聚能环材质对灶具热效率的影响

汪 昕，彭世尼(重庆大学 城市建设与环境工程学院，重庆400045)

1 概述

目前，国内家用燃气灶具大多采用大气式燃烧方式。预混后的燃气在敞开的大气空间中进行燃烧，根据热平衡理论，燃气燃烧产生的热量一部分被锅和水吸收，称为有效热量；另一部分散发到环境中，被外界空气、灶面、锅架等吸收，称为损失热量。聚能环能够改变二次空气通道，减小了烟气从锅底流出通道的截面积，提高烟气冲刷锅底的速度，增强了与锅底的对流换热，使得有效热量增加；并且阻止了多余的二次空气进入，使得热损失减小；烟气向外辐射和通过热对流传递的热量一部分传递给聚能环，聚能环上表面又通过辐射换热将热量传递给锅底，使得损失热量减小。

目前市场上主要的聚能环材质为铸铁，其具有一体成型、整体性强和耐高温的优点。作为提升灶具热效率的方法之一，许多学者力求寻找更适合的材料来制作聚能环，开发更高效、更节能的聚能环。宋百隆[1]对比了铸铁聚能环和不锈钢聚能环，发现不锈钢材质更加均匀，表面更加光滑，提高了聚能环的热辐射作用，因此热效率较高；张恒[2]对比了铁制、高硅氧、陶瓷聚能环，发现高硅氧聚能环对灶具热效率提升更大。但是他们没有经过理论分析，是仅通过实验得到结论。本文通过对比铝制聚能环和铸铁聚能环，从理论和实验两方面分析聚能环材质对灶具热效率的影响。

2 聚能环对灶具热效率的影响理论分析

2.1 热平衡分析

① 灶具热平衡分析

水从温度t1加热到温度t2，整个过程的灶具热平衡公式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=Qc1+Qc2+Qc3+

Qc4+Qc5

(1)

式中Qr1——燃气带入的化学热量,kJ

Qr2——燃气带入的物理热量,kJ

Qr3——空气带入的物理热量,kJ

Qc1——水和锅吸收的热量,kJ

Qc2——燃气不完全燃烧引起的热量损失,kJ

Qc3——高温下多原子气体离解所吸收的热量,kJ

Qc4——烟气带走的物理热量,kJ

Qc5——释放到环境(锅架、灶面、空气、聚能环)的热量,kJ

燃气和空气带入的物理热量很少，可忽略。因此得到灶具热效率公式为：

(2)

式中η——灶具热效率

一般来说，燃烧温度低于1 800 ℃时，热离解反应很微弱，多原子气体离解所吸收的热量Qc3可以不考虑[3]；燃气正常燃烧，不完全燃烧引起的热量损失Qc2也可以忽略不计。同样的环境下，是否添加聚能环不会影响燃气带入的化学热量Qr1以及燃气、空气带入的物理热量Qr2、Qr3。因此，主要分析聚能环对水和锅吸收的热量Qc1、烟气带走的物理热量Qc4、释放到环境的热量Qc5的影响。

水和锅吸收的热量主要来自于烟气与锅底和锅侧面的辐射换热和对流换热，以及聚能环对锅底的辐射换热。由于锅侧面的烟气温度较低，对流换热量、辐射换热量较小，在此不做分析。

② 烟气热平衡分析

添加聚能环时，水从温度t1加热到温度t2，整个过程烟气的热平衡公式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=QY1+QY2+QY3+QY4

(3)

式中QY1——烟气通过热辐射、对流换热传递给锅底的热量，kJ

QY2——烟气通过热辐射、对流传热传递给聚能环的热量，kJ

QY3——烟气排出带走的热量(忽略锅侧面的换热)，kJ

QY4——烟气通过热辐射、对流换热传递给锅架的热量，kJ

不添加聚能环时，其烟气热平衡分析中，QY2应为烟气通过热辐射、对流换热传递给灶面、空气的热量，单位为kJ。

③ 聚能环热平衡分析

添加聚能环时，水从温度t1加热到温度t2，整个过程聚能环的热平衡公式如下：

QJ1+QJ2=QJ3+QJ4+QJ5+QJ6

(4)

式中QJ1——聚能环通过辐射换热从烟气处获得的热量，kJ

QJ2——聚能环通过对流换热从烟气处获得的热量，kJ

QJ3——聚能环上表面通过辐射换热传递给锅底的热量，kJ

QJ4——聚能环下表面通过对流换热传递给环境空气的热量，kJ

QJ5——聚能环下表面通过辐射换热传递给灶面的热量，kJ

QJ6——聚能环自身所吸收的热量，kJ

2.2 聚能环对烟气与锅底换热量的影响

高温烟气与锅底的对流换热量可根据牛顿冷却公式进行计算：

Φ0=hA(ts-tp)

(5)

式中Φ0——高温烟气与锅底的对流换热量，W

h——烟气与锅底的平均表面传热系数，W/(m2·K)

A——烟气与锅底的对流换热面积，取锅底面积，m2

ts——烟气的平均计算温度，℃

tp——锅底的平均计算温度，℃

高温烟气与锅底的对流换热模型可以近似为稳态常物性流体强制掠过平板层流模型，由理论模型推导出来的公式[4-5]可知：

(6)

式中ν——烟气的运动黏度，m2/s

a——烟气的热扩散率，m2/s

u——烟气掠过锅底的平均流速，m/s

l——特征长度，取锅底半径，m

根据文献[6-7]的结论，锅底温度与锅内水的温度差约为25 ℃，因此水温从t1加热到t2时，锅底温度的变化也相同。结合式(5)、(6)可知，影响高温烟气与锅底对流换热量的主要因素为ts和u。由于聚能环的存在，减小了烟气从锅底流出通道的截面积，提高了烟气掠过锅底的平均流速，使得烟气与锅底的平均表面传热系数变大。另外，聚能环的存在，减小了燃气与外界空气的接触面积，降低了二次空气系数，从而减少了单位体积燃气燃烧所生成的烟气量，而单位体积燃气燃烧所产生的热量是不变的，这将使烟气的平均温度ts升高。综上，添加聚能环会增大烟气通过对流换热传递给锅底的热量，使得水和锅吸收的热量Qc1变大，因此灶具的热效率有提高趋势。

此外，添加聚能环将提高烟气的平均温度，而锅底的温度不变，因此，添加聚能环也将提高烟气向锅底的辐射换热量，增大水和锅吸收的热量Qc1，因此灶具的热效率有提高趋势。

2.3 聚能环与锅底、灶面的辐射换热量

聚能环与锅底、灶面间的辐射换热模型可以近似为两块平行平板(灰体)间的辐射换热模型，由理论模型推导出的公式[5]有：

(7)

式中Φ——聚能环向锅底(灶面)的辐射换热量，W

A1——聚能环的表面积，m2

Tj——聚能环的温度，K

Td——锅底(灶面)的温度，K

ε1——聚能环的发射率

ε2——锅底(灶面)的发射率

X12——聚能环对锅底(灶面)的角系数

τm——烟气(空气)的透射率

由式(7)可知，减小聚能环下表面的发射率，可以有效减少聚能环向灶面辐射的热量，即减小释放到环境的热量Qc5；增大聚能环上表面的发射率，可以有效增加聚能环向锅底辐射的热量，即增大水和锅吸收的热量Qc1，从而有提高灶具热效率的趋势。

铝制聚能环和铸铁聚能环的物性参数[5]见表1。

表1 不同材质聚能环物性参数对比

3 添加聚能环时灶具热效率测试实验

3.1 实验设计

选取一台固定的嵌入式燃气灶具进行热效率测试，实验设备和实验条件严格符合GB 30720—2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》和GB 16410—2007《家用燃气灶具》要求。控制灶前压力为2 000 Pa，一次空气调节阀门开度保持不变，分别在不加聚能环、添加铸铁聚能环、添加铝制聚能环3种情况下，测试灶具的热效率。为了使测试结果更加准确，同一条件下重复进行3次测试，热效率取3次测试的平均值，热效率最大值与最小值的相对误差不超过1%，否则重新进行实验。为了研究不同材质聚能环对温度场分布的影响，在内外环火焰中心处、锅底烟气出口处、聚能环表面处、灶面和锅架处布置温度测点，用热电偶测量整个过程(规范要求锅内水温从室温加5 ℃升至室温加55 ℃,本实验室温为15 ℃，即该过程水温从20 ℃升至70 ℃)各测点温度。

为了研究聚能环对二次空气的影响，利用烟气取样环采集烟气并通过烟气分析仪分析烟气组成。

按式(8)计算灶具的实测热效率：

(8)

m=m1+0.213m2

(9)

式中η1——灶具实测热效率

m——实际加水量与铝锅换算为当量加水量之和，kg

c——水的比热容，kJ/(kg·K),取4.2 kJ/(kg·K)

t2——水终温，℃

t1——水初温，℃

V1——实测燃气消耗量，m3

QL——温度为15 ℃，压力为101.3 kPa状态下燃气的低热值，kJ/m3，取33 223 kJ/m3

tg——测定时燃气流量计内的燃气温度，℃

pa——实验时的大气压力(绝对压力)，kPa

pj——实测燃气流量计处燃气的相对静压力，kPa

pb——温度为tg时的饱和水蒸气压力(绝对压力)，kPa

m1——铝锅中水的质量，kg

m2——铝锅的质量,kg

实验设备连接见图1，烟气取样环与锅底距离为30 mm。温度测点分布见图2。

图1 实验设备连接

图2 温度测点分布

3.2 实验结果

不同情况下实验结果见表2。表2中过剩空气系数是烟气分析仪显示的值。

由表2可知，不加聚能环时灶具热效率最低，添加铸铁聚能环时灶具热效率(绝对值)提高1.75%，添加铝制聚能环时灶具热效率(绝对值)提高3.22%，说明不同材质聚能环对灶具热效率影响较大。3种情况下烟气中的CO含量、NO含量均满足规范要求，不加聚能环时过剩空气系数最大，由于铝制聚能环和铸铁聚能环形状基本一致，因此过剩空气系数几乎相等，小于不加聚能环时的过剩空气系数。

表2 不同情况下实验结果

整个过程各测点温度随时间变化趋势见图3～7，时间为水温从20 ℃升至70 ℃的时间。

图3 内外环火焰中心温度随时间变化趋势

图4 聚能环温度随时间变化趋势

图5 锅底出口烟气温度随时间变化趋势

图6 灶面温度随时间变化趋势

图7 锅架温度随时间变化趋势

由图3可知，比较内外环火焰中心温度可知，铝制聚能环温度最高，其次是铸铁聚能环，不加聚能环温度最低。由于聚能环的存在，减小了过剩空气系数，使得燃烧产生的烟气量减小，从而使火焰温度升高。由于铝的密度远小于铁，而且铝制聚能环较薄,相同形状的铸铁聚能环的质量是铝制聚能环的17倍，热效率实验中聚能环吸收热量的计算结果见表3。在整个实验中，铸铁聚能环吸收的热量远大于铝制聚能环吸收的热量，铝制聚能环吸收的热量仅占燃气带入化学热量的0.15%，而铸铁聚能环吸收的热量占燃气带入化学热量的1.27%。这是添加铝制聚能环时灶具热效率高的原因之一。

聚能环得热主要途径是高温烟气的热辐射和对流换热。仅改变聚能环的材质对过剩空气系数没有影响，对燃烧场和流场影响很小。由于热效率测试的整个过程，铝制聚能环温度大于铸铁聚能环，而发射率小于铸铁聚能环，因此铝制聚能环从高温烟气处获得的总热量小于铸铁聚能环，因此内外环火焰中心处烟气温度大于铸铁聚能环，即添加铝制聚能环后锅底烟气的平均温度高。锅底高温烟气通过对流换热、辐射换热传递给锅底的热量增多，提高了水和锅吸收的热量Qc1，从而有提高灶具热效率的趋势。

由图5可知，比较锅底出口烟气温度，添加铝制聚能环和铸铁聚能环时差别不大，不加聚能环时锅底出口烟气温度最低。但不加聚能环时过剩空气系数较大，燃烧产生的实际烟气量也大于添加聚能环时的烟气量，因此添加聚能环时烟气带走的物理热量减少，这将导致热效率提高。由表2可知，添加不同材质聚能环时的过剩空气系数基本相同，且由图5知，锅底出口烟气温度也基本相同，因此烟气带走的物理热量也基本相同。

由图6可知，不加聚能环时灶面温度最高，铸铁聚能环次之，铝制聚能环最低。除了传递给锅底的热量外，烟气向外辐射和通过热对流传递的热量传递给聚能环，虽然聚能环也会通过热辐射传递给灶面一部分热量，但其温度小于烟气的平均温度，所以添加聚能环时，通过热辐射传递给灶面的热量少，即添加聚能环后灶面温度变低，从而使得释放到环境的热量Qc5减小，有提高灶具热效率的趋势。由于铝制聚能环的发射率小于铸铁聚能环，因此其传递给灶面的热量少于铸铁聚能环，即添加铝制聚能环时灶面温度低，这与实验结果一致。后续实验可以考虑在聚能环下表面涂抹发射率更小的材料，从而减少聚能环辐射给灶面的热量；在聚能环上表面涂抹发射率更大的材料，从而增加聚能环向锅底辐射的热量。

由图7可知，添加不同材质聚能环时，整个过程锅架的温升几乎相等，即锅架吸收的热量大致相等。但锅架温度越高，散失到环境的热量也会越大。后续实验可考虑选用对流换热系数小、发射率小的材料作为锅架。

4 结论和展望

① 针对两种不同材质(铸铁、铝)聚能环，依据传热理论，分析聚能环对灶具热平衡各部分热量的影响。高温烟气与锅底对流换热量主要影响因素是烟气与锅底之间的平均表面传热系数以及烟气和锅底的温度差，表面传热系数与烟气掠过锅底的流速相关。聚能环减小了烟气从锅底流出通道的截面积以及烟气与外界空气接触的面积，提高了烟气掠过锅底的平均流速并提高了烟气的平均温度，从而增加了水和锅具吸收的热量，灶具热效率有提高的趋势。除传递给锅底的热量外，烟气向外辐射的热量大部分被聚能环挡住并吸收，然后通过辐射换热传递给锅底继而传递给锅具和水，使得损失热量减小。因此，添加聚能环能有效提高灶具的热效率。

② 实验结果表明：添加铝制聚能环灶具的热效率高于添加铸铁聚能环灶具。铝制聚能环温度大于铸铁聚能环，而发射率小于铸铁聚能环，因此铝制聚能环从高温烟气处获得的总热量小于铸铁聚能环，因此内外环火焰中心处烟气温度大于铸铁聚能环，即添加铝制聚能环后锅底烟气的平均温度高。锅底高温烟气通过对流换热、辐射换热传递给锅底的热量增多，提高了水和锅具吸收的热量，从而有提高灶具热效率的趋势。添加聚能环时，通过热辐射传递给灶面的热量减少，有提高灶具热效率的趋势。由于铝制聚能环的发射率小于铸铁聚能环，因此其传递给灶面的热量少于铸铁聚能环，因此添加铝制聚能环时灶面温度低。添加不同材质聚能环时，整个过程锅架吸收的热量大致相等。

③ 为了结论的通用性，后续应选择更多材质的聚能环进行试验，或在聚能环上下表面涂抹涂层验证实验结论。