薛治家，王建宇，勝 興，崔 潔，王媛媛

(沈陽工程學院 能源與動力學院，遼寧 沈陽110136)

對大氣式燃燒器熱效率的測試、分析和改進始終是國內(nèi)外民用燃氣研究的熱點［1-5］。很多燃氣灶在使用中難以達到設計標準，李兆堅等［1］通過對某臺式燃氣灶實測表明，實測熱效率大大低于實驗室測定的額定熱效率和有關燃氣設計手冊［2］的推薦值，燒開水的平均熱效率僅為43%～52%，可見其節(jié)能潛力較大。

早期的擴散式燃氣灶結(jié)構(gòu)簡單，但燃燒熱強度低，火焰長，燃燒不完全，目前已經(jīng)被淘汰。施旺克于1956年研制出了多孔陶瓷板燃氣紅外線輻射器，采用全預混空氣燃燒，火焰短，故稱之為無焰燃燒，其顯著優(yōu)點是熱效率高，污染物排放少，燃燒噪音?。?，7］。但這種燃燒方法的穩(wěn)定性較差，民用燃具中多采用多孔陶瓷板或金屬網(wǎng)作為穩(wěn)焰載體。黃志甲［8］證實，金屬纖維燃氣灶具有明顯的節(jié)能和環(huán)保效果。傅忠誠等［9］通過對金屬纖維燃燒器的研究表明，CO和 NOx排放特性優(yōu)于常規(guī)燃氣灶。泰國學者 Tamir等［10］提出一種旋流燃燒燃氣灶，通過實驗證實了旋流燃燒燃氣灶比常規(guī)的燃氣灶熱效率高10%～30%。薩巴夫公司研制的完全上進風擴散燃燒的嵌入式燃氣灶，具有尺寸小的優(yōu)點，近幾年迅速占領了市場。但嵌入式燃氣灶熱火力小、聚中性差，難以滿足國內(nèi)消費者的需要。

以上述研究成果為借鑒，通過簡易可靠的手段調(diào)整燃燒器噴嘴與鍋具之間的高度，從而實現(xiàn)燃氣灶在不同功率下可以進行高效、低污染的工作。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗系統(tǒng)介紹

整個實驗裝置如圖1所示，包括供氣系統(tǒng)、煙氣測量系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)和節(jié)能燃氣灶。燃氣經(jīng)燃氣罐流出，進入質(zhì)量流量控制器，最后進入節(jié)能燃氣灶。

供氣系統(tǒng)包括燃氣罐、減壓閥、供氣管道和質(zhì)量流量控制器等。燃料為丙烷，純度達到98%。測量系統(tǒng)包括電子煙氣分析儀Testo350、煙氣采集器等。溫度測量系統(tǒng)包括水銀溫度計、電動攪拌器等，燃燒器采用普通大氣式燃氣灶，灶頭可以在垂直方向上提升和下降。

1.2 實驗方法

定義實測熱效率為水的有效利用熱與輸入熱量的比值。實測熱效率η由下式計算：

其中，Q1、Qr分別為有效利用熱和輸入熱量，cp，H2O、mH2O、ΔT 分別為水的比熱、質(zhì)量和加熱前后的溫差，Lv和Qar，net分別為燃氣量和燃氣的低熱值，丙烷的低熱值取 93 164 kJ·m-3。

圖1 實驗系統(tǒng)

1)實驗開始前，首先測量并記錄室溫和水的初始溫度。

2)實驗期間，室溫和水的初溫變化不大，室溫約為16℃，水的初溫約為12℃。每次實驗保證燃氣灶和鍋具冷卻到室溫。實驗過程中燃氣流量由流量控制器控制，當工質(zhì)水的溫度達到100℃時，實驗結(jié)束。

3)由公式(1)、(2)和(3)計算得到熱效率。煙氣中NOx和CO的濃度通過Testo350煙氣分析儀測定，其中CO的濃度按國家標準的要求，通入O2來調(diào)節(jié)CO的濃度，然后進行折算。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 常規(guī)燃氣灶及其灶頭的性能實驗

1)燃燒器性能實驗

離焰與熄火測定的試驗方法：冷態(tài)點燃燃燒器，15 s后目測有1/3以上火孔離焰，則判定為離焰，由此判定脫火流量為1.59 slm(slm的含義是標準升/分)。燃燒器點燃15 s后，逐漸降低燃氣流量，并目測降低過程中是否每個火孔都有火焰，由此測得燃燒器的熄火流量為0.87 slm。通過上面離焰與熄火的流量測定，確定穩(wěn)定燃燒區(qū)域在0.97 slm至1.45 slm之間，因此燃燒器的流量G范圍在0.97 slm與1.45 slm之間。據(jù)此，定義試驗中5個火勢對應的燃氣流量分別為0.97 slm、1.06 slm、1.21 slm、1.3 slm 和 1.45 slm。火焰高度極限范圍為15 mm至60 mm之間，因此確定實驗中燃燒器的調(diào)節(jié)范圍在20 mm至55 mm之間。據(jù)此，確定試驗中的8個調(diào)節(jié)高度分別為20 mm、25 mm、30 mm、35 mm、40 mm、45 mm、50 mm 和55 mm。

2)常規(guī)燃氣灶的熱效率

熱效率的測試實驗中，常規(guī)燃氣灶的灶頭與鍋底距離選為35 mm，所用水量統(tǒng)一規(guī)定為2 kg，初始水溫為12℃，測得常規(guī)燃氣灶不同火勢時的熱效率如表1所示。

表1 常規(guī)燃氣灶不同火勢時的熱效率

2.2 調(diào)節(jié)高度后的熱效率及污染物排放實驗

通過改變8個距離M，分別對5個燃氣流量G測量其對應的熱效率及排放的污染物，最后通過對比繪制高度、熱效率及CO排放量的關系曲線，如圖2～圖6所示。

圖2 火勢0.97 slm時高度與熱效率、CO排放的關系

2.3 燃氣灶高效低污染工作最佳距離的確定

最佳高度是指在一定的燃氣流量下，對應的熱效率較高且污染物排放符合國家標準的高度。跟據(jù)GB16410-2007的標準，燃氣灶排放煙氣中 CO的折算濃度要低于0.05%。

通過實驗，由5種不同火勢得出的高效低污染最佳距離及熱效率如表2所示。

圖3 火勢1.06 slm時高度與熱效率、CO排放的關系

圖4 火勢1.21 slm時高度與熱效率、CO排放的關系

圖5 火勢1.3 slm時高度與熱效率、CO排放的關系

圖6 火勢4.45 slm時高度與熱效率、CO排放的關系

表2 不同火勢時的最佳距離及熱效率

2.4 實驗結(jié)果分析

2.4.1 高度對熱效率和CO排放的影響分析

通過對圖2～圖6進行分析可以看出，對應每個確定的燃氣流量都存在1個最高的熱效率。隨著燃氣流量的增大，熱效率最高點對應的灶頭到鍋底的距離M也增大。灶頭到鍋底的距離M由20 mm增大到35 mm的過程中，由于足夠的距離M能夠保證充足的燃燒空間，使得燃燒更加充分，從而使CO的排放量大幅度降低。

2.4.2 高度對NOx排放的影響分析

燃氣流量相同時，隨著灶頭噴嘴到鍋底距離M的增大，煙氣中NOx的排放濃度基本滿足先增大后減小的關系，具有一個極高值，如表3所示。

表3 不同高度不同流量時的NOx排放濃度

由于合適的燃燒空間使得燃氣及時燃燒放熱，燃燒所需的過量空氣系數(shù)正好滿足要求。而灶頭到鍋底具有同一高度時，隨著燃氣流量的增加，燃燒器上方熱負荷增加，溫度升高，使得NOx的排放量有增加趨勢，所以NOx的排放濃度增大。將表3中的數(shù)據(jù)與國家規(guī)定的NOx排放量相比，滿足國家標準。

3 結(jié)論

在沒有嚴格限制功率的范圍內(nèi)，距離可調(diào)的節(jié)能燃氣灶的熱效率比常規(guī)燃氣灶的熱效率提高約4%，而且當節(jié)能燃氣灶在大功率工況工作時，節(jié)能效果將更加顯著，同時污染物排放均在國家燃氣灶標準范圍內(nèi)。

［1］李兆堅，江 億.家用燃氣灶熱效率特性測試分析［J］.應用基礎與工程科學學報，2006，14(3)：368-374.

［2］袁國汀.建筑燃氣設計手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［3］譚順民.家用燃氣灶具熱工性能的優(yōu)化研究［J］.重慶建筑大學學報，1995，17(3)：21-29.

［4］劉 杰，李永安，劉學亭.家用燃氣灶具熱效率的測試方法［J］.實驗研究和探索，2004，23(1)：59-66.

［5］同濟大學，重慶建筑大學，哈爾濱建筑大學，等.燃氣燃燒與應用［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［6］傅忠誠，薛世達，李振鳴.燃氣燃燒新裝置［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1984.

［7］金志剛，孟 紅，金國強，等.開發(fā)金屬纖維燃燒器——提高天然氣的應用技術(shù)［J］.城市管理與科技，2002(4)：27-29.

［8］黃志甲，張 旭，胡國祥.金屬纖維表面燃燒技術(shù)的研究與應用［J］.工業(yè)加熱，2002(4)：16-19.

［9］傅忠誠，要大榮，艾效逸，等.金屬纖維燃燒器 CO和 NOx排放特性［J］.煤氣與熱力，2006，26(2)：28-30.

［10］ Aamir A，Elperin I，Yotzer S.Performance characteristics of a gas burner with a swirling central flame［J］.Energy，1989，14(7)：373-382.