兩種生物質柴灶的熱工性能實驗研究

劉穎 王宗山 徐策 寧美玲 端木琳

大連理工大學建設工程學部

兩種生物質柴灶的熱工性能實驗研究

劉穎 王宗山 徐策 寧美玲 端木琳*

大連理工大學建設工程學部

為了分析內置水集熱器生物質柴灶與普通生物質柴灶的熱工性能，本文對這兩種柴灶進行了燃燒實驗。在不同實驗工況的對比中，得到了兩種柴灶的工作特性溫度數據。通過比較兩種柴灶的升溫段供熱強度、蒸發段供熱強度、降溫段散熱量等熱工指標，對兩種柴灶進行了熱工性能分析。實驗結果表明，內置水集熱器的生物質柴灶在各項性能上的表現都優于普通生物質柴灶，是一種有效利用生物質能新型柴灶。

柴灶 集熱器 熱工性能

柴灶的使用在我國已經有悠久的歷史，但是沿用多年的傳統灶熱效率很低，僅為10%～12%。近幾十年來，國家大力推進改造柴灶項目，經改造后的節煤省柴灶與傳統爐灶相比，在熱效率、燃料消耗、污染物排放方面有了很大進步，可達到熱效率20%以上的要求，較傳統柴灶的熱效率有了很大的提升[1]。節柴灶雖經多年推廣，但對于其各項性能的分析大多是經驗總結，本文就生物質柴灶熱工性能做了實驗和分析，實驗中選用了兩種農村地區常見的內置水集熱器的生物質柴灶和普通生物質柴灶分別做了燃燒實驗，通過實驗結果的計算，對兩種柴灶的熱工性能中的升溫段供熱強度、蒸發段供熱強度、降溫段散熱量等性能參數進行了分析。

1　兩種柴灶的性能對比燃燒實驗

1.1實驗內容

本實驗的實驗對象為內置水集熱器的生物質柴灶（圖1）和普通生物質柴灶（圖2）。內置水集熱器的生物質柴灶較普通生物質柴灶而言，在灶膛內增加了水集熱器，灶體也設計成內部有帶水內腔的形式，水在灶膛內部可循環流動，灶的右下角底部設有進水口，灶頂面左上角設有出水口，在燃料燃燒為鍋加熱的同時也可以加熱水集熱器中的水，被加熱的水可以提供生活用水或連入散熱器為需要供熱的房間供暖。普通生物質柴灶為鐵質圓形灶體柴灶。

圖1　內置水集熱器的生物質柴灶圖

圖2　普通生物質柴灶圖

本實驗參考了行業標準對于民用柴灶熱性能試驗方法的規定[2]，對鍋水溫度變化、鍋水質量變化進行了測試，計算出實驗所用柴灶的升溫段供熱強度、升溫段功率等參數，文獻[2]中僅對燃料開始燃燒到鍋水沸騰后溫度降低到比沸騰溫度低2℃這一時間段內灶體特性做計算。本文為完整分析柴灶在整個燃燒過程中的熱量變化，尤其是炊事部分熱工性能，對實驗過程進行了修改，把實驗時間修改為鍋水溫度從升溫、沸騰到下降的全過程。為了對兩種柴灶做一個比較，本文還對兩種柴灶的整體熱量分配情況做了簡單的計算。

根據實驗內容，使用熱電偶對鍋內水溫度、集熱器內水溫度、煙氣溫度進行了測試，用煙氣分析儀對煙氣成分進行了分析。實驗中鍋水溫度測試使用的是鎧裝熱電偶，測溫范圍是0～600℃，精度Ⅰ級。集熱管內水溫測試使用的是鎧裝熱電阻，測溫范圍是0～100℃，精度A級。柴灶集熱器內水系統流量測試使用轉子流量計，量程為60～600L/h，精度為±2.5%。燃料質量測量使用的是工業電子臺秤，量程為0～30kg，精度為±0.1g。在實驗中為保證測試的準確性，實驗前對實驗所用的熱電偶、熱電阻進行了恒溫水浴標定。

1.2實驗工況

為了對內置水集熱器的生物質柴灶的熱工性能做分析，本文設計了四組實驗工況進行對比實驗。其中實驗1、2和實驗3、4兩個對比組僅添柴量不同，其余實驗條件均相同，每組實驗的鍋水沸騰時間不同，可用來計算沸騰段放熱效率。實驗2、3添柴量相同，但使用柴灶類型不同，可比較兩種柴灶在燃料燃燒各階段熱工性能參數。四組實驗使用的燃料均為木柴，實驗1、2使用木頭的低位發熱量值為15.17MJ[2][3]，實驗3、4使用木頭的低位發熱量為15.13MJ[2～3]，實驗工況具體如表1所示，以下分別對四組實驗工況以實驗1、2、3、4代指。

表1　實驗工況一覽表

根據文獻[2]中規定，實驗環境溫度要求10～30℃，相對濕度小于85%，風速小于1.0m/s。

根據實際燒柴經驗，本次燃燒實驗設計工況為每次燒水7.36kg，燒柴量為2kg、2.5kg和3kg三種工況，每次實驗持續時間均為116分鐘。這種燒柴量可在實驗開始20～30分鐘左右燒開鍋水，這樣剛好符合正常家庭炊事操作時的燒柴時間。為了保持灶膛內燃料相對穩定的燃燒，避免實驗數據產生較大明顯振蕩。實驗中每次燒柴均為同一人操作，并采用隨時觀察灶內燃料燃燒情況，視燃燒情況隨時補充燃料的添柴方式。經過多次實驗經驗，最佳添柴方式為每隔2～3分鐘，每次添柴0.2kg左右。

2　實驗結果

圖3中所示是實驗中鍋內水的溫度變化，從圖中可看到各組實驗的沸騰用時、沸騰持續時間、鍋水初始溫度、鍋水沸騰溫度等。

圖3　實驗中鍋水溫度變化曲線

實驗1中，7.36kg水在加熱過程中，由初始的29.53℃升高至99℃，在燃料燃燒17分鐘后達到沸騰狀態99℃，耗費木柴1.158kg，并保持沸騰狀態17min40s，隨著燃料的燃盡，溫度降至59.3℃。

實驗2中，7.36kg水在加熱過程中，由初始的13.67℃升高至99℃，在燃料燃燒22分鐘后達到沸騰狀態99℃，耗費木柴1.26kg，并保持沸騰狀態30分鐘，隨著燃料的燃盡，溫度降至60.12℃。

實驗3中，7.36kg水在加熱過程中，由初始的18.54℃升高至99℃，在燃料燃燒29min20s后達到沸騰狀態98℃，耗費木柴2.2kg，并保持沸騰狀態9分鐘，隨著燃料的燃盡，溫度降至72.35℃。

實驗4中，7.36kg鍋水在加熱過程中，由初始的25.15℃升高至98℃，在燃料燃燒28min40s后達到沸騰狀態98℃，耗費木柴1.6kg，并保持沸騰狀態31分鐘，隨著燃料的燃盡，溫度降至80.60℃。

將實驗1～4信息總結如表2所示。

表2　實驗過程信息

圖4所示為內置水集熱器的生物質柴燃燒實驗集熱器內供水溫度變化曲線。實驗1中柴灶能將系統內的水從初始溫度27.3℃加熱到最高溫度54.8℃。實驗2中柴灶能將系統內的水從初始溫度18.1℃加熱到最高溫度53.9℃。系統內水的流量為540kg/h。在平穩運行階段，柴灶集熱器內供回水溫度差保持在10℃左右穩定向外釋放熱量。

圖4　實驗1、2中柴灶集熱器中水溫度變化曲線

3　實驗結果分析

3.1升溫段

升溫段供熱強度是從灶內引火物點燃開始，至將一定量常溫鍋水升溫到沸點的期間內，單位時間鍋水所吸收的熱量，表明柴灶的起動性能。根據內置集熱器生物質柴灶的特殊結構，本文對升溫段供熱強度做了特別計算，升溫段供熱強度除計算鍋水吸收熱量外，增加計算了鍋水升溫段水集熱器內水吸收的熱量，把兩者的供熱強度和記為升溫段總供熱強度。根據式（1）～（4），對各組實驗進行水升溫段吸收熱量、供熱強度做計算[2、4]，過程如下：

式中：Qsf為水沸騰所吸收的熱量，kJ；4.18為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；Gs1為初始鍋水量，kg；P1為升溫段供熱強度，kW；t2-t1為鍋水的沸騰溫度與初始溫度之差，℃；T2-T1為鍋水溫度達到沸點時間與燃料起燃時間之差，min；Qj1為集熱器內水在鍋水升溫段吸收的熱量，kJ；Gs為集熱器內水的質量流量，kg/h；tg-th為柴灶集熱器內供回水逐時溫度差（按每分鐘取值計算），℃；Pj1為鍋水升溫段柴灶集熱器供熱強度，kW。

表3　升溫段實驗參數計算結果

由表3中數據看到：實驗1、2的升溫段鍋水吸收熱量與實驗3、4接近，但實驗1、2的升溫段供熱強度大于實驗3、4，因此內置水集熱器的生物質柴灶在起動性能方面優于普通生物質柴灶。經分析原因如下：實驗1所使用的柴灶形狀為上半段梯形、下半段長方形的結構，并配有爐壁，這樣的結構更有利于燃料放熱，使得鍋水升溫速度快，而實驗2所使用的柴灶為圓柱形外形，且無爐篦，燃燒充分和未燃燒的燃料不能被分隔開，且無爐篦的柴灶僅有爐門一個通風口，使得燃燒時通風換氣效果較差，影響燃料放熱速率。

3.2蒸發段

蒸發段是從鍋水開始沸騰至鍋水溫度降低至低于沸點2℃之間的時間段。蒸發段供熱強度是在鍋水蒸發階段，單位時間鍋水吸收的熱量，表明柴灶的持續供熱能力。根據本實驗所使用研究對象的特殊結構，本文對蒸發段供熱強度做一特殊計算，蒸發供熱強度除計算鍋水吸收熱量外，增加計算了鍋水蒸發段水集熱器內水吸收的熱量，把兩者的供熱強度和記為蒸發段總供熱強度。蒸發段供熱強度可根據式（5）～（8）計算[2、4]：

式中：Qsh為水的汽化潛熱總熱量，kJ；qr為水的汽化潛熱，2253kJ/kg；P2為蒸發段供熱強度，kW；Gs2為鍋水達到沸點時的質量，k；Gs2-Gs1、Gs3為溫度降至低于沸點2℃時的鍋水量，kg；T3-T2為灶內鍋水溫度降至低于沸點2℃的時間與達到沸點時間之差，min；Qj2為集熱器內水在鍋水蒸發段吸收的熱量，kJ；Pj2為鍋水蒸發段柴灶集熱器供熱強度，kW。

計算結果見表4。

表4　蒸發段實驗參數計算結果

實驗1、2采用的是內置水集熱器的生物質柴灶。實驗3、4采用的是普通生物質柴灶?？梢钥吹狡胀ú裨畹恼舭l段供熱強度大于內置水集熱器的柴灶，針對本文研究柴灶的結構特殊性，為對比柴灶的持續供熱能力需要比較的是蒸發段總供熱強度，也就是鍋水吸收熱量和集熱器內水得熱總供熱強度。實驗1、2兩組實驗中內置水集熱器的柴灶蒸發段總供熱強度分別為5.96kW和6.75kW，大于實驗3、4兩組實驗中普通生物質柴灶蒸發段總供熱強度3.49kW和2.72kW，具有更強的持續供熱能力。

3.3降溫段

由實驗結果可以看到，內置水集熱器的生物質柴灶在沸騰后的蒸發階段熱量利用效率和放熱功率均大于普通生物質柴灶。

在鍋水沸騰結束后的降溫階段，根據溫度變化曲線可以看到，內置水集熱器的生物質柴灶水溫下降曲線斜率明顯大于普通生物質柴灶的水溫下降曲線斜率。經計算，四組實驗溫度下降速度如表5所示。

表5　降溫段水溫下降速率

水溫下降速率受灶膛內剩余燃料放熱量和灶體向外散熱量兩者差的影響。分析原因如下：內置水集熱器的生物質柴灶在升溫階段燃料已較充分燃燒，熱量已大量釋放出來，因此在降溫段燃料內剩余熱量減少，在這階段燃料所釋放的熱量較普通生物質柴灶而言也較少。

式中：Qj3為集熱器內水在鍋水降溫段吸收的熱量，kJ；T4為實驗結束的時間，min。

根據式（9）計算，在鍋水降溫段，實驗1、2中集熱器內水得熱總量分別為0.981MJ，1.083MJ。占總燃料放熱量比例分別為3%，3%。

3.4柴灶內熱量分配

上文對各個時段內兩種柴灶的熱工性能做了分析，分析結果總結如表6中數據所示。

表6　柴灶熱工性能總結表

4　結論

1）內置水集熱器的生物質柴灶和普通生物質柴灶的炊事熱量和煙氣熱量所占的比例相差不大，說明內置水集熱器柴灶增設的水系統并未使原柴灶在炊事、煙氣兩部分熱量的分配減少，只是在原熱量分配利用的基礎上利用了煙氣的余熱為水系統提供了熱量。在加設集熱器后，內置水集熱器的生物質柴灶在蒸發段總供熱強度平均為6.36kW，普通生物質柴灶的蒸發段總供熱強度僅為3.11kW，說明改進后的內置水集熱器的生物質柴灶的持續供熱能力優于普通生物質柴灶。這部分余熱利用所得到的熱量可用來供熱或提供生活熱水。

2）內置水集熱器的生物質柴灶在鍋水升溫段供熱強度平均為2kW,普通生物質柴灶供熱強度平均為1.37kW。通過對比看到，內置水集熱器的生物質柴灶在起動性能上優于普通生物質柴灶。分析原因為內置水集熱器的柴灶形狀為上半段梯形、下半段長方形的結構，并配有爐篦，這樣的結構更有利于燃料燃燒放熱，使得柴灶起動性能好。

3）兩種柴灶的熱效率均高于傳統柴灶10%～12%，是結構較合理的生物質柴灶，并且在此熱效率基礎上內置水集熱器柴灶中的水可吸收總熱量的44%作為有效輸出熱量。

[1]陳曉夫,張偉豪,劉廣青,等.我國戶用生物質爐灶的發展和應用[J].可再生能源,2010,28(4):118-122

[2]民用柴爐、柴灶熱性能測試方法(NY/T8-2006)[S].

[3]徐有明.木材學[M].北京:中國林業出版社,2006

[4]吳味隆.鍋爐及鍋爐房設備[M].北京:中國建筑工業出版社, 2006

Experimental Study on Thermal Performance of Two Types of Biomass Cooking-stoves

LIU Ying,WANG Zong-shan,XU Ce,NING Mei-ling,DUANMU Lin*
Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology

In order to make a thermal performance analysis on two different types of biomass cooking stoves which are stove with water collector tube and ordinary stove,two experiments using these two cooking-stoves were made.The experiment data were got in different experimental conditions for comparison.The thermal performance analysis is made by making comparisons of calefactive heat intensity,vaporizing heat intensity,thermal efficiency,etc.The experimental results show that the biomass cooking-stove with water collector tube is worth spreading widely which has a higher efficiency on heat using than the ordinary biomass cooking-stove.

cooking-stove,heat collector,thermal performance

1003-0344（2015）06-001-5

2014-6-25

端木琳（1959～），女，博士，教授；遼寧省大連市大連理工大學綜合實驗四號樓238（116024）；E-mail:duanmulin@sina.com

十二五國家科技支撐計劃課題（2012BAJ26B06）