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[图文]陶瓷板红外线燃气灶节能效果的分析           ★★★
陶瓷板红外线燃气灶节能效果的分析
作者:未知 文章来源:网络 点击数: 更新时间:2010-3-23 13:14:50

 

摘要:分析了陶瓷板红外线燃气灶热效率比大气式燃气灶高的原因:具有陶瓷板辐射体,辐射效率高;燃气燃烧需要的过剩空气系数小,致使理论燃烧温度高,增强了换热,减少了排烟损失;锅支架高度小,有利于增加换热量和减小向周围的辐射散热损失。

前言

陶瓷板燃气红外线辐射器自20世纪40年代问世以来[1],在民用方面已用于采暖和烘烤食品。80年代中期,在我国少数地区开始用于炊事灶具。

陶瓷板红外线燃气灶与大气式燃气灶相比,热效率高,烟气中有害成分少[l-6]。下面就陶瓷板红外线燃气灶与大气式燃气灶的节能效果进行分析。

1 热效率对比

陶瓷板红外线燃气灶的工作原理是:燃气利用引射器预混燃气燃烧所需要的全部空气量(空气系数口=1.03~1.06),燃气、空气混合物以0.1-0.14 m/s的速度从陶瓷板数千个小孔道溢出进行燃烧,将板面加热到赤红状态,温度达到800-900 oC[7],板面和高温烟气对锅进行辐射和对流加热,此时燃气燃烧为无焰状态。

大气式燃气灶的工作原理是:燃气利用引射器仅预混燃烧所需要的一部分空气量(一次空气系数 ap=0.55~0.65),然后以1.0~3.5 m/s的速度,经过头部的一些火孔流出,并从周围再获取二次空气进行燃烧(空气系数a=1.3~1.8),形成具有内、外焰的本生火焰[7],产生的高温烟气主要以对流换热的方式对锅加热。

表l陶瓷板红外线燃气灶与大气式燃气灶对比

序号


陶瓷板红外线燃气灶

大气式燃气灶

热负荷/kW

热效率/%

热负荷/kW

热效率/%

1

2.92

64.7

2.87

56.6

2

3.03

69.6

3.57

56.0

3

3.09

67.0

3.49

57.4

4

2.92

60.0

2.91

56.2

5

2.60

68.0

2.82

55.O

6

3.08

68.4

2.84

57.0

7

2.74

70.0

3.47

56.9

8

3.06

64.6

2.94

56.8

平均

2.93

66.5

3.11

56.4

由于这两种灶的燃烧和加热方式不同,表现在加热效果上不同。经对16个厂家生产的燃气灶抽样检测(8种为陶瓷板红外线燃气灶,8种为大气式燃气灶,测试燃气为液化石油气),热效率列于表1。从表l中看出,陶瓷板红外线燃气灶的热效率比大气式燃气灶平均高出10.1个百分点,节能效果显著。

2热效率较高的原因分析

(1)陶瓷板红外线燃气灶辐射效率高

陶瓷板的形状一般为圆形,直径168mm,厚ll-12mm。陶瓷板主要由滑石粉、粘土等材料制成,属于非金属固体材料。在一定温度下,它的表面朝其上方的半球空间各不同方向发射包括各种波长的能量。陶瓷板红外线燃气灶对锅加热时,除了高温烟气的对流和辐射加热外,陶瓷板的辐射加热要占很大的一部分。如果把陶瓷板与锅底近似看作两个灰表面,环境看作黑表面,这样就组成了一个封闭的辐射换热系统。其中陶瓷板与锅底的辐射换热由下面公式[8]确定:

φ1,2=(J1-J2)p1,2A1(1)

式中φ1,2-- 陶瓷板与锅底之间辐射换热热流量,W;
(J1,J2)-- 陶瓷板、锅底的有效辐射热流密度,W/m2
P1,2-- 陶瓷板对锅底的平均角系数;
A1--陶瓷板表面积m2。

燃气为大庆液化石油气。假设陶瓷板面发射率ε1 =0.86[1],铝锅底面氧化层ε2=0.3;板面温度t1=850℃,锅底表面平均温度t2=45℃,房间增温度t3=20℃。依据传热学[9]中有关资料,并考虑锅底面积大于陶瓷板表面积的情况,取φ1,2为0.9.根据空间辐射网络计算,陶瓷板对锅的辐射热量总换热量的57.3%。

大气式燃气灶主要以对流方式对锅加热,它火焰可以进行有限的辐射加热。本生火焰属于不光的火焰,其中能够进行辐射加热的主要是燃烧物中的CO2和H20气体,它们的辐射光谱是不连的,只能辐射一定波长范围内的能量,与固体表面比,辐射能力要差得多。

根据夏克(Schack)提出的近似计算公式[10],二氧化碳和水蒸气向周围壁面的辐射换热量为:

φco2=0.019εco2(pδ)1/3[(Tg/100)3.5-(Tw/100)3.5]A
φH2o=1.64εH20P0.8δ0.6[(Tg/100)3-(Tw/100)3.5]A

式中:φco2,φH2o-co2, H2o 气体向周围壁面辐射换热量,kW;
εco2, H2o,-co2, H2o 气体的分压,KPa;
p--气体有效厚度,m;
TG,Tw--气体、周围壁面温度,K;
A--气体表面积,m2。

假设火焰平均温度1400℃,火孔与锅底之间距离25mm,周围壁面温度(取锅底表面温度)45℃,按照上两式进行计算,辐射加热量不到整个换热量的8%。

(2)陶瓷板红外线燃气灶空气系数小

燃气要达到完全燃烧就需要一定的空气系数空气系数的大小不仅影响着理论燃烧温度的高低而且在排烟温度相同的条件下,也决定了排烟损失的大小。

①空气系数对理论燃烧温度的影响

陶瓷板红外线燃气灶的空气系数为1.03-1.06,而大气式燃气灶的空气系数为1.3-1.8。以大庆液化石油气为燃料,并假定陶瓷板红外线燃气灶空气系数1.05,大气压燃气灶的空气系统1.5。经计算,燃气在陶瓷板红外线灶燃烧的理论燃烧温度为1600℃。二者相差逾400℃。根据传热理论,无论是辐射换热还是对流换热,增大两物体的换热温差,都会提高换热量。特别是辐射换热,按照斯蒂芬一波尔兹曼定律,换热量与温度的4次方差成正比关系。显然空气系数小对提高陶瓷板红外线燃气灶热效率是有利的。

②空气系数对排烟损失的影响

烟气焓的计算公式[7]:

If=I0+(a一1)Ia(4)

式中:If--烟气的焓,kJ/m3;
I0--理论烟气的焓,kJ/m3;
Ia--理论空气的焓,kJ/m3;
a--空气系数。

排烟损失qf[2]:

gf= If/Q1×100%(5)

式中:Q1--燃气低热值,kJ/m3。

在烟气成分一定的情况下,影响If大小的主要因素是烟气温度tf和空气系数a,如果排烟温度越高,空气系数越大,则排烟损失越大。当以大庆液化石油气为燃料,空气系数分别为1.05和1.50时,排烟温度tf变化时的排烟损失qf,见表2。

表2排烟损失gf%

a

排烟温度tf/℃

150

200

250

1.05

5.9

7.9

10.0

1.50

8.2

11.O

13.8

由表2可见,假定两种燃气灶在排烟温度相同的条件下,大气式燃气灶(a=1.50)的排烟损失比陶瓷板红外线燃气灶(a=1.05)高2.3-3.8个百分点。

(3)陶瓷板红外线燃气灶锅支架高度小

无论是对陶瓷板红外线燃气灶,还是对大气式燃气灶,锅支架高度对热效率和烟气中的CO含量都有影响[7,11-14]。锅支架高度升高,热效率降低,烟气中CO含量减少。因此,在保证烟气中CO含量达到有关标准的前提下,应尽可能降低锅支架高度。在应用上,陶瓷板红外线燃气灶的锅支架高度一般在15 mm以内,而大气式燃气灶锅支架高度为20-30mm

陶瓷板红外线燃气灶采用的是完全预混式燃烧,不需要从周围获取二次空气。同时,气体从小孔道中流出速度不高,因此锅底可以距离板面较近,也不会对流出气体产生较大的反压力,而仍然能保证燃气的正常燃烧。在较小的锅支架高度情况下,对陶瓷板红外线燃气灶与锅的换热是有利的。产生的高温烟气与锅底充分接触,进行辐射和对流换热。根据辐射换热角系数的定义式,赤热的板面离锅底越近,平均角系数越大,辐射换热量就越多,而从锅底与板面之间的空隙向周围环境的辐射热损失就越小。

大气式燃气灶的锅支架高度比较高,因为较小的锅支架高度会减少二次空气的供给量,同时,燃烧形成的本生火焰易与冷的锅底接触,这样都会产生不完全燃烧而导致烟气中的CO含量升高。对于大气式燃气灶而言,较高的锅支架高度对锅的加热是不利的。较高的锅支架高度,会增加周围空气向火焰的扩散,降低火焰温度而减少换热。同时,由于火孔有一定倾角(一般取30。],承担主要负荷的外圈火孔火焰的高温烟气并没有与全部锅底接触,只是接触到锅底的周边部分。这样,锅支架高度升高就会减少烟气与这部分锅底接触的面积,而使换热量减少。

3结论

(1)陶瓷板红外线燃气灶与大气式燃气灶相比,热效率高,节能效果显著。
(2)陶瓷板红外线燃气灶具有陶瓷板辐射体。燃气燃烧的一部分热量将陶瓷板加热,陶瓷板再通过辐射对锅加热。这是陶瓷板红外线燃气灶热效率较高的主要原因。
(3)陶瓷板红外线燃气灶采用完全预混式燃烧,过剩空气少,理论燃烧温度高,排烟损失小,使得换热量增加,热效率提高。
(4)陶瓷板红外线燃气灶采用较低锅支架高度,增加换热,减少辐射热损失,从而提高了热效率。

 

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