基于爐灶熱量回收的吸熱裝置設計

李 媛，黃 晗，劉運生，覃文鋰，李耀華

（武漢理工大學華夏學院 汽車工程系，湖北 武漢 430223）

基于爐灶熱量回收的吸熱裝置設計

李 媛，黃 晗，劉運生，覃文鋰，李耀華

（武漢理工大學華夏學院 汽車工程系，湖北 武漢 430223）

設計了一種基于爐灶熱量回收的吸熱裝置。該裝置通過將導熱性能及焊接性能優(yōu)良的無氧紫銅管與爐灶支架焊接成一個整體，近距離吸收爐灶火焰四周散失的熱量，利用火焰散失的熱量給生活用水加熱，將生成的熱水供日常生活使用；對出水裝置進行改良，使其與加熱裝置形成循環(huán)結(jié)構(gòu)，達到對整個系統(tǒng)進行保護的目的。本裝置提高了對能源的利用率，減少了能源消耗，達到節(jié)能的目的。

爐灶熱量回收；節(jié)能減排；吸熱裝置

人類取火用于生活生產(chǎn)已有一萬八千多年的歷史，雖然設備經(jīng)過不斷改良才發(fā)展到今天的燃氣灶，但是目前爐灶的能源利用率僅為30%～40%［1］。在現(xiàn)代家庭廚房一般都配有兩個爐灶的灶具，根據(jù)不同地區(qū)的生活習慣差異，每天做飯使用爐灶的時間約為50～100 min。爐灶是家庭能源消耗大戶之一，大量熱量散失到空氣中得不到利用。隨著世界性能源危機不斷凸顯，如此大規(guī)模的低效能設備在使用過程中造成了極大的浪費。目前，國內(nèi)外對爐灶余熱的利用停留在使其轉(zhuǎn)化為電能的階段，但低熱發(fā)電技術的難關一直尚未攻克，轉(zhuǎn)換效率僅為10.4%［2］，并且成本巨大，爐灶余熱的利用項目一直停滯不前［3］。筆者從實際生活需求出發(fā)，設計了一種利用爐灶散失熱量直接用于加熱生活用水的裝置，將得到的熱水用于洗衣、洗碗、洗菜和洗澡等方面，達到節(jié)能減排的目的。

1 爐灶熱量回收吸熱裝置的組成

由于本裝置是對爐灶散失的熱量加以利用，并將冷水加熱成適當溫度的熱水，故在爐灶上需加裝吸熱部件；在設計前應該考慮與爐灶配合度的問題，不能影響爐灶的安全使用。同時該裝置的組裝及運行應考慮家庭廚房的結(jié)構(gòu)，最大程度地與其他生活用具相匹配，則應設計與家庭用水連接的進水模塊，并且不能發(fā)生干擾，便于使用。為達到便于安裝和維修更換的目的，該裝置應具有模塊化的特點，在吸熱部件后應設置儲存及出水模塊。故筆者將基于爐灶熱量回收的吸熱裝置設計為進水、吸熱、出水儲存3大模塊，其主體流程圖如圖1所示。

圖1 裝置流程圖Fig.1 Flow chart of the device

1.1 進水模塊

設計進水模塊主要目的在于通斷進水、調(diào)節(jié)流量和在停水情況下的循環(huán)加熱保護。這部分的前端與家庭原有的供水系統(tǒng)相連接，后端則與吸熱裝置相連接。在設計時筆者考慮到使用地區(qū)的不同，供水管道的類型也不同，為了安裝和使用方便，在與家庭水管連接時選用萬能水管接頭（見圖2）連接。

進水時，水流由直徑較大的一端向直徑較小的一端流動，水壓會增大；并且進水管道末端與吸熱模塊相連，連接部分溫度較高。如果連接件選擇不合適，會造成裝置漏水的問題，所以進水管道與吸熱管道的連接選用了供高壓氣槍使用的轉(zhuǎn)接頭與流量調(diào)節(jié)開關，保證了在高溫高壓下水流管道的密封性［4］。同時筆者考慮到本裝置可能會在停水狀態(tài)下使用，吸熱部件會直接接觸高溫，出現(xiàn)空燒狀態(tài)。為了防止吸熱部件在長時間空燒后對進水部件造成損壞，本裝置在進水管道中加裝了帶有開關的三通閥（見圖3）與循環(huán)水管，可以實現(xiàn)對個別管道單獨停止供水，及時對吸熱部件采取降溫措施，保證系統(tǒng)的安全運行。

1.2 吸熱模塊

吸熱模塊是本裝置設計的核心部分（見圖4），其作用是將燃氣燃燒時散失到空氣中的熱能加以吸收，對吸熱管內(nèi)的水進行加熱。由于此部件與家用爐灶配合使用，不能改變原有家用爐灶結(jié)構(gòu)和使用效果。筆者參考散熱器電阻絲形狀，采用螺旋套管的形狀設計，用以獲得最大的吸熱面積和最短的吸熱距離。

圖2 萬能水管連接頭Fig.2 Universal water pipe connector

圖3 進水三通閥Fig.3 Inlet triple valve

圖4 吸熱模塊Fig.4 Heat absorbing module

1.2.1 吸熱材料的選取 根據(jù)擬達到的預期效果，考慮了鋁管、銅管和不銹鋼管等常見材料，分析了它們各自的物理和化學屬性（見表1）。由于此部分是基于生活爐灶的改裝，故在選材上考慮到吸熱管應有良好的導熱性和可塑性，并且具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、耐腐蝕耐高溫的特點。對比發(fā)現(xiàn)銅的熔沸點在鋁和鐵之間，且比熱最低、導熱系數(shù)最高、銅合金的化學性質(zhì)穩(wěn)定［5］。最后選擇了市面上燃氣熱水器普遍使用的吸熱材料——無氧紫銅管。該材料具有優(yōu)良的導熱性、延展性、耐蝕性和焊接性，可經(jīng)冷、熱塑性加工制成各種半成品和成品。

表1 不同材料的理化性質(zhì)對比Tab.1 Comparison of physical and chemical properties of different materials

1.2.2 管材規(guī)格的確定 在確定好吸熱材料后，選取不同規(guī)格的管材進行測試，分別選取直徑為4、6、8 mm的無氧紫銅管，測試其進水溫度為20℃，出水溫度為50℃時的升溫時間及30、60 min后的出水量（見表2），發(fā)現(xiàn)6 mm的吸熱管出水量最大，升溫速度也較快，因此，最后采用直徑為6 mm的無氧紫銅管作為吸熱管道。

表2 不同直徑吸熱管的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental data of heat absorbing pipe with different diameter

在與爐灶支架連接方案的選取上，筆者根據(jù)支架和紫銅管的金屬焊接特性［6］，采用銅焊條焊接的方式將爐灶支架和無氧紫銅管固聯(lián)而成［7］。從進水端進入的冷水，經(jīng)過吸熱部件加熱，吸熱部件末端與出水儲存模塊的保溫水管相連接，產(chǎn)生的熱水將被注入出水儲存模塊中。

1.3 出水儲存模塊

出水儲存模塊主要功能分為兩個方面：一方面用于儲存熱水；另一方面用于連接家庭熱水管道，對外輸出熱水，最終實現(xiàn)日常的洗菜、洗衣、洗澡及供暖等功能。根據(jù)家庭的實際情況，采用將產(chǎn)生的熱水并入家庭自帶的熱水系統(tǒng)中的方式，節(jié)約成本，便于安裝和使用。由于每個地區(qū)和家庭水的壓力強度不同，為防止因水壓不足而導致熱水無法正常流出，在輸出端增加了一個90 W自動水泵（見圖5），對熱水進行增壓，同時熱水輸送管道采用的是具有保溫性能的保溫水管；自動水泵的設置可以根據(jù)保溫儲水箱安裝的不同位置進行調(diào)整。

出于安全考慮，筆者設計了循環(huán)保護裝置。在增壓后，熱水將經(jīng)過一個帶開關式的三通閥，一端與循環(huán)連接，另一端則與保溫儲水箱連接［8］。在正常工作時產(chǎn)生的熱水將被輸送到保溫儲水箱中進入家庭熱水管道；輸出使用端可連接水龍頭、淋浴花灑和供暖設備等，供日常生活使用。

1.4 控制指示模塊

考慮到裝置的安全性和節(jié)能性，為了能保證儲水箱水位正常，實時顯示水量和水溫，將水位顯示裝置和溫度傳感器安裝在保溫儲水箱上。當達到保溫儲水箱最大水位時會自動停止進水，此時打開循環(huán)系統(tǒng)，即可避免儲水箱水量過大或吸熱裝置空燒。為了減少電能消耗，90 W自動水泵僅在使用熱水的時候才會自動工作；在不使用時，自動關閉。

2 工作原理

本裝置的實質(zhì)是一個熱交換器，通過將導熱率性能良好的無氧紫銅管與爐灶支架焊接組成吸熱部件。自來水經(jīng)進水裝置水管和三通閥向吸熱裝置供給冷水，爐灶火焰散失的熱量被安裝在周圍的螺旋吸熱管吸收，通過熱交換，加熱吸熱管內(nèi)的水，所產(chǎn)生的熱水經(jīng)出水儲存裝置的自動水泵和三通閥輸出，其中一個出水口與進水三通閥相連形成循環(huán)水，另一出水口對外輸出熱水流入保溫儲水箱。保溫儲水箱里的水進入家庭熱水管道，用于廚房、衛(wèi)浴、室內(nèi)保暖等方面。

3 爐灶熱量計算

灶具工作時火焰形狀視為圓柱形（吸熱模塊的三維模型如圖6所示）。由于鍋直接吸收的熱量是火焰頂部的，而圓柱型火焰?zhèn)让娴臒崃恳暂椛錈岬男问缴l(fā)出去，假設無氧紫銅管受熱是均勻的，則到達無氧紫銅管面的輻射熱可以如下計算：

圓柱側(cè)面積

其中半徑R=70mm，火焰高度H=40mm，代入計算得A≈1.76×10-2m2。

圓柱體側(cè)面單位時間對外輻射熱量

其中火焰發(fā)射率ε=0.6［9］，斯特潘-波爾茲曼常數(shù)δ=5.67×10-8W/（m2·K4），火焰外側(cè)溫度T1=1 500℃，室溫T2=25℃，取單位時間t=1 s，代入計算得q≈5 914W/s。

對支架的傾斜角進行測量，測得其支架最高點到中心點的傾斜角度約為30°，則實際輻射面積

其中火焰中心距無氧紫銅管最近距離R1=77mm，距無氧紫銅管最遠距離R2=105mm，取π=3.14，代入計算得S1=8 001 mm2。

火焰模型輻射總面積

吸熱寶正面接受輻射面積占總面積百分比

經(jīng)查資料紫銅管吸收率α=0.8，則單位時間內(nèi)吸收熱量：Q=qαa=5 914×0.8×45.500≈215 3W/s。

每個爐灶使用30 min，則吸收總熱量為：?=Q×30min×60 s/min=3 870 266J。

假定需要把常溫20℃的水加熱到50℃，水的比熱容C=4.2×103J/（kg·℃），根據(jù)

則產(chǎn)生的水量M=30.8kg。

又 ρ=M/V，水的密度 ρ=1kg/L，則V=30.8 L，即可以產(chǎn)生大約30.8 L溫度為50℃的熱水。

4 實驗分析

4.1 實驗準備

筆者模擬一戶家庭進行實驗，根據(jù)其廚房的結(jié)構(gòu)，將進水模塊與廚房的水龍頭相連接，測試其密封性；再將吸熱部件安裝到其爐灶上，并與進水部件連接；最后將出水儲存模塊安裝到適當位置，做整體密封測試。本次實驗采取控制變量法，以出水溫度為定量，實驗時間為控制量，出水量為測試數(shù)據(jù)，與理論計算值進行對比實驗。根據(jù)調(diào)試，使其正常工作時出水溫度為50℃左右，控制出水時間，用量筒測量出水量V，用電子溫度計測水溫T，用秒表記錄時間t（實驗裝置如圖7所示）。

4.2 實驗結(jié)果

通過實驗測出試驗裝置的出水量，如表3所示。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，在初始溫度為20℃，出水溫度為50℃左右的情況下，10 min后的出水量為4.8 L，為理論值的46.6%；20 min后的出水量為9.7 L，為理論值的47.3%；30 min后的出水量為14.8 L，為理論值的48.1%；60 min后的出水量為30.5 L，為理論值的49.6%。

圖5 90 W自動水泵及分流Fig.5 Automatic water pump（90W）and shunt

圖6 吸熱模塊三維模型Fig.6 3D heat absorbing module

圖7 實驗裝置Fig.7 Experiment equipment

表3 試驗裝置的測量值與理論值對比Tab.3 Contrast of measuring data and theoretical data

4.3 實驗總結(jié)

經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)分析，該裝置在爐灶使用19 s后即可產(chǎn)生50℃左右的熱水，水溫上升速度快；本次實驗溫度的測量值為51.8℃，比理論計算的高出1.8℃；30 min的出水量為14.8 L，比理論值低16 L；60 min的出水量為30.5 L，比理論值低31.0 L。其結(jié)果與理論存在一定的差距，誤差原因在于：制作過程中安裝精度的控制和測量計算時產(chǎn)生的誤差，還有一部分熱量在輸出過程中損失。但是在正常做飯時間內(nèi)，產(chǎn)生的熱水水量可達30 L以上，完全滿足家庭廚房的洗碗洗菜、一定范圍內(nèi)的取暖和洗浴的需求。

5 結(jié)語

從實驗樣品可以看出，利用爐灶火焰散失熱量加熱日常生活所需熱水的方案，其熱轉(zhuǎn)換效率高于利用爐灶低熱發(fā)電的方案，方便快捷，成本低廉。雖然本裝置目前主要針對家庭爐灶使用，但是可以根據(jù)需求，對其進行改進，使其適用于一些餐館、酒樓等場所。相比家庭而言，這些場所對熱水需求量更大，同時又有大量的爐灶余熱可供利用，可大大減少燃料費用等開支，節(jié)能環(huán)保。根據(jù)實驗可以算出，一戶家庭使用本裝置一天（按實際使用時間2 h計），收集的熱量大約為15 501 kJ，一年可節(jié)約1 571千瓦時的電量，可節(jié)約0.47 t標準煤［10］。以湖北省為例，湖北省大約有兩千萬戶人家［11］，一年365天，以此計算，可以節(jié)約大約940萬t標準煤，可減少2 462.8萬t二氧化碳的排放。筆者認為本產(chǎn)品在實際產(chǎn)生時，可對該裝置進行改進，使其能適用于全國大部分地區(qū)，不僅能緩解該地區(qū)的能源緊張問題，還能減少大氣污染物排放，達到了預期效果，值得大范圍推廣。

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（責任編輯：范建鳳）

Design of Heat Absorption Device Based on Heat Recovery of Oven

LI Yuan，HUANG Han，LIU Yunsheng，QIN Wenli，LI Yaohua
（Department of Automobile Engineering，Wuhan University of Technology Huaxia College，Wuhan 430223，Hubei，China）

An heat absorption device based on heat recovery of oven was designed.This device united the oxygen free copper tube which had good thermal conductivity and excellent welding performance with stove bracket into a whole，it closely absorbed lost heat of the flame around the stove，and heated up the water for daily use.Improved the out-water device，made it form a recycled structure with heating device to achieve the target of protecting the whole system.The innovative device enhanced the effect of energy utilization，reduced energy consumption and achieved the goal of energy saving.

heat recovery of oven；energy-saving and emission-reduction；heat absorption device

TK114

A

1673-0143（2015）02-0188-05

10.16389/j.cnki.cn42-1737/n.2015.02.016

2014-12-01

湖北省教育科學“十二五”規(guī)劃課題（2014B341）；武漢理工大學華夏學院重點教學研究項目（1404）

李 媛（1984—），女，講師，碩士，研究方向：汽車CAD/CAE。