集成灶吸烟口对热效率影响的研究

黎有为 张煜圣 陈启荣

（广东万和电气有限公司 佛山 528513）

前言

经济高速发展的今天，能源危机和环境污染成为了世界各国的重要话题，如何解决社会高速发展与能源和环境之间的矛盾，高效率的能源利用和环境保护是我们发展的必然之路，我们国家在“十四五”规划中也给出了指导方针。

集成灶作为目前灶具和烟机的细分品类，从2016年以来发展迅猛，集成灶行业对传统吸油烟机和灶具的渗透趋势会进一步扩大。目前GB 30720-2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》标准中规定集成灶一级能效不低于59 %，由于集成灶的特殊性，集成灶吸风口至锅面距离约（20～30）cm，传统烟机吸风口距锅面距离则 （40～70）cm。因此相较传统烟机，集成灶吸排距离至少缩短一半，吸烟口比传统的吸油烟机的吸烟口要低。另外、不同厂家之间的集成灶风机排风量大多在（15～18）m3/min，显著低于传统烟灶的 20+ m3/min，但仅从常态油烟吸净率（即房间内 30 min 气味浓度降低比例）也可看出，集成灶普遍常态吸净率超过 99.5 %，而传统烟机代表机型也仅在（95～98）%之间。这就导致灶具的热量在未完全燃烧就会被吸走，导致集成灶的热效率比传统灶具要低。为了在提高集成灶热效率的同时，吸烟效果也能满足用户的需求。因此，我们对集成灶的吸烟口到灶台面板的不同高度做了测试对比，从中选取最优方案。

1 集成灶加热过程分析

根据吸烟口设计高度选择范围，依据GB 16410-2007《家用燃气灶具》规定的标准试验条件下，分析集成灶的加热过程（见图1）。对本公司的一款集成灶的吸烟口做了不同高度的对比测试。

图1 集成灶的加热过程

家用大气式集成灶加热过程中，燃烧所释放的总热量包括燃烧产生的化学热、参与燃烧的空气带入的热量、参与燃烧的燃气带入的热量，后两项可以忽略不计，因此燃烧释放的总热量近似等于燃气燃烧产生的化学热。在热传递过程中，主要有热传导、对流和辐射3种方式［1］。

其中减少热损失是提高集成灶热效率最直接有效的方法。集成灶在燃烧过程中，火焰于锅底面的热交换不仅受锅底面积大小的影响 ，而且还受交换时间，交换速度等的影响，部分燃气未能充分参与锅底面与锅周围的热交换而产生热能流失损失。

另外，炉头的直径越大，燃烧产生的热量与锅的交换时间越短，热损失也就越多，所以在集成灶是设计中选用了炉头直径为120 mm。

2 提高集成灶热效率的方法

2.1 减少热损失的方法

在燃烧过程中，热损失主要包括集成灶吸排油烟装置运行而带走高温烟气的热量Q4、火焰对锅架、面板、承液盘等周边加热的热量Q5以及集成灶火焰对周围空气加热所造成的热量损失Q6。由于Q5和Q6占总热量损失的占比较小，而且受影响的因素太多，不利于分析，此处主要分析占总热损失比例最大的Q4[1]。

根据燃烧原理有：

式中：

ρ—烟气的密度，kg/m3；

Vy—燃烧过程中产生的烟气体积，m3；

cp—烟气的比定热容，kJ/（kg · K）；

θL—烟气离开锅壁面的温度，℃。

燃烧所产生的高温烟气在集成灶的工作过程中，因吸排油烟装置工作而使高温烟气的部分热量被二次空气带走，导致燃烧产生的高温烟气温度下降，降低了高温烟气对锅底和水的换热能力。因此减缓高温烟气被集成灶吸排油烟装置带走的速度，增加换热时间可以减少热损失。

在关闭吸排油烟装置情况下，灶具热效率提高10 %。所以如何设计吸烟口的高度对提高热效率起重要作用。

3 集成灶吸烟口高度测试

集成灶的吸烟效果有目共睹，也正是凭借着强大的吸烟能力，得以成为时下备受追捧的厨电产品。那么，集成灶为什么吸烟那么高效？这主要表现在三个方面：

3.1 拢烟

当风轮运转时，会吸走空气并排出去，这样使得烟腔区域的压强低于周边压强，进而产生负压。由于集成灶整个烟道是密封的，有一个吸烟口，一个排烟口，所以负压通过吸烟口将油烟吸走，另外这个负压区会影响吸油烟效果的区域，也就是拢烟区。集成灶运用微空气动力学原理，形成黄金拢烟区，可以有效地做到净除油烟，吸烟率可达99.96 %，集成灶采用侧吸下排技术，在油烟未升腾就能被吸走排除。

3.2 吸烟

在市场上，大家对于吸油烟机最直观的看法，就是我们常说的排风量。排风量是一个很重要的指标。一般来说，风量值越大，越能快速及时地将厨房里大量的油烟吸排干净。以集成灶为例，排风量可达17 m3/min，让厨房油烟快速吸走排除。

3.3 排烟

影响吸烟的因素，还有排烟效果，只有足够大的风压，才能让油烟顺利从公共烟道中排出。集成灶风压可达300 Pa以上，而且风道内一体成型技术可以减少风道共震，有效降低风阻，让排烟不堵更顺畅。集成灶吸排烟效果图（见图2）。

图2 集成灶吸排烟效果图

如今市场上的集成灶都存在一个难点，就是如何有效的解决大吸力，排烟效果好，热效率高三者之间的平衡。而很多集成灶企业只注重排风量大小，往往忽略了集成灶的热效率，我们要做的，就是通过吸烟口高度的设计，再提高效率的同时也能兼顾大吸力，排烟效果好的特性。

3.3 吸烟口高度

首先我们结合燃烧器，热负荷以及CO测试结果，初步设计炉架高度为64 mm。测试标准下限锅的高度为190 mm，也就是炉架和测试锅的高度为190+64=254 mm，选取最低的吸烟口高度距离灶面为254 mm，我们在测试过程中发现，在开启集成灶吸排油烟装置，并且风机在最高转速下运行时，此时燃烧器的燃烧火焰正常。由于吸烟口高度离灶面为254 mm，刚好与测试标准锅的上边缘持平。燃烧过程中高温烟气随着锅边往上走，同时释放热量。过程中燃烧产生的高温烟气还没有完全和器皿产生热量交换，就被吸排油烟装置快速吸走，此时吸油烟效果是最好的，当然此时也会导致锅内温度上升减慢，热效率低。开启吸油烟装置时高温烟气的示温图（见图3），图中右边为靠近吸烟口。

图3 开启吸油烟装置时高温烟气的示温图

根据GB 16410-2020《家用燃气灶具》规定的标准试验条件下的集成灶和试验用锅作为研究对象，实测热负荷为4.40～4.95 kW之间，测试的上限锅直径为340 mm，深度为200 mm。下限锅直径为320 mm，深度为190 mm。当吸烟口高度距离灶面为254 mm时，与下限锅的边缘基本持平。由于在设计时要考虑到不同用户的烹饪习惯，有些用户喜欢蒸屉，根据市场销量排行中双层和三层的蒸锅销量最高，蒸锅的总高度在270～365 mm之间。蒸锅加上炉架的高度约429 mm，这就导致集成灶头部不能设计过低，因此吸烟口的设计高度（见图4）我们选择在254～370 mm之间进行测试对比，测试对比数据（见表1）。

图4 集成灶吸烟口高度设计

表1 测试对比数据

4 结论

本文通过对家用大气式集成灶的燃烧以及加热过程中受吸排油烟装置的吸烟口高度进行深入分析，分析影响集成灶热效率的关键因素，通过反复的试验，得出行之有效的提高集成灶热效率的方法。

通过改变吸烟口的高度，在满足吸排油烟以及噪音要求的情况下，通过抬高吸烟口到灶面距离，在吸烟口到灶面距离为（309～330）mm之间，各项性能指标最优。不仅可以有效的减少高温烟气在未进行热交换的情况下被吸走。增加高温烟气跟测试锅的交换面积和时间，更有效的提高集成灶的热效率10 %（比例）以上，CO和NOχ排放量远远低于国家标准限值，节能环保效果显著。