厨房节能小助手利用炉灶散热加热厨房用水的换热器设计.docx
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厨房节能小助手利用炉灶散热加热厨房用水的换热器设计
厨房节能小助手
（第一届节能减排大赛国家二等奖）
――利用炉灶散热加热厨房用水的换热器设计
设计者：
卢士升，曾菊英，陈秋銮
指导教师：
张乃强
1项目名称
厨房节能小助手——利用炉灶散热加热厨房用水的换热器设计
2设计目的
炉灶是厨房能源消耗的主要用具，但是生活中用的燃气炉灶的热效率也不是很高，约为50％～60％，很大一部分能量散发出去，造成热能的极大浪费。
同时，厨房在做饭的时候需要用到热水洗菜、洗碗，大多数家庭采用热宝或者额外烧水的方式产生热水，再次消耗了能源。
厨房节能小助手试图将炉灶散热吸收起来加热换热器产生热水，用于厨房洗菜、洗碗。
这样既减少了炉灶的热能浪费，提高了炉灶效率，又减少了加热热水的能源消耗，一举两得，节约能源。
3设计背景
3.1生活习惯
现代家庭厨房一般都配备有两个炉灶的灶具，每天做饭1～3次，每次做饭炉灶工作时间因地方习惯不同有所差异，约20～120分钟。
对于餐馆厨房，每天炉灶使用时间更长。
炉灶是家庭能源的主要消耗体，由于其热效率低，且使用频繁，使用时间长，有大量的热能被散发掉，造成能源的浪费。
在做饭的过程中，人们需用热水来洗菜、洗碗。
热水主要有三种方式产生：
1、使用热水壶在炉灶上直接烧水；2、直接连接燃气热水器或者电热水器；3、安装热宝，用电加热方式产生热水。
3.2能源消耗计算
假设一个家庭每次做饭需8升热水用于洗菜洗碗，冬天自来水温度一般为15℃，洗菜洗碗热水的期望温度为35～40℃，这样一次做饭所需要的热能消耗为
假设利用厨宝进行加热热水，假设厨宝的热效率为70％，每天做2次饭，那么每天在洗菜洗碗水上消耗的电能为
每天消耗这么多电能，那么一个家庭一年要额外消耗更多电能，在全国范围内计算这将是一个非常可观的数字。
炉灶因为热效率低，浪费了大量的热能。
而洗碗热水需要消耗大量的热能，但它所需要的能量可以是低品位的热能，不必消耗高品位的电能。
厨房节能小助手正是想利用炉灶的散热加热洗碗水，实现吸收废热、节省电能的节能过程。
4模型及设计原理
4.1外形结构尺寸
厨房节能小助手的结构采用两层结构，内层是换热器，外层由后上下左右盖板和前玻璃面板组成。
后、上下、左右侧盖板和换热器中间采用整体发泡隔热层进行填充。
前玻璃面板与换热器前面板中间进行抽真空。
图1厨房节能小助手的设计模型（（a）正视图，（b）透视图，（c）侧视图）
小助手的设计外形尺寸是700×300×35mm，这是因为一般烟机、灶具的长度为700mm，为了整洁、协调、美观，所以采用相同的长度。
小助手主要是接受炉灶的辐射热，很少有对流换热，因此设计300mm高度。
选择换热器水箱的尺寸660×260×20mm，其中前面板的尺寸是700×300mm。
。
后部保温发泡层厚度为7mm。
玻璃厚度为3mm，中间抽真空的距离为3mm。
两层钢板厚度为2mm。
如图1所示。
换热器水箱及后保温层板采用不锈钢板，厚度为1mm。
前面板采用钢化玻璃。
底座采用不锈钢，底座高度为25mm，冷热水管穿过右侧底座，避免露出水管，美观大方。
4.2厨房内安装位置
厨房的橱柜一般设计为一侧为烟机灶具，中间操作台，另一侧为洗菜洗碗盆。
灶具安装一般距离墙面80mm，烟机高于灶具700mm。
根据这种厨房结构，厨房节能小助手的安装位置如图2所示。
图2厨房节能小助手在厨房内的安装位置图
4.3结构设计理念
前面板采用玻璃，主要是为了加强换热并防止小助手热量损失。
同时玻璃面板也非常美观，在玻璃面板内侧可以预先做一些图案，使小助手看上去美观大方。
由于厨房小助手直接连接在自来水龙头上，自来水的设计压力一般在0.6Mpa左右。
因此换热器水箱必须具有较好的抗内压能力，水箱的焊接采用高温氩弧焊接，以保证严密性。
在水箱中间焊接6个加固肋，可以保证强度和刚度。
进水管和出水管采用
的钢管，并放在换热器的同侧。
与自来水的连接时，可以采用蛇皮管连接。
安装时，下端直接放置在厨房台面上，由底座作支撑。
小助手的后面板上侧开有两个安装空，可以穿螺钉安装在墙面上。
前面板玻璃上留有两个小孔作为螺丝刀安装时位置，安装完用两个橡胶纽扣塞住，不影响美观。
4.4强化换热及保温设计理念
厨房节能小助手主要吸收炉灶的辐射热量，加热换热器内的水。
换热器前面板采用不锈钢材质，在表面涂有黑色吸热涂层，增加换热器的黑度，增强换热。
小助手前面板采用玻璃钢，对辐射换热基本没有影响。
玻璃面板与换热器之间抽真空，可以很大程度的降低换热器向外散热。
后面板靠近墙面，必须设置保温层。
采用两层结构，中间夹保温层，可以有效防止热量散失。
其中保温层拟采用整体发泡技术，将内部空间充满保温气泡。
这样既保温又轻便。
4.5流动设计理念
小助手的冷水取自洗菜盆的冷水，然后热水回到洗菜盆的水龙头热水端，其热水的流出动力是入口自来水压力。
为了便于安装和维修在冷水入口处安装闸阀。
由于水具有不同温度分层的特性，因此换热器水箱中没有分隔，为一整体，这样有助于加热时水的对流。
放水时，为保证热水先流出，避免冷水对水箱中水产生较大扰动，影响水的分层，在入口和出口安装挡水板。
4.6安全性设计
如果小助手长时间吸热且没有热水放出，可能会出现换热器内水沸腾。
水箱上部产生蒸汽，致使换热器内压力增加，冷流倒流。
因此在换热器上端设置一个蒸汽排气阀，换热器内有气体存在时就会自动对外排气，将放气阀的方向对准墙侧，避免伤人。
如果排气阀开始排气，只需放出些热水即可。
进一步的安全措施可以采用温度计标识，或者温度自动报警装置等，以提高安全性。
如果发生水箱漏水等故障，只需关闭进水阀门即可。
前面板玻璃采用钢化玻璃，即使炸裂也不会伤人。
虽然以上列出了几种不安全的可能性，但是其发生的概率非常小。
如果能形成产品，必将有更多质检方案和技术以避免不安全事件发生。
5理论计算
图3平面工作图
如图3所示，O点为火焰中心，灶具工作时火焰形状为圆形，半径
，火焰高度
，直线AB与圆O相切B点，直线DC与圆O相切于C点，
，火焰外延距离小助手最短距离
。
图4空间工作图
由于锅直接吸收的热量是由火焰顶部的传热，而圆柱侧面积的热量以辐射热的形式散发出去，由于火焰的尺寸与六面体相比，我们假设到达六面体的热量是均匀，平均分配的，则到达厨房节能小助手面的辐射热可以如下计算：
查资料的火焰发射率
，圆柱体侧面单位时间对外辐射热量
六面体的总面积
厨房节能小助手正面接受辐射面积
厨房节能小助手正面接受辐射面积占总面积百分比
根据资料查的
面吸热涂层的吸收率
面接受热辐射能
当单个灶台工作40分钟时厨房节能小助手吸收的总能量
由
，则升高温度
6实验分析
小助手的设计是一步一步改进所得到的，最开始设计的换热器实体尺寸为700×300×30mm，采用不锈钢焊接了一个换热器。
由于没有经费支持，未能做出现在小助手的实体。
试验是在最初所设计的换热器上进行的。
试验采用液化煤气作为燃料，在普通两灶的灶具上试验。
测量采用0～50℃的水银温度计测量。
现场试验情况如图5。
图5现场试验照片
6.1没有保温层情况下的试验
试验一、单灶台试验
试验条件：
单灶台工作；燃气灶具；自来水温度23.3℃。
试验数据见表1。
表1试验一小助手水温变化
水位高度
15分钟后
30分钟后
40分钟后
300mm
30℃
32℃
34℃
200mm
28℃
30℃
32℃
100mm
27℃
29.5℃
31℃
0mm
26℃
27℃
29℃
工作40分钟后放出全部水，充分混合后，测量温度为31.3℃，温升为8℃。
根据理论计算结果温升为12.7℃。
误差
试验二、两灶台试验
试验条件：
两灶台同时工作；燃气灶具；自来水温度23.5℃。
试验数据见表2。
表2试验二小助手水温变化
水位高度
15分钟后
23分钟后
31分钟后
300mm
34.5℃
38.6℃
44.5℃
200mm
32℃
37.3℃
42℃
100mm
30.3℃
35℃
40℃
0mm
28℃
31℃
33℃
31分钟后放出全部水，充分混合后，测量温度为38.8℃，温升为15.3℃。
根据理论计算，两个炉灶工作，认为热流量是单炉灶工作下的2倍，则理论温升为
误差
计算结果可见试验数据与理论计算差别不是很大。
误差原因分析：
原因一：
理论计算模型是按照现在市场上两边有挡板的灶具计算，与试验模型两边无挡板相比较计算节能小助手面积比例要比试验高，效率也要比试验高。
原因之二：
理论计算中一些数据只取了近似值，计算本身就有误差，
原因之三：
忽略了小助手向环境的辐射换热和对流换热。
6.2连续放水水温试验
为了试验小助手中水是否按照温度分层，入口冷水是否会产生较大的扰动，对放水的水温进行了测量。
从图6中可以看出在放水的过程中水温具有明显的从高到低的趋势，能够使热水先被放出来。
第一个温度点温度较低，原因是出水管内存有部分凉水未被加热。
表3放水过程水温变化
0.5L
1L
1.5L
2L
2.5L
3L
3.5L
4L
4.5L
5L
5.5L
水温
29.5
30.8
30.3
30.3
30.1
28.8
28.3
27.4
27.0
26.8
26.6
图6放水过程水温变化曲线
6.3试验总结
试验结果表明小助手在吸收炉灶辐射热以后，温度明显升高，并且随温度不同而分层。
在放水过程中，能够按照分层流出，表明入口冷水对换热器内水的扰动较小。
试验结果趋势与计算结果相一致，但是误差较大。
原因可能有以下几个方面：
（1）理论计算中，吸收率的计算取了近似值，火焰温度未能实测；
（2）小助手没有保温层。
试验采用烧水的方式，由于水热容量大，整个试验过程锅的温度都比较低。
炒菜、炖菜、煲汤时锅具有较高的温度，锅对小助手也有辐射热，将使小助手温度进一步提高。
小助手的前面板是玻璃制成，表明光滑，易于清洁，可有效避免做饭过程污染墙面瓷砖。
由于吸收炉灶的散热，降低环境温度，会使做饭人员感觉到舒适。
虽然没有做环境温度测试试验，但其肯定会降低环境温度。
7社会调查
简要的社会调查，居民对小助手的功能了解之后都比较赞赏，大多数人都希望能够用上这样的设备，解决厨房热水问题，但也有极少部分人担心可能影响美观。
规整反馈意见如下：
①能够解决厨房用水问题，零能耗，节能减排，非常好，政府也应该提倡
②能够替代热宝，热宝价格较贵，使用耗电，成本高
③只要价格不过高，就可以接受，毕竟使用时零耗能
④希望不要影响美观
8结论与展望
厨房节能小助手的设计思想来源于生活，既解决生活中实际问题，又能“节能减排”，一举两得。
虽然见到一些厨房的节能方法，但未见到利用炉灶辐射热加热厨房用水的类似报道。
想法虽然简单，但能够解决实际问题。
厨房节能小助手实质是一个换热器，换热器的设计中，运用了传热学、流体力学、材料力学等知识。
采用了先进的整体发泡保温技术和玻璃真空结构加强辐射换热的技术。
厨房节能小助手使用时零能耗，只要购置了小助手，就一劳永逸。
并且厨房节能小助手的结构简单，生产成本不会高。
根据社会调查，居民对厨房热水的需求迫切，厨房节能小助手设计合理，现有生产技术能够满足其设计。
如果厨房节能小助手能够批量生产，其成本会降低很多，具有市场开发价值。
现有的厨房节能小助手设计只是一个初步模型，随着研究的深入，设计将逐步趋于完美。
随着新技术在小助手上的应用，小助手的功能和效率会进一步提高，满足人们的需要。
如果厨房节能小助手能成为产品，它可能走进千家万户，节能减排，造福全民。
9参考文献
[1]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）.高等教育出版社，2006.8
[2]刘鸿文.简明材料力学.高等
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