民用柴灶热性能试验对比研究

廖祯群，张建然，刘冠辉，谷宗旺，金月锁

(芒市畜牧站/芒市农村能源工作站，云南 芒市 678400 )

1 引言

经过多年的农村能源建设，特别是农村电网改造和农村户用沼气、太阳能热水器推广运用，农村用电、用气、太阳能利用不断增加。但是农村生活用能中薪柴仍占很大的比重，“烧柴做饭，用火取暖”仍是目前农村生活特别是山区生活的常态[1]。通过此次柴灶热性能试验，分析出了影响柴灶热性能的因素，以对帮助寻找更加高效、节能的用能产品提供参考，进而减少森林资源消耗，巩固生态建设成果，保护生态环境，建设美丽乡村[2]。

2 柴灶热性能试验

2.1 试验地点

云南省德宏州芒市。

2.2 试验时间

2021年8～10月份。

2.3 试验对象

芒市境内随机抽取的17座手工砌筑灶、3台商品灶。

2.4 试验内容

2.4.1 第一阶段

将17座手工砌筑灶、3台商品灶编号为1～20号，进行热性能试验，每座(台)灶试验2次，试验数据取平均值。

2.4.2 第二阶段

在17 座手工砌筑灶中，选取1座无灶芯、拦火圈的一次进风柴灶和1座有灶芯(灶芯材料为耐火材料)、拦火圈的一次进风柴灶，在不影响灶体整体结构的条件下进行改造，对比分析改前、改后热性能指标，验证第一阶段分析结果。

2.5 试验依据

此次热性能试验依据为《民用柴炉、柴灶热性能试验方法》(NY/T8-2006)。

3 计算方法

3.1 升温段供热强度计算

(1)

式(1)中：P1为升温段供热强度，单位为千瓦(kW)；4.18为水的定压比热容，单位为千焦每千克摄氏度[kJ/(kg·℃)]；Gs1为初始锅水量，单位为千克(kg)；t2为锅水的沸点温度，单位为摄氏度(℃)；t1为锅水的初始温度，单位为摄氏度(℃)；T2-T1为灶内锅水温度达到沸点时间与点燃时间之差，单位为分钟(min)[3]。

3.2 蒸发段供热强度计算

(2)

式(2)中：P2为蒸发段供热强度，单位为千瓦(kW)；Gs2为温度达到沸点时的锅水量，可取初始锅水量Gs1，单位为千克(kg)；Gs3为温度降至低于沸点2 ℃时的锅水量，单位为千克(kg)；γ为锅水在沸点时的汽化潜热，可见表1，单位为千焦每千克(kJ/kg)；T3-T2为灶内锅水温度降至低于沸点2 ℃的时间与达到沸点时间之差，单位为分钟(min)。

表1 水沸点时的汽化潜热

3.3 热效率计算

(3)

式(3)中：η为灶的热效率；GC为柴草量，单位为千克(kg)；Qnet,v,ar为柴草的收到基地位发热量，可参见表2单位为千焦每千克(kJ/kg)。

表2 德宏州常用燃料的基地位发热量(燃料热值)与含水量的关系

4 试验结果分析

4.1 第一阶段试验结果与分析

4.1.1 第一阶段试验结果

第一阶段试验结果见表3、表4。

表3 柴灶基本情况

表4 柴灶热性能试验结果

续表4

4.1.2 第一阶段试验结果分析

对第一阶段试验结果进行了分析，得出影响柴灶热效率的因素有以下几个方面。

(1)灶芯。即燃烧室，可以改变热能的对流、导热和辐射的方向，有利于提高柴灶热效率[5]。从试验数据可以看出，灶芯的有无、灶芯的材料是影响热效率的关键。首先，7～11号柴灶同为一次进风手工砌筑灶，但因7号、8号柴灶没有安装灶芯和拦火圈，热效率低于9号、10号、11号。其次，9号、10号、11号均为有灶芯的一次进风柴灶，而9号、10号柴灶的灶芯为打灶人员手工砌筑，热效率低于安装了铸铁式成型灶芯的11号柴灶。

(2)拦火圈。拦火圈也叫挡火圈、挡火墙、聚热反射层。其作用是调整火焰和烟气流的方向、流速，延长可燃气体在灶内燃烧的时间[6]。试验数据也反映出拦火圈是一个影响柴灶热效率的重要因素[7]，安装有拦火圈的柴灶的热效率高于没有拦火圈的柴灶。

(3)吊火高度。指锅底中心(锅脐)与炉桥之间的距离[8]。从试验数据可以看出，吊火高度对柴灶热效率的影响可以分为3 种情况：①火塘灶由于结构简单，周围没有遮挡物，无论是排烟热损失，还是气体、固体热损失都较大，所以因吊火高度过高或过低而产生的热损失与之相比很小，影响相对较小；②传统旧灶与火塘灶相比，结构相对复杂，但是没有设烟囱和进风道，不影响燃料的燃烧、烟气排放、火焰方向等，所以吊火高度对传统旧灶的影响也比较小。如5号灶的吊火高度比4号灶高了6.5 cm，几乎为柴灶吊火高度的一半，但是5号灶的热效率仅比4号灶低了0.5667%；③设有进风道和烟囱的柴灶，由于进风道和烟囱会影响灶膛内空气的流向和流速，进而影响柴灶热效率，所以吊火高度对此类柴灶的影响较大。如9号、10号灶同为有灶芯的一次进风灶，灶芯都是打灶人员手工砌筑，但是因吊火高度不同，热效率也不相同。14号、15号灶同为二次进风灶，灶芯为同一厂家，但是因吊火高度相差了2 cm，热效率相差了3.553%。18号、20号商品灶为同一厂家生产的灶体，因吊火高度相差1 cm，热效率相差了14.8676%。所以对此类柴灶而言，吊火高度是相当重要的参数，根据火焰以外焰温度最高的原理，结合实际经验，一般烧草灶的吊火高度以14～16 cm为宜，烧硬柴的灶的吊火高度以12～14 cm为宜[4]。

(4)通风助燃方式。以上试验证明，二次进风柴灶的热效率是最高的，而安装有灶芯和拦火圈的一次进风柴灶热效率也比传统旧灶要高，所以设有进风道和烟囱可以起到适当供氧助燃的效果，而在燃烧室外层安装二次进风管，可以使燃料得到充分燃烧[9]，提高柴灶热效率，同时安装烟囱、进风道、二次进风管可以减少烟气排放[10]，保护人的身体健康。值得注意的是设有进风道和烟囱的柴灶，如果不安装灶芯和拦火圈，那么不仅起不到通风助燃的效果，而且还会因热损失而降低柴灶热效率。

(5)回烟道。在柴灶的热损失中，排烟热损失是最大的一项[11]，而回烟道的作用就是增加高温烟气流在锅底四周回旋的路线和时间，以充分利用烟气余热。以上试验数据也证明了设有回烟道的柴灶的热效率要比没有设回烟道的柴灶要高。

(6)灶型。从试验数据可以看出，火塘灶与包括传统旧灶在内的手工砌筑灶和商品灶相比，由于燃料周围没有遮挡物，热损失大，热效率低[12]。

4.2 第二阶段试验结果与分析

4.2.1 9号灶改造前、改造后对比

9号灶改造前后对比见图1。

图1 改造前后对比

4.2.2 第二阶段试验结果

第二阶段试验结果见表5和表6。

表5 7号柴灶改造前、改造后热性能参数对比

表6 9号柴灶改造前、改造后热性能参数对比

4.2.3 第二阶段试验结果分析

对7号柴灶进行了参数对比，从中可以看出，升温段时长、蒸发段时长、蒸发量分别增加了1.8001 min、17.2917 min、1.875 kg，也就是说7号柴灶到达沸点的时间延长了大约2 min，但是到达沸点后蒸发用柴量增加了，升温用柴量减少，说明通过安装灶芯、拦火圈、回烟道，调整吊火高度，改变通风助燃方式以后，柴灶更省柴。柴灶热效率增加8.8927%也说明了这一点。

对9号柴灶进行参数对比，可以看出，升温段时长、蒸发段时长、蒸发量分别增加了4.3583 min、10.8417 min、0.925 kg，同7号灶一样，改造后燃料空间缩小，所以到达沸点的时长增加，但是升温用柴量减少，柴灶更省柴，柴灶热效率更高。而因9号柴灶只是改变通风助燃方式、灶芯材料、吊火高度，所以热效率提高的幅度比7号柴灶要小，这也验证了第一阶段的分析结果。

5 结论

试验证明，安装灶芯、拦火圈，设置回烟道，增加进风量，保持适宜的吊火高度，优化柴灶内部结构，可以减少热能损失，提高柴灶热效率，进而减少薪柴消耗，保护生态环境，推动生态文明建设[13]。