紅外線與大氣式組合燃氣灶的性能試驗

侯懿寧

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院，福建 福州 350008)

1 概述

燃氣多孔介質紅外線燃燒技術也稱燃氣輻射燃燒技術，是一種先進的燃燒技術，在提高燃燒效率、擴展可燃極限、節約燃料、改善環境等方面具有其他燃燒技術不可比擬的優越性，被譽為劃時代的燃燒技術[1-3]。該技術以高溫固體介質輻射為主，大大提高了換熱效率，可以應用于工業和民用諸多領域，如：石油冶煉、紅外線無焰燃燒設備、輻射式加熱器、陶瓷材料合成、多孔催化劑燃燒、空氣中有機揮發物去除、多孔介質內襯內燃機、燃氣輪機、污染物控制等環保與燃燒領域[4-9]，從而滿足節能和環保要求。

在我國，該燃燒技術應用于燃具領域已久，多位學者在這方面進行了大量的開發研究，在理論與實踐上取得了可喜的成績[10-15]。一些企業開發了多種規格和型式的紅外線燃氣灶。

2 紅外線與大氣式組合燃氣灶

紅外線與大氣式組合燃氣灶(簡稱組合式燃氣灶)，外圍設置紅外線燃燒器(熱負荷占總熱負荷的75%左右)，中心設置大氣式燃燒器，其雙眼灶實物見圖1。該燃氣灶能充分發揮兩種燃燒方式的優點并彌補各自的不足，實現了高效低污染燃燒，較大提高了燃氣灶的熱效率，與紅外線燃氣灶、大氣式燃氣灶相比，具有非常顯著的性能優點。

圖1 組合式燃氣灶實物

3 對比試驗

3.1 燃氣灶的選擇

考察在達到基本相同加熱能力的前提下，組合式燃氣灶和大氣式燃氣灶的熱效率、一氧化碳排放量、氮氧化物排放量等實測結果，進行對比分析。選擇燃氣灶時，考慮到加熱能力基本相當，對熱效率高的燃氣灶，選擇額定熱負荷小一些的燃氣灶。因此，選擇額定熱負荷為3.5 kW的臺式組合式燃氣灶和額定熱負荷為3.8 kW的臺式大氣式燃氣灶各1臺，對右眼燃燒器進行對比試驗。額定熱負荷指右眼燃燒器額定熱負荷，左眼燃燒器額定熱負荷與右眼燃燒器相同。均采用液化石油氣鋼瓶供氣。2臺燃氣灶在氣源為液化石油氣時額定壓力為2 800 Pa。

3.2 試驗系統、試驗方法

燃氣灶測試試驗系統、試驗方法執行GB 16410—2020《家用燃氣灶具》。

3.3 試驗結果分析

① 灶前壓力為額定壓力時試驗結果分析

灶前壓力為額定壓力2 800 Pa時，2種燃氣灶的性能試驗結果見表1。

表1 灶前壓力為額定壓力時，2種燃氣灶的性能試驗結果

從表1可知，在額定壓力下，組合式燃氣灶的熱效率比大氣式燃氣灶高11.3個百分點，節能20%以上；組合式燃氣灶的一氧化碳體積分數約為大氣式燃氣灶的50%；組合式燃氣灶的氮氧化物體積分數比大氣式燃氣灶降低了78%。雖然組合式燃氣灶的額定熱負荷比大氣式燃氣灶小，但試驗中發現，在相同加熱水量和溫升情況下，組合式燃氣灶的用時更短。

② 變灶前壓力時試驗結果分析

改變灶前壓力，試驗得到灶前壓力分別為2 000、2 400、2 800、3 200、3 600 Pa時2種燃氣灶的性能試驗結果，見圖2。

從圖2可知，隨著灶前壓力提高，2種燃氣灶的熱效率均逐漸降低，熱負荷、一氧化碳體積分數和氮氧化物體積分數均逐漸升高。當灶前壓力達到3 200 Pa時，大氣式燃氣灶的熱效率低于國家標準要求的55%。各種灶前壓力下，組合式燃氣灶的熱效率明顯高于大氣式燃氣灶，平均高約11個百分點；組合式燃氣灶的氮氧化物體積分數明顯低于大氣式燃氣灶；組合式燃氣灶的一氧化碳體積分數也比大氣式燃氣灶低。因此可以判斷，在實際使用過程中，無論在人為關小閥門節流降壓情況下，還是在用氣高峰時段管網整體壓力偏低情況下，組合式燃氣灶與大氣式燃氣灶相比，都具有高熱效率、低污染排放的特性。

組合式燃氣灶的熱負荷、熱效率、一氧化碳和氮氧化物排放性能均符合GB 16410—2020。

4 組合式燃氣灶的性能特點原因分析

4.1 熱效率高原因分析

陶瓷板采用凹面結構，使紅外線集中加熱鍋底，無論對平底鍋還是圓底鍋，熱量散失都較少。陶瓷板表面發射率大，使單位面積輻射能傳遞量更大，提高輻射換熱效率。中心大氣式燃燒器火力非常集中，溫度高，燃燒完全，對流換熱路徑長，換熱效率高。外圍紅外線燃燒器采用完全預混式燃燒，過剩空氣系數小，理論燃燒溫度高，使得傳熱溫差增大，熱效率提高。組合式燃氣灶可采用較低的鍋支架，減小傳熱距離，減少輻射熱損失，從而提高熱效率。紅外線輻射波長范圍與被加熱物體(特別是水分子和高分子物質)接受波長相匹配時，產生共振效應，強化了傳熱過程。紅外線的穿透性使被加熱物體表層和深層同時被加熱，加熱過程更迅速、更均勻，熱效率也更高。

圖2 改變灶前壓力時2種燃氣灶的性能對比試驗結果

4.2 低污染物排放原因分析

外圈紅外線燃燒器引射空氣量充足，且混合均勻，故燃燒完全，一氧化碳體積分數極低，采用完全預混式燃燒，過剩空氣系數小，有效抑制氮氧化物的生成。陶瓷板的存在，使燃氣燃燒產生的熱量迅速傳遞給陶瓷板基體，火焰高溫區厚度大幅減小，煙氣穿過火焰高溫區的時間大大縮短，能迅速進入低溫區，故有效抑制熱力型氮氧化物的生成。雖然中心大氣式燃燒器產生的氮氧化物體積分數較高，但由于外圈紅外線燃燒器的存在，其高溫煙氣與紅外線燃燒器產生的低溫煙氣迅速混合，使溫度下降許多，從而降低了產生大量氮氧化物的可能性。另外，由于大氣式燃燒器熱負荷占比僅約為25%，其產生的氮氧化物被稀釋。

5 結論

① 組合式燃氣灶的熱負荷、熱效率、一氧化碳和氮氧化物排放性能均符合GB 16410—2020《家用燃氣灶具》。

② 當灶前壓力為額定壓力時，組合式燃氣灶的熱效率比大氣式燃氣灶高11.3個百分點，節能20%以上；組合式燃氣灶的一氧化碳體積分數約為大氣式燃氣灶的50%；組合式燃氣灶的氮氧化物體積分數比大氣式燃氣灶降低了78%。

③ 隨著灶前壓力提高，2種燃氣灶的熱效率均逐漸降低，熱負荷、一氧化碳體積分數和氮氧化物體積分數均逐漸升高。當灶前壓力達到3 200 Pa時，大氣式燃氣灶的熱效率低于國家標準要求的55%。各種灶前壓力下，組合式燃氣灶的熱效率明顯高于大氣式燃氣灶，平均高約11個百分點；組合式燃氣灶的氮氧化物體積分數、一氧化碳體積分數均比大氣式燃氣灶低。