廚房節(jié)能小助手——利用爐灶散熱加熱廚房用水的換熱器設(shè)計(jì)

1、廚房節(jié)能小助手(第一屆節(jié)能減排大賽國家二等獎(jiǎng))利用爐灶散熱加熱廚房用水的換熱器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)者：盧士升，曾菊英，陳秋鑾指導(dǎo)教師：張乃強(qiáng)1 項(xiàng)目名稱廚房節(jié)能小助手利用爐灶散熱加熱廚房用水的換熱器設(shè)計(jì)2 設(shè)計(jì)目的爐灶是廚房能源消耗的主要用具，但是生活中用的燃?xì)鉅t灶的熱效率也不是很高，約為5060，很大一部分能量散發(fā)出去，造成熱能的極大浪費(fèi)。同時(shí)，廚房在做飯的時(shí)候需要用到熱水洗菜、洗碗，大多數(shù)家庭采用熱寶或者額外燒水的方式產(chǎn)生熱水，再次消耗了能源。廚房節(jié)能小助手試圖將爐灶散熱吸收起來加熱換熱器產(chǎn)生熱水，用于廚房洗菜、洗碗。這樣既減少了爐灶的熱能浪費(fèi)，提高了爐灶效率，又減少了加熱熱水的能源消耗，一舉兩得，節(jié)

2、約能源。3 設(shè)計(jì)背景3.1 生活習(xí)慣現(xiàn)代家庭廚房一般都配備有兩個(gè)爐灶的灶具，每天做飯13次，每次做飯爐灶工作時(shí)間因地方習(xí)慣不同有所差異，約20120分鐘。對(duì)于餐館廚房，每天爐灶使用時(shí)間更長。爐灶是家庭能源的主要消耗體，由于其熱效率低，且使用頻繁，使用時(shí)間長，有大量的熱能被散發(fā)掉，造成能源的浪費(fèi)。在做飯的過程中，人們需用熱水來洗菜、洗碗。熱水主要有三種方式產(chǎn)生：1、使用熱水壺在爐灶上直接燒水；2、直接連接燃?xì)鉄崴骰蛘唠姛崴鳎?、安裝熱寶，用電加熱方式產(chǎn)生熱水。3.2 能源消耗計(jì)算假設(shè)一個(gè)家庭每次做飯需8升熱水用于洗菜洗碗，冬天自來水溫度一般為15，洗菜洗碗熱水的期望溫度為3540，這樣一次做

3、飯所需要的熱能消耗為假設(shè)利用廚寶進(jìn)行加熱熱水，假設(shè)廚寶的熱效率為70，每天做2次飯，那么每天在洗菜洗碗水上消耗的電能為每天消耗這么多電能，那么一個(gè)家庭一年要額外消耗更多電能，在全國范圍內(nèi)計(jì)算這將是一個(gè)非常可觀的數(shù)字。爐灶因?yàn)闊嵝实停速M(fèi)了大量的熱能。而洗碗熱水需要消耗大量的熱能，但它所需要的能量可以是低品位的熱能，不必消耗高品位的電能。廚房節(jié)能小助手正是想利用爐灶的散熱加熱洗碗水，實(shí)現(xiàn)吸收廢熱、節(jié)省電能的節(jié)能過程。4 模型及設(shè)計(jì)原理4.1 外形結(jié)構(gòu)尺寸廚房節(jié)能小助手的結(jié)構(gòu)采用兩層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層是換熱器，外層由后上下左右蓋板和前玻璃面板組成。后、上下、左右側(cè)蓋板和換熱器中間采用整體發(fā)泡隔熱層進(jìn)行填

4、充。前玻璃面板與換熱器前面板中間進(jìn)行抽真空。圖1 廚房節(jié)能小助手的設(shè)計(jì)模型（(a)正視圖，(b)透視圖，(c)側(cè)視圖）小助手的設(shè)計(jì)外形尺寸是700×300×35mm，這是因?yàn)橐话銦煓C(jī)、灶具的長度為700mm，為了整潔、協(xié)調(diào)、美觀，所以采用相同的長度。小助手主要是接受爐灶的輻射熱，很少有對(duì)流換熱，因此設(shè)計(jì)300mm高度。選擇換熱器水箱的尺寸660×260×20mm，其中前面板的尺寸是700×300mm。后部保溫發(fā)泡層厚度為7mm。玻璃厚度為3mm，中間抽真空的距離為3mm。兩層鋼板厚度為2mm。如圖1所示。換熱器水箱及后保溫層板采用不銹鋼板，厚度

5、為1mm。前面板采用鋼化玻璃。底座采用不銹鋼，底座高度為25mm，冷熱水管穿過右側(cè)底座，避免露出水管，美觀大方。4.2 廚房內(nèi)安裝位置廚房的櫥柜一般設(shè)計(jì)為一側(cè)為煙機(jī)灶具，中間操作臺(tái)，另一側(cè)為洗菜洗碗盆。灶具安裝一般距離墻面80mm，煙機(jī)高于灶具700mm。根據(jù)這種廚房結(jié)構(gòu)，廚房節(jié)能小助手的安裝位置如圖2所示。圖2 廚房節(jié)能小助手在廚房內(nèi)的安裝位置圖4.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念前面板采用玻璃，主要是為了加強(qiáng)換熱并防止小助手熱量損失。同時(shí)玻璃面板也非常美觀，在玻璃面板內(nèi)側(cè)可以預(yù)先做一些圖案，使小助手看上去美觀大方。由于廚房小助手直接連接在自來水龍頭上，自來水的設(shè)計(jì)壓力一般在0.6Mpa左右。因此換熱器水箱

6、必須具有較好的抗內(nèi)壓能力，水箱的焊接采用高溫氬弧焊接，以保證嚴(yán)密性。在水箱中間焊接6個(gè)加固肋，可以保證強(qiáng)度和剛度。進(jìn)水管和出水管采用的鋼管，并放在換熱器的同側(cè)。與自來水的連接時(shí)，可以采用蛇皮管連接。安裝時(shí)，下端直接放置在廚房臺(tái)面上，由底座作支撐。小助手的后面板上側(cè)開有兩個(gè)安裝空，可以穿螺釘安裝在墻面上。前面板玻璃上留有兩個(gè)小孔作為螺絲刀安裝時(shí)位置，安裝完用兩個(gè)橡膠紐扣塞住，不影響美觀。4.4 強(qiáng)化換熱及保溫設(shè)計(jì)理念廚房節(jié)能小助手主要吸收爐灶的輻射熱量，加熱換熱器內(nèi)的水。換熱器前面板采用不銹鋼材質(zhì)，在表面涂有黑色吸熱涂層，增加換熱器的黑度，增強(qiáng)換熱。小助手前面板采用玻璃鋼，對(duì)輻射換熱基本沒有影響

7、。玻璃面板與換熱器之間抽真空，可以很大程度的降低換熱器向外散熱。后面板靠近墻面，必須設(shè)置保溫層。采用兩層結(jié)構(gòu)，中間夾保溫層，可以有效防止熱量散失。其中保溫層擬采用整體發(fā)泡技術(shù)，將內(nèi)部空間充滿保溫氣泡。這樣既保溫又輕便。4.5 流動(dòng)設(shè)計(jì)理念小助手的冷水取自洗菜盆的冷水，然后熱水回到洗菜盆的水龍頭熱水端，其熱水的流出動(dòng)力是入口自來水壓力。為了便于安裝和維修在冷水入口處安裝閘閥。由于水具有不同溫度分層的特性，因此換熱器水箱中沒有分隔，為一整體，這樣有助于加熱時(shí)水的對(duì)流。放水時(shí)，為保證熱水先流出，避免冷水對(duì)水箱中水產(chǎn)生較大擾動(dòng)，影響水的分層，在入口和出口安裝擋水板。4.6 安全性設(shè)計(jì)如果小助手長時(shí)間吸

8、熱且沒有熱水放出，可能會(huì)出現(xiàn)換熱器內(nèi)水沸騰。水箱上部產(chǎn)生蒸汽，致使換熱器內(nèi)壓力增加，冷流倒流。因此在換熱器上端設(shè)置一個(gè)蒸汽排氣閥，換熱器內(nèi)有氣體存在時(shí)就會(huì)自動(dòng)對(duì)外排氣，將放氣閥的方向?qū)?zhǔn)墻側(cè)，避免傷人。如果排氣閥開始排氣，只需放出些熱水即可。進(jìn)一步的安全措施可以采用溫度計(jì)標(biāo)識(shí)，或者溫度自動(dòng)報(bào)警裝置等，以提高安全性。如果發(fā)生水箱漏水等故障，只需關(guān)閉進(jìn)水閥門即可。前面板玻璃采用鋼化玻璃，即使炸裂也不會(huì)傷人。雖然以上列出了幾種不安全的可能性，但是其發(fā)生的概率非常小。如果能形成產(chǎn)品，必將有更多質(zhì)檢方案和技術(shù)以避免不安全事件發(fā)生。5 理論計(jì)算圖3 平面工作圖如圖3所示，O點(diǎn)為火焰中心，灶具工作時(shí)火焰形狀

9、為圓形，半徑，火焰高度，直線AB與圓O相切B點(diǎn)，直線DC與圓O相切于C點(diǎn)，火焰外延距離小助手最短距離。圖4 空間工作圖由于鍋直接吸收的熱量是由火焰頂部的傳熱，而圓柱側(cè)面積的熱量以輻射熱的形式散發(fā)出去，由于火焰的尺寸與六面體相比，我們假設(shè)到達(dá)六面體的熱量是均勻，平均分配的，則到達(dá)廚房節(jié)能小助手面的輻射熱可以如下計(jì)算：查資料的火焰發(fā)射率，圓柱體側(cè)面單位時(shí)間對(duì)外輻射熱量六面體的總面積廚房節(jié)能小助手正面接受輻射面積廚房節(jié)能小助手正面接受輻射面積占總面積百分比根據(jù)資料查的面吸熱涂層的吸收率面接受熱輻射能當(dāng)單個(gè)灶臺(tái)工作40分鐘時(shí)廚房節(jié)能小助手吸收的總能量由，則升高溫度6 實(shí)驗(yàn)分析小助手的設(shè)計(jì)是一步一步改進(jìn)

10、所得到的，最開始設(shè)計(jì)的換熱器實(shí)體尺寸為700×300×30mm，采用不銹鋼焊接了一個(gè)換熱器。由于沒有經(jīng)費(fèi)支持，未能做出現(xiàn)在小助手的實(shí)體。試驗(yàn)是在最初所設(shè)計(jì)的換熱器上進(jìn)行的。試驗(yàn)采用液化煤氣作為燃料，在普通兩灶的灶具上試驗(yàn)。測量采用050的水銀溫度計(jì)測量?，F(xiàn)場試驗(yàn)情況如圖5。 圖5 現(xiàn)場試驗(yàn)照片6.1 沒有保溫層情況下的試驗(yàn)試驗(yàn)一、單灶臺(tái)試驗(yàn)試驗(yàn)條件：單灶臺(tái)工作；燃?xì)庠罹?；自來水溫?3.3。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。表1 試驗(yàn)一小助手水溫變化水位高度15分鐘后30分鐘后40分鐘后300mm303234200mm283032100mm2729.5310mm262729工作40分鐘后放出

11、全部水，充分混合后，測量溫度為31.3，溫升為8。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果溫升為12.7。誤差試驗(yàn)二、兩灶臺(tái)試驗(yàn)試驗(yàn)條件：兩灶臺(tái)同時(shí)工作；燃?xì)庠罹?；自來水溫?3.5。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。表2 試驗(yàn)二小助手水溫變化水位高度15分鐘后23分鐘后31分鐘后300 mm34.538.644.5200 mm3237.342100 mm30.335400 mm28313331分鐘后放出全部水，充分混合后，測量溫度為38.8，溫升為15.3。根據(jù)理論計(jì)算，兩個(gè)爐灶工作，認(rèn)為熱流量是單爐灶工作下的2倍，則理論溫升為誤差計(jì)算結(jié)果可見試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算差別不是很大。誤差原因分析：原因一：理論計(jì)算模型是按照現(xiàn)在市場上兩邊有擋

12、板的灶具計(jì)算，與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢蛇厽o擋板相比較計(jì)算節(jié)能小助手面積比例要比試驗(yàn)高，效率也要比試驗(yàn)高。原因之二：理論計(jì)算中一些數(shù)據(jù)只取了近似值，計(jì)算本身就有誤差，原因之三：忽略了小助手向環(huán)境的輻射換熱和對(duì)流換熱。6.2 連續(xù)放水水溫試驗(yàn)為了試驗(yàn)小助手中水是否按照溫度分層，入口冷水是否會(huì)產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，對(duì)放水的水溫進(jìn)行了測量。從圖6中可以看出在放水的過程中水溫具有明顯的從高到低的趨勢，能夠使熱水先被放出來。第一個(gè)溫度點(diǎn)溫度較低，原因是出水管內(nèi)存有部分涼水未被加熱。表3 放水過程水溫變化0.5L1L1.5 L2 L2.5 L3 L3.5 L4 L4.5 L5 L5.5 L水溫29.530.830.330.3

13、30.128.828.327.427.026.826.6圖6 放水過程水溫變化曲線6.3 試驗(yàn)總結(jié)試驗(yàn)結(jié)果表明小助手在吸收爐灶輻射熱以后，溫度明顯升高，并且隨溫度不同而分層。在放水過程中，能夠按照分層流出，表明入口冷水對(duì)換熱器內(nèi)水的擾動(dòng)較小。試驗(yàn)結(jié)果趨勢與計(jì)算結(jié)果相一致，但是誤差較大。原因可能有以下幾個(gè)方面：（1）理論計(jì)算中，吸收率的計(jì)算取了近似值，火焰溫度未能實(shí)測；（2）小助手沒有保溫層。試驗(yàn)采用燒水的方式，由于水熱容量大，整個(gè)試驗(yàn)過程鍋的溫度都比較低。炒菜、燉菜、煲湯時(shí)鍋具有較高的溫度，鍋對(duì)小助手也有輻射熱，將使小助手溫度進(jìn)一步提高。小助手的前面板是玻璃制成，表明光滑，易于清潔，可有效避免

14、做飯過程污染墻面瓷磚。由于吸收爐灶的散熱，降低環(huán)境溫度，會(huì)使做飯人員感覺到舒適。雖然沒有做環(huán)境溫度測試試驗(yàn)，但其肯定會(huì)降低環(huán)境溫度。7 社會(huì)調(diào)查簡要的社會(huì)調(diào)查，居民對(duì)小助手的功能了解之后都比較贊賞，大多數(shù)人都希望能夠用上這樣的設(shè)備，解決廚房熱水問題，但也有極少部分人擔(dān)心可能影響美觀。規(guī)整反饋意見如下： 能夠解決廚房用水問題，零能耗，節(jié)能減排，非常好，政府也應(yīng)該提倡 能夠替代熱寶，熱寶價(jià)格較貴，使用耗電，成本高 只要價(jià)格不過高，就可以接受，畢竟使用時(shí)零耗能 希望不要影響美觀8 結(jié)論與展望廚房節(jié)能小助手的設(shè)計(jì)思想來源于生活，既解決生活中實(shí)際問題，又能“節(jié)能減排”，一舉兩得。雖然見到一些廚房的節(jié)能方法，但未見到利用爐灶輻射熱加熱廚房用水的類似報(bào)道。想法雖然簡單，但能夠解決實(shí)際問題。廚房節(jié)能小助手實(shí)質(zhì)是一個(gè)換熱器，換熱器的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用了傳熱學(xué)、流體力學(xué)、材料力學(xué)等知識(shí)。采用了先進(jìn)的整體發(fā)泡保溫技術(shù)和玻璃真空結(jié)構(gòu)加強(qiáng)輻射換熱的技術(shù)。廚房節(jié)能小助手使用時(shí)零能耗，只要購置了小助手，就一勞永逸。并且廚房節(jié)能小助手的結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本不會(huì)高。根據(jù)社會(huì)調(diào)查，居民對(duì)廚房熱水的