厨房风能及余热的智能高效利用系统研发

　　摘要：为解决厨房燃气灶、抽油烟机等设备工作时产生的风能及余热未得到充分收集与利用的问题，本文设计了一套智能风能及热能高效利用控制系统，对厨房风能及余热进行高效利用，以提高能源利用效率，减少环境污染。

　　关键词：风能； 热能； 自动控制； 高效利用；

　　Abstract:In order to solve the problem of insufficient collection and utilization of wind energy and waste heat generated by kitchen gas stove and range hood, an intelligent control system for efficient utilization of wind energy and heat energy was designed to make efficient use of kitchen wind energy and waste heat, so as to improve the energy utilization efficiency and reduce environmental pollution.

　　Keyword:wind energy; heat energy; the automatic control; efficient utilization;

　　近年来，随着人们生活水平不断提高，家用灶具数量以每年大约7%的速度增加。各厨具设备生产厂家将焦点主要集中在设备的集成化、美观化及改变燃气灶结构、燃烧方式、优化抽油烟机的清洗方式等方面，而对设备工作时产生的风能和热能并未进行充分收集与利用。如果对设备运行时产生的风能及热能进行收集和利用，人们既能减少电能的消耗，同时又可以有效地减少干电池使用所带来的环境问题，从而达到能源高效利用的目的。

　　1 系统结构

　　本文设计的智能风能及热能高效利用控制系统主要包括抽油烟机、风管、风力发电机、燃气灶台、保温水箱、循环水钢管、蓄电池和单片机控制系统[1,2,3,4],其结构示意图如图1所示。

　　各部分连接如下：保温水箱设置于燃气灶台一侧，且通过循环水钢管与燃气灶台连接，燃气灶台内部两侧分别设有第一炉盘和第二炉盘，单片机控制系统设置于燃气灶台内部；抽油烟机设置于燃气灶台顶部，风管设置于抽油烟机顶部且内部设有抽风泵，抽风泵顶部传动连接有风力发电机，风力发电机输出端与蓄电池输入端连接，蓄电池输出端连接燃气灶打火电池和燃气表电池，风管内部固定设有烟雾浓度传感器和温度传感器；循环水钢管包括蛇形钢管、四通钢管、Y型钢管、进水钢管和出水钢管，蛇形钢管设置为两个且分别缠绕设置于第一炉盘和第二炉盘外壁，四通钢管两端分别连接两个蛇形钢管，进水钢管连接第一炉盘外侧对应的蛇形钢管，Y型钢管一侧两端分别连接四通钢管前端和第二炉盘外侧对应的蛇形钢管，Y型钢管另一侧端部连接出水钢管，四通钢管后端连接进水钢管；进水钢管和出水钢管分别与保温水箱相连通，保温水箱一侧连接有进水管和出水管，循环水钢管靠近第一炉盘的位置、四通管的每个管道上以及与第二炉盘连接的Y型钢管上均设有电磁阀，进水钢管靠近保温水箱的一端连接水泵和流量控制阀；抽油烟机前侧设有报警器，风管内部还设有燃气浓度传感器，以根据采集的燃气浓度进行报警提醒。单片机A与报警器电性连接，用于根据采集的燃气浓度进行报警提醒；保温水箱夹层内设有加热保温层，加热保温层包括加热丝，其与蓄电池电连接，用于给保温水箱保温；进水管上设有进水开关，进水开关与单片机A电性连接，用于智能控制进水；火焰传感器与单片机A电性连接，用于采集火焰大小信息；流量控制阀与单片机A电性连接，用于根据火焰大小流量控制进水流量，使循环水快速加热。风力发电机与蓄电池通过导线连接，蓄电池设置于燃气灶台内部，单片机A和单片机B分别设置于蓄电池两侧且与蓄电池电连接，蓄电池给单片机A和单片机B供电。

　　图1 系统整体结构示意图

　　注：1.抽油烟机；2.风管及风机；3.风管；4.出水管（热水）；5.燃气灶；6.进水管（冷水）7.单片机控制模块；8.保温水箱。

　　2 控制系统设计

　　智能风能及热能高效利用控制系统的核心控制器为单片机，通过TC89C52单片机可调节抽油烟机的转速，控制蓄电池的充放电，对保温箱进行保温，进行水流量控制等，其工作原理如图2所示，控制电路如图3所示。

　　具体设计如下。

　　图2 控制系统工作原理框图

　　图3 控制系统电路原理图  

　　图4 水循环及余热收集系统能量循环流程图   

　　第一，风力发电。安装在抽油烟机出口处的风力发电装置在工作时将产生的电能持续不断地给蓄电池充电。TC89C52单片机将接收的电能给蓄电池充电，当检测到蓄电池充满电后自动断电。

　　第二，电池充电。燃气灶和燃气表采用可充电干电池，根据电池使用频率及充放电特性，通过TC89C52单片机设定充电时间及断电时间，自动对燃气灶和燃气表的干电池进行充电。

　　第三，烟雾浓度自动调节。烟气浓度传感器实时监测厨房烟气浓度，当烟气浓度低于30mL/kL时，抽油烟机工作在低速；当烟气浓度介于30~60mL/kL时，抽油烟机自动切换至中速；当烟气浓度介于60~100mL/kL时，抽油烟机自动切换至高速；当烟气浓度超110mL/kL时，将自动启动燃气报警器报警，同时切断燃气供应，确保安全。

　　3 水循环及余热收集系统

　　当燃气灶启动时，连锁开关将循环水的供水开关打开，并随着燃气开放大小调节水阀开度，从而调节循环水流量。经燃气灶炉盘加热温水，经检测，温度达到设定值后流入水箱。当水箱水量达到设定值后，自动关闭循环水的进水开关，此时打开水箱下部的反向水循环开关，继续对加热后的温水进行再次加热，直至燃气灶关闭。当水箱温度低于设定值，TC89C52单片机控制系统接通水箱加热棒上的继电器，对水箱内的水加热，达到水箱预设温度后，TC89C52单片机控制的加热棒继电器断开，加热棒停止加热，能量循环流程如图4所示。

　　4 创新点及应用

　　4.1 创新点

　　第一，通过对燃气灶余热的收集进行冷水加热，并储存于温水箱备用，可减少燃气使用，降低环境污染。

　　第二，通过传感器检测烟雾浓度，经TC89C52单片机控制系统，可自动调整抽油烟机转速，减少电能使用，减少碳排放。

　　第三，利用抽油烟机产生的风能，带动小型风力机发电，所得电能可用于水箱保温，对燃气灶电池、燃气表电池等进行充电，减少一次性电池的使用，降低汞、铅、金属镉的污染。

　　4.2 应用前景

　　由于抽油烟机、燃气灶是每一个家庭必备的用电设备，故该控制系统的应用前景广阔，对减少碳排放量和降低一次性干电池使用造成的汞、铅、金属镉等污染，提高能源利用效率，具有良好的促进作用。

　　参考文献

　　[1]国家发展和改革委员会，国家能源局。能源发展"十三五"规划[J].节能与环保，2017（2）：32.

　　[2]樊光裕，陆仁杰。浅议吸油烟机产品创新方向[J].家电科技，2009（19）：93.

　　[3]秦建国，刘伟。小型风力发电机转速控制研究[J].风机技术，2009（5）：61-64.

　　[4]李小龙。家用燃气灶的热效率分析[D].秦皇岛：燕山大学，2010.