可调式节能燃气灶的设计关键

可调式节能燃气灶的设计关键

张捷文

广东万和电气有限公司

摘要：本文介绍了燃气灶热效率不高的主要原因及设计问题，研发了一种能够随时管控火焰和锅体间距的全新节能燃气灶，由此充分使用燃气，而且讨论了其运行原理与关键技术。

关键词：新型节能燃气灶；基本原理；热效率

    能源短缺是全社会共同面临的一个最严峻的生存危机，而我国的油气资源非常贫乏、耗气量多，所以，怎样提升燃气使用率始终是研究要点。现如今，燃气灶设计方面都采取燃气灶的燃烧器与锅体间距固定不变，只适应火焰大小较为适中的现象，当锅体大小变动与火苗要调整时，该间距不能变动，即不能充分燃烧的能量，引起了巨大的燃气浪费。基于此，规划了可调式燃气灶，由此充分应用燃烧的热能，传热效率大，以实现提升燃烧效率、节能燃气的目标。

1、燃气应用现状

    随着国家经济繁荣发展，能源紧缺已是左右经济的核心因素，由此，各企业使用了大量新技术、新工艺，大幅度提升燃烧效率，但是依旧有很多问题。

    1.燃气灶的气嘴火苗与锅体间距固定不变，最终在所要温度很低/很高或是管道气压太大或气体太少，压力不够时，燃烧气体外焰与锅体间距太大/太小，不能充分使用燃烧的热能，热损失高，不能选取火口和锅底的最好间距。   

2.气嘴气体压力仅能凭借旋钮调整入气量的多少，不能通过管控燃烧气体外焰和锅体的间距来调整火焰大小，从而调整最好温度。

3.燃烧器的火焰是通过炉盘定位来规定燃气流向，无论采取何种容量均不能改善热能的浪费。

4.灶头火盖外形、火孔角度的不科学，导致燃烧条件恶化，出现气体不彻底燃烧，以及因为炉盘裸露的开放式燃烧，引起热辐射造成的热能流失。

2、可调式低碳燃气罩规划方案

低碳燃气灶是由水平传动结构与竖直升降结构构成。

（1）水平传动结构包含伺服机组、联轴器、丝杠、齿条、轨道、固定支承座、支护板、法兰板以及传动四缸套等构成[1]。支护板连接于灶台壁，其表面焊上两个固定支承座来支护丝杠，固定支承座和齿条之间留下一定间距；丝杠和丝杠衔接套螺纹衔接，丝杠衔接套和齿条连接。轨道依靠法兰连接加固在灶台壁上，是不动结构。

    传动形式是：依靠伺服机组驱动带来动力，基于联轴器带动丝杠使齿条前后移动，其活动通过直线导轨导向提升了活动精度，如此就保障了其稳定移动精度，而且每个部分在确保工作强度及刚度要求的同时使用铝合金材质。

    （2）竖直传动结构包括固定座、齿轮、带口螺纹轴以及支承座等。齿轮和齿条相啮合，螺纹轴依靠键和齿轮过盈连接，螺纹轴底部和下支承座利用螺纹实现浮动衔接，下支承座利用螺栓加固在灶台支架上，螺纹轴顶部和上支承座利用螺纹实现浮动衔接，上支承座相对的两边开了滑道，其中的滑块经过支护衔接于灶台壁上，上支承座和灶头利用螺栓衔接。

传动形式是：齿条带动齿轮从而驱动螺纹轴，因螺纹轴和上下支承座螺纹衔接后留下的间距很大且下支承座恒定，螺纹轴就可以驱使上支承座竖直活动，而上支承座上滑动限制了其相对旋转活动，从而完成了支承座竖直升降活动，上支承座上加固的灶头就伴随支承座同时升降活动，如此就完成了燃烧喷嘴的上、下活动管控，调整了灶头火焰大小，把控了火苗与锅体最好燃烧范围，从而大大提升了气体使用率。

3、可调式低碳燃气灶的规划关键技术

    （1）调整距离和传动精度。其是可调节灶头规划的重点，主要依靠直线机组带动丝杠，丝杠推动直齿轮前后活动，从而驱使圆齿轮旋转，经由键过盈衔接其上的螺纹轴机组来取得灶头的上下活动，以管控灶头部位，更加充分使用燃烧的热能[2]。此外，为保障运行稳定、传动精度大、容易自锁，衔接选择螺纹衔接，同时螺纹轴顶部、底部应与上、下支承座维持很大的间距，确保其有合适的活动空间。同时，丝杠的活动精度、刚性需严格管理，由此选择精密滚珠丝杠与轻质铝合金材质，且各衔接位置的接触刚度要高，防止空隙太大。

（2）选取传动比。丝杠螺纹构造的挑选要注重快速性，传动比需适宜，以保证其转动的协调统一性与便捷性。本机构规划灶头运动行程是15cm，速率0.1cm/s，螺纹轴、支承座和丝杠导程都取t=0.4cm，依据螺旋结构的相对移动关系式：

l=zt/2π·

其中：l代表螺杆或螺母运动的行程；t代表螺杆或螺母的螺距；z代表螺纹线头数，一般取z=1；代表螺杆与螺母之间的相对转角。

通过计算得出：丝杠角速度是=20r/s，传动比是i=1/20，则伺服机组运动20圈，灶头移动是0.1cm。

（3）移动精度及刚度管理。为保证整个水平传动结构的移动精度，选择直线机组驱动、直线轨道导向的措施，提升了导向精度，令位置调整更方便、管控精度更好；为避免轨道与传动丝杠运行时出现变形，安装了支护板且采取加强筋以提高刚度；直齿轮和轨道的衔接位置要保障良好的同轴度与润滑效果。此外，灶头部分安装了滑道限制了轴的相对旋转移动，以确保灶头仅做上、下移动。

    （4）齿轮与齿条的结合。齿轮与齿条啮合环节的接触力、应力与应变的布局是稳定传动及齿轮是否失效的关键影响因素，还是结构调整的重点。经采取有限元计算分析系统ABAQUS，对运行状态下齿轮与齿条啮合传统环节展开接触研究，计量其受力状况。齿轮与齿条都是铝合金，外表硬化

[3]。展开接触分析时对着重考查的轮齿位置网格进行了细化处置，令网格扭曲降到最小；分析过程采取减缩积分系统C3D8R，且引进一些人工沙漏刚度控制沙漏模式的扩散，以保障计算精度。

    计量的应力分布见图1。

图1 应力计算云图

由图1得知，齿轮啮合运动环节，齿轮根部和齿轮同轮齿的接触位置应力最高，这与齿轮工况相一致[4]。在这个齿轮副中，最高弯曲应力于齿轮上，是580MPa，远远低于齿轮的允许应力，完全符合工作需求。

（5）调控管理。采取温度传感器测量所在部位的温度，与温度对比模块的温度展开对比，并根据燃气流量，依据二者对比值的正负了解螺旋机组是提升或者降低，借助运算控制模块计算获得位移大小。接着通过螺旋机构调整升降，而且由控制阀调整气流量，导致火焰温度与大小的改变，从而重新对比，直到二者值相等差值是0。

4、实验分析

   在常温20℃，水温15℃条件下，选择单灶头，燃气耗能量应用居民用燃气流量计检测，最小步进值0.2L，采用秒表检测时间，在同样的水壶中烧开4L凉水。液化气热值是83.8MJ/m3，水的比热容是4.19×103J/(kg·℃)。普通灶和新型灶的热效率对比见表1所示。普通灶的热效率为47%，新型灶的热效率为78%，节能量是36%。

表1 热效率对比

5、结束语

   总之，研究规划的节能燃气灶经调整灶头部位来转变灶头与锅体的间距，最大程度保障了火焰和锅体的最好接触，令热交换更彻底，交换更高效，锅体吸热更多，可以提升燃气使用率，达到节能目的。

参考文献：

[1]刘丽,赵海涛,邹继艳,滕少臣,姜乐.抽油机井上下可调式盘根盒节能技术的应用[J].石油石化节能,2022,12(11):45-48.

[2]封发勇,吴文浩,吴舰.可调式数字化电焊机节能研究[J].山西电子技术,2014(05):80-82.

[3]杜继涛, 可调式节能燃气喷嘴 发明专利. 上海市,上海理工大学,2014-04-01.

[4]麻建国,杜继涛,罗娟,甘屹.可调式节能燃气灶的设计关键[J].机械设计与研究,2010,26(04):122-124.