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摘要：本文针对家用红外线燃气灶的多孔陶瓷板燃烧性能进行研究探讨，在阐述红外线技术以及红外线燃气灶结构基础上，对红外线燃气灶的热效率产生影响的各种主要因素开展研究，对家用红外线燃气灶的多孔陶瓷板燃烧能效特性开展分析。
关键词：红外线燃气灶；热效率及能效；多孔陶瓷板
在城市燃氣燃烧技术方面，从20世纪50年代的红外线无焰燃烧，到70年代的远红外催化燃烧，使燃气燃烧技术为工商业和民用服务[1]。于20世纪80年代开始，国内有部分燃气灶厂商开始运用陶瓷板红外线燃烧器。在经过20多年发展改进，国家发改委于2015年将“高红外发射率多孔陶瓷节能燃烧器技术”列为重点节能技术推广项目。因此对多孔陶瓷板红外线燃气灶的燃烧能效特性开展研究分析，对于我国民用、工商业用环保节能燃气灶的应用、推广有着重要的意义[2]。
一、红外线燃烧技术及多孔陶瓷板红外线燃气灶概述
（一）红外线燃烧技术
众所周知，太阳照在身上，人会感觉到温暖，人们利用这种红外线本身就携带能量的特点，研发出品种繁多的红外线产品，例如红外线保暖内衣、红外线体温计、红外线取暖炉、红外线燃气灶等等，经过统计，使用红外线燃气灶代替传统的大气式灶，其节能效率高达35%。红外线燃气灶陶瓷板采用特殊的耐火材料制成，在火焰燃烧阶段，将火焰转换成红外线，物体受热的速度被明显提升。
（二）多孔陶瓷板红外线燃气灶
多孔陶瓷板家用红外线燃气灶，其组件包括底部的空气与燃气预混腔和头部的多孔蜂窝陶瓷板，在工作阶段，通过引射器吸入空气，引射器将燃气和空气进行预混，在多个蜂窝陶瓷板溢孔部位燃烧，将燃气灶的面板加热，短时间内温度就可升至800～900℃，对锅具进行快速加热。图1为陶瓷板红外线燃气灶实体示意图：
陶瓷板红外线燃气灶工作阶段，传热方式属于热辐射传热，对比传统的大气式灶具，红外线燃气灶传热速度更快、能够很好的弥补传统大气式灶火焰同锅底接触时间短，大量热能被浪费的问题。因大气式灶和红外线燃气灶的传热方式有所差异[3]，因此热效率也有所差异，在开展本次研究阶段，使用《家用燃气灶具》（GB16410-2007）中提出的热效率试验方式进行验证，图2为传统大气燃气灶和陶瓷板红外线燃气灶的试验对比图：
如图2所示，相比大气式燃气灶和红外线燃气灶的热效率，不论是在2.4kW热负荷，还是4.0kW热负荷下，其热效率始终都高于大气式燃气灶。红外线之所以具备高热效率，主要是因为红外线燃烧器使用完全预混无焰催化技术，在燃烧前同空气充分的混合，在众多火孔中燃烧，可以让燃烧更加充分，减少“化学热损失”。
二、对红外线燃气灶燃烧能效造成影响的多项因素分析
陶瓷板红外线燃气灶的燃烧能效，会收到来自于燃气灶自身结构、使用环境和锅具类型三方面因素的影响[4]。
（一）来自于燃气灶自身结构的影响
站在结构性能角度来看，陶瓷板红外线燃气灶的燃烧性能，同热损耗、与锅具的热交换率，都会对热效率带来一定程度的影响，站在红外辐射理论来分析，红外线燃气灶在加热锅具阶段，经过预混的燃气在瓷片上部燃烧，瓷片表层发射红外线，和锅底形成热平衡区域，当燃气灶加热锅具阶段，除辐射加热和烟气对流加热外，还有很大一部是来自于陶瓷板的辐射加热，这种辐射加热的热效率远高于对流和传导加热，因此可以将红外辐射比例增大，进一步提高燃气灶的总燃烧能效。式1为依据红外燃烧理论计算辐射传递的表达式：
在式1当中，A表示陶瓷板有效辐射面积、表示黑体辐射常数，取5.67W/㎡·，为辐射的功率，辐射角的系数，则分别代表瓷片表面温度和锅底表面平均温度。通过式1的计算，可以发现红外热辐射的燃烧能效和辐射角系数、辐射体温度、吸收体灰度以及辐射体的灰度都有紧密的关联，进而可以总结出提升红外辐射量的下列措施：①.通过增加瓷片的表面形状凹凸程度，来增大燃烧器的辐射面积；②增大角系数，该系数与过瓷片到锅底的距离呈反比，因此可以将锅支架的高度降低得以实现；③将锅具和瓷片的灰度提升，选择深颜色的锅具，并在瓷片的表面进行高辐射率涂层的喷涂，进一步提升红外辐射的吸收；④将瓷片的温度提升，可以增加防止辐射外散的保护罩，在设计阶段，尽量选择导热系数低的材质，将燃烧器向下散热的问题降低，或者选择粗糙度较大的锅体，将烟气与锅底接触的时间延长，同时合理的设计锅具的支架，将锅具支架的余热充分利用，进一步提升燃气灶的燃烧能效[5]。
（二）来自于使用环境不同的影响
1.温度对燃气灶燃烧能效的影响
在开展本次研究阶段，在不同的室内温度下，开展多孔陶瓷板红外线燃气灶燃烧能效试验，试验阶段，左右炉额定功率=3.51kW，天然气12T。图3为不同温度下热效率线形图：
通过观察图3不难发现，环境温度越是低，红外线燃气灶对锅具加热期间的损失热量就越高，烟气流加上热冷空气，会带走更多的热能，热效率就会更低，在环境温度比较高的情况下，在燃气灶预混燃烧阶段，空气会带入较高的热量，燃气灶本身和锅具散失热量也很少，热效率有所提升。
2.燃气条件对燃烧能效造成的影响
在开展本次研究阶段，将气源选择为12T天然气，对一台红外线燃气灶，在燃气温度16.7℃到30.3℃的环境下开展热效率试验，试验记录如表1所示：
通过对表1的观察可以发现，随燃气温度的逐步提升，热效率也会随之提升，出现这种现象的原因是燃气温度的升高，会带入更多的物理热量，进而增加燃烧的热量。
表2展示的为不同燃气类型对红外线燃烧器燃烧能效的影响：
通过观察表2可以发现，液化气条件下，红外线燃气灶的热效率要高于12T天然气[3]。
（三）来自于锅具的影响
1.锅底直径 在使用多孔陶瓷板燃气灶加热锅具阶段，锅具不同的直径，对热效率会造成不同影响，在本次试验阶段，设定固定热负荷为2.99kW，分别选取直径20、22、24、26、28、30、32cm直径的铝锅开展燃气灶的燃烧能效试验。遵循GB16410-2007中的定义，锅底的热强度Q=实测热负荷/锅具正投影方向面积。表3为不同直径的铝锅锅底热强度值：
通过分析得出，铝锅锅底的直径越大，热效率就越高[6]。
2.锅底灰度
开展不同锅底直径试验后，对锅底出现氧化、无光泽的灰锅和锅底表面光亮的新铝锅进行加热试验，本次试验共计包括6组铝锅，共计12个，6个锅底光亮，6个锅底氧化严重，试验结果见表4：
如表4，经过对比，锅底面金属光亮的新锅，相比无光泽的严重氧化的灰底锅，其热效率有很大的差距[7]。
（四）来自于不同催化剂的影响
1992年之前，日本东京、大阪、东邦煤气公司联合日本电装公司，研发用于煤气机排气处理的双基含氧传感催化剂。经过几十年的发展，井进化为金属蜂窝三元催化剂，与过去的陶瓷催化剂相同。金属蜂窝状三元催化剂，也隶属于沉积载体，其区别在于金属蜂窝三元催化剂的载体为金属，而陶瓷催化剂载体为蜂窝多孔板。金属蜂窝三元催化剂的金属载体为50微米的薄片，相比陶瓷载体大幅度减少了厚度（180～300微米），同气体的接触面积更大，更加利于提高催化剂的活性[8]。随着技术的进步，目前已经进化到了蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷与金属蜂窝三元催化剂相同，有着开口率更大的孔径，大幅度减少了压力损失，降低了燃烧成本，同时油灰附着也很大程度降低。此外，蜂窝陶瓷有着更好的耐热性，能够降低事故的发生率，经过东京煤气公司在80kW煤气机开展长达数千小时的测试，测试结果为一氧化碳<100ppa，氮氧化物<10ppa，相比金属蜂窝三元催化剂，更进一步提高了燃烧催化剂的实用性，提高了燃气灶燃烧能效。
四、结语
本次研究，针对陶瓷板红外线家用燃气灶的燃烧能效开展深入的研究，分析了对燃烧能效造成影响的各种因素，研究后发现，红外线燃气灶的燃烧性能、和本身的热损耗、同锅具的热交换率有密切关联，通过不同的测试方法，得出红外线燃气灶的热效率和环境温度、燃气温度呈正比例的关系，同锅底热强度成反比例关系，同时锅具的灰度，催化剂的种类，也对红外线燃气灶的燃烧能效有很大的影响，相关单位在设计期间，需要充分考虑本次研究所提到的各种对红外线燃气灶造成影响的因素，并可以采纳本次研究中提出的提升热效率的方法。
参考文献：
[1]金志刚.燃气燃烧技术发展及合理利用[J]煤气与热力.1985.（03）：5-10
[2]戴奕艺，杨曦，刘艳春，等. 多孔陶瓷板红外线燃气灶具燃烧能效特性探究[J]. 佛山陶瓷，2014，24（2）：5-10.
[3]罗从杰，杨小红，廖菁.研究探讨提高大气式家用燃气灶具热效率的方法[J]. 能源研究与管理. 2010（02）：69-71
[4]崔海峰，叶金，沈昱. 中美欧电磁灶能效测试方法比较研究[J]. 家电科技，2017（6）：28-31.
[5]赵轶，胡国辉，曹晓锋，等. 商用燃气灶具热效率测量结果的不确定度评定[J]. 轻工标准与质量，2017（5）：30-30.
[6]王志远，王凤英，刘天生，等. 基于FEM/SPH算法弹丸侵彻多孔陶瓷板的数值模拟[J]. 高壓物理学报，2017，31（1）：35-41.
[7]彭美华，程西云，周彪，等. CNTs-Al_2O_3多孔陶瓷复合材料的制备与性能[J]. 材料工程，2016，44（6）：117-122.
[8]魏华锋，班永，王强. 嵌入式燃气灶的节能设计[J]. 家电科技，2017（11）：80-83.
关键词：红外线燃气灶；热效率及能效；多孔陶瓷板
在城市燃氣燃烧技术方面，从20世纪50年代的红外线无焰燃烧，到70年代的远红外催化燃烧，使燃气燃烧技术为工商业和民用服务[1]。于20世纪80年代开始，国内有部分燃气灶厂商开始运用陶瓷板红外线燃烧器。在经过20多年发展改进，国家发改委于2015年将“高红外发射率多孔陶瓷节能燃烧器技术”列为重点节能技术推广项目。因此对多孔陶瓷板红外线燃气灶的燃烧能效特性开展研究分析，对于我国民用、工商业用环保节能燃气灶的应用、推广有着重要的意义[2]。
一、红外线燃烧技术及多孔陶瓷板红外线燃气灶概述
（一）红外线燃烧技术
众所周知，太阳照在身上，人会感觉到温暖，人们利用这种红外线本身就携带能量的特点，研发出品种繁多的红外线产品，例如红外线保暖内衣、红外线体温计、红外线取暖炉、红外线燃气灶等等，经过统计，使用红外线燃气灶代替传统的大气式灶，其节能效率高达35%。红外线燃气灶陶瓷板采用特殊的耐火材料制成，在火焰燃烧阶段，将火焰转换成红外线，物体受热的速度被明显提升。
（二）多孔陶瓷板红外线燃气灶
多孔陶瓷板家用红外线燃气灶，其组件包括底部的空气与燃气预混腔和头部的多孔蜂窝陶瓷板，在工作阶段，通过引射器吸入空气，引射器将燃气和空气进行预混，在多个蜂窝陶瓷板溢孔部位燃烧，将燃气灶的面板加热，短时间内温度就可升至800～900℃，对锅具进行快速加热。图1为陶瓷板红外线燃气灶实体示意图：
陶瓷板红外线燃气灶工作阶段，传热方式属于热辐射传热，对比传统的大气式灶具，红外线燃气灶传热速度更快、能够很好的弥补传统大气式灶火焰同锅底接触时间短，大量热能被浪费的问题。因大气式灶和红外线燃气灶的传热方式有所差异[3]，因此热效率也有所差异，在开展本次研究阶段，使用《家用燃气灶具》（GB16410-2007）中提出的热效率试验方式进行验证，图2为传统大气燃气灶和陶瓷板红外线燃气灶的试验对比图：
如图2所示，相比大气式燃气灶和红外线燃气灶的热效率，不论是在2.4kW热负荷，还是4.0kW热负荷下，其热效率始终都高于大气式燃气灶。红外线之所以具备高热效率，主要是因为红外线燃烧器使用完全预混无焰催化技术，在燃烧前同空气充分的混合，在众多火孔中燃烧，可以让燃烧更加充分，减少“化学热损失”。
二、对红外线燃气灶燃烧能效造成影响的多项因素分析
陶瓷板红外线燃气灶的燃烧能效，会收到来自于燃气灶自身结构、使用环境和锅具类型三方面因素的影响[4]。
（一）来自于燃气灶自身结构的影响
站在结构性能角度来看，陶瓷板红外线燃气灶的燃烧性能，同热损耗、与锅具的热交换率，都会对热效率带来一定程度的影响，站在红外辐射理论来分析，红外线燃气灶在加热锅具阶段，经过预混的燃气在瓷片上部燃烧，瓷片表层发射红外线，和锅底形成热平衡区域，当燃气灶加热锅具阶段，除辐射加热和烟气对流加热外，还有很大一部是来自于陶瓷板的辐射加热，这种辐射加热的热效率远高于对流和传导加热，因此可以将红外辐射比例增大，进一步提高燃气灶的总燃烧能效。式1为依据红外燃烧理论计算辐射传递的表达式：
在式1当中，A表示陶瓷板有效辐射面积、表示黑体辐射常数，取5.67W/㎡·，为辐射的功率，辐射角的系数，则分别代表瓷片表面温度和锅底表面平均温度。通过式1的计算，可以发现红外热辐射的燃烧能效和辐射角系数、辐射体温度、吸收体灰度以及辐射体的灰度都有紧密的关联，进而可以总结出提升红外辐射量的下列措施：①.通过增加瓷片的表面形状凹凸程度，来增大燃烧器的辐射面积；②增大角系数，该系数与过瓷片到锅底的距离呈反比，因此可以将锅支架的高度降低得以实现；③将锅具和瓷片的灰度提升，选择深颜色的锅具，并在瓷片的表面进行高辐射率涂层的喷涂，进一步提升红外辐射的吸收；④将瓷片的温度提升，可以增加防止辐射外散的保护罩，在设计阶段，尽量选择导热系数低的材质，将燃烧器向下散热的问题降低，或者选择粗糙度较大的锅体，将烟气与锅底接触的时间延长，同时合理的设计锅具的支架，将锅具支架的余热充分利用，进一步提升燃气灶的燃烧能效[5]。
（二）来自于使用环境不同的影响
1.温度对燃气灶燃烧能效的影响
在开展本次研究阶段，在不同的室内温度下，开展多孔陶瓷板红外线燃气灶燃烧能效试验，试验阶段，左右炉额定功率=3.51kW，天然气12T。图3为不同温度下热效率线形图：
通过观察图3不难发现，环境温度越是低，红外线燃气灶对锅具加热期间的损失热量就越高，烟气流加上热冷空气，会带走更多的热能，热效率就会更低，在环境温度比较高的情况下，在燃气灶预混燃烧阶段，空气会带入较高的热量，燃气灶本身和锅具散失热量也很少，热效率有所提升。
2.燃气条件对燃烧能效造成的影响
在开展本次研究阶段，将气源选择为12T天然气，对一台红外线燃气灶，在燃气温度16.7℃到30.3℃的环境下开展热效率试验，试验记录如表1所示：
通过对表1的观察可以发现，随燃气温度的逐步提升，热效率也会随之提升，出现这种现象的原因是燃气温度的升高，会带入更多的物理热量，进而增加燃烧的热量。
表2展示的为不同燃气类型对红外线燃烧器燃烧能效的影响：
通过观察表2可以发现，液化气条件下，红外线燃气灶的热效率要高于12T天然气[3]。
（三）来自于锅具的影响
1.锅底直径 在使用多孔陶瓷板燃气灶加热锅具阶段，锅具不同的直径，对热效率会造成不同影响，在本次试验阶段，设定固定热负荷为2.99kW，分别选取直径20、22、24、26、28、30、32cm直径的铝锅开展燃气灶的燃烧能效试验。遵循GB16410-2007中的定义，锅底的热强度Q=实测热负荷/锅具正投影方向面积。表3为不同直径的铝锅锅底热强度值：
通过分析得出，铝锅锅底的直径越大，热效率就越高[6]。
2.锅底灰度
开展不同锅底直径试验后，对锅底出现氧化、无光泽的灰锅和锅底表面光亮的新铝锅进行加热试验，本次试验共计包括6组铝锅，共计12个，6个锅底光亮，6个锅底氧化严重，试验结果见表4：
如表4，经过对比，锅底面金属光亮的新锅，相比无光泽的严重氧化的灰底锅，其热效率有很大的差距[7]。
（四）来自于不同催化剂的影响
1992年之前，日本东京、大阪、东邦煤气公司联合日本电装公司，研发用于煤气机排气处理的双基含氧传感催化剂。经过几十年的发展，井进化为金属蜂窝三元催化剂，与过去的陶瓷催化剂相同。金属蜂窝状三元催化剂，也隶属于沉积载体，其区别在于金属蜂窝三元催化剂的载体为金属，而陶瓷催化剂载体为蜂窝多孔板。金属蜂窝三元催化剂的金属载体为50微米的薄片，相比陶瓷载体大幅度减少了厚度（180～300微米），同气体的接触面积更大，更加利于提高催化剂的活性[8]。随着技术的进步，目前已经进化到了蜂窝陶瓷，蜂窝陶瓷与金属蜂窝三元催化剂相同，有着开口率更大的孔径，大幅度减少了压力损失，降低了燃烧成本，同时油灰附着也很大程度降低。此外，蜂窝陶瓷有着更好的耐热性，能够降低事故的发生率，经过东京煤气公司在80kW煤气机开展长达数千小时的测试，测试结果为一氧化碳<100ppa，氮氧化物<10ppa，相比金属蜂窝三元催化剂，更进一步提高了燃烧催化剂的实用性，提高了燃气灶燃烧能效。
四、结语
本次研究，针对陶瓷板红外线家用燃气灶的燃烧能效开展深入的研究，分析了对燃烧能效造成影响的各种因素，研究后发现，红外线燃气灶的燃烧性能、和本身的热损耗、同锅具的热交换率有密切关联，通过不同的测试方法，得出红外线燃气灶的热效率和环境温度、燃气温度呈正比例的关系，同锅底热强度成反比例关系，同时锅具的灰度，催化剂的种类，也对红外线燃气灶的燃烧能效有很大的影响，相关单位在设计期间，需要充分考虑本次研究所提到的各种对红外线燃气灶造成影响的因素，并可以采纳本次研究中提出的提升热效率的方法。
参考文献：
[1]金志刚.燃气燃烧技术发展及合理利用[J]煤气与热力.1985.（03）：5-10
[2]戴奕艺，杨曦，刘艳春，等. 多孔陶瓷板红外线燃气灶具燃烧能效特性探究[J]. 佛山陶瓷，2014，24（2）：5-10.
[3]罗从杰，杨小红，廖菁.研究探讨提高大气式家用燃气灶具热效率的方法[J]. 能源研究与管理. 2010（02）：69-71
[4]崔海峰，叶金，沈昱. 中美欧电磁灶能效测试方法比较研究[J]. 家电科技，2017（6）：28-31.
[5]赵轶，胡国辉，曹晓锋，等. 商用燃气灶具热效率测量结果的不确定度评定[J]. 轻工标准与质量，2017（5）：30-30.
[6]王志远，王凤英，刘天生，等. 基于FEM/SPH算法弹丸侵彻多孔陶瓷板的数值模拟[J]. 高壓物理学报，2017，31（1）：35-41.
[7]彭美华，程西云，周彪，等. CNTs-Al_2O_3多孔陶瓷复合材料的制备与性能[J]. 材料工程，2016，44（6）：117-122.
[8]魏华锋，班永，王强. 嵌入式燃气灶的节能设计[J]. 家电科技，2017（11）：80-83.