黃孟璇，曹安琪，郭希鵬

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129）

蜂窩形預(yù)混節(jié)能燃?xì)庠钛芯?/p>

黃孟璇，曹安琪，郭希鵬

（西北工業(yè)大學(xué)，西安 710129）

隨著國家“節(jié)能減排”發(fā)展戰(zhàn)略的提出，本文提出了一款完全封閉、完全預(yù)混余熱回收式節(jié)能燃?xì)庠睢２捎猛耆A(yù)混、封閉燃燒、回?zé)崂玫姆椒?，分別從燃燒、傳熱、余熱回收角度對現(xiàn)有燃?xì)庠钭龀龈倪M(jìn)。通過80C51單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了一鍵開始/暫停；中途熄火，自動斷掉燃?xì)夤?yīng)，并等待指令重新點(diǎn)火；溫度實(shí)時(shí)采集；數(shù)碼管顯示溫度；實(shí)時(shí)控制火焰的溫度大小的5點(diǎn)要求。將燃?xì)庠畹娜細(xì)馊紵视?5%（國家新標(biāo)準(zhǔn)）提高至82%（本燃?xì)庠睿⒒緦?shí)現(xiàn)了智能控制，減少了廚余氣體的室內(nèi)排放，值得市場推廣與應(yīng)用。

完全預(yù)混；封閉燃燒；回?zé)崂?；?jié)能減排；智能控制

1　研制背景及意義

1.1研制背景

目前世界范圍內(nèi)能源短缺，可持續(xù)發(fā)展的要求與日俱增。國家“節(jié)能減排”的發(fā)展戰(zhàn)略推動著蜂窩型預(yù)混燃燒節(jié)能燃?xì)庠畹陌l(fā)展，其作為一種高效節(jié)能的燃?xì)庥镁呤艿綇V泛的政策支持。此外，商用燃?xì)庠钅芎臉?biāo)準(zhǔn)的制定，國家燃?xì)庠钍袌龅囊?guī)范，燃?xì)庥镁哳I(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步、國家相關(guān)政策的傾斜也為蜂窩形預(yù)混燃燒節(jié)能燃?xì)庠顜砹肆己玫陌l(fā)展契機(jī)。

1.2研制意義

第一，“節(jié)能減排，低碳環(huán)保”是當(dāng)今時(shí)代的主題，“智慧城市”是我國城市發(fā)展的主題。本燃?xì)庠钊細(xì)饽芰坷寐矢?，?jié)能效果顯著。其利用高溫?zé)煔鉄崃款A(yù)熱冷空氣的回?zé)岱椒ê屯耆忾]、完全預(yù)混的燃燒方法以及圓盤火焰的均勻加熱方法，大幅提高燃?xì)饽芰坷寐省?/p>

第二，本燃?xì)庠罡又悄芸煽?，通過單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)以下5項(xiàng)功能：一鍵開始/暫停；中途熄火，自動斷掉燃?xì)夤?yīng)，并等待指令重新點(diǎn)火；溫度實(shí)時(shí)采集，反應(yīng)速度在1s內(nèi)；數(shù)碼管顯示溫度；實(shí)時(shí)控制火焰的溫度大小，利于節(jié)能。

第三，本燃?xì)庠罡诵曰?、?jīng)濟(jì)化。全程采用先進(jìn)的加工方式，周圍采用高性能的隔熱材料，避免外殼溫度過高燙傷使用者。兼顧使用性和烹飪環(huán)境的舒適性，由于篦齒封嚴(yán)結(jié)構(gòu)的存在使得熱空氣不會擴(kuò)散到使用者四周，減少廚房的熱污染，避免廚房有害氣體的產(chǎn)生及擴(kuò)散，是一款人性化的燃?xì)庠睢?/p>

該燃?xì)庠顭o高溫轉(zhuǎn)動部件，無精密貴重儀器，選用增強(qiáng)輻射換熱的高溫輻射板和價(jià)格便宜、性能優(yōu)良的不銹鋼制作爐體，導(dǎo)熱系數(shù)高的銅材和耐熱溫度高的材料制作回?zé)峤Y(jié)構(gòu)及燃燒爐腔，絕大多數(shù)部件可以在市場上直接買到或者易于加工，制造成本沒有明顯增加。

2　設(shè)計(jì)方案

2.1基本結(jié)構(gòu)

蜂窩形預(yù)混節(jié)能燃?xì)庠畹幕窘Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　蜂窩型預(yù)混燃燒節(jié)能燃?xì)庠钇拭?/p>

2.2機(jī)械部分和電氣控制

2.2.1機(jī)械部分

本燃?xì)庠畈捎靡惑w化的全封閉、全預(yù)混設(shè)計(jì)，即外部空氣經(jīng)壓縮機(jī)加壓后由空氣管導(dǎo)入爐腔回?zé)嶂笈c液化氣以同等壓力后與液化氣從平焰噴嘴的X、Y方向進(jìn)入預(yù)混器，形成旋轉(zhuǎn)前進(jìn)的完全預(yù)混預(yù)熱的混合燃?xì)?，在噴嘴處點(diǎn)燃后經(jīng)45°傾角的擴(kuò)壓腔進(jìn)入爐腔，以直徑在10～30 mm、厚度在10～20 mm的圓盤型火焰平面鋪開，加熱鍋底，同時(shí)爐腔采用輻射板，強(qiáng)化輻射對流換熱，在爐腔的頂部圓周開有直徑為1 cm的圓孔16個(gè)，爐腔內(nèi)的乏氣回?zé)峒訜峥諝夤芎笥蛇@些小孔排出到下腔最終匯入乏氣總管排出，下腔由高溫輻射板圍成圓柱狀。在整個(gè)燃燒過程中，火焰不與大氣環(huán)境直接接觸；采用預(yù)混燃燒器，在燒嘴和點(diǎn)火點(diǎn)之前完成一次空氣和氣體燃料的完全混合，并與燒嘴一體；采用平焰噴嘴出火方式，產(chǎn)生圓盤形火焰均勻加熱；利用空氣換熱器預(yù)熱空氣，運(yùn)用回?zé)峁芑厥崭邷責(zé)煔庵械哪芰?，提高燃?xì)饽芰啃剩p少有害的廚余氣體排放；采用蜂窩—篦齒及刷式封嚴(yán)的非接觸式封嚴(yán)結(jié)構(gòu)、添加輻射板強(qiáng)化壁面輻射傳熱。

2.2.2電氣部分

電氣部分（見圖2）主要由80C51單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)，為保障安全性，精確測量并顯示火焰溫度，火焰溫度控制也更為容易。因此，應(yīng)首先保障系統(tǒng)的安全性，再實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，最后考慮操作的人性化。為達(dá)到上述性能，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)，提出以下5點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：一鍵開始/暫停；中途熄火，自動斷掉燃?xì)夤?yīng)，并等待指令重新點(diǎn)火；溫度實(shí)時(shí)采集，反應(yīng)速度在1 s內(nèi)；數(shù)碼管顯示溫度；實(shí)時(shí)控制火焰的溫度大小。利用塞貝效應(yīng)，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。

圖2　電氣控制部分

圖3　熱電偶溫度測量組成部分

圖4　熱電偶測溫電路

針對這5點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，采用以下實(shí)現(xiàn)方案。

（1）通過一個(gè)優(yōu)先級最高的外部中斷，實(shí)現(xiàn)一鍵開始/暫停的功能。硬件上采用物理按鍵。

（2）設(shè)定一個(gè)人為可調(diào)節(jié)的溫度下限，可知若不熄火溫度不會降低到該閥值之下。采集溫度后，判斷是否熄火，若熄火，則先斷掉燃?xì)馀c空氣供應(yīng)，等待再次開始指令，進(jìn)入點(diǎn)火程序。

（3）通過A/D模塊，處理溫度傳感器傳回的信號，解決溫度實(shí)時(shí)采集問題。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境為超高溫，計(jì)劃使用鉑銠合金熱電偶作為傳感器（見圖3、圖4）。

（4）通過4個(gè)8段顯示器，顯示溫度。

（5）通過A/D模塊，對可調(diào)電位器電壓進(jìn)行數(shù)字處理，得知需要調(diào)制的溫度。通過控制一個(gè)0～10 V的鼓風(fēng)機(jī)，調(diào)控空氣流量。通過一個(gè)五線四相步進(jìn)電機(jī)控制燃?xì)忾y門，控制燃?xì)饬髁俊?/p>

（6）點(diǎn)火裝置為一個(gè)改進(jìn)后的電火花打火器，通過一個(gè)繼電器控制開關(guān)。

（7）額外設(shè)置了一個(gè)LED顯示燈，用于顯示工作狀態(tài)。

3　理論設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1傳熱過程的回?zé)嵊?jì)算結(jié)果

平焰燒嘴空氣進(jìn)口流量4.9 m3/h，燃?xì)膺M(jìn)口流量0.16 m3/h；轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量空氣進(jìn)口質(zhì)量流量為5.733 kg/h，燃?xì)膺M(jìn)口質(zhì)量流量為0.4 kg/h.所以平焰噴嘴出火口質(zhì)量流量為6.133 kg/h，出口溫度為1 473 K（1 200℃）。

煙氣外掠回?zé)峁艿臒徇^程、管壁傳熱、管槽內(nèi)湍流強(qiáng)制對流傳熱、實(shí)驗(yàn)煙氣進(jìn)入管束的流量計(jì)算4個(gè)過程，總回收熱量420 W。

3.2燃?xì)庠畹娜紵视?jì)算

借鑒目前市場上普通燃?xì)庠畹墓ぷ鲾?shù)據(jù)及部分論文所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可做如下計(jì)算。

水的比熱為4.2×103J/（kg×℃），用3 000 ml的水進(jìn)行燃燒試驗(yàn)：

Q水=cm?t=4.2×103×103×0.003×（100-20）=10.08×102kJ

燃?xì)獾臒崃髁繛?4 786 kJ/h，理論按照燃燒效率為100%，則所需的理論燃燒時(shí)間為：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，普通燃?xì)庠畹娜紵龝r(shí)間為7分30秒，即所需的的燃燒量為：

Q=14 786×0.13=1922.18kJ

實(shí)際的燃燒效率為：

燃?xì)庠畹娜紵龝r(shí)間為5分鐘，即所需的燃?xì)馊紵繛椋?/p>

Q=14 786×5/60=1232.16kJ

鼓風(fēng)機(jī)所需的電量為：Q鼓=20×5×60=6kJ

實(shí)際的燃燒效率為：

普通燃?xì)庠畋救細(xì)庠钊紵?2.4% 81.4%

以上僅為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在加強(qiáng)密封性和空氣過量系數(shù)控制后，本燃?xì)庠钚士蛇_(dá)82%，相對普通燃?xì)庠钚收岣吡?9%，相當(dāng)于提高了原效率的56.4%。

4　結(jié) 語

蜂窩形預(yù)混節(jié)能燃?xì)庠畹耐茝V應(yīng)用符合國家“節(jié)能環(huán)?！钡陌l(fā)展戰(zhàn)略。本燃?xì)庠钔耆灾髟O(shè)計(jì)已獲國家實(shí)用新型專利授權(quán)（201520275497.8），由于獨(dú)特的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使得本燃?xì)庠钤诠?jié)能美廚方面表現(xiàn)突出。同時(shí)該燃?xì)庠顭o高溫轉(zhuǎn)動部件，無精密貴重儀器，絕大多數(shù)部件都可以在市場上直接買到或者易于加工，制造成本沒有明顯增加。預(yù)計(jì)在餐飲行業(yè)、酒店及企事業(yè)單位食堂會有廣闊的市場，技術(shù)落地轉(zhuǎn)化后將應(yīng)用于商用及家用燃?xì)庠钍袌觯缟逃萌細(xì)獯箦佋詈图矣闷胀ㄈ細(xì)庠畹?。假設(shè)單臺商用灶為雙灶眼，平均使用功率為10 000 W，每天連續(xù)使用時(shí)間為6 h，每年使用天然氣2 050 m3，本燃?xì)庠钪恍? 435 m3的天然氣，每戶每年可節(jié)省615 m3的天然氣，約合人民幣1 350元。全國2 000萬臺商用灶可節(jié)省123億立方米的天然氣，約合人民幣270億元。它的推廣使用，利國利民，對我國節(jié)能減排有重要影響，每年將會節(jié)約天然氣折合標(biāo)煤3 000萬噸，減少7 300萬噸CO2排放。由此推斷，本燃?xì)庠顚蟹浅：玫氖袌銮熬昂烷_發(fā)潛力。

10.3969/j.issn.1673 - 0194.2015.16.087

TG95

A

1673-0194（2015）16-0118-02

2015-06-11

2 0 1 4年度國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201410699054）。