陶瓷板紅外線燃氣灶節能效果的分析

摘要：分析了陶瓷板紅外線燃氣灶熱效率比大氣式燃氣灶高的原因：具有陶瓷板輻射體，輻射效率高；燃氣燃燒需要的過剩空氣系數小，致使理論燃燒溫度高，增強了換熱，減少了排煙損失；鍋支架高度小，有利于增加換熱量和減小向周圍的輻射散熱損失。

前言

陶瓷板燃氣紅外線輻射器自20世紀40年代問世以來[1]，在民用方面已用于采暖和烘烤食品。80年代中期，在我國少數地區開始用于炊事灶具。

陶瓷板紅外線燃氣灶與大氣式燃氣灶相比，熱效率高，煙氣中有害成分少[l-6]。下面就陶瓷板紅外線燃氣灶與大氣式燃氣灶的節能效果進行分析。

1熱效率對比

　　陶瓷板紅外線燃氣灶的工作原理是：燃氣利用引射器預混燃氣燃燒所需要的全部空氣量(空氣系數口=1．03～1．06)，燃氣、空氣混合物以0．1—0．14 m／s的速度從陶瓷板數千個小孔道溢出進行燃燒，將板面加熱到赤紅狀態，溫度達到800—900 oC[7]，板面和高溫煙氣對鍋進行輻射和對流加熱，此時燃氣燃燒為無焰狀態。

　　大氣式燃氣灶的工作原理是：燃氣利用引射器僅預混燃燒所需要的一部分空氣量(一次空氣系數 aｐ=0.55～0.65)，然后以1.0～3.5 m／s的速度，經過頭部的一些火孔流出，并從周圍再獲取二次空氣進行燃燒(空氣系數a=1.3～1.8)，形成具有內、外焰的本生火焰[7]，產生的高溫煙氣主要以對流換熱的方式對鍋加熱。

表l陶瓷板紅外線燃氣灶與大氣式燃氣灶對比

　　由于這兩種灶的燃燒和加熱方式不同，表現在加熱效果上不同。經對16個廠家生產的燃氣灶抽樣檢測(8種為陶瓷板紅外線燃氣灶，8種為大氣式燃氣灶，測試燃氣為液化石油氣)，熱效率列于表1。從表l中看出，陶瓷板紅外線燃氣灶的熱效率比大氣式燃氣灶平均高出10．1個百分點，節能效果顯著。

2熱效率較高的原因分析

(1)陶瓷板紅外線燃氣灶輻射效率高

　　陶瓷板的形狀一般為圓形，直徑168mm，厚ll-12mm。陶瓷板主要由滑石粉、粘土等材料制成，屬于非金屬固體材料。在一定溫度下，它的表面朝其上方的半球空間各不同方向發射包括各種波長的能量。陶瓷板紅外線燃氣灶對鍋加熱時，除了高溫煙氣的對流和輻射加熱外，陶瓷板的輻射加熱要占很大的一部分。如果把陶瓷板與鍋底近似看作兩個灰表面，環境看作黑表面，這樣就組成了一個封閉的輻射換熱系統。其中陶瓷板與鍋底的輻射換熱由下面公式[8]確定：

φ1，2=(J1-J2)p1，2A1(1)

式中φ1，2—— 陶瓷板與鍋底之間輻射換熱熱流量，W；

(J1，J2)—— 陶瓷板、鍋底的有效輻射熱流密度，W／m2

P1，2—— 陶瓷板對鍋底的平均角系數；

A1——陶瓷板表面積m2。

　　燃氣為大慶液化石油氣。假設陶瓷板面發射率ε1 =0．86[1]，鋁鍋底面氧化層ε2=0．3；板面溫度t1=850℃，鍋底表面平均溫度t2=45℃，房間增溫度t3=20℃。依據傳熱學[9]中有關資料，并考慮鍋底面積大于陶瓷板表面積的情況，取φ1，2為0.9.根據空間輻射網絡計算，陶瓷板對鍋的輻射熱量總換熱量的57．3％。

　　大氣式燃氣灶主要以對流方式對鍋加熱，它火焰可以進行有限的輻射加熱。本生火焰屬于不光的火焰，其中能夠進行輻射加熱的主要是燃燒物中的CO2和H20氣體，它們的輻射光譜是不連的，只能輻射一定波長范圍內的能量，與固體表面比，輻射能力要差得多。

根據夏克(Schack)提出的近似計算公式[10]，二氧化碳和水蒸氣向周圍壁面的輻射換熱量為：

φco2=0.019εco2(pδ)1/3[(Tg/100)3.5-(Tw/100)3.5]A

φH2o=1.64εH20P0.8δ0.6[(Tg/100)3-(Tw/100)3.5]A

式中：φco2,φH2o—co2, H2o 氣體向周圍壁面輻射換熱量，kW；

εco2, H2o,—co2, H2o 氣體的分壓,KPa；

　　p——氣體有效厚度，m；

TG，Tw——氣體、周圍壁面溫度，K；

　　A——氣體表面積，m2。

　　假設火焰平均溫度1400℃，火孔與鍋底之間距離25mm，周圍壁面溫度(取鍋底表面溫度)45℃,按照上兩式進行計算，輻射加熱量不到整個換熱量的8％。

(2)陶瓷板紅外線燃氣灶空氣系數小

　　燃氣要達到完全燃燒就需要一定的空氣系數空氣系數的大小不僅影響著理論燃燒溫度的高低而且在排煙溫度相同的條件下，也決定了排煙損失的大小。

①空氣系數對理論燃燒溫度的影響

　　陶瓷板紅外線燃氣灶的空氣系數為1.03-1.06，而大氣式燃氣灶的空氣系數為1.3-1.8。以大慶液化石油氣為燃料,并假定陶瓷板紅外線燃氣灶空氣系數1.05,大氣壓燃氣灶的空氣系統1.5。經計算,燃氣在陶瓷板紅外線灶燃燒的理論燃燒溫度為1600℃。二者相差逾400℃。根據傳熱理論，無論是輻射換熱還是對流換熱，增大兩物體的換熱溫差，都會提高換熱量。特別是輻射換熱，按照斯蒂芬一波爾茲曼定律，換熱量與溫度的4次方差成正比關系。顯然空氣系數小對提高陶瓷板紅外線燃氣灶熱效率是有利的。

②空氣系數對排煙損失的影響

煙氣焓的計算公式[7]：

If=I0+(a一1)Ia(4)

式中：If——煙氣的焓，kJ／m3；

I0——理論煙氣的焓，kJ／m3；

Ia——理論空氣的焓，kJ／m3；

a——空氣系數。

排煙損失qf[2]：

gf= If／Q1×100％(5)

式中：Q1——燃氣低熱值，kJ／m3。

　　在煙氣成分一定的情況下，影響If大小的主要因素是煙氣溫度tf和空氣系數a，如果排煙溫度越高，空氣系數越大，則排煙損失越大。當以大慶液化石油氣為燃料，空氣系數分別為1.05和1.50時，排煙溫度tf變化時的排煙損失qf，見表2。

表2排煙損失gf％

　　由表2可見，假定兩種燃氣灶在排煙溫度相同的條件下，大氣式燃氣灶(a=1．50)的排煙損失比陶瓷板紅外線燃氣灶(a=1．05)高2.3-3.8個百分點。

(3)陶瓷板紅外線燃氣灶鍋支架高度小

　　無論是對陶瓷板紅外線燃氣灶，還是對大氣式燃氣灶，鍋支架高度對熱效率和煙氣中的CO含量都有影響[7,11-14]。鍋支架高度升高，熱效率降低，煙氣中CO含量減少。因此，在保證煙氣中CO含量達到有關標準的前提下，應盡可能降低鍋支架高度。在應用上，陶瓷板紅外線燃氣灶的鍋支架高度一般在15 mm以內，而大氣式燃氣灶鍋支架高度為20-30mm

　　陶瓷板紅外線燃氣灶采用的是完全預混式燃燒，不需要從周圍獲取二次空氣。同時，氣體從小孔道中流出速度不高，因此鍋底可以距離板面較近，也不會對流出氣體產生較大的反壓力，而仍然能保證燃氣的正常燃燒。在較小的鍋支架高度情況下，對陶瓷板紅外線燃氣灶與鍋的換熱是有利的。產生的高溫煙氣與鍋底充分接觸，進行輻射和對流換熱。根據輻射換熱角系數的定義式，赤熱的板面離鍋底越近，平均角系數越大，輻射換熱量就越多，而從鍋底與板面之間的空隙向周圍環境的輻射熱損失就越小。

　　大氣式燃氣灶的鍋支架高度比較高，因為較小的鍋支架高度會減少二次空氣的供給量，同時，燃燒形成的本生火焰易與冷的鍋底接觸，這樣都會產生不完全燃燒而導致煙氣中的CO含量升高。對于大氣式燃氣灶而言，較高的鍋支架高度對鍋的加熱是不利的。較高的鍋支架高度，會增加周圍空氣向火焰的擴散，降低火焰溫度而減少換熱。同時，由于火孔有一定傾角(一般取30。]，承擔主要負荷的外圈火孔火焰的高溫煙氣并沒有與全部鍋底接觸，只是接觸到鍋底的周邊部分。這樣，鍋支架高度升高就會減少煙氣與這部分鍋底接觸的面積，而使換熱量減少。

3結論

(1)陶瓷板紅外線燃氣灶與大氣式燃氣灶相比，熱效率高，節能效果顯著。

(2)陶瓷板紅外線燃氣灶具有陶瓷板輻射體。燃氣燃燒的一部分熱量將陶瓷板加熱，陶瓷板再通過輻射對鍋加熱。這是陶瓷板紅外線燃氣灶熱效率較高的主要原因。

(3)陶瓷板紅外線燃氣灶采用完全預混式燃燒，過剩空氣少，理論燃燒溫度高，排煙損失小，使得換熱量增加，熱效率提高。

(4)陶瓷板紅外線燃氣灶采用較低鍋支架高度，增加換熱，減少輻射熱損失，從而提高了熱效率。