紅外線中餐燃氣灶爐膛改造的實驗研究

摘 要

摘要：研究了中餐燃氣灶爐膛內的傳熱過程，確定了改造方案，通過對比改造前后的熱效率，改造后的中餐燃氣灶具有更高的熱效率，證明了改造方案的可行性。關鍵詞：紅外線中餐燃氣灶；輻射換
摘要：研究了中餐燃氣灶爐膛內的傳熱過程，確定了改造方案，通過對比改造前后的熱效率，改造后的中餐燃氣灶具有更高的熱效率，證明了改造方案的可行性。
關鍵詞：紅外線中餐燃氣灶；輻射換熱；對流換熱；爐膛改造；熱效率
Experimental Research on Reconstructing the Furnace Chamber of Infrared Chinese Gas Cooking Range
School of Thermal Energy Engineering，Shandong Jianzhu University Li Guangpeng，Cui Yongzhang
Abstract：The heal transfer processes in Furnace Chamher of the Infrared Chinese Gas Cooking Range are studied，and the reconstructed scheme is detemfined.Through comparing the experiments，it is found lhat the reconstructed Chinese Gas Cooking Range has a higher heat efficiency，which proves the hasihility of the reconstructed scheme.
Keywords：the Infrared Chinese Gas Cooking Range；radiant heat transfer；convection heat transfer；the furnace chamber；thermal effieiency
1 引言
    中餐燃氣灶主要用于賓館、酒店和食堂等烹飪菜肴，其主要特點是熱負荷較大、火力集中、鍋底熱強度大和加熱速度快。為了提高熱效率，減少環境污染，不少學者在紅外輻射燃燒器方面進行了大量研究，并證實了紅外輻射燃燒器應用到中餐燃氣灶的優越性，但對爐膛研究較少。本文通過對紅外線中餐燃氣灶爐膛的改造，以研究其對熱效率的影響。
2 中餐燃氣灶爐膛換熱分析
   中餐燃氣灶爐膛內的簡化換熱模型如圖1所示。對于氣體燃料，燃燒完全產物主要是C02和H20，氣體輻射量相對較小。如果忽略氣相輻射，鍋底接受的總熱量主要有燃燒器表面的輻射換熱和煙氣對流換熱。鍋底接受的總熱量可用式(1)表示。
    qtotal=qc+qr=h0(T1-T2)+F1-2εσ(T14-T24)    (1)
式中：qtotal為鍋底接受的總熱量，kw/m2；qc為熱煙氣與鍋底之間的對流換熱，kw/m2；qr為燃燒器表面與鍋底的輻射換熱，kw/m2；Tf為沖刷鍋底的煙氣溫度，K；T1為燃燒器表面溫度，K；T2為鍋底溫度，K。
    其中燃燒器表面與鍋底的輻射換熱量為
    qr=F1-2εσ(T14-T24)    (2)
    式中：F1-2為圖1中燃燒器表面到鍋底表面的輻射換熱角系數；ε為表面輻射特性參數；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數，σ=5.67×10-8w/(m2·K4)。
大氣式或鼓風式中餐燃氣灶的燃燒產物直接沖刷鍋底，通過鍋底表面進行對流換熱。輻射換熱量受燃燒產物與燃燒表面對流換熱的限制而導致值較小，鍋底接受的熱量以燃燒產物與鍋底的對流換熱為主。而紅外輻射燃燒器以輻射和對流兩種形式傳熱，一般輻射熱量占總熱量的45%～60%?？梢?，傳統的大氣式燃燒器的爐膛結構不能合理分配對流換熱量和輻射換熱量，因此有必要對爐膛結構進行優化沒計，以達到中餐灶高效利用的目的。
 
    圖2為中餐灶結構示意岡，爐膛結構主要影響煙氣對流換熱，煙氣主要分為兩部分：一是經鍋圈排煙氣，其對熱效率影響較大；二是經煙道排炯氣，其一般加熱溫鍋灶后再排出，排煙溫度約在200℃以上。經過鍋圈流出煙氣主要是以對流方式加熱鍋底和鍋側，提高速度有利于提高對流換熱，則鍋與爐膛耐火保溫材料間隙、鍋圈與鍋之間間隙成為重要因素。另外，兩股氣流的分配也影響到中餐灶的熱效率。
    原灶是采用強制鼓風燃燒器，其過?？諝饬扛哌_1.6以上，煙氣量較高，鍋圈間隙較大。而紅外輻射燃燒器的過?？諝庀禂祪H在1.05以下，炯氣流量大大降低，在原鍋圈條件下流速較低。煙氣沖刷鍋底，速度越大對流換熱越強，因此提出減少鍋圈與鍋之間的距離，以適當提高煙氣沖刷的速度。
    常用的爐膛的耐火材料是粘土磚和水泥，其具有一定的蓄熱能力，但爐溫提升慢，且重量較重，不容易更換。硅酸鋁板耐火溫度高，高鋁型可達到1400℃以上，因此采用環形硅酸鋁板作為耐火保溫材料。
    本方案將原鍋周與鍋之間的距離9mm現改為5mm；在爐膛的煙氣出口設置擋煙板，減少煙氣外排量；爐膛部位是對流沖刷的主要受熱部位，改善該部位的氣流組織也必然會影響到熱效率，因此設計了錐形硅酸鋁塊，形成煙氣與鍋底之間有效沖刷。
4 實驗測試及結果分析
4.1 實驗測試系統
    為對比改造前后中餐灶熱效率，在原有額定負荷為18kW的紅外中餐燃氣灶的基礎上對爐膛進行煙道、鍋圈和爐膛結構的改造，并對改造后的熱效率進行測試，實驗裝置的布置和流程如圖3所示。
4.2 實驗數據分析
    (1) 改造煙道實驗
    如前所述燃燒產生的煙氣可分為兩部分，一是隨煙道排走，二是隨鍋圈排走。改造煙道后熱效率變化見圖4。在額定熱負荷18kW下熱效率約為45%，相比于改造前可提高5%左右。原因是改造煙道后改變煙氣流量分配，增加了沖刷鍋底的對流煙氣量。
    (2) 改造鍋圈實驗
    為研究鍋圈對效率的影響，將所有煙氣口全部封閉，測試發現熱效率降低明顯。將原鍋圈與鍋之間的距離10mm現改為5mm后進行熱效率測試，結果見圖5，其效率提高在8%左右。在低負荷下熱效率提高低于高負荷下熱效率的提高，原因是高負荷下煙氣量較大，氣流沖刷速度大增強了對流換熱量。
    (3) 改造爐膛結構實驗
    在實驗中發現紅外中餐燃氣灶鍋圈的溫度較高，高達120℃以上。原因是燃燒表面的輻射換熱有很大部分輻射到原先的耐火粘土磚上，而將熱量傳遞給鍋圈。另外，點火后測定熱效率，低于燃燒器穩定一定時間后的熱效率。原因也是粘土磚的吸熱，因此將耐火磚改為輕質的硅酸鋁纖維板。
    改為硅酸鋁纖維板后的測試結果見圖6，灶的熱效率基本沒變化，但鍋圈溫度快速降低，基本維持在60℃以下，操作環境大大改善。
    改造爐膛形狀后的測試結果見圖7，其約提高2%～4%之間，其中負荷越大提高越高，說明對流換熱的加強，額定負荷下熱效率達到49.5%。
5 結論
    (1) 實驗結果表明，中餐燃氣灶熱效率與煙道、鍋圈、爐膛結構有關。合理分配煙氣在煙道和鍋圈處的流量，通過調節炯道流量可提高熱效率8%；減小鍋圈間隙，降低鍋圈流通面積可提高熱效率8%；將圓柱爐膛改為錐形爐膛，可提高熱效率2%～4%。
    (2) 爐膛材料雖對熱效率影響不大，但將普通粘土磚改為硅酸鋁板，可加快爐膛溫升，降低鍋圈溫度和爐膛無效蓄熱，改善操作環境。
參考文獻
1 魯巖.鼓風式預混中餐灶空氣-燃氣混合室改造實驗研究[JJ.節能技術，2008；(4)：363-365
2 胡正，林其釗.中餐炒菜灶的系統熱效率分析[J].工業加熱，2007；(4)：10-12
3 黃志甲，張旭，胡國祥.金屬纖維燃燒器在中餐燃氣炒菜灶的應用[J]煤氣與熱力，2003；23(3)：146-149
4 陳明，侯根福，段常貴.中餐燃氣炒菜灶采用紅外線無焰燃燒的可行性研究[J].哈爾濱建筑大學學報，2001；(1)：80-84
5 徐吉浣，施惠邦，徐振平.復合層多孔陶瓷板燃氣輻射器的研究[J].煤氣與熱力，1994；(4)：33-36
6 傅忠誠.燃氣燃燒新裝置[M].北京：中同建筑工業出版社，1984
7 Colleen Strond，Melvyn C.B.Characterizalion of the thermal and fluid flow behavior of industrial ribbon burners，ScienceDireet，2008；Fuel 87：2201-2210
8 同濟大學，重慶建筑大學，哈爾濱建筑大學，北京建筑工程學院.燃氣燃燒與應用(第三版)[M].中國建筑工業出版社，2000
 
(本文作者：李廣鵬 崔永章 山東建筑大學熱能工程學院 250101)