新型爐灶節能系統設計
設計者：王立明，李曉玲，許桂林，黃麗娟，，周江毅
指導教師：何偉
電子科技大學中山學院機電工程學院，中山市，528400）
【摘要】 本作品通過在燃氣灶灶頭外安裝盆形受熱管的方法來吸收灶頭向四周散發的熱能，從而降低熱能損失，提高熱效率。這種根據火焰方式環繞的盆形繞管兩端分別有一進水口和出水口，進水口接自來水，出水口接熱水箱，管內的水不斷替換流動吸熱，使吸熱更均勻，速度更快，帶走的熱量也更多，同時有效降低了因灶頭周邊溫度公升高而帶來的不利影響。輸出熱水較穩定，熱水可用於廚房餐具清洗等各種用途。
節能熱效率高，時間越長，節能效果越明顯。
【關鍵詞】：盆形繞管；流動吸熱；熱效率
聯絡人：王立明 tel：158email:
1. 研製的背景及意義
為了了解廚房灶具的使用現狀展開了實地調查，調查的範圍主要包括家庭廚房、普通飯店、中式餐廳、食堂、酒店等場所。其中使用節能灶具的占有25.3%，不使用節能灶具的大部分原因是**偏高、不能滿足中餐猛火的需求；普遍認為廚房的溫度很高，讓人不好受；86%的人認為廚房的熱水很有必要，熱水大部分用於清洗等用途。
基於這些現象，結合本設計作品的可行性，我們設計了這套爐灶的節能系統。燃氣灶節能的乙個重要的指標就是熱能的利用率即熱效率，據調查家用燃氣灶普遍存在熱效率不高的現象，大約有40%~50%的燃氣熱能被浪費掉，不管是從節約能源的角度看，還是站在消費者利益的角度看，提高燃氣灶對燃氣熱能的有效利用率，設計、生產高熱效率的家用燃氣灶，已成為燃氣具行業發展的乙個重要方向。燃氣灶的熱能主要有熱交換、熱輻射和傳熱三大損失，從目前所採用的技術改造來看，損失熱能的很大一部分是不可避免的，況且在利用廢熱的同時也可考慮提高灶具的使用效能和熱效率。
綜上可知，這種吸收損失熱量用作其他用途的節能方式是存在較大利用空間的。
2. 設計方案
2.1. 結構設計
實驗用環繞水管採用銅管，其特點是導熱性好，熔點高，可以彎曲變形。考慮到二次空氣的補給以及對火焰溫度的影響，銅管彎曲呈盆形，通過計算盆形繞管的上頂面直徑為214mm，下底面直徑是150mm。將其放置在爐頭與灶面的間隔中，底面用固定的兩根不銹鋼管支撐。
盆形繞管上方有焊接的鍋底支撐爪，為了便於彎曲形狀，銅管的外徑為14mm內徑12mm，盆形繞管安裝如圖1所示。
使用繞管的目的，其一是為了冷水在流動的過程中吸熱，讓水流帶走更多的熱量，且讓管內始終保持滿水狀態。其二是方便自來水壓於管內。其三是受熱更均勻，速度更快。
銅管的進出水口都設在灶的後面，進水口接已連線水龍頭的進水管，出水口接轉接管其與常閉電磁閥管口接頭連線，另一管口接頭接出水管。ds18b20溫度感測器探頭安裝在臨近銅管的管口接頭上面，系統整體布局圖如圖2所示。
圖1 盆形繞管安裝圖
圖2 整體布局圖
2.2. 控制系統設計
熱水輸出控制系統採用閉環方式，其主要包括stc89c52rc微控制器處理控制模組、ds18b20溫度檢測模組、輸入設定及輸出顯示模組，輸出控制模組，控制系統模組框圖如圖3所示。
圖3 控制系統模組框圖
檢測模組選擇帶有ds18b20溫度感測器的水溫探頭，不鏽鋼封裝可以防水，探頭裝在電磁閥管口輸出接頭的中間位置，電磁閥管口輸出接頭連線輸出水管的一側車出的孔徑較大，這樣便可以將測溫探頭置於輸出接頭大孔徑內並與水接觸。常閉電磁閥採用型號2w-15，耐高溫120℃ac22v，其與測溫探頭安裝的位置如圖4所示。熱水輸出控制系統原理圖如圖5所示。
試驗實物如圖6所示，其中real表示測得的實時溫度，set表示使用者設定溫度，l是使用者所需溫度下限，h是使用者所需溫度上限。
圖4 電磁閥測溫探頭安裝圖
圖5控制系統原理圖
圖6試驗實物圖
3. 設計計算
設計計算主要包括盆形繞管的上下對頂面管環繞直徑d1、d2的確定以及節能效益的計算。
3.1. 上下對頂面繞管直徑d1、d2的確定
d1的大小要求既不能影響加熱的效率，又要使鍋底側面與繞管保持較好的間隙以及適當的鍋底支撐面積。鍋底側面與頂面繞管水平間隙距離要考慮到繞管的吸熱效果及二次空氣的流入。
以實驗用華寶jz20y.1—88t1單爐灶為例，其火焰集中與鍋底中心然後向四周擴散，d—鍋底直徑，f—鍋底面積，q0—火焰總熱量，hq0—火焰與鍋底面完全接觸時的熱交換量。因此，熱交換量表示式為
hq0= q0 f=0.25πd2 q01）
由（1）知，d1不宜過大，實驗用爐頭直徑為100mm，火孔型是圓火孔，外圈火焰直徑為100mm，查表知鍋底直徑d=260mm, 支撐爪的徑向長度5cm，火焰外散使火焰接觸鍋底面的直徑變為154mm，加上由支撐爪所留為二次空氣流入的間隙距離約為6cm。由此可知，d1=214mm
繞管內壁與火焰中心的距離要合適，實驗時我們準備了4種環繞底面直徑為d2的銅管，當底面直徑ｄ2分別取為12cm、15cm、18cm、21cm時，將同等質量（一瓶礦泉水量v1=550ml）的常溫水（29℃）加熱到100℃所需的時間如表一， 實驗間隔時間10min繞管通水冷卻。
表一繞管底面直徑與加熱時間關係
由上表可知，安裝繞管後，加熱時間變長，效率有所降低。繞管離火焰中心的距離過小，則會造成加熱效率的下降，d2對火焰溫度的影響在≥15cm後逐漸趨向穩定。因此，為使繞管對火焰溫度的影響最小又盡可能多的吸收廢熱，我們取底面環繞管的直徑為15cm。
3.2. 節能效益的計算
計算引數： 液化石油氣呈氣態密度ρ氣=2.35kg/m3, 取其流速ν=1.
1m/s, 燃燒值a=4.7×107 j/kg； 水的比熱容c=4.2×10j/(kg ℃)， 密度ρ水=1000kg/m3 ； 實驗銅管長l=5m， 內徑d1=12mm； 燃氣進氣管直徑取d2=10mm。
燃氣進氣管橫截面積a=0.25π（d2）2=7.85mm2, 銅管內滿水體積v=l*π(0.5d1)=540ml 。
取正常燒菜時氣閥的開啟度，將常溫即實驗時溫度t 1=29℃的水加熱至t 2=100℃。
未加繞管時，
由表一可知，加熱時間t1=t=300.3s,
燃氣燃燒總熱量q1=a×m氣1=aρ氣νt1a×10-6=1.9×106 j=2.9×105 j
受熱水鍋吸熱量q吸1=cm水1（t 2-t 1）= cρ水v1( t 2- t 1)=1.6×105 j
損失熱量q損1=1.3×105 j
熱效率：
1= 55.2%
安裝盆形繞管後，
由表一資料分析後可知，d2=15cm時，t2= t=325s, 每次電磁閥開啟流出v ml熱水，不考慮排水時間，15min內平均每212s輸出一次t3=50℃熱水，因此，t2內輸出熱水量v2=1.5v=828 ml。
燃氣燃燒總熱量q2= a×m氣2= aρ氣νt2a×10-6=3.1×105 j
受熱繞管吸熱量q吸2=cm水2（t 3-t 1）= cρ水v2( t 3- t 1)=0.7×105 j
吸收利用總熱量q吸= q吸1+ q吸2=2.3×105 j
損失熱量q損2=0.8×105 j
熱效率：
2=74.2%
綜上計算可知，安裝受熱繞管後，燃氣灶總的熱效率最高可達74%，燃氣消耗量隨加熱時間比未加繞管時略有提公升，但熱能損失量降低了0.5×105 j，熱效率提高了19%。
4. 工作原理及效能分析
繞管的進水口通過進水管直接接自來水源，首次進水時，開啟控制電路，設定溫度高於實際溫度使常閉電磁閥處於工作狀態，從而讓管內氣流暢通，保證流暢進水。當水流出出水管時，表明所有水管已灌滿水，再次設定溫度使其低於實際溫度讓電磁閥處於常態，以後在使用的過程中始終保持管內有水狀態，至此繞管才做好吸收廢熱的準備。
當需要某一溫度熱水的時候，我們可以設定20~100℃內的任一整數溫度值。一使用爐灶即給繞管內的水加熱，由於探頭處的水溫要比繞管水溫稍低，故當水溫超過設定值時，電磁閥動作，便可將管內達到或超過設定溫度的水放出來。流經探頭的水低於設定溫度值時電磁閥關閉，留置管內的水繼續吸收廢熱，如此反覆。
經實驗，當使用爐灶超過2~3min時，電磁閥動作的頻率將會增加，收集的熱水將會增多，如此可保證日常生活中一次多量熱水的使用需求。本設計系統只要是固定的爐灶即可使用，不管是何種場所何種季節，由此可以看出本設計節能系統的實用性和廣泛的適應性。然而，長時間的使用，對電磁閥工作壽命會有一定的影響，以及長時間高溫加熱對受熱管的材料提出較高的要求。
其次，由於水壓的作用，整個管道的密封性一定要好，尤其是加熱時電磁閥與繞管進水口之間的水溫較高，水管必須耐熱。同時需要完善繞管的安裝及布局，降低其對空間和外觀的影響。
根據燃氣量、水鍋溫度與時間的正比關係，損失熱能（q損=q總-q吸）的趨勢圖如圖7所示。由圖7可知，隨著時間的延長，損失的熱能越多，安裝本爐灶節能系統後，損失的熱能明顯減少。因此使用爐灶時間越長，本爐灶節能系統效果越明顯。
這也是本系統節能的關鍵所在。本作品實物外形**如圖8所示。
實用新型專利說明書
1 技術領域 2 背景技術 3 發明內容 4 附圖說明 5 具體實施方式 6 評價 案例說明書 撰寫示例 試電筆 實用新型名稱應簡明 準確地表明實用新型專利請求保護的主題。名稱中不應含有非技術性詞語，不得使用商標 型號 人名 地名或商品名稱等。名稱應與請求書中的名稱完全一致，不得超過25個字，應寫在...
系統說明書 附錄
12.附錄 12.1 系統引數 試車人員必須在臨走前將系統說明書留下，交給使用者並要求換回前版說明書。日期 試車人員姓名 12.1.1 原料場 不適用12.1.2 熱磨系統 控制裝置 為了更有意義，我們不再詳述。現場裝置 各壓縮空氣裝置維修站 蒸煮罐手動排氣閥巴液滴加油 操作 預蒸料倉蒸汽閥巴液滴加...
新型液態PVC地坪塗料說明書
液態pvc地坪塗料是一種雙組份無溶劑型塗料，國家專利產品，甲組份為特殊脂肪族異氰酸酯預聚物，乙組份是由聚脲樹脂 優良助劑 顏填料等組成。特點 1 具有無縫防塵，易清潔，耐酸鹼，防腐蝕等優良效能 2 乾燥快，縮短施工週期 3 光澤柔和 亞光 適應現代審美的要求 4 漆膜摩察係數大，具有防滑性 5 漆膜...