傳統(tǒng)燃?xì)庹粝涞墓?jié)能環(huán)保及自動(dòng)化改造

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 張蕊 馮良 邱菊 譚建新

上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備技術(shù)有限公司 傅征紅

0 前言

燃?xì)庹粝涫侵敢匀細(xì)鉃槟茉醇訜岬娘柡驼羝糁剖称返钠骶?，它一般由兩部分組成，下部是一個(gè)蒸汽發(fā)生器，上部是一個(gè)密閉的箱體。蒸汽發(fā)生器以燃?xì)饧訜崛萜髦械乃?，產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入上部的密閉箱體，蒸汽釋放出凝結(jié)潛熱，凝結(jié)水通過管路回收；箱體中食品通過蒸汽熱量被加熱，并可以保溫。

蒸箱雖然有蒸汽發(fā)生器，但它不同于蒸汽鍋爐。蒸箱是在常壓下工作的，操作簡(jiǎn)單，因而操作者無需經(jīng)過專門培訓(xùn)。它不需要水處理裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格、運(yùn)行費(fèi)用都比蒸汽鍋爐便宜。蒸箱熱效率高，適用范圍廣，適用于各類食堂及飯店用作蒸飯、蒸饅頭、蒸糕、蒸魚肉類食品，是一種常用的炊事工具。

傳統(tǒng)的蒸箱大多采用大氣式燃燒器，存在有如下缺點(diǎn)：功率小，啟動(dòng)速度慢且蒸出的食物質(zhì)量較差；人工點(diǎn)火成功率低，操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，且冷態(tài)時(shí)容易脫火；沒有熄火保護(hù)裝置，安全性能差；排放的污染物量高，氣味難聞，危害健康；由于點(diǎn)火不方便，往往使用間隙不關(guān)閉燃?xì)?，造成能源的不必要浪費(fèi)。

本文對(duì)傳統(tǒng)燃?xì)庹粝溥M(jìn)行節(jié)能和制度化改造，基本思路是不改變?cè)細(xì)庹粝涞慕Y(jié)構(gòu)，通過改造其燃燒系統(tǒng)，力求在滿足排放和效率要求的前提下，提高其功率和自動(dòng)化程度，方便在用蒸箱的節(jié)能改造的實(shí)施。

1 燃?xì)庹粝涓脑旆桨傅闹朴?/h2>

1.1 燃燒方式的選擇

圖1是蒸箱下部蒸汽發(fā)生部分的示意圖。從示意圖中可以看出，該蒸箱下部的換熱行程有限(受熱面雖大，但是高度有限)，因此單純靠提高功率，其傳熱效率必然會(huì)下降。在選擇改造方案中的燃燒器形式時(shí)，考慮到若繼續(xù)采用引射式部分預(yù)混燃燒方式，加大功率后，爐膛背壓會(huì)上升，這時(shí)燃燒器引射空氣的能力將會(huì)降低，同時(shí)也不易在排煙道上裝排煙風(fēng)機(jī)；而一般的鼓風(fēng)式燃燒器，火力集中，也不適宜配合原蒸箱下面的結(jié)構(gòu)。通過比較，認(rèn)為鼓風(fēng)式燃?xì)饧t外加熱是一種較理想的加熱替代方案，除了紅外輻射面加熱分散、均勻、適合蒸箱的底部結(jié)構(gòu)外，額外的輻射傳熱有助于提高傳熱效率。

圖1 蒸箱加熱部分示意

常用的燃?xì)饧t外燃燒器的輻射載體有多孔陶瓷板和金屬纖維等形式。由于紅外應(yīng)用時(shí)，多孔陶瓷板的功率一般只能達(dá)到150 kW/m2，無法滿足蒸箱的功率需求，而金屬纖維可以最高達(dá)500 kW/m2，所以本次改造使用金屬纖維輻射燃燒器。

燃?xì)饧t外輻射器的工作原理是預(yù)混氣體的表面燃燒。即預(yù)先混合均勻的燃?xì)饪諝饣旌衔锪飨蛉紵黝^部，在透氣性均勻的金屬纖維織物表面層進(jìn)行燃燒。這時(shí)金屬纖維被加熱至白熾狀態(tài)，一部分熱量以輻射方式釋放，其余部分熱量由高溫?zé)煔庑问綆ё?，與被加熱物體以對(duì)流方式換熱。由于金屬纖維的受熱降低了燃燒溫度，因此大大抑制了NOx的生成。而預(yù)混又有合理充足的空氣供給，可以保證CO的排放量也較低。

1.2 燃燒器的設(shè)計(jì)

金屬纖維燃燒器的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍大，在紅外燃燒模式下，可實(shí)現(xiàn)75～500 kW/m2穩(wěn)定工作?；谌紵托实确矫娴目紤]，再結(jié)合蒸箱底部加熱部分的尺寸，取38 kW作為燃燒器熱負(fù)荷的設(shè)計(jì)值(這時(shí)的設(shè)計(jì)功率值約為400 kW/m2)，具體的燃燒器設(shè)計(jì)及尺寸如圖3所示。燃燒器尺寸為500×270×50，其中輻射面面積為440×210，進(jìn)氣管尺寸為DN40。

圖2 金屬纖維燃燒器示意

1.3 燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的紅外燃燒器一般采用文丘里管引射器產(chǎn)生燃燒所需的燃?xì)饪諝饣旌蠚?，但由于燃?xì)忸~定使用壓力的限制，一般紅外燃燒器的功率較小，無法滿足較大功率燃燒器對(duì)助燃空氣量的需求。因此，本系統(tǒng)采用鼓風(fēng)機(jī)提供燃燒所需的空氣量。

燃燒系統(tǒng)圖見圖 3。系統(tǒng)除紅外燃燒器外，有鼓風(fēng)機(jī)、燃?xì)怆姶砰y、混合器、高壓點(diǎn)火針和離子火焰探測(cè)針等設(shè)備。系統(tǒng)采用上海梅帝燃?xì)庠O(shè)備技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 DFC燃燒控制器，該控制器除了具有完整的燃燒安全控制功能外，還能靈活設(shè)置前吹掃、安全點(diǎn)火以及后吹掃等時(shí)間的長(zhǎng)短，并可以連接操作面板。其中操作面板上的啟動(dòng)開關(guān)串接動(dòng)作溫度為120 ℃的溫度開關(guān)，實(shí)現(xiàn)蒸箱的過熱保護(hù)功能。

圖3 燃燒系統(tǒng)示意

2 性能測(cè)試及比較

實(shí)驗(yàn)根據(jù)上海市燃?xì)庑袠I(yè)《商用燃?xì)鈴N房設(shè)備的能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行，分別對(duì)蒸箱采用原大氣式燃燒器和改造后的紅外燃燒器進(jìn)行了性能對(duì)比測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 蒸箱熱效率測(cè)試裝置

蒸箱左方是燃?xì)饬髁勘?，右方是帶有電子秤顯示的直接補(bǔ)水裝置，其中盛水容器容積約20 L。測(cè)試用氣為上海管道天然氣。

熱效率測(cè)試時(shí)待蒸箱產(chǎn)生蒸汽后，先穩(wěn)定運(yùn)行10 min左右，保證蒸汽產(chǎn)生穩(wěn)定、各部件處于熱平衡狀態(tài)，且電子秤的讀數(shù)呈均勻下降，然后對(duì)盛水容器補(bǔ)水到約90%的水量，再穩(wěn)定5 min后，用秒表對(duì)燃?xì)饬髁肯暮退肯耐接?jì)時(shí)，并記錄燃?xì)饬髁勘鞻1和電子稱G1初讀數(shù)，運(yùn)行10 min后記錄燃?xì)獗鞻2和電子秤G2終讀數(shù)。

燃?xì)庹粝渲饕阅軠y(cè)試結(jié)果見表1。

表1 燃?xì)庹粝湫阅軠y(cè)試結(jié)果對(duì)比

上表中啟動(dòng)時(shí)間是指蒸箱從冷水加熱至出蒸汽的時(shí)間。熱效率按下式計(jì)算：

式中：G1—電子秤初讀數(shù)，kg；

G2—電子秤終讀數(shù)，kg；

t—補(bǔ)水容器中冷水的溫度，℃；

2.68 —101.325 kPa、100℃時(shí)飽和水蒸汽焓，MJ/kg；

V1—燃?xì)獗沓踝x數(shù)，m3；

V2—燃?xì)獗斫K讀數(shù)，m3；

Q—燃?xì)獾蜔嶂?，MJ/m3。

值得指出的是，盡管數(shù)據(jù)反映改造前后熱效率提高幅度不大，但這是基于熱負(fù)荷大幅提高的前提下獲得的。

根據(jù)上海市《商用燃?xì)鈴N房設(shè)備的能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》中針對(duì)燃?xì)庹粝湓u(píng)判等效值(如表2)，改造后燃?xì)庹粝洵h(huán)保和能效等級(jí)達(dá)到最高III級(jí)的要求。

表2 蒸箱的環(huán)保和能效等級(jí)

燃?xì)庹粝涓脑旌?，除了獲得環(huán)保和能效的收益外，新系統(tǒng)由于具有自動(dòng)點(diǎn)火、熄火保護(hù)裝置，提高了使用性和安全性；使用中不再有刺鼻的氣味；節(jié)約了蒸飯時(shí)間，且蒸飯的質(zhì)量、口感有明顯改善，這在上海寶山巴士停車場(chǎng)食堂和浦東航頭鎮(zhèn)政府機(jī)關(guān)食堂的應(yīng)用中獲得了認(rèn)可。

3 結(jié)論

傳統(tǒng)蒸箱采用全自動(dòng)金屬纖維紅外燃燒器后，能在提高熱負(fù)荷和保證熱效率的前提下，改善蒸箱的使用性和安全性，并大幅減少污染物的排放。

本文介紹的方案由于沒有改變傳統(tǒng)蒸箱的結(jié)構(gòu)，可以方便蒸箱生產(chǎn)廠家延續(xù)原生產(chǎn)工藝和制作方法，也為社會(huì)上在用燃?xì)庹粝涞墓?jié)能改造提供了一種具有可操作性的方法。