专利名称：集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种燃气灶具，尤其涉及一种高效燃气灶具。
背景技术：
随着化石燃料的日益紧缺，节能减排的观点已深入人心，提高能源利用率、开发新能源已成为人们共识。燃气灶具依然是绝大多数餐饮业以及老百姓家中普遍热源，经调查普通家用燃气灶具的效率大约在50%左右。普通燃气灶具的主要问题是火焰对流传热速度慢，由于烟气停留时间短又带走了一大部分热量，因此热效率很低。目前我国炉灶具制造厂普遍重视高效燃烧技术的研究开发，对高效传热技术的研究却很少。因此，尽管生产的燃气炉灶的燃烧效率已经提高到很高的水平，但灶具——炊具间的热效率仍然很低。以至于燃 气灶具的效率始终在50%左右，远低于70%的国际水平，能量利用率仍有很大提升空间。现在虽然已经有人在灶具上使用衬套，但仅仅是加热水，而且缺乏安全性，而且需要独立的泵来驱动水流动，并未节约多少能源，所以目前还不具备推广的可能。加之近年来我国西气东输工程逐步扩大，未来相当长一段时间内，家用灶具都将使用天然气作为能源。虽然现在出现了相当多的电加热设备，但是使用电加热设备是一种严重的高品质能量降级使用，虽然燃气热能也是高品质能量，但相比之下省却了中间发电、输电环节的能量损失，因此提高现有的燃气灶具效率，是社会的迫切需要。
发明内容
针对上述现有技术，本发明提供一种集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，其设计思路是将火焰的燃烧方式由外燃式改为内燃式，减少了火焰与室内空气的直接热交换；另外通过增加烟气的停留时间，并在高温且不能被炊具吸收处布上热管，将这部分不能被利用的余热导出，从而形成独立热源；本发明灶具实行智能断火控制，一方面用户可自行设置关气时间，另一方面当用户使用完后，该系统可做到“锅离气断”，即当压力装置上无作用力时，则自行关闭供气管道上的电磁阀；还有，在衬套的合适位置上布置多个温差发电片，将产生的电能收集在蓄电池里，除了供给自身控制装置的用电，还可以将多余的电能供室内照明等；在衬套上设有出风口，形成风幕墙，既减轻了吸油烟机的压力，也改善了厨房内部的环境，一举两得。为了解决上述技术问题，本发明集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具予以实现的技术方案是包括分火器和面板，在面板的底部且位于分火器上方处设有一衬套，所述衬套由具有环空的环形套体构成，衬套的内壁为倒圆锥的漏斗形，所述衬套的顶部设有一环形的开口 ；所述内壁的下部在周向上均布有多个通孔；衬套内的环空中及衬套内壁下部的内侧处均分别设有热管，所述热管包括蒸发段和冷凝段，所述蒸发段位于衬套内，所述冷凝段位于衬套外部；面板的一部分覆盖住衬套，面板的另一部分覆盖住热管的冷 凝段；所述衬套的外壁(上嵌有多个温差发电片，所述温差发电片通过一充电电路连接至一蓄电池；还包括智能控制装置，所述智能控制装置包括一单片机和一压力传感器及均与所述单片机连接的A/D转换器、存储器、按键控制和显示面板和电磁阀，所述压力传感器设置在所述内壁的上沿处，所述压力传感器通过所述A/D转换器将信号传递给所述单片机，所述按键控制和显示面板设置在衬套上方的面板上，所述电磁阀设置在气源管道上。进一步讲，本发明新型高效燃气灶具，其中所述衬套采用隔热材料制作。所述衬套的表面喷涂有0. 3 0. 5mm厚度的太空绝热瓷层。所述衬套的外壁为圆柱面，衬套的径向断面的轮廓为一具有上开口的直角梯形。所述衬套的外侧设有一风机，所述外壁上设有连通衬套的环空与风机排风口的送风孔。所述热管的蒸发段为螺旋线型盘管，所述热管的冷凝段为蛇形盘管；所述热管的 工质选择烃油、硅油和水中的一种。与现有技术相比，本发明的有益效果是本发明针对目前家中普遍使用的燃气灶具，本着提高燃料利用率的原则，提出一种新型衬套(区别于原有的单纯加热水的衬套技术)，衬套的本身由绝热材料构成，集成了热管、风幕墙和温差发电技术，同时实现了对灶具的智能控制。
图I是本发明新型高效燃气灶具的主视图；图2是图I所示燃气灶具的俯视图；图3是图I中左部分的局部放大图；图4是本发明中智能控制装置的构成方框图；图5是本发明中智能控制装置的控制流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明作进一步详细地描述。本发明针对目前家中普遍使用的燃气灶具，本着提高燃料利用率的原则，对传统的灶台结构进行改造。提出一种新型衬套(区别于原有的单纯加热水的衬套技术)，衬套的本身由绝热材料构成，集成了热管、风幕墙和温差发电技术，同时实现了对灶具的智能控制。如图I、图2和图3所示，本发明一种集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，包括分火器和面板8，在面板8的底部且位于分火器上方处设有一衬套9，所述衬套9由具有环空的环形套体构成,衬套9的内壁3为倒圆锥的漏斗形,所述衬套9的外壁10的形状不受限制，但优选为圆柱面，因此，衬套9的径向断面的轮廓为一具有上开口的直角梯形。在所述衬套9的外侧还可以设有一风机7，所述外壁10上设有连通衬套9的环空与风机排风口的送风孔6，为了送入环空中的风量可以均布，在环空中与送风孔6连通的设计一环形送风管，再在管上设有多个排风孔12，如图3所示。所述衬套9的顶部设有一环形的开口 1，如图2和图3所示；所述内壁3的下部在周向上均布有多个通孔4作为通风口 ；衬套9内的环空中及衬套内壁下部的内侧处均分别设有热管5，所述热管5包括蒸发段51和冷凝段52，所述蒸发段51位于衬套内，所述冷凝段52位于衬套外部，所述热管的蒸发段51为螺旋线型盘管，所述热管的冷凝段52为蛇形盘管，所述热管5的工质选择烃油、硅油和水中的一种。面板8的一部分覆盖住衬套8，面板的另一部分覆盖住热管的冷凝段52;所述衬套的外壁10上嵌有多个温差发电片11，所述温差发电片11通过一充电电路连接至一蓄电池。本发明中还包括一智能控制装置，用来控制灶具的开关，如图4所示，所述智能控制装置包括一单片机20和一压力传感器21及均与所述单片机20连接的A/D转换器22、存储器23、按键控制和显示面板24和电磁阀25，所述压力传感器21设置在所述内壁3的上沿处，所述压力传感器通过所述A/D转换器22将信号传递给所述单片机20，所述按键控制和显示面板24设置在衬套上方的面板8上，所述电磁阀25设置在气源管道上。为了便于理解本发明的各种功能，下面针对各功能部分详细说明。一、衬套部分
现有普通燃气灶具都是开放式燃烧，这样的结构会导致燃烧之后的烟气停留时间不长，大部分热量随之散失。本发明以新型衬套取代原有支架，将燃烧改为内燃式，延长烟气停留时间，同时，所述衬套整体使用隔热材料制作，以减少烟气与外界的热交换，将更多的热量收集利用起来。或者在所述衬套的表面喷涂有0. 3 0. 5mm厚度的太空绝热瓷层，以此达到良好的隔热效果，这种绝热瓷层能有效抑制太阳和红外辐射热，隔热抑制效率可达90%左右。采用衬套取代现有技术中的支架，衬套下方与分火器之间留有Icm的距离，以供燃烧所需空气进入。另外，在衬套内部适当位置开出气口，衬套的外壁起着外部围护的作用，衬套的内壁起着支撑炊具的作用，内外壁之间为一环空，在衬套上部留有环形出气口，以供废气排出。二、独立热源部分本发明中的热管可以形成一独立的热源，即当使用燃气灶具时，热管5的蒸发段51在衬套9内受热，热管5内部充满吸液芯间隙中的工质蒸发，蒸气高速通过蒸气空间后至冷凝段冷凝成液体，其中，工质蒸发时吸收的蒸发潜热以等温形式(整个表面均温)传给面板上方待加热的的食物(或其他需要加热的物体)，冷凝后的工质利用吸液芯的毛细力回流到受热部分，至此完成传热和传质的一个循环。在上述余热的利用构成中是以表面接触的形式给食物加热，没有直接火焰，不会烧焦食物，同时可得到等温烹调面。若用户暂无待加热的食物，则可用此热源加热水。热管5的布置(如图I和图2所示)是通过fluent软件(用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动的软件)对热流量进行模拟以后，选取的热流密度较大，且热量不易被面板吸收到的位置，在接近衬套上的一圈通风口处且布置在衬套内壁3的内外两侧增加了与烟气的热交换，另外，将热管的冷凝段布置成蛇形流道状，也。本发明中位于衬套顶面上的环形开口 1，衬套内壁3上设有可以贯通衬套环空用以向环空内排放废气的通风孔，衬套9的外壁10上设有向衬套环空中送风的送风口 6，理论上若风速能达到0. 5m/s以上即可自环形开口 I向上且在炊具四周形成一环形的风幕墙，从而将烹饪过程中产生的油烟直接吹向炊具正上方的油烟机，避免人们接触油烟，改善厨房环境，同时也减轻了吸油烟机的负担。另外，在衬套的外部可以设有一与送风口6连通的风机7，利用该风机7向衬套9的环空内吹入新鲜空气，以提高废气的速度。三、温差发电部分利用本发明中的温差发电片21将产生的电能储存在蓄电池中，即，在衬套9的外壁上镶嵌有多个温差发电片21，因为，在使用燃气灶具时，其衬套9环空中的温度大致在14(T200°C范围，在外壁上开若干个长方形口，嵌入若干(与开口数相同)个半导体温差发电片，在温差发电片21的两面(冷热面)之间可形成120°C以上的温差，由此，每片温差发电片21可产生负载电压为3. 5V 1 2V，负载电流为0. 6安培的电能，温差发电片21通过一充电电路将产生的电能存储在蓄电池中，为小型用电设施供电，如，吸油烟机的照明灯具、充电器
坐寸o本发明中温差发电的原理是采用半导体热发电片(又称半导体致冷片或帕尔贴片)，它由许多N型和P型半导体颗粒互相排列而成，NP之间用导体连接成完整线路，最后由两片陶瓷片像夹心饼干一样夹起来，陶瓷片绝缘且导热良好，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量；反之，当稳吃发电片的一端处于高温状态另一端置于低温状态，就会在回路中形成电动势，即产生温差发电。本发明中的温差发电片的型号为TEPl - 12656 - 0.8，其外形尺寸为56mmX56mm，厚度为4mm。由温差发电片输出的电压经充电电路将电能储存在蓄电池中。本发明中温差发电发电量的实验例负载电压12V，负载电流600MA，温差120°C，尺寸62 X 62 X 3. 8mm;所以单片的发电功率为7. 2w。预计在衬套上布置8 —10片，则功率为57. 6—72w0足以驱动自身控制系统工作和节能灯照明。四、智能控制装置本发明本着节能减排的设计目标，利用智能控制装置可以在炊具离开灶具一段时间内(10至20秒)自动控制开关，从而达到节约能源、减少排放的目的；采用单片机20根据压力传感器的受压时间来控制电磁阀的关闭，其结构简单，寿命长，而且可以更好的达到自动化，取得较好的控制效果；用户在设定一个时间后即可离开灶台，尤其是在配合高压锅使用时，不用时时关注时间，守在锅边，以方便用户。其中，单片机20选择8031芯片，存储器23选用2732 (4K)，另外，74LS373作为低8位地址锁存器。如图4所示，本发明中采用单片机20作为数字控制器的处理器，其中，由压力传感器21传送来的电流信号经过A/D转换器22转换后进入单片机20，经单片机计算处理，将输出的数字量进行D/A转换送给电动执行机构即电磁阀25。其控制过程是如图5所示，利用按键控制和显示面板24设定允许的离火时间，将设定值存入存储器23中，可以智能记录输入的时间限度，当炊具离开炉灶大于该设定的时间时，压力传感器21的信号流经单片机20，单片机20用于感受离火时间，从而控制电压信号经过转换和控制过程，关闭电磁阀25。本发明的实验例透过衬套散失的热量(未涉及被废气带走的热量)，将衬套等效为一 S =IOOmm的
空气热阻，导热系数为入=0.02w/(m.k);设衬套环空内与衬套外部周围的温度分别为
800°C和40°C ;环空的内壁表面与火焰接触的对流换热系数为30W/m2 ;环空的外壁表面对
流换热系数为6W/m2 ;则可得出散失的热流密度为f — tq = I %d,2 I 二K(tfl ~tfl) =146. 15ff/m2,
--j_ y ,--1--
j—I 為衬套的面积约为0. 25m2。综上，散失的热量约为36. 54W。本发明最大效率(理论上限)计算，卡诺定理告诉我们，在同样的两个温度不等的热源间工作的一切可逆热机具有相同的并且是最高的效率。(设其内外表面温度分别为800。。和 40 0C )11=1-1/^=72.7%故散失掉的余热最大利用率为50%*72. 7%=36. 3%。由于本发明在衬套内外布置有热管结构，可以形成一小型的独立热源；在衬套上设有排风的环形开口，形成风幕墙，可以改善室内环境，同时减轻吸油烟机的负担；设有温差发电结构，可以提供本发明中智能控制装置的用电及室内照明用电；采用单片机控制电磁阀的关闭，节约能源，方便安全。本发明的可行性及节能效益的初步分析 燃气灶具现在依然是老百姓家中的必备品之一，虽然现在生活水平得到了较大的提高，但是燃气灶具不会退出现阶段我国的历史舞台，只是人们希望它变的越来越环保，智能，高效，更加人性化。本品从人们的消费需要和节能减排的角度分析设计，而且现在燃气灶具的产量依然未减(以湖南省为例，2012年I 3月的燃气灶具产量为621049台)，因此存在广阔的市场空间，极具可行性。经过市场调研，假设一个家庭平均每月使用I瓶气(15公斤)，一年使用12瓶气，按现行市场价110元计，一年的液化气使用费为1320元，若能将效率提高25%左右，每年能省3瓶气(45公斤)，计330元。一台灶的使用寿命按八年计，八年共能节省330元/年X8年=2640元。从社会效益来看，假设全国有5000万户家庭使用该款燃气灶，每年每户省气45公斤，全国每年能省5000万户X45公斤/户=22. 5亿公斤。尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
权利要求
1.ー种集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，包括分火器和面板(8)，在面板(8)的底部且位于分火器上方处设有ー衬套(9),其特征在于， 所述衬套(9)由具有环空的环形套体构成,衬套(9)的内壁(3)为倒圆锥的漏斗形,所述衬套(9)的顶部设有ー环形的开ロ(I)； 所述内壁(3)的下部在周向上均布有多个通孔(4)； 衬套(9)内的环空中及衬套内壁下部的内侧处均分别设有热管(5)，所述热管(5)包括蒸发段(51)和冷凝段(52)，所述蒸发段(51)位于衬套内，所述冷凝段(52)位于衬套外部； 面板(8)的一部分覆盖住衬套(8)，面板的另一部分覆盖住热管的冷凝段(52)； 所述衬套的外壁(10 )上嵌有多个温差发电片(11)，所述温差发电片(11)通过一充电电路连接至一蓄电池； 还包括智能控制装置，所述智能控制装置包括一单片机(20)和ー压カ传感器(21)及均与所述单片机(20 )连接的A/D转换器(22 )、存储器(23 )、按键控制和显示面板(24 )和电磁阀(25)，所述压カ传感器(21)设置在所述内壁(3)的上沿处，所述压カ传感器通过所述A/D转换器(22 )将信号传递给所述单片机(20 )，所述按键控制和显示面板(24 )设置在衬套上方的面板(8)上，所述电磁阀(25)设置在气源管道上。
2.根据权利要求I所述集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，其特征在干，所述衬套(9)采用隔热材料制作。
3.根据权利要求I所述集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，其特征在于，所述衬套(9)的表面喷涂有O. 3 O. 5mm厚度的太空绝热瓷层。
4.根据权利要求I所述集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，其特征在于，所述衬套(9)的外壁(10)为圆柱面，衬套(9)的径向断面的轮廓为一具有上开ロ的直角梯形。
5.根据权利要求I所述集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，其特征在于，所述衬套(9)的外侧设有ー风机(7)，所述外壁(10)上设有连通衬套(9)的环空与风机排风ロ的送风孔(6)。
6.根据权利要求I所述集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，其特征在于，所述热管的蒸发段(51)为螺旋线型盘管，所述热管的冷凝段(52)为蛇形盘管。
7.根据权利要求I所述集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，其特征在于，所述热管(5)的エ质选择烃油、硅油和水中的ー种。
全文摘要
本发明公开了一种集成热管、绝热衬套和温差发电的新型高效燃气灶具，包括分火器和面板。衬套设在面板的底部、分火器上方，为中空的环形套体，内壁为漏斗形，顶部设有环形的开口，内壁的下部在周向上均布多个通孔。热管蒸发段位于衬套内的中空及衬套内壁下部，冷凝段伸至衬套外部，之间为绝热段。面板的一部分盖住衬套，另一部分盖住热管冷凝段。温差发电片布置在衬套外壁，通过充电电路连接至蓄电池。智能控制装置包括单片机和压力传感器及与单片机连接的A/D转换器、存储器、按键控制、显示面板及电磁阀。压力传感器设置在内壁的上沿，通过A/D转换器将信号传递给单片机，按键控制和显示面板设置在衬套上方的面板上，电磁阀设置在气源管道上。
文档编号F28D15/02GK102679410SQ20121017358
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月30日 优先权日2012年5月30日
发明者于智航, 刘一楠, 卢金画, 孙浩宇, 杨俊红, 谷成磊, 邓超哲 申请人:天津大学