一种商用燃气炉灶三位一体余热回收利用系统及方法与流程

本发明属于燃气炉灶余热回收，具体涉及一种商用燃气炉灶三位一体余热回收利用系统及方法。

背景技术：

1、中餐作为中华传统文化的重要组成部分，习惯于明火烹饪的生产方式，为人们提供可口的菜肴，薪火相传，世世代代哺育着中华民族。如今天然气(包括管道天然气、液化天然气、压缩天然气、石油液化气等气体燃料)燃料得到迅速普及使用，由于相对于电力价格更为经济，并且中式炊事习惯需要高温火力，而商用燃气炉灶具有火力猛、炊事快、烹饪品质好等特点，被广泛应用于各类学校、医院、政府机构、企事业单位的食堂，以及各类宾馆招待所酒店。各种商用燃气炉灶存量数量约1200-1500万头(眼)，年消耗各类燃气折合天然气约450亿立方米。

2、而目前在用商用燃气炉灶的总体热利用效率实际还不到50％，其中市场存量最多使用最广的炒灶平均热效率在30％以下、另一种被大量使用的大锅灶热效率也不到50％。未利用的能源主要以高温烟气方式散发到周围环境中，大锅灶排烟口温度高达550～600℃，炒灶排烟温度甚至达到800℃以上。

3、厨房在烹饪同时还需要大量热水，热水用于食品解冻、洗菜、清洗餐具、刷锅、冲洗地面油污等方面，厨房通常还配备热水制备如开水器、燃气锅炉设备提供上述需要。随着人们对集中厨房炊事质量、卫生的要求进一步提高，许多厨房要求炊事人员上下班淋浴更衣；为了改善清洗人员的工作条件特别是避免冬季冷水温度低造成手指冻伤龟裂情况，厨房清洗热水的需求越来越多。

4、中餐炊事典型的炊事方法是将食材先焯水再烹饪加工，如炒灶先从尾锅中用炒勺舀水，同时开主火将水烧开焯水数分钟再捞出，漏水后再烹炒，如舀到锅里的水10千克，通常需要6-7分钟时间将水烧开。大锅灶焯水如放入50千克冷水，烧开用时大约要15-18分钟。如果可以提供55-60℃左右的热水到锅里，将缩短一半烧开用时，烹饪效率大大提高。将高温烟气余热加以回收利用提供厨房食品解冻、洗菜、清洗餐具、刷锅、冲洗地面油污以及提供炉灶自身热水需要，在实现了节能减碳的同时，由于降低了排烟温度，从而改善了食堂炊事环境，还减少了火灾等安全隐患。因此，余热回收利用是商用燃气炉灶节能减碳的有效手段。如果将商用燃气炉灶余热回收热水用于炊事本身，既能加快烹饪速度减少烹饪时间，还能有效减少能源的使用。

5、现有的商用燃气炉灶烟气余热回收，最常见的做法是余热回收的自产自销，即余热回收炉灶的热水仅用于产生热水的炉灶自身，这样会出现用于焯水的炉灶缺少热水、焯水过程中产生的热水不能消化，用于炒菜的炉灶热水出现剩余，而一些不具备余热回收的灶具，如某些用电设备只能从冷水开始加热，由于不能对余热回收热水进行集中调配，余热回收的热水不能得到及时、合理和全部消化。

6、一些对燃气炉灶余热回收进行集成调配的系统采取将热回收装置安装于每台炉灶的炉膛及后续排烟口，将自来水接到每个热回收装置进水口，进水口安装电磁阀，在出水口安装温度传感器，当温度传感器检测到热回收装置上部水温达到设定温度时，进水电磁阀打开，常温自来水进入热回收装置内，将热水顶出，并送入储存水箱待用，当温度传感器检测到出水温度低于设定值，关闭上水电磁阀。热水再由供水泵送往使用地点。

7、该做法相比于单个炉灶自产自销做法有了一定的改进，但在实际使用中还存在诸多问题：1)换热器内的水体在加热过程处于静止状态，对流传热系数小，即使增加换热面积，也难以将排烟温度降到理想状态，余热回收不彻底，且容易出现局部超温和结垢附着，影响长期可靠工作，并导致余热回收效率快速衰减；2)每台余热回收装置都安装有电磁阀和温度传感器，由于现有余热回收装置的进水口直接接入自来水，使用中任何温度传感器、电磁阀的故障，都可能造成换热器超温或储水箱溢流；3)储水箱中的剩余水在较长时间内未使用时，由于无法再加热，导致水温不符合使用要求；4)当储水箱达到满水状态时，炉灶所产生的多余热水将无法储存，热水只得溢流，造成浪费，尤其是夏季热水需求较小，溢流现象难以避免；5)当自来水停水时，余热回收装置将面临干烧损坏的问题；6)炉灶自身不能有效地将热水加以利用，以提高缩短炊事时间减少燃气消耗，如果将水箱供水泵安装到炉灶位置，又会出现场地狭小管路拥挤导致安装维修困难问题，余热回收的节能价值体现不充分。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单，设计合理的商用燃气炉灶三位一体余热回收利用系统及方法。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种商用燃气炉灶三位一体余热回收利用系统，包括n台燃气灶具和一台储水箱以及若干热水使用终端，所述储水箱连通有给水管系，且储水箱连接有控制模块，所述给水管系连通有与燃气灶具对应的余热回收器，且余热回收器与储水箱连通，所述燃气灶具和热水使用终端处均设有水龙头，且水龙头与给水管系连通，所述储水箱连通有补水管系；

4、所述给水管系用于向余热回收器提供换热媒介并满足燃气灶具和热水使用终端的用水需求，补水管系与自来水接入口连通，控制模块根据储水箱的液位和温度控制给水管系和补水管系，对储水箱进行恒温、变液位调节及变温、高液位调节。

5、作为本发明的进一步优化方案，n为1或大于1的自然数，所述燃气灶具包括灶具本体以及设置在灶具本体与余热回收器之间的排烟道；所述给水管系包括与储水箱及余热回收器连通的出水管，所述出水管上设有用于向余热回收器输送换热媒介的动力设备，所述换热媒介用于吸收排烟道内烟气的热量，所述动力设备还用于向水龙头输送热水。

6、作为本发明的进一步优化方案，所述燃气灶具还包括设置在灶具本体上的主火阀；所述余热回收器包括与主火阀联动的第一电磁阀，主火阀打开时，第一电磁阀打开，反之，第一电磁阀关闭。

7、作为本发明的进一步优化方案，所述余热回收器还包括水套、横向设置在若干翅片管、交错设置在水套内两个对置侧壁上的横隔板，和设置在水套顶部的供水管，以及设置在水套底部的排水管，所述横隔板将余热回收器的走水流程分割成m段；所述储水箱上设有回水管系，且回水管系与每个余热回收器的排水管连通。

8、作为本发明的进一步优化方案，所述水套的换热媒介出口上安装有第一温度传感器，所述水套上设有与排烟道连通的烟气进口，且水套顶部设有与烟气进口连通的烟气出口，所述烟道出口上安装有用于检测排烟温度的第二温度传感器，所述灶具本体后靠空间或前面板位置安装有温控器，所述温控器连接有用于显示换热媒介出口温度和排烟温度的显示器，且温控器设有烟温超温报警温度和保护温度，当排烟温度达到报警温度时，温控器发出报警和温度闪烁，当烟温进一步上升至保护温度时，断开灶具本体的工作电源，并发出检查维修提示。

9、作为本发明的进一步优化方案，所述翅片管呈叉形排列，且翅片管由管体和螺旋翅片组成，所述螺旋翅片厚度为0.3～1.5毫米，所述管体与螺旋翅片以高频电阻焊的方式固定连接在一起，且螺旋翅片外壁上喷涂有石墨烯保护层。

10、作为本发明的进一步优化方案，所述的储水箱包括双层不锈钢保温箱体，且箱体上设有聚氨酯发泡材料，所述箱体底部一侧设有与出水管连通的供水口，箱体顶部设有与回水管系连通的回水口以及与进水管连通的进水口，所述进水口下方安装有浮球阀，所述箱体顶部还设有溢流口和大气连通口，箱体底部另一侧设有排污口。

11、作为本发明的进一步优化方案，所述补水管系包括与进水口连通的进水管以及设置在进水管上的第二电磁阀；当储水箱的液位低于水位下限时，或储水箱的液位介于水位下限与水位上限之间且储水箱水温达到设定温度时，第二电磁阀打开；反之，第二电磁阀关闭。

12、作为本发明的进一步优化方案，所述主火阀上安装有信号开关，所述信号开关用于记录燃气灶具当前工作状态和累计工作时长；所述进水管一侧设有旁路管，且旁路管上设有手动上水阀，所述进水管上还设有流量计和第三温度传感器，所述箱体上设有液位计和第四温度传感器，所述液位计用于实时显示当前储水箱的液位；所述控制模块用于接收第一温度传感器、第二温度传感器、流量计、第三温度传感器、液位计和第四温度传感器发来的数据，测量当前补水量、补入的冷水温度与补水中止时的储水箱水温，并实时记录当前冷水温度、储水箱水温、燃气灶具余热回收累计热水产量、累计余热回收量及节能减排量，并形成财务数据；所述控制模块还设定有动力设备的工作时段；所述控制模块通过通讯模块与移动终端或电脑端相连。

13、一种商用燃气炉灶三位一体余热回收利用方法，该方法采用恒温、变液位调节策略及变温、高液位调节策略实现余热回收利用，所述恒温、变液位调节策略包括以下步骤：

14、s1、检测储水箱的液位，当储水箱的液位低于水位下限时，通过补水管系向储水箱补水，使储水箱的液位不低于水位下限；

15、s2、检测储水箱的液位，当储水箱的液位达到水位上限时，采用变温、高液位调节策略；当储水箱的液位介于水位下限与水位上限之间时，判断储水箱的水温是否达到设定温度，并根据水温状况执行如下操作：

16、若储水箱的水温低于设定温度，则中止补水，并通过给水管系向余热回收器传递换热媒介，余热回收器中的换热媒介吸收余热后回流至储水箱内，加热水温；若储水箱的水位达到设定温度，则通过补水管系向储水箱补水；

17、所述恒温、变液位调节策略包括以下步骤：

18、s3、检测储水箱的水温是否达到临界高温，当储水箱的水温达到临界高温，则通过补水管系向储水箱补水，使储水箱溢流并降低水温；当储水箱的水温未达到临界高温，则中止补水，并通过给水管系向余热回收器传递换热媒介，余热回收器中的换热媒介吸收余热后回流至储水箱内，加热水温；

19、s4、加热水温后，检测储水箱的液位是否达到水位上限，若储水箱的液位达到水位上限，则采用恒温、变液位调节策略。

20、工作原理：

21、储水箱设置有水位下限和水位上限，以及设定温度和临界高温，其中临界高温大于设定温度。将从给水管系导入余热回收器的水体称为换热媒介，将从给水管系导入水龙头的水体称为热水。通过补水管系将冷水源接入储水箱，冷水源为自来水，在工作时段保持储水箱液位在水位下限之上。当储水箱的液位介于水位下限与水位上限之间时，采用恒温、变液位调节策略。当储水箱达到水位上限时，采用高液位调节策略。采用恒温、变液位调节策略时，一旦使用储水箱内的水体，导致液位下降时，将在水位上限以下补水，并逐渐将储水箱水温趋近到设定温度。储水箱下部供水口接到动力设备输入口，动力设备有水泵和止回阀组成，水泵采用恒压控制，加压后的给水管道接到燃气灶具和热水使用终端的热水使用点。在燃气灶具热水使用点处存在热水需求时，加压后的水体分别进入余热回收器的供水管和燃气灶具的水龙头，当炉灶主火阀打开时，主火阀上安装的信号开关将安装在余热回收器上的第一电磁阀打开，散热媒介与燃气炉灶高温烟气进行逆流换热，升温后的散热媒介通过回水管系回到储水箱完成余热的回收储存，与此同时炊事人员可以就地方便地打开燃气灶具上的水龙头，水龙头用于炊事，达到余热利用的目的，余热回收利用系统的热水还接到厨房其他热水使用点，能够及时消化余热回收产生的热水，实现余热回收的最大化利用。

22、燃气灶具的排烟道上安装余热回收器，余热回收器通过供水管与出水管相连，所有余热回收器呈并联安装，余热回收器的换热媒介出口汇合到回水管系并与储水箱连通。每个余热回收器作为一个独立的换热装置，炉灶主火打开时，余热回收器进口管道上的电磁阀打开，在余热回收器内自上而下经多个流程从下部流出，高温烟气从余热回收器内部翅片管外流过并与翅片管内及外侧水套进行热交换后，从余热回收器的顶部排到周围环境，在水泵的强制推动下，换热媒介在余热回收器加热后流出，并通过回水管系回到储水箱，使储水箱水不断循环加热。

23、余热回收器由顶板、底板、内壳板和外壳板围成长方体外形，内壳板和外壳板之间装有拉筋，内壳板与外壳板构成水套，内壳板对向的侧壁之间装有水平向的翅片管，翅片管两端与水套连通，翅片管呈叉形排列，高温烟气从下而上进入余热回收器内部以“s”形从翅片管外侧流过并从上方排向周围环境。水套内安装的横隔板将余热回收器的水侧分割成多个流程，换热媒介从余热回收器上方进入水套后在水泵压力作用下以蛇形陆续经过上述流程再流出。由于烟气侧放热系数相对于水侧相差一个数量级，翅片管的翅片处于烟气侧，该翅片采用螺旋翅片，材质为碳钢及耐热钢，厚度0.3～1.5毫米，翅片与翅片管的管体以高频电阻焊的方式焊接为一个整体，翅片外表喷涂石墨烯，增加翅片导热能力和抗腐蚀能力。水套的换热媒介出口上安装有第一温度传感器，水套上设有与排烟道连通的烟气进口，且水套顶部设有与烟气进口连通的烟气出口，烟道出口上安装有用于检测排烟温度的第二温度传感器，灶具本体上安装有温控器，温控器连接有用于显示换热媒介出口温度和排烟温度的显示器，且温控器设有烟温超温报警温度和保护温度，当排烟温度达到报警温度时，温控器发出报警和温度闪烁，当烟温进一步上升至保护温度时，断开灶具本体的工作电源，并发出检查维修提示，余热回收器与水接触部分材质为食品级不锈钢。

24、余热回收器安装在自来水供水管上安装热量计，用于测量冷水补入量，即热水产量，并结合当前储水箱温度与冷水温度的差值计算热量积分值，热水向余热回收器之外的供应管道出口同时也安装有流量计，测量热水外供供应流量和热量积分值。

25、本发明的有益效果在于：

26、1)本发明结合商用燃气炉灶的结构尺寸、空间布局、用途、使用场景，利用后靠空间，在进一步保证灶具使用效果和使用状态情况下，合理地在排烟口加装余热回收器，把每个余热回收器作为独立加热模块，若干个余热回收器并联使用，组成余热回收加热模组，实施分散加热，集中控制，整个余热回收利用系统储水箱具备储热、补水、动态恒水温液位控制、进一步升温、循环再加热和自动恒温供水等功能，提供炊事自身及厨房热水，达到余热高效率回收、余热热水合理调配、炊事工作时间显著缩短、改善炊事场所工作环境、消除火灾隐患、降低厨房排烟负担等诸多目的，从根本上克服了现有余热回收系统造价高、控制困难、水温不恒定、易产生溢流、故障率高等缺陷；

27、2)本发明采取强制循环换热、加热和储水箱恒温、变液位调节及变温、高液位调节的商用燃气炉灶烟气余热回收利用系统，将余热回收、灶具热水供应和其他用水点热水供应三位一体整合在一个混合循环系统内，极致简约的管道和最少单元的动力设备，系统运行之初采用恒温、变液位调节策略，避免高液位而水温不足的现象，降低因溢流造成的热水浪费，避免因自来水停水导致余热回收器烧干的现象，多个余热回收器均由储水箱进行水源供给，不容易超温或溢流，余热回收彻底，避免局部超温和结垢附着，工作可靠，系统投入少、节能减碳成效高；

28、3)本发明的余热回收器采用适应炉灶后靠空间可从后靠顶板直接安装和抽出的快装设计，全水套包围、多回程、逆流换热、烟气侧增加翅片传热面积以及翅片喷涂石墨烯、强制循环换热等强化传热技术；通过每台换热器进口位置的电磁阀与炉灶主火阀联动的控制手段，避免未使用炉灶的余热回收器反向散热；余热回收器烟气出口安装烟温传感器并与炉灶上安装的温控器具有排烟温度超温报警和停止炉灶工作的保护具有结构紧凑、安装维护简便、抗腐蚀抗结垢能力强、经久耐用，余热回收持续高效。