摘　要：从减少燃气灶烟气热损失方面，研究提高家用大气式燃气灶热效率的方法。通过采用火孔向内聚中分气盘和喇叭孔旋火火孔、加装半封闭燃烧室和减小排烟间隙等方法，可显著提高热效率，达70％以上。

关键词：家用大气式燃气灶；  旋火火孔；

Research on High-efficience and Energy-saving Domestic Atmospheric Gas Stove

Abstract：The way to improve the thermal efficiency of domestic atmospheric gas stove is studied by reducing the exhaust gas heat loss．The thermal efficiency of more than 70％can be significantly improved by adopting the air distribution disk with flame hole cohesion and trumpet-shaped voNex flame hole，adding the semiclosed combustion chamber and reducing the gap for smoke exhaust．

Keywords：domestic atmospheric gas stove；voflex flame hole；thermal efficiency；semi-closed combustion chamber；gap for smoke exhaust

1　概述

中国由于人口众多，能源资源相对匮乏，人均能源可采储量远低于世界平均水平，仅约为世界平均值的10％，因此能源问题较其他国家更为突出，而且燃气价格不断攀升，消费者的生活负担日益加重。

燃气灶作为日常生活必需的厨房加热器具，目前国内市场上的大气式燃气灶热效率通常仅为50％～54％，市场对节能燃气灶的需求非常迫切，因此开发高效节能的燃气灶是必然的发展方向^[1]。

2　燃气灶热损失分橱

根据能量守恒定律得：

式中Qi——换热过程中的总输入热量，kJ

Qo——换热过程中的总输出热量，kJ

Qa——空气带入的热量，kJ

Qg——燃气带入的热量，kJ

Qgc——燃气燃烧产生的化学热(以低热值计)，kJ

Qb——锅中水吸收的热量，kJ

Qf——烟气带走的热量，kJ

Qc——燃烧过程中火焰对外辐射热损失，kJ

h——热效率

Qa和Qg可以忽略不计，因此总输入热量近似等于燃气燃烧产生的热量。按照GB l6410—2007《家用燃气灶》对我公司某型号燃气灶进行实验测试，并应用烟气焓值等计算公式^[2-3]进行计算，发现烟气热损失占总输入热量的比例为19.6％。因此，在燃烧过程中影响燃气灶热效率的主要因素为烟气热损失。

3　影响燃气注耀气热损失的主要嚣紊

影响燃气灶烟气热损失的主要因素有燃烧器火孔分布和形式、燃烧器位置、排烟温度。

①燃烧器火孔分布和形式

传统燃烧器的火孔是布置在分气盘的外侧边缘(称为火孔向外散开分气盘)，火焰向外燃烧，其外焰对锅底的加热面过于开散，不能集中于锅底有效部位，使得高温烟气与锅底之间得不到有效换热。此外，传统燃烧器采用圆孔火孔，从圆孔火孔流出的空燃混合物流速高，与二次空气的混合不均匀，往往导致燃烧不完全。因此需要增大锅支架高度来增大二次空气补充量，增加燃气分子与空气分子碰撞的可能性，促使燃烧完全，但是这样也会导致过剩空气系数增大，烟气体积增大，烟气带走的热量损失也增大。

因此，可以考虑改变火孔的分布方式和火孔形式，来弥补传统燃烧器存在的上述不足。

②燃烧器位置

传统燃气灶的燃烧器是在面板上部完全敞开的，其燃烧的火焰完全裸露在空气中，向四周辐射而损失了大量热量，并且燃烧产生的高温烟气会干扰二次空气的补充，导致产生更多的烟气热损失。

因此燃烧器应当放置在半封闭的燃烧室内，通过设计专用空气通道供给燃烧所需空气，实现空气与烟气分离，使燃烧系统达到一个稳定的燃烧状态，减少烟气带走的热量损失，从而提高燃气灶的热效率。

③排烟温度

传统燃气灶锅支架是敞开式的，燃烧产生的高温烟气从锅支架与锅底之间形成的间隙(称为排烟间隙)排出。当产生的烟气总量一定，排烟间隙面积越大，通过锅底壁面的高温烟气流速越小，换热量就越少，导致排出的烟气温度越高，烟气带走的热量也就越多。

因此，在保证燃烧器端面与锅底有足够的距离使燃气燃烧完全的前提下，运用微隙排烟技术，降低排烟间隙高度，减小通过锅底壁面的高温烟气厚度，加强换热，降低排烟温度，减少烟气带走的热量，从而提高燃气灶的热效率。

4　高效率燃气灶的研究

①燃烧器火孔分布和形式

改变原来的火孔向外散开分气盘结构，将分气盘设计成火孔向内聚中分气盘，即火孔分布在分气盘内侧边缘。在火孔排布时，分气盘应采用上下两排火孔，两排火孔的中轴线均与分气盘的中轴线错开，且火孔中轴线与水平面成一定角度，这样的火孔称为旋火火孔。旋火火孔产生的火焰围绕分气盘的中轴线呈盘绕状，比直火火孔(火孔的中轴线与分气盘的中轴线相交)更能产生涡流形成负压，卷入更多的二次空气，加速燃气与二次空气的再混合，并推动高温烟气螺旋上升，燃烧更聚中、充分，增强了高温烟气与锅底的热交换，减少了热损失，从而提高了热效率。火孔向外散开分气盘结构见图1，火孔向内聚中分气盘结构见图2。

在火孔设计时，将火孔设计成喇叭孔形，即沿着火孔内的混合气流动方向，火孔孔径由小变大，实现混合气从小孔进入、大孔流出。小孔进气可以解决回火问题，大孔出气可以降低火孔出口处的混合气流速，便于更多的二次空气供应到火焰根部，使得燃烧更充分，从而大大降低锅支架的高度，提高燃气灶的热效率。

将传统燃气灶按照上述方法进行火孔分布和形式的改进，在锅支架高度均为30mm、排烟间隙为30mm，未加装半封闭燃烧室的情况下进行测试，改进前、后的测试结果见表1。在表1～4中，CO体积分数是指标准状态下、过剩空气系数为1时的折算值。

旋火火孔中轴线与分气盘中轴线的夹角a、旋火火孔中轴线与水平面的夹角b对烟气中CO体积分数和燃气灶热效率影响的实验结果(在锅支架高度均为30mm，排烟间隙为30mm，采用火孔向内聚中分气盘和喇叭孔旋火火孔，未加装半封闭燃烧室情况下)见图3、4，图3中CO体积分数是指标准状态下、过剩空气系数为1时的折算值。由图3、4可知，a越大，烟气中CO体积分数越低，燃气灶热效率明显升高。但a达到一定角度后，改善效果慢慢减小，并且加工难度越来越大，只适合制作样机，难以大批量生产。b越大，烟气中CO体积分数越高，b增大到一定程度后，CO体积分数翻倍增长，而热效率无明显变化。

在加工工艺允许的情况下，夹角a应尽量大，夹角b启应尽量小，此时燃烧工况较佳，既可减少CO排放量，又可提高热效率。综合考虑加工工艺及燃烧工况，夹角a和b均取20°比较理想。

②燃烧器位置

将燃烧器放置在半封闭的燃烧室内进行测试，由于半封闭燃烧室的作用，燃烧所需空气通过专用空气通道从燃烧器顶端与中心下方供给，实现空气与烟气分离，使得空气与烟气互不干扰，燃烧更充分，有效降低了过剩空气系数，减少了热损失。加装半封闭燃烧室前后的测试结果(在锅支架高度为28mm，采用向外散开分气盘和圆孔直火火孔，排烟间隙为14mm情况下)见表2。由表2可知，加装半封闭燃烧室后，热效率(绝对值)提高了4.7％，CO排放量更低。加装半封闭燃烧室后的燃气灶结构见图5。

③降低排烟温度

在保证燃烧器端面与锅底有足够距离使燃气燃烧完全的前提下，逐步减小排烟间隙，不同排烟间隙下的燃烧情况测试结果(锅支架高度为30mm，采用向内聚中分气盘和圆孔直火火孔，加装半封闭燃烧室)见表3。由表3可知，排烟间隙由14mm逐步减小至8mm，其烟气温度逐渐降低，热效率逐渐增高，但排烟间隙高度减小到一定程度时，CO排放量翻倍增长且超出了相关标准的要求(在标准状态下，过剩空气系数为1时的CO体积分数≤500×10^-6)。

通过测试可知，排烟间隙小于10mm时，由于排烟阻力增大，不利于一次空气与二次空气的供给，造成燃烧不完全，CO排放超标。而排烟间隙为10mm时，热效率可达70％以上，CO排放量也在标准要求的范围之内。因此排烟间隙为10mm最为理想。

④新型燃气灶整机燃烧测试结果

将以上改进方法进行综合应用，新型燃气灶整机燃烧测试结果(锅支架高度为28mm)见表4。

5　结论

采用火孔向内聚中分气盘、喇叭孔旋火火孔，燃烧时形成涡流，加快燃烧，燃烧充分，加强了换热效果，减少了热损失，是提高热效率的关键。设置半封闭的燃烧室，将二次空气与高温烟气完全隔离，使得空气与烟气互不干扰，燃烧更充分，降低了过剩空气系数，减少了热损失。适当降低排烟间隙，减薄通过锅底壁面的高温烟气厚度，加强换热，降低排烟温度。将以上三个方面结合，可有效提高家用大气式燃气灶的热效率。通过应用到我公司产品上，节能效果非常显著，热效率可达70％以上，烟气中CO排放量均远低于国家标准的限值。

参考文献：

[1]周亮．提高家用大气式燃气灶热效率的方法[J]．煤气与热力，2014，34(5)：A29-A32．

[2]同济大学，重庆大学，哈尔滨工业大学，等．燃气燃烧与应用[M]．4版．北京：中国建筑工业出版社，2011：7-17．

[3]严铭卿．燃气工程设计手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2008：865-873．

本文作者：张煜圣  周亮  钟家淞

作者单位：广东万和新电气股份有限公司