追本溯源 提升灶具热效率

吴亭

能源消耗是发展中国家面对的主要问题，能源消耗带来的环境污染问题也日趋严重。低碳、节能、环保已成为我国发展的重要国策。《GB 30720-2014 家用燃气灶具能效限定值及能效等级》属于国家强制性标准，也已于2015年4月1日实施。热效率是判断燃气灶性能优越的重要参数之一，为响应国家号召，燃气灶热效率的有效提升也成为各企业的研究课题，都希望有所突破和创新。使其达到一级能效，或超一级能效。

本文通过因果链系统的分析影响热效率的因素，拓展改进热效率的创新思维与方法。得出更多改进热效率的方法与方向。

从热效率测试方法和要求中找原因

根据《GB 30720-2014 家用燃气灶具能效限定值及能效等级》标准中规定的灶具热效率测试方法及要求，现阶段提升热效率主要采取的措施：

一、提供相对充足的补充空气使其完全燃燒，提高燃烧强度，并降低CO排放，从而提高燃烧温度并降低锅支架高度，减少热损失。

二、增大燃气灶热负荷，改变测试热效率的选锅，来加大锅底受热面积，达到提高热效率的目的。

三、增加聚热盘，降低烟气带有的热量，提升热效率。

以上三种方法都可作为提升热效率的方案，但并未经过系统的逻辑分析。

因果链分析可以帮助我们更加深入的了解问题的根本原因及本质，通过因果链条的详细分析，可建立影响热效率的模型，通过分析模型达到对热效率、烟气等问题提出改善方向或措施。本文基于因果分析中五个为什么为基础模型，找出影响热效率的根本原因。在深入分析前简单介绍理论知识及基本要求。

因果链：根本原因与结果之间存在一系列的因果关系，构成一条或多条的因果关系链。

因果链分析：通过构建因果链指出事件的发生原因和导致的结果的分析方法。其主要目的：发现问题产生的根本原因，发现问题产生和发展链中的“薄弱点”，为解决问题找到入手点。

因果链分析的基本要求：1. 分析原因，而非目的。通过现象分析本质。2.遵循物理原理。3.影响因素不重复，不遗漏。4.因果分析结束条件，当不能找到下一层原因时，当达到自然现象时，当达到制度、法规、权利或成本等极限时无需再分析原因。

综上所述，通过因果链分析方法对灶具热效率进行分析，使其得出的影响热效率的因素及改善措施逻辑性更强，影响因素更加紧凑。

根据模型图可以清晰看出，影响热效率的二大因素：一个是可燃气体燃烧不充分，另一个是燃烧释放热量的损失。再进一步向下分析，影响上述二大因素的条件及参数也很多，以此类推，逐层分析到最根本原因。解决模型中的任意影响因素和路径，灶具热效率都会得到一定的改善，但需要找出关键路径，且多因素同时改善才能使热效率得到更大的提升。这就将提升热效率的问题转移成为了改进诸多根本原因的问题，使问题更简单化、系统化并有逻辑性，思路更广。

从源头出发寻找改善热效率的具体措施

热效率是判断燃气灶性能优越的重要参数之一，但另一个判断灶具性能的重要参数就是燃烧后烟气中有害物质CO及氮氧化物的排放。不能只提升热效率，同时需要兼顾烟气中有害物质的排放。因此，在提升热效率的同时，烟气中有害物质的排放要达到国家标准，这是前提。

1、燃烧不充分影响热效率

应使可燃气体充分燃烧，提供更高的热能，另外燃烧不充分也会导致烟气中有害物质的排放量增多，直接影响灶具性能。首先应改善影响的关键因素。通过分析，影响燃气燃烧不充分的主要关键因素，主要由引射能量损失及可燃气体与空气混合不均导致的。

a.引射能量损失主要由以下几个关键因素影响：喷嘴结构、引射管设计参数、压力损失、火孔面积。

喷嘴结构在改善及设计时应注意：喷嘴收缩角度的选取，根据需要一般为15°至60°之间，15°引射效果要优于60°。带旁孔的喷嘴应注意旁孔的大小及旁孔与喷嘴出气口间的距离。

引射管主要考虑管参数设计，但容易被忽略的是喷嘴与引射管装配后的同轴度及引射管的表面粗糙度对引射能量的影响。引射管参数设计这里不做具体介绍，但需强调一点，带混合管的引射管引射效果更佳。

压力损失，这一点最容易被忽略，喷嘴前的压力主要是由于阀体截流照成，因此阀体结构的设计及选择也会直接影响喷嘴的设计参数。

另外火孔面积的大小也是影响引射能力的影响因素，在符合灶具性能标准的前提下，火孔面积应做到最大。

b. 可燃气体与空气混合不均，改善该问题也会使燃烧更充分，有效减少烟气中有害物质的排放，在设计燃烧器及改善燃烧效果时，应注意燃烧器混合腔体容积是否满足要求，腔体气流是否顺畅，这些因素都会影响燃烧效果。

2、 燃烧后热量的损失是影响热效率的另一大因素

根据传热学知识可知，传热分为热传导、对流换热、辐射换热三种，因此需从这3个方面考虑，减少传热过程的损失。其实减少热损失就是使换热过程中要求的温差做到最大。

对流换热过程损失：从因果链分析模型可知，主要就是由换热前烟气温度及换热面积决定。首先就要降低烟气带走的热量及相对增大换热面积。

现主要措施：

①控制过剩空气系数，减少过多烟气产物带走的热量。因此设计灶具燃烧器时应注意一次空气与二次空气的合理搭配。

②现烟气排放空间大易散热。降低锅支架高度，能有效减少向周围的散热量，现设计的锅支架有效高度为18～22mm。

③相对增大换热面积及换热时间。主要措施：

在燃烧器直径不变的情况下：

a. 通过设计火焰的形状与分布实现火焰与锅底换热面积的增加，例如，现在燃烧器所说的直火，还有就是旋火。若都能保证燃烧工况。在锅支架相对高度一样的情况下旋火效率应该比直火高。若空气补充不足的情况下，可利用鼓风设备实现。

b.通过改变出火孔的角度，从而改变火焰与锅底的接触面积，通过实验证明现设计的可达到一级能效的燃烧器其火孔角度由原30°调整为35°至40°。

c.设计一款内燃燃烧器，其火焰形状为A型，区别于其他火焰V型，增大与锅底的换热面积。另一种方法，在满足燃烧工况的前提下，尽量减少燃烧器直径，这样就相对增大了受热面积。

辐射换热损失：从因果链分析模型可知也是主要由温度、面积及辐射系数等影响，减少向周围物质辐射的热。现主要措施：

①降低向周围物质辐射的热量，利用集热装置。可将向周围辐射的热量返回，减少火焰及高温烟气对周围散热，增加高温烟气与锅底的接触时间及温度，即增大了换热强度。

②辐射面积的控制：同理减少燃烧器直径，减少了向周围辐射的面积，减少了辐射损失。

③辐射系数要合理。因此选材要合理。

热传导损失：减少加热过程热传导的损失。

①尽量减少不相关的接触及控制接触面积。例如减少火焰与锅支架吸收的接触，火焰设计避开锅支架片，改变锅支架材质。从而降低通过锅支架向面板及周围环境的散热，减少热损失；还可以减少火焰与锅支架接触后空气补充不充分，烟气改善等问题。

②减少传导的损失，选择传导系数低或者不蓄热的材料。

3、改变换热方式的比例

现有大气式燃气灶大都为对流换热为主，辐射换热为辅。可根据实际情况适当增加辐射换热的百分比，大气式及红外式结合的燃气灶。因为根据辐射换热公式在温差相同的情况下其换热效率比对流换热高的多，例如红外线灶具主要以辐射换热为主，对流换热为辅。其热效率一般比大气式高出5个点左右。另外辐射换热一般为全预混燃烧方式，其燃烧完全，燃烧温度更高，燃烧工况更好。因此其锅支架高度相对较低，热损失少。也是其热效率高的重要因素。

以上措施都可有效的提高灶具的热效率，但前提是保证灶具的燃烧工况的前提下。笔者只是针对提高热效率的方法做了方向性简单的探讨，使燃烧更充分应从以上多个关键因素同时改进，才能达到更好的效果。每个环节的具体实施方案还有许多，对于不同情况还需做出具体分析，通过实验进一步完善。