燃气中餐炒菜灶采用红外线无焰燃烧的可行性研究

摘要：现大气试中餐炒菜灶存在热效率低、燃烧不完全、燃烧噪声大等不足。按照中灶的自身特点及辐射传热理，若采用红外线无焰燃烧可以大幅度提高其热效率，减少有害物质的排 放。实验证明了燃气中餐炒菜灶用红外线无焰燃烧燃烧是可行的。

0 引言

近年来，随着旅游业的发展和人民生活方式的改变，在外就餐的人数与日俱增，新宾馆、饭店不断涌现。与之相适应，用于制作作炒菜的中餐炒菜灶的数量也在不断增加。然而，目前绝大多数中餐灶的热效率仅为20%左右，国家标准《中餐燃气炒菜灶》中对热效率也仅要求不小于20％，能源利用效率低。而且存在燃烧不完全、烟气中有害物质含量较高、燃烧噪声大等问题。随着中餐炒菜灶数量的增多，研究如何提高中餐炒菜灶的热效率、降低有害物质排放、改善厨师的工作环境，将具有十分重要的意义。

本文针对中餐炒菜灶的特点，通过理论分析和对样机测试结果的分析，论述了燃气中餐炒菜灶采用红外线无焰燃烧可行性。

1 中餐炒菜灶采用红外线无焰燃烧的可行性分析

与家用灶具相比，中餐炒菜灶有以下特点：主要适用尖低锅；炒菜时一般仅使用锅深1/3-2/3以下的部位，因此要求火力集中，锅底局部热强度高；为保证菜的鲜、嫩程度，加入菜后不明显降低锅的温度，要求加热速度快，具有较大热负荷[1]。

目前，中餐炒菜灶绝大多数都是采用大气式燃烧方式。由于这种燃烧方式只预混了燃烧所需的部分空气，因此燃烧温度、燃烧强度受到限制。大气式燃烧主要以对流形式传热，而且过剩空气系数较大(—般a＝1.3-1.8)，火焰较长。由于中餐炒菜灶要求热负荷较大、锅底的使用面积较小，采用大气式燃烧不能进行有效换热，大部分热量随烟气损失掉，因而造成设备热效率低。此外，当火焰与锅底接触时，将造成不完全燃烧，导致烟气中有害物质Co含量的增加，在锅底积碳等。

红外线无焰燃烧是一种完全预混式无焰燃烧技术，具有过剩空气系数较小(一般a=1.05-1.10)、燃烧速度快、燃烧完全、燃烧温度高、燃烧噪声低等特点。这种燃烧是以辐射和对流两种形式传热，—般辐射热量占总热量的45—60%[2]。通过调整辐射面的形状，可以达到定向加热的目的，能够满足中餐炒菜灶火力集中、锅底局部热强度高的要求，有利于提高设备的热效率。此外，由于红外线具有一定的穿透能力[3]，可以穿透锅底进行加热，因而可以缩短加热时间，这也是中餐炒菜灶所要求的。从理论上讲中餐炒菜灶用红外线无焰燃烧是可行的。

2 实验台的建立

2.1燃烧器设计参数

2.1.1气源

采用液化石油气，高热值为：122284KJ／Nm3：低热值为：113780KJ/Nm3：相对密度为：1．9542；华白数为：87475：额定压力为3000Pa。

2.1.2 热负荷

鉴于目前多数中餐炒菜灶的最大热负荷在28kw左右，其热效率为20%，采用红外线无焰燃

烧后，热效率会大幅度增加，按40%计算，额定热负荷为14kw完全能够满足要求。

2．1．3燃烧器结构形式

辐射面采用多孔陶瓷板形式。按照传热理论，辐射面的形状影响着辐射换热量。在设计燃烧时，考虑到中餐炒菜灶主要适用尖底锅的特点，将多孔陶瓷板分8块以等腰梯形与水平面呈45o倾斜布置。为克服红外线无馅燃烧热负荷调节范围小的缺点，燃烧器设置成双引射器、两环结构。内环热负荷为4.652kw，外环热负荷为6.978。燃烧器的结构示意图见图1。

2．1．4辅助燃烧器

目前研究结果证实，采用红外线无焰燃烧与大气式燃烧相结合的组合式灶具，即可提高灶具的热效率，又能扩大其热负荷的调节范围。为使设计的中餐炒菜灶具有较大的热负荷调节范围，并考虑—灶多用的功能要求，在主燃烧器内设置了热负荷较小的大气式燃烧器。其热负荷为3.489kw。

2．2实验测试系统

将燃烧器安装在现有的灶台内，按照国家标准《中餐燃气炒菜灶》的检验要求，确定实验测试系统见图2。

3 测试结果分析

3．1实验测试结果

3．1．1红外线无焰燃烧器单独工作时测试

　结果

实验从两个方面进行。—方面，为了更

合理地确定灶具的结构，通过改变锅支架高度了解燃烧情况，其测试结果见表1。另一

方面，为了了解灶具的适应性和热负荷的可调范围，通过改变灶前供气压力进行，测试结果见表2。

表1 改变锅支架高度情况下测试结果

锅支架高度(mm) 热负荷(kw) 热效率(%) 面板温度(℃) O2(%) CO(ppm) CO2(%) NOx(ppm) COa=1(%) 54

63

70

79

86

11.87

11.88

11.87

11.87

11.88

42.16

42.44

41.31

39.30

38.20

882

883

876

873

872

2.8

4.2

11.0

14.0

15.7

240

130

14

24

11

9.8

9.4

5.5

3.9

3.7

36.2

30.8

20.3

14.2

14.1

0.0277

0.0163

0.0029

0.0210

0.0830

注：1 锅支架高度指燃烧器上边缘与锅同支架接触的垂直距离

2 NOx含量已折算为过剩空气系数a=1时的浓度

表2 改变灶前供气压力情况下测试结果

灶前压力(pa) 热负荷(kw) 热效率(%) 面板温度(℃) O2(%) CO(ppm) CO2(%) NOx(ppm) COa=1(%) 700

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

5.33

6.69

8.21

9.49

10.61

11.87

12.76

13.24

　

　

38.50

40.39

40.45

41.30

41.81

42.07

612

692

767

813

836

876

878

893

17.7

16.4

15.2

13.5

12.8

11.0

9.0

8.9

800

174

89

64

60

14

60

61

1.8

2.5

3.2

4.1

4.8

5.5

6.7

7.2

3.9

7.2

11.5

14.2

18.0

20.3

23.4

25.4

0.5225

0.0808

0.0326

0.0181

0.0155

0.0029

0.0105

0.0116

注： 锅支架高度为70mm

为了更直观地了解实验结果，更有效地对结果进行分析，故将测试数据绘制成图表见图3

3.1.2红外线无焰燃烧器与辅助燃烧器同时工作时测试结果

红外线无焰燃烧器与辅助燃烧器同时工作时，同样按改变锅支架高度和改变灶前供气力两方

面进行。测试结果见表3和表4。

表3 改变锅支架高度情况下测试结果

锅支架高度(mm) 热负荷(kw) 热效率(%) 面板温度(℃) O2(%) CO(ppm) CO2(%) NOx(ppm) COa=1(%) 63

70

79

15.15

15.22

15.18

43.38

44.79

43.47

876

874

873

2.9

3.9

9.8

>2000

14

24

10.1

9.5

6.2

27.5

69.5

54.3

>0.2322

0.0253

0.0086

表4 改变灶前供气压力情况下测试结果

灶前压力(pa) 热负荷(kw) 热效率(%) O2(%) CO(ppm) CO2(%) NOx(ppm) COa=1(%) 2000

3000

4000

13.29

15.22

18.16

45.00

44.79

41.82

5.4

3.9

1.8

26

206

800

8.7

9.5

10.8

76.6

69.5

101.0

0.0035

0.0253

0.0875

3．2测试结果分折

从表1测试数据和图3曲线可以看出当改变锅支架高度时，热负荷、多孔陶瓷板的板面温度基本保持不变，热效率随锅支架增高呈先升后降趋势。随锅支架增高，烟气中C0(折算为a＝1)含量先减少后增多，在锅支架高度为70mm附近达到最少。NOx含量减少，02含量增多。这些现象说明，当锅支架过低时，烟气排放受阻，从而使燃烧器背压增大，引射的空气量减少，燃气没能在陶瓷板的火孔内完全燃烧。当锅支架过高时，由于二次空气的渗入，烟气温度降低，从而使效率降低。锅支架增高，辐射角系数减小，锅吸收辐射量减少，也是热效率降低的因素。因此，在设计红外线无焰燃烧的灶具时，应充分考虑锅支架高度对热效率及烟气中有害物质含量的影响。

表2和图4的数据说明，随着灶前供气压力的升高，热负荷增大，板面温度升高，辐射换热量增多，热效率升高。但升高幅度逐渐减小。在额定压力3000Pa附近，烟气中C0(折算为a＝1)含量较少，而且变化不大。当灶前供气压力偏离额定压力较大时，烟气中CO含量迅速增多。当压力小于1000pa时，co含量已超出了标准的规定值。在改变供气压力的测试过程中，压力在700-4000pa范围内变化时，均未发生脱火或回火现象。但当压力降低至700Pa时，火焰在陶瓷板的表面漂浮，面板温度较低，有发生脱火的可能。

在1500-4000Pa，既0.5—1.2倍额定压力范围内，热负荷从8.21kw增至13.24kw。在此范围内，热效率为40％左右，烟气中CO含量满足标准的规定。

红外线无焰燃烧与辅助燃烧器(热负荷较小的大气式燃烧器)同时工作时的测试结果，说明在中餐炒菜灶上采用红外线无焰燃烧与大气式燃烧的组合形式，更能有效地提高灶具的热效率。这是由于相对于锅的受热面而言，辅助燃烧器的热负荷较小，虽然采用的是大气式燃烧，以对流传热为主，但相对受热面的增加，导致传热量的增加，因而热效率提高。

4 结论

1．实验测试结果说明了燃气中餐炒菜灶采用红外线无焰燃烧可以大幅度提高灶具的热效率，可由20%左右提高到40%，烟气中有害物质含量也明显降低。证实了燃气中餐炒菜灶采用红外线无焰燃烧是可行的。

2．采用红外线无焰燃烧与大气式燃烧的组合形式，更能有效地提高灶具的热效率。

参考文献

1 张尊中.关于中餐燃气炒菜灶热效率的探讨.家用燃气具,1996(1)

2 同济大学等.燃气燃烧与应用.北京:中国建筑工业出版社,1998

3 周承禧.煤气红外线辐射器.北京:中国建筑出版社,1982

4 李善斌.无焰-大气火焰组合式燃气灶的研究.煤气与热力,1994(4)