温度传感器在家用燃气灶的应用研究

2019-09-10张煜圣周亮莫志邦孔美阳

家用电器 2019年2期

张煜圣周亮莫志邦孔美阳

摘要：通过分析带温度传感器的大气式燃气灶的加热过程，根据传热学原理，分析热辐射和对流传热对温度传感器的影响，找出提高温度传感器测量准确度与可靠性的可行方法：设计向外直流的燃烧器、带文丘里管结构的二次空气通道、隔热环等结构，降低工作状态下的燃烧器对温度传感器热影响。

关键词：温度传感器，文丘里管，隔热环，负压区

Research On the Aapplication of Temperature Sensor in Domestic Gas Stove

ZHANG Yusheng1 ZHOU Liang2 MO Zhibang3 KONG Meiyang4（1、2、3.Guangdong Vanward New Electric Co.，Ltd. 528305；4.China Household Electric Appliance Research Institute，100037）

Abstract：By analyzing the heating process of the atmospheric gas stove with temperature sensor， according to the principle of heat transfer， the influence of heat radiation and convective heat transfer on the temperature sensor is analyzed， and a feasible method to improve the measurement accuracy and reliability of the temperature sensor is found： design direction The external DC burner， the secondary air passage with the venturi structure， and the insulation ring reduce the thermal influence of the burner on the temperature sensor under working conditions.

Keywords：Temperature sensor， Venturi tube，insulation ring，negative pressure zone

1、引言

随着生活水平的提高，人们对于厨电产品的功能性要求已经发生了一些改变。除了要有更强的功能之外，它还需要有更高的安全性与易操作性，而在现有家用燃气灶具的使用过程中，无法根据锅具的温度来判断控制灶具的火焰大小或关闭气阀，只有通过人工来操作，用户忘记关火的情况下，就容易出现因锅具温度過高而引起火灾，特别是当锅发生干烧时。因此通过在家用燃气灶的增加防干烧温度传感器，来避免安全事故的发生，为家用燃气灶未来发展的主要方向，因此温度传感器在家用燃气灶应用的测量准确度与稳定性尤为重要。

2、防干烧燃气灶的工作原理

温度传感器设置在燃烧器中间灶具上的锅具底部，温度传感器在不同温度下有固定对应的阻值，当温度发生变化时，温度传感器内阻值随着温度的升高而降低，灶具控制器基于温度传感器的R/T表把内阻值转换为温度值来进行判断，当温度值超过设定值，控制器关闭灶具内部的电磁阀切断气源，从而实现超温保护的功能，避免用户忘记关火而导致锅具温度过高而引起火灾事故。传感器所测得的温度与锅底实际温度的差值是衡量温度传感器测量准确度与稳定性的关键指标。我们以温渡传感器、燃烧器和试验用锅作为研究分析对象，防干烧燃气灶结构示意如图1所示。

大气式防干烧燃气灶加热过程中，对传感器的传热主要有传导、对流和辐射三种方式。主要为锅和水对传感器的直接传热；烟气对传感器的对流传热Q2与烟气和燃烧器对传感器的辐射传热Q3，温度传感器获得的热总量为Q，根据传热学原理可得，

在相同时间内，要减少对流传热Q2，可以通过降低传热系数h，减少传热面积A，降低火焰外焰温度T来实现。

3.1.1 降低对流传热系数h

它和烟气物性，烟气流动状态（层流和湍流）以及传感器的形状大小有关。湍流对流传热系数大于层流对流传热系数，因此降低高温烟气的湍流程度，如避免旋转流或交叉流等，可以降低对流传热系数。

3.1.2 减少传热面积

在不影响正常使用的情况下，可以通过在传感器头部增加隔热环来避免温度传感器与高温烟气的直接接触，从而有效减少传热面积。

3.1.3 降低烟气温度

在燃气成分一定与燃烧功率一定的情况下，火焰温度与过剩空气系数紧密相关。对于大气式燃气灶，其过剩空气系数受一次空气量和二次空气量的影响。一次空气量决定于燃烧器引射结构，一次空气量越大，燃烧速度越快，烟气温度越高。反之则烟气温度越低，但热效率也会降，因此在不影响热效率的前提下，可以局部增加燃烧器中心二次空气量方式来降低温度传感器周围的烟气温度。

3.2 减少燃烧器与烟气辐射传热Q3

火焰一般由双原子气体（N2、O2、CO）、三原子气体（CO2、H2O、SO2）和悬浮固体粒子（炭黑、飞灰、焦炭粒子）所组成。其中N2和O2对热辐射是透明的，CO等的含量一般很低，因此火焰中具有辐射热传能力的成分主要是H2O、CO2和各种悬浮的固体粒子。在理想气源的情况下，根据传热学原理，H2O、CO2和燃烧器对温度传感器的辐射热主要与温度传感器受辐射面积、烟气温度和燃烧器温度有关。与高温烟气对温度传感器的对流传热Q2原理相同，通过减少受辐射面积和降低烟气温度、燃烧器温度均可降低对温度传感器的辐射传热Q3。

4、结构研究与试验验证

综合以上分析的提高温度传感器的测量准确度与稳定性的方法，我们设计了多款不同结构的燃烧器，并对样机进行了反复的测试和试验。

降低对流传热系数：将燃气灶燃烧器火盖设计成了向外直流结构，其出火孔与水平面成一定夹角，沿火盖圆周均匀向外布置，见图2。

当燃气以一定压力经喷嘴喷出，带入空气进入炉头引射腔混合后经过火盖的出火，以一定的夹角和速度喷出，在燃烧时，燃烧器中心形成负压力，促使不斷从燃烧器中心吸入二次空气，加速燃气的再混合并推动高温烟气向外向上流动，避免高温烟气倒流影响到温度传感器对锅底温度的测量。

为了判断两种结构对温度传感器的影响，在相同条件下，以温度传感器分别在水烧开1分钟时测得的温度值T1与水烧开5分钟时测得的温度值T2作为对比依据，T1与T2的差值为温度传感器的不稳定性，代表着测量精度差。经过装成整机测试，与传统的旋流燃烧器对比，直火燃烧器比旋流燃烧器的T1与T2的差值更小，因此对温度传感器的影响更小。对比数据见表1。

降低高温烟气与燃烧器对温度传感器的热影响。现有传统的燃烧器，二次空气通道主要设置在燃烧外环燃气通道上，二次空气从燃烧器中心补充较少并且流速慢，导致燃烧器中心形成高温区，对设置在燃烧器中心的温度传感器影响较大，因此我们通过减少外环燃烧通道上的二次进风孔面积，增加燃烧器中心二次空气进孔面积，来增加从燃烧器中心二次空气流量，并且将燃烧器中心二次空气进风孔设计成末端收缩的文丘里管结构，来制造低压，提高二次空气流速。图3为改进前燃烧器工作示意图，图4为改进后燃烧器工作示意图。

为了判断两种结构对温度传感器的影响，在相同条件下，以温度传感器在水烧开5分钟时测得的温度值T1与温度传感器外表面温度T2作为对比依据，对比数据见表2。

通过测试对比发现，燃气灶工作时，燃烧所需二次空气主要通过燃烧器中心的二次空气进风孔通道补充，直接补充到火焰根部，保证了火焰的稳定性，同时，新鲜的二次空气温度相对较低，源源不断的对燃烧器中心区域进行冷却，并且末端收缩的二次空气通道，提高了二次空气流速，使温度传感器周边温度降低，对温度传感器的热影响更小。

为减少传热面积。通过在温度传感器头部增加隔热环。隔热环与温度传感器之间留有2-3mm间隙，间隙里的空气相当于第二道的隔热层，避免从侧面对温度传感器直接传热，减少传热面积，并且隔热环采用亮面不锈钢材质，对外部的辐射热可以起到反射的作用。图5为带隔热环的温度传感器结构示意图。

在相同条件下，以温度传感器分别在水烧开1分钟时测得的温度值T1与水烧开5分钟时测得的温度值T2作为对比依据，经装成整机测试，增加隔热环后T1与T2的差值更小，因此对温度传感器的测量稳定性更好，测量精度更高，对比数据见表3。

5、结语

本文通过对大气式防干烧燃气灶燃烧加热过程进行深入分析，利用传热学原理分析影响温度传感器测量的关键因素，通过反复的测试试验，得出实际可行的提高温度传感器测量准确度和稳定性的各种方法。

设计向外直流燃烧器在燃烧时，燃烧器中心形成负压力，促高温烟气向外向上流动，避免高温烟气倒流，而影响到温度传感器的对锅底温度的测量。设计文丘里管结构的二次空气通道，提高二次空气流速，使温度传感器周边温度更低，对温度传感器的热影响更小。同时，在温度传感器头部增加隔热环，避免从侧面对温度传感器的直接传热，三者结合，可以显著提高温度传感器的测量准确度与稳定性。经过应用到我司产品上，产品的可靠性、安全性大幅度提高，产品已申请多项国家专利。