提高燃气具热效率是节能的一种途径

陈利芬

（广西壮族自治区民用燃料及气体产品质量监督检验站，广西 南宁 530007）

我国人口基数很大，资源总量相对少，人均资源占有量更是严重不足，据统计，我国人均资源占有量远远超过了世界平均水平。例如煤炭、天然气、石油等人均的储存量不及世界平均水平的一半，部分资源只占世界平均水平的百分之十以下。当前，我国出现城市化、现代化建设的关键时期，需要的能源总量很大，但是由于环保节能观念缺失，很多资源在使用中由于没有先进的科学技术而造成大量浪费，能源的供需矛盾突出，这是能源面临的主要问题。因此，要提高能源的使用效率，树立节能、环保的资源使用理念，开发新技术，提高资源的使用效，政府做好监督、企业依靠自觉执行，增强资源危机意识，认真贯彻落实科学发展、科学使用的政策，实现我国能源的持续有效使用，推动现代化建设的步伐。目前形势下的国际燃油价格不断创历史新高，在国际能源紧张的趋势下，深入研究如何提高燃气具的热效率，则具有非常重要的现实意义。

1 燃气具的发展历史

燃气具的发展历史，可以追溯到人类用火的开始。自原始社会时期的钻木取火，聪明的人类就懂得如何使用树枝、柴禾等自然物质煮熟食物，一直发展到现代社会的燃气管道输送天然气，或者使用燃气具实现食物的烹制等。在19世纪50年代初，德国化学家本生有了重大的发现，被称为本生火焰。随后的几十年内这种大气火焰才被人们慢慢掌握。当天然气出现后，迅速的进入市场，这种采用混空气的大气式燃烧器变得流行，燃气灶中的燃气和空气混合这一方法，大多数是采用文吐利管，依靠燃气从喷嘴喷出的动能，吸入一定量空气，如此形成了引射型大气式燃烧器。20世纪40年代初，这种燃烧器都占据燃气灶市场的主要地位，但是引射型大气式燃烧器也存在一些缺点：内外焰的燃烧容易产生 NO，需要二次空气的空间。所以20世纪60年代，国内外开始研究燃气红外线技术。采用的是全预混空气燃烧法，燃烧所需要的空气会全部混入。这种技术方式有两种结构型：一种是多孔陶瓷板；一种是双金属网，有时候也把二者联合起来综合应用。全预混空气燃烧器的优点首先是它不需要二次空气，而且烟气中NO数量很少，热效率也比较高。经过几十年不断的努力探索，对燃气具不断改进提高，燃气具正以新型、高效、低污染、小体积等特点问世，逐渐提高燃气灶的性能，提高燃气具的热能效率。

2 红外线无焰燃气灶和传统燃气灶比较分析

2.1 燃烧温度比较

普通的燃气灶具燃气温度约为800～820℃。但是红外线无焰燃气灶燃烧温度较高，一般约为在 900～950 ℃。这个可以通过一个试验证明两者的差别：首先把两枚同样规格的硬币放在不同的燃气灶上，在气压同为2 800 Pa的条件下点燃，三至五分钟之后，红外线的无焰燃气灶上硬币被熔化，但是普通燃气灶上的硬币却没熔化。实验证明了红外线无焰燃气灶的燃烧温度高于普通灶具，因此就证明在同一时间，采用同样的条件，红外线的燃气灶能耗更加节约、热能效率更高。

2.2 热效率的对比分析

陶瓷板的红外线燃气灶，其工作原理是：燃气通过引射器预混燃气燃烧，所需要的空气总量（过剩空气系数 α＝1.03～1.06），燃气、空气混合物以0.1～0.14 m每秒的速度，从陶瓷板数的千个小孔道溢出燃烧，把板面加热到赤红状态，这时的温度达到 800～900 ℃。板面、高温烟气对锅进行辐射和对流加热，这时的燃气燃烧是无焰状态。而普通的大气燃具工作原理是：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a'＝0.55－0.65），然后以1.0～3.5 m每秒的速度，经过头部的火孔流出，从周围获取二次空气来进行燃烧（过剩空气系数 a＝1.3－1.8），形成具有内、外焰的火焰，这样产生的高温烟气主要通过对流换热方式进行对燃具的加热。这两种燃具由于自身的燃烧、加热方式有所区别，所以加热效果上的表现也不同。

2.3 污染物的排放比较

根据国家相关标准及要求，普通的燃气灶具CO排放量必须少于500 ppm，但是红外线无焰燃气具的CO排放量只有7 ppm，普通燃气具的NOx的排放量为少于100 ppm，而红外线无焰燃气灶具的NOx排放量也只有7 ppm，通过这一数据说明红外线无焰燃气具的污染物排放量要少于普通燃气灶具，因此也就更加环保。

3 燃气灶具的热效率分析法

分析燃气具热效率的最好方法就是采用反平衡法，通过燃气具使用过程中的热损失来推导燃具的热效率。采用这一方法的优势在于可直接得到燃气具热损失情况，针对热损失来进行设计与改进，这样就可实现燃具的热效率提高。这一方法在燃气热水器中有很好的应用，并得到很多具有价值的结论。然而你，对于燃气具来说，热效率的测试装置自身就是一个相对开放的系统，它的测试系统边界不明确，烟气的温度、烟气的含氧量、火焰的对外辐射热量等因素很难准确掌握，烟气所带走的热量及火焰对周围环境热辐射所造成的损失，都无法准确计算，因而反平衡法测试燃气灶具热效率，只有理论指导意义，难以在实际应用中精确计量。按照反平衡分析思路，燃气灶具工作时，主要的热损失包括排烟热损失、火焰对周围环境的热辐射以及高温灶具面板带来的热损失，其中的大部分，就是排烟热损失，因此要提高燃气灶的热效率最重要的工作就是在保证燃气完全燃烧的前提下、降低烟气的排出温度；其次是减少火焰对周围环境的热辐射以及高温灶具面板带来的热损失。

4 燃气具工作的过程

对于确定的燃气灶具，在热效率测试过程中，加热锅的受热面积是与热负荷对应的，不能改变，要实现燃气完全燃烧的前提下、降低烟气的排出温度，只能提升换热面有效面积，其中一个有效手段就是实现燃气火焰高温区向灶具中心区域移动。从燃气灶原理分析，大部分燃气灶具都采用大气式燃烧方式，燃气大气式燃烧方式的一个重要特点，就是火焰分为内焰和外焰两部分：内焰主要是燃气与混合好的一次空气反应，生成中间产物过程，肉眼可见火焰，火焰温度较低，加热能力不强；而外焰则是这些中间产物与周围的二次空气接触，生成二氧化碳和水的过程，该过程是燃气反应的主要放热过程，肉眼看不到明显火焰，火焰温度很高，加热能力很强。要实现燃气火焰高温区向灶具中心区域移动，关键在于补充的二次空气含氧量更高或二次空气温度升高。

5 节能燃气具结构分析

实际产品设计中，采用了集热罩结构，以集热罩夹层作为二次空气通道。燃气灶工作时，燃气火焰在集热罩上方向由炉头向外侧运动，二次空气由集热罩周围开口，进入集热罩夹层，最后从集热罩与炉头之间的间隙，进入燃气燃烧区域。与现有嵌入式燃气灶相比，带集热罩的嵌入式灶具，在热能利用方面优势十分明显：集热罩将二次空气与燃气燃烧后所产生的烟气完全隔离，确保二次空气成分不受烟气干扰，且直接输送到火焰根部，有效缩短了火焰长度，实现火焰高温区域向加热锅中心移动，有效换热面积明显提升；集热罩将烟气与二次空气隔离后，燃气燃烧后高温火焰不再受到二次空气冷却影响，烟气温度更高，有利于燃气火焰与加热锅之间的对流换热；燃气灶工作过程中，高温火焰辐射热量，经集热罩表面反射回加热锅底，提高了热能利用率的同时，还减少了火焰对周围环境的热量辐射，提升了用户使用舒适性；二次空气沿集热罩运动过程中，集热罩上表面受热，其中一部分的热量被二次空气所吸收之后，再被送入燃气灶，转变成有用热量，这样提升了热能利用率；双层集热罩结构，还可以将集热罩上层高温层对周围环境的辐射热量损失，减到更小，同样减少了灶具对周围环境的热量辐射，提升了用户使用舒适性；对比测试结果：超人某型号内旋火燃气灶，在常规使用状态下，测试热效率为57%在增加集热罩后，在保证烟气正常的条件下，实测热效率达到70%，热效率提升幅度达到20%以上。

[1]江建海.提高燃气具热效率是节能的一种途径[J].科技资讯，2008（13）.

[2]王璋保.节约能源——古老而又年轻的热工课题[J].工业炉，1998（04）.

[3]荆宝.节约是“第五能源”[J].秘书工作，2005（08）.