提升红外线家用燃气灶热效率的方法

周亮

(广东万和新电气股份有限公司)

1、前言

家用燃气灶作为日常生活必需的厨房加热烹饪器具，是消耗燃气能源的主要产品之一。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，随着家用燃气灶具能效限定国家强制标准的出台，各大企业纷纷加紧了对环保节能产品的研发。高效率、低排放的家用燃气灶已经成为市场的主流。红外线家用燃气灶在节能减排方面表现出色，普通的红外线燃气灶都能做到1级能效，热效率在65%以上；然而对于红外线燃气灶来说，其热效率还有很大的提升空间，对充分发挥红外线燃气灶的节能减排优势能力，提升红外线家用燃气灶的热效率尤为重要。

2、红外线家用燃气灶加热过程理论分析

红外线家用燃气灶加热过程，是燃气燃烧放热到烹饪锅具吸热的过程。以燃气灶和烹饪锅具作为研究对象，红外线家用燃气灶的加热过程如图1：

↑图1：红外线家用燃气灶能量交换示意

红外线家用燃气灶加热过程中，燃气和空气的混合物燃烧所释放的化学能，一部分用以加热红外线辐射器，以辐射热的形式进行热交换，是为E1；一部分用以加热燃烧产物，通过对流和辐射的方式进行热交换，是为Q1；还有少部分通过传递的方式传递到燃烧器周边物质，是为Q'0。

而参与烹饪锅具换热的辐射热E1和对流热Q1并不是完全被烹饪锅具吸收的，根据能量守恒定律，

式中：

Q0为燃气燃烧所释放的化学能；

E1为红外辐射器发出的辐射能；

Q1为燃烧产物的物理热量；

Q'0为损失的传导热能；

E12为烹饪锅具吸收辐射器发出的有效辐射能；

E'1为辐射器发出的损失的辐射能；

Q12为燃烧产物有效对流换热；

E22为烹饪锅具吸收燃烧产物发出的有效辐射能；

E'2为燃烧产物发出的损失的辐射能；

Q'1为燃烧产物损失的物理热量；

η为热效率；

根据以上公式可知，提高红外线家用燃气灶的热效率，增加烹饪锅具对辐射热和对流热的有效吸收，和减少辐射损失及燃烧产物带走的物理能量，是最直接有效的方法，即增加E12+Q12+E22，减少Q'1+E'1+E'2。

3、提高红外线家用燃气灶热效率的方法研究

3.1影响辐射换热的原理分析

对于辐射传热，物体的辐射能力与辐射器的材质、面积、温度等息息相关。

物体的辐射能力指在一定温度下，单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总能量，用E来表示，其单位为W/m2。

燃烧稳定时，温度恒定，单位时间的辐射能与其辐射面积有关：

根据Steafan-Baltzman定律，物体的辐射能力与其表面温度有关。

式中σ0为黑体辐射常数，C0为黑体的辐射系数，C为灰体的辐射系数，其与辐射器的材质有关。

由式，物体的辐射能力与热力学温度四次方成正比关系。

由此可知，在红外线燃气灶中，辐射能E0与红外辐射器的材质、辐射器表面积及辐射器热力学温度有关。辐射器材质灰度系数越大、表面积越大、热力学温度越高，则E0越大。

3.2影响对流换热的原理分析

对于对流传热，根据牛顿冷却定律：

式中：

在相同时间内，要提高对流传热Q1，可以通过提高传热系数h，增大传热面积A，提高燃烧产物温度T来实现。

3.3减少燃烧产物物理能量损失

热力学中将物体的物理能量称之为焓。

燃气与空气混合物燃烧前的焓设为初焓，燃烧后以烟气形式排出，与烹饪用具经热交换后的焓设为终焓，这部分焓差，即为上所述的Q'1，即燃烧产物损失的物理能量。

由上所述燃烧过程可知，红外线燃气灶工作时，要获得更理想的有效辐射热和对流热，则需提高其燃烧后的热力学温度T；而随着T的提高，燃烧前后的焓差值的变化也相应增大，如图2：

燃烧产物中，N2与过剩的O2占了较大部分，这两种物质对热辐射是透明的，其携带的物理热只能通过对流的方式进行传递，而对流换热的往往是不完全的，这就难以避免的出现了热损失。

因此，需要通过降低过剩空气，减少空气的焓温值；同时，应用积极的结构方式预热燃气和空气，预先提高燃气与空气的初焓，以达到提高燃烧温度而减少焓差的目的。

↑图2：燃烧产物的焓温图

↑图4：天然气-空气在多孔陶瓷板上燃烧时的温度变化曲线

红外线家用燃气灶所使用的燃烧器，常见有多孔陶瓷板和耐高温金属网两种形式。以多孔陶瓷板为例（如图3），小火孔直径为：天然气dp=1.2～1.5mm；液化石油气dp=1.1～1.2mm。点火时，燃气-空气混合物以很小的速度从火孔逸出进行燃烧；点火后约40～50s，板面温度可达到800～1100℃，于是向外辐射红外线。随着板面的温度升高，燃气-空气混合物进入小火孔即得到了预热，在离辐射器外表面很近的距离内便全部燃烧完成。

红外线燃气灶所使用燃烧器为全预混燃烧，其过剩空气系数在1.03～1.06左右，本身就经过了严格控制，因此需要通过预热燃气与空气的方式达到减少焓差的目的。图4表明，红外线辐射器本身就具有一定的燃气与空气预热能力；再预设燃气通道及空气通道，让燃气与空气进入陶瓷板前进行预热，必能更大的减少焓差，达到提升热效率的目的。

↑图3：红外线辐射器示意图

↑图5：平面式、方波式、弦波式辐射器

表1：平面式、方波式、弦波式辐射器能效测试

↑图6：保温仓预热通道结构示意

↑图7：单层反射罩、双层反射罩结构示意

3.4减少辐射损失

红外线家用燃气灶加热过程中，以辐射热的交换占了五成以上，因此，减少辐射热的损失显得更为关键。

而众所周知，红外线也是一种电磁波，遵循着直线传播的特性，因此，在红外线辐射器的外围增加反射罩聚能环，将散逸的红外线经反射再利用，不仅能减少损失，还能增加烹饪锅具对辐射热的吸收量。

4、结构研究与试验验证

综合以上的提高能效的方法分析，设计出多款不同结构的红外线燃气灶，并对样机进行测试验证。

为增加辐射面积，将多孔陶瓷辐射器表面设计成高低起伏的多维空间，其截面呈正弦波或方波状，其有效辐射面积较平板面可增加30%以上，如图5：

红外线辐射器表面辐射能与辐射面积成正比关系，辐射面积增加，辐射能增加。经装机测试，在同等热负荷3.5kW条件下，方波式、弦波式辐射器热效率提升4%以上，且烟气排放更低。测试数据见表1。

提高燃烧温度，可以提升辐射换热及对流换热的效果。在低过剩空气系数的前提下，考虑预设保温仓通道，使用密封的底壳，迫使灶具内部的空气通过预设通道方可进入灶具内部，再由燃气引射到燃烧器混合腔进行混合，相当于回收利用了燃烧中没有参与热交换部分的损失热，起到了降低燃烧前后混合气体的焓差作用，同时有效提高了燃烧温度，提升辐射换热及对流换热的效果。达到提高热效率的目的。试验证明，设置保温仓，对热效率的提升可达到2%以上。如图6：

为减小辐射损失，设置反射罩聚能环，将散逸的红外线经反射再利用，增加烹饪锅具对辐射热的吸收量。试验证明，设置单重甚至双重反射聚能环，对红外线家用燃气灶的能效提升非常大，达到5%以上。如图7：

5、结语

本文通过对红外线家用燃气灶加热过程进行分析，通过分析影响有效换热的辐射换热、对流换热的发生原理及红外辐射器的燃烧机理，得出实际可行的提高热效率的方法。

设计高低起伏的多维空间多孔陶瓷辐射器表面，其截面呈正弦波或方波状，有效增加其表面辐射面，提高辐射热；设置保温仓，使用密封的底壳，迫使灶具内部的空气通过预设通道方可进入灶具内部，再由燃气引射到燃烧器混合腔进行混合，回收利用了燃烧中没有参与热交换部分的损失热，降低燃烧前后混合气体的焓差，有效提高了燃烧温度，从而提高了辐射换热及对流换热的效果，达到提高热效率的目的；设置防辐射损失的反射罩聚能环，将散逸的红外线经反射再利用，增加烹饪锅具对辐射热的吸收量。经实际应用至我司产品，热效率可高达80%以上，效果显著。