提升紅外線家用燃?xì)庠顭嵝实姆椒?/h1>
2018-11-20 02:53:58周亮
家用電器 2018年11期
周亮
(廣東萬和新電氣股份有限公司)
1、前言
家用燃?xì)庠钭鳛槿粘Ｉ畋匦璧膹N房加熱烹飪器具，是消耗燃?xì)饽茉吹闹饕a(chǎn)品之一。我國政府逐步加大了對(duì)環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上和政策上的支持力度，隨著家用燃?xì)庠罹吣苄薅▏覐?qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，各大企業(yè)紛紛加緊了對(duì)環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)。高效率、低排放的家用燃?xì)庠钜呀?jīng)成為市場的主流。紅外線家用燃?xì)庠钤诠?jié)能減排方面表現(xiàn)出色，普通的紅外線燃?xì)庠疃寄茏龅?級(jí)能效，熱效率在65%以上；然而對(duì)于紅外線燃?xì)庠顏碚f，其熱效率還有很大的提升空間，對(duì)充分發(fā)揮紅外線燃?xì)庠畹墓?jié)能減排優(yōu)勢(shì)能力，提升紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝视葹橹匾?/p>
2、紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程理論分析
紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程，是燃?xì)馊紵艧岬脚腼冨伨呶鼰岬倪^程。以燃?xì)庠詈团腼冨伨咦鳛檠芯繉?duì)象，紅外線家用燃?xì)庠畹募訜徇^程如圖1：
↑圖1：紅外線家用燃?xì)庠钅芰拷粨Q示意
紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程中，燃?xì)夂涂諝獾幕旌衔锶紵尫诺幕瘜W(xué)能，一部分用以加熱紅外線輻射器，以輻射熱的形式進(jìn)行熱交換，是為E1；一部分用以加熱燃燒產(chǎn)物，通過對(duì)流和輻射的方式進(jìn)行熱交換，是為Q1；還有少部分通過傳遞的方式傳遞到燃燒器周邊物質(zhì)，是為Q'0。
而參與烹飪鍋具換熱的輻射熱E1和對(duì)流熱Q1并不是完全被烹飪鍋具吸收的，根據(jù)能量守恒定律，
式中：
Q0為燃?xì)馊紵尫诺幕瘜W(xué)能；
E1為紅外輻射器發(fā)出的輻射能；
Q1為燃燒產(chǎn)物的物理熱量；
Q'0為損失的傳導(dǎo)熱能；
E12為烹飪鍋具吸收輻射器發(fā)出的有效輻射能；
E'1為輻射器發(fā)出的損失的輻射能；
Q12為燃燒產(chǎn)物有效對(duì)流換熱；
E22為烹飪鍋具吸收燃燒產(chǎn)物發(fā)出的有效輻射能；
E'2為燃燒產(chǎn)物發(fā)出的損失的輻射能；
Q'1為燃燒產(chǎn)物損失的物理熱量；
η為熱效率；
根據(jù)以上公式可知，提高紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝?，增加烹飪鍋具?duì)輻射熱和對(duì)流熱的有效吸收，和減少輻射損失及燃燒產(chǎn)物帶走的物理能量，是最直接有效的方法，即增加E12+Q12+E22，減少Q(mào)'1+E'1+E'2。
3、提高紅外線家用燃?xì)庠顭嵝实姆椒ㄑ芯?/h2>3.1影響輻射換熱的原理分析
對(duì)于輻射傳熱，物體的輻射能力與輻射器的材質(zhì)、面積、溫度等息息相關(guān)。
物體的輻射能力指在一定溫度下，單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，用E來表示，其單位為W/m2。
燃燒穩(wěn)定時(shí)，溫度恒定，單位時(shí)間的輻射能與其輻射面積有關(guān)：
根據(jù)Steafan-Baltzman定律，物體的輻射能力與其表面溫度有關(guān)。
式中σ0為黑體輻射常數(shù)，C0為黑體的輻射系數(shù)，C為灰體的輻射系數(shù)，其與輻射器的材質(zhì)有關(guān)。
由式，物體的輻射能力與熱力學(xué)溫度四次方成正比關(guān)系。
由此可知，在紅外線燃?xì)庠钪?，輻射能E0與紅外輻射器的材質(zhì)、輻射器表面積及輻射器熱力學(xué)溫度有關(guān)。輻射器材質(zhì)灰度系數(shù)越大、表面積越大、熱力學(xué)溫度越高，則E0越大。
3.2影響對(duì)流換熱的原理分析
對(duì)于對(duì)流傳熱，根據(jù)牛頓冷卻定律：
式中：
在相同時(shí)間內(nèi)，要提高對(duì)流傳熱Q1，可以通過提高傳熱系數(shù)h，增大傳熱面積A，提高燃燒產(chǎn)物溫度T來實(shí)現(xiàn)。
3.3減少燃燒產(chǎn)物物理能量損失
熱力學(xué)中將物體的物理能量稱之為焓。
燃?xì)馀c空氣混合物燃燒前的焓設(shè)為初焓，燃燒后以煙氣形式排出，與烹飪用具經(jīng)熱交換后的焓設(shè)為終焓，這部分焓差，即為上所述的Q'1，即燃燒產(chǎn)物損失的物理能量。
由上所述燃燒過程可知，紅外線燃?xì)庠罟ぷ鲿r(shí)，要獲得更理想的有效輻射熱和對(duì)流熱，則需提高其燃燒后的熱力學(xué)溫度T；而隨著T的提高，燃燒前后的焓差值的變化也相應(yīng)增大，如圖2：
燃燒產(chǎn)物中，N2與過剩的O2占了較大部分，這兩種物質(zhì)對(duì)熱輻射是透明的，其攜帶的物理熱只能通過對(duì)流的方式進(jìn)行傳遞，而對(duì)流換熱的往往是不完全的，這就難以避免的出現(xiàn)了熱損失。
因此，需要通過降低過?？諝猓瑴p少空氣的焓溫值；同時(shí)，應(yīng)用積極的結(jié)構(gòu)方式預(yù)熱燃?xì)夂涂諝?，預(yù)先提高燃?xì)馀c空氣的初焓，以達(dá)到提高燃燒溫度而減少焓差的目的。
↑圖2：燃燒產(chǎn)物的焓溫圖
↑圖4：天然氣-空氣在多孔陶瓷板上燃燒時(shí)的溫度變化曲線
紅外線家用燃?xì)庠钏褂玫娜紵?，常見有多孔陶瓷板和耐高溫金屬網(wǎng)兩種形式。以多孔陶瓷板為例（如圖3），小火孔直徑為：天然氣dp=1.2～1.5mm；液化石油氣dp=1.1～1.2mm。點(diǎn)火時(shí)，燃?xì)?空氣混合物以很小的速度從火孔逸出進(jìn)行燃燒；點(diǎn)火后約40～50s，板面溫度可達(dá)到800～1100℃，于是向外輻射紅外線。隨著板面的溫度升高，燃?xì)?空氣混合物進(jìn)入小火孔即得到了預(yù)熱，在離輻射器外表面很近的距離內(nèi)便全部燃燒完成。
紅外線燃?xì)庠钏褂萌紵鳛槿A(yù)混燃燒，其過?？諝庀禂?shù)在1.03～1.06左右，本身就經(jīng)過了嚴(yán)格控制，因此需要通過預(yù)熱燃?xì)馀c空氣的方式達(dá)到減少焓差的目的。圖4表明，紅外線輻射器本身就具有一定的燃?xì)馀c空氣預(yù)熱能力；再預(yù)設(shè)燃?xì)馔ǖ兰翱諝馔ǖ?，讓燃?xì)馀c空氣進(jìn)入陶瓷板前進(jìn)行預(yù)熱，必能更大的減少焓差，達(dá)到提升熱效率的目的。
↑圖3：紅外線輻射器示意圖
↑圖5：平面式、方波式、弦波式輻射器
表1：平面式、方波式、弦波式輻射器能效測試
↑圖6：保溫倉預(yù)熱通道結(jié)構(gòu)示意
↑圖7：單層反射罩、雙層反射罩結(jié)構(gòu)示意
3.4減少輻射損失
紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程中，以輻射熱的交換占了五成以上，因此，減少輻射熱的損失顯得更為關(guān)鍵。
而眾所周知，紅外線也是一種電磁波，遵循著直線傳播的特性，因此，在紅外線輻射器的外圍增加反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，不僅能減少損失，還能增加烹飪鍋具對(duì)輻射熱的吸收量。
4、結(jié)構(gòu)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證
綜合以上的提高能效的方法分析，設(shè)計(jì)出多款不同結(jié)構(gòu)的紅外線燃?xì)庠?，并?duì)樣機(jī)進(jìn)行測試驗(yàn)證。
為增加輻射面積，將多孔陶瓷輻射器表面設(shè)計(jì)成高低起伏的多維空間，其截面呈正弦波或方波狀，其有效輻射面積較平板面可增加30%以上，如圖5：
紅外線輻射器表面輻射能與輻射面積成正比關(guān)系，輻射面積增加，輻射能增加。經(jīng)裝機(jī)測試，在同等熱負(fù)荷3.5kW條件下，方波式、弦波式輻射器熱效率提升4%以上，且煙氣排放更低。測試數(shù)據(jù)見表1。
提高燃燒溫度，可以提升輻射換熱及對(duì)流換熱的效果。在低過?？諝庀禂?shù)的前提下，考慮預(yù)設(shè)保溫倉通道，使用密封的底殼，迫使灶具內(nèi)部的空氣通過預(yù)設(shè)通道方可進(jìn)入灶具內(nèi)部，再由燃?xì)庖涞饺紵骰旌锨贿M(jìn)行混合，相當(dāng)于回收利用了燃燒中沒有參與熱交換部分的損失熱，起到了降低燃燒前后混合氣體的焓差作用，同時(shí)有效提高了燃燒溫度，提升輻射換熱及對(duì)流換熱的效果。達(dá)到提高熱效率的目的。試驗(yàn)證明，設(shè)置保溫倉，對(duì)熱效率的提升可達(dá)到2%以上。如圖6：
為減小輻射損失，設(shè)置反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，增加烹飪鍋具對(duì)輻射熱的吸收量。試驗(yàn)證明，設(shè)置單重甚至雙重反射聚能環(huán)，對(duì)紅外線家用燃?xì)庠畹哪苄嵘浅４螅_(dá)到5%以上。如圖7：
5、結(jié)語
本文通過對(duì)紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程進(jìn)行分析，通過分析影響有效換熱的輻射換熱、對(duì)流換熱的發(fā)生原理及紅外輻射器的燃燒機(jī)理，得出實(shí)際可行的提高熱效率的方法。
設(shè)計(jì)高低起伏的多維空間多孔陶瓷輻射器表面，其截面呈正弦波或方波狀，有效增加其表面輻射面，提高輻射熱；設(shè)置保溫倉，使用密封的底殼，迫使灶具內(nèi)部的空氣通過預(yù)設(shè)通道方可進(jìn)入灶具內(nèi)部，再由燃?xì)庖涞饺紵骰旌锨贿M(jìn)行混合，回收利用了燃燒中沒有參與熱交換部分的損失熱，降低燃燒前后混合氣體的焓差，有效提高了燃燒溫度，從而提高了輻射換熱及對(duì)流換熱的效果，達(dá)到提高熱效率的目的；設(shè)置防輻射損失的反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，增加烹飪鍋具對(duì)輻射熱的吸收量。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用至我司產(chǎn)品，熱效率可高達(dá)80%以上，效果顯著。
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周亮
(廣東萬和新電氣股份有限公司)
1、前言
家用燃?xì)庠钭鳛槿粘Ｉ畋匦璧膹N房加熱烹飪器具，是消耗燃?xì)饽茉吹闹饕a(chǎn)品之一。我國政府逐步加大了對(duì)環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)上和政策上的支持力度，隨著家用燃?xì)庠罹吣苄薅▏覐?qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，各大企業(yè)紛紛加緊了對(duì)環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品的研發(fā)。高效率、低排放的家用燃?xì)庠钜呀?jīng)成為市場的主流。紅外線家用燃?xì)庠钤诠?jié)能減排方面表現(xiàn)出色，普通的紅外線燃?xì)庠疃寄茏龅?級(jí)能效，熱效率在65%以上；然而對(duì)于紅外線燃?xì)庠顏碚f，其熱效率還有很大的提升空間，對(duì)充分發(fā)揮紅外線燃?xì)庠畹墓?jié)能減排優(yōu)勢(shì)能力，提升紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝视葹橹匾?/p>
2、紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程理論分析
紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程，是燃?xì)馊紵艧岬脚腼冨伨呶鼰岬倪^程。以燃?xì)庠詈团腼冨伨咦鳛檠芯繉?duì)象，紅外線家用燃?xì)庠畹募訜徇^程如圖1：
↑圖1：紅外線家用燃?xì)庠钅芰拷粨Q示意
紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程中，燃?xì)夂涂諝獾幕旌衔锶紵尫诺幕瘜W(xué)能，一部分用以加熱紅外線輻射器，以輻射熱的形式進(jìn)行熱交換，是為E1；一部分用以加熱燃燒產(chǎn)物，通過對(duì)流和輻射的方式進(jìn)行熱交換，是為Q1；還有少部分通過傳遞的方式傳遞到燃燒器周邊物質(zhì)，是為Q'0。
而參與烹飪鍋具換熱的輻射熱E1和對(duì)流熱Q1并不是完全被烹飪鍋具吸收的，根據(jù)能量守恒定律，
式中：
Q0為燃?xì)馊紵尫诺幕瘜W(xué)能；
E1為紅外輻射器發(fā)出的輻射能；
Q1為燃燒產(chǎn)物的物理熱量；
Q'0為損失的傳導(dǎo)熱能；
E12為烹飪鍋具吸收輻射器發(fā)出的有效輻射能；
E'1為輻射器發(fā)出的損失的輻射能；
Q12為燃燒產(chǎn)物有效對(duì)流換熱；
E22為烹飪鍋具吸收燃燒產(chǎn)物發(fā)出的有效輻射能；
E'2為燃燒產(chǎn)物發(fā)出的損失的輻射能；
Q'1為燃燒產(chǎn)物損失的物理熱量；
η為熱效率；
根據(jù)以上公式可知，提高紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝?，增加烹飪鍋具?duì)輻射熱和對(duì)流熱的有效吸收，和減少輻射損失及燃燒產(chǎn)物帶走的物理能量，是最直接有效的方法，即增加E12+Q12+E22，減少Q(mào)'1+E'1+E'2。
3、提高紅外線家用燃?xì)庠顭嵝实姆椒ㄑ芯?/h2>3.1影響輻射換熱的原理分析
對(duì)于輻射傳熱，物體的輻射能力與輻射器的材質(zhì)、面積、溫度等息息相關(guān)。
物體的輻射能力指在一定溫度下，單位面積、單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射的全部波長的總能量，用E來表示，其單位為W/m2。
燃燒穩(wěn)定時(shí)，溫度恒定，單位時(shí)間的輻射能與其輻射面積有關(guān)：
根據(jù)Steafan-Baltzman定律，物體的輻射能力與其表面溫度有關(guān)。
式中σ0為黑體輻射常數(shù)，C0為黑體的輻射系數(shù)，C為灰體的輻射系數(shù)，其與輻射器的材質(zhì)有關(guān)。
由式，物體的輻射能力與熱力學(xué)溫度四次方成正比關(guān)系。
由此可知，在紅外線燃?xì)庠钪?，輻射能E0與紅外輻射器的材質(zhì)、輻射器表面積及輻射器熱力學(xué)溫度有關(guān)。輻射器材質(zhì)灰度系數(shù)越大、表面積越大、熱力學(xué)溫度越高，則E0越大。
3.2影響對(duì)流換熱的原理分析
對(duì)于對(duì)流傳熱，根據(jù)牛頓冷卻定律：
式中：
在相同時(shí)間內(nèi)，要提高對(duì)流傳熱Q1，可以通過提高傳熱系數(shù)h，增大傳熱面積A，提高燃燒產(chǎn)物溫度T來實(shí)現(xiàn)。
3.3減少燃燒產(chǎn)物物理能量損失
熱力學(xué)中將物體的物理能量稱之為焓。
燃?xì)馀c空氣混合物燃燒前的焓設(shè)為初焓，燃燒后以煙氣形式排出，與烹飪用具經(jīng)熱交換后的焓設(shè)為終焓，這部分焓差，即為上所述的Q'1，即燃燒產(chǎn)物損失的物理能量。
由上所述燃燒過程可知，紅外線燃?xì)庠罟ぷ鲿r(shí)，要獲得更理想的有效輻射熱和對(duì)流熱，則需提高其燃燒后的熱力學(xué)溫度T；而隨著T的提高，燃燒前后的焓差值的變化也相應(yīng)增大，如圖2：
燃燒產(chǎn)物中，N2與過剩的O2占了較大部分，這兩種物質(zhì)對(duì)熱輻射是透明的，其攜帶的物理熱只能通過對(duì)流的方式進(jìn)行傳遞，而對(duì)流換熱的往往是不完全的，這就難以避免的出現(xiàn)了熱損失。
因此，需要通過降低過?？諝猓瑴p少空氣的焓溫值；同時(shí)，應(yīng)用積極的結(jié)構(gòu)方式預(yù)熱燃?xì)夂涂諝?，預(yù)先提高燃?xì)馀c空氣的初焓，以達(dá)到提高燃燒溫度而減少焓差的目的。
↑圖2：燃燒產(chǎn)物的焓溫圖
↑圖4：天然氣-空氣在多孔陶瓷板上燃燒時(shí)的溫度變化曲線
紅外線家用燃?xì)庠钏褂玫娜紵?，常見有多孔陶瓷板和耐高溫金屬網(wǎng)兩種形式。以多孔陶瓷板為例（如圖3），小火孔直徑為：天然氣dp=1.2～1.5mm；液化石油氣dp=1.1～1.2mm。點(diǎn)火時(shí)，燃?xì)?空氣混合物以很小的速度從火孔逸出進(jìn)行燃燒；點(diǎn)火后約40～50s，板面溫度可達(dá)到800～1100℃，于是向外輻射紅外線。隨著板面的溫度升高，燃?xì)?空氣混合物進(jìn)入小火孔即得到了預(yù)熱，在離輻射器外表面很近的距離內(nèi)便全部燃燒完成。
紅外線燃?xì)庠钏褂萌紵鳛槿A(yù)混燃燒，其過?？諝庀禂?shù)在1.03～1.06左右，本身就經(jīng)過了嚴(yán)格控制，因此需要通過預(yù)熱燃?xì)馀c空氣的方式達(dá)到減少焓差的目的。圖4表明，紅外線輻射器本身就具有一定的燃?xì)馀c空氣預(yù)熱能力；再預(yù)設(shè)燃?xì)馔ǖ兰翱諝馔ǖ?，讓燃?xì)馀c空氣進(jìn)入陶瓷板前進(jìn)行預(yù)熱，必能更大的減少焓差，達(dá)到提升熱效率的目的。
↑圖3：紅外線輻射器示意圖
↑圖5：平面式、方波式、弦波式輻射器
表1：平面式、方波式、弦波式輻射器能效測試
↑圖6：保溫倉預(yù)熱通道結(jié)構(gòu)示意
↑圖7：單層反射罩、雙層反射罩結(jié)構(gòu)示意
3.4減少輻射損失
紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程中，以輻射熱的交換占了五成以上，因此，減少輻射熱的損失顯得更為關(guān)鍵。
而眾所周知，紅外線也是一種電磁波，遵循著直線傳播的特性，因此，在紅外線輻射器的外圍增加反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，不僅能減少損失，還能增加烹飪鍋具對(duì)輻射熱的吸收量。
4、結(jié)構(gòu)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證
綜合以上的提高能效的方法分析，設(shè)計(jì)出多款不同結(jié)構(gòu)的紅外線燃?xì)庠?，并?duì)樣機(jī)進(jìn)行測試驗(yàn)證。
為增加輻射面積，將多孔陶瓷輻射器表面設(shè)計(jì)成高低起伏的多維空間，其截面呈正弦波或方波狀，其有效輻射面積較平板面可增加30%以上，如圖5：
紅外線輻射器表面輻射能與輻射面積成正比關(guān)系，輻射面積增加，輻射能增加。經(jīng)裝機(jī)測試，在同等熱負(fù)荷3.5kW條件下，方波式、弦波式輻射器熱效率提升4%以上，且煙氣排放更低。測試數(shù)據(jù)見表1。
提高燃燒溫度，可以提升輻射換熱及對(duì)流換熱的效果。在低過?？諝庀禂?shù)的前提下，考慮預(yù)設(shè)保溫倉通道，使用密封的底殼，迫使灶具內(nèi)部的空氣通過預(yù)設(shè)通道方可進(jìn)入灶具內(nèi)部，再由燃?xì)庖涞饺紵骰旌锨贿M(jìn)行混合，相當(dāng)于回收利用了燃燒中沒有參與熱交換部分的損失熱，起到了降低燃燒前后混合氣體的焓差作用，同時(shí)有效提高了燃燒溫度，提升輻射換熱及對(duì)流換熱的效果。達(dá)到提高熱效率的目的。試驗(yàn)證明，設(shè)置保溫倉，對(duì)熱效率的提升可達(dá)到2%以上。如圖6：
為減小輻射損失，設(shè)置反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，增加烹飪鍋具對(duì)輻射熱的吸收量。試驗(yàn)證明，設(shè)置單重甚至雙重反射聚能環(huán)，對(duì)紅外線家用燃?xì)庠畹哪苄嵘浅４螅_(dá)到5%以上。如圖7：
5、結(jié)語
本文通過對(duì)紅外線家用燃?xì)庠罴訜徇^程進(jìn)行分析，通過分析影響有效換熱的輻射換熱、對(duì)流換熱的發(fā)生原理及紅外輻射器的燃燒機(jī)理，得出實(shí)際可行的提高熱效率的方法。
設(shè)計(jì)高低起伏的多維空間多孔陶瓷輻射器表面，其截面呈正弦波或方波狀，有效增加其表面輻射面，提高輻射熱；設(shè)置保溫倉，使用密封的底殼，迫使灶具內(nèi)部的空氣通過預(yù)設(shè)通道方可進(jìn)入灶具內(nèi)部，再由燃?xì)庖涞饺紵骰旌锨贿M(jìn)行混合，回收利用了燃燒中沒有參與熱交換部分的損失熱，降低燃燒前后混合氣體的焓差，有效提高了燃燒溫度，從而提高了輻射換熱及對(duì)流換熱的效果，達(dá)到提高熱效率的目的；設(shè)置防輻射損失的反射罩聚能環(huán)，將散逸的紅外線經(jīng)反射再利用，增加烹飪鍋具對(duì)輻射熱的吸收量。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用至我司產(chǎn)品，熱效率可高達(dá)80%以上，效果顯著。
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