紅外線節(jié)能灶具用多孔介質性能比較 

  前言

  紅外線燃氣技術也稱燃氣輻射燃燒技術，是較新較先進的一種燃燒技術。紅外線輻射燃燒器是一種低壓式完全預混燃燒器，廣泛用于家用燃氣灶具、燒烤爐、取暖器、便攜式丁烷等 產品。紅外線多孔介燃燒技術在提高燃燒效率、擴展極限、改善環(huán)境以及處理各類垃圾和

廢棄物等方面具有其它燃燒技術不可比擬的優(yōu)越性，被譽為劃時代的燃燒技術。

   上世紀四十年代，德國人Schwank發(fā)明了多孔陶瓷板燃氣紅外輻射器。隨后各種特殊的耐火材料制成的紅外線輻射板也逐漸出現(xiàn)，紅外線節(jié)能灶具即是采用多孔紅外輻射板產生紅外線直接加熱。這種紅外線輻射板能夠輻射出一定波長的紅外線，可加快物體的受熱過程；燃燒板工作時火焰短，附著于板表面以下2～3毫米的火孔內，看不見火焰，故也稱為無焰燃燒方式。由于加熱過程中能量損失很小，從而大幅度提高了灶具的熱效率。在我國，這項燃燒技術應用于燃氣具行業(yè)已有20多年的歷史，許多學者做了大量的研究工作將這項技術造福于千家萬戶。紅外線灶具與普通的大氣式燃氣爐相比有如下明顯優(yōu)點：

(1) 燃燒更完全、熱量傳遞效率更高、熱量吸收效率高，跟傳統(tǒng)大氣式燃燒方式相比可節(jié)省燃氣20％以上；

(2) 無焰燃燒方式，長期使用也不熏黑炊具，是完全干凈的加熱烹調；

(3) 能有效抑制對人體危害極大的一氧化碳、氮氧化物的生成，消除對人體健康危害的隱患；

(4) 由于多孔蜂窩結構具有極好的耐風性能，不容易熄火，使用更**。

 

1 紅外輻射傳熱特點

紅外輻射習慣上通稱紅外線，發(fā)現(xiàn)于19世紀初，20世紀70年代廣泛應用于工農業(yè)生產。所謂紅外加熱技術，就是利用紅外輻射熱能加熱物品的工藝過程，其能量傳遞方式是熱輻射，這種熱能傳遞方式具有以下特點： 

  (1)輻射能在輻射源與被加熱物體之間以光速進行傳播，能量傳遞速度很快，為30萬km／s，介質損耗很小，紅外輻射能量被物質的分子吸收，不受物質表面層的阻滯作用，因而具有較高的加熱速率：

  (2)紅外輻射加熱過程中，能保持物體中揮發(fā)物的擴散方向一致，從而保證加熱質量；

  (3)紅外線和可見光一樣，都作為橫波在空間傳遞，都是按直線傳播進行的。

  (4)消耗能量較低，輻射傳熱效率要高于對流和傳導這兩種傳熱方式。輻射傳熱的強度與溫度的四次方成正比，燃燒能量95％以上以紅外輻射的方式釋放，以可見光方式使能量損失降到*低，燃氣的燃燒能量得到*充分和*有效的利用。

  上述特點決定了該項技術具有耗能低、加熱速度快、加熱質量高等特點，因而引起人們的高度重視。

通常的物體，表面吸收率不高，在被加熱時，吸收輻射能的能力低，因而在熱能傳遞的三種基本方式中，輻射能傳遞的比例較低。紅外輻射的基本原理就是提高被加熱表面吸收率增大輻射能傳遞比例。為此，通常的做法是在被加熱表面涂刷一層高吸收率紅外輻射材料。

2. 紅外線蜂窩陶瓷板

紅外線燃燒器由混合裝置及頭部兩部分組成，按頭部的材質結構區(qū)分，有多孔蜂窩陶板、鐵鉻鋁合金、催化棉等。

紅外蜂窩陶瓷是指在紅外波段具有高發(fā)射率或特征發(fā)射率的無機材料。根據(jù)材料的紅外性能即紅外發(fā)射率和紅外發(fā)射率隨光譜的分布情況，把紅外蜂窩陶瓷分成高效紅外蜂窩陶瓷、選擇性紅外蜂窩陶瓷和低發(fā)射率蜂窩陶瓷三大類。紅外多孔蜂窩陶瓷板和其它種類的材質相比較，具有使用性能優(yōu)異、節(jié)約資源、環(huán)境友好等特點。在日常的烹飪、冬季采暖、野外作業(yè)等場合發(fā)揮霞要作用，無論是歐美國家比較普及的烤爐產品，還是國內的家用灶具上的紅外線燃燒都呵采用紅外蜂窩陶瓷板。紅外蜂窩陶瓷燃燒板結構代表了紅外線燃燒技術成熟的先進水平，隨著能源價格的不斷攀升和人們環(huán)保意識的不斷增強，國內家庭用戶越來越傾向于選擇節(jié)能低排放的紅外多孔陶瓷灶具，市場要求增長很快。

目前，紅外蜂窩陶瓷的制備方法主要有兩種，即熱壓鑄法和擠壓法。熱壓鑄法的優(yōu)缺點分別是：模具損耗小、操作簡單及成型壓力低，產品壽命較好，強度較高，尺寸規(guī)格比較精密，可是它對成型料漿的溫度及流動性要求比較高，溫度及流動性控制不好就容易造成坯體缺陷，只能生產一些低開孔率的產品。對于高開孔率、孔壁薄的蜂窩陶瓷產品來說，由于孔壁薄，對料漿的阻力比較大，容易造成產品“缺肉”，不飽滿的現(xiàn)象。其次熱壓鑄工藝由于采用大量的有機高分子材料(如石蠟、油酸、硬脂酸等)，在燒制前需進行長時間的100℃一1000℃左右的“排蠟”處理，并且排放出的煙氣由于含有大量的有機有害成分，需經過高溫焚燒爐焚燒處理。這些工藝既費時，又浪費大量的燃料且排放的有害氣體很難完全消除；除此之外，在燒成方面產品合格率非常的低，導致生產成本居高不下。為此，我們開發(fā)了一種高效環(huán)保的多孔陶瓷成型工藝，生產實踐證明：其生產效率比熱壓鑄成型工藝提高幾倍，且社會經濟效益明顯。擠出成型的優(yōu)缺點是：蜂窩尺寸、形狀、間壁厚度、孔隙率等均勻性優(yōu)良，適宜大批量生產；但是方孔片邊角容易產生應力集中，模具加工要求高，擠壓設備成本較高。對于生產400孔／inch2以上的高開孔密度的蜂窩陶瓷來說，對模具設備、成型工藝、原料配方提出了更加高的要求。

 

    熱壓鑄成型工藝流程如圖1。

                   

  擠壓成型工藝流程如圖2

  蜂窩狀多孔陶瓷板催化反應器是一種新型的結構化反應器，可以用于汽車尾氣凈化、烴類催化燃燒的補燃器、降低燃燒產物中氮氧化物及其它污染物排放等。多孔陶瓷板用于燃氣爐有其特殊的技術要求：①為了防止回火，要求熱導率不能過大，應該小于0．58W／(m·k)。②要具有足夠的機械強度和抗折、抗震性能。③低膨脹系數(shù)，過高的膨脹系數(shù)會導致陶瓷板的抗熱震性能下降，使用中易破裂。④陶瓷板的火孔直徑決定于燃氣的組分、性質。燃氣和空氣按事先設計的比例在噴管中進行預混合，經分流板將預混氣體均勻分配爭陶瓷板孔?？扇細怏w在陶瓷板孔內燃燒，由此產生的能量在孔內直接加熱陶瓷板，*后由陶瓷板的輻射將能量傳遞給被加熱的物體。多孔介質的強化傳熱和燃燒特性已成為一項新型的燃燒技術，有著廣泛的應用前景，研究還表明利用多孔介質燃燒技術有利于減少有害排放物的生成，能改善和控制環(huán)境污染。多孔陶瓷輻射器正常工作時其表面溫度為800"-'900℃，

 

3 紅外多孔陶瓷節(jié)能灶與金屬蜂窩灶的比較

 

目前，根據(jù)燃燒器類型分類，研究和應用*多的紅外線節(jié)能灶具主要有兩種：紅外多孔陶瓷灶具和金屬蜂窩灶具。紅外多孔陶瓷灶的燃燒器頭部主要采用堇青石蜂窩陶瓷扳，金屬蜂窩灶的燃燒器頭部主要采用鐵鉻鋁合金。這兩種材質的比較如下：

  (1) 材料高溫性能

  陶瓷紅外線灶采用堇青石，使用溫度可高達1200"C以上，導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小。而金屬蜂窩灶采用鐵鉻鋁薄壁蜂窩體，使用溫度僅900"C以下，導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)大，高溫強度低，隨著使用溫度升高其顰性增大，元件易變形，不易彎曲和修復。在高溫狀態(tài)下，合金元件表面容易氧化，生成的氧化膜縮短使用壽命，由于燃氣灶具長時間的冷熱交替使用，其材料內部結構不斷改變，表面所生成的氧化膜也會不斷被腐蝕、老化、破壞和脫落。其元件內部產生紅外輻射的金屬元素不斷消耗。如Al，Ni等，從而縮短使用壽命。因此，在選用線徑時應選用粗規(guī)格的線材或厚一點的扁帶。元件*高使用溫度與元件線徑也有相當?shù)年P系，一般情況下若想在元件*高使用溫度下長期使用，其線徑應不小于3 mm，扁帶厚度不小于2 mm。

  (2) **性

  陶瓷導熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小，使用時燃燒板上下面溫差可以達到700度，不易回火。而當多孔陶瓷板溫度過高即在陶瓷板背面處溫度達到燃氣空氣混合物的著火溫度時，陶瓷板紅外輻射器才發(fā)生回火。有風時，由于無焰燃燒發(fā)生在燃燒板的表面下的火孔內部，加之陶瓷導熱系數(shù)小，上板面燃燒溫度高且熱量流失速度慢，陶瓷板降溫速度慢，可以起到穩(wěn)定燃燒的作用，所以防風性能強。而金屬導熱系數(shù)大，傳熱快易發(fā)生熱力回火；火孔壁薄，熱膨脹系數(shù)大，反復冷熱交替使用或受外力作用極易發(fā)生火孔變形且不易被發(fā)現(xiàn)，存在動力回火的嚴重**隱患。有風時，由于燃燒火焰在板的上表面，易受來自不同方向的風的影響；加之金屬導熱系數(shù)大，板面易受風溫的影響，燃燒溫度低且散熱快，所以防風性能與其他傳統(tǒng)大氣式灶具并無明顯差別。

(3)防變形，防腐蝕，使用壽命等

陶瓷熱膨脹系數(shù)小，不易變形；陶瓷耐酸耐堿耐硫耐鹽等的腐蝕，高溫不氧化，急冷急熱不易變形，使用壽命較長；表面還可根據(jù)需要涂裝高效紅外涂料和燃燒催化劑，且這些表面改性材料與陶瓷基體結合良好，能輕松達到高能效低排放的目的；陶瓷板工藝成熟，產品質量穩(wěn)定一致。

對于金屬蜂窩灶，當水潑在金屬燃燒器上面時，抗熱沖擊較陶瓷板好很多，此外金屬的韌性也使其抗機械沖擊性能較多孔陶瓷板刮25】。然而金屬熱膨脹系數(shù)大，反復急冷急熱極易發(fā)生變形損壞；金屬不耐酸堿鹽腐蝕，高溫下還極易被燃氣中的微量硫腐蝕：其薄壁難以附著涂層，且基體與涂層熱膨脹系數(shù)難以匹配，即便勉強結合也極易脫落；制備工藝復雜，材料性能加工性差，產品一致性較難保證。

( 4)熱效率。紅外多孔陶瓷節(jié)能灶熱效率可達70％以上，原因如下：多孔陶瓷板導熱系數(shù)小，向下散熱少；耐火溫度高，陶瓷燃燒面溫度更高而不易回火，而且紅外輻射強度與溫度的4次方成正比；板面可附著高效紅外涂料和燃燒催化劑，可進一步提高輻射效率和降低有害廢氣排放。此外金屬蜂窩灶的有關節(jié)能措施均可應用于多孔陶瓷紅外線節(jié)能灶。

金屬蜂窩灶的金屬燃燒器冷卻快，熄火后在較短的時間內即可降至室溫；金屬蜂窩灶在點燃幾秒鐘后即可完全進入輻射狀態(tài)，有利于快速調節(jié)和**溫度控制，而多孔陶瓷板一般要在點火后30．50s才進入輻射狀態(tài)，但是金屬蜂窩灶熱效率很難達到60％以上。[251。

(5)其它。

紅外多孔陶瓷灶工藝成熟，原料成本低，已普及；其顏色可變，圖案花紋均可隨意設計，美觀實用，可滿足不同用戶的需求；陶瓷材料耐火度高，導熱系數(shù)小，可實現(xiàn)體積小功率大的目標，進一步提高熱效率和產品性價比：采用紅外線無焰燃燒加熱技術，熱量依靠紅外線輻射和對流傳遞給鍋具，紅外線的熱量傳遞效率遠超光波。

而金屬蜂窩灶材料和加工成本昂貴；顏色單調，樣式單一，難以滿足市場需求；金屬材料耐火度低，高溫性能缺陷明顯，導熱系數(shù)大，熱強度低，體積大效率低，既費料也不經濟；采用的光波+火焰加熱技術，是傳統(tǒng)大氣式灶具所普遍采用的熱量傳遞方式的延續(xù)。

 

 4 展望