锅支架对燃气灶具热效率热效率的影响研究

锅支架对燃气灶具热效率热效率的影响研究

王恩香 ,王坚 ,范永日

杭州老板电器股份有限公司

摘要：为实现燃气灶具热效率炉节能降耗精细化管理，基于不确定度评定理论开展了燃气灶具热效率炉热效率热效率测量方法的选择性研究。结果表明：燃气灶具热效率炉的正平衡测量法测试中，给水流量测量对热效率热效率不确定度影响最大；反平衡法测量法测试中，排烟温度和排烟处O２的测量对热效率热效率不确定度影响最大。降低燃气灶具热效率炉热效率热效率测量的不确定度主要是减少温度类与流量类测量的不确定度。燃气灶具热效率炉的反平衡测量法所测得的热效率热效率扩展不确定度为0.193%，仅为正平衡测量法的热效率热效率扩展不确定度的52.7%，因此，在进行燃气灶具热效率炉热效率热效率测量时可仅选择反平衡测量法测试，这可以大大降低大量燃气灶具热效率炉热效率热效率测试的劳动强度，为《工业锅炉热效率工性能试验规程》的修订提供理论依据。

关键词：锅支架；燃气灶具；热效率热效率；影响研究

引言

现有的全预混锅支架对换热效率器材质主要有铸铝和不锈钢两种类型，其中家用热效率热效率设备中以不锈钢锅支架对换热效率器居多。目前常见的全预混锅支架对换热效率器换热效率管大多为不锈钢盘管式结构，这两类换热效率器 的共同特点在于，它们的换热效率管间隙即烟气换热效率通道，设置得非常狭小。在有限换热效率面宽度上，只有当烟气换热效率通道足够狭窄，才能保证高温烟气掠过时，不会产生过厚的流体边界层和偏差悬殊的温度梯度，从而实现烟气与换热效率管的高效换热效率。但从其实际应用的综合表现来看，在我国部分空气环境恶劣、燃气含硫杂质较多的区域，该类型换热效率器烟气侧容易被燃烧后的杂质生成物、灰尘及冷凝水等多因素相互作用，产生污垢堵塞烟气换热效率通 道，导致烟气侧换热效率热效率降低。目前，需要定期对换热效率管进行较频繁的清洗维护，以保持换热效率管的换热效率面光洁，尚无其他较为完善的解决方案。频繁的养护周期也带来了较高的养护成本。

因此，围绕全预混锅支架对热效率交换器防堵性能和热效率热效率提升两方面内容，通过结构上的组合调整，以螺旋扭曲扁管管束作为冷凝管芯，结合不锈钢翅片盘管，对燃气热效率热效率设备的换热效率器整体结构进行了新组合设 计，并通过实验室进行整机匹配作了防堵模拟及换热效率性能试验研究，以验证新设计冷凝换热效率器结构的合理性。

1燃气锅炉热效率测量的不确定度分析原则

进行不确定度分析，首先要建立满足测量不确定度评定所要求的测量模型，然后，根据实际情况对各输入量进行Ａ类或Ｂ类不确定度评定，接着通过求偏导、数值计算或试验测量得到灵敏系数，计算出各输入量的不确定度分量，最后求出合成标准不确定度及扩展不确定度，给出不确定度分析结果。

2研究对象与方法

2.1 研究对象

以某型号集成灶为研究平台，对其炉头的火盖结构和分火器结构进行改造。将分火器中原平台的同心圆燃气入口改造为两个独立燃气入口。在分火器上添加射流入口，该入口与合成射流发生器相连接。在外环火盖上部添加射流盖，射流出口狭缝位于外环火孔上方。当合成射流发生器工作时，射流出口就会产生竖直向上的合成射流流动。实验中合成射流的激励频率为50Hz。

2.2 热效率测试方法

家用燃气灶具国家标准（GB 16410-2007）中规范了大气式燃气灶热效率的测试标准。然而国家标准 中所选取锅具的尺寸较大，且盛水量较大，偏离用户实际使用工况。因此，为了更贴近用户实际使用工况，本文以3种不同尺寸的市售锅具为测试用锅，加水量为 1kg。其中小煮锅壁厚为2mm，其他主要尺寸。其余测试标准参考家用燃气灶具国家标准。实验分别测试了燃气灶具关闭和开启三挡状态下无控制和控制后的热效率。

2.3 燃烧仿真方法

本文主要关注合成射流对火焰及锅具加热过程的影响，因此对于炉头内结构和锅支架进行了适当简化。仿真分析了燃气灶具关闭条件下对200mm口径小煮锅加热工况。采用 Realizable k-ε湍流模型，采用DO模型考虑辐射传热。燃烧反应采用Finite-Rate/Eddy-Dissipation模型。燃烧化学反应考虑CH4两步反应，化学反应动力学参数见参考文献。对于无合成射流控制（无控制）工况采用稳态仿真，对于合成射流控制（控制后）工况采用非稳态仿真。合成射流控制工况中合成射流发生器壁面做周期性往复运动，壁面运动函数采用UDF定义，采用 Smoothing动网格策略。时间步长设置为1/100个壁面运动周期（2×10-4s），每个时间步长内迭代30次。热效率计算中考虑盛水量为1kg时的浸润面为有效加热面。由于锅壁较薄因此忽略有效加热面处锅壁的法向热阻，设置有效加热面为恒温壁面，温度为水初温和水终温的平均值。

3产品质量分析

安全性能和使用性能是家用燃气灶质量优劣的核心表现。一方面，家用燃气灶具通过结构升级来优化产品性能，实现节能减排并响应“双碳”目标，另一方面，随着智能家居概念的兴起与普及，家用燃气灶具中引入了科技元素来实现智能控制功能。产品变化主要集中在火力增强、热效率提升、安全性能更加稳定，应用温度检测、传感技术和控制程序来实现家用燃气灶具与各类家电集成化、联动化。安全性能方面，随着熄火保护装置、玻璃面板、燃气阀体和燃气管路制造工艺的提升，燃气灶在防泄漏、闭阀时间、耐热冲击、耐重力冲击等方面的技术 已经成熟，产品性能得到了显著的提升。

使用性能方面，高负荷灶具的占比逐年增加，据不完全统计，截止2021年底额定热负荷在4800W以上的灶具占比高达17.1%；热负荷提高的同时加宽了热负荷调节范围，燃烧器布置更加合理，火焰分布更加均匀，满足了不同烹饪方式对燃气灶火力的需求；随着新型燃烧器结构的研发，通过增压式燃烧、全预混鼓风燃烧等技术创新，优化一次风、二次风供给和热交换途径，开发新型聚能辐射锅支架结构，提升燃烧效率、强化换热效率、降低燃烧污染物排放，有效提高了燃气灶能效2到5个百分点，绝大部分灶具能达到一级能效指标的要求，实现了高效、节能、环保的目的。

在智能化方面，将燃气灶引入智能家居行列，是基于智能触控控制，定时熄火，防干烧保护，油温过热安全装置，烟灶联动等多项技术，实现家庭燃气灶具智能化、集成化。

4 结果分析

4.1 热效率

燃气灶具关闭和燃气灶具开启三挡下控制前后的热效率。已知该燃气灶的国标热效率在吸油烟机关闭下为67.0%，烟机开启三挡下为62.3%。而在本文中所有工况下的热效率值均在50% 以下，远低于该燃气灶的国标热效率。这一方面说明国标工况与用户实际使用工况下的热效率差异巨大，另一方面也表明用户实际使用工况下的热效率仍有较大提升空间。锅具尺寸越小则热效率越低，这与 Varunkumar 等人的结论一致，这是由于锅具尺寸较小时烟气在锅壁面的停留时间较短，与锅壁的热交换更不充分。另外，还可以发现开启吸油烟机后热效率显 著下降，且对于小尺寸锅具烟机抽吸导致热效率的下降更为显著。例如无控制下，对于360mm口径的锅具开启烟机后热效率下降5.7%，而对于200mm口径的锅具热效率下降达8.9%。这可能是由于大尺寸锅具能够更有效遮挡火焰，削弱燃气灶具抽吸对火焰的影响，从而部分缓解热效率下降的现象。

开启合成射流控制后，所有工况下热效率都有一定提升，尤其是对于小尺寸锅具热效率提升更为显著。对比不同尺寸下的控制效果可以发现，控制后对于小尺寸锅具热效率的提升要高于大尺寸锅具。以烟机关闭工况（对于360mm口径的锅具控制后热效率提升为0.6%，而对于200mm口径的锅具控制后热效率提升为2.3%。这说明从热效率角度来看，合成射流控制后灶具对于小尺寸锅具的适应性得到改善。另外，对于相同尺寸锅具，燃气灶具开启三挡工况下合成射流对热效率的提升作用要明显高于烟机关闭工况。以200mm口径的锅具为例，燃气灶具关闭工况下控制后的热效率提升为2.3%，而燃气灶具开启三挡工况下控制后的热效率提升为3.7%。这说明从热效率的角度来看，合成射流控制后灶具的抗风性也得到了改善。

对比了燃气灶具关闭工况下200mm口径小煮锅热效率的实验值和仿真值。可以看到仿结果得到 的规律与实验现象一致，合成射流对热效率有一定的提升作用，但是仿真值略小于实验值。这可能是由于计算热效率仿真值时只统计了水面浸润壁面的加热量，而实验条件下水面上方的锅壁和空气会向水传递热量。热效率仿真值计算中忽略了这部分热量导致热效率偏低。由于锅壁较薄且空气热阻较高，仿真值与实验值差距较小。基于实验现象与仿真结果，通过对控制前后流场、温度场、传热过程的分析阐述合成射流对燃气灶加热煮锅热效率的影响机理和主要影响。

3.2 流场分析

无控制和控制后的火焰形态的实验对比。本文中外环火孔与水平方向夹角为45°，因此两种情况下在外环火孔出口时外环火焰夹角α都约为 45°。当外环火焰逐渐远离外环火孔时，无控制下外环火焰与仍以与水平方向呈约 45°夹角方向运动，而控制后的外环火焰在合成射流的作用下向内侧发生偏转，外环火焰与水平方向角度β呈约70°。合成射流对于内环火焰也能起到偏转作用，但是由于内环孔距离射 流出口较远，因此影响较小。开启合成射流后内环火焰与水平方向的夹角γ由无控制的约 30°改变为控制后的约20°。此外，实验中通过肉眼可观测到控制前外 环火焰的内焰轮廓清晰，而控制后外环火焰的内焰轮 廓模糊。

无控制和控制后速度场云图的仿真结果，其中控制后为发生器工作一个周期内的时均速度场。可见仿真结果很好的复现了实验中合成射流对外环火焰的和内环火焰的偏转作用，偏转角度基本与实验值相当。合成射流的工作周期包含“吹”和“吸”两个过程，控制后 1/2“吹”冲程时刻和 1/2“吸”冲程时刻射流出口附近的瞬时压力场和速度矢量场。通常射流会在两侧形成低压区，引射周围气体。本文中所用炉头的射流出口在远离外环火孔一侧设置了台阶，因此加强了“吹”冲程射流对台阶对侧（即外环火孔侧）气体的引射作用，在射流出口与外环火孔之间形成了小面积低压区，使外环火焰向射流发生小幅偏转。在“吸”冲程，由于射流出口处的卷吸作用使周围形成了大面积的强低压区，使外环火焰向射流发生大幅偏转。因此，合成射流可在射流出口附近形成持续的低压区，从而造成外环火焰向内偏转。并且，该低压区的 强度和尺寸随着合成射流的交替“吹”“吸”过程发生着周期性的脉动变化，从而导致外环火焰的偏转角度随之改变，这解释了实验中肉眼观测到的控制后外环火焰内焰轮廓模糊的现象。

结语

本文构建了燃气灶具热效率正、反平衡测量法的热效率不确定度评定数学模型。以实际燃气锅炉正、反平衡测量的数据为基础，对分量不确定度进行Ｂ类评定，求解了灵敏系数，算了其合成标准不确定度及扩展不确定度。表明建立的燃气工业锅正、反平衡测量法的热效率不确定数学模型是可靠的。

燃气灶具热效率炉的正平衡测量法测试中，给水流量测量对热效率不确定度影响最大，反平衡测量法测试中，排烟温度和排烟处Ｏ２测量对热效率不确定度影响最大。研究表明，加强燃气灶具热效率炉节能降耗精细化管理要从降低锅炉热效率测量的不确定度着手，主要降低温度类测量与流量类测量的不确定度。 燃气灶具热效率炉的热工性能试验中，反平衡测量法所测得的热效率不确定度比正平衡测量法的小很多，因此，燃气灶具热效率炉热效率测量在选择测量方法时，应该首先选择反平衡测量法测试，且没有必要再进行正平衡测量法测试。

参考文献

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