基于溫差發(fā)電的燃氣余熱回收綜合利用裝置設計

杜芳莉，沈關炳，鐘 平，董 力，趙 鋒

(西安航空學院 能源與建筑學院，西安 710077)

0 引言

隨著經濟不斷快速發(fā)展，能源、環(huán)境及可持續(xù)發(fā)展問題作為全球關注的焦點，一直困擾著世界各國，是各國在發(fā)展經濟的同時急需共同來解決的全球性問題。在能源日趨枯竭的當代，我們在尋找新的可替代能源的同時，更應該加強目前能源的節(jié)約使用。廚房的環(huán)境質量不容忽視，燃氣灶作為每個家庭的日常生活必備產品，每天都發(fā)揮著巨大的作用，同時也帶來了大量的能源浪費[1]。燃氣灶在使用時，一般是將鐵鍋放在上方加熱，燃氣灶四周的熱能由于無法回收，只能浪費損失在自然環(huán)境中，在當前能源不可再生和逐步減少的形勢下，充分利用熱能是眾多科技工作者研究的方向,為此本文提出并研制了一種基于溫差發(fā)電的燃氣余熱回收綜合利用的裝置，該裝置充分利用燃氣灶的余熱進行預熱水，具有節(jié)能減排的功效；可以減少熱量向外散發(fā)，達到環(huán)保的目的；能有效改善廚房微氣候環(huán)境，使人們在烹飪的同時，也能享受到清新的空氣環(huán)境。

1 設計意義

能源與環(huán)境問題是當今世界面臨的重要問題，直接影響著社會環(huán)境的可持續(xù)健康發(fā)展。然而在我們的日常生活中，能源消費所造成的能源短缺與環(huán)境污染問題是制約社會環(huán)境可持續(xù)健康發(fā)展的關鍵因素。要實現社會環(huán)境的可持續(xù)健康發(fā)展，首先必須解決社會發(fā)展最重要動力——能源的可持續(xù)開發(fā)和利用問題。經過大量的調查可知，普通型和紅外線型的燃氣爐具的熱利用率僅僅達到60%左右，其余40%的熱量均被白白浪費[2]，火焰和熱煙氣經過鍋、底部發(fā)散后，沿鍋周壁上升并很快與周圍環(huán)境空氣混合。煙氣余熱逸散在廚房內，不僅導致能源浪費，而且還使得廚房溫度過高[3]。假如研究開發(fā)出一種裝置能將這部分能量回收利用起來，不僅符合我國的節(jié)能減排政策，而且還能有效改善廚房的微氣候環(huán)境，使人們在烹飪的同時，也能享受到清新的空氣環(huán)境。本文針對目前市場上普遍存在的家用燃氣灶能源利用率不高的問題，研制了一種輔助的綜合熱回收利用裝置。該裝置利用燃氣灶和抽油煙機工作時所產生的廢熱，加熱環(huán)繞在灶頭周圍盤管中的水，同時利用溫差發(fā)電技術驅動微型泵使水產生循環(huán)[4]。該裝置將溫差發(fā)電技術與盤管余熱回收技術巧妙結合，完全利用燃氣灶等設備的余熱為系統正常運行提供動力，整套裝置不需要任何外界能量的輸入，從而達到綠色、環(huán)保、節(jié)能的目的，同時還可有效改善廚房微氣候環(huán)境。

2 設計思路

本裝置主要由循環(huán)水箱、換熱器、溫差發(fā)電片、微型水泵、智能溫控系統等五大部分組成。其工作原理為：當使用燃氣灶和油煙機時，燃氣灶灶頭周圍布置的溫差發(fā)電裝置遇熱產生電能，驅動循環(huán)水泵開始工作，循環(huán)水箱中的水就會通過循環(huán)水泵進入位于灶頭周圍的換熱器中進行熱交換，當循環(huán)水加熱到設定溫度或者燃氣灶使用完畢時，智能溫控系統將控制水泵動作，使循環(huán)水箱自動出水并將熱水儲存起來或直接供給洗碗機等用水設備，當水箱中的水用完后，自動上水閥打開并將水重新注滿水箱。該裝置的智能控制系統和余熱再利用系統在人們日趨忙碌的生活中扮演著“便利”的角色，使我們能夠生活在智能又簡潔、安全又美好的環(huán)境之中。燃氣余熱回收裝置工作原理如圖1所示。

圖1 燃氣余熱回收裝置工作原理圖

3 溫差發(fā)電系統

溫差發(fā)電系統主要為該系統的動力設備水泵提供電能，它是利用溫差發(fā)電片產生電能供給循環(huán)水泵，使整個系統能源消耗自給自足。這一技術措施不僅能增加能源的利用效率，而且也可使整套設備更加節(jié)能環(huán)保[4-5]。

溫差發(fā)電的原理：當金屬中溫度不均勻時，溫度高處的自由電子比溫度低處自由電子動能大[6]。像氣體一樣，當溫度不均勻時會產生熱擴散，因此，自由電子從溫度高端向溫度低端擴散，并在低溫端堆積起來，從而在導體內形成電場，在金屬兩端引起一個電勢差[7-8]。溫差發(fā)電結構示意圖如圖2所示。

圖2溫差發(fā)電結構示意圖

本裝置溫差發(fā)電的具體做法為：將尺寸為40mm×40mm×3.5mm的15片溫差發(fā)電片貼附布置在燃氣灶周圍的銅管上，當燃氣灶工作時就會在溫差發(fā)電片的兩端產生60℃左右的溫差，此時溫差發(fā)電片就能產生10～15W的電量，完全能夠滿足水泵正常工作的要求。本套裝置中循環(huán)水泵選用爵尼牌12V食品級3901水泵，其工作參數如表1所示。本裝置用導線將發(fā)電片與蓄電池連接，將產生的電能儲存在蓄電池中，在系統工作時蓄電池通過逆變器將直流電轉化為交流電并為循環(huán)水泵提供電能，促使水系統正常運行。其工作原理如圖3所示。

表1 水泵性能參數表

圖3 溫差發(fā)電系統工作原理圖

4 循環(huán)換熱系統

燃氣余熱回收換熱系統是利用自來水作為介質使其在系統中不斷循環(huán)運行，將燃氣灶的余熱進行回收再利用。該循環(huán)換熱系統是由換熱器、循環(huán)水泵、循環(huán)水箱三部分組成，見圖4所示。其工作原理為：在系統工作前，自動上水閥打開將水箱中的水注滿，當燃氣灶開始工作時，溫差發(fā)電片產生電量使循環(huán)水泵開始工作，獲得動力的水流經設置在灶頭周圍的換熱銅管帶走余熱后回到水箱，如此循環(huán)往復直到燃氣灶不再產生余熱后自動切斷循環(huán)泵電源，并打開水箱中預留的熱水口將水放出。

圖4燃氣余熱回收循環(huán)換熱系統工作原理圖

4.1 換熱器

換熱器作為循環(huán)換熱系統的主要構件，同時也是整套系統中最重要的部分，承擔著余熱是否能成功回收利用的重要使命，它主要由燃燒銅管和外部翅片兩部分組成?？紤]到金屬的導熱性能與成本問題，本裝置選用銅管鋁翅片作為主要的熱交換材料，翅片的作用是用來增大換熱接觸面積從而進一步提高換熱效率。換熱器主材料為紫銅管，翅片材料為不銹鋼。其性能參數為：銅管直徑12mm，翅片高度6mm，灶臺環(huán)繞直徑100mm，換熱器高度72mm，進口延伸長度200mm，出口延伸長度800mm，銅管鋁翅片換熱器結構如圖5所示。具體做法是將翅片纏繞到銅管上將其整體繞成蛇形盤在燃氣灶灶頭周圍，并與灶頭保持一定的距離，當我們使用燃氣灶時，可利用對流與輻射傳熱將灶頭周邊的余熱通過翅片與銅管傳到銅管內的水中，并通過水的流動不斷將熱量帶走。

圖5銅管鋁翅片換熱器結構示意圖

4.2 循環(huán)水泵

循環(huán)水泵作為整個裝置的動力設備，它不僅能使水箱中的水循環(huán)流動起來，而且還可提高水流速度，增加水流換熱效率。與傳統靠重力循環(huán)的余熱回收裝置相比，此裝置水循環(huán)速度更快，換熱效果更好，而且由于循環(huán)泵聲音較小，所以也不會對環(huán)境造成影響。

4.3 循環(huán)水箱

循環(huán)水箱起著儲存熱水與預存冷水的作用，水箱上部設有溫度傳感器，可以實時監(jiān)測到水溫以方便人們的使用，水箱供水直接連接生活用水管路。除此之外，在水箱的進水口處還設有自動浮球閥以控制水箱的水位。

5 結語

在日常的燃氣灶使用過程中經常會出現40%的熱量浪費現象，本產品的研制，一是響應了國家節(jié)能減排的號召；二是可以有效的將這一部分熱量進行回收利用，從而提高能源的利用效率。本裝置具有以下優(yōu)點：

(1)巧妙將翅片纏繞到銅管上并使其繞成蛇形盤在燃氣灶灶頭周圍，充分利用燃氣的對流與輻射換熱進行熱量回收，預熱回收效率大大提高。

(2)采用溫差發(fā)電帶動水泵，并使水系統進行有效循環(huán)，較之以前依靠重力循環(huán)的熱回收裝置，加快了換熱效率，使能源利用更高效，更能滿足現代人快節(jié)奏的生活要求。

(3)本裝置只需在原有燃氣灶設備基礎上投入500元左右的資金，便可回收燃氣灶40%的余熱，成本低廉，收益豐厚，十分適宜普及到大眾家庭。

本裝置充分利用燃氣灶的余熱進行預加熱水從而節(jié)約了能源，同時可以改善廚房內部的空氣環(huán)境，具有廣闊的應用前景。