兩種生物質(zhì)柴灶的熱工性能實驗研究

劉穎 王宗山 徐策 寧美玲 端木琳

大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

兩種生物質(zhì)柴灶的熱工性能實驗研究

劉穎 王宗山 徐策 寧美玲 端木琳*

大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部

為了分析內(nèi)置水集熱器生物質(zhì)柴灶與普通生物質(zhì)柴灶的熱工性能，本文對這兩種柴灶進行了燃燒實驗。在不同實驗工況的對比中，得到了兩種柴灶的工作特性溫度數(shù)據(jù)。通過比較兩種柴灶的升溫段供熱強度、蒸發(fā)段供熱強度、降溫段散熱量等熱工指標(biāo)，對兩種柴灶進行了熱工性能分析。實驗結(jié)果表明，內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶在各項性能上的表現(xiàn)都優(yōu)于普通生物質(zhì)柴灶，是一種有效利用生物質(zhì)能新型柴灶。

柴灶 集熱器 熱工性能

柴灶的使用在我國已經(jīng)有悠久的歷史，但是沿用多年的傳統(tǒng)灶熱效率很低，僅為10%～12%。近幾十年來，國家大力推進改造柴灶項目，經(jīng)改造后的節(jié)煤省柴灶與傳統(tǒng)爐灶相比，在熱效率、燃料消耗、污染物排放方面有了很大進步，可達到熱效率20%以上的要求，較傳統(tǒng)柴灶的熱效率有了很大的提升[1]。節(jié)柴灶雖經(jīng)多年推廣，但對于其各項性能的分析大多是經(jīng)驗總結(jié)，本文就生物質(zhì)柴灶熱工性能做了實驗和分析，實驗中選用了兩種農(nóng)村地區(qū)常見的內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶和普通生物質(zhì)柴灶分別做了燃燒實驗，通過實驗結(jié)果的計算，對兩種柴灶的熱工性能中的升溫段供熱強度、蒸發(fā)段供熱強度、降溫段散熱量等性能參數(shù)進行了分析。

1　兩種柴灶的性能對比燃燒實驗

1.1實驗內(nèi)容

本實驗的實驗對象為內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶（圖1）和普通生物質(zhì)柴灶（圖2）。內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶較普通生物質(zhì)柴灶而言，在灶膛內(nèi)增加了水集熱器，灶體也設(shè)計成內(nèi)部有帶水內(nèi)腔的形式，水在灶膛內(nèi)部可循環(huán)流動，灶的右下角底部設(shè)有進水口，灶頂面左上角設(shè)有出水口，在燃料燃燒為鍋加熱的同時也可以加熱水集熱器中的水，被加熱的水可以提供生活用水或連入散熱器為需要供熱的房間供暖。普通生物質(zhì)柴灶為鐵質(zhì)圓形灶體柴灶。

圖1　內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶圖

圖2　普通生物質(zhì)柴灶圖

本實驗參考了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對于民用柴灶熱性能試驗方法的規(guī)定[2]，對鍋水溫度變化、鍋水質(zhì)量變化進行了測試，計算出實驗所用柴灶的升溫段供熱強度、升溫段功率等參數(shù)，文獻[2]中僅對燃料開始燃燒到鍋水沸騰后溫度降低到比沸騰溫度低2℃這一時間段內(nèi)灶體特性做計算。本文為完整分析柴灶在整個燃燒過程中的熱量變化，尤其是炊事部分熱工性能，對實驗過程進行了修改，把實驗時間修改為鍋水溫度從升溫、沸騰到下降的全過程。為了對兩種柴灶做一個比較，本文還對兩種柴灶的整體熱量分配情況做了簡單的計算。

根據(jù)實驗內(nèi)容，使用熱電偶對鍋內(nèi)水溫度、集熱器內(nèi)水溫度、煙氣溫度進行了測試，用煙氣分析儀對煙氣成分進行了分析。實驗中鍋水溫度測試使用的是鎧裝熱電偶，測溫范圍是0～600℃，精度Ⅰ級。集熱管內(nèi)水溫測試使用的是鎧裝熱電阻，測溫范圍是0～100℃，精度A級。柴灶集熱器內(nèi)水系統(tǒng)流量測試使用轉(zhuǎn)子流量計，量程為60～600L/h，精度為±2.5%。燃料質(zhì)量測量使用的是工業(yè)電子臺秤，量程為0～30kg，精度為±0.1g。在實驗中為保證測試的準(zhǔn)確性，實驗前對實驗所用的熱電偶、熱電阻進行了恒溫水浴標(biāo)定。

1.2實驗工況

為了對內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶的熱工性能做分析，本文設(shè)計了四組實驗工況進行對比實驗。其中實驗1、2和實驗3、4兩個對比組僅添柴量不同，其余實驗條件均相同，每組實驗的鍋水沸騰時間不同，可用來計算沸騰段放熱效率。實驗2、3添柴量相同，但使用柴灶類型不同，可比較兩種柴灶在燃料燃燒各階段熱工性能參數(shù)。四組實驗使用的燃料均為木柴，實驗1、2使用木頭的低位發(fā)熱量值為15.17MJ[2][3]，實驗3、4使用木頭的低位發(fā)熱量為15.13MJ[2～3]，實驗工況具體如表1所示，以下分別對四組實驗工況以實驗1、2、3、4代指。

表1　實驗工況一覽表

根據(jù)文獻[2]中規(guī)定，實驗環(huán)境溫度要求10～30℃，相對濕度小于85%，風(fēng)速小于1.0m/s。

根據(jù)實際燒柴經(jīng)驗，本次燃燒實驗設(shè)計工況為每次燒水7.36kg，燒柴量為2kg、2.5kg和3kg三種工況，每次實驗持續(xù)時間均為116分鐘。這種燒柴量可在實驗開始20～30分鐘左右燒開鍋水，這樣剛好符合正常家庭炊事操作時的燒柴時間。為了保持灶膛內(nèi)燃料相對穩(wěn)定的燃燒，避免實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大明顯振蕩。實驗中每次燒柴均為同一人操作，并采用隨時觀察灶內(nèi)燃料燃燒情況，視燃燒情況隨時補充燃料的添柴方式。經(jīng)過多次實驗經(jīng)驗，最佳添柴方式為每隔2～3分鐘，每次添柴0.2kg左右。

2　實驗結(jié)果

圖3中所示是實驗中鍋內(nèi)水的溫度變化，從圖中可看到各組實驗的沸騰用時、沸騰持續(xù)時間、鍋水初始溫度、鍋水沸騰溫度等。

圖3　實驗中鍋水溫度變化曲線

實驗1中，7.36kg水在加熱過程中，由初始的29.53℃升高至99℃，在燃料燃燒17分鐘后達到沸騰狀態(tài)99℃，耗費木柴1.158kg，并保持沸騰狀態(tài)17min40s，隨著燃料的燃盡，溫度降至59.3℃。

實驗2中，7.36kg水在加熱過程中，由初始的13.67℃升高至99℃，在燃料燃燒22分鐘后達到沸騰狀態(tài)99℃，耗費木柴1.26kg，并保持沸騰狀態(tài)30分鐘，隨著燃料的燃盡，溫度降至60.12℃。

實驗3中，7.36kg水在加熱過程中，由初始的18.54℃升高至99℃，在燃料燃燒29min20s后達到沸騰狀態(tài)98℃，耗費木柴2.2kg，并保持沸騰狀態(tài)9分鐘，隨著燃料的燃盡，溫度降至72.35℃。

實驗4中，7.36kg鍋水在加熱過程中，由初始的25.15℃升高至98℃，在燃料燃燒28min40s后達到沸騰狀態(tài)98℃，耗費木柴1.6kg，并保持沸騰狀態(tài)31分鐘，隨著燃料的燃盡，溫度降至80.60℃。

將實驗1～4信息總結(jié)如表2所示。

表2　實驗過程信息

圖4所示為內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴燃燒實驗集熱器內(nèi)供水溫度變化曲線。實驗1中柴灶能將系統(tǒng)內(nèi)的水從初始溫度27.3℃加熱到最高溫度54.8℃。實驗2中柴灶能將系統(tǒng)內(nèi)的水從初始溫度18.1℃加熱到最高溫度53.9℃。系統(tǒng)內(nèi)水的流量為540kg/h。在平穩(wěn)運行階段，柴灶集熱器內(nèi)供回水溫度差保持在10℃左右穩(wěn)定向外釋放熱量。

圖4　實驗1、2中柴灶集熱器中水溫度變化曲線

3　實驗結(jié)果分析

3.1升溫段

升溫段供熱強度是從灶內(nèi)引火物點燃開始，至將一定量常溫鍋水升溫到沸點的期間內(nèi)，單位時間鍋水所吸收的熱量，表明柴灶的起動性能。根據(jù)內(nèi)置集熱器生物質(zhì)柴灶的特殊結(jié)構(gòu)，本文對升溫段供熱強度做了特別計算，升溫段供熱強度除計算鍋水吸收熱量外，增加計算了鍋水升溫段水集熱器內(nèi)水吸收的熱量，把兩者的供熱強度和記為升溫段總供熱強度。根據(jù)式（1）～（4），對各組實驗進行水升溫段吸收熱量、供熱強度做計算[2、4]，過程如下：

式中：Qsf為水沸騰所吸收的熱量，kJ；4.18為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；Gs1為初始鍋水量，kg；P1為升溫段供熱強度，kW；t2-t1為鍋水的沸騰溫度與初始溫度之差，℃；T2-T1為鍋水溫度達到沸點時間與燃料起燃時間之差，min；Qj1為集熱器內(nèi)水在鍋水升溫段吸收的熱量，kJ；Gs為集熱器內(nèi)水的質(zhì)量流量，kg/h；tg-th為柴灶集熱器內(nèi)供回水逐時溫度差（按每分鐘取值計算），℃；Pj1為鍋水升溫段柴灶集熱器供熱強度，kW。

表3　升溫段實驗參數(shù)計算結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)看到：實驗1、2的升溫段鍋水吸收熱量與實驗3、4接近，但實驗1、2的升溫段供熱強度大于實驗3、4，因此內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶在起動性能方面優(yōu)于普通生物質(zhì)柴灶。經(jīng)分析原因如下：實驗1所使用的柴灶形狀為上半段梯形、下半段長方形的結(jié)構(gòu)，并配有爐壁，這樣的結(jié)構(gòu)更有利于燃料放熱，使得鍋水升溫速度快，而實驗2所使用的柴灶為圓柱形外形，且無爐篦，燃燒充分和未燃燒的燃料不能被分隔開，且無爐篦的柴灶僅有爐門一個通風(fēng)口，使得燃燒時通風(fēng)換氣效果較差，影響燃料放熱速率。

3.2蒸發(fā)段

蒸發(fā)段是從鍋水開始沸騰至鍋水溫度降低至低于沸點2℃之間的時間段。蒸發(fā)段供熱強度是在鍋水蒸發(fā)階段，單位時間鍋水吸收的熱量，表明柴灶的持續(xù)供熱能力。根據(jù)本實驗所使用研究對象的特殊結(jié)構(gòu)，本文對蒸發(fā)段供熱強度做一特殊計算，蒸發(fā)供熱強度除計算鍋水吸收熱量外，增加計算了鍋水蒸發(fā)段水集熱器內(nèi)水吸收的熱量，把兩者的供熱強度和記為蒸發(fā)段總供熱強度。蒸發(fā)段供熱強度可根據(jù)式（5）～（8）計算[2、4]：

式中：Qsh為水的汽化潛熱總熱量，kJ；qr為水的汽化潛熱，2253kJ/kg；P2為蒸發(fā)段供熱強度，kW；Gs2為鍋水達到沸點時的質(zhì)量，k；Gs2-Gs1、Gs3為溫度降至低于沸點2℃時的鍋水量，kg；T3-T2為灶內(nèi)鍋水溫度降至低于沸點2℃的時間與達到沸點時間之差，min；Qj2為集熱器內(nèi)水在鍋水蒸發(fā)段吸收的熱量，kJ；Pj2為鍋水蒸發(fā)段柴灶集熱器供熱強度，kW。

計算結(jié)果見表4。

表4　蒸發(fā)段實驗參數(shù)計算結(jié)果

實驗1、2采用的是內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶。實驗3、4采用的是普通生物質(zhì)柴灶?？梢钥吹狡胀ú裨畹恼舭l(fā)段供熱強度大于內(nèi)置水集熱器的柴灶，針對本文研究柴灶的結(jié)構(gòu)特殊性，為對比柴灶的持續(xù)供熱能力需要比較的是蒸發(fā)段總供熱強度，也就是鍋水吸收熱量和集熱器內(nèi)水得熱總供熱強度。實驗1、2兩組實驗中內(nèi)置水集熱器的柴灶蒸發(fā)段總供熱強度分別為5.96kW和6.75kW，大于實驗3、4兩組實驗中普通生物質(zhì)柴灶蒸發(fā)段總供熱強度3.49kW和2.72kW，具有更強的持續(xù)供熱能力。

3.3降溫段

由實驗結(jié)果可以看到，內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶在沸騰后的蒸發(fā)階段熱量利用效率和放熱功率均大于普通生物質(zhì)柴灶。

在鍋水沸騰結(jié)束后的降溫階段，根據(jù)溫度變化曲線可以看到，內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶水溫下降曲線斜率明顯大于普通生物質(zhì)柴灶的水溫下降曲線斜率。經(jīng)計算，四組實驗溫度下降速度如表5所示。

表5　降溫段水溫下降速率

水溫下降速率受灶膛內(nèi)剩余燃料放熱量和灶體向外散熱量兩者差的影響。分析原因如下：內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶在升溫階段燃料已較充分燃燒，熱量已大量釋放出來，因此在降溫段燃料內(nèi)剩余熱量減少，在這階段燃料所釋放的熱量較普通生物質(zhì)柴灶而言也較少。

式中：Qj3為集熱器內(nèi)水在鍋水降溫段吸收的熱量，kJ；T4為實驗結(jié)束的時間，min。

根據(jù)式（9）計算，在鍋水降溫段，實驗1、2中集熱器內(nèi)水得熱總量分別為0.981MJ，1.083MJ。占總?cè)剂戏艧崃勘壤謩e為3%，3%。

3.4柴灶內(nèi)熱量分配

上文對各個時段內(nèi)兩種柴灶的熱工性能做了分析，分析結(jié)果總結(jié)如表6中數(shù)據(jù)所示。

表6　柴灶熱工性能總結(jié)表

4　結(jié)論

1）內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶和普通生物質(zhì)柴灶的炊事熱量和煙氣熱量所占的比例相差不大，說明內(nèi)置水集熱器柴灶增設(shè)的水系統(tǒng)并未使原柴灶在炊事、煙氣兩部分熱量的分配減少，只是在原熱量分配利用的基礎(chǔ)上利用了煙氣的余熱為水系統(tǒng)提供了熱量。在加設(shè)集熱器后，內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶在蒸發(fā)段總供熱強度平均為6.36kW，普通生物質(zhì)柴灶的蒸發(fā)段總供熱強度僅為3.11kW，說明改進后的內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶的持續(xù)供熱能力優(yōu)于普通生物質(zhì)柴灶。這部分余熱利用所得到的熱量可用來供熱或提供生活熱水。

2）內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶在鍋水升溫段供熱強度平均為2kW,普通生物質(zhì)柴灶供熱強度平均為1.37kW。通過對比看到，內(nèi)置水集熱器的生物質(zhì)柴灶在起動性能上優(yōu)于普通生物質(zhì)柴灶。分析原因為內(nèi)置水集熱器的柴灶形狀為上半段梯形、下半段長方形的結(jié)構(gòu)，并配有爐篦，這樣的結(jié)構(gòu)更有利于燃料燃燒放熱，使得柴灶起動性能好。

3）兩種柴灶的熱效率均高于傳統(tǒng)柴灶10%～12%，是結(jié)構(gòu)較合理的生物質(zhì)柴灶，并且在此熱效率基礎(chǔ)上內(nèi)置水集熱器柴灶中的水可吸收總熱量的44%作為有效輸出熱量。

[1]陳曉夫,張偉豪,劉廣青,等.我國戶用生物質(zhì)爐灶的發(fā)展和應(yīng)用[J].可再生能源,2010,28(4):118-122

[2]民用柴爐、柴灶熱性能測試方法(NY/T8-2006)[S].

[3]徐有明.木材學(xué)[M].北京:中國林業(yè)出版社,2006

[4]吳味隆.鍋爐及鍋爐房設(shè)備[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2006

Experimental Study on Thermal Performance of Two Types of Biomass Cooking-stoves

LIU Ying,WANG Zong-shan,XU Ce,NING Mei-ling,DUANMU Lin*
Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology

In order to make a thermal performance analysis on two different types of biomass cooking stoves which are stove with water collector tube and ordinary stove,two experiments using these two cooking-stoves were made.The experiment data were got in different experimental conditions for comparison.The thermal performance analysis is made by making comparisons of calefactive heat intensity,vaporizing heat intensity,thermal efficiency,etc.The experimental results show that the biomass cooking-stove with water collector tube is worth spreading widely which has a higher efficiency on heat using than the ordinary biomass cooking-stove.

cooking-stove,heat collector,thermal performance

1003-0344（2015）06-001-5

2014-6-25

端木琳（1959～），女，博士，教授；遼寧省大連市大連理工大學(xué)綜合實驗四號樓238（116024）；E-mail:duanmulin@sina.com

十二五國家科技支撐計劃課題（2012BAJ26B06）