集成灶吸煙口對熱效率影響的研究

黎有為 張煜圣 陳啟榮

（廣東萬和電氣有限公司 佛山 528513）

前言

經濟高速發展的今天，能源危機和環境污染成為了世界各國的重要話題，如何解決社會高速發展與能源和環境之間的矛盾，高效率的能源利用和環境保護是我們發展的必然之路，我們國家在“十四五”規劃中也給出了指導方針。

集成灶作為目前灶具和煙機的細分品類，從2016年以來發展迅猛，集成灶行業對傳統吸油煙機和灶具的滲透趨勢會進一步擴大。目前GB 30720-2014《家用燃氣灶具能效限定值及能效等級》標準中規定集成灶一級能效不低于59 %，由于集成灶的特殊性，集成灶吸風口至鍋面距離約（20～30）cm，傳統煙機吸風口距鍋面距離則 （40～70）cm。因此相較傳統煙機，集成灶吸排距離至少縮短一半，吸煙口比傳統的吸油煙機的吸煙口要低。另外、不同廠家之間的集成灶風機排風量大多在（15～18）m3/min，顯著低于傳統煙灶的 20+ m3/min，但僅從常態油煙吸凈率（即房間內 30 min 氣味濃度降低比例）也可看出，集成灶普遍常態吸凈率超過 99.5 %，而傳統煙機代表機型也僅在（95～98）%之間。這就導致灶具的熱量在未完全燃燒就會被吸走，導致集成灶的熱效率比傳統灶具要低。為了在提高集成灶熱效率的同時，吸煙效果也能滿足用戶的需求。因此，我們對集成灶的吸煙口到灶臺面板的不同高度做了測試對比，從中選取最優方案。

1 集成灶加熱過程分析

根據吸煙口設計高度選擇范圍，依據GB 16410-2007《家用燃氣灶具》規定的標準試驗條件下，分析集成灶的加熱過程（見圖1）。對本公司的一款集成灶的吸煙口做了不同高度的對比測試。

圖1 集成灶的加熱過程

家用大氣式集成灶加熱過程中，燃燒所釋放的總熱量包括燃燒產生的化學熱、參與燃燒的空氣帶入的熱量、參與燃燒的燃氣帶入的熱量，后兩項可以忽略不計，因此燃燒釋放的總熱量近似等于燃氣燃燒產生的化學熱。在熱傳遞過程中，主要有熱傳導、對流和輻射3種方式［1］。

其中減少熱損失是提高集成灶熱效率最直接有效的方法。集成灶在燃燒過程中，火焰于鍋底面的熱交換不僅受鍋底面積大小的影響 ，而且還受交換時間，交換速度等的影響，部分燃氣未能充分參與鍋底面與鍋周圍的熱交換而產生熱能流失損失。

另外，爐頭的直徑越大，燃燒產生的熱量與鍋的交換時間越短，熱損失也就越多，所以在集成灶是設計中選用了爐頭直徑為120 mm。

2 提高集成灶熱效率的方法

2.1 減少熱損失的方法

在燃燒過程中，熱損失主要包括集成灶吸排油煙裝置運行而帶走高溫煙氣的熱量Q4、火焰對鍋架、面板、承液盤等周邊加熱的熱量Q5以及集成灶火焰對周圍空氣加熱所造成的熱量損失Q6。由于Q5和Q6占總熱量損失的占比較小，而且受影響的因素太多，不利于分析，此處主要分析占總熱損失比例最大的Q4[1]。

根據燃燒原理有：

式中：

ρ—煙氣的密度，kg/m3；

Vy—燃燒過程中產生的煙氣體積，m3；

cp—煙氣的比定熱容，kJ/（kg · K）；

θL—煙氣離開鍋壁面的溫度，℃。

燃燒所產生的高溫煙氣在集成灶的工作過程中，因吸排油煙裝置工作而使高溫煙氣的部分熱量被二次空氣帶走，導致燃燒產生的高溫煙氣溫度下降，降低了高溫煙氣對鍋底和水的換熱能力。因此減緩高溫煙氣被集成灶吸排油煙裝置帶走的速度，增加換熱時間可以減少熱損失。

在關閉吸排油煙裝置情況下，灶具熱效率提高10 %。所以如何設計吸煙口的高度對提高熱效率起重要作用。

3 集成灶吸煙口高度測試

集成灶的吸煙效果有目共睹，也正是憑借著強大的吸煙能力，得以成為時下備受追捧的廚電產品。那么，集成灶為什么吸煙那么高效？這主要表現在三個方面：

3.1 攏煙

當風輪運轉時，會吸走空氣并排出去，這樣使得煙腔區域的壓強低于周邊壓強，進而產生負壓。由于集成灶整個煙道是密封的，有一個吸煙口，一個排煙口，所以負壓通過吸煙口將油煙吸走，另外這個負壓區會影響吸油煙效果的區域，也就是攏煙區。集成灶運用微空氣動力學原理，形成黃金攏煙區，可以有效地做到凈除油煙，吸煙率可達99.96 %，集成灶采用側吸下排技術，在油煙未升騰就能被吸走排除。

3.2 吸煙

在市場上，大家對于吸油煙機最直觀的看法，就是我們常說的排風量。排風量是一個很重要的指標。一般來說，風量值越大，越能快速及時地將廚房里大量的油煙吸排干凈。以集成灶為例，排風量可達17 m3/min，讓廚房油煙快速吸走排除。

3.3 排煙

影響吸煙的因素，還有排煙效果，只有足夠大的風壓，才能讓油煙順利從公共煙道中排出。集成灶風壓可達300 Pa以上，而且風道內一體成型技術可以減少風道共震，有效降低風阻，讓排煙不堵更順暢。集成灶吸排煙效果圖（見圖2）。

圖2 集成灶吸排煙效果圖

如今市場上的集成灶都存在一個難點，就是如何有效的解決大吸力，排煙效果好，熱效率高三者之間的平衡。而很多集成灶企業只注重排風量大小，往往忽略了集成灶的熱效率，我們要做的，就是通過吸煙口高度的設計，再提高效率的同時也能兼顧大吸力，排煙效果好的特性。

3.3 吸煙口高度

首先我們結合燃燒器，熱負荷以及CO測試結果，初步設計爐架高度為64 mm。測試標準下限鍋的高度為190 mm，也就是爐架和測試鍋的高度為190+64=254 mm，選取最低的吸煙口高度距離灶面為254 mm，我們在測試過程中發現，在開啟集成灶吸排油煙裝置，并且風機在最高轉速下運行時，此時燃燒器的燃燒火焰正常。由于吸煙口高度離灶面為254 mm，剛好與測試標準鍋的上邊緣持平。燃燒過程中高溫煙氣隨著鍋邊往上走，同時釋放熱量。過程中燃燒產生的高溫煙氣還沒有完全和器皿產生熱量交換，就被吸排油煙裝置快速吸走，此時吸油煙效果是最好的，當然此時也會導致鍋內溫度上升減慢，熱效率低。開啟吸油煙裝置時高溫煙氣的示溫圖（見圖3），圖中右邊為靠近吸煙口。

圖3 開啟吸油煙裝置時高溫煙氣的示溫圖

根據GB 16410-2020《家用燃氣灶具》規定的標準試驗條件下的集成灶和試驗用鍋作為研究對象，實測熱負荷為4.40～4.95 kW之間，測試的上限鍋直徑為340 mm，深度為200 mm。下限鍋直徑為320 mm，深度為190 mm。當吸煙口高度距離灶面為254 mm時，與下限鍋的邊緣基本持平。由于在設計時要考慮到不同用戶的烹飪習慣，有些用戶喜歡蒸屜，根據市場銷量排行中雙層和三層的蒸鍋銷量最高，蒸鍋的總高度在270～365 mm之間。蒸鍋加上爐架的高度約429 mm，這就導致集成灶頭部不能設計過低，因此吸煙口的設計高度（見圖4）我們選擇在254～370 mm之間進行測試對比，測試對比數據（見表1）。

圖4 集成灶吸煙口高度設計

表1 測試對比數據

4 結論

本文通過對家用大氣式集成灶的燃燒以及加熱過程中受吸排油煙裝置的吸煙口高度進行深入分析，分析影響集成灶熱效率的關鍵因素，通過反復的試驗，得出行之有效的提高集成灶熱效率的方法。

通過改變吸煙口的高度，在滿足吸排油煙以及噪音要求的情況下，通過抬高吸煙口到灶面距離，在吸煙口到灶面距離為（309～330）mm之間，各項性能指標最優。不僅可以有效的減少高溫煙氣在未進行熱交換的情況下被吸走。增加高溫煙氣跟測試鍋的交換面積和時間，更有效的提高集成灶的熱效率10 %（比例）以上，CO和NOχ排放量遠遠低于國家標準限值，節能環保效果顯著。