基于温差发电的燃气余热回收综合利用装置设计

杜芳莉，沈关炳，钟 平，董 力，赵 锋

(西安航空学院 能源与建筑学院，西安 710077)

0 引言

随着经济不断快速发展，能源、环境及可持续发展问题作为全球关注的焦点，一直困扰着世界各国，是各国在发展经济的同时急需共同来解决的全球性问题。在能源日趋枯竭的当代，我们在寻找新的可替代能源的同时，更应该加强目前能源的节约使用。厨房的环境质量不容忽视，燃气灶作为每个家庭的日常生活必备产品，每天都发挥着巨大的作用，同时也带来了大量的能源浪费[1]。燃气灶在使用时，一般是将铁锅放在上方加热，燃气灶四周的热能由于无法回收，只能浪费损失在自然环境中，在当前能源不可再生和逐步减少的形势下，充分利用热能是众多科技工作者研究的方向,为此本文提出并研制了一种基于温差发电的燃气余热回收综合利用的装置，该装置充分利用燃气灶的余热进行预热水，具有节能减排的功效；可以减少热量向外散发，达到环保的目的；能有效改善厨房微气候环境，使人们在烹饪的同时，也能享受到清新的空气环境。

1 设计意义

能源与环境问题是当今世界面临的重要问题，直接影响着社会环境的可持续健康发展。然而在我们的日常生活中，能源消费所造成的能源短缺与环境污染问题是制约社会环境可持续健康发展的关键因素。要实现社会环境的可持续健康发展，首先必须解决社会发展最重要动力——能源的可持续开发和利用问题。经过大量的调查可知，普通型和红外线型的燃气炉具的热利用率仅仅达到60%左右，其余40%的热量均被白白浪费[2]，火焰和热烟气经过锅、底部发散后，沿锅周壁上升并很快与周围环境空气混合。烟气余热逸散在厨房内，不仅导致能源浪费，而且还使得厨房温度过高[3]。假如研究开发出一种装置能将这部分能量回收利用起来，不仅符合我国的节能减排政策，而且还能有效改善厨房的微气候环境，使人们在烹饪的同时，也能享受到清新的空气环境。本文针对目前市场上普遍存在的家用燃气灶能源利用率不高的问题，研制了一种辅助的综合热回收利用装置。该装置利用燃气灶和抽油烟机工作时所产生的废热，加热环绕在灶头周围盘管中的水，同时利用温差发电技术驱动微型泵使水产生循环[4]。该装置将温差发电技术与盘管余热回收技术巧妙结合，完全利用燃气灶等设备的余热为系统正常运行提供动力，整套装置不需要任何外界能量的输入，从而达到绿色、环保、节能的目的，同时还可有效改善厨房微气候环境。

2 设计思路

本装置主要由循环水箱、换热器、温差发电片、微型水泵、智能温控系统等五大部分组成。其工作原理为：当使用燃气灶和油烟机时，燃气灶灶头周围布置的温差发电装置遇热产生电能，驱动循环水泵开始工作，循环水箱中的水就会通过循环水泵进入位于灶头周围的换热器中进行热交换，当循环水加热到设定温度或者燃气灶使用完毕时，智能温控系统将控制水泵动作，使循环水箱自动出水并将热水储存起来或直接供给洗碗机等用水设备，当水箱中的水用完后，自动上水阀打开并将水重新注满水箱。该装置的智能控制系统和余热再利用系统在人们日趋忙碌的生活中扮演着“便利”的角色，使我们能够生活在智能又简洁、安全又美好的环境之中。燃气余热回收装置工作原理如图1所示。

图1 燃气余热回收装置工作原理图

3 温差发电系统

温差发电系统主要为该系统的动力设备水泵提供电能，它是利用温差发电片产生电能供给循环水泵，使整个系统能源消耗自给自足。这一技术措施不仅能增加能源的利用效率，而且也可使整套设备更加节能环保[4-5]。

温差发电的原理：当金属中温度不均匀时，温度高处的自由电子比温度低处自由电子动能大[6]。像气体一样，当温度不均匀时会产生热扩散，因此，自由电子从温度高端向温度低端扩散，并在低温端堆积起来，从而在导体内形成电场，在金属两端引起一个电势差[7-8]。温差发电结构示意图如图2所示。

图2温差发电结构示意图

本装置温差发电的具体做法为：将尺寸为40mm×40mm×3.5mm的15片温差发电片贴附布置在燃气灶周围的铜管上，当燃气灶工作时就会在温差发电片的两端产生60℃左右的温差，此时温差发电片就能产生10～15W的电量，完全能够满足水泵正常工作的要求。本套装置中循环水泵选用爵尼牌12V食品级3901水泵，其工作参数如表1所示。本装置用导线将发电片与蓄电池连接，将产生的电能储存在蓄电池中，在系统工作时蓄电池通过逆变器将直流电转化为交流电并为循环水泵提供电能，促使水系统正常运行。其工作原理如图3所示。

表1 水泵性能参数表

图3 温差发电系统工作原理图

4 循环换热系统

燃气余热回收换热系统是利用自来水作为介质使其在系统中不断循环运行，将燃气灶的余热进行回收再利用。该循环换热系统是由换热器、循环水泵、循环水箱三部分组成，见图4所示。其工作原理为：在系统工作前，自动上水阀打开将水箱中的水注满，当燃气灶开始工作时，温差发电片产生电量使循环水泵开始工作，获得动力的水流经设置在灶头周围的换热铜管带走余热后回到水箱，如此循环往复直到燃气灶不再产生余热后自动切断循环泵电源，并打开水箱中预留的热水口将水放出。

图4燃气余热回收循环换热系统工作原理图

4.1 换热器

换热器作为循环换热系统的主要构件，同时也是整套系统中最重要的部分，承担着余热是否能成功回收利用的重要使命，它主要由燃烧铜管和外部翅片两部分组成。考虑到金属的导热性能与成本问题，本装置选用铜管铝翅片作为主要的热交换材料，翅片的作用是用来增大换热接触面积从而进一步提高换热效率。换热器主材料为紫铜管，翅片材料为不锈钢。其性能参数为：铜管直径12mm，翅片高度6mm，灶台环绕直径100mm，换热器高度72mm，进口延伸长度200mm，出口延伸长度800mm，铜管铝翅片换热器结构如图5所示。具体做法是将翅片缠绕到铜管上将其整体绕成蛇形盘在燃气灶灶头周围，并与灶头保持一定的距离，当我们使用燃气灶时，可利用对流与辐射传热将灶头周边的余热通过翅片与铜管传到铜管内的水中，并通过水的流动不断将热量带走。

图5铜管铝翅片换热器结构示意图

4.2 循环水泵

循环水泵作为整个装置的动力设备，它不仅能使水箱中的水循环流动起来，而且还可提高水流速度，增加水流换热效率。与传统靠重力循环的余热回收装置相比，此装置水循环速度更快，换热效果更好，而且由于循环泵声音较小，所以也不会对环境造成影响。

4.3 循环水箱

循环水箱起着储存热水与预存冷水的作用，水箱上部设有温度传感器，可以实时监测到水温以方便人们的使用，水箱供水直接连接生活用水管路。除此之外，在水箱的进水口处还设有自动浮球阀以控制水箱的水位。

5 结语

在日常的燃气灶使用过程中经常会出现40%的热量浪费现象，本产品的研制，一是响应了国家节能减排的号召；二是可以有效的将这一部分热量进行回收利用，从而提高能源的利用效率。本装置具有以下优点：

(1)巧妙将翅片缠绕到铜管上并使其绕成蛇形盘在燃气灶灶头周围，充分利用燃气的对流与辐射换热进行热量回收，预热回收效率大大提高。

(2)采用温差发电带动水泵，并使水系统进行有效循环，较之以前依靠重力循环的热回收装置，加快了换热效率，使能源利用更高效，更能满足现代人快节奏的生活要求。

(3)本装置只需在原有燃气灶设备基础上投入500元左右的资金，便可回收燃气灶40%的余热，成本低廉，收益丰厚，十分适宜普及到大众家庭。

本装置充分利用燃气灶的余热进行预加热水从而节约了能源，同时可以改善厨房内部的空气环境，具有广阔的应用前景。