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| 北方高效预制组装架空炕灶的研究 | |||||
作者：郭继业 文章来源：本站原创 点击数： 更新时间：2005-3-29  |
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炕灶是我国北方农村家庭居室中的主要设施，具有取暖及供人们休息活动等多种功能。按其搭砌方式主要可分为两大类，一种是传统的落地式炕灶，另一种是高效预制组装架空炕灶。 落地式炕灶虽然经过多年实践，创造了一些良好的结构和搭砌经验，但仍存在着“结构不甚合理，性能没有充分发挥”等缺欠。主要表现为烟囱的抽力与烟气流动阻力之间，烟气放热与炕体吸热之间，灶膛燃料耗量（供热量）和炕体受热部分容量之间的不匹配，造成热效率低，炕面温度不均，凉的快，不好烧（倒烟、燎烟、压烟）等问题。从落地式火炕的结构看，尚有维护不便，不便清除炕洞中的积灰，年年扒砌费工耗柴等。随着农民居室条件的改善，炕的美化也将会逐步提到日程上来。 据我们调查和测试，北方寒冷地区生活能耗绝大部分在炊事和采暖上，而采暖能耗又占生活能耗的大部分。落地式炕灶综合热效率不足45%。农民冬季生活在日均不到5℃的环境中，居住环境的热舒适性很差。随着农村经济条件的改善，农民对原落地式炕灶急待要求加以改进，一方面要求提高其热性能，另一方面要求炕的外型美化。高效预制组装架空炕灶的出现，正是顺应了形势的需要，它不仅以施工技术简单，搭砌容易和美观耐用的特点受到了农民的普遍欢迎，更主要的是较好地解决了落地式火炕存在的种种弊端，提高了炕灶的综合热效率，降低了农村生活能耗，节约了能源。 1．高效预制组装架空炕灶的结构及性能 1.1炕、灶的结构 高效预制组装架空炕灶砌筑结构平面图如图1所示，其架空炕由炕底板支柱、底板、面板支柱、面板、后阻烟墙、烟插板及灶由添柴（煤）口、铁灶门、炉篦、拦火墙等组成。图2为高效预制组装架空炕灶的剖面图。其炕灶的各部分结构如下（单位为mm）。 图1 高效预制组装架空炕灶砌筑平面图 图2 高效预制组装架空炕灶剖面图 ①灶：根据锅的大小确定、锅台平面不得高于炕面底面。②进烟口：高80—100，宽180—200，要求里口大，呈喇叭形。添柴（煤）口：高130—150，宽160—200，要求增设铁灶门控制。③架空炕：底板支柱，120×120×炕梢370，炕头350。④炕面板支柱：120×120×炕梢160，炕头180。⑤炕底板尺寸：炕长减去50的1/3×600×50=9块。⑥炕面板尺寸：炕长减去50的1/3×600×50=6块，炕长减去50的1/3×500×50=3块。⑦炕面抹面泥厚度：炕头60，炕梢40，平均50。⑧烟囱插板：大于火炕排烟口。⑨火炕排烟口200×160。⑩烟囱：内径240×120，180×180，直径160。○保温墙：立砖砌筑保温层缝隙40—50，缝隙添入珍珠岩或干细炉渣。〇炕梢阻烟墙：预制件或用红砖砌筑，尺寸为420×160×50。○前炕墙：立砖砌筑，正面镶瓷砖。 1.2架空炕的主要热性能 按国家“GB7651-87民用炕连灶性能测试方法”，对运行半年至一年的高效预制组装架空炕进行测试，以落地式火炕为对照，其结果见表1。从表中看出，高效预制组装架空炕各项热性能指标及综合热效率都优于落地式火炕。 2．高效预制组装架空炕热性能分析 2.1提高炕体热能利用率的技术措施 火炕是人类祖先的一大重要发明，经过长期的经验积累，使火炕成为北方农村家庭必备的主要措施。可是落地式火炕由于受搭砌材料的限制和搭砌方式上的落后，仍存在很多不足之处，较厚的炕内垫土吸热并导入地下而不能利用，使热量损失6—8%。反之，砌炕体时，试图延长烟气流程而设置的炕头分烟、落灰膛、闷灶等，形成涡流造成烟气流动阻力增加，使炕面局部出现过热、过凉的现象，造成炕面温度不均或倒烟、燎烟。由于过多摆放炕洞支柱墙，占据流道空间，减少了烟气和炕面的接触面积，影响了换热，造成排烟温度高，热量损失大，浪费能源。 高效预制组装架空炕针对落地式火炕存在的问题，从理论上进行了探讨，在实践上从提高综合热效率出发，兼顾火炕的各种热性能，从选材到结构进行了改革。 火炕是利用灶内烟气所携带的热量传递给炕体的，因此炕体材料、炕内结构直接影响到传热效果。火炕作为人们休息和采暖的主要设施，要求炕体必须获得并积蓄足够的热量，供停火后利用。为此提高架空炕热能利用率的主要措施是： 2.1.1炕体材料的选择 作为架空炕的炕体材料，应具备如下性能：（1）有一定的机械强度、寿命长、坚固耐用；（2）具有一定的蓄热性能和传热性能；（3）取材容易，价格便宜。 落地式火炕使用的材料是砖和土坯，虽然热性能较好，但由于每块面积较小，土坯强度低、寿命短，使炕内设计不能尽如人意，同时也很难实现规格化、定型化。而架空炕的炕体材料则依据取材容易和材料的热性能指标来选取。 根据多年实践经验看，架空炕炕体材料使用定型石板最为理想，其次是水泥混凝土板，无论蓄热和导温等热性能以及机械强度都优于砖和土坯。定型石板虽好，但受材料来源限制，不易大面积推广，因此高效预制组装架空火炕除在有石板资源地区采用定型石板外，可多采用水泥混凝土板。有的采用红砖粘大块板做炕板效果也较好。 2.1.2底部架空 底部架空，取消底部垫土，增加散热面积。落地式火炕只有炕面散热，室温的提高除了依靠炕面有限面积散热外，为了维持室温，还要在室内增加土暖气或采暖炉。而架空炕底部架空，使炕体由原来的一面散热改为上、下两面散热，把原来落地式火炕由底部垫土导热损失的热量散入室内，提高了室温和火炕的热效率。据实测，在不增加辅助采暖设施，不增加燃料消耗量的情况下，比落地式火炕可提高室温4—5℃。 2.1.3增加炕体获得热量 炕体获得热量的多少，标志着炕体利用热能程度，它是由烟气与炕体的换热时间长短和换热面积大小决定的。换热时间的长短与烟气在炕体内滞留的时间长短有关。炕内烟气流速越快，停留时间就越短。落地式火炕由于炕体材料的限制，不得不过多摆放支撑点，不适当增加阻挡，加之搭砌粗糙，多采用直洞式炕洞，使烟气流通的横截面积减小，造成流径短，不易扩散，致使烟气流速加快，缩短了烟气滞留时间。同时烟气与炕面接触面积大为减少，一般减少30%—50%，极大影响了烟气与炕面换热。 高效预制组装架空炕由于采用较大面积炕板，炕内只有几个支撑点，取消了前分烟和落灰膛，使烟气流道截面积增加30%以上，有效地降低了烟气流速。实测表明，灶内烟气，由于无阻挡的突然进入一个大空间，急速扩散，烟气流速急剧下降，当烟气进入炕体距进烟口1—1.5m处，流速可降至0.1m/s。由于烟气在无阻挡和无炕洞、无分烟阻隔的情况下，迅速扩散到整个炕体内部并与炕体进行热交换，保证了足够的换热时间，也使炕体受热均匀。 架空炕由于取消了前分烟、小炕洞，减少了支撑点，增大了烟气与炕体面板的接触面积，增加了烟气与炕体的换热。架空火炕实质为一间壁式换热器，其换热量遵从下式： Q=K • F• △t • T 式中：Q—换热量，K—传热系数，△t—换热温差，T—换热时间 换热面积增加，使换热量增加，从而提高了架空炕的热利用率。
2.1.4合理调节进、排烟温度 进炕烟温的高低，直接影响到炕体温度。而排烟温度的高低，直接影响到炕灶综合热效率。实测表明，排烟温度每增加10℃，大约可降低炕灶综合热效率1%。以往改炕改灶由于单纯追求灶热效率，认为灶内拦火强度越大越好，这样虽然灶的热效率上去了，但由于灶拦截热量过多，不仅灶不好烧，同时使炕内不能获得足够热量，炕不热群众不欢迎，出现改过来又改回去的现象。架空火炕要求炕灶合理匹配，适当减小灶的拦火强度以保证进炕烟温在400—500℃。而控制排烟温度在50—80℃，以使炕体获得足够热量。 2.2提高炕面均温性能的技术措施 炕面温度均匀与否，也是衡量火炕性能的主要指标之一。落地式火炕由于炕洞、堵截等限制，易形成炕头热、炕梢凉，中间热、上下凉或一条热、一条凉等弊病，预制组装架空炕较好地解决了这一问题。 2.2.1增大烟气换热面积，取消小炕洞 架空炕取消了炕体人为设置的炕洞阻隔，使换热过程在整个炕体内而不是在每个炕洞内进行，消除了炕洞之间温度的不均匀性。 2.2.2合理布局，取消炕内不合理设施 架空炕由于取消了前分烟及各种阻挡形成的烟气涡流，仅在炕梢排烟口处设置后阻烟墙，保证了烟气充满整个炕体，使得炕面温度更趋均匀。 2.2.3炕面抹面材料厚度调节炕面温度 架空炕炕头部位首先接触高温烟气炕面温度高于其他部位。为改善这一状况，采取两项措施，一是在搭砌底板时，使炕梢略高于炕头20—30mm，使整个炕的纵断面形成楔形，由于烟气体积随温度降低而缩小，不仅使炕面区域均匀，同时也不会出现不好烧现象。二是在抹炕面泥时炕头抹面厚60mm，炕梢抹面厚40mm，平均50mm,通过抹面厚度调节炕面温度。 2.3提高炕体保温的技术措施 2.3.1增设烟气保温插板 火炕不但要有一定的升温性能和均温性能，更要有一定的保温性能，以使炕体降温慢，热的时间长。架空炕由于炕体内部为一空腔，由灶门、喉眼、排烟口和烟囱形成一个没有阻挡的通畅通道，如不采取技术措施，停火后炕体所获得的热量就会以对流换热形式由该通道排出。为此，架空火炕排烟口处设置了烟插板，在灶门处安装了铁灶门。停火后关闭烟插板和铁灶门，使整个炕体形成了一个封闭的热力系统。停火后系统的内能（热量）只能通过炕体上下面板及炕前墙向室内散发以提高室温。由于炕面覆盖物体，故炕面散热较慢，使炕面凉的较慢。炕内的冷墙部位在搭砌时增设了50mm的保温墙，减少了向墙外的散热损失。 2.3.2设计合理的炕面抹面厚度 炕体的保温蓄热性能通过抹面材料来调节热容量的大小。炕体主体材料为混凝土或石板，其热容量是固定的。如以砂泥为抹面材料，根据理论计算和实践验证，其抹面厚度平均应为50mm，太薄则会出现热的快，凉的也快的现象。 2.3.3节能分析 通过实测，架空炕连灶综合热效率平均为75%，而落地式火炕平均为45%，综合热效率提高了30个百分点，相当于在不增加能耗的情况下，有效能获得量增加了67%。 3结论 我国北方寒冷地区广大农村目前主要以灶炊事，靠炕采暖，且直接燃烧燃料。由于落地式炕灶综合热效率较低，农村形成了一方面能源短缺，另一方面能源有效利用率低，浪费严重的局面。随着农村人口的增加，商品经济的发展，能源短缺局面将日趋严重。扭转这一局面，提高农民有效能获得量的有效途径之一是提高炕灶综合热效率。高效预制组装架空炕灶使综合热效率提高到75%以上，较大幅度提高了农民有效能获得量，改善了农民居住条件，美化了居室，提高了热舒适性。 架空炕灶还有很多方面工作需要改进和加强研究，架空炕与定型灶的合理匹配，工厂化生产、商品化经营、社会化服务等一系列问题有待于在推广实践中不断完善和提高。 |
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