想给自己的孩子留下美好的蓝天，生物质炉具，无疑成为最为直接的表现手段，什么样的炉具才是最环保高效节能的炉具，这正向每一位使用者发出疑问，如果单凭利用煤气，天然气或者液化气来进行日常的生活，那么每天排出的废气会污染环境而且所用的能源是不可再生的资源，随着时光的飞逝以及人口的增长早晚有一天会用尽的，怎样才能既不污染环境又可以永久的利用能源，恐怕是当前最最重要的要解决的问题了，随着人们对环保认知提高，并且渐渐由被动变为主动，需求更趋多元化和理性化，对安全环保、高效节能、产品质量等提出了更高要求，对价格、品牌及售后服务有了更全面的综合考虑，因此更为专业环保的生物质炉具设计正在被广泛的需求，以此来满足广大消费者。另外，国内专职生物质炉具的设计师几乎没有，大多是从国外引进的技术设计的，因此没有积淀，较欧洲国家相比较为落后，我们要改变这种现状，在生物质炉具领域有所突破。1.5设计原则（1）结构合理，使用方便，点火容易，上火快；（2）安全卫生，热性能稳定；（3）适应使用者生活习惯和燃料要求，造价低，实用耐用。2市场调研部分2.1生物质能资源的特点植物利用光合作用,捕获太阳能将其转化为化学能存储在有机体中,并通过各种不同的转化途径,将这些取之不尽、用之不竭的能量转化为电、热以及其它各种形式的能源,这种可用于产生能源的有机物资源被统称为生物质(biomass)。生物质(biomass)包括木质素(木块、木片、木屑、数枝等)、农业废弃物、水生植物、油料植物、有机物加工废料、牲畜粪便等,生物质资源极其丰富,世界上每年生物质产量约1460亿t。生物质能具有可再生,低污染,分布广泛等特点,与煤炭等化石燃料相比,生物质能源还具有硫、氮含量低、灰分小等特点。生物质在生长过程中通过光合作用吸收CO2,在其作为能源利用过程中,排放的CO2又有效地通过光合作用而被生物质吸收,因而,其产生和利用过程构成了一个CO2的封闭循环。生物质中的碳来自空气中流动的CO2,参与植物的光合作用和燃烧反应的可逆循环利用过程。即CO2+H2O+太阳能叶绿素(CH2O)+H2O(CH2O)燃烧CO2+热量(CH2O)表示生物质生长过程中吸收的碳水化合物的总称。如果以上两个反应速度有合适的匹配,CO2甚至可以达到平衡,因此整个生物质能循环就不会引起全球变暖。这对于缓解日益严重的“温室效应”具有特殊的意义。2.2国内外生物质能的利用现状研究开发利用生物质能这种可再生能源已经成为了世界各国的一项重要任务。在德国,生物质被用来和煤混用用于发电、产气等。英国建立了要在十年之内国家电力需求的10%来自生物质的目标。欧盟在1998年白皮书上提出,到2010年生物质能利用,占能源消耗总量的12%,是1998年的5.6%的2倍还多。法国建立了要在2年之内将生物质燃料的产量提高3倍的目标,使能源作物种植面积达到100万公顷,并最终成为欧洲生物质燃料生产的第一大国。有不少国家都制定了相应的开发研究规划,例如,日本的新阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场和巴西的酒精能源计划等。有科学家预言,至2050年,生物质能源将提供世界60%的电力和40%的液体燃料(植物石油、酒精),使全球CO2的排放量大幅度减少,生物质能有可能成为未来可持续发展能源系统中的主要能源。生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然气的第四位能源资源,占全部能源消耗总量的20%。但长期以来,生物质能在我国商业用能结构中的比率极小,其主要是作为一次能源在农村利用,约占农村总能耗的70%左右。而我国目前生物质能利用的主要方法是传统的炉灶直接燃烧,其转换效率仅为10%20%,浪费严重,并且造成环境污染。2.3对生物质炉具发展及现状的分析2.3.1对于TRIZ理论发展的调研国内外TRIZ理论研究和应用概况TRIZ理论在前苏联创建后,显示出强大的生命力,TRIZ理论经过半个多世纪的发展、完善及与其它先进创新理论方法的集成,已经成为一套解决新技术、新产品开发实际问题的成熟的理论和方法体系。它以其良好的可操作性、系统性和实用性在全球的创新和创造学研究领域占据着独特的地位。现在,TRIZ理论已在俄罗斯、美国、欧洲、日本、韩国等国家和地区受到高度重视,其研究与应用获得很大的普及和发展,大大提高了创新的效率,并且已为众多知名企业取得了显著的效益。据统计,应用TRIZ理论与方法,可以增加80%100%的专利数量,并提高专利的质量;可以提高60%70%的新产品开发效率;可以缩短产品上市时间50%。经过实践的检验,TRIZ理论的应用领域不仅限于工程技术,而且还可拓展到管理和社会、家庭等广泛的方面。全世界现在每年都召开TRIZ理论的学术会议,开展研究应用的探讨。许多国家和地区也纷纷建立TRIZ网站,传递交流有关信息。我国TRIZ理论的研究和应用还刚刚开始起步。在20世纪,我国几乎没有TRIZ理论方面的论文发表。进入21世纪,特别是最近几年,我国少数大学和企业的一些专家学者开始引进TRIZ理论,开展了相关的研究和应用工作,并发表了有关论文,编著了有关书籍。这方面工作走在前列的大学有河北工业大学、清华大学、复旦大学、上海交通大学等,企业有亿维讯科技有限公司、中兴通讯公司、UT斯达康通讯有限公司以及制造业方面的一些公司,如中国船舶、中国兵器、中国航天等。河北工业大学在TRIZ理论研究和应用方面做了较多的工作,该校檀润华教授还编著了发明问题解决理论一书。近年来,国家科技部强调在科技创新工作中要实现思维创新、方法创新和工具创新,开始高度重视TRIZ等创新理论方法的研究推广应用,要求在企业中开展技术创新方法的培训。2007年8月,国家科技部已经正式批准黑龙江省和四川省为“科技部技术创新方法试点省”。2008年4月,全国性的技术创新方法的培训工作也已开始启动。浙江省已被科技部批准为技术创新方法培训工作试点省。黑龙江省现已建立开通了TRIZ网站(/default.asp)。这一切将对我国TRIZ理论的研究应用产生巨大的推动作2.3.2对于国内生物质炉具的调研 从20世纪80年代初开始，我国生物质气化技术一直受到政府和科技人员的重视，“七五”和“八五”期间取得了较大进展。我国自行研制的集中供气系统已进入实用化试验及示范阶段，山东能源研究所研制的XFF系列秸秆气化炉在农村集中供气应用中获得了一定的社会、经济效益；大连市环境科学设计研究院用研制的Lz系列生物质干馏热解气化装置建成了可供l000户农民生活用燃气的生物质热解加工厂。 然而，目前的集中供气系统普遍存在着所的“大马拉小车”问题，即许多气化工程欠户现象严重，达不到设计要求的户数，使生物质气化设备的利用率降低，并且焦油问题难以根绝，致使大型输气管网易堵塞，拆卸和清洗不便，气化站运营和维护成本及难度都很高 ，燃气的热值和气化强度依然偏低，不能充分满足用户使用要求。党和政府对生物质能开发利用的高度重视，给户用生物质炉具的发展带来了机遇。使越来越多的人们更加关注这个产业的发展。我国户用生物质炉具是个朝阳产业，尤其是户用高效低排放生物质炉具必将在生产数量、产品质量、加工能力等方面，都占据着很大的优势，尤其是在温室气体减排、改善室内空气质量和社会主义新农村的建设中，将发挥着重要作用我国小型户用型生物质气化炉具的研究开发也在逐步发展，基于党和政府对生物质能开发利用的高度重视，因此给户用型生物质气化炉具的发展带来了机遇。户用型生物质气化炉具相对于传统的粗燃烧炉具在生产数量、产品质量、加工能力等方面都占据着很大的优势，户用型生物质气化炉具是目前农户使用比较理想的生活设施，对于解决农村的节能减排、改善室内空气质量等问题有着重要的现实意义。随着研究的深入，形成了多个系列的户用炉型，可满足多种物料的气化要求，在生产、生活用能、干燥、供暖等领域得到利用。如中国农业机械化科学研究院研制的ND系列户用型生物质气化炉，用气化产出气烘干农林产品，设备简单，投资少，热效率高，对于个体户用及小型企业有很高的使用价值。虽然，生物质气化炉具的生产目前已初具规模，但要真正实现普遍化，还有一些技术障碍亟待解决。2.3.3对于国外生物质炉具的调研欧洲的生物质成型炉具非常成熟，生物质能源在可再生能源中占51%，而其中85%是用于家庭取暖，15%用于发电。欧洲最早使用生物质炉的是在一些拉丁语国家，特别是法国，但他们使用的主要目的并不是取暖炊事，而仅仅是娱乐，在欧洲的中部和东部流行了几十年的生物质炉设计的常常具有瑞典，挪威或意大利特色，具有非常高的审美特色，现在，随着生物质颗粒的发展，奥地利地区的技术慢慢具有领先地位，主要应用的自动化技术有自动进料，自动调节，自动清理灰尘等。在2003年，生产生物质颗粒的厂商有70多家，而到2006年，已有300多生产。法国有100万吨的生物质燃料生产，其中88%用于家庭。奥地利80%的化石能源需要进口，但50%的国土面积是森林，所以从1990年到2001年，生物质取暖增长了六倍，一套生物质颗粒采暖系统要2500欧元左右，生物质颗粒大约150欧元/吨，政府通过免税，采暖系统价格可以减少30%。在美国，由于石油价格的上升，冬天采用石油采暖的家庭支出将增加27%，而采用天然气采暖的家庭支出增长达40%，这时一些家庭开始购买生物质采暖炉作为补充采暖设备。美国生物质炉的价格是17003000美元，安装价格为170400美元，颗粒的价格是180230美元/吨。在家中或商业中使用生物质系统可以获得减税优惠。在内布拉斯加州大学，整个学校每年使用7000吨生物质燃料，比使用传统能源成本可节省30%。在印度，有250家生产成型燃料的工厂，每年处理掉3000万吨废弃物，每吨废弃物卖到500卢布。这些燃料主要用于军事基地，医院，社区，庙宇学校等。越南从1996年开始研究生物质能源，现在的生物质成型机器的能耗达0.11KW/h/kg0.13 KW/h/kg每吨的生产成本为1520美元/吨。孟加拉国有大量的水稻种植废弃物，热压螺杆式成型机得到了大量应用。随着成型科技的进步和人们认识的提高，生物质颗粒炉具在农村和别墅地区有非常大的增长潜力。对于柬埔寨和老挝，90%的能源消费是木材和农作物秸秆等生物质能，关于农村能源的消费是老挝政府的八个战略发展计划之一，受到全国的重视。2.3.4产品的定位本产品为生物质炉具，在满足其主要功能的同时节能高效环保，外表精美，适合使用者使用，操作简单方便，安全可靠，适合户用使用。2.3.5基于TRIZ理论的生物质气化炉具的设计方案工程案例：从气化炉出来的可燃气直接接入用户的炉具中燃烧，由于气化炉提供的可燃气不稳定，加上设计的是双炉灶炉具，燃烧时很容易出现燃烧火焰小燃烧不稳定现象，炉具容易得 “哮喘病”，这时需要外接一个储气罐，来使可燃气燃烧，但是增加储气罐即增加了成本又占据使用面积还得隔一段时间进行储气，有没有简单、可靠、成本低廉的解决方案？缩小的问题：不对炉具做主要改动，实现可燃气的稳定燃烧。系统冲突：为实现可燃气的稳定燃烧需要引入储气罐，但这使系统复杂化。建立矩阵关系：从39个通用工程参数中选择代表技术冲突的一对特性参数。（1）质量提高的参数：物体产生的有害因素（NO.31），减少对环境的污染。（2）带来负面影响的参数：可制造型(NO.32),新改进可能是制造困难。将上述两个通用工程参数NO.31和NO.32代入冲突矩阵，可以得到如下四条推荐的发明原理，分别为：NO.4不对称NO.17维数变化NO.34抛弃与修复NO.26复制。对NO.17和NO.4两条发明原理进行深入分析表明，可以将储气罐考虑在两个相连的不同空间进行设计。问题模式：应利用系统中已有的要素实现稳定功能。冲突区域及资源分析：冲突区域是箱体。系统在该区域的唯一资源是炉头。理想解最终结果：炉具本身具有使可燃气的稳定燃烧得能力，即炉具内部设有储气槽。物理矛盾：为达到最佳燃烧效果，应将储气槽至气化炉具炉头下最高的氧化层（可达1000）。在经过实验之后发现，正是由于该区域温度较高，储气槽在炉头下会受影响，温度会升高，影响储气槽的品质，同时又爆炸的危险，严重影响气化炉具的使用寿命消除物理矛盾：应将储气槽设计成凸形状，并与炉头保持一定的距离，以降低炉头对应将储气槽的影响区域。工程方案：将储气槽选择在炉头下方，并设计成凸形状。该层已在燃烧区域以外，燃烧释放的热量不会储气槽有影响。使储气槽与炉具合为一体，实现稳定的燃烧。2.4对生物质炉具方案可行性分析2.4.1技术方面的分析产品以燃烧煤气炉具和天燃气炉具及液化气炉具为设计思路进行设计改良，组装简单方便。在燃烧生物质气体时添加放氧气装置和储气槽，添加放氧气装置因为生物质气体在空气燃烧时氧气消耗大，氧气不足时燃烧不充分。添加放储气槽因为可燃气体在生物质气化炉内生成直接进入生物质炉具中气体密度不同和设计的是双炉灶的炉具使燃烧火焰不稳定，所以在生物质炉具内添加了储气槽。2.4.2经济方面的分析原材料成本：产品钢化玻璃台面，成本较低，原色环保涂漆，较有颜色的涂漆更加经济适用。加工成本：钢化玻璃台面加工包括锯削、刨削、尺寸度量和画线、凿削、砍削、钻削、拼接，以及装配和成型后的表面修饰等；由于外部结构简单，可节约加工成本。技术成本：钢化玻璃台面采用的锯削、刨削、尺寸度量和画线、凿削、砍削、钻削等加工工艺；售后成本：提供优质的售后服务，所产生的人员、运输成本。制造工艺简单，原材料价格低，具有较好的发展前景。2.5设计思路分析2.5.1从功能方面分析生物质炉具，传统的炉具样式功能单一，不够节约空间。所设计的这款炉具，在样式上有了很大突破，是炉具与厨房的结合，设计美观使用安全方便，有很大的趣味性及观赏性。其结构简单，安装、拆卸都很方便。生物质炉具大体分为镶嵌试和台试的两大类。2.5.2从市场方面分析中国的家庭约占总人口的20左右，据2005年全国人口抽样调查数据表明，中国约有2亿多家庭。目前我国的生物质炉具市场还仅仅停留在局限地从使用功能上开发研究的初级阶段，大多数生物质炉具只是国外生物质炉具的水版，缺乏自主创新能力，忽视了从家庭主妇心理和使用的角度开发设计生物质炉具的重要性。在几家较大的炉具城寻访，适合家庭主妇使用的生物质炉具几乎没有。仅有的几款一般也都以国外进口为主。据中国炉具协会秘书长张冰冰介绍，随着生活水平的提高，目前需要节能高效环保专用产品的呼声越来越高，但企业对这个趋势还在刚刚认识的阶段，所以发展缓慢，远不如生物质气化炉、户用生物质成型燃料炉，可以说生物质炉具的开发目前是刚刚起步。目前很多人买生物质炉具产品还是首选国外的，因为国外的生物质炉具产品确实做得好，在设计方面国外的产品可根据家庭主妇的特点设计，款式也多。探讨了生物质炉具设计的一些相关问题。生物质炉具有生物质炉具的特点，家庭主妇与男人在生物质炉具需要上的明显区别就是尺寸，但不仅仅是尺寸。生物质炉具要充分保证安全性，避免使用者受到意外伤害；要注意色彩搭配，给使用者良好的视觉感受等等。在设计中应该考虑到使用者的感受，以使用者的眼光去看生物质炉具，做到最好的设计。中国的生物质炉具设计传统的设计思路占很大比重法，没能突破束缚，样式，结构较单一，而随着社会的进步、经济的发展，消费者对产品样式、结构、功能都有了更高的要求。因此，按照市场的要求，应对以上几个方面进行改进和提高，才能适应市场，满足消费者的需求。2.6用户要求调研分析2.6.1调查问卷1、您家有炉具吗：（ ）A 有 B 没有2、您家炉具燃烧的是什么气体：（ ）A天然气 B 煤气 C生物质气体 D液化气3、您对您的炉具满意吗？（ ）A 满意 B 不满意4、您觉得您家炉具使用安全吗？（ ）A 有 B 没有5、您的月收入是多少：（ ）A 1000元以下 B 1000-2000元 C 2000-3000元 D 3000元以上6、您居住的地区是：（ ）A 乡村 B 城镇 C小城市 D 大城市 7、购买生物质炉具能接受的价格是多少：（ ）A 500元以内 B 500-1000元 C 1000-1500元 D 1500-2000元8、您认为炉具在家庭的重要性：（ ）A 非常重要 B重要 C一般 D不重要9、您通常会为炉具选哪类材料的家具：（ ）A钢化玻璃台面 B不锈钢台面 C 金属的 D其他10、您在什么情况下会买生物质炉具A技术成熟时B有新款时C看别人家都有 11、您会在何地购买家具：（ ）A 专卖店 B 超市 C 大卖场 D其他12、如果您想了解生物质炉具，会通过什么途径：（ ）A 上网搜索 B 炉具专业网站或家居频道 C 看报纸、杂志 D 去卖场逛逛13、您对生物质炉具色彩的要求是：（ ）A 颜色艳丽的 B看的喜欢就好 C 色彩柔和的14、购买生物质炉具时您最看重哪些因素：（ ）A 环保低污染。B 丰富的色彩选择。 C 造型新颖。 D 高效15、您选择生物质炉具最重要的标准是什么：（ ）A 炉具所采用的材料和安全性 B 炉具的的功能 C 炉具的价格 D 炉具的品牌 16、购买生物质炉具时，您关注品牌吗（ ）A 关注 B 不关注17、您是否能列举几个您知道的生物质炉具品牌 18、对现有生物质炉具产品您的建议是 调查结果分析：调查结果显示，家庭对生物质炉具专业化，不仅在生物质炉具的结构，外观，附加功能上都有更高的要求。通过市场调研，总结出如下几点在家具设计上必须遵循的条件：（1）安全性：防护性能、稳定性、环保性、应用环保材料及涂漆；（2）舒适性、合理的人机尺寸；（3）多功能性；（4）节能性和高效性。3功能原理的分析3.1主要功能和辅助功能的分析主要功能：为家庭提供一个烹饪的工具。辅助功能：可以更加高效节能环保的使用，更加有利于环境保护。4生物质燃气灶具的性能研究气化炉气化产生的燃气最终需要使用燃烧灶具才可以进行炊事活动，但是生物质气化气的成分和特性有别于天然气和液化气，在灶头的设计和使用方面也存在一定的差异，因此，研究和检测生物质燃气灶具的使用性能，包括热负荷和热效率的测定、火焰的稳定性、污染物的排放等，对生物质气化炉的推广具有重要的意义。本章选用某厂家为户用型生物质气化炉设计和生产的配套燃烧灶具(双头)，以秸秆为气化原料，参考家用燃气灶具的有关试验方法，对该灶具进行相关的性能测试研究。4.1燃气灶具基本性能参数的测定4.1.1试验装置和方法（1）热量参考家用燃气灶具的有关研究方案，按图4.1所示连接压力计、流量计和灶具。点燃燃气之后15min2Omin时段内用流量计测定燃气流量，可以多次测量取流量的平均值，同时用气囊收集该时间段内的气化气体，用于检测燃气成分，从而获得燃气热值用下式计算燃烧灶具的热负荷：负荷和热效率是燃烧灶具的两个基本性能参数。按照正常的操作(详见4.14.2)，使气化炉在稳定和最佳的状态下运行，在点燃灶具前应检查灶具前面的燃气通路处于畅通的通气状态。热负荷的测 （41)式中： 燃烧灶具的热负荷，kw;标准状况下燃气的低位发热量，kJ/;燃气的流量，/h;燃气的温度，;试验时的大气压力，kPa;试验时燃气的相对静压力，kPa;温度为时的饱和水蒸气压力，kPa。图4.1燃烧灶具热负荷、热效率的试验装置图注1:精密温度计应放置在水深二分之一处的中心位置注2:搅拌器应放置在不接触到温度计的位置表4.1灶试验用锅和加水量热负荷（kW）锅直径（mm）高度（mm）加热水量（kg）大于1.10140900.51.101601000.81.401801101.01.722001251.52.0822014022.482401502.52.9126016033.3628017543.8630019054.4032020064.9534021075.563602258（2）热效率的测量按式(4-l)计算得出热负荷，根据国标规定选择合适尺寸的锅及加热水量(具体见表4.1)，继续进行热效率的试验。测试期间室温在1618之间，按照实际烧开水时的使用条件，不设有排风设备，外窗微开，保证一定的空气流通量，每次在铝锅中加热试验的水量按表4.1中选择。每次试验均等锅具和灶具冷却后进行，以保证测试条件基本一致，并与实际使用情况基本相同。点燃稳定后坐上锅，加热过程中锅具均为加盖的状态，水初温取室温加5左右，水终温取水初温加30左右。水温由初始温度前5时，开始搅拌，到初温时开始计量燃气的消耗;在比初始温度高25时再开始搅拌，比初始温度高30时，关掉燃气继续搅拌，所达到的最高温度作为最终温度。由下式计算实测热效率。 （42) 式中：燃烧灶具热效率，%；加热水量，kg；水的比热，=4.1gkJ/(kg)；水的初温，；水的终温，；燃气消耗量，；标准状况下燃气的低位发热量，kJ/；燃气的温度，；试验时的大气压力，kPa；试验时燃气的相对静压力，kPa;温度为t:时的饱和水蒸气压力，kPa。同样的条件下多次试验，计算取热效率的平均值。4.1.2试验结果与讨论按照以上试验方法和操作，经过数次试验，计算得到的热负荷数据如下：表4.2燃气灶具的热负荷测量试验次数燃气温度t（）燃气压力P（kPa）燃气热值Q(kJ/)燃气流量V（/h）燃气灶具热负荷（kW）1491.8261242.523.652511.8361352.493.583501.8360242.473.49平均值501.8360942.493.56由于生物质气化的运行状态随着时间的推移有一定的差异，因此，运行的早期和晚期燃气灶具的热负荷存在较大差异，我们挑选气化炉运行较稳定的时期进行测试，一般在点火运行后306Omin左右。由多次试验和计算所得，该燃气灶具的热负荷一般维持在3.33.6kw之间，基本达到国家标准对灶头热负荷的要求(普通型灶3.5kw)。根据表4.1选择直径280mm的铝锅进行热效率的实验研究。试验期间，保持火焰的颜色和火势稳定，燃烧状况正常，数据记录如表4.3:表4.3燃气灶具的热效率测量试验次数加热水量M（kg）初温（）终温（）时间T（min）燃气消耗（）燃气热值（Kj/）灶具热效率14.122.357612449.0124.023.256613550.4334.224.254602451.34平均4.123.556609450.32该生物质气化炉燃气灶具在气化炉稳定运行的情况下，其平均热效率为50%左右，低于相关国家标准对天然气或液化气燃气灶具的要求值(应大于55%)和相关燃气设计手册的推荐值(5560%)。多次试验证明生物质燃气灶具的热效率具有一定的波动性，主要是因为气源(生物质气化气)不稳定造成。生物质气化炉的运行状况随着时间的推移会有一定的差别，尤其是气化炉的早期(43.3%)和晚期(41.6%)与稳定期的差异更大，燃气流量和热值的变化也是不可避免的，测量灶具热效率时尽量选择运行状态相对稳定的情况。由于户用型生物质气化炉气化出的气体直接用于灶具炊事，因此燃烧性能的波动是不可避免的，可以在灶头前面安装小型的储气设备，起到稳压和稳定流量的作用，但是这也会在一定程度上增加成本。此外，相关的规定都是针对天燃气和液化气的，对于生物质气化气的燃烧灶具没有明确规定，建议有关部门可以制定相关的标准准则。4.2灶具热效率与燃烧火势的关系研究4.2.1燃烧火势的定义为了测试火势对燃气灶具热效率的影响，首先要确定灶头的测试状态点，我们将灶头的燃烧火势分为5级(IV级)，I级最小、V级最大。调节火焰的燃烧火势的手段主要是气化炉供入鼓风量的大小，即气化炉的产气量，此外，尾部送风量的大小也可以适当改变燃气的流量和燃烧火势。I、II级为小火状态，这时主要是内环火焰，火焰小而矮，外环火焰微弱或是没有，I级为小火的最小状态，II级为小火的最大状态; III到V级为大火状态，这时内环和外环均有火焰，III级为大火的最小状态，火焰的大小基本上与盖在上面的锅底大小一致，v级为大火的最大状态，火焰高而大，IV级位于大火状态的中间状态，具体的燃烧情况见图4.2。根据4.1中所述热效率的测试和计算万法，得到燃气灶具热效率与燃烧火势的关系如图4.3所示。图4.2燃烧火势的定义4.2.2热效率与燃烧火势的关系由图4.3可见，燃烧火势对燃烧灶具的热效率有较大的影响，总体来说。小火有利于利用燃气的热量，而大火容易散失热量。火势III的火焰稳定，内焰深红色，外焰呈蓝色，其热效率最高，这是因为火焰的边缘与锅底的大小基本一致，在保证燃气热值的同时可以充分利用燃气的热量;火势I、II主要是通过减少气化空气量，减小燃气流量或是增加尾部配风而获得，火焰小而矮，火焰呈黄色，燃气的热值较低;由于火焰较小，在燃烧的过程中不会有太多的传热损失，但是由于火势较小，锅的散热面积较大，此时的散热损失显著，从而减小了热效率;火势IV、V可以通过适当增大气化剂流量、减少尾部配风的手段获得;此时由于配风量减少，可燃气成分含量变大，很多