基于炉灶热量回收的吸热装置设计

李 媛，黄 晗，刘运生，覃文锂，李耀华

（武汉理工大学华夏学院 汽车工程系，湖北 武汉 430223）

基于炉灶热量回收的吸热装置设计

李 媛，黄 晗，刘运生，覃文锂，李耀华

（武汉理工大学华夏学院 汽车工程系，湖北 武汉 430223）

设计了一种基于炉灶热量回收的吸热装置。该装置通过将导热性能及焊接性能优良的无氧紫铜管与炉灶支架焊接成一个整体，近距离吸收炉灶火焰四周散失的热量，利用火焰散失的热量给生活用水加热，将生成的热水供日常生活使用；对出水装置进行改良，使其与加热装置形成循环结构，达到对整个系统进行保护的目的。本装置提高了对能源的利用率，减少了能源消耗，达到节能的目的。

炉灶热量回收；节能减排；吸热装置

人类取火用于生活生产已有一万八千多年的历史，虽然设备经过不断改良才发展到今天的燃气灶，但是目前炉灶的能源利用率仅为30%～40%［1］。在现代家庭厨房一般都配有两个炉灶的灶具，根据不同地区的生活习惯差异，每天做饭使用炉灶的时间约为50～100 min。炉灶是家庭能源消耗大户之一，大量热量散失到空气中得不到利用。随着世界性能源危机不断凸显，如此大规模的低效能设备在使用过程中造成了极大的浪费。目前，国内外对炉灶余热的利用停留在使其转化为电能的阶段，但低热发电技术的难关一直尚未攻克，转换效率仅为10.4%［2］，并且成本巨大，炉灶余热的利用项目一直停滞不前［3］。笔者从实际生活需求出发，设计了一种利用炉灶散失热量直接用于加热生活用水的装置，将得到的热水用于洗衣、洗碗、洗菜和洗澡等方面，达到节能减排的目的。

1 炉灶热量回收吸热装置的组成

由于本装置是对炉灶散失的热量加以利用，并将冷水加热成适当温度的热水，故在炉灶上需加装吸热部件；在设计前应该考虑与炉灶配合度的问题，不能影响炉灶的安全使用。同时该装置的组装及运行应考虑家庭厨房的结构，最大程度地与其他生活用具相匹配，则应设计与家庭用水连接的进水模块，并且不能发生干扰，便于使用。为达到便于安装和维修更换的目的，该装置应具有模块化的特点，在吸热部件后应设置储存及出水模块。故笔者将基于炉灶热量回收的吸热装置设计为进水、吸热、出水储存3大模块，其主体流程图如图1所示。

图1 装置流程图Fig.1 Flow chart of the device

1.1 进水模块

设计进水模块主要目的在于通断进水、调节流量和在停水情况下的循环加热保护。这部分的前端与家庭原有的供水系统相连接，后端则与吸热装置相连接。在设计时笔者考虑到使用地区的不同，供水管道的类型也不同，为了安装和使用方便，在与家庭水管连接时选用万能水管接头（见图2）连接。

进水时，水流由直径较大的一端向直径较小的一端流动，水压会增大；并且进水管道末端与吸热模块相连，连接部分温度较高。如果连接件选择不合适，会造成装置漏水的问题，所以进水管道与吸热管道的连接选用了供高压气枪使用的转接头与流量调节开关，保证了在高温高压下水流管道的密封性［4］。同时笔者考虑到本装置可能会在停水状态下使用，吸热部件会直接接触高温，出现空烧状态。为了防止吸热部件在长时间空烧后对进水部件造成损坏，本装置在进水管道中加装了带有开关的三通阀（见图3）与循环水管，可以实现对个别管道单独停止供水，及时对吸热部件采取降温措施，保证系统的安全运行。

1.2 吸热模块

吸热模块是本装置设计的核心部分（见图4），其作用是将燃气燃烧时散失到空气中的热能加以吸收，对吸热管内的水进行加热。由于此部件与家用炉灶配合使用，不能改变原有家用炉灶结构和使用效果。笔者参考散热器电阻丝形状，采用螺旋套管的形状设计，用以获得最大的吸热面积和最短的吸热距离。

图2 万能水管连接头Fig.2 Universal water pipe connector

图3 进水三通阀Fig.3 Inlet triple valve

图4 吸热模块Fig.4 Heat absorbing module

1.2.1 吸热材料的选取 根据拟达到的预期效果，考虑了铝管、铜管和不锈钢管等常见材料，分析了它们各自的物理和化学属性（见表1）。由于此部分是基于生活炉灶的改装，故在选材上考虑到吸热管应有良好的导热性和可塑性，并且具有化学性质稳定、耐腐蚀耐高温的特点。对比发现铜的熔沸点在铝和铁之间，且比热最低、导热系数最高、铜合金的化学性质稳定［5］。最后选择了市面上燃气热水器普遍使用的吸热材料——无氧紫铜管。该材料具有优良的导热性、延展性、耐蚀性和焊接性，可经冷、热塑性加工制成各种半成品和成品。

表1 不同材料的理化性质对比Tab.1 Comparison of physical and chemical properties of different materials

1.2.2 管材规格的确定 在确定好吸热材料后，选取不同规格的管材进行测试，分别选取直径为4、6、8 mm的无氧紫铜管，测试其进水温度为20℃，出水温度为50℃时的升温时间及30、60 min后的出水量（见表2），发现6 mm的吸热管出水量最大，升温速度也较快，因此，最后采用直径为6 mm的无氧紫铜管作为吸热管道。

表2 不同直径吸热管的实验数据Tab.2 Experimental data of heat absorbing pipe with different diameter

在与炉灶支架连接方案的选取上，笔者根据支架和紫铜管的金属焊接特性［6］，采用铜焊条焊接的方式将炉灶支架和无氧紫铜管固联而成［7］。从进水端进入的冷水，经过吸热部件加热，吸热部件末端与出水储存模块的保温水管相连接，产生的热水将被注入出水储存模块中。

1.3 出水储存模块

出水储存模块主要功能分为两个方面：一方面用于储存热水；另一方面用于连接家庭热水管道，对外输出热水，最终实现日常的洗菜、洗衣、洗澡及供暖等功能。根据家庭的实际情况，采用将产生的热水并入家庭自带的热水系统中的方式，节约成本，便于安装和使用。由于每个地区和家庭水的压力强度不同，为防止因水压不足而导致热水无法正常流出，在输出端增加了一个90 W自动水泵（见图5），对热水进行增压，同时热水输送管道采用的是具有保温性能的保温水管；自动水泵的设置可以根据保温储水箱安装的不同位置进行调整。

出于安全考虑，笔者设计了循环保护装置。在增压后，热水将经过一个带开关式的三通阀，一端与循环连接，另一端则与保温储水箱连接［8］。在正常工作时产生的热水将被输送到保温储水箱中进入家庭热水管道；输出使用端可连接水龙头、淋浴花洒和供暖设备等，供日常生活使用。

1.4 控制指示模块

考虑到装置的安全性和节能性，为了能保证储水箱水位正常，实时显示水量和水温，将水位显示装置和温度传感器安装在保温储水箱上。当达到保温储水箱最大水位时会自动停止进水，此时打开循环系统，即可避免储水箱水量过大或吸热装置空烧。为了减少电能消耗，90 W自动水泵仅在使用热水的时候才会自动工作；在不使用时，自动关闭。

2 工作原理

本装置的实质是一个热交换器，通过将导热率性能良好的无氧紫铜管与炉灶支架焊接组成吸热部件。自来水经进水装置水管和三通阀向吸热装置供给冷水，炉灶火焰散失的热量被安装在周围的螺旋吸热管吸收，通过热交换，加热吸热管内的水，所产生的热水经出水储存装置的自动水泵和三通阀输出，其中一个出水口与进水三通阀相连形成循环水，另一出水口对外输出热水流入保温储水箱。保温储水箱里的水进入家庭热水管道，用于厨房、卫浴、室内保暖等方面。

3 炉灶热量计算

灶具工作时火焰形状视为圆柱形（吸热模块的三维模型如图6所示）。由于锅直接吸收的热量是火焰顶部的，而圆柱型火焰侧面的热量以辐射热的形式散发出去，假设无氧紫铜管受热是均匀的，则到达无氧紫铜管面的辐射热可以如下计算：

圆柱侧面积

其中半径R=70mm，火焰高度H=40mm，代入计算得A≈1.76×10-2m2。

圆柱体侧面单位时间对外辐射热量

其中火焰发射率ε=0.6［9］，斯特潘-波尔兹曼常数δ=5.67×10-8W/（m2·K4），火焰外侧温度T1=1 500℃，室温T2=25℃，取单位时间t=1 s，代入计算得q≈5 914W/s。

对支架的倾斜角进行测量，测得其支架最高点到中心点的倾斜角度约为30°，则实际辐射面积

其中火焰中心距无氧紫铜管最近距离R1=77mm，距无氧紫铜管最远距离R2=105mm，取π=3.14，代入计算得S1=8 001 mm2。

火焰模型辐射总面积

吸热宝正面接受辐射面积占总面积百分比

经查资料紫铜管吸收率α=0.8，则单位时间内吸收热量：Q=qαa=5 914×0.8×45.500≈215 3W/s。

每个炉灶使用30 min，则吸收总热量为：ϕ=Q×30min×60 s/min=3 870 266J。

假定需要把常温20℃的水加热到50℃，水的比热容C=4.2×103J/（kg·℃），根据

则产生的水量M=30.8kg。

又 ρ=M/V，水的密度 ρ=1kg/L，则V=30.8 L，即可以产生大约30.8 L温度为50℃的热水。

4 实验分析

4.1 实验准备

笔者模拟一户家庭进行实验，根据其厨房的结构，将进水模块与厨房的水龙头相连接，测试其密封性；再将吸热部件安装到其炉灶上，并与进水部件连接；最后将出水储存模块安装到适当位置，做整体密封测试。本次实验采取控制变量法，以出水温度为定量，实验时间为控制量，出水量为测试数据，与理论计算值进行对比实验。根据调试，使其正常工作时出水温度为50℃左右，控制出水时间，用量筒测量出水量V，用电子温度计测水温T，用秒表记录时间t（实验装置如图7所示）。

4.2 实验结果

通过实验测出试验装置的出水量，如表3所示。根据实验数据，在初始温度为20℃，出水温度为50℃左右的情况下，10 min后的出水量为4.8 L，为理论值的46.6%；20 min后的出水量为9.7 L，为理论值的47.3%；30 min后的出水量为14.8 L，为理论值的48.1%；60 min后的出水量为30.5 L，为理论值的49.6%。

图5 90 W自动水泵及分流Fig.5 Automatic water pump（90W）and shunt

图6 吸热模块三维模型Fig.6 3D heat absorbing module

图7 实验装置Fig.7 Experiment equipment

表3 试验装置的测量值与理论值对比Tab.3 Contrast of measuring data and theoretical data

4.3 实验总结

经过实验数据分析，该装置在炉灶使用19 s后即可产生50℃左右的热水，水温上升速度快；本次实验温度的测量值为51.8℃，比理论计算的高出1.8℃；30 min的出水量为14.8 L，比理论值低16 L；60 min的出水量为30.5 L，比理论值低31.0 L。其结果与理论存在一定的差距，误差原因在于：制作过程中安装精度的控制和测量计算时产生的误差，还有一部分热量在输出过程中损失。但是在正常做饭时间内，产生的热水水量可达30 L以上，完全满足家庭厨房的洗碗洗菜、一定范围内的取暖和洗浴的需求。

5 结语

从实验样品可以看出，利用炉灶火焰散失热量加热日常生活所需热水的方案，其热转换效率高于利用炉灶低热发电的方案，方便快捷，成本低廉。虽然本装置目前主要针对家庭炉灶使用，但是可以根据需求，对其进行改进，使其适用于一些餐馆、酒楼等场所。相比家庭而言，这些场所对热水需求量更大，同时又有大量的炉灶余热可供利用，可大大减少燃料费用等开支，节能环保。根据实验可以算出，一户家庭使用本装置一天（按实际使用时间2 h计），收集的热量大约为15 501 kJ，一年可节约1 571千瓦时的电量，可节约0.47 t标准煤［10］。以湖北省为例，湖北省大约有两千万户人家［11］，一年365天，以此计算，可以节约大约940万t标准煤，可减少2 462.8万t二氧化碳的排放。笔者认为本产品在实际产生时，可对该装置进行改进，使其能适用于全国大部分地区，不仅能缓解该地区的能源紧张问题，还能减少大气污染物排放，达到了预期效果，值得大范围推广。

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［1］李兆坚，江亿.家用燃气灶热效率特性测试分析［J］.应用基础与工程科学学报，2006，14（3）：368-374.

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［8］高殿荣，张伟.工程流体力学［M］.北京：化学工业出版社，2014：23-34.

［9］高光华.高等化工热力学［M］.北京：清华大学出版社，2010：57-89.

［10］中国能源发展战略与政策研究课题组.中国能源发展战略与政策研究［M］.北京：经济科学出版社，2004：25-34.

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（责任编辑：范建凤）

Design of Heat Absorption Device Based on Heat Recovery of Oven

LI Yuan，HUANG Han，LIU Yunsheng，QIN Wenli，LI Yaohua
（Department of Automobile Engineering，Wuhan University of Technology Huaxia College，Wuhan 430223，Hubei，China）

An heat absorption device based on heat recovery of oven was designed.This device united the oxygen free copper tube which had good thermal conductivity and excellent welding performance with stove bracket into a whole，it closely absorbed lost heat of the flame around the stove，and heated up the water for daily use.Improved the out-water device，made it form a recycled structure with heating device to achieve the target of protecting the whole system.The innovative device enhanced the effect of energy utilization，reduced energy consumption and achieved the goal of energy saving.

heat recovery of oven；energy-saving and emission-reduction；heat absorption device

TK114

A

1673-0143（2015）02-0188-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.02.016

2014-12-01

湖北省教育科学“十二五”规划课题（2014B341）；武汉理工大学华夏学院重点教学研究项目（1404）

李 媛（1984—），女，讲师，硕士，研究方向：汽车CAD/CAE。