燃气灶的热损失及节能措施探讨.docx
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燃气灶的热损失及节能措施探讨
燃气灶的热损失及节能措施探讨
吴成年
关键词燃气灶热损失节能措施
摘要本文从分析燃气灶热损失入手，推导出燃气灶锅底面燃气的热交换损失计算公式，并对火焰分布不同的燃烧器其锅底面燃气的热交换损失进行了相应的计算、分析；通过如何减少热交换损失及如何减少传热损失，对燃气灶的节能措施进行了探讨。
这些措施，对于进一步提高燃气灶的热效率是十分有益的。
前言
燃气灶在人们日常生活中越来越广泛地应用，燃气已与人们生活息息相关；随着世界性石油危机的不断突现，燃气（本文主要指天然气、液化石油气、人工煤气）作为一种不可再生的能源资源，节约燃气越来越受到人们的重视。
如何在燃气灶的设计上进一步提高其节能性能，不仅可以使人们从节约燃气中直接受益，而且对于燃气资源的有效利用及燃气资源的保护都具有重要的现实意义。
家用燃气灶的热效率，是衡量燃气灶是否节能的一项重要指标。
根据国家标准GB16410《家用燃气灶具》中的规定，对于台式燃气灶，热效率应大于55%，嵌入式灶，热效率应大于50%。
在实际产品中，普通的台式燃气灶热效率一般都小于60%；普通的嵌入式灶热效率一般都小于55%；而采用红外线加热技术的燃气灶，一般热效率都可以超过60%。
所谓燃气灶的热效率，通俗地讲就是燃气灶在使用过程中对燃气热能的有效利用率。
从燃气灶的热效率上可以看出，家用燃气灶具普遍存在着燃气热能利用率不高的现象，有大约40~50%的燃气热能在使用中被浪费。
不管是从节约能源的角度看，还是站在消费者利益的角度看，提高燃气灶对燃气热能的有效利用率，设计、生产高热效率的家用燃气灶，已成为燃气具行业发展的一个重要方向。
对于家用燃气灶来讲，它还有一项重要的指标，就是燃烧烟气中的有害气体（如一氧化碳等）不能超过有关规定。
要保证燃气灶燃烧烟气中的有害气体不超过有关规定，又要提高燃气灶热效率，这是一对矛盾；提高热效率，往往会带来烟气中有害气体的增高。
要使非红外线燃气灶（尤其是嵌入式燃气灶）热效率超过60%甚至更高，虽有一定的难度，但已有企业证明是可以达到的。
如何在保证燃烧烟气中有害气体不超标的前提下提高燃气灶的热效率，是值得研究、探讨的。
本文将从分析燃气灶热损失入手，推导出燃气灶锅底面燃气的热交换损失计算公式，并对火焰分布不同的燃烧器其锅底面燃气的热交换损失进行计算、分析；通过如何减少热交换损失及如何减少传热损失，对燃气灶的节能措施进行探讨。
一、燃气灶的主要热损失
燃气灶的热损失可以分为以下几种类型：
1、锅底面燃气的热交换损失
本文所讲的锅底面燃气的热交换损失，是指燃气灶燃烧时，火焰不能完全与锅底面接触所产生的热损失；它的大小主要以火焰与锅底面的接触面积来判断。
目前，家用燃气灶所使用的燃气阀，是通过对单个喷嘴或多个喷嘴燃气流量的控制，对火焰大小进行控制、调节；尤以双喷嘴燃气阀最为广泛使用。
燃气灶在燃烧时多为双环或多环火焰；中心火焰的热流量一般仅占燃烧器热流量的10~20%左右（台式灶：
16~20%左右，嵌入式灶：
10~16%左右）。
中心火热流量的大小，主要受燃烧器二次空气补给的限制；中心火热流量过大，燃烧烟气中的有害气体则可能超标。
嵌入式燃气灶中心火的热流量普遍比台式燃气灶要小，主要是由于嵌入式燃气灶中心火的空气补给比台式燃气灶要困难，为保证燃烧烟气中的有害气体不超标，只得减少中心火的热流量，这实属迫不得已之举。
用尖底锅炒菜时可以直观地看到，由于中心火热流量小，外圈火热流量大，油在尖底锅中，首先在外圈火加热范围处（油面外圈）产生沸腾、油烟。
中心火热流量小，意味着燃气灶在使用过程中，只有少部分燃气在靠近锅底中心部位燃烧，而大部分燃气则不是靠近锅底中心部位燃烧；也就是说，大部分燃气燃烧时离锅底中心有相当的距离，燃气的大部分热能并未在这个范围内被充分利用。
正因为如此，本文特将火焰与锅底面的接触程度作为判定燃气灶燃烧时燃气热损失的一项重要指标。
2、热能流失损失
燃气灶的热能流失损失，是指燃气未充分参与热交换所造成的热损失。
燃气灶在燃烧过程中，火焰与锅底面的热交换过程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或锅周边的热交换而产生热能流失损失。
另外，在锅底下面的燃气流具有一定的厚度，将此厚度中靠近锅底面一侧的燃气称为内侧燃气，另一侧称为外侧燃气，显然，内侧燃气与锅底面的热交换较充分，而外侧燃气与锅底面的热交换则相对较少。
锅底下面燃气流厚度的存在，同样也会产生燃气灶的热能流失损失。
3、燃烧不完全产生的热能损失
燃烧过程中，由于补氧不充分造成燃烧不完全，从而产生热能损失。
4、传热损失
它主要包括下面几个方面的损失：
（1）火焰对周围空气加热所造成的热量损失；
（2）灶具材料（如燃烧器、锅架、承液盘、面板等）吸热作用所造成的热量损失；
（3）锅体材料导热能力所产生的热量损失；
（4）锅体在加热过程中，同时也向周围介质（如空气等）加热所产生的热量损失。
二、锅底面燃气热交换损失计算公式的推导
为了更好地分析和计算锅底面燃气的热交换损失，以便采取相应的措施来减少这种损失，需建立相应的计算公式。
现将锅底面燃气热交换损失计算公式推导如下：
1、火焰集中于锅底中心时的热交换量表达式
设：
火焰与锅底面完全接触进行热交换的条件为：
火焰集中于锅底中心，再向锅底四周扩散。
火焰集中于锅底中心时的热交换量表达式为：
……
（1）
式中：
D—锅底直径，
F—锅底面积，F=
；
—火焰总热量；
—火焰与锅底面完全接触时的热交换量。
2、火焰为双环结构时的热交换量表达式
设：
火焰不是集中于锅底中心，而是分为内、外圈火焰结构（既双环火焰结构）；外圈火焰距锅底中心为dw/2，内圈火焰距锅底中心为dN/2。
双环火焰结构的热交换量表达式为：
……
（2）
式中：
D—锅底直径；
—外圈火焰直径（近似以外圈火孔在火盖上的位置尺寸替代）；
—内圈火焰直径（近似以内圈火孔在火盖上的位置尺寸替代）；
—与外圈火焰接触的锅底面积，
；
—与内圈火焰接触的锅底面积，
；
λ—外圈火焰热量占火焰总热量的比例；
（1—λ）—内圈火焰热量占火焰总热量的比例；
—火焰总热量；
—火焰分内、外圈结构时的热交换量。
3、火焰为多环结构时的热交换量表达式
在内外圈火焰之间，还存在一环或多环火焰。
多环火焰的热交换量表达式如下：
…（3）
式中：
—“I”位置处的火焰直径；
—“I+1”位置处的火焰直径；
—“I”位置处火焰接触的锅底面积，
；
—“I+1”位置处火焰接触的锅底面积，
；
λI—“I”位置处火焰热量占火焰总热量的比例；
λI+1—“I+1”位置处火焰热量占火焰总热量的比例。
4、锅底面燃气热交换损失的计算公式
因火焰不能完全与锅底面接触（即火焰不集中于锅底中心）造成的热交换损失，其计算公式可以通过
（1）、
（2）、（3）式得到。
（1）双环火焰时锅底面燃气热交换损失的计算公式，
令ΔHQ=HQ0—HQ，热交换损失系数为ψ，通过
（1）、
（2）式，则：
……（4）
从上式可以看出，当锅底直径D一定，dW、dN愈小，ψ愈小，热交换损失愈小；反之，则热交换损失愈大。
当dW、dN一定，D愈大，ψ愈小，热交换损失愈小；反之，则热交换损失愈大。
（2）多环火焰时锅底面燃气热交换损失的计算公式
令ΔHQ=HQ0—HQ，热交换损失系数为ψ，通过
（1）、（3）式，则：
……（5）
从上式可以看出，当锅底直径D一定，dW、dN、dI、dI+1愈小，ψ愈小，热交换损失愈小；反之，则热交换损失愈大。
当dW、dN、dI、dI+1一定，D愈大，ψ愈小，热交换损失愈小；反之，则热交换损失愈大。
5、不同火孔型式燃烧器的热交换损失比较
现在常用的燃烧器，其火孔型式多为梯形、圆形或条形，梯形、圆形火孔的火焰分布位置大致相同，多集中在火盖的外圈；条形火孔的火焰分布多集中在火盖顶部。
利用公式（4），将梯形（或圆形）火孔燃烧器、条形火孔燃烧器与火焰集中于锅底中心的燃烧器作比较，相应的热交换损失计算结果见表1。
热交换损失的大小，直接影响燃气灶热效率的大小。
通过对热交换损失的计算、分析，可以为如何提高燃气灶的热效率提供明晰的思路。
从计算结果可以看出：
（1）梯形（或圆形）火孔燃烧器、条形火孔燃烧器的热交换损失比火焰集中于锅底中心的燃烧器高5.9~15.55%（其中，梯形或圆形火孔燃烧器高11.79~15.55%，条形火孔燃烧器高5.9~13.14%）；条形火孔燃烧器的热交换损失明显低于梯形或圆形火孔燃烧器的热交换损失。
（2）在炉头直径（或大火盖直径）、内圈火焰直径、内外圈火焰热流量分配比例相同的情况下，梯形（或圆形）火孔燃烧器的热交换损失明显比条形火孔燃烧器大得多（炉头直径或大火盖直径为φ120mm时，热交换损失大3.97~4.6%；炉头直径或大火盖直径为φ100mm时，热交换损失大5.89~6.15%）。
（3）其他条件不变，改变内、外圈火焰热流量分配比例，内圈热流量比例增大，热交换损失减小；反之，热交换损失增大。
（4）炉头直径（或大火盖直径）大，则热交换损失较大；反之，热交换损失较小。
从表中可以看到，直径φ120的炉头（或大火盖），热交换损失比φ100高3.13~6.99%（其中，梯形或圆火孔的高3.13~3.22%，条形火孔的高4.64~6.99%）。
表1：
不同火孔型式燃烧器，热交换损失计算结果比较
序号
炉头直径
（mm）
外圈（大火盖）火孔型式
外圈（大火盖）火焰直径dW
（mm）
内圈（小火盖）火焰直径dN
（mm）
外圈火焰占总热量的
比例λ（%）
内圈火焰占总热量的
比例（1-λ）（%）
锅底
直径
D
（mm）
热交换
损失ψ
（%）
1
100
梯形火孔
或圆火孔
100
28
82
18
260
12.33
80
20
12.07
78
22
11.79
2
条形火孔
80
28
82
18
260
7.97
80
20
7.8
78
22
7.64
3
70
28
82
18
260
6.15
80
20
6.03
78
22
5.9
4
120
梯形火孔
或圆火孔
120
46
82
18
280
15.55
80
20
15.23
78
22
14.92
5
条形火孔
110
46
82
18
280
13.14
80
20
12.89
78
22
12.63
6
100
46
82
18
280
10.95
80
20
10.74
78
22
10.54
注：
本表中条形火孔火盖的外圈火焰直径，取条形火孔的平均直径（平均直径=条形火孔内、外端直径之和÷2）。
三、燃气灶节能措施的探讨
燃气灶的节能措施，应该从减少燃气灶在使用中的热损失入手。
下面就从减少热交换损失及减少传热损失这两个方面对燃气灶的节能措施进行探讨。
1、减少热交换损失的主要措施
（1）设计时将灶具燃烧器的火焰分布位置尽可能集中于锅底中心：
可采用斜冲火焰等来实现；
（2）尽可能缩小锅底高温燃气流的厚度：
通过缩小锅架于锅底间的燃气通道高度尺寸来实现；
（3）加大热交换面积及热交换时间：
可在燃烧器上采取旋转火焰设计，或在锅架上采取措施，延长燃气流程等措施来实现；
（4）采用鼓风式全预混燃烧器：
以此形成紊流燃烧，使燃气与锅底的热交换面积、热交换时间增大，同时还可以使火焰集中于锅底中心，燃烧器的尺寸可以做得比传统的大气式燃烧器更小。
单从减少热损失的角度看，采用鼓风式全预混燃烧器是最为理想的；
（5）增大燃烧器内圈火的热流量比例：
可以适当减少热交换损失。
2、减少传热损失的主要措施
（1）保持合理的火焰高度，使火焰高温区尽可能贴近锅底；
（2）降低锅架高度，减少火焰对周围空气加热所带来的热损失；
（3）在燃烧器处增加聚热反射装置，减少热辐射损失；
（4）在燃烧器、锅架或聚热反射装置表面增加含远红外线材料的涂层（如在搪瓷涂层或其他高温涂层中添加远红外线材料），充分利用这些部件所吸收的热能转化为远红外线加热。
四、采取节能措施时应注意的问题
1、在设计上要加强一、二次空气的补给，尤其是要使燃烧器二次空气的补给在设计上与现有的方法相比有所突破（笔者认为，这是完全可以实现的），才能保证在采取火焰集中于锅底中心、缩小锅底高温燃气流厚度或降低锅架高度等措施时燃烧充分，否则会带来燃烧不完全或烟气中有害气体（如一氧化碳等）超标等问题。
2、降低锅架高度及减少锅底燃气流厚度等要适度，既要防止有害气体超标，又要保证尖底锅等的正常使用；
3、增加聚热反射装置时，应防止因二次空气补给不足造成烟气中一氧化碳超标；
4、增大燃烧器内圈火热流量比例时要适度，内圈火热流量比例过大，则会造成烟气中一氧化碳超标等问题；
5、在采取节能措施的同时，应充分考虑燃气灶的保洁性能，尤其是嵌入式燃气灶，防止由此带来清理赃物不方便、保洁性较差等问题。
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