聚能環(huán)材質(zhì)對(duì)灶具熱效率的影響

汪 昕，彭世尼(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400045)

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)家用燃?xì)庠罹叽蠖嗖捎么髿馐饺紵绞健ｎA(yù)混后的燃?xì)庠诔ㄩ_的大氣空間中進(jìn)行燃燒，根據(jù)熱平衡理論，燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量一部分被鍋和水吸收，稱為有效熱量；另一部分散發(fā)到環(huán)境中，被外界空氣、灶面、鍋架等吸收，稱為損失熱量。聚能環(huán)能夠改變二次空氣通道，減小了煙氣從鍋底流出通道的截面積，提高煙氣沖刷鍋底的速度，增強(qiáng)了與鍋底的對(duì)流換熱，使得有效熱量增加；并且阻止了多余的二次空氣進(jìn)入，使得熱損失減??；煙氣向外輻射和通過(guò)熱對(duì)流傳遞的熱量一部分傳遞給聚能環(huán)，聚能環(huán)上表面又通過(guò)輻射換熱將熱量傳遞給鍋底，使得損失熱量減小。

目前市場(chǎng)上主要的聚能環(huán)材質(zhì)為鑄鐵，其具有一體成型、整體性強(qiáng)和耐高溫的優(yōu)點(diǎn)。作為提升灶具熱效率的方法之一，許多學(xué)者力求尋找更適合的材料來(lái)制作聚能環(huán)，開發(fā)更高效、更節(jié)能的聚能環(huán)。宋百隆[1]對(duì)比了鑄鐵聚能環(huán)和不銹鋼聚能環(huán)，發(fā)現(xiàn)不銹鋼材質(zhì)更加均勻，表面更加光滑，提高了聚能環(huán)的熱輻射作用，因此熱效率較高；張恒[2]對(duì)比了鐵制、高硅氧、陶瓷聚能環(huán)，發(fā)現(xiàn)高硅氧聚能環(huán)對(duì)灶具熱效率提升更大。但是他們沒(méi)有經(jīng)過(guò)理論分析，是僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到結(jié)論。本文通過(guò)對(duì)比鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面分析聚能環(huán)材質(zhì)對(duì)灶具熱效率的影響。

2 聚能環(huán)對(duì)灶具熱效率的影響理論分析

2.1 熱平衡分析

① 灶具熱平衡分析

水從溫度t1加熱到溫度t2，整個(gè)過(guò)程的灶具熱平衡公式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=Qc1+Qc2+Qc3+

Qc4+Qc5

(1)

式中Qr1——燃?xì)鈳氲幕瘜W(xué)熱量,kJ

Qr2——燃?xì)鈳氲奈锢頍崃?kJ

Qr3——空氣帶入的物理熱量,kJ

Qc1——水和鍋吸收的熱量,kJ

Qc2——燃?xì)獠煌耆紵鸬臒崃繐p失,kJ

Qc3——高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量,kJ

Qc4——煙氣帶走的物理熱量,kJ

Qc5——釋放到環(huán)境(鍋架、灶面、空氣、聚能環(huán))的熱量,kJ

燃?xì)夂涂諝鈳氲奈锢頍崃亢苌?，可忽略。因此得到灶具熱效率公式為?/p>

(2)

式中η——灶具熱效率

一般來(lái)說(shuō)，燃燒溫度低于1 800 ℃時(shí)，熱離解反應(yīng)很微弱，多原子氣體離解所吸收的熱量Qc3可以不考慮[3]；燃?xì)庹Ｈ紵?，不完全燃燒引起的熱量損失Qc2也可以忽略不計(jì)。同樣的環(huán)境下，是否添加聚能環(huán)不會(huì)影響燃?xì)鈳氲幕瘜W(xué)熱量Qr1以及燃?xì)?、空氣帶入的物理熱量Qr2、Qr3。因此，主要分析聚能環(huán)對(duì)水和鍋吸收的熱量Qc1、煙氣帶走的物理熱量Qc4、釋放到環(huán)境的熱量Qc5的影響。

水和鍋吸收的熱量主要來(lái)自于煙氣與鍋底和鍋側(cè)面的輻射換熱和對(duì)流換熱，以及聚能環(huán)對(duì)鍋底的輻射換熱。由于鍋側(cè)面的煙氣溫度較低，對(duì)流換熱量、輻射換熱量較小，在此不做分析。

② 煙氣熱平衡分析

添加聚能環(huán)時(shí)，水從溫度t1加熱到溫度t2，整個(gè)過(guò)程煙氣的熱平衡公式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=QY1+QY2+QY3+QY4

(3)

式中QY1——煙氣通過(guò)熱輻射、對(duì)流換熱傳遞給鍋底的熱量，kJ

QY2——煙氣通過(guò)熱輻射、對(duì)流傳熱傳遞給聚能環(huán)的熱量，kJ

QY3——煙氣排出帶走的熱量(忽略鍋側(cè)面的換熱)，kJ

QY4——煙氣通過(guò)熱輻射、對(duì)流換熱傳遞給鍋架的熱量，kJ

不添加聚能環(huán)時(shí)，其煙氣熱平衡分析中，QY2應(yīng)為煙氣通過(guò)熱輻射、對(duì)流換熱傳遞給灶面、空氣的熱量，單位為kJ。

③ 聚能環(huán)熱平衡分析

添加聚能環(huán)時(shí)，水從溫度t1加熱到溫度t2，整個(gè)過(guò)程聚能環(huán)的熱平衡公式如下：

QJ1+QJ2=QJ3+QJ4+QJ5+QJ6

(4)

式中QJ1——聚能環(huán)通過(guò)輻射換熱從煙氣處獲得的熱量，kJ

QJ2——聚能環(huán)通過(guò)對(duì)流換熱從煙氣處獲得的熱量，kJ

QJ3——聚能環(huán)上表面通過(guò)輻射換熱傳遞給鍋底的熱量，kJ

QJ4——聚能環(huán)下表面通過(guò)對(duì)流換熱傳遞給環(huán)境空氣的熱量，kJ

QJ5——聚能環(huán)下表面通過(guò)輻射換熱傳遞給灶面的熱量，kJ

QJ6——聚能環(huán)自身所吸收的熱量，kJ

2.2 聚能環(huán)對(duì)煙氣與鍋底換熱量的影響

高溫?zé)煔馀c鍋底的對(duì)流換熱量可根據(jù)牛頓冷卻公式進(jìn)行計(jì)算：

Φ0=hA(ts-tp)

(5)

式中Φ0——高溫?zé)煔馀c鍋底的對(duì)流換熱量，W

h——煙氣與鍋底的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

A——煙氣與鍋底的對(duì)流換熱面積，取鍋底面積，m2

ts——煙氣的平均計(jì)算溫度，℃

tp——鍋底的平均計(jì)算溫度，℃

高溫?zé)煔馀c鍋底的對(duì)流換熱模型可以近似為穩(wěn)態(tài)常物性流體強(qiáng)制掠過(guò)平板層流模型，由理論模型推導(dǎo)出來(lái)的公式[4-5]可知：

(6)

式中ν——煙氣的運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s

a——煙氣的熱擴(kuò)散率，m2/s

u——煙氣掠過(guò)鍋底的平均流速，m/s

l——特征長(zhǎng)度，取鍋底半徑，m

根據(jù)文獻(xiàn)[6-7]的結(jié)論，鍋底溫度與鍋內(nèi)水的溫度差約為25 ℃，因此水溫從t1加熱到t2時(shí)，鍋底溫度的變化也相同。結(jié)合式(5)、(6)可知，影響高溫?zé)煔馀c鍋底對(duì)流換熱量的主要因素為ts和u。由于聚能環(huán)的存在，減小了煙氣從鍋底流出通道的截面積，提高了煙氣掠過(guò)鍋底的平均流速，使得煙氣與鍋底的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)變大。另外，聚能環(huán)的存在，減小了燃?xì)馀c外界空氣的接觸面積，降低了二次空氣系數(shù)，從而減少了單位體積燃?xì)馊紵傻臒煔饬?，而單位體積燃?xì)馊紵a(chǎn)生的熱量是不變的，這將使煙氣的平均溫度ts升高。綜上，添加聚能環(huán)會(huì)增大煙氣通過(guò)對(duì)流換熱傳遞給鍋底的熱量，使得水和鍋吸收的熱量Qc1變大，因此灶具的熱效率有提高趨勢(shì)。

此外，添加聚能環(huán)將提高煙氣的平均溫度，而鍋底的溫度不變，因此，添加聚能環(huán)也將提高煙氣向鍋底的輻射換熱量，增大水和鍋吸收的熱量Qc1，因此灶具的熱效率有提高趨勢(shì)。

2.3 聚能環(huán)與鍋底、灶面的輻射換熱量

聚能環(huán)與鍋底、灶面間的輻射換熱模型可以近似為兩塊平行平板(灰體)間的輻射換熱模型，由理論模型推導(dǎo)出的公式[5]有：

(7)

式中Φ——聚能環(huán)向鍋底(灶面)的輻射換熱量，W

A1——聚能環(huán)的表面積，m2

Tj——聚能環(huán)的溫度，K

Td——鍋底(灶面)的溫度，K

ε1——聚能環(huán)的發(fā)射率

ε2——鍋底(灶面)的發(fā)射率

X12——聚能環(huán)對(duì)鍋底(灶面)的角系數(shù)

τm——煙氣(空氣)的透射率

由式(7)可知，減小聚能環(huán)下表面的發(fā)射率，可以有效減少聚能環(huán)向灶面輻射的熱量，即減小釋放到環(huán)境的熱量Qc5；增大聚能環(huán)上表面的發(fā)射率，可以有效增加聚能環(huán)向鍋底輻射的熱量，即增大水和鍋吸收的熱量Qc1，從而有提高灶具熱效率的趨勢(shì)。

鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)的物性參數(shù)[5]見表1。

表1 不同材質(zhì)聚能環(huán)物性參數(shù)對(duì)比

3 添加聚能環(huán)時(shí)灶具熱效率測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取一臺(tái)固定的嵌入式燃?xì)庠罹哌M(jìn)行熱效率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)條件嚴(yán)格符合GB 30720—2014《家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》和GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺芬??？刂圃钋皦毫? 000 Pa，一次空氣調(diào)節(jié)閥門開度保持不變，分別在不加聚能環(huán)、添加鑄鐵聚能環(huán)、添加鋁制聚能環(huán)3種情況下，測(cè)試灶具的熱效率。為了使測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，同一條件下重復(fù)進(jìn)行3次測(cè)試，熱效率取3次測(cè)試的平均值，熱效率最大值與最小值的相對(duì)誤差不超過(guò)1%，否則重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了研究不同材質(zhì)聚能環(huán)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，在內(nèi)外環(huán)火焰中心處、鍋底煙氣出口處、聚能環(huán)表面處、灶面和鍋架處布置溫度測(cè)點(diǎn)，用熱電偶測(cè)量整個(gè)過(guò)程(規(guī)范要求鍋內(nèi)水溫從室溫加5 ℃升至室溫加55 ℃,本實(shí)驗(yàn)室溫為15 ℃，即該過(guò)程水溫從20 ℃升至70 ℃)各測(cè)點(diǎn)溫度。

為了研究聚能環(huán)對(duì)二次空氣的影響，利用煙氣取樣環(huán)采集煙氣并通過(guò)煙氣分析儀分析煙氣組成。

按式(8)計(jì)算灶具的實(shí)測(cè)熱效率：

(8)

m=m1+0.213m2

(9)

式中η1——灶具實(shí)測(cè)熱效率

m——實(shí)際加水量與鋁鍋換算為當(dāng)量加水量之和，kg

c——水的比熱容，kJ/(kg·K),取4.2 kJ/(kg·K)

t2——水終溫，℃

t1——水初溫，℃

V1——實(shí)測(cè)燃?xì)庀牧?，m3

QL——溫度為15 ℃，壓力為101.3 kPa狀態(tài)下燃?xì)獾牡蜔嶂?，kJ/m3，取33 223 kJ/m3

tg——測(cè)定時(shí)燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)鉁囟龋?/p>

pa——實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓力(絕對(duì)壓力)，kPa

pj——實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁坑?jì)處燃?xì)獾南鄬?duì)靜壓力，kPa

pb——溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力(絕對(duì)壓力)，kPa

m1——鋁鍋中水的質(zhì)量，kg

m2——鋁鍋的質(zhì)量,kg

實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接見圖1，煙氣取樣環(huán)與鍋底距離為30 mm。溫度測(cè)點(diǎn)分布見圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備連接

圖2 溫度測(cè)點(diǎn)分布

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。表2中過(guò)剩空氣系數(shù)是煙氣分析儀顯示的值。

由表2可知，不加聚能環(huán)時(shí)灶具熱效率最低，添加鑄鐵聚能環(huán)時(shí)灶具熱效率(絕對(duì)值)提高1.75%，添加鋁制聚能環(huán)時(shí)灶具熱效率(絕對(duì)值)提高3.22%，說(shuō)明不同材質(zhì)聚能環(huán)對(duì)灶具熱效率影響較大。3種情況下煙氣中的CO含量、NO含量均滿足規(guī)范要求，不加聚能環(huán)時(shí)過(guò)?？諝庀禂?shù)最大，由于鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)形狀基本一致，因此過(guò)?？諝庀禂?shù)幾乎相等，小于不加聚能環(huán)時(shí)的過(guò)剩空氣系數(shù)。

表2 不同情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

整個(gè)過(guò)程各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)見圖3～7，時(shí)間為水溫從20 ℃升至70 ℃的時(shí)間。

圖3 內(nèi)外環(huán)火焰中心溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖4 聚能環(huán)溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖5 鍋底出口煙氣溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖6 灶面溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖7 鍋架溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

由圖3可知，比較內(nèi)外環(huán)火焰中心溫度可知，鋁制聚能環(huán)溫度最高，其次是鑄鐵聚能環(huán)，不加聚能環(huán)溫度最低。由于聚能環(huán)的存在，減小了過(guò)?？諝庀禂?shù)，使得燃燒產(chǎn)生的煙氣量減小，從而使火焰溫度升高。由于鋁的密度遠(yuǎn)小于鐵，而且鋁制聚能環(huán)較薄,相同形狀的鑄鐵聚能環(huán)的質(zhì)量是鋁制聚能環(huán)的17倍，熱效率實(shí)驗(yàn)中聚能環(huán)吸收熱量的計(jì)算結(jié)果見表3。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，鑄鐵聚能環(huán)吸收的熱量遠(yuǎn)大于鋁制聚能環(huán)吸收的熱量，鋁制聚能環(huán)吸收的熱量?jī)H占燃?xì)鈳牖瘜W(xué)熱量的0.15%，而鑄鐵聚能環(huán)吸收的熱量占燃?xì)鈳牖瘜W(xué)熱量的1.27%。這是添加鋁制聚能環(huán)時(shí)灶具熱效率高的原因之一。

聚能環(huán)得熱主要途徑是高溫?zé)煔獾臒彷椛浜蛯?duì)流換熱。僅改變聚能環(huán)的材質(zhì)對(duì)過(guò)?？諝庀禂?shù)沒(méi)有影響，對(duì)燃燒場(chǎng)和流場(chǎng)影響很小。由于熱效率測(cè)試的整個(gè)過(guò)程，鋁制聚能環(huán)溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，而發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此鋁制聚能環(huán)從高溫?zé)煔馓帿@得的總熱量小于鑄鐵聚能環(huán)，因此內(nèi)外環(huán)火焰中心處煙氣溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，即添加鋁制聚能環(huán)后鍋底煙氣的平均溫度高。鍋底高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)對(duì)流換熱、輻射換熱傳遞給鍋底的熱量增多，提高了水和鍋吸收的熱量Qc1，從而有提高灶具熱效率的趨勢(shì)。

由圖5可知，比較鍋底出口煙氣溫度，添加鋁制聚能環(huán)和鑄鐵聚能環(huán)時(shí)差別不大，不加聚能環(huán)時(shí)鍋底出口煙氣溫度最低。但不加聚能環(huán)時(shí)過(guò)?？諝庀禂?shù)較大，燃燒產(chǎn)生的實(shí)際煙氣量也大于添加聚能環(huán)時(shí)的煙氣量，因此添加聚能環(huán)時(shí)煙氣帶走的物理熱量減少，這將導(dǎo)致熱效率提高。由表2可知，添加不同材質(zhì)聚能環(huán)時(shí)的過(guò)?？諝庀禂?shù)基本相同，且由圖5知，鍋底出口煙氣溫度也基本相同，因此煙氣帶走的物理熱量也基本相同。

由圖6可知，不加聚能環(huán)時(shí)灶面溫度最高，鑄鐵聚能環(huán)次之，鋁制聚能環(huán)最低。除了傳遞給鍋底的熱量外，煙氣向外輻射和通過(guò)熱對(duì)流傳遞的熱量傳遞給聚能環(huán)，雖然聚能環(huán)也會(huì)通過(guò)熱輻射傳遞給灶面一部分熱量，但其溫度小于煙氣的平均溫度，所以添加聚能環(huán)時(shí)，通過(guò)熱輻射傳遞給灶面的熱量少，即添加聚能環(huán)后灶面溫度變低，從而使得釋放到環(huán)境的熱量Qc5減小，有提高灶具熱效率的趨勢(shì)。由于鋁制聚能環(huán)的發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此其傳遞給灶面的熱量少于鑄鐵聚能環(huán)，即添加鋁制聚能環(huán)時(shí)灶面溫度低，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。后續(xù)實(shí)驗(yàn)可以考慮在聚能環(huán)下表面涂抹發(fā)射率更小的材料，從而減少聚能環(huán)輻射給灶面的熱量；在聚能環(huán)上表面涂抹發(fā)射率更大的材料，從而增加聚能環(huán)向鍋底輻射的熱量。

由圖7可知，添加不同材質(zhì)聚能環(huán)時(shí)，整個(gè)過(guò)程鍋架的溫升幾乎相等，即鍋架吸收的熱量大致相等。但鍋架溫度越高，散失到環(huán)境的熱量也會(huì)越大。后續(xù)實(shí)驗(yàn)可考慮選用對(duì)流換熱系數(shù)小、發(fā)射率小的材料作為鍋架。

4 結(jié)論和展望

① 針對(duì)兩種不同材質(zhì)(鑄鐵、鋁)聚能環(huán)，依據(jù)傳熱理論，分析聚能環(huán)對(duì)灶具熱平衡各部分熱量的影響。高溫?zé)煔馀c鍋底對(duì)流換熱量主要影響因素是煙氣與鍋底之間的平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)以及煙氣和鍋底的溫度差，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)與煙氣掠過(guò)鍋底的流速相關(guān)。聚能環(huán)減小了煙氣從鍋底流出通道的截面積以及煙氣與外界空氣接觸的面積，提高了煙氣掠過(guò)鍋底的平均流速并提高了煙氣的平均溫度，從而增加了水和鍋具吸收的熱量，灶具熱效率有提高的趨勢(shì)。除傳遞給鍋底的熱量外，煙氣向外輻射的熱量大部分被聚能環(huán)擋住并吸收，然后通過(guò)輻射換熱傳遞給鍋底繼而傳遞給鍋具和水，使得損失熱量減小。因此，添加聚能環(huán)能有效提高灶具的熱效率。

② 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：添加鋁制聚能環(huán)灶具的熱效率高于添加鑄鐵聚能環(huán)灶具。鋁制聚能環(huán)溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，而發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此鋁制聚能環(huán)從高溫?zé)煔馓帿@得的總熱量小于鑄鐵聚能環(huán)，因此內(nèi)外環(huán)火焰中心處煙氣溫度大于鑄鐵聚能環(huán)，即添加鋁制聚能環(huán)后鍋底煙氣的平均溫度高。鍋底高溫?zé)煔馔ㄟ^(guò)對(duì)流換熱、輻射換熱傳遞給鍋底的熱量增多，提高了水和鍋具吸收的熱量，從而有提高灶具熱效率的趨勢(shì)。添加聚能環(huán)時(shí)，通過(guò)熱輻射傳遞給灶面的熱量減少，有提高灶具熱效率的趨勢(shì)。由于鋁制聚能環(huán)的發(fā)射率小于鑄鐵聚能環(huán)，因此其傳遞給灶面的熱量少于鑄鐵聚能環(huán)，因此添加鋁制聚能環(huán)時(shí)灶面溫度低。添加不同材質(zhì)聚能環(huán)時(shí)，整個(gè)過(guò)程鍋架吸收的熱量大致相等。

③ 為了結(jié)論的通用性，后續(xù)應(yīng)選擇更多材質(zhì)的聚能環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，或在聚能環(huán)上下表面涂抹涂層驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論。