论文部分内容阅读
[摘 要]随着国家“节能减排”发展战略的提出，本文提出了一款完全封闭、完全预混余热回收式节能燃气灶。采用完全预混、封闭燃烧、回热利用的方法，分别从燃烧、传热、余热回收角度对现有燃气灶做出改进。通过80C51单片机控制，实现了一键开始/暂停；中途熄火，自动断掉燃气供应，并等待指令重新点火；温度实时采集；数码管显示温度；实时控制火焰的温度大小的5点要求。将燃气灶的燃气燃烧效率由55%（国家新标准）提高至82%（本燃气灶），并基本实现了智能控制，减少了厨余气体的室内排放，值得市场推广与应用。
[关键词]完全预混；封闭燃烧；回热利用；节能减排；智能控制
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.16.087
[中图分类号]TG95 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2015）16-0-02
1 研制背景及意义
1.1 研制背景
目前世界范围内能源短缺，可持续发展的要求与日俱增。国家“节能减排”的发展战略推动着蜂窝型预混燃烧节能燃气灶的发展，其作为一种高效节能的燃气用具受到广泛的政策支持。此外，商用燃气灶能耗标准的制定，国家燃气灶市场的规范，燃气用具领域技术进步、国家相关政策的倾斜也为蜂窝形预混燃烧节能燃气灶带来了良好的发展契机。
1.2 研制意义
第一，“节能减排，低碳环保”是当今时代的主题，“智慧城市”是我国城市发展的主题。本燃气灶燃气能量利用率高，节能效果显著。其利用高温烟气热量预热冷空气的回热方法和完全封闭、完全预混的燃烧方法以及圆盘火焰的均匀加热方法，大幅提高燃气能量利用率。
第二，本燃气灶更加智能可控，通过单片机控制实现以下5项功能：一键开始/暂停；中途熄火，自动断掉燃气供应，并等待指令重新点火；温度实时采集，反应速度在1s内；数码管显示温度；实时控制火焰的温度大小，利于节能。
第三，本燃气灶更人性化、经济化。全程采用先进的加工方式，周围采用高性能的隔热材料，避免外壳温度过高烫伤使用者。兼顾使用性和烹饪环境的舒适性，由于篦齿封严结构的存在使得热空气不会扩散到使用者四周，减少厨房的热污染，避免厨房有害气体的产生及扩散，是一款人性化的燃气灶。
该燃气灶无高温转动部件，无精密贵重仪器，选用增强辐射换热的高温辐射板和价格便宜、性能优良的不锈钢制作炉体，导热系数高的铜材和耐热温度高的材料制作回热结构及燃烧炉腔，绝大多数部件可以在市场上直接买到或者易于加工，制造成本没有明显增加。
2 设计方案
2.1 基本结构
蜂窝形预混节能燃气灶的基本结构如图1所示。
2.2 机械部分和电气控制
2.2.1 机械部分
本燃气灶采用一体化的全封闭、全预混设计，即外部空气经压缩机加压后由空气管导入炉腔回热之后与液化气以同等压力后与液化气从平焰喷嘴的X、Y方向进入预混器，形成旋转前进的完全预混预热的混合燃气，在喷嘴处点燃后经45°倾角的扩压腔进入炉腔，以直径在10～30 mm、厚度在10～20 mm的圆盘型火焰平面铺开，加热锅底，同时炉腔采用辐射板，强化辐射对流换热，在炉腔的顶部圆周开有直径为1 cm的圆孔16个，炉腔内的乏气回热加热空气管后由这些小孔排出到下腔最终汇入乏气总管排出，下腔由高温辐射板围成圆柱状。在整个燃烧过程中，火焰不与大气环境直接接触；采用预混燃烧器，在烧嘴和点火点之前完成一次空气和气体燃料的完全混合，并与烧嘴一体；采用平焰喷嘴出火方式，产生圆盘形火焰均匀加热；利用空气换热器预热空气，运用回热管回收高温烟气中的能量，提高燃气能量效率，并减少有害的厨余气体排放；采用蜂窝—篦齿及刷式封严的非接触式封严结构、添加辐射板强化壁面辐射传热。
2.2.2 电气部分
电气部分（见图2）主要由80C51单片机控制实现，为保障安全性，精确测量并显示火焰温度，火焰温度控制也更为容易。因此，应首先保障系统的安全性，再实现系统的准确性，最后考虑操作的人性化。为达到上述性能，结合具体实验，提出以下5点设计要求：一键开始/暂停；中途熄火，自动断掉燃气供应，并等待指令重新点火；温度实时采集，反应速度在1 s内；数码管显示温度；实时控制火焰的温度大小。
利用塞贝效应，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。
针对这5点设计要求，采用以下实现方案。
（1）通过一个优先级最高的外部中断，实现一键开始/暂停的功能。硬件上采用物理按键。
（2）设定一个人为可调节的温度下限，可知若不熄火温度不会降低到该阀值之下。采集温度后，判断是否熄火，若熄火，则先断掉燃气与空气供应，等待再次开始指令，进入点火程序。
（3）通过A/D模块，处理温度传感器传回的信号，解决温度实时采集问题。由于实验环境为超高温，计划使用铂铑合金热电偶作为传感器（见图3、图4）。
（4）通过4个8段显示器，显示温度。
（5）通过A/D模块，对可调电位器电压进行数字处理，得知需要调制的温度。通过控制一个0～10 V的鼓风机，调控空气流量。通过一个五线四相步进电机控制燃气阀门，控制燃气流量。
（6）点火装置为一个改进后的电火花打火器，通过一个继电器控制开关。
（7）额外设置了一个LED显示灯，用于显示工作状态。
3 理论设计计算
3.1 传热过程的回热计算结果
平焰烧嘴空气进口流量4.9 m?/h，燃气进口流量0.16 m?/h；转化为质量流量空气进口质量流量为5.733 kg/h，燃气进口质量流量为0.4 kg/h.所以平焰喷嘴出火口质量流量为6.133 kg/h，出口温度为1 473 K（1 200℃）。 烟气外掠回热管的热过程、管壁传热、管槽内湍流强制对流传热、实验烟气进入管束的流量计算4个过程，总回收热量420 W。
3.2 燃气灶的燃烧效率计算
借鉴目前市场上普通燃气灶的工作数据及部分论文所得的实验数据，可做如下计算。
水的比热为4.2×103J/（kg×℃），用3 000 ml的水进行燃烧试验：
Q水=cm?t=4.2×103×103×0.003×（100-20）=10.08×102kJ
燃气的热流量为14 786 kJ/h，理论按照燃烧效率为100%，则所需的理论燃烧时间为：
根据实验结果，普通燃气灶的燃烧时间为7分30秒，即所需的的燃烧量为：
Q=14 786×0.13=1922.18kJ
实际的燃烧效率为：
燃气灶的燃烧时间为5分钟，即所需的燃气燃烧量为：
Q=14 786×5/60=1232.16kJ
鼓风机所需的电量为：Q鼓=20×5×60=6kJ
实际的燃烧效率为：
普通燃气灶 本燃气灶
燃烧效率 52.4% 81.4%
以上仅为实验结果，在加强密封性和空气过量系数控制后，本燃气灶效率可达82%，相对普通燃气灶效率整整提高了29%，相当于提高了原效率的56.4%。
4 结 语
蜂窝形预混节能燃气灶的推广应用符合国家“节能环保”的发展战略。本燃气灶完全自主设计已获国家实用新型专利授权（201520275497.8），由于独特的创新设计，使得本燃气灶在节能美厨方面表现突出。同时该燃气灶无高温转动部件，无精密贵重仪器，绝大多数部件都可以在市场上直接买到或者易于加工，制造成本没有明显增加。预计在餐饮行业、酒店及企事业单位食堂会有广阔的市场，技术落地转化后将应用于商用及家用燃气灶市场，如商用燃气大锅灶和家用普通燃气灶等。假设单台商用灶为双灶眼，平均使用功率为10 000 W，每天连续使用时间为6 h，每年使用天然气2 050 m3，本燃气灶只需1 435 m3的天然气，每户每年可节省615 m3的天然气，约合人民币1 350元。全国2 000万台商用灶可节省123亿立方米的天然气，约合人民币270亿元。它的推广使用，利国利民，对我国节能减排有重要影响，每年将会节约天然气折合标煤3 000万吨，减少7 300万吨CO2排放。由此推断，本燃气灶将会有非常好的市场前景和开发潜力。
[关键词]完全预混；封闭燃烧；回热利用；节能减排；智能控制
doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.16.087
[中图分类号]TG95 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2015）16-0-02
1 研制背景及意义
1.1 研制背景
目前世界范围内能源短缺，可持续发展的要求与日俱增。国家“节能减排”的发展战略推动着蜂窝型预混燃烧节能燃气灶的发展，其作为一种高效节能的燃气用具受到广泛的政策支持。此外，商用燃气灶能耗标准的制定，国家燃气灶市场的规范，燃气用具领域技术进步、国家相关政策的倾斜也为蜂窝形预混燃烧节能燃气灶带来了良好的发展契机。
1.2 研制意义
第一，“节能减排，低碳环保”是当今时代的主题，“智慧城市”是我国城市发展的主题。本燃气灶燃气能量利用率高，节能效果显著。其利用高温烟气热量预热冷空气的回热方法和完全封闭、完全预混的燃烧方法以及圆盘火焰的均匀加热方法，大幅提高燃气能量利用率。
第二，本燃气灶更加智能可控，通过单片机控制实现以下5项功能：一键开始/暂停；中途熄火，自动断掉燃气供应，并等待指令重新点火；温度实时采集，反应速度在1s内；数码管显示温度；实时控制火焰的温度大小，利于节能。
第三，本燃气灶更人性化、经济化。全程采用先进的加工方式，周围采用高性能的隔热材料，避免外壳温度过高烫伤使用者。兼顾使用性和烹饪环境的舒适性，由于篦齿封严结构的存在使得热空气不会扩散到使用者四周，减少厨房的热污染，避免厨房有害气体的产生及扩散，是一款人性化的燃气灶。
该燃气灶无高温转动部件，无精密贵重仪器，选用增强辐射换热的高温辐射板和价格便宜、性能优良的不锈钢制作炉体，导热系数高的铜材和耐热温度高的材料制作回热结构及燃烧炉腔，绝大多数部件可以在市场上直接买到或者易于加工，制造成本没有明显增加。
2 设计方案
2.1 基本结构
蜂窝形预混节能燃气灶的基本结构如图1所示。
2.2 机械部分和电气控制
2.2.1 机械部分
本燃气灶采用一体化的全封闭、全预混设计，即外部空气经压缩机加压后由空气管导入炉腔回热之后与液化气以同等压力后与液化气从平焰喷嘴的X、Y方向进入预混器，形成旋转前进的完全预混预热的混合燃气，在喷嘴处点燃后经45°倾角的扩压腔进入炉腔，以直径在10～30 mm、厚度在10～20 mm的圆盘型火焰平面铺开，加热锅底，同时炉腔采用辐射板，强化辐射对流换热，在炉腔的顶部圆周开有直径为1 cm的圆孔16个，炉腔内的乏气回热加热空气管后由这些小孔排出到下腔最终汇入乏气总管排出，下腔由高温辐射板围成圆柱状。在整个燃烧过程中，火焰不与大气环境直接接触；采用预混燃烧器，在烧嘴和点火点之前完成一次空气和气体燃料的完全混合，并与烧嘴一体；采用平焰喷嘴出火方式，产生圆盘形火焰均匀加热；利用空气换热器预热空气，运用回热管回收高温烟气中的能量，提高燃气能量效率，并减少有害的厨余气体排放；采用蜂窝—篦齿及刷式封严的非接触式封严结构、添加辐射板强化壁面辐射传热。
2.2.2 电气部分
电气部分（见图2）主要由80C51单片机控制实现，为保障安全性，精确测量并显示火焰温度，火焰温度控制也更为容易。因此，应首先保障系统的安全性，再实现系统的准确性，最后考虑操作的人性化。为达到上述性能，结合具体实验，提出以下5点设计要求：一键开始/暂停；中途熄火，自动断掉燃气供应，并等待指令重新点火；温度实时采集，反应速度在1 s内；数码管显示温度；实时控制火焰的温度大小。
利用塞贝效应，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。
针对这5点设计要求，采用以下实现方案。
（1）通过一个优先级最高的外部中断，实现一键开始/暂停的功能。硬件上采用物理按键。
（2）设定一个人为可调节的温度下限，可知若不熄火温度不会降低到该阀值之下。采集温度后，判断是否熄火，若熄火，则先断掉燃气与空气供应，等待再次开始指令，进入点火程序。
（3）通过A/D模块，处理温度传感器传回的信号，解决温度实时采集问题。由于实验环境为超高温，计划使用铂铑合金热电偶作为传感器（见图3、图4）。
（4）通过4个8段显示器，显示温度。
（5）通过A/D模块，对可调电位器电压进行数字处理，得知需要调制的温度。通过控制一个0～10 V的鼓风机，调控空气流量。通过一个五线四相步进电机控制燃气阀门，控制燃气流量。
（6）点火装置为一个改进后的电火花打火器，通过一个继电器控制开关。
（7）额外设置了一个LED显示灯，用于显示工作状态。
3 理论设计计算
3.1 传热过程的回热计算结果
平焰烧嘴空气进口流量4.9 m?/h，燃气进口流量0.16 m?/h；转化为质量流量空气进口质量流量为5.733 kg/h，燃气进口质量流量为0.4 kg/h.所以平焰喷嘴出火口质量流量为6.133 kg/h，出口温度为1 473 K（1 200℃）。 烟气外掠回热管的热过程、管壁传热、管槽内湍流强制对流传热、实验烟气进入管束的流量计算4个过程，总回收热量420 W。
3.2 燃气灶的燃烧效率计算
借鉴目前市场上普通燃气灶的工作数据及部分论文所得的实验数据，可做如下计算。
水的比热为4.2×103J/（kg×℃），用3 000 ml的水进行燃烧试验：
Q水=cm?t=4.2×103×103×0.003×（100-20）=10.08×102kJ
燃气的热流量为14 786 kJ/h，理论按照燃烧效率为100%，则所需的理论燃烧时间为：
根据实验结果，普通燃气灶的燃烧时间为7分30秒，即所需的的燃烧量为：
Q=14 786×0.13=1922.18kJ
实际的燃烧效率为：
燃气灶的燃烧时间为5分钟，即所需的燃气燃烧量为：
Q=14 786×5/60=1232.16kJ
鼓风机所需的电量为：Q鼓=20×5×60=6kJ
实际的燃烧效率为：
普通燃气灶 本燃气灶
燃烧效率 52.4% 81.4%
以上仅为实验结果，在加强密封性和空气过量系数控制后，本燃气灶效率可达82%，相对普通燃气灶效率整整提高了29%，相当于提高了原效率的56.4%。
4 结 语
蜂窝形预混节能燃气灶的推广应用符合国家“节能环保”的发展战略。本燃气灶完全自主设计已获国家实用新型专利授权（201520275497.8），由于独特的创新设计，使得本燃气灶在节能美厨方面表现突出。同时该燃气灶无高温转动部件，无精密贵重仪器，绝大多数部件都可以在市场上直接买到或者易于加工，制造成本没有明显增加。预计在餐饮行业、酒店及企事业单位食堂会有广阔的市场，技术落地转化后将应用于商用及家用燃气灶市场，如商用燃气大锅灶和家用普通燃气灶等。假设单台商用灶为双灶眼，平均使用功率为10 000 W，每天连续使用时间为6 h，每年使用天然气2 050 m3，本燃气灶只需1 435 m3的天然气，每户每年可节省615 m3的天然气，约合人民币1 350元。全国2 000万台商用灶可节省123亿立方米的天然气，约合人民币270亿元。它的推广使用，利国利民，对我国节能减排有重要影响，每年将会节约天然气折合标煤3 000万吨，减少7 300万吨CO2排放。由此推断，本燃气灶将会有非常好的市场前景和开发潜力。