摘　要：通过分析家用大气式燃气灶加热过程，根据能量守恒定律和燃烧及传热原理，从提高热吸收和减少热损失方面研究提高热效率的方法。经过试验验证，设计旋流火盖、设置二次空气独立流动通道、适当增大内圈火热功率等方法可显著提高家用燃气灶热效率。

关键词：家用大气式燃气灶； 旋流火盖； 二次空气独立流动通道； 内圈火； 热效率

Methods for Improving Thermal Efficiency of Domestic Atmospheric Gas Stove

Abstract：rough the analysis of heating rocess of domestic atmospheric gas stove，and according to the law of conservation of energy as well as the principles of combustion and heat transfer，Methods for improving the thermal efficiency of the gas stove are studied in terms of increasing the heat absorption and reducing heat loss．After the experimental verification，the methods of designing the cyclone fire cover，setting the independent flow channel for secondary air and appropriately increasing the heat power of inner ring flame can significantly improve the thermal efficiency of domestic gas stove．

Keywords：domestic atmospheric gas stove；cyclone fire cover；independent flow channel for secondary air；inner ring flame；thermal efficiency

1　概述

家用燃气灶作为日常生活必需的厨房加热烹饪器具，是消耗燃气的主要产品。我国政府逐步加大了对环保、节能产品在经济上和政策上的支持力度，国家标准《家用燃气灶能效限定值及能效等级》即将出台，各大企业纷纷加紧了对环保节能产品的研发，高热效率、低排放的家用燃气灶必将成为市场的主流。

目前，国内家用燃气灶产品的热效率通常在50％～54％，很多中小企业生产的燃气灶实际热效率甚至达不到GB 16410—2007《家用燃气灶具》要求的50％。国内家用燃气灶保有量约3×10⁸台，即使热效率提高1％，也将为国家节约非常可观的燃气资源。因此提高家用燃气灶的热效率尤为重要。

2　家用燃气灶加热过程分析

家用燃气灶热效率是在标准试验条件下，有效利用的热量在燃气燃烧所释放总热量中所占的比例，即燃气能源的利用率，是衡量家用燃气灶是否节能的关键指标。我们以GB16410—2007《家用燃气灶具》规定的标准试验条件下的燃气灶和试验用锅作为研究对象，分析燃气灶的加热过程(见图1)。

家用大气式燃气灶加热过程中，燃烧所释放的总热量包括燃气燃烧产生的化学热、参与燃烧的空气带入的热量、参与燃烧的燃气带入的热量，后两项可以忽略不计，因此燃烧释放的总热量近似等于燃气燃烧产生的化学热。在热传递过程中，主要有热传导、对流和辐射3种方式^[1]5-11。根据能量守恒定律可得：

式中Q——燃烧所释放的总热量，kJ

Q1——火焰高温外焰对锅和水的对流传热量，kJ

Q2——火焰对锅和水的辐射传热量，kJ

Q3——锅架对锅和水的导热量，kJ

Q4——高温烟气带走的热量，kJ

Q5——火焰对外辐射的热量(即辐射给面板、灶台、周围大气等的散热损失)，kJ

Q6——燃气灶对外的热量损失，kJ

h——热效率

其中，锅和水吸收的总热量为有效热量，是Q1、Q2及Q3之和。高温烟气带走的热量Q4占燃气灶总热量损失的85％左右。分析以上公式可知，提高热吸收、减少热损失是提高燃气灶热效率最直接有效的方法。

3　提高家用燃气灶热效率的方法

3.1　提高热吸收的方法

在燃气灶实际使用过程中，Q3占有效热量的比例非常小，通常不到1％。因此我们主要从Q1、Q2两方面来分析如何提高热吸收。

①从Q1方面分析^[1]197-211

根据牛顿冷却定律：

Q1=hA(qy-qg)t

式中h——表面传热系数，W／(m²·K)

A——对流传热面积，m²

qy——火焰外焰温度，℃

qg——锅底温度，℃

t——加热时间，s

在相同时间内，要提高Q1，可以通过提高h，增大A，提高qy来实现。

a．提高表面传热系数h。h与烟气物性、烟气流动状态(层流和湍流)以及锅的形状大小有关。湍流表面传热系数大于层流表面传热系数，因此提高燃烧器燃烧火焰的湍流程度，如采用旋转火焰燃烧或交叉火焰燃烧等，可以提高表面传热系数。

b．增大对流传热面积A。在燃烧热功率一定的情况下，可以通过设计成旋转火和内聚火来提高火焰高温外焰与锅底的传热面积。将锅底设计成凸凹不平的形状或者将燃烧器出火部位设计成多台阶结构均可增大传热面积。

c．提高火焰外焰温度qy。在燃气组成与燃烧热功率一定的情况下，火焰温度与过剩空气系数^[2]868-869紧密相关。对于大气式燃气灶，其过剩空气系数受一次空气量和二次空气量^[3]9-11的影响。一次空气量决定于燃烧器引射结构，一次空气量越大，燃烧速度越快，火焰越短，温度越高，外焰离火孔越近，二次空气需求量减少。因此，提高一次空气系数，降低过剩空气系数，可以有效提高火焰外焰温度qy。

②从Q2方面分析

火焰一般由双原子气体(N2、O2、CO)、三原子气体(CO2、H2O、SO2)和悬浮固体粒子(碳黑、飞灰、焦炭粒子)组成^[3]5-7。其中N2和O2对热辐射是透明的，CO、SO2的含量一般很低，因此火焰中具有辐射热传能力的组分主要是H2O、CO2和悬浮固体粒子。根据传热学原理，H2O和CO2向锅底和水的辐射热^[1]419-429主要与锅底受辐射面积和火焰温度有关，因此通过增大锅底受辐射面积和提高火焰温度，均可增大火焰对锅和水的辐射传热量Q2。

3.2　减少热损失的方法

燃烧过程中，热损失主要包括高温烟气带走的热量Q4、火焰对外辐射的热量Q5以及燃气灶对外的热量损失Q6。Q5和Q6占总热损失的比例小，而且影响因素太多，不便于分析，此处主要分析占总热损失比例最大的Q4。

根据燃烧原理有：

Q4=rVycpqL

式中r——烟气的密度，kg／m³

Vy——燃烧过程中产生的烟气体积，m³

cp——烟气的比定压热容，kJ／(kg·K)

qL——烟气离开锅壁面的温度，℃

在燃气组成一定的情况下，假设燃烧完全，烟气体积取决于过剩空气系数。要减小烟气体积，可以降低过剩空气系数，改善二次空气补充。对于嵌入式燃气灶，烟气排放与二次空气补充都处在锅底与燃烧器之间的同一空间内，两者流动方向相反。在各自的流动过程中，两者必然相互干扰和作用，存在气体成分交换和热量交换。高温烟气在排放过程中，烟气的部分热量被二次空气带走，导致烟气温度下降，降低了烟气对锅和水的加热能力。同时，部分烟气混合在二次空气内，导致二次空气中氧含量降低，火焰外焰加长，也降低了高温烟气对锅和水的加热能力。因此二次空气补充通道独立设置将减少热损失。

4　结构改进及试验验证

综合以上提高热效率方法，我们设计了多款不同结构的燃烧器，并制作出样机进行了反复的试验。

①燃烧器火盖设计成旋流结构

为提高表面传热系数，我们将燃气灶燃烧器火盖设计成了旋流结构，其内锥面与水平面成一定夹角，火孔由火孔中心线与内锥面母线夹角和外侧面火槽与竖直线夹角来定位，沿火盖圆周均匀布置，见图2。

当燃气以一定压力经喷嘴喷出，引射空气进入燃烧器中的引射器^[2]878-885，两者混合后，经过旋流火盖的火槽，以一定的夹角和速度喷出，在燃烧的同时旋转形成了湍流，促使不断吸入二次空气，加速空气与燃气的再混合，推动高温烟气螺旋上升，提高了燃烧速度，增强了换热效果，起到了强化燃烧的作用。

经过整机测试，与传统的直流火盖燃烧器对比，旋流火盖燃烧器比传统直流火盖燃烧器燃烧更均匀稳定，热效率高4％(绝对值)以上，烟气中CO含量更低。测试结果见表1。

②设置补充二次空气的独立流动通道

为提高火焰温度，降低过剩空气系数，改善二次空气补充状况，在燃烧器引射能力较好、一次空气系数较大的情况下，主要考虑二次空气补充的区域设计。二次空气入口面积受布置空间、火焰状态、烟气中CO含量等因素的限制，燃烧器结构较难做出大的改善。为了减少高温烟气与二次空气流动的互相干扰，我们采取了将高温烟气与二次空气互相隔离、形成独立流动通道的创新方法，设计一个结构件作为二次空气的独立流动通道。带独立流动通道的燃烧器加热过程见图3。高温烟气与二次空气通过一个特殊的炉架分隔，高温烟气从炉架上方排出，二次空气从炉架下方吸入，经过独立流动通道补充至燃烧器。

燃气灶工作时，燃烧所需的二次空气经过独立流动通道补充，与高温烟气完全隔离，不会带走高温烟气的热量，减少了热损失，有利于高温外焰与锅和水之间的对流换热。同时保证了二次空气不受烟气干扰，直接补充到火焰根部，保证了火焰的稳定性，实现火焰高温区向中心移动，增大了有效换热面积，热效率提升非常明显，相比普通燃烧器，可提高6％(绝对值)以上。烟气中CO和NOx含量非常低。

③适当增大内圈火热功率

在燃烧器直径一定的情况下，适当增大内圈火热功率也可实现热效率的提升。以我公司某款不带二次空气独立流动通道的嵌入式燃气灶为例，燃烧器热功率为4.0kW，内圈火热功率所占比例为20％，即0.8kW。在试验过程中，不断增大内圈火热功率所占的比例，由20％逐步提高至30％，其热效率逐渐增高。但增大到一定比例时，其烟气中CO含量翻倍增长，热效率增加减缓。不同内圈火热功率的测试结果见表2，具体数值变化情况与燃烧器结构设计有直接关系，因此内圈火热功率应针对具体的燃气灶进行试验确定。

内圈火在锅底中央，其产生的高温烟气在锅底滞留的时间相对较长，增大内圈火的热功率，火力更加集中在锅底，实质上增强了高温烟气对锅和水的对流传热，延长了换热时间。而内圈火热功率增大到一定程度时，内圈火燃烧所需的二次空气补充不足，不完全燃烧程度增大，从而导致烟气中CO含量迅速增长。结合带二次空气独立流动通道的方法，可以较好地解决热效率提升与烟气中CO含量猛增的矛盾，较大地提升热效率。

5　结论

本文通过对家用大气式燃气灶燃烧加热过程进行深入分析，分析影响燃气灶热效率的关键因素，通过反复的试验，得出实际可行的提高热效率的方法。

设计旋流结构火盖的燃烧器，燃烧时形成湍流，加快燃烧速度，强化对流换热，可显著提高换热效果。设置补充二次空气的独立流动通道，将二次空气与高温烟气完全隔离，降低了过剩空气系数，提高了火焰温度，并有效增大了换热面积，减少了高温烟气的热损失。同时，适当增加内圈火热功率，使高温区向中心移动，提高了换热效果，三者结合，可显著提高家用大气式燃气灶的热效率。将这三项技术应用到我公司家用燃气灶产品，热效率可提高40％(比例)以上，烟气中CO和NOx排放量均远远低于国家标准限值，节能减排效果非常显著。目前该家用燃气灶产品已获得2项国家专利^[4-5]。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨．传热学[M]．4版．北京：高等教育出版社，2006．

[2]严铭卿．燃气工程设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008．

[3]同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等．燃气燃烧与应用[M]．4版．北京：中国建筑工业出版社，2011．

[4]叶远璋，周亮，尹晓彬，等．灶具(N3802X)：中国，ZL 201330100770．X[P]．2013-08-21．

[5]叶远璋，周亮，尹晓彬，等．灶具(N3806X)：中国，ZL 201330100779．0[P]．2013-08-21．

本文作者：周亮

作者单位：广东万和新电气股份有限公司