多孔陶瓷板红外线燃气灶具燃烧能效特性探究.docx

Research & Discussion研 究 与 探 讨多孔陶瓷板红外线燃气灶具燃烧能效特性探究戴奕艺 1,2，杨曦 1，刘艳春 2，任雪潭 2，黄薇薇 2，刘健 2（1.国家燃气用具产品质量监督检验中心，佛山 528010； 2.广州市红日燃具有限公司博士后站，广州 510435）摘 要：本文从红外线家用燃气灶的自身结构和燃烧原 理出发， 分析多孔陶瓷板红外线燃气灶节能高效的特 性， 并对影响红外线燃气灶热效率的各种因素进行探 讨，研究不同灶具标准试验方法、不同测试环境条件，以 及使用不同锅具等，与红外线灶热效率的关系。 关键词：多孔陶瓷；红外线燃气灶；热效率测试；节能1 前言在倡导低碳节能概念的今天， 节能燃气灶的普及已 成为燃气灶具行业发展的趋势。 红外线燃气燃烧技术是 一种较先进的燃烧技术， 使用陶瓷板红外线燃烧器的燃 气灶具，具有加热均匀，热效率高，烟气中有害成分少的 特点1。 二十世纪八九十年代以来，国内一些燃气灶具企 业如广州红日， 开始致力于陶瓷板红外线燃烧器灶具的 生产和研发， 其 “高红外发射率多孔陶瓷节能燃烧器技 术”更是作为国家重点节能技术进行推广，对节能技术的 普及应用起到重要推动作用。家用燃气灶的热效率是衡量燃气灶是否节能的一项 重要指标。 灶具的结构和热效率试验条件变化，使得热效 率测试值存在不确定性， 通过探索相关因素的影响作用作者简介：戴奕艺 博士 凝聚态物理专业 广州市红日燃具有限公司博士 后、现为国家燃气用具产品质量监督检验中心（佛山）从事燃气具检验研 究工作。 Email ：来提高燃气灶具热效率，一直是行业人员研究的热点25。 另据行业信息称， 灶具新国标修订草案及灶具产品能效 标识实施讨论方案中， 将会对燃气灶具热效率的测试方 法及性能指标作进一步要求。本文从陶瓷板红外线家用燃气灶的燃烧方式和结构 特点出发， 对影响陶瓷板红外线家用燃气灶热效率的因 素进行探索， 以便为红外线灶具的研发和从事测试灶具 热效率性能的技术人员提供理论参考。2 陶瓷板红外线燃气灶的结构特性多孔陶瓷板燃气红外辐射器最早可追溯到上世纪四 十年代6，我国红外燃烧技术应用于节能型燃气灶具已有 20 多年历史，经前人努力，该技术已造福千家万户。家用陶瓷板红外线燃气灶的燃烧器， 由头部多孔蜂窝陶瓷板和底部空气预混腔构成，如图 1 所示。 燃烧器工作时，所需要的空气由引射器吸入，在预混腔体内，燃气利用引射器预混了燃气燃烧所需要的全部空气量 （空气 过剩系数 =1.031.06）7， 燃气-空气混合物在陶瓷板的 数千个小孔道溢出进行燃烧，将板面加热到赤红状态，温 度达到 800900 ，此时燃烧接近无焰状态，板面和高温 烟气对炊具进行辐射和对流加热。 如图 2 所示，燃烧器和 锅底之间是一种热波转换的传热方式， 相比主要靠火焰 对流传热给锅底的大气式灶具， 红外线灶具特有的红外 辐射传热，具有传热速度快的优点，从而避免因火焰与锅 底的接触时间短暂， 导致大量热量未被利用就散发至空 间的问题出现，优越性显著。图 1 陶瓷板红外燃烧器结构图 2 大气式灶与红外灶火焰对比图 3 红外线灶与大气式灶热效率比对由于红外线燃气灶与大气式燃气灶的燃烧和传热方 式不同，其热效率也不同。 根据 GB16410-2007家用燃气 灶具条款 6.14 表 21 中热效率的实验方法，如图 3 所示， 将陶瓷板红外线燃气灶与大气式灶具进行实验对比。从图 3 可以看出， 广州红日燃具公司的嵌入式陶瓷 板红外线燃气灶热效率最高可达 68%， 比普通大气式嵌 入式灶可高出 10%左右。红外线燃气灶之所以具有高热效率主要有以下几方 面原因： 首先， 燃烧器采用完全预混及无焰催化燃烧技 术，燃气在燃烧前先与足够的空气混合，辐射板上均匀分 布的众多燃烧火孔，使得燃烧更加充分，减少了燃气“化 学能”损失；同时，全预混及无焰催化燃烧，燃气利用引射 击器预混了燃气燃烧所需要的全部空气量 （空气过剩系 数 =1.031.06）， 燃气-空气混合物以 0.10.14 m/s 的速 度从陶瓷板数千个小孔道溢出进行燃烧， 远低于大气式 燃烧器 1.03.5 m/s 的速度， 而且不需要从周围获取二次 空气，因此燃烧产生的废气量少，以烟气对流形式带走的 热能也较少。 其次，在热交换率方面，对于加热非反射性 的锅体， 红外线灶具工作时通过辐射传热的效率显著高 于对流和热传导两种方式。 陶瓷板红外燃烧器的火孔密 集，燃烧时火力集中，向外围空间辐射和对流散失的热能 相对少。 此外，红外线燃烧器的多孔陶瓷板导热系数小， 向下散热少。3影响红外线燃气灶热效率的因素燃气灶具的热效率主要是由其自身的结构设计和换 热方式决定的， 另外也和用户在使用过程的环境条件和 烹饪习惯有关系。3.1 红外线灶自身结构对热效率的影响 从灶具自身结构性能方面来考虑，燃烧器燃烧性能、与锅之间的热交换率以及热损耗等都是影响热效率的关 键因素。从红外辐射理论和计算来分析， 燃气灶具在对锅加 热时，燃气经过预混，在瓷片上部燃烧，使得瓷片表层炽 热发射红外线， 燃烧器与锅底之间形成一个热平衡的区 域。 陶瓷板红外线燃气灶对锅加热时，除了高温烟气的对 流和辐射加热外，陶瓷板的辐射加热要占很大的一部分。 相对于对流传热，红外辐射传热的效率更高，因此提高红 外辐射的比例，有利于提高灶具的总热效率。 根据红外燃 烧理论8辐射传递经验公式可写为：f=A1212C0(T1/100)4-(T2/100)4（1）式中：f辐射传热强度-（功率），单位 kW A陶瓷板有效辐射板面积，单位 m2 1、2瓷片和锅底灰度12辐射角系数C0黑体辐射常数(5.67 W/m2K4) T1、T2瓷片和锅底表面平均温度 从（1）式中可看出，红外热辐射正比于辐射面大小、辐射体和吸收体灰度、 辐射角系数以及辐射体温度。 因 此，在燃烧器热负荷一定的条件下，提高红外热辐射量采 取以下措施：（1） 增大燃烧器辐射面积 A，可通过增加瓷片表面形状凹凸度来实现。（2） 增加瓷片和锅具灰度。 在瓷片表面喷涂红外高 辐射率的黑色涂层，同时选择表面深色的锅具，有利于增 加红外辐射吸收。（3） 增大角系数12， 因为角系数反比于瓷片与锅底之间的距离，可通过降低锅支架高度来实现。（4） 提高瓷片温度，选用更耐高温的瓷片。在降低热损耗方面， 通过增加防红外辐射外散罩具， 可减少燃烧器对周围空间的辐射热损耗。 使用导热系数低 的材质，减少燃烧器自身向下散失的热量。 增加锅体表面 的粗糙度， 延长对流形式的热流和烟气与锅具的接触时 间，减少燃烧烟气带走热量。 设计锅支架的适宜形状，充分 利用锅支架的余热，这些措施均有利于热效率的提升。 3.2 红外线灶具在不同测试条件和试验方法下的效率差异现行家用燃气灶具国家标准 GB16410-2007 中对热 效率试验的环境条件，燃气条件、水温升和试验用锅等都 作了严格规定9，但是在红外线灶具的测试研究过程中， 或者产品用户的实际使用中， 都会遇到不同于标准环境 和测试条件的情况， 因此需探讨红外线灶具在不同使用 条件下的热效率测量情况。3.2.1 环境温度和风对热效率的影响GB16410-2007 标准对环境的要求主要有：试验环境 温度为 205 ， 环境风速在灶具周围 1 m 处不大于 0.3 m/s，但是实际的灶具使用的环境条件，特别是寒冬酷暑 以及室内通风时， 其室内温度波动和周边风速都与理想 状态存在差异。对比不同室内环境温度下红外线灶具样机 （天然气12 T，左右炉额定功率 3.51 kW）的数据如图 4 所示。 由图4 可见，热效率与环境温度近似呈正比例关系，即环境温 度越低， 因灶具燃烧器本身和被加热锅体对外围冷环境 传递的损失热量越大，烟气流加热冷空气带走更多热能，热效率也更低。 环境温度高的时候，燃烧器预混燃烧时空 气带入的热量相对较高，同时灶具、锅体对外环境散失的 热量减少，从而使热效率有所上升。 另一方面，从图 5 的 有风和无风状态对比来看， 燃烧器周边的空气流动会显 著地降低热效率。图 4 热效率与环境温度关系图 5 风速对热效率的影响3.2.2 燃气条件对热效率的影响我国城镇燃气供气多元化的特点， 决定了红外线灶 具的使用气源条件多样化， 对热效率产生影响的燃气条 件包括燃气种类、温度、压力、热值等。通过对一台以天然气 12 T 为气源的红外线灶样机， 在 1630 燃气温度下进行热效率测试结果比对， 具体 结果如表 1 所示。 随着燃气温度的上升， 热效率随之上 升， 这是因为燃气温度升高带入的物理热也会增加燃烧 的热量。相同热负荷的陶瓷板红外线灶，分别使用天然气、石 油液化气进行热效率对比试验，结果如表 2 所示。 不难发 现，在相同热负荷时，使用液化气时红外线灶测得的热效 率比使用天然气时的高。在使用罐装液化石油气的时候， 钢瓶不同部位的燃表 1 不同燃气温度的效率表 3 常见的试验用燃气热值试验燃气温度（）热效率 （%）16.7 60.119.860.8丙烷液化气（19 Y）（20 Y）（22 Y）（12 T）低热值（MJ/m3）93.24100.85123.6535.91气源丁烷天然气22.562.225.663.828.665.130.365.3 表 2 天 然 气 和 液 化 气 红 外 线 灶 效 率 结 果 比 对 实测热负荷燃气低热值结合图 6 和表 3 来看， 使用黄焰界限气丁烷时热效 率较高，即燃气热值越高测得的热效率越高。 从理论上分 析，使用热值高的燃气时，消耗的燃气体积少，烟气带走 的热量相对少。 图 7 是不同燃气压力下的热效率对比结 果，从中不难看出，当燃气压力增大时，热效率降低，这是 因为燃气流速增加，会吸入更多二次空气，同时燃烧器产 生的热流与锅底接触热交换时间变短， 导致热效率有所 降低。3.2.3 试验用锅的影响（MJ/m3）热效率 （%）天然气（12 T）35.9162.863.865.3液化气（20 Y）100.8563.265.366.3使用气源2.62 kW2.91 kW3.35 kW在家用燃气灶具的实际使用过程中， 用户往往使用 到不同大小或类型的烹饪容器，因此，需对不同试验锅红 外灶具的效率情况进行探讨。（1） 不同直径试验锅热效率在 GB16410-2007 标准的热效率试验方法中，规定了气性质与测试界限气的状况相当。 图 6 是使用液化石油 气的红外线灶在使用其界限气时的热效率对比图。 表 3 给出了试验中各气源的热值数据。图 6 使用界限气热效率对比图 7 不同燃气压力下热效率试验用锅的形状大小等参数，同时，也指定了不同实测热负荷时选用的上、下限试验锅。设定取实测热负荷为 2.99 kW 的红外线燃烧器，分 别对直径为 20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm、32 cm 的国标试验铝锅进行热效率测试。 试验中，根据锅直 径取相应的加热水量。 锅底直径变化，直接导致锅底热强 度值变化，按照 GB16410-2007 定义：锅底热强度 q=实测热负荷/试验用锅在正投影面的面积，锅底热强度单位为 W/cm2。对不同直径试验铝锅求得的锅底热强度值列于表 4。 表 4 不 同 直 径 试 验 铝 锅 的 锅 底 热 强 度 值 锅直径（cm）20222426283032锅底热强度9.527.876.66 5.63 4.864.23 3.72（W/cm2）通过试验得到的不同锅底热强度对热效率影响关系 如图 8 所示，热效率反比于锅底热强度，即锅直径越大， 测得热效率越高。（2） 锅底灰度试验用锅对红外线灶具的热效率影响还体现在锅底 的灰度上， 对几组使用表面光亮的新铝锅和表面氧化无 光泽灰锅进行热效率对比，具体结果如表 5 所示。 结合表图 8 锅底热强度与热效率关系5 来看，在有金属亮光的新锅上测得的热效率与无光泽灰 锅的热效率相差达 8%。 表 5 光 亮 锅 和 灰 底 锅 热 效 率 （%） 编号灰底旧锅光亮新锅1#64.656.52#65.357.23#64.856.94#66.156.3（3） 不同类型试验锅效率目前，灶具标准中常见的热效率试验锅有：GB16410- 2007 版本标准规定的铝锅 （ 下简称 07 国标锅）、 欧标 EN30 的直筒平底圆锅（简称欧标锅）以及新国标草案的 苏泊尔平锅。 此外，用户在日常生活中还常使用到黑底炒 锅、陶瓷瓦锅等。 同按现行国标 GB16410-2007 规定的试 验方法，得到各种类型锅的热效率结果如图 9 所示。 从图 9 看出，对于红外线灶具，使用黑底炒锅和类似欧标和苏 泊尔平底锅热效率较高， 陶瓷瓦锅由于介质导热性能较 差，热效率较低。（4） 不同标准体系测试方法的热效率差异图 9 不同类型锅热效率在不同标准中， 灶具热效率的测试方法存在着明显 差异。 现行灶具国标 GB16410-2007 与 1996 版本标准的 差异主要在于加热水量、水温升、搅拌和试验结束余温的 计算等方面。1996 版旧国标的试验水量基本为 2007 版国 标的两倍，2007 版国标水温升为 30 K， 试验前后阶段需 搅拌并计算余温，而 96 版标准水温升为 50 K，试验结束 后不计算余温。 最新的国标草案提出了使用苏泊尔定制 试验锅、50 K 温升的试验方法，目前其试验效果正在论证 中。 另一方面，EN30 欧标热效率的测试方法中，需要将燃 烧器热负荷调节至指定的热负荷，并按要求加入水量，水 温升为70 K，起始温度为 201 ，试验中不搅拌并计算余温。 此外，不同的标准体系里热效率计算也存在差异，欧标中需计算试验锅的吸热， 计算时燃气热值使用高热 值。 本节的热效率比对试验中，为了便于比较，统一选取 26 cm 的试验锅进行试验，结果如表 6 所示。从表 6 来看，GB16410-2007 方法采用铝锅试验时， 加热水的温升比 GB16410-1996 的小，因而锅和水的总平 均温度也相对低，有益于测得高效率，同时由于计算了余 热温升，测得的热效率高出 12%。 在欧标的效率测试中， 显然由于试验温升最高， 同时结果计算还涵括了铝锅的表 6不同标准方法的热效率结果试验标准和方法GB16410-2007GB16410-1996EN30 方法新国标草案试验用锅国标铝锅国标铝锅欧标锅苏泊尔锅实测热负荷（kW）2.992.972.362.98试验水质量（kg）366.16试验温升（K）30+余热温升5070+余热温升50+余热温升热效率（%）63.661.859.665.2吸热，燃气热值使用的是高热值，最终计算出来的效率最 低。 笔者认为，新国标草案中使用的试验锅本身就是灰色 的平底圆锅，因而比 2007 的铝锅测试得到的热效率结果 高出约 2%。4 结语本文对陶瓷板红外线家用燃气灶的热效率特性和影 响因素进行研究。 结果表明红外线灶的自身效率与燃烧 器燃烧性能、与锅之间的热交换率以及热损耗有关，不同 标准方法测得热效率结果存在较大差异， 红外线灶热效 率测试结果与环境温度、燃气温度、热值呈正比例关系， 与压力、锅底热强度呈反比例关系。 试验锅的灰度对红外 线灶的热效率影响效果明显。 本研究对设计提高红外线 灶的热效率，合理使用红外线燃气灶，实现节能、减少家 用炊具耗能有指导意义。参考文献1 陈世志,刘艳春,曾令可等.家用红外线节能灶具用多孔介质性能分析J.家用燃气具,2010(4): 64-67.2 张健.影响家用燃气灶具热效率测试的因素的探讨J.能源技 术,2007,28(5):294-299.3 罗从杰等.研究探讨提高大气式家用燃气灶具热效率的方法J.能源研究与管理,2010(2):69.4 张喜杰,吴亭.锅具对家用燃气灶热效率之影响J.现代家电,2012(14):50.5 沈宏辉.从燃气灶具热平衡分析探讨提高热效率的方法J.浙 江燃气具,2009(3)6 Hanamura K,Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous mediumJ.International Journal of Heat and Mass Transfer,1993 (36