我国社会经济水平及科学技术水平都得到了提升，为我国工业发展营造良好的经济环境及技术环境，加快我国工业发展速度，在该形势影响下还衍生出了很多先进的工业技术，燃气节能技术就是其中一种。燃气节能技术已经在各领域得到了应用，并取得了良好的应用效果，能够推动各领域节能化及环保化发展，其中基于燃气节能技术研发的家用燃气节能锅具应用最为广泛，对人们的生产及生活影响也非常大，例如很多大型发电厂都会应用到燃气节能锅炉，很多城市居民都使用了家用燃气节能锅具，其目的就是为了降低能耗，实现节能环保生产及生活，促进社会进步及发展^[1]。

有调查发现，燃气是我国大中城市主要的炊事能源，城市家庭天然气用气量约占城市天然气消耗总量的27%。目前家用燃气灶多数为大气式燃气灶，在使用过程中会出现热损失过大的现象，所以热效率普遍不高。而家用燃气节能锅具的应用则能够减少环境热交换，并回收烟气热量，从而提高热效率，所以结合实际需要设计和优化家用燃气节能锅具结构是非常必要和重要的^[2]。基于此，下文先简单分析了燃气节能锅具参数变化规律，然后在该基础上分析了燃气节能锅具结构设计理论及设计要点，然后建立物理模型、设置仿真条件，最后分析仿真结果，并探讨优化家用燃气节能锅具的有效措施。

1家用燃气节能锅具参数变化规律

很多家用燃气节能锅具都使用甲烷和氢气作为燃料实现燃烧，含有氢气的燃气被称为掺氢天然气，家用燃气节能锅具则被归类为掺氢天然气燃烧设备，燃气节能锅具具有明显的回火规律，根据该规律可对家用燃气节能锅具结构进行优化，提高家用燃气节能锅具性能^[2-3]。优化家用燃气节能锅具结构前需要了解锅具的参数变化规律，包括燃料密度、燃料流速、燃气体积流量，定义式如下：

（1）燃料密度定义式：

式中：

——燃料密度（kg/m³）；

——的密度（kg/m³）；

——的密度（kg/m³）。

（2）燃料流速定义式：

式中：

——燃料流速（m/s）；

——燃料管道压差（Pa）；

——阀门最小流动截面和管道主截面面积比（<0.5）。

（3）燃气体积流量等效为甲烷体积流量，定义式如下：

式中：

——燃料密度（kg/m³）；

——的密度（kg/m³）；

——燃料流速（m/s）。

2家用燃气节能锅具结构设计理论及要点

2.1设计理论

可根据大气式燃气灶具的传热原理对家用燃气节能锅具结构进行设计，设计关键在于先将热传导、热对流和热辐射组合，形成新的节能系统，然后利用该系统优化家用燃气节能锅具结构，提高锅具节能效果。当燃烧燃料时会产生“热对流”，“热对流”在一定外力作用下会冲刷锅体外表面，使热量与锅体外表面形成对流换热，从而提高热能利用率。这里的“热辐射”实质上就是辐射换热的过程，是指高温烟气发射率达到标准后产生辐射能量，然后以一定速度冲向锅表面形成辐射换热，最后通过锅体将辐射能量传给锅体内表面形成可循环热量，实现对热量的循环利用，解决热量散失严重的问题，提高锅具隔热性能及热能利用率^[3]。

2.2设计要点

家用燃气节能锅具传递热量的大小与传热有效面积、温差和传热系数有关，而增加烟罩数量能够有效增加换热面积，减少锅具内外部温差，从而提高保温效果及热量利用率。设计要点如下：在原来锅具结构的基础上增加内层和外层2层烟罩，其中“内层烟罩”离锅壁面最近，具有很强的烟气导流作用，能够提高烟气流动速度，而流动速度的加快能够扩大换热面积，从而增强换热作用；外层烟罩烟气离锅壁面较远，具有很强的保温作用及烟气隔离作用，因为在外层烟罩的作用下锅具在使用过程中产生的烟气不会直接被卷入空气，而且与锅表面的接触很长一段时间后才缓慢卷入空气，此时可卷入空气的烟气量已经大幅度减少，有效降低了烟气对空气的污染，并提高烟气热量利用率。外层烟罩壁面还开有一圈用于排气的孔，能够有效排出换热后的烟气，使得烟气余热得到有效利用^[3-4]。家用燃气节能锅具结构见图1。

图1燃气节能锅具结构

图中：

R——内层烟罩与锅外壁的距离；

N——烟罩底边垂直距离；

D——烟气孔直径；

L——烟气孔位置（烟气孔中心线与锅底面的距离）；

H——锅底面与灶台面的距离。

3家用燃气节能锅具结构的物理模型建立

利用Fluent软件建立家用燃气节能锅具物理模型，整体模型由燃烧器、锅底、锅体、烟罩等组件模型组成，建立过程如下：

（1）确定模型的空间计算域：包括燃烧器空间计算域、锅底空间计算域、锅体空间计算域、烟罩空间计算域（包括内层烟罩和外层烟罩）。

（2）确定空间尺寸和计算区域长度：可根据锅具的烟气流出情况及气流组织情况等空间尺寸，然后根据空间尺寸计算并设置计算区域长度，通过计算可设置为1m^[4]。

（3）建立三维计算域、快速计算模型相关参数：根据空间尺寸、计算区域长度等建立三维计算域，然后在三维计算域中快速计算出燃烧器、锅底、锅体与外围烟罩等部位的相关参数，为模型建立提供数据依据^[5]。

（4）设置锅具条形孔，促进烟气排出：可在燃气与空气混合气入口处的圆台壁面上设置20个条形孔，在圆台底面设置15个条形孔，以便于二次空气及烟气排出。

（5）设置锅底直径和高，调整燃烧器腔体与锅底之间距离，以形成有效的、充足的燃气燃烧和烟气流动空间。例如，选择柱形平底锅，其底锅直径可设置为220mm，高度设置为140mm，燃烧器腔体与锅底之间距离控制在40-60mm范围内^[6]。

（6）建立仿真计算区域，并对仿真计算的主要区域进行网格加密（网格整体与局部图见图2），这里选用六面体非结构化网格加密方式，这种网格加密方式不仅降低了网格数量，还提高了网格的几何适应性，使网格加密作用得到提升，提高了模型稳定性^[6-7]。

（7）根据仿真模型尺寸、对称性，截取模型的1/4进行计算。

a.整体                       b.局部

图2网格整体与局部图

4家用燃气节能锅具结构的仿真条件设置

因为家用燃气节能锅具结构设计及优化都涉及燃烧反应，所以除需要借助Fluent软件建立家用燃气节能锅具三维模型外，还需要使用建立通用有限速率涡耗散模型；然后将Realizablek-模型（一种流体力学模型，常用于描述不可压缩流体的湍流流动）与标准壁面函数结合，模拟燃烧空间内的气流流动；最后使用DO辐射模型模拟辐射换热，并根据模拟出来的数据进行简化仿真计算^[7]。

例如，取丙烷(C3H10)为燃烧对象，采用双步（C₃H₁₀与 O₂反应，CO 与O₂反应）整体反应，然后设置合理仿真条件，并进行仿真实验对比及仿真结果分析，以家用燃气节能根据的热反应性能、隔热性能。

仿真条件包括热值边界条件、流动边界条件、固定无滑移边界条件，需要根据实验值设置最佳参数值，包括燃气低热值、燃气灶热负荷、一次空气系数、燃气和空气质量分数、混合气初温、回流温度等参数^[7-8]。

5家用燃气节能锅具结构的仿真结果分析

5.1内层烟罩与锅外壁间距对节能效果的影响分析

假设锅支架高度固定为22mm，内层烟罩与锅外壁间距<9mm时，热能利用率会随着内层烟罩与锅外壁间距的增加而增加，间距>9mm时会随着间距增加而减小，见图4。

图4内层烟罩到锅外壁的间距与热能利用率的关系

5.2烟罩底边垂直距离对节能效果的影响分析

当锅支架高度、内层烟罩与锅壁间距固定时（分别固定在22mm、9mm），锅具的热能利用率会随烟罩底边垂直距离的变化而变化，两者是正相关关系，即烟罩底边垂直距离越大热能利用率越高，节能效果越好^[8]。

5.3烟气孔直径对节能效果的影响分析

烟气孔直径直接影响烟罩内高温烟气的换热及排烟量，当锅支架高度固定在22mm时，锅具的热能利用率会随着烟气孔直径的变化而变化，当烟气孔直径为10mm-40mm时，锅具热能利用率会随着烟气孔直径的增大而提高；烟气孔直径为40mm-50mm时，锅具热能利用率会随着烟气孔直径的增大而减小，最大热能利用率为66.56%。

6家用燃气节能锅具的优化措施建议

除对家用燃气节能锅具的结构进行优化设计外，还可通过降低燃气锅具排烟热损失、避免燃气锅具燃烧器频繁启停、定期保养维护燃气锅具、对燃气锅具进行低氮改造、利用最新节能技术改造锅具等措施来优化家用燃气节能锅具。具体优化措施建议如下：

6.1降低家用燃气节能锅具的排烟热损失

燃气锅具排烟温度越高排烟热损失越大，排烟温度每提高15℃气排烟热损失提高1％，所以需要通过降低燃气锅具的排烟热损失来提高燃气锅具的节能效果。方法有：第一，合理布置低温换热器和空气预热器，形成具有降温功能的换热系统，以有效控制排烟温度、降低排烟温度，从而达到减少排烟热损失的目的。第二，使用二氧化碳分析仪检测空气过量情况，降低锅具过剩空气系数，减少排烟气量，降低此部分热损失。第三，选择具有比例调节功能的先进燃烧器，降低锅炉排烟热损失^[9-10]。

6.2避免频繁启停家用燃气节能锅具燃烧器

频繁启停锅具燃烧器不仅会增加燃烧热损失，还会缩短锅具使用寿命，严重者还会让锅具膛内积存更多可燃性气体，一旦遇到明火就会发生爆燃，威胁到使用者的生命安全，所以要尽量避免频繁启停燃气锅具燃烧器。如果避免不了频繁启停燃烧器，那我们直接从一开始就选择散热性能好、热能利用高、排烟温度控制性能好的燃烧器，并延长燃烧器熄火散热的时间，从而控制锅炉负荷，减少热能消耗。

6.3定期保养和维修家用燃气节能锅具

第一，不管是个人还是企业，在购买并使用燃气节能锅具后，都要定期找专业人员对锅具进行安全检查、维修及保养，以及时发现并解决锅具使用过程中存在的安全隐患。第二，按照锅炉维护手册维护和保养锅具，例如定期清理锅具内部积灰及积炭、升级锅具烟气系统等。第三，反复调整燃烧器的过量空气系数、燃气/空气配比，确保燃烧器处于最佳状态，减少燃烧不充分、燃烧过大等问题发生，提高锅具热能利用率及运行效率 。

6.4对家用节能燃气锅具进行低氮改造

第一，根据最新的工业化节能要求、环保要求及大气污染物排放标准，对燃气节能锅具进行低氮改造。第二，低氮改造的关键是对燃气节能锅具本体结构进行升级及优化，例如扩大炉膛容量，以优化天然气燃烧环境，提高锅具氮氧化物产生的抑制作用，减少氮氧化物在高温影响下产生化学反应产生有害物质，并降低热能消耗。第三，根据用户实际需求选择低氮燃烧器品牌，使用先进的低氮燃烧技术精准管控燃烧过程，实现低氮燃烧，提高锅炉运行效率。

7最新的节能锅具技术探讨

包括全预混变频冷凝节能锅具技术、气候补偿节能锅具技术、锅具群控技术，具体如下：

7.1全预混变频冷凝节能锅具技术

基于全预混变频冷凝技术升级后的节能锅具，不仅能够促进燃料与空气充分融合，还能够加快锅具燃料燃烧速度，并降低空气需求量及过量空气系数，从而提高燃烧时的热效率、导热性、抗腐蚀性能、负荷调节精度、锅具空气供应量及锅具功率输出 。

7.2气候补偿节能锅具技术

气候补偿技术综合了温度传感器、电动调节阀等仪表技术，是近年来兴起的一种新型自动化节能技术。所以，基于气候补偿技术的节能锅具不仅能够根据室外及室内温度变化情况，计算确定出合适的供水温度，还能够自动控制锅具内外管网热水流量，实现锅具供水温度自动调节 。

8结束语

总之，家用燃气节能锅具是现阶段应用较为广泛的节能锅具，具有很强的余热回收性能、烟气回收性能、导热及贮热性能，所以与传统锅具相比家用燃气节能锅具的热能利用率及环保性更高，更符合环保节能发展要求。多数家用燃气节能锅具都是根据大气式旋流燃气灶具的运行原理设计而来，所以锅具传热过程中会出现热量散失的问题，可通过数值模拟等方法分析不同结构参数下的传热性能，然后设计双层烟罩、寻找最优结构参数组合，最后进行仿真对比，找到最优家用燃气节能锅具结构，实现锅具结构及性能优化。现阶段，可用于家用燃气节能锅具设计及优化的软件是Fluent软件，可借助Fluent软件建立燃气节能锅具传热物理模型，然后结合燃烧反应模型模拟节能锅具传热及烟气排放过程，并分析结构参数对锅具性能的影响，最后通过正交试验方法实现对家用燃气节能锅具结构的优化设计，得到高效燃气节能锅具。因此，上文从燃气节能锅具参数变化规律、建立物理模型、设置仿真条件、仿真结果分析等方面分析了家用燃气节能锅具结构设计，并提出了优化家用燃气节能锅具的措施建议。

参考文献

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[2] 王天天,张海,张扬,等. 掺氢天然气在燃气锅炉和灶具中的回火风险分析[J]. 力学与实践,2022,44(3):543-553.

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