两种生物质柴灶的热工性能实验研究

刘颖 王宗山 徐策 宁美玲 端木琳

大连理工大学建设工程学部

两种生物质柴灶的热工性能实验研究

刘颖 王宗山 徐策 宁美玲 端木琳*

大连理工大学建设工程学部

为了分析内置水集热器生物质柴灶与普通生物质柴灶的热工性能，本文对这两种柴灶进行了燃烧实验。在不同实验工况的对比中，得到了两种柴灶的工作特性温度数据。通过比较两种柴灶的升温段供热强度、蒸发段供热强度、降温段散热量等热工指标，对两种柴灶进行了热工性能分析。实验结果表明，内置水集热器的生物质柴灶在各项性能上的表现都优于普通生物质柴灶，是一种有效利用生物质能新型柴灶。

柴灶 集热器 热工性能

柴灶的使用在我国已经有悠久的历史，但是沿用多年的传统灶热效率很低，仅为10%～12%。近几十年来，国家大力推进改造柴灶项目，经改造后的节煤省柴灶与传统炉灶相比，在热效率、燃料消耗、污染物排放方面有了很大进步，可达到热效率20%以上的要求，较传统柴灶的热效率有了很大的提升[1]。节柴灶虽经多年推广，但对于其各项性能的分析大多是经验总结，本文就生物质柴灶热工性能做了实验和分析，实验中选用了两种农村地区常见的内置水集热器的生物质柴灶和普通生物质柴灶分别做了燃烧实验，通过实验结果的计算，对两种柴灶的热工性能中的升温段供热强度、蒸发段供热强度、降温段散热量等性能参数进行了分析。

1　两种柴灶的性能对比燃烧实验

1.1实验内容

本实验的实验对象为内置水集热器的生物质柴灶（图1）和普通生物质柴灶（图2）。内置水集热器的生物质柴灶较普通生物质柴灶而言，在灶膛内增加了水集热器，灶体也设计成内部有带水内腔的形式，水在灶膛内部可循环流动，灶的右下角底部设有进水口，灶顶面左上角设有出水口，在燃料燃烧为锅加热的同时也可以加热水集热器中的水，被加热的水可以提供生活用水或连入散热器为需要供热的房间供暖。普通生物质柴灶为铁质圆形灶体柴灶。

图1　内置水集热器的生物质柴灶图

图2　普通生物质柴灶图

本实验参考了行业标准对于民用柴灶热性能试验方法的规定[2]，对锅水温度变化、锅水质量变化进行了测试，计算出实验所用柴灶的升温段供热强度、升温段功率等参数，文献[2]中仅对燃料开始燃烧到锅水沸腾后温度降低到比沸腾温度低2℃这一时间段内灶体特性做计算。本文为完整分析柴灶在整个燃烧过程中的热量变化，尤其是炊事部分热工性能，对实验过程进行了修改，把实验时间修改为锅水温度从升温、沸腾到下降的全过程。为了对两种柴灶做一个比较，本文还对两种柴灶的整体热量分配情况做了简单的计算。

根据实验内容，使用热电偶对锅内水温度、集热器内水温度、烟气温度进行了测试，用烟气分析仪对烟气成分进行了分析。实验中锅水温度测试使用的是铠装热电偶，测温范围是0～600℃，精度Ⅰ级。集热管内水温测试使用的是铠装热电阻，测温范围是0～100℃，精度A级。柴灶集热器内水系统流量测试使用转子流量计，量程为60～600L/h，精度为±2.5%。燃料质量测量使用的是工业电子台秤，量程为0～30kg，精度为±0.1g。在实验中为保证测试的准确性，实验前对实验所用的热电偶、热电阻进行了恒温水浴标定。

1.2实验工况

为了对内置水集热器的生物质柴灶的热工性能做分析，本文设计了四组实验工况进行对比实验。其中实验1、2和实验3、4两个对比组仅添柴量不同，其余实验条件均相同，每组实验的锅水沸腾时间不同，可用来计算沸腾段放热效率。实验2、3添柴量相同，但使用柴灶类型不同，可比较两种柴灶在燃料燃烧各阶段热工性能参数。四组实验使用的燃料均为木柴，实验1、2使用木头的低位发热量值为15.17MJ[2][3]，实验3、4使用木头的低位发热量为15.13MJ[2～3]，实验工况具体如表1所示，以下分别对四组实验工况以实验1、2、3、4代指。

表1　实验工况一览表

根据文献[2]中规定，实验环境温度要求10～30℃，相对湿度小于85%，风速小于1.0m/s。

根据实际烧柴经验，本次燃烧实验设计工况为每次烧水7.36kg，烧柴量为2kg、2.5kg和3kg三种工况，每次实验持续时间均为116分钟。这种烧柴量可在实验开始20～30分钟左右烧开锅水，这样刚好符合正常家庭炊事操作时的烧柴时间。为了保持灶膛内燃料相对稳定的燃烧，避免实验数据产生较大明显振荡。实验中每次烧柴均为同一人操作，并采用随时观察灶内燃料燃烧情况，视燃烧情况随时补充燃料的添柴方式。经过多次实验经验，最佳添柴方式为每隔2～3分钟，每次添柴0.2kg左右。

2　实验结果

图3中所示是实验中锅内水的温度变化，从图中可看到各组实验的沸腾用时、沸腾持续时间、锅水初始温度、锅水沸腾温度等。

图3　实验中锅水温度变化曲线

实验1中，7.36kg水在加热过程中，由初始的29.53℃升高至99℃，在燃料燃烧17分钟后达到沸腾状态99℃，耗费木柴1.158kg，并保持沸腾状态17min40s，随着燃料的燃尽，温度降至59.3℃。

实验2中，7.36kg水在加热过程中，由初始的13.67℃升高至99℃，在燃料燃烧22分钟后达到沸腾状态99℃，耗费木柴1.26kg，并保持沸腾状态30分钟，随着燃料的燃尽，温度降至60.12℃。

实验3中，7.36kg水在加热过程中，由初始的18.54℃升高至99℃，在燃料燃烧29min20s后达到沸腾状态98℃，耗费木柴2.2kg，并保持沸腾状态9分钟，随着燃料的燃尽，温度降至72.35℃。

实验4中，7.36kg锅水在加热过程中，由初始的25.15℃升高至98℃，在燃料燃烧28min40s后达到沸腾状态98℃，耗费木柴1.6kg，并保持沸腾状态31分钟，随着燃料的燃尽，温度降至80.60℃。

将实验1～4信息总结如表2所示。

表2　实验过程信息

图4所示为内置水集热器的生物质柴燃烧实验集热器内供水温度变化曲线。实验1中柴灶能将系统内的水从初始温度27.3℃加热到最高温度54.8℃。实验2中柴灶能将系统内的水从初始温度18.1℃加热到最高温度53.9℃。系统内水的流量为540kg/h。在平稳运行阶段，柴灶集热器内供回水温度差保持在10℃左右稳定向外释放热量。

图4　实验1、2中柴灶集热器中水温度变化曲线

3　实验结果分析

3.1升温段

升温段供热强度是从灶内引火物点燃开始，至将一定量常温锅水升温到沸点的期间内，单位时间锅水所吸收的热量，表明柴灶的起动性能。根据内置集热器生物质柴灶的特殊结构，本文对升温段供热强度做了特别计算，升温段供热强度除计算锅水吸收热量外，增加计算了锅水升温段水集热器内水吸收的热量，把两者的供热强度和记为升温段总供热强度。根据式（1）～（4），对各组实验进行水升温段吸收热量、供热强度做计算[2、4]，过程如下：

式中：Qsf为水沸腾所吸收的热量，kJ；4.18为水的定压比热容，kJ/(kg·℃)；Gs1为初始锅水量，kg；P1为升温段供热强度，kW；t2-t1为锅水的沸腾温度与初始温度之差，℃；T2-T1为锅水温度达到沸点时间与燃料起燃时间之差，min；Qj1为集热器内水在锅水升温段吸收的热量，kJ；Gs为集热器内水的质量流量，kg/h；tg-th为柴灶集热器内供回水逐时温度差（按每分钟取值计算），℃；Pj1为锅水升温段柴灶集热器供热强度，kW。

表3　升温段实验参数计算结果

由表3中数据看到：实验1、2的升温段锅水吸收热量与实验3、4接近，但实验1、2的升温段供热强度大于实验3、4，因此内置水集热器的生物质柴灶在起动性能方面优于普通生物质柴灶。经分析原因如下：实验1所使用的柴灶形状为上半段梯形、下半段长方形的结构，并配有炉壁，这样的结构更有利于燃料放热，使得锅水升温速度快，而实验2所使用的柴灶为圆柱形外形，且无炉篦，燃烧充分和未燃烧的燃料不能被分隔开，且无炉篦的柴灶仅有炉门一个通风口，使得燃烧时通风换气效果较差，影响燃料放热速率。

3.2蒸发段

蒸发段是从锅水开始沸腾至锅水温度降低至低于沸点2℃之间的时间段。蒸发段供热强度是在锅水蒸发阶段，单位时间锅水吸收的热量，表明柴灶的持续供热能力。根据本实验所使用研究对象的特殊结构，本文对蒸发段供热强度做一特殊计算，蒸发供热强度除计算锅水吸收热量外，增加计算了锅水蒸发段水集热器内水吸收的热量，把两者的供热强度和记为蒸发段总供热强度。蒸发段供热强度可根据式（5）～（8）计算[2、4]：

式中：Qsh为水的汽化潜热总热量，kJ；qr为水的汽化潜热，2253kJ/kg；P2为蒸发段供热强度，kW；Gs2为锅水达到沸点时的质量，k；Gs2-Gs1、Gs3为温度降至低于沸点2℃时的锅水量，kg；T3-T2为灶内锅水温度降至低于沸点2℃的时间与达到沸点时间之差，min；Qj2为集热器内水在锅水蒸发段吸收的热量，kJ；Pj2为锅水蒸发段柴灶集热器供热强度，kW。

计算结果见表4。

表4　蒸发段实验参数计算结果

实验1、2采用的是内置水集热器的生物质柴灶。实验3、4采用的是普通生物质柴灶。可以看到普通柴灶的蒸发段供热强度大于内置水集热器的柴灶，针对本文研究柴灶的结构特殊性，为对比柴灶的持续供热能力需要比较的是蒸发段总供热强度，也就是锅水吸收热量和集热器内水得热总供热强度。实验1、2两组实验中内置水集热器的柴灶蒸发段总供热强度分别为5.96kW和6.75kW，大于实验3、4两组实验中普通生物质柴灶蒸发段总供热强度3.49kW和2.72kW，具有更强的持续供热能力。

3.3降温段

由实验结果可以看到，内置水集热器的生物质柴灶在沸腾后的蒸发阶段热量利用效率和放热功率均大于普通生物质柴灶。

在锅水沸腾结束后的降温阶段，根据温度变化曲线可以看到，内置水集热器的生物质柴灶水温下降曲线斜率明显大于普通生物质柴灶的水温下降曲线斜率。经计算，四组实验温度下降速度如表5所示。

表5　降温段水温下降速率

水温下降速率受灶膛内剩余燃料放热量和灶体向外散热量两者差的影响。分析原因如下：内置水集热器的生物质柴灶在升温阶段燃料已较充分燃烧，热量已大量释放出来，因此在降温段燃料内剩余热量减少，在这阶段燃料所释放的热量较普通生物质柴灶而言也较少。

式中：Qj3为集热器内水在锅水降温段吸收的热量，kJ；T4为实验结束的时间，min。

根据式（9）计算，在锅水降温段，实验1、2中集热器内水得热总量分别为0.981MJ，1.083MJ。占总燃料放热量比例分别为3%，3%。

3.4柴灶内热量分配

上文对各个时段内两种柴灶的热工性能做了分析，分析结果总结如表6中数据所示。

表6　柴灶热工性能总结表

4　结论

1）内置水集热器的生物质柴灶和普通生物质柴灶的炊事热量和烟气热量所占的比例相差不大，说明内置水集热器柴灶增设的水系统并未使原柴灶在炊事、烟气两部分热量的分配减少，只是在原热量分配利用的基础上利用了烟气的余热为水系统提供了热量。在加设集热器后，内置水集热器的生物质柴灶在蒸发段总供热强度平均为6.36kW，普通生物质柴灶的蒸发段总供热强度仅为3.11kW，说明改进后的内置水集热器的生物质柴灶的持续供热能力优于普通生物质柴灶。这部分余热利用所得到的热量可用来供热或提供生活热水。

2）内置水集热器的生物质柴灶在锅水升温段供热强度平均为2kW,普通生物质柴灶供热强度平均为1.37kW。通过对比看到，内置水集热器的生物质柴灶在起动性能上优于普通生物质柴灶。分析原因为内置水集热器的柴灶形状为上半段梯形、下半段长方形的结构，并配有炉篦，这样的结构更有利于燃料燃烧放热，使得柴灶起动性能好。

3）两种柴灶的热效率均高于传统柴灶10%～12%，是结构较合理的生物质柴灶，并且在此热效率基础上内置水集热器柴灶中的水可吸收总热量的44%作为有效输出热量。

[1]陈晓夫,张伟豪,刘广青,等.我国户用生物质炉灶的发展和应用[J].可再生能源,2010,28(4):118-122

[2]民用柴炉、柴灶热性能测试方法(NY/T8-2006)[S].

[3]徐有明.木材学[M].北京:中国林业出版社,2006

[4]吴味隆.锅炉及锅炉房设备[M].北京:中国建筑工业出版社, 2006

Experimental Study on Thermal Performance of Two Types of Biomass Cooking-stoves

LIU Ying,WANG Zong-shan,XU Ce,NING Mei-ling,DUANMU Lin*
Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology

In order to make a thermal performance analysis on two different types of biomass cooking stoves which are stove with water collector tube and ordinary stove,two experiments using these two cooking-stoves were made.The experiment data were got in different experimental conditions for comparison.The thermal performance analysis is made by making comparisons of calefactive heat intensity,vaporizing heat intensity,thermal efficiency,etc.The experimental results show that the biomass cooking-stove with water collector tube is worth spreading widely which has a higher efficiency on heat using than the ordinary biomass cooking-stove.

cooking-stove,heat collector,thermal performance

1003-0344（2015）06-001-5

2014-6-25

端木琳（1959～），女，博士，教授；辽宁省大连市大连理工大学综合实验四号楼238（116024）；E-mail:duanmulin@sina.com

十二五国家科技支撑计划课题（2012BAJ26B06）