家用電磁灶線圈盤對(duì)熱效率測(cè)試影響的研究

陳 劍，張少君，徐善偉

（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京 102200）

0 引 言

家用電磁灶是利用電磁感應(yīng)原理，使鍋具（導(dǎo)磁體）在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流，自身產(chǎn)生熱效應(yīng)，完成電能向熱能轉(zhuǎn)換。鍋具自身發(fā)熱，減少了熱量傳遞的中間環(huán)節(jié)，其熱效率比其他灶具高。

2008年2月18日國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了GB 21456-2008《家用電磁灶能效限定值及能源效率等級(jí)》，自2008年9月1日開(kāi)始實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定實(shí)施日為4年后，即2012年9月1日起，熱效率值低于86%的產(chǎn)品將被淘汰。在此近4年之際，研究家用電磁灶能效標(biāo)準(zhǔn)最關(guān)鍵參數(shù)——熱效率的科學(xué)、準(zhǔn)確地測(cè)量方法，成為完善該標(biāo)準(zhǔn)的重要課題之一[1]。

GB 21456-2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法較為嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)地設(shè)計(jì)了家用電磁灶能源效率的測(cè)試方法，就是計(jì)算電磁灶輸出能量和總輸入能量的比值。然而，隨著近幾年電磁灶行業(yè)的發(fā)展，越來(lái)越多的電磁灶新品出現(xiàn)在市場(chǎng)，在平時(shí)大量的電磁灶熱效率測(cè)試中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，這對(duì)電磁灶熱效率客觀評(píng)價(jià)產(chǎn)生了不利影響。

本文篩選了兩臺(tái)較為典型的家用電磁灶，通過(guò)電磁灶的線圈盤電磁感應(yīng)加熱，考察標(biāo)準(zhǔn)鍋各個(gè)位置的溫度變化，結(jié)合GB 21456-2008標(biāo)準(zhǔn)熱效率的測(cè)試方法，從理論上給出影響熱效率測(cè)試結(jié)果的解釋。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 熱效率測(cè)試裝置

電磁灶熱效率測(cè)試裝置如圖1所示。X點(diǎn)和Y點(diǎn)分別為標(biāo)準(zhǔn)鍋內(nèi)同一水平距離中心點(diǎn)不同位置的水溫取值點(diǎn)，其中X為線圈盤的中心點(diǎn)，Y點(diǎn)處于線圈盤外側(cè)與標(biāo)準(zhǔn)鍋邊緣之間。運(yùn)用GB 21456-2008測(cè)試方法分別對(duì)兩臺(tái)電磁灶進(jìn)行熱效率試驗(yàn)。樣機(jī)1和樣機(jī)2的線圈盤都屬于雙層線圈盤，兩臺(tái)樣機(jī)的上下層線圈盤尺寸相同，上層直徑40mm，下層直徑140 mm。唯一區(qū)別在于樣機(jī)1的線圈盤比較緊密，樣機(jī)2的線圈盤比較稀疏，銅線間距大約在1.5 mm左右。

圖1 電磁灶熱效率測(cè)試裝置示意圖

1.2 溫度監(jiān)控試驗(yàn)裝置

圖2為電磁灶工作狀態(tài)下加熱標(biāo)準(zhǔn)鍋和鍋內(nèi)水溶液時(shí)的溫度監(jiān)控圖。對(duì)試驗(yàn)裝置總共布7個(gè)熱電偶以及一個(gè)鉑電阻測(cè)溫點(diǎn)，其中A、B、C 3點(diǎn)同處于距離鍋底10mm水平面上，A點(diǎn)為鍋體內(nèi)水平中心點(diǎn)，B點(diǎn)垂直陰影處于大線圈盤邊上，C點(diǎn)垂直陰影處于小線圈盤邊上，D點(diǎn)處于鍋內(nèi)底部，E點(diǎn)處于鍋外層且垂直陰影處于大線圈盤邊上，F(xiàn)點(diǎn)處于鍋外層且垂直陰影處于小線圈盤邊上，G點(diǎn)位于鍋外層中心點(diǎn)。鉑電阻測(cè)溫點(diǎn)與A點(diǎn)在同一位置。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電磁灶輻射值測(cè)試結(jié)果

圖2 電磁灶工作狀態(tài)下各點(diǎn)溫度監(jiān)控圖

依據(jù) IEC 62233-2008《Measurement methods for electromagnetic fields of household appliances and similar apparatus with regard to human exposure》標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，對(duì)樣機(jī)1和樣機(jī)2進(jìn)行了電磁輻射量的測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

表1 2臺(tái)電磁灶電磁輻射測(cè)試結(jié)果

2.2 不同位置的熱效率測(cè)試結(jié)果

依據(jù)GB 21456-2008標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，在裝置圖1的條件下，分別對(duì)2臺(tái)電磁灶X點(diǎn)和Y點(diǎn)進(jìn)行熱效率測(cè)試，其中在X點(diǎn)和Y點(diǎn)所用的電量相等，得出結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 2臺(tái)電磁灶熱效率測(cè)試結(jié)果

通過(guò)熱效率試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)1在工作狀態(tài)下，X點(diǎn)和Y點(diǎn)的熱效率值基本一致，這也可以直接反映出鍋內(nèi)水被加熱溫度較為均勻。對(duì)于樣機(jī)2，X點(diǎn)和Y點(diǎn)的熱效率值相差幾乎為4%，依據(jù)GB 21456-2008標(biāo)準(zhǔn)，按其熱效率值所判斷的能效等級(jí)幾乎相差2個(gè)能效等級(jí)，這應(yīng)該是由于鍋內(nèi)水溫不均勻所直接導(dǎo)致的。對(duì)樣機(jī)2檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，X點(diǎn)比Y點(diǎn)熱效率值偏高的一個(gè)重要原因，是由于線圈盤中間區(qū)域線圈較密，邊緣區(qū)域較為稀疏，中間的磁場(chǎng)是由樣機(jī)上下兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)疊加而成，越往外，線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)強(qiáng)度越小，電磁感應(yīng)使得鍋體中間產(chǎn)生的渦流強(qiáng)度較鍋的外沿較大，產(chǎn)生的熱量較多。樣機(jī)1的線圈盤整體都較為緊密，電磁灶工作狀態(tài)下，產(chǎn)生的電磁感應(yīng)使標(biāo)準(zhǔn)鍋產(chǎn)生的渦流熱效應(yīng)較為均勻，所以最終測(cè)得的熱效率較為一致[2-6]。

2.3 電磁感應(yīng)強(qiáng)度對(duì)加熱過(guò)程的影響

采用圖2相同的試驗(yàn)裝置，開(kāi)啟樣機(jī)1和樣機(jī)2，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)鍋及水進(jìn)行加熱，將鍋內(nèi)的水從15℃加熱到90℃（鉑電阻溫度計(jì)數(shù)顯值），監(jiān)測(cè)整個(gè)過(guò)程中各個(gè)布點(diǎn)位置的溫升變化情況。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 電磁灶工作狀態(tài)下各點(diǎn)溫度分布圖

在試驗(yàn)過(guò)程當(dāng)中，當(dāng)溫升接近75 K時(shí)，切斷電源，發(fā)現(xiàn)樣機(jī)2鉑電阻溫度瞬間升高0.5℃，但轉(zhuǎn)瞬間又直線下降。而樣機(jī)1鉑電阻溫度緩慢上升，達(dá)到一個(gè)最高溫度，然后再緩慢下降。再結(jié)合圖3，發(fā)現(xiàn)在切斷電源之后，樣機(jī)2的圖示中鍋內(nèi)水不同位置的溫度相差將近5℃，說(shuō)明在切斷樣機(jī)電源的瞬間，由于鍋底部中心溫度較高，使得底部與上方的水層瞬間形成一個(gè)較強(qiáng)的對(duì)流，導(dǎo)致A點(diǎn)附近（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)溫區(qū)域）溫度瞬間升高（過(guò)沖溫度），這種現(xiàn)象的形成應(yīng)該是由電磁灶制造商對(duì)線圈盤的特殊設(shè)計(jì)導(dǎo)致。然而，隨著時(shí)間的推移，由于對(duì)流使鍋內(nèi)的水溫達(dá)到均勻狀態(tài)，測(cè)得的溫度瞬間下降。結(jié)合鍋內(nèi)A、B、C、D 4點(diǎn)的溫度值，發(fā)現(xiàn)平均溫度小于鉑電阻采集溫度接近4℃，可推斷出電磁灶實(shí)際的熱效率應(yīng)該明顯低于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法測(cè)得的熱效率值。因此，采用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法計(jì)算得出的熱效率結(jié)果是不符合電磁灶樣機(jī)2的實(shí)際工作狀態(tài)下熱效率的，其加熱均勻性可能影響被加熱食品的質(zhì)量，數(shù)據(jù)可疑。對(duì)于樣機(jī)1，同樣切斷電源之后，鍋內(nèi)不同位置的溫度最大相差接近9℃，跟樣機(jī)2出現(xiàn)的情況相同，剛開(kāi)始鍋內(nèi)不同位置的水溫差異較大。反之，樣機(jī)1是中心點(diǎn)溫度（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定測(cè)溫范圍）較低，周圍溫度較高，結(jié)合鍋內(nèi)A、B、C、D 4點(diǎn)，平均溫度與鉑電阻采集到的最高溫度非常接近，最終運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法計(jì)算得出的熱效率值應(yīng)該能反映出電磁灶真實(shí)情況[7-8]。通過(guò)上述試驗(yàn)現(xiàn)象，結(jié)合樣機(jī)1和樣機(jī)2的線圈盤設(shè)計(jì)情況，推斷出電磁灶熱效率值大小與線圈盤的尺寸、疊加方式等密切相關(guān)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在反復(fù)試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行理論分析，得出家用電磁灶線圈盤的形態(tài)對(duì)電磁灶熱效率測(cè)試結(jié)果有明顯影響。具體而言，疏密不一致的線圈盤會(huì)使得電磁灶局部的磁感線不均勻，電磁灶線圈越緊密，產(chǎn)生的磁感線越強(qiáng)，作用到的鍋體內(nèi)部的渦流也越強(qiáng)，區(qū)域內(nèi)的水溫上升越快；反之，區(qū)域內(nèi)的水溫上升越慢。也就是說(shuō)，如果線圈盤整體疏密不均，將會(huì)導(dǎo)致緊密部位熱效率高，稀疏部位熱效率低，這種情形下，僅對(duì)緊密部位進(jìn)行熱效率測(cè)試并不能真正反映整個(gè)電磁灶準(zhǔn)確的熱效率值。

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