追本溯源 提升灶具熱效率

吳亭

能源消耗是發(fā)展中國家面對(duì)的主要問題，能源消耗帶來的環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重。低碳、節(jié)能、環(huán)保已成為我國發(fā)展的重要國策。《GB 30720-2014 家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》屬于國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，也已于2015年4月1日實(shí)施。熱效率是判斷燃?xì)庠钚阅軆?yōu)越的重要參數(shù)之一，為響應(yīng)國家號(hào)召，燃?xì)庠顭嵝实挠行嵘渤蔀楦髌髽I(yè)的研究課題，都希望有所突破和創(chuàng)新。使其達(dá)到一級(jí)能效，或超一級(jí)能效。

本文通過因果鏈系統(tǒng)的分析影響熱效率的因素，拓展改進(jìn)熱效率的創(chuàng)新思維與方法。得出更多改進(jìn)熱效率的方法與方向。

從熱效率測試方法和要求中找原因

根據(jù)《GB 30720-2014 家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的灶具熱效率測試方法及要求，現(xiàn)階段提升熱效率主要采取的措施：

一、提供相對(duì)充足的補(bǔ)充空氣使其完全燃燒，提高燃燒強(qiáng)度，并降低CO排放，從而提高燃燒溫度并降低鍋支架高度，減少熱損失。

二、增大燃?xì)庠顭嶝?fù)荷，改變測試熱效率的選鍋，來加大鍋底受熱面積，達(dá)到提高熱效率的目的。

三、增加聚熱盤，降低煙氣帶有的熱量，提升熱效率。

以上三種方法都可作為提升熱效率的方案，但并未經(jīng)過系統(tǒng)的邏輯分析。

因果鏈分析可以幫助我們更加深入的了解問題的根本原因及本質(zhì)，通過因果鏈條的詳細(xì)分析，可建立影響熱效率的模型，通過分析模型達(dá)到對(duì)熱效率、煙氣等問題提出改善方向或措施。本文基于因果分析中五個(gè)為什么為基礎(chǔ)模型，找出影響熱效率的根本原因。在深入分析前簡單介紹理論知識(shí)及基本要求。

因果鏈：根本原因與結(jié)果之間存在一系列的因果關(guān)系，構(gòu)成一條或多條的因果關(guān)系鏈。

因果鏈分析：通過構(gòu)建因果鏈指出事件的發(fā)生原因和導(dǎo)致的結(jié)果的分析方法。其主要目的：發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生的根本原因，發(fā)現(xiàn)問題產(chǎn)生和發(fā)展鏈中的“薄弱點(diǎn)”，為解決問題找到入手點(diǎn)。

因果鏈分析的基本要求：1. 分析原因，而非目的。通過現(xiàn)象分析本質(zhì)。2.遵循物理原理。3.影響因素不重復(fù)，不遺漏。4.因果分析結(jié)束條件，當(dāng)不能找到下一層原因時(shí)，當(dāng)達(dá)到自然現(xiàn)象時(shí)，當(dāng)達(dá)到制度、法規(guī)、權(quán)利或成本等極限時(shí)無需再分析原因。

綜上所述，通過因果鏈分析方法對(duì)灶具熱效率進(jìn)行分析，使其得出的影響熱效率的因素及改善措施邏輯性更強(qiáng)，影響因素更加緊湊。

根據(jù)模型圖可以清晰看出，影響熱效率的二大因素：一個(gè)是可燃?xì)怏w燃燒不充分，另一個(gè)是燃燒釋放熱量的損失。再進(jìn)一步向下分析，影響上述二大因素的條件及參數(shù)也很多，以此類推，逐層分析到最根本原因。解決模型中的任意影響因素和路徑，灶具熱效率都會(huì)得到一定的改善，但需要找出關(guān)鍵路徑，且多因素同時(shí)改善才能使熱效率得到更大的提升。這就將提升熱效率的問題轉(zhuǎn)移成為了改進(jìn)諸多根本原因的問題，使問題更簡單化、系統(tǒng)化并有邏輯性，思路更廣。

從源頭出發(fā)尋找改善熱效率的具體措施

熱效率是判斷燃?xì)庠钚阅軆?yōu)越的重要參數(shù)之一，但另一個(gè)判斷灶具性能的重要參數(shù)就是燃燒后煙氣中有害物質(zhì)CO及氮氧化物的排放。不能只提升熱效率，同時(shí)需要兼顧煙氣中有害物質(zhì)的排放。因此，在提升熱效率的同時(shí)，煙氣中有害物質(zhì)的排放要達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，這是前提。

1、燃燒不充分影響熱效率

應(yīng)使可燃?xì)怏w充分燃燒，提供更高的熱能，另外燃燒不充分也會(huì)導(dǎo)致煙氣中有害物質(zhì)的排放量增多，直接影響灶具性能。首先應(yīng)改善影響的關(guān)鍵因素。通過分析，影響燃?xì)馊紵怀浞值闹饕P(guān)鍵因素，主要由引射能量損失及可燃?xì)怏w與空氣混合不均導(dǎo)致的。

a.引射能量損失主要由以下幾個(gè)關(guān)鍵因素影響：噴嘴結(jié)構(gòu)、引射管設(shè)計(jì)參數(shù)、壓力損失、火孔面積。

噴嘴結(jié)構(gòu)在改善及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：噴嘴收縮角度的選取，根據(jù)需要一般為15°至60°之間，15°引射效果要優(yōu)于60°。帶旁孔的噴嘴應(yīng)注意旁孔的大小及旁孔與噴嘴出氣口間的距離。

引射管主要考慮管參數(shù)設(shè)計(jì)，但容易被忽略的是噴嘴與引射管裝配后的同軸度及引射管的表面粗糙度對(duì)引射能量的影響。引射管參數(shù)設(shè)計(jì)這里不做具體介紹，但需強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，帶混合管的引射管引射效果更佳。

壓力損失，這一點(diǎn)最容易被忽略，噴嘴前的壓力主要是由于閥體截流照成，因此閥體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選擇也會(huì)直接影響噴嘴的設(shè)計(jì)參數(shù)。

另外火孔面積的大小也是影響引射能力的影響因素，在符合灶具性能標(biāo)準(zhǔn)的前提下，火孔面積應(yīng)做到最大。

b. 可燃?xì)怏w與空氣混合不均，改善該問題也會(huì)使燃燒更充分，有效減少煙氣中有害物質(zhì)的排放，在設(shè)計(jì)燃燒器及改善燃燒效果時(shí)，應(yīng)注意燃燒器混合腔體容積是否滿足要求，腔體氣流是否順暢，這些因素都會(huì)影響燃燒效果。

2、 燃燒后熱量的損失是影響熱效率的另一大因素

根據(jù)傳熱學(xué)知識(shí)可知，傳熱分為熱傳導(dǎo)、對(duì)流換熱、輻射換熱三種，因此需從這3個(gè)方面考慮，減少傳熱過程的損失。其實(shí)減少熱損失就是使換熱過程中要求的溫差做到最大。

對(duì)流換熱過程損失：從因果鏈分析模型可知，主要就是由換熱前煙氣溫度及換熱面積決定。首先就要降低煙氣帶走的熱量及相對(duì)增大換熱面積。

現(xiàn)主要措施：

①控制過?？諝庀禂?shù)，減少過多煙氣產(chǎn)物帶走的熱量。因此設(shè)計(jì)灶具燃燒器時(shí)應(yīng)注意一次空氣與二次空氣的合理搭配。

②現(xiàn)煙氣排放空間大易散熱。降低鍋支架高度，能有效減少向周圍的散熱量，現(xiàn)設(shè)計(jì)的鍋支架有效高度為18～22mm。

③相對(duì)增大換熱面積及換熱時(shí)間。主要措施：

在燃燒器直徑不變的情況下：

a. 通過設(shè)計(jì)火焰的形狀與分布實(shí)現(xiàn)火焰與鍋底換熱面積的增加，例如，現(xiàn)在燃燒器所說的直火，還有就是旋火。若都能保證燃燒工況。在鍋支架相對(duì)高度一樣的情況下旋火效率應(yīng)該比直火高。若空氣補(bǔ)充不足的情況下，可利用鼓風(fēng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

b.通過改變出火孔的角度，從而改變火焰與鍋底的接觸面積，通過實(shí)驗(yàn)證明現(xiàn)設(shè)計(jì)的可達(dá)到一級(jí)能效的燃燒器其火孔角度由原30°調(diào)整為35°至40°。

c.設(shè)計(jì)一款內(nèi)燃燃燒器，其火焰形狀為A型，區(qū)別于其他火焰V型，增大與鍋底的換熱面積。另一種方法，在滿足燃燒工況的前提下，盡量減少燃燒器直徑，這樣就相對(duì)增大了受熱面積。

輻射換熱損失：從因果鏈分析模型可知也是主要由溫度、面積及輻射系數(shù)等影響，減少向周圍物質(zhì)輻射的熱。現(xiàn)主要措施：

①降低向周圍物質(zhì)輻射的熱量，利用集熱裝置?？蓪⑾蛑車椛涞臒崃糠祷?，減少火焰及高溫?zé)煔鈱?duì)周圍散熱，增加高溫?zé)煔馀c鍋底的接觸時(shí)間及溫度，即增大了換熱強(qiáng)度。

②輻射面積的控制：同理減少燃燒器直徑，減少了向周圍輻射的面積，減少了輻射損失。

③輻射系數(shù)要合理。因此選材要合理。

熱傳導(dǎo)損失：減少加熱過程熱傳導(dǎo)的損失。

①盡量減少不相關(guān)的接觸及控制接觸面積。例如減少火焰與鍋支架吸收的接觸，火焰設(shè)計(jì)避開鍋支架片，改變鍋支架材質(zhì)。從而降低通過鍋支架向面板及周圍環(huán)境的散熱，減少熱損失；還可以減少火焰與鍋支架接觸后空氣補(bǔ)充不充分，煙氣改善等問題。

②減少傳導(dǎo)的損失，選擇傳導(dǎo)系數(shù)低或者不蓄熱的材料。

3、改變換熱方式的比例

現(xiàn)有大氣式燃?xì)庠畲蠖紴閷?duì)流換熱為主，輻射換熱為輔?？筛鶕?jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加輻射換熱的百分比，大氣式及紅外式結(jié)合的燃?xì)庠?。因?yàn)楦鶕?jù)輻射換熱公式在溫差相同的情況下其換熱效率比對(duì)流換熱高的多，例如紅外線灶具主要以輻射換熱為主，對(duì)流換熱為輔。其熱效率一般比大氣式高出5個(gè)點(diǎn)左右。另外輻射換熱一般為全預(yù)混燃燒方式，其燃燒完全，燃燒溫度更高，燃燒工況更好。因此其鍋支架高度相對(duì)較低，熱損失少。也是其熱效率高的重要因素。

以上措施都可有效的提高灶具的熱效率，但前提是保證灶具的燃燒工況的前提下。筆者只是針對(duì)提高熱效率的方法做了方向性簡單的探討，使燃燒更充分應(yīng)從以上多個(gè)關(guān)鍵因素同時(shí)改進(jìn)，才能達(dá)到更好的效果。每個(gè)環(huán)節(jié)的具體實(shí)施方案還有許多，對(duì)于不同情況還需做出具體分析，通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步完善。