基于斯特林发动机的节能吸油烟机可行性研究

[摘 要]随着生活水平的提高和燃气管道的普及，天然气成为城镇生活中一种主要的家用能源。现如今几乎每个城镇家庭都有燃气灶。随着技术的进步燃气灶的燃烧率已经很高但是在燃气灶中能源的浪费现象依然严重，主要原因是燃气灶多为大气式，天然气燃烧产生的热量只有小部分被厨具所吸收其余的热量都会耗散到空气中这必然是一种极大的浪费。

[关键词]斯特林发动机，燃气灶，废热，节能吸油烟机

中图分类号：S219.031 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）36-0416-01

1 引言

我们设计了一种基于斯特林发动机的节能吸油烟机，主要功能是利用耗散的废热驱动斯特林发动机进而带动吸油烟机运转工作。其特点是设计较为简单，对传统吸油烟机易改装，占用空间很小因此具有很大的推广空间。为了验证其可行性我们做了技术经济分析。通过模拟实验和成本计算，我们发现斯特林发动机带动的扇叶转动转速较高可达到吸油烟机的转速要求且成不低普通家庭都可以使用。若是能够在全国得推广将会具有很好的经济效益。

2 研制背景及意义

2.1 社会背景

一直以来，我国都在致力改善现有的能源结构，提高天然气等清洁能源的用量比重。据统计仅2000年到2004年四年内，我国的天然气年用量就翻了一番，然而我国的天然气剩余总储量低使得我国的天然气能源面临很大压力。更为严峻的是2004年以来我国的“气荒”就在全国的一些城市不断上演。供应不足与需求增加的矛盾的加深更是加剧了“气荒”的蔓延。由此可见提高燃气灶热值利用率从而减少天然气的浪费成为了一个行之有效的好方法。

2.2 现有家庭燃气灶热效率调查

通过查阅资料和家庭调查，由于家用燃气灶实际使用条件与实验室标准测试条件相差较大，因此家庭燃气具的实际燃气利用率和热效率值是远低于实验室所测定的额定热效率与说明书上的说明值，烧开水时的平均热效率仅为43%-52%余热便逸散到厨房环境中难以收集[2]。，家用燃气灶的综合利用率约为30%-40%[1]，所以对于家用燃气灶的节能方面来说还有很大的提升空间。

3 理论设计计算

3.1 甲烷-空气火焰温度场分布计算

通过查阅科技文献资料，可以得到甲烷-空气火焰二维温度场分布的测量方法和计算结果[3]，对于本产品废热收集装置的设计可以提供理论上的依据，现简单介绍如下：

平面激光诱导荧光技术（PLIF）作为一种非接触的激光燃烧诊断技术可以定量测量火焰温度场分布。该技术对燃烧过程无干扰，可以精确测量，而且时空分辨率较高，二维测量，具有可见性。经过计算最终可以推倒出温度T为：

其中，是波尔兹曼常数，为参量，可以通过理论计算求得，表示两个吸收基态的能量差。表示激光的功率密度。

最终得到结果如下：

分析该两组实验结果我们可以发现在距离火焰水平12 mm内，其温度波动范围不大，基本为1700K到1800K左右；而水平距离超过 12mm以外，其温度随着距离的增加而快速降低。

因此我们将废热收集装置的集热板与火焰边缘距离设定为不超过10mm.

3.2 可行性分析

3.2.1 与实际情况的比较实验

实验目的：为了研究斯特林发动机放置在锅底与火焰的周围，对燃气具加热时间和加热效果，所产生的影响；

测试设备：100摄氏度煤油温度计、斯特林发动机、燃气灶、热电偶温度测量仪、量杯与炊具；

试验方法：测量烧开一杯500ml水从50摄氏度到90摄氏度所用的时间，然后在火焰附近放置斯特林发动机，让斯特林发动机正常运转，再次测量500ml水从50摄氏度升温到90摄氏度所用时间，多次测量；

实验注意事项：两次实验除却有无斯特林发动机采集热量的影响，其他的所有条件：燃气灶得出气档位、风力影响、温度计的摆放位置、盛水所用的容器等，都要保持一致；

实验结果如图1所示：

实验序号

第6组和第11组数据由于环境或者其他因素影响偏差较大故删去，由其他数据可以得出，在火焰

周围放置斯特林发动机不会对烧水的时间和燃气的利用产生什么影响，在加热期间，斯特林发动机在最后一直保持高速工作状态，其飞轮转速达到最高1700rmp，工作状态良好，通过查询资料，抽油烟机的电机转速为960-1500rmp，一般排风扇的电机转速为400-450rmp，所以此系统中的发动机飞轮完全可以胜任排风扇甚至是发动机的工作。

3.2.2 经济计算

我们采用单灶燃气灶其消耗燃气量为0.4m3/h，剔除误差较大数据取平均值，无发动机时间为3分11秒，有发动机时间为3分15秒，所以在发动机的影响下，斯特林发动机会带来4.45*10-4d燃气的附加消耗。抽油烟机的功率一般在200W左右，持续3分11秒会有38200W的功率消耗，将所有上述结果核算为经济成本。

天然气价格：1.89元/立方米，电价格：0.55元/度；

无发动机的厨房灶具排油烟系统持续3分11秒的经济成本：0.04511元，添加斯特林发动机的厨房灶具排油烟系统持续3分15秒的经济成本：0.04095元

由于国家质量技术监督局确定的燃气灶具安全使用寿命为8年，按照燃气灶使用8年时间并且每天烹饪时间为2小时计算：

基于斯特林发动机的灶具排油烟系统经济成本为：4415.04元

普通厨房的灶具和抽油烟组合系统经济成本为：4965.41元

因此，对于使用8年的基于斯特林发动机的灶具排油烟系统，每台可以节省550.37元。

有关家电研究机构表示未来五年我国居民家庭燃气具的需求量将达到4240万台，若是节能吸油烟机能够全面推广其可节省人民币约2300万余元，具有很好的经济效益。

4 结语

本产品的设计主要是针对同时使用燃气灶和吸油烟机的家庭的，因此在大多数现代城镇都可以推广使用。同时，本产品也适用于同时有大量废热产生和有转动装置需求的地方，如饭店的厨房等。总之，本产品具有成本低廉、改装简便、占用空间小的特点，具有良好的推广应用的潜力。

参考文献

[1] 李兆坚，江亿.家用燃气灶热效率特性测试分析.应用基础与科技工程学报，2006，09，14（3）：368-374.

[2] 赵岩，家用燃气灶的余热利用.节能技术，1993，第4期：43-44.

[3] 关小伟，刘晶儒. PLIF法定量测量甲烷-空气火焰二维温度场分布.强激光与粒子束，2005.02，17（2）：174-176.

[4] 中华人民共和国国家标准 GB 16410-2007 家用燃气灶具，2007.