红外线与大气式组合燃气灶的性能试验

侯懿宁

(福建省锅炉压力容器检验研究院，福建 福州 350008)

1 概述

燃气多孔介质红外线燃烧技术也称燃气辐射燃烧技术，是一种先进的燃烧技术，在提高燃烧效率、扩展可燃极限、节约燃料、改善环境等方面具有其他燃烧技术不可比拟的优越性，被誉为划时代的燃烧技术[1-3]。该技术以高温固体介质辐射为主，大大提高了换热效率，可以应用于工业和民用诸多领域，如：石油冶炼、红外线无焰燃烧设备、辐射式加热器、陶瓷材料合成、多孔催化剂燃烧、空气中有机挥发物去除、多孔介质内衬内燃机、燃气轮机、污染物控制等环保与燃烧领域[4-9]，从而满足节能和环保要求。

在我国，该燃烧技术应用于燃具领域已久，多位学者在这方面进行了大量的开发研究，在理论与实践上取得了可喜的成绩[10-15]。一些企业开发了多种规格和型式的红外线燃气灶。

2 红外线与大气式组合燃气灶

红外线与大气式组合燃气灶(简称组合式燃气灶)，外围设置红外线燃烧器(热负荷占总热负荷的75%左右)，中心设置大气式燃烧器，其双眼灶实物见图1。该燃气灶能充分发挥两种燃烧方式的优点并弥补各自的不足，实现了高效低污染燃烧，较大提高了燃气灶的热效率，与红外线燃气灶、大气式燃气灶相比，具有非常显著的性能优点。

图1 组合式燃气灶实物

3 对比试验

3.1 燃气灶的选择

考察在达到基本相同加热能力的前提下，组合式燃气灶和大气式燃气灶的热效率、一氧化碳排放量、氮氧化物排放量等实测结果，进行对比分析。选择燃气灶时，考虑到加热能力基本相当，对热效率高的燃气灶，选择额定热负荷小一些的燃气灶。因此，选择额定热负荷为3.5 kW的台式组合式燃气灶和额定热负荷为3.8 kW的台式大气式燃气灶各1台，对右眼燃烧器进行对比试验。额定热负荷指右眼燃烧器额定热负荷，左眼燃烧器额定热负荷与右眼燃烧器相同。均采用液化石油气钢瓶供气。2台燃气灶在气源为液化石油气时额定压力为2 800 Pa。

3.2 试验系统、试验方法

燃气灶测试试验系统、试验方法执行GB 16410—2020《家用燃气灶具》。

3.3 试验结果分析

① 灶前压力为额定压力时试验结果分析

灶前压力为额定压力2 800 Pa时，2种燃气灶的性能试验结果见表1。

表1 灶前压力为额定压力时，2种燃气灶的性能试验结果

从表1可知，在额定压力下，组合式燃气灶的热效率比大气式燃气灶高11.3个百分点，节能20%以上；组合式燃气灶的一氧化碳体积分数约为大气式燃气灶的50%；组合式燃气灶的氮氧化物体积分数比大气式燃气灶降低了78%。虽然组合式燃气灶的额定热负荷比大气式燃气灶小，但试验中发现，在相同加热水量和温升情况下，组合式燃气灶的用时更短。

② 变灶前压力时试验结果分析

改变灶前压力，试验得到灶前压力分别为2 000、2 400、2 800、3 200、3 600 Pa时2种燃气灶的性能试验结果，见图2。

从图2可知，随着灶前压力提高，2种燃气灶的热效率均逐渐降低，热负荷、一氧化碳体积分数和氮氧化物体积分数均逐渐升高。当灶前压力达到3 200 Pa时，大气式燃气灶的热效率低于国家标准要求的55%。各种灶前压力下，组合式燃气灶的热效率明显高于大气式燃气灶，平均高约11个百分点；组合式燃气灶的氮氧化物体积分数明显低于大气式燃气灶；组合式燃气灶的一氧化碳体积分数也比大气式燃气灶低。因此可以判断，在实际使用过程中，无论在人为关小阀门节流降压情况下，还是在用气高峰时段管网整体压力偏低情况下，组合式燃气灶与大气式燃气灶相比，都具有高热效率、低污染排放的特性。

组合式燃气灶的热负荷、热效率、一氧化碳和氮氧化物排放性能均符合GB 16410—2020。

4 组合式燃气灶的性能特点原因分析

4.1 热效率高原因分析

陶瓷板采用凹面结构，使红外线集中加热锅底，无论对平底锅还是圆底锅，热量散失都较少。陶瓷板表面发射率大，使单位面积辐射能传递量更大，提高辐射换热效率。中心大气式燃烧器火力非常集中，温度高，燃烧完全，对流换热路径长，换热效率高。外围红外线燃烧器采用完全预混式燃烧，过剩空气系数小，理论燃烧温度高，使得传热温差增大，热效率提高。组合式燃气灶可采用较低的锅支架，减小传热距离，减少辐射热损失，从而提高热效率。红外线辐射波长范围与被加热物体(特别是水分子和高分子物质)接受波长相匹配时，产生共振效应，强化了传热过程。红外线的穿透性使被加热物体表层和深层同时被加热，加热过程更迅速、更均匀，热效率也更高。

图2 改变灶前压力时2种燃气灶的性能对比试验结果

4.2 低污染物排放原因分析

外圈红外线燃烧器引射空气量充足，且混合均匀，故燃烧完全，一氧化碳体积分数极低，采用完全预混式燃烧，过剩空气系数小，有效抑制氮氧化物的生成。陶瓷板的存在，使燃气燃烧产生的热量迅速传递给陶瓷板基体，火焰高温区厚度大幅减小，烟气穿过火焰高温区的时间大大缩短，能迅速进入低温区，故有效抑制热力型氮氧化物的生成。虽然中心大气式燃烧器产生的氮氧化物体积分数较高，但由于外圈红外线燃烧器的存在，其高温烟气与红外线燃烧器产生的低温烟气迅速混合，使温度下降许多，从而降低了产生大量氮氧化物的可能性。另外，由于大气式燃烧器热负荷占比仅约为25%，其产生的氮氧化物被稀释。

5 结论

① 组合式燃气灶的热负荷、热效率、一氧化碳和氮氧化物排放性能均符合GB 16410—2020《家用燃气灶具》。

② 当灶前压力为额定压力时，组合式燃气灶的热效率比大气式燃气灶高11.3个百分点，节能20%以上；组合式燃气灶的一氧化碳体积分数约为大气式燃气灶的50%；组合式燃气灶的氮氧化物体积分数比大气式燃气灶降低了78%。

③ 随着灶前压力提高，2种燃气灶的热效率均逐渐降低，热负荷、一氧化碳体积分数和氮氧化物体积分数均逐渐升高。当灶前压力达到3 200 Pa时，大气式燃气灶的热效率低于国家标准要求的55%。各种灶前压力下，组合式燃气灶的热效率明显高于大气式燃气灶，平均高约11个百分点；组合式燃气灶的氮氧化物体积分数、一氧化碳体积分数均比大气式燃气灶低。