同济大学机械工程学院 张蕊 冯良 邱菊 谭建新

上海梅帝燃气设备技术有限公司 傅征红

0 前言

燃气蒸箱是指以燃气为能源加热的饱和蒸汽蒸制食品的器具，它一般由两部分组成，下部是一个蒸汽发生器，上部是一个密闭的箱体。蒸汽发生器以燃气加热容器中的水，产生蒸汽进入上部的密闭箱体，蒸汽释放出凝结潜热，凝结水通过管路回收；箱体中食品通过蒸汽热量被加热，并可以保温。

蒸箱虽然有蒸汽发生器，但它不同于蒸汽锅炉。蒸箱是在常压下工作的，操作简单，因而操作者无需经过专门培训。它不需要水处理装置，结构简单，价格、运行费用都比蒸汽锅炉便宜。蒸箱热效率高，适用范围广，适用于各类食堂及饭店用作蒸饭、蒸馒头、蒸糕、蒸鱼肉类食品，是一种常用的炊事工具。

传统的蒸箱大多采用大气式燃烧器，存在有如下缺点：功率小，启动速度慢且蒸出的食物质量较差；人工点火成功率低，操作劳动强度大，且冷态时容易脱火；没有熄火保护装置，安全性能差；排放的污染物量高，气味难闻，危害健康；由于点火不方便，往往使用间隙不关闭燃气，造成能源的不必要浪费。

本文对传统燃气蒸箱进行节能和制度化改造，基本思路是不改变原燃气蒸箱的结构，通过改造其燃烧系统，力求在满足排放和效率要求的前提下，提高其功率和自动化程度，方便在用蒸箱的节能改造的实施。

1 燃气蒸箱改造方案的制订

1.1 燃烧方式的选择

图1是蒸箱下部蒸汽发生部分的示意图。从示意图中可以看出，该蒸箱下部的换热行程有限(受热面虽大，但是高度有限)，因此单纯靠提高功率，其传热效率必然会下降。在选择改造方案中的燃烧器形式时，考虑到若继续采用引射式部分预混燃烧方式，加大功率后，炉膛背压会上升，这时燃烧器引射空气的能力将会降低，同时也不易在排烟道上装排烟风机；而一般的鼓风式燃烧器，火力集中，也不适宜配合原蒸箱下面的结构。通过比较，认为鼓风式燃气红外加热是一种较理想的加热替代方案，除了红外辐射面加热分散、均匀、适合蒸箱的底部结构外，额外的辐射传热有助于提高传热效率。

图1 蒸箱加热部分示意

常用的燃气红外燃烧器的辐射载体有多孔陶瓷板和金属纤维等形式。由于红外应用时，多孔陶瓷板的功率一般只能达到150 kW/m2，无法满足蒸箱的功率需求，而金属纤维可以最高达500 kW/m2，所以本次改造使用金属纤维辐射燃烧器。

燃气红外辐射器的工作原理是预混气体的表面燃烧。即预先混合均匀的燃气空气混合物流向燃烧器头部，在透气性均匀的金属纤维织物表面层进行燃烧。这时金属纤维被加热至白炽状态，一部分热量以辐射方式释放，其余部分热量由高温烟气形式带走，与被加热物体以对流方式换热。由于金属纤维的受热降低了燃烧温度，因此大大抑制了NOx的生成。而预混又有合理充足的空气供给，可以保证CO的排放量也较低。

1.2 燃烧器的设计

金属纤维燃烧器的负荷调节范围大，在红外燃烧模式下，可实现75～500 kW/m2稳定工作。基于燃烧和效率等方面的考虑，再结合蒸箱底部加热部分的尺寸，取38 kW作为燃烧器热负荷的设计值(这时的设计功率值约为400 kW/m2)，具体的燃烧器设计及尺寸如图3所示。燃烧器尺寸为500×270×50，其中辐射面面积为440×210，进气管尺寸为DN40。

图2 金属纤维燃烧器示意

1.3 燃烧系统的设计

传统的红外燃烧器一般采用文丘里管引射器产生燃烧所需的燃气空气混合气，但由于燃气额定使用压力的限制，一般红外燃烧器的功率较小，无法满足较大功率燃烧器对助燃空气量的需求。因此，本系统采用鼓风机提供燃烧所需的空气量。

燃烧系统图见图 3。系统除红外燃烧器外，有鼓风机、燃气电磁阀、混合器、高压点火针和离子火焰探测针等设备。系统采用上海梅帝燃气设备技术有限公司设计生产的 DFC燃烧控制器，该控制器除了具有完整的燃烧安全控制功能外，还能灵活设置前吹扫、安全点火以及后吹扫等时间的长短，并可以连接操作面板。其中操作面板上的启动开关串接动作温度为120 ℃的温度开关，实现蒸箱的过热保护功能。

图3 燃烧系统示意

2 性能测试及比较

实验根据上海市燃气行业《商用燃气厨房设备的能效等级标准》的要求进行，分别对蒸箱采用原大气式燃烧器和改造后的红外燃烧器进行了性能对比测试。测试系统如图4所示。

图4 蒸箱热效率测试装置

蒸箱左方是燃气流量表，右方是带有电子秤显示的直接补水装置，其中盛水容器容积约20 L。测试用气为上海管道天然气。

热效率测试时待蒸箱产生蒸汽后，先稳定运行10 min左右，保证蒸汽产生稳定、各部件处于热平衡状态，且电子秤的读数呈均匀下降，然后对盛水容器补水到约90%的水量，再稳定5 min后，用秒表对燃气流量消耗和水量消耗同步计时，并记录燃气流量表V1和电子称G1初读数，运行10 min后记录燃气表V2和电子秤G2终读数。

燃气蒸箱主要性能测试结果见表1。

表1 燃气蒸箱性能测试结果对比

上表中启动时间是指蒸箱从冷水加热至出蒸汽的时间。热效率按下式计算：

式中：G1—电子秤初读数，kg；

G2—电子秤终读数，kg；

t—补水容器中冷水的温度，℃；

2.68 —101.325 kPa、100℃时饱和水蒸汽焓，MJ/kg；

V1—燃气表初读数，m3；

V2—燃气表终读数，m3；

Q—燃气低热值，MJ/m3。

值得指出的是，尽管数据反映改造前后热效率提高幅度不大，但这是基于热负荷大幅提高的前提下获得的。

根据上海市《商用燃气厨房设备的能效等级标准》中针对燃气蒸箱评判等效值(如表2)，改造后燃气蒸箱环保和能效等级达到最高III级的要求。

表2 蒸箱的环保和能效等级

燃气蒸箱改造后，除了获得环保和能效的收益外，新系统由于具有自动点火、熄火保护装置，提高了使用性和安全性；使用中不再有刺鼻的气味；节约了蒸饭时间，且蒸饭的质量、口感有明显改善，这在上海宝山巴士停车场食堂和浦东航头镇政府机关食堂的应用中获得了认可。

3 结论

传统蒸箱采用全自动金属纤维红外燃烧器后，能在提高热负荷和保证热效率的前提下，改善蒸箱的使用性和安全性，并大幅减少污染物的排放。

本文介绍的方案由于没有改变传统蒸箱的结构，可以方便蒸箱生产厂家延续原生产工艺和制作方法，也为社会上在用燃气蒸箱的节能改造提供了一种具有可操作性的方法。