金属纤维中餐燃气灶炉膛改造实验研究

金属纤维中餐燃气灶炉膛改造实验研究 摘 要:研究金属纤维中餐燃气灶炉膛内传热过程，确定炉膛改造方案，分析对比了改造前 后的热效率、烟气中CO含量的变化规律。改造后热效率提高，烟气中CO含量降低。 关键词:中餐燃气灶 辐射换热 炉膛改造 热效率 CO排放量 Experimental Research on Reconstruction of Furnace Chamber of Metal Fibre Chinese Food Gas Cooking Appliance Abstract:The heat transfer process in furnace chamber of metal fibre Chinese food gas cooking appliance is studied(and the reconstruction scheme of furnace chamber is determined(The thermal efficiency and the variation law of CO content in flue gas before and after the reconstruction are analyzed and pared(The thermal efficiency is improved，and the CO content in flue gas is reduced after the reconstruction( Key words:Chinese food cooking appliance;radiant heat transfer:reconstruction of furnace chamber;thermal efficiency;CO emission 1 概述 燃气中餐灶常采用鼓风式燃烧器，热效率低，烟气污染物含量大[1]。为了提高热效率，减少 环境污染，不少学者在红外辐射燃烧器方面进行了大量研究，并证实了红外辐射燃烧器应用 到中餐燃气灶的优越性[2-3]，但对炉膛研究较少。本文通过对金属纤维红外线中餐燃气灶炉 膛的改造，以研究其对热效率和烟气排放物的影响。 2 中餐燃气灶炉膛换热分析 中餐燃气灶炉膛内的简化换热模型见图1。对于气体燃料，完全燃烧产物主要是CO2和H2O， 气体辐射量相对较小。如果忽略气相辐射，锅底接受的总热量主要有燃烧器表面的辐射换热 和烟气对流换热[4]。锅底接受的总热量可用式(1)表示。 qt,qc+qr+qb (1) 式中qt——单位面积锅底接受的总热量，W,m2 qc——热烟气与单位面积锅底之间的对流换热量，W,m2 qr——燃烧器表面与单位面积锅底的辐射换热量，W,m2 qb——炉膛内壁与单位面积锅底的辐射换热量，W,m2 鼓风式中餐燃气灶的燃烧产物直接冲刷锅底，通过锅底表面进行对流换热。辐射换热量受燃 烧产物与燃烧表面对流换热的限制而导致其值较小，锅底接受的热量以燃烧产物与锅底的对 流换热为主。而本文所研究的中餐灶采用鼓风式完全预混金属纤维燃烧器，过剩空气系数为 l.05，以辐射和对流两种形式传热，其中辐射热量占总热量的45,,60,。可见，传统的鼓 风式燃烧器的炉膛结构不能合理分配对流换热量和辐射换热量，因此有必要对炉膛结构进行优化设计，以达到提高中餐灶热效率的目的。 3 炉膛改造方案 炉膛结构主要影响烟气对流换热，烟气主要分为两部分:一是经锅圈排烟气，其对热效率影响较大;二是经烟道排烟气，一般加热余热锅后再排出，排烟温度在200?以上。经过锅圈排烟气主要是以对流方式加热锅底，提高速度有利于提高对流换热，则锅底与炉膛耐火保温材料间隙成为重要因素。同时，两部分烟气的分配也影响到中餐灶的热效率。常用炉膛的耐火材料是耐火砖，其具有一定的蓄热能力，导致炉温提升慢，且重量较重，不容易更换。硅酸铝板耐火温度高，高铝型可达到l400?以上。本方案采用环形硅酸铝板代替耐火砖作为耐火保温材料，形成烟气与锅底之间有效冲刷;同时在其上加涂耐高温节能涂料，用以强化辐射传热，提高热效率。图2为改造后中餐灶结构。 4 实验测试及结果分析 4.1 热效率 在测定中餐灶热效率的时候，按将水称量好放入锅中，待燃烧稳定后将锅置于锅支架上并加锅盖。水温测点在锅中心水深1,2的位置。水初温应取室温加5?，水终温应取水初温加50?。热效率按下式计算: 式中h——燃气炒菜灶的热效率 m——加热水量，kg c——水的比热容，MJ,(kg?K) t2——水的终温，? t1——水的初温，? Q1——燃气低热值，MJ,m3 DV——燃气消耗量，m3 4(1(1改造炉膛材料 在实验中发现改造前红外中餐燃气灶锅圈的温度较高，高达l20?以上。原因是燃烧表面的辐射换热有很大部分辐射到耐火粘土砖上，进而将热量传递给锅圈。另外，点火后测定的热效率低于燃烧器稳定一定时间后的热效率，原因也是耐火粘土砖的吸热。因此将耐火粘土砖改为轻质的硅酸铝纤维板。改为硅酸铝纤维板后的测试结果见图3，灶的热效率基本没变化，但锅圈温度快速降低，基本维持在60?以下，操作环境大大改善。 4(1(2环形炉膛加涂耐高温节能涂料 ?耐高温节能涂料的节能机理 热量的传递以热传导、热对流和热辐射3种方式进行，在高温阶段(800?以上)以辐射传热为主。随着温度的提高，辐射传热的作用越来越大。根据辐射传热基本定律呵知，提高表面发射率将有利于辐射传热的强化。炉膛内壁的辐射换热与其表面发射率密切相关。从基尔霍夫定律得知:任何辐射体在一定的温度下，其发射率和吸收率之比都是一个常数，即物质的发射率越大，其吸收率也越大。当炉膛内壁加涂这种高发射率涂料后会增加炉膛内壁对锅底的辐射，若炉膛内壁在单位时间内得到的热量不变，则发射率的提高必然增加对锅底的辐射传热，同时炉膛内壁温度下降且炉膛热损失减小。而炉膛内壁是从吸收辐射和对流换热获得热量，发射率的提高也就使得吸收率提高，这又会增大炉膛内壁与燃烧器表面的传热量，这样内壁在单位时间内得到的热量实际上是提高的。因此，炉膛内壁加涂高发射率涂层后将有利于辐射传热的强化。 ?耐高温节能涂料的组成与应用 耐高温节能涂料是根据红外辐射原理，由辐射粉料与载体粘结剂组成。本研究选用的耐高温节能涂料是用在耐火材料炉衬表面上的涂料，其辐射粉料主要是由单一的ZrO2组成或由ZrO2、Al2O3、SiO2按比例混合组成。 耐高温节能涂料的施工工艺如下:对硅酸铝板表面进行清灰、清洁;喷刷预处理液(质量分数为20,的PA80胶的水溶液);将辐射粉料与PA80胶、水玻璃、羧甲基纤维素等按一定配比混合制成粘稠状悬浮流体，即耐高温节能涂料;在喷刷预处理液后的5,10min内喷刷耐高温节能涂料。 4(1(3实验结果 改造炉膛形状并加涂节能涂料后的测试结果见图4，其热效率约提高2,,4,，其中负荷越大提高越高，额定负荷下热效率达到49.5,。这是由于一方面改造成环形炉膛使得烟气气流组织改变，经锅圈与经烟道的烟气量分配更加合理，同时提高了烟气对流换热时冲刷锅底的速度，增大了对流换热量;另一方面，节能涂料的使用强化了辐射换热，减小了炉膛无效蓄热。 4.2 烟气中CO含量jCO 改造前后中餐灶所排放烟气中CO含量jCO (折算为过剩空气系数a=1时的烟气中CO体积分数)见图5、6。 通常认为，烟气中CO含量主要是由燃气未完全燃烧所致，而燃气能否完全燃烧与燃空混合比例、混合完全度、烟气在高温区滞留时间等有关。通过对比改造前后中餐灶所排放烟气中CO含量jCO，可以得到: ?在改造炉膛为锥形后，烟气中jCO与改造前相比大幅下降。这是由于中餐灶锥形炉膛改变 了烟气气流组织，烟气的流动特性与改造前相比大为改善，从而使改造后所排放烟气中jCO大幅下降。 ?随着过剩空气系数的增大，烟气中jCO降低。燃烧过程中CO是CO2的中间产物，降低烟气中CO的含量不是抑制CO的生成，而是提供合适的条件促使CO快速完全地转化成CO2。随着a的适当增大，火焰中的O2含量变大，jCO迅速降低。 5 结论 通过将炉膛改造为锥形硅酸铝板炉膛并加涂耐高温节能涂料后，改变原有炉膛烟气气流组织，可以有效地提高中餐灶热效率，减小了炉膛无效蓄热，降低了锅圈温度;同时，降低了烟气中CO含量，并且烟气CO含量的变化规律与过剩空气系数有关。 参考文献: [1]鲁岩(鼓风式预混中餐灶空气一燃气混合室改造实验研究[J](节能技术，2008(4):363-365( [2]黄志甲，张旭，胡国祥(金属纤维燃烧器在中餐燃气炒菜灶的应用[J](煤气与热力，2003，23(3):146-149. [3]徐吉浣，施惠邦，徐振平(复合层多孔陶瓷板燃气辐射器的研究[J](煤气与热力，1994，14(4):33-36( [4]同济大学，重庆建筑大学，哈尔滨建筑大学，等(燃气燃烧与应用[M](3版(北京:中国建筑工业出版社， 本文作者:戴晓楠 于涛 作者单位:白银宏宇燃气有限公司 烟台市汇通燃气发展有限公司 百得燃烧机www.shhtrn.com