民用柴灶熱性能試驗(yàn)對(duì)比研究

廖禎群，張建然，劉冠輝，谷宗旺，金月鎖

(芒市畜牧站/芒市農(nóng)村能源工作站，云南 芒市 678400 )

1 引言

經(jīng)過多年的農(nóng)村能源建設(shè)，特別是農(nóng)村電網(wǎng)改造和農(nóng)村戶用沼氣、太陽能熱水器推廣運(yùn)用，農(nóng)村用電、用氣、太陽能利用不斷增加。但是農(nóng)村生活用能中薪柴仍占很大的比重，“燒柴做飯，用火取暖”仍是目前農(nóng)村生活特別是山區(qū)生活的常態(tài)[1]。通過此次柴灶熱性能試驗(yàn)，分析出了影響柴灶熱性能的因素，以對(duì)幫助尋找更加高效、節(jié)能的用能產(chǎn)品提供參考，進(jìn)而減少森林資源消耗，鞏固生態(tài)建設(shè)成果，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，建設(shè)美麗鄉(xiāng)村[2]。

2 柴灶熱性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

云南省德宏州芒市。

2.2 試驗(yàn)時(shí)間

2021年8～10月份。

2.3 試驗(yàn)對(duì)象

芒市境內(nèi)隨機(jī)抽取的17座手工砌筑灶、3臺(tái)商品灶。

2.4 試驗(yàn)內(nèi)容

2.4.1 第一階段

將17座手工砌筑灶、3臺(tái)商品灶編號(hào)為1～20號(hào)，進(jìn)行熱性能試驗(yàn)，每座(臺(tái))灶試驗(yàn)2次，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值。

2.4.2 第二階段

在17 座手工砌筑灶中，選取1座無灶芯、攔火圈的一次進(jìn)風(fēng)柴灶和1座有灶芯(灶芯材料為耐火材料)、攔火圈的一次進(jìn)風(fēng)柴灶，在不影響灶體整體結(jié)構(gòu)的條件下進(jìn)行改造，對(duì)比分析改前、改后熱性能指標(biāo)，驗(yàn)證第一階段分析結(jié)果。

2.5 試驗(yàn)依據(jù)

此次熱性能試驗(yàn)依據(jù)為《民用柴爐、柴灶熱性能試驗(yàn)方法》(NY/T8-2006)。

3 計(jì)算方法

3.1 升溫段供熱強(qiáng)度計(jì)算

(1)

式(1)中：P1為升溫段供熱強(qiáng)度，單位為千瓦(kW)；4.18為水的定壓比熱容，單位為千焦每千克攝氏度[kJ/(kg·℃)]；Gs1為初始鍋水量，單位為千克(kg)；t2為鍋水的沸點(diǎn)溫度，單位為攝氏度(℃)；t1為鍋水的初始溫度，單位為攝氏度(℃)；T2-T1為灶內(nèi)鍋水溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)間與點(diǎn)燃時(shí)間之差，單位為分鐘(min)[3]。

3.2 蒸發(fā)段供熱強(qiáng)度計(jì)算

(2)

式(2)中：P2為蒸發(fā)段供熱強(qiáng)度，單位為千瓦(kW)；Gs2為溫度達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)的鍋水量，可取初始鍋水量Gs1，單位為千克(kg)；Gs3為溫度降至低于沸點(diǎn)2 ℃時(shí)的鍋水量，單位為千克(kg)；γ為鍋水在沸點(diǎn)時(shí)的汽化潛熱，可見表1，單位為千焦每千克(kJ/kg)；T3-T2為灶內(nèi)鍋水溫度降至低于沸點(diǎn)2 ℃的時(shí)間與達(dá)到沸點(diǎn)時(shí)間之差，單位為分鐘(min)。

表1 水沸點(diǎn)時(shí)的汽化潛熱

3.3 熱效率計(jì)算

(3)

式(3)中：η為灶的熱效率；GC為柴草量，單位為千克(kg)；Qnet,v,ar為柴草的收到基地位發(fā)熱量，可參見表2單位為千焦每千克(kJ/kg)。

表2 德宏州常用燃料的基地位發(fā)熱量(燃料熱值)與含水量的關(guān)系

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 第一階段試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1.1 第一階段試驗(yàn)結(jié)果

第一階段試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 柴灶基本情況

表4 柴灶熱性能試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表4

4.1.2 第一階段試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)第一階段試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，得出影響柴灶熱效率的因素有以下幾個(gè)方面。

(1)灶芯。即燃燒室，可以改變熱能的對(duì)流、導(dǎo)熱和輻射的方向，有利于提高柴灶熱效率[5]。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，灶芯的有無、灶芯的材料是影響熱效率的關(guān)鍵。首先，7～11號(hào)柴灶同為一次進(jìn)風(fēng)手工砌筑灶，但因7號(hào)、8號(hào)柴灶沒有安裝灶芯和攔火圈，熱效率低于9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)。其次，9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)均為有灶芯的一次進(jìn)風(fēng)柴灶，而9號(hào)、10號(hào)柴灶的灶芯為打灶人員手工砌筑，熱效率低于安裝了鑄鐵式成型灶芯的11號(hào)柴灶。

(2)攔火圈。攔火圈也叫擋火圈、擋火墻、聚熱反射層。其作用是調(diào)整火焰和煙氣流的方向、流速，延長(zhǎng)可燃?xì)怏w在灶內(nèi)燃燒的時(shí)間[6]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)也反映出攔火圈是一個(gè)影響柴灶熱效率的重要因素[7]，安裝有攔火圈的柴灶的熱效率高于沒有攔火圈的柴灶。

(3)吊火高度。指鍋底中心(鍋臍)與爐橋之間的距離[8]。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，吊火高度對(duì)柴灶熱效率的影響可以分為3 種情況：①火塘灶由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，周圍沒有遮擋物，無論是排煙熱損失，還是氣體、固體熱損失都較大，所以因吊火高度過高或過低而產(chǎn)生的熱損失與之相比很小，影響相對(duì)較小；②傳統(tǒng)舊灶與火塘灶相比，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但是沒有設(shè)煙囪和進(jìn)風(fēng)道，不影響燃料的燃燒、煙氣排放、火焰方向等，所以吊火高度對(duì)傳統(tǒng)舊灶的影響也比較小。如5號(hào)灶的吊火高度比4號(hào)灶高了6.5 cm，幾乎為柴灶吊火高度的一半，但是5號(hào)灶的熱效率僅比4號(hào)灶低了0.5667%；③設(shè)有進(jìn)風(fēng)道和煙囪的柴灶，由于進(jìn)風(fēng)道和煙囪會(huì)影響灶膛內(nèi)空氣的流向和流速，進(jìn)而影響柴灶熱效率，所以吊火高度對(duì)此類柴灶的影響較大。如9號(hào)、10號(hào)灶同為有灶芯的一次進(jìn)風(fēng)灶，灶芯都是打灶人員手工砌筑，但是因吊火高度不同，熱效率也不相同。14號(hào)、15號(hào)灶同為二次進(jìn)風(fēng)灶，灶芯為同一廠家，但是因吊火高度相差了2 cm，熱效率相差了3.553%。18號(hào)、20號(hào)商品灶為同一廠家生產(chǎn)的灶體，因吊火高度相差1 cm，熱效率相差了14.8676%。所以對(duì)此類柴灶而言，吊火高度是相當(dāng)重要的參數(shù)，根據(jù)火焰以外焰溫度最高的原理，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般燒草灶的吊火高度以14～16 cm為宜，燒硬柴的灶的吊火高度以12～14 cm為宜[4]。

(4)通風(fēng)助燃方式。以上試驗(yàn)證明，二次進(jìn)風(fēng)柴灶的熱效率是最高的，而安裝有灶芯和攔火圈的一次進(jìn)風(fēng)柴灶熱效率也比傳統(tǒng)舊灶要高，所以設(shè)有進(jìn)風(fēng)道和煙囪可以起到適當(dāng)供氧助燃的效果，而在燃燒室外層安裝二次進(jìn)風(fēng)管，可以使燃料得到充分燃燒[9]，提高柴灶熱效率，同時(shí)安裝煙囪、進(jìn)風(fēng)道、二次進(jìn)風(fēng)管可以減少煙氣排放[10]，保護(hù)人的身體健康。值得注意的是設(shè)有進(jìn)風(fēng)道和煙囪的柴灶，如果不安裝灶芯和攔火圈，那么不僅起不到通風(fēng)助燃的效果，而且還會(huì)因熱損失而降低柴灶熱效率。

(5)回?zé)煹馈Ｔ诓裨畹臒釗p失中，排煙熱損失是最大的一項(xiàng)[11]，而回?zé)煹赖淖饔镁褪窃黾痈邷責(zé)煔饬髟阱伒姿闹芑匦穆肪€和時(shí)間，以充分利用煙氣余熱。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了設(shè)有回?zé)煹赖牟裨畹臒嵝室葲]有設(shè)回?zé)煹赖牟裨钜摺?/p>

(6)灶型。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，火塘灶與包括傳統(tǒng)舊灶在內(nèi)的手工砌筑灶和商品灶相比，由于燃料周圍沒有遮擋物，熱損失大，熱效率低[12]。

4.2 第二階段試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.2.1 9號(hào)灶改造前、改造后對(duì)比

9號(hào)灶改造前后對(duì)比見圖1。

圖1 改造前后對(duì)比

4.2.2 第二階段試驗(yàn)結(jié)果

第二階段試驗(yàn)結(jié)果見表5和表6。

表5 7號(hào)柴灶改造前、改造后熱性能參數(shù)對(duì)比

表6 9號(hào)柴灶改造前、改造后熱性能參數(shù)對(duì)比

4.2.3 第二階段試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)7號(hào)柴灶進(jìn)行了參數(shù)對(duì)比，從中可以看出，升溫段時(shí)長(zhǎng)、蒸發(fā)段時(shí)長(zhǎng)、蒸發(fā)量分別增加了1.8001 min、17.2917 min、1.875 kg，也就是說7號(hào)柴灶到達(dá)沸點(diǎn)的時(shí)間延長(zhǎng)了大約2 min，但是到達(dá)沸點(diǎn)后蒸發(fā)用柴量增加了，升溫用柴量減少，說明通過安裝灶芯、攔火圈、回?zé)煹溃{(diào)整吊火高度，改變通風(fēng)助燃方式以后，柴灶更省柴。柴灶熱效率增加8.8927%也說明了這一點(diǎn)。

對(duì)9號(hào)柴灶進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，可以看出，升溫段時(shí)長(zhǎng)、蒸發(fā)段時(shí)長(zhǎng)、蒸發(fā)量分別增加了4.3583 min、10.8417 min、0.925 kg，同7號(hào)灶一樣，改造后燃料空間縮小，所以到達(dá)沸點(diǎn)的時(shí)長(zhǎng)增加，但是升溫用柴量減少，柴灶更省柴，柴灶熱效率更高。而因9號(hào)柴灶只是改變通風(fēng)助燃方式、灶芯材料、吊火高度，所以熱效率提高的幅度比7號(hào)柴灶要小，這也驗(yàn)證了第一階段的分析結(jié)果。

5 結(jié)論

試驗(yàn)證明，安裝灶芯、攔火圈，設(shè)置回?zé)煹溃黾舆M(jìn)風(fēng)量，保持適宜的吊火高度，優(yōu)化柴灶內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以減少熱能損失，提高柴灶熱效率，進(jìn)而減少薪柴消耗，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，推動(dòng)生態(tài)文明建設(shè)[13]。