燃气灶节能防风装置说明书.doc

“华中数控杯” 2008
湖北省高校大学生机械创新设计大赛暨第三届
全国大学生机械创新设计大赛湖北分区预赛

燃气灶节能防风装置
设计说明书

参 赛 者：王丰、王同望、李志鹏、胡雪 、卢进军
指导教师：张元好、缪勇

湖北汽车工业学院
二0 0八年五月

目录

1.目录………………………………………………………………………………2
2.作品内容简介……………………………………………………………………3
3. 研制背景及意义 ………………………………………………………………3
4. 设计方案 ………………………………………………………………………4
5. 理论设计计算 …………………………………………………………………5
6. 工作原理及性能分析 …………………………………………………………7
7. 创新点及应用 …………………………………………………………………8
8. 推广应用价值 …………………………………………………………………9
9. 参考文献 ………………………………………………………………………10

燃气灶节能防风装置设计说明书
设计者：王丰，王同望，李志鹏，胡雪，卢进军。
指导教师：张元好，缪勇
（湖北汽车工业学院材料工程系，十堰442001）

作品内容简介

通过实验我们设计了一套用于家用燃气灶的节能防风装置。该装置是在一圆形座圈内侧固定安装若干螺旋形肋片，从而使火焰绕着锅底呈螺旋形上升，这样就增加了火焰与锅底的接触时间，提高了热量的利用率。同时肋片也增大了传热面积，增加了热量的吸收。此外圆形座圈阻碍了热量和空气的对流，减少了热量的损失，从而达到节能效果。
该作品运用了材料学和传热学方面的知识，同时也结合我院金工实习科目中的相关知识制作而成。
联系人：王丰、联系电话：[phone]、EMAIL：wf-qcxy@

1 研制背景及意义
众所周知，目前天然气和煤气资源作为一种无污染的能源，一直是我国现有家庭厨房做饭用热的首选资源，但当前燃气资源一度紧缺，其价格也一直飚升不下，而由于设计的缺陷，通过调查和实验分析发现：现有家用煤气灶燃气的利用率仅为60%—70%，其余热量都散失到周围空气中。做个很简单的实验：把手放在锅边缘处，能明显感受到很热，这就是下部燃气热量散失到空气中的一部分热量。
作为家庭的一员，为了减少家庭的开支，同时也为了缓解目前能源紧缺的危机，为此我们通过实验设计了一套用于家用燃气灶的新型节能防风装置。
2 设计方案
2.1螺旋肋片
普通的中餐炒菜灶受热分布如图所示，其中有一部分热量来不及被锅体吸收而散失到空气中（图中箭头表示热空气流向），造成了很大的浪费。据有关统计大约有30%左右的由此散失。
为了解决这一问题，我们设计了这样一个装置（如图所示），在一圆形座圈内侧固定安装若干螺旋肋片，这样就增加了火焰与锅底的接触时间，提高了热量的利用率。同时肋片也增大了传热面积，增加了热量的吸收。

此外圆形座圈阻碍了热量和空气的对流，使原来散失到空气中的热量经座圈辐射后都作用在了锅底，这样就减少了热量的损失，从而达到节能效果。
另外座圈可以防止外界风力对燃烧火焰的影响，使火焰完全作用在锅底，从而达到防风的效果。
2.2螺旋导槽
为了使热量更充分的吸收和适应不同的锅形，我们设计了另外一套方案：用一铝制薄板弯成一螺旋导槽（如图），这样就把燃烧的热量完全包裹在导槽内，从而使热量全部作用在锅底，使热量更充分的吸收。另外在螺旋导槽下方拉一根电炉丝，可以根据不同的锅形自由伸缩，从而能适应不同的锅形。

3 理论设计计算
普通炒菜锅的受热过程可类似于平板受热，可视为一维稳态传热过程中的热量传递，（温度分布如右图所示）忽略热辐射换热，则
燃气火焰一侧对流换热热阻

炒菜锅锅体的导热热阻

锅内侧对流换热热阻

上面传热过程中传递的热量为：

增加螺旋装置的工作过程类似于肋片导热过程，（如下图所示）

导热微分方程式：，
边界条件：，
引入过余温度，表征肋片导热性能、换热性能及几何结构之间的相对关系。
最终数学模型为：，
２结论
⑴ 温度分布：，
肋端：
⑵热流量：
其中：

二、肋片效率
1、肋片效率定义
肋片效率定义为，肋片的实际散热量与其整个肋片都处于肋基温度下的最大可能的散热量之比，记为：

理论上肋片效率大约在=1.31-1.56之间。
2、实际计算：
设一口径为30cm的炒菜锅，为计算方便取其为一半球面。
已知周围环境温度（燃气有效温度）为860℃，锅内水的温度由20℃上升至100℃，燃气对叶片总换热系数h＝390W/(m2·℃)，螺旋结构的横截面可视为一矩形，高度h=40mm，宽度为3mm，其材料与锅体均为铝，导热系数λ＝22W/(m·℃)
上述公式计算，加上螺旋装置后热量吸收量与增加比为：η=19.1%
因此，理论上加了螺旋装置后可节约燃气将近五分之一
3、实验验证
实验条件：室内、相同燃气流量加热550ml水。
经过大量实验，现选取两组数据对比如下：

内容
初始温度（℃）
最终温度（℃）
加热到最终温度所需时间
节能（%）
普通炉灶
26
100
3’21’’6

螺旋肋片
26
100
2’58’’5
11.44%
螺旋导槽
26
100
2’31’’7
24.88%

经过实验分析比较得：螺旋导槽的节能放风效果要比螺旋肋片好，为此我们选择的最终方案为螺旋导槽。
4 工作原理及性能分析
工作时，将螺旋结构放在燃气灶上，调整水平，然后将锅放于其上。火焰就绕着锅底呈螺旋形上升，这样就增加了火焰与锅底的接触时间，提高了热量的利用率。同时螺旋导槽可以适应不同的锅形，并且可以使热量更充分的吸收。
完成制作后，作品实物外形照片见图。
/

图 燃气灶节能防风装置
5 创新点及应用
1) 螺旋导槽使火焰绕着锅底呈螺旋形上升，增加了火焰与锅底的接触时间，提高了热量的利用率。
2) 肋片增大了传热面积，增加了热量的吸收。
3) 座圈阻碍了热量和空气的对流，减少了热量的损失。
4) 座圈可以防止外界风力对燃烧火焰的影响，使火焰完全作用在锅底，从而达到防风的效果。
5) 适应性强，可以与不同曲率的锅匹配。
6) 通过简单的螺旋装置可以节能20%左右。
6 推广应用价值
该节能装置结构简单合理，制造成本低，使用性强，具有很好的节能防风效果，因此具有极大的推广使用价值。

参考文献

[1] 杨世铭，陶文铨．传热学，北京：高等教育出版社1999
[2] 郝健明主编.机械工程材料.西安：西北工业大学出版社，2003
[3] .卢玉明主编.机械设计基础.北京：高等教育出版社，1960

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