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红外线节能灶具用多孔介质性能比较



            红外线节能灶具用多孔介质性能比较 


  前言

  红外线燃气技术也称燃气辐射燃烧技术,是较新较先进的一种燃烧技术。红外线辐射燃烧器是一种低压式完全预混燃烧器,广泛用于家用燃气灶具、烧烤炉、取暖器、便携式丁烷等 产品。红外线多孔介燃烧技术在提高燃烧效率、扩展极限、改善环境以及处理各类垃圾和

废弃物等方面具有其它燃烧技术不可比拟的优越性,被誉为划时代的燃烧技术。

   上世纪四十年代,德国人Schwank发明了多孔陶瓷板燃气红外辐射器。随后各种特殊的耐火材料制成的红外线辐射板也逐渐出现,红外线节能灶具即是采用多孔红外辐射板产生红外线直接加热。这种红外线辐射板能够辐射出一定波长的红外线,可加快物体的受热过程;燃烧板工作时火焰短,附着于板表面以下2~3毫米的火孔内,看不见火焰,故也称为无焰燃烧方式。由于加热过程中能量损失很小,从而大幅度提高了灶具的热效率。在我国,这项燃烧技术应用于燃气具行业已有20多年的历史,许多学者做了大量的研究工作将这项技术造福于千家万户。红外线灶具与普通的大气式燃气炉相比有如下明显优点:

(1) 燃烧更完全、热量传递效率更高、热量吸收效率高,跟传统大气式燃烧方式相比可节省燃气20%以上;

(2) 无焰燃烧方式,长期使用也不熏黑炊具,是完全干净的加热烹调;

(3) 能有效抑制对人体危害极大的一氧化碳、氮氧化物的生成,消除对人体健康危害的隐患;

(4) 由于多孔蜂窝结构具有极好的耐风性能,不容易熄火,使用更安全。

 

1 红外辐射传热特点

红外辐射习惯上通称红外线,发现于19世纪初,20世纪70年代广泛应用于工农业生产。所谓红外加热技术,就是利用红外辐射热能加热物品的工艺过程,其能量传递方式是热辐射,这种热能传递方式具有以下特点: 

  (1)辐射能在辐射源与被加热物体之间以光速进行传播,能量传递速度很快,为30万km/s,介质损耗很小,红外辐射能量被物质的分子吸收,不受物质表面层的阻滞作用,因而具有较高的加热速率:

  (2)红外辐射加热过程中,能保持物体中挥发物的扩散方向一致,从而保证加热质量;

  (3)红外线和可见光一样,都作为横波在空间传递,都是按直线传播进行的。


  (4)消耗能量较低,辐射传热效率要高于对流和传导这两种传热方式。辐射传热的强度与温度的四次方成正比,燃烧能量95%以上以红外辐射的方式释放,以可见光方式使能量损失降到较低,燃气的燃烧能量得到最充分和最有效的利用。

  上述特点决定了该项技术具有耗能低、加热速度快、加热质量高等特点,因而引起人们的高度重视。



通常的物体,表面吸收率不高,在被加热时,吸收辐射能的能力低,因而在热能传递的三种基本方式中,辐射能传递的比例较低。红外辐射的基本原理就是提高被加热表面吸收率增大辐射能传递比例。为此,通常的做法是在被加热表面涂刷一层高吸收率红外辐射材料。



2. 红外线蜂窝陶瓷板

红外线燃烧器由混合装置及头部两部分组成,按头部的材质结构区分,有多孔蜂窝陶板、铁铬铝合金、催化棉等。

红外蜂窝陶瓷是指在红外波段具有高发射率或特征发射率的无机材料。根据材料的红外性能即红外发射率和红外发射率随光谱的分布情况,把红外蜂窝陶瓷分成高效红外蜂窝陶瓷、选择性红外蜂窝陶瓷和低发射率蜂窝陶瓷三大类。红外多孔蜂窝陶瓷板和其它种类的材质相比较,具有使用性能优异、节约资源、环境友好等特点。在日常的烹饪、冬季采暖、野外作业等场合发挥霞要作用,无论是欧美国家比较普及的烤炉产品,还是国内的家用灶具上的红外线燃烧都呵采用红外蜂窝陶瓷板。红外蜂窝陶瓷燃烧板结构代表了红外线燃烧技术成熟的先进水平,随着能源价格的不断攀升和人们环保意识的不断增强,国内家庭用户越来越倾向于选择节能低排放的红外多孔陶瓷灶具,市场要求增长很快。

目前,红外蜂窝陶瓷的制备方法主要有两种,即热压铸法和挤压法。热压铸法的优缺点分别是:模具损耗小、操作简单及成型压力低,产品寿命较好,强度较高,尺寸规格比较精密,可是它对成型料浆的温度及流动性要求比较高,温度及流动性控制不好就容易造成坯体缺陷,只能生产一些低开孔率的产品。对于高开孔率、孔壁薄的蜂窝陶瓷产品来说,由于孔壁薄,对料浆的阻力比较大,容易造成产品“缺肉”,不饱满的现象。其次热压铸工艺由于采用大量的有机高分子材料(如石蜡、油酸、硬脂酸等),在烧制前需进行长时间的100℃一1000℃左右的“排蜡”处理,并且排放出的烟气由于含有大量的有机有害成分,需经过高温焚烧炉焚烧处理。这些工艺既费时,又浪费大量的燃料且排放的有害气体很难完全消除;除此之外,在烧成方面产品合格率非常的低,导致生产成本居高不下。为此,我们开发了一种高效环保的多孔陶瓷成型工艺,生产实践证明:其生产效率比热压铸成型工艺提高几倍,且社会经济效益明显。挤出成型的优缺点是:蜂窝尺寸、形状、间壁厚度、孔隙率等均匀性优良,适宜大批量生产;但是方孔片边角容易产生应力集中,模具加工要求高,挤压设备成本较高。对于生产400孔/inch2以上的高开孔密度的蜂窝陶瓷来说,对模具设备、成型工艺、原料配方提出了更加高的要求。

 

    热压铸成型工艺流程如图1。

                   

  挤压成型工艺流程如图2


  蜂窝状多孔陶瓷板催化反应器是一种新型的结构化反应器,可以用于汽车尾气净化、烃类催化燃烧的补燃器、降低燃烧产物中氮氧化物及其它污染物排放等。多孔陶瓷板用于燃气炉有其特殊的技术要求:①为了防止回火,要求热导率不能过大,应该小于0.58W/(m·k)。②要具有足够的机械强度和抗折、抗震性能。③低膨胀系数,过高的膨胀系数会导致陶瓷板的抗热震性能下降,使用中易破裂。④陶瓷板的火孔直径决定于燃气的组分、性质。燃气和空气按事先设计的比例在喷管中进行预混合,经分流板将预混气体均匀分配争陶瓷板孔。可燃气体在陶瓷板孔内燃烧,由此产生的能量在孔内直接加热陶瓷板,未尾由陶瓷板的辐射将能量传递给被加热的物体。多孔介质的强化传热和燃烧特性已成为一项新型的燃烧技术,有着广泛的应用前景,研究还表明利用多孔介质燃烧技术有利于减少有害排放物的生成,能改善和控制环境污染。多孔陶瓷辐射器正常工作时其表面温度为800"-'900℃,

从这个炽热的表面向外辐射热量。根据普朗克定律,黑体的辐射能力沿波长而变化,850℃时主要的辐射能量集中在2~6pm波段。所以对陶瓷材料在2~6pm波段的发射率愈高愈好,然而普通陶瓷在这一波段内的发射率较低。燃气在燃烧器表面着火燃烧,当燃烧器表面介质达到一定温度时,便向外辐射红外线。物体接受到红外线照射时,吸收其中一部分,反射一部分,吸收的部分转化为物体自身能量,使物体分子热运动变得更加剧烈,达到加热的效果。当物体分子同有的运动频率与红外线频率相符时,即辐射电磁波的波长与被加热物体的吸收带的波长一致时,物体对红外线的吸收效果最强,在整个红外线波段中,波长为0.76~409m的红外线具有较好的热特性。而多孔陶瓷板燃气燃烧器所发出的波长正好落在这一范围之中,因此多孔陶瓷板燃气燃烧器在加热技术中具有十分宽广的应用前景。


 

3 红外多孔陶瓷节能灶与金属蜂窝灶的比较

 

目前,根据燃烧器类型分类,研究和应用最多的红外线节能灶具主要有两种:红外多孔陶瓷灶具和金属蜂窝灶具。红外多孔陶瓷灶的燃烧器头部主要采用堇青石蜂窝陶瓷扳,金属蜂窝灶的燃烧器头部主要采用铁铬铝合金。这两种材质的比较如下:

  (1) 材料高温性能


  陶瓷红外线灶采用堇青石,使用温度可高达1200"C以上,导热系数和热膨胀系数小。而金属蜂窝灶采用铁铬铝薄壁蜂窝体,使用温度仅900"C以下,导热系数和热膨胀系数大,高温强度低,随着使用温度升高其颦性增大,元件易变形,不易弯曲和修复。在高温状态下,合金元件表面容易氧化,生成的氧化膜缩短使用寿命,由于燃气灶具长时间的冷热交替使用,其材料内部结构不断改变,表面所生成的氧化膜也会不断被腐蚀、老化、破坏和脱落。其元件内部产生红外辐射的金属元素不断消耗。如Al,Ni等,从而缩短使用寿命。因此,在选用线径时应选用粗规格的线材或厚一点的扁带。元件较高使用温度与元件线径也有相当的关系,一般情况下若想在元件较高使用温度下长期使用,其线径应不小于3 mm,扁带厚度不小于2 mm。

  (2) 安全性


  陶瓷导热系数和热膨胀系数小,使用时燃烧板上下面温差可以达到700度,不易回火。而当多孔陶瓷板温度过高即在陶瓷板背面处温度达到燃气空气混合物的着火温度时,陶瓷板红外辐射器才发生回火。有风时,由于无焰燃烧发生在燃烧板的表面下的火孔内部,加之陶瓷导热系数小,上板面燃烧温度高且热量流失速度慢,陶瓷板降温速度慢,可以起到稳定燃烧的作用,所以防风性能强。而金属导热系数大,传热快易发生热力回火;火孔壁薄,热膨胀系数大,反复冷热交替使用或受外力作用极易发生火孔变形且不易被发现,存在动力回火的严重安全隐患。有风时,由于燃烧火焰在板的上表面,易受来自不同方向的风的影响;加之金属导热系数大,板面易受风温的影响,燃烧温度低且散热快,所以防风性能与其他传统大气式灶具并无明显差别。

(3)防变形,防腐蚀,使用寿命等

陶瓷热膨胀系数小,不易变形;陶瓷耐酸耐碱耐硫耐盐等的腐蚀,高温不氧化,急冷急热不易变形,使用寿命较长;表面还可根据需要涂装高效红外涂料和燃烧催化剂,且这些表面改性材料与陶瓷基体结合良好,能轻松达到高能效低排放的目的;陶瓷板工艺成熟,产品质量稳定一致。

对于金属蜂窝灶,当水泼在金属燃烧器上面时,抗热冲击较陶瓷板好很多,此外金属的韧性也使其抗机械冲击性能较多孔陶瓷板刮25】。然而金属热膨胀系数大,反复急冷急热极易发生变形损坏;金属不耐酸碱盐腐蚀,高温下还极易被燃气中的微量硫腐蚀:其薄壁难以附着涂层,且基体与涂层热膨胀系数难以匹配,即便勉强结合也极易脱落;制备工艺复杂,材料性能加工性差,产品一致性较难保证。

( 4)热效率。红外多孔陶瓷节能灶热效率可达70%以上,原因如下:多孔陶瓷板导热系数小,向下散热少;耐火温度高,陶瓷燃烧面温度更高而不易回火,而且红外辐射强度与温度的4次方成正比;板面可附着高效红外涂料和燃烧催化剂,可进一步提高辐射效率和降低有害废气排放。此外金属蜂窝灶的有关节能措施均可应用于多孔陶瓷红外线节能灶。

金属蜂窝灶的金属燃烧器冷却快,熄火后在较短的时间内即可降至室温;金属蜂窝灶在点燃几秒钟后即可完全进入辐射状态,有利于快速调节和精确温度控制,而多孔陶瓷板一般要在点火后30.50s才进入辐射状态,但是金属蜂窝灶热效率很难达到60%以上。[251。

(5)其它。

红外多孔陶瓷灶工艺成熟,原料成本低,已普及;其颜色可变,图案花纹均可随意设计,美观实用,可满足不同用户的需求;陶瓷材料耐火度高,导热系数小,可实现体积小功率大的目标,进一步提高热效率和产品性价比:采用红外线无焰燃烧加热技术,热量依靠红外线辐射和对流传递给锅具,红外线的热量传递效率远超光波。

而金属蜂窝灶材料和加工成本昂贵;颜色单调,样式单一,难以满足市场需求;金属材料耐火度低,高温性能缺陷明显,导热系数大,热强度低,体积大效率低,既费料也不经济;采用的光波+火焰加热技术,是传统大气式灶具所普遍采用的热量传递方式的延续。

 

 4 展望

  红外线节能灶具与传统灶具相比具有成本低,污染少,节约能源,传热效率高等很多优点,且红外多孔陶瓷灶比金属蜂窝灶具有更加优异的特点。大量用户回馈的信息也表明,与传统灶具和金属蜂窝灶相比,红外多孔陶瓷节能灶具有好用、耐用、节能环保等优势,具有广阔的发展前景。




 








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