距离可调燃气灶节能特性的实验研究

2014-08-06薛治家王建宇王媛媛

沈阳工程学院学报（自然科学版） 2014年3期

薛治家，王建宇，胜兴，崔洁，王媛媛

(沈阳工程学院能源与动力学院，辽宁沈阳110136)

对大气式燃烧器热效率的测试、分析和改进始终是国内外民用燃气研究的热点［1-5］。很多燃气灶在使用中难以达到设计标准，李兆坚等［1］通过对某台式燃气灶实测表明，实测热效率大大低于实验室测定的额定热效率和有关燃气设计手册［2］的推荐值，烧开水的平均热效率仅为43%～52%，可见其节能潜力较大。

早期的扩散式燃气灶结构简单，但燃烧热强度低，火焰长，燃烧不完全，目前已经被淘汰。施旺克于1956年研制出了多孔陶瓷板燃气红外线辐射器，采用全预混空气燃烧，火焰短，故称之为无焰燃烧，其显著优点是热效率高，污染物排放少，燃烧噪音小［6，7］。但这种燃烧方法的稳定性较差，民用燃具中多采用多孔陶瓷板或金属网作为稳焰载体。黄志甲［8］证实，金属纤维燃气灶具有明显的节能和环保效果。傅忠诚等［9］通过对金属纤维燃烧器的研究表明，CO和 NOx排放特性优于常规燃气灶。泰国学者 Tamir等［10］提出一种旋流燃烧燃气灶，通过实验证实了旋流燃烧燃气灶比常规的燃气灶热效率高10%～30%。萨巴夫公司研制的完全上进风扩散燃烧的嵌入式燃气灶，具有尺寸小的优点，近几年迅速占领了市场。但嵌入式燃气灶热火力小、聚中性差，难以满足国内消费者的需要。

以上述研究成果为借鉴，通过简易可靠的手段调整燃烧器喷嘴与锅具之间的高度，从而实现燃气灶在不同功率下可以进行高效、低污染的工作。

1 实验系统及方法

1.1 实验系统介绍

整个实验装置如图1所示，包括供气系统、烟气测量系统、温度测量系统和节能燃气灶。燃气经燃气罐流出，进入质量流量控制器，最后进入节能燃气灶。

供气系统包括燃气罐、减压阀、供气管道和质量流量控制器等。燃料为丙烷，纯度达到98%。测量系统包括电子烟气分析仪Testo350、烟气采集器等。温度测量系统包括水银温度计、电动搅拌器等，燃烧器采用普通大气式燃气灶，灶头可以在垂直方向上提升和下降。

1.2 实验方法

定义实测热效率为水的有效利用热与输入热量的比值。实测热效率η由下式计算：

其中，Q1、Qr分别为有效利用热和输入热量，cp，H2O、mH2O、ΔT 分别为水的比热、质量和加热前后的温差，Lv和Qar，net分别为燃气量和燃气的低热值，丙烷的低热值取 93 164 kJ·m-3。

图1 实验系统

1)实验开始前，首先测量并记录室温和水的初始温度。

2)实验期间，室温和水的初温变化不大，室温约为16℃，水的初温约为12℃。每次实验保证燃气灶和锅具冷却到室温。实验过程中燃气流量由流量控制器控制，当工质水的温度达到100℃时，实验结束。

3)由公式(1)、(2)和(3)计算得到热效率。烟气中NOx和CO的浓度通过Testo350烟气分析仪测定，其中CO的浓度按国家标准的要求，通入O2来调节CO的浓度，然后进行折算。

2 实验结果及分析

2.1 常规燃气灶及其灶头的性能实验

1)燃烧器性能实验

离焰与熄火测定的试验方法：冷态点燃燃烧器，15 s后目测有1/3以上火孔离焰，则判定为离焰，由此判定脱火流量为1.59 slm(slm的含义是标准升/分)。燃烧器点燃15 s后，逐渐降低燃气流量，并目测降低过程中是否每个火孔都有火焰，由此测得燃烧器的熄火流量为0.87 slm。通过上面离焰与熄火的流量测定，确定稳定燃烧区域在0.97 slm至1.45 slm之间，因此燃烧器的流量G范围在0.97 slm与1.45 slm之间。据此，定义试验中5个火势对应的燃气流量分别为0.97 slm、1.06 slm、1.21 slm、1.3 slm 和 1.45 slm。火焰高度极限范围为15 mm至60 mm之间，因此确定实验中燃烧器的调节范围在20 mm至55 mm之间。据此，确定试验中的8个调节高度分别为20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm 和55 mm。

2)常规燃气灶的热效率

热效率的测试实验中，常规燃气灶的灶头与锅底距离选为35 mm，所用水量统一规定为2 kg，初始水温为12℃，测得常规燃气灶不同火势时的热效率如表1所示。