淺談商用燃氣蒸箱綜合能源技術利用率

張國亮

（浙江九龍廚具集團有限公司 ，浙江 杭州 311261）

0 引言

中餐文化已經成為世界范圍最受歡迎的烹飪之一，其中“蒸”是其具代表性的加工手法，大量蒸汽快速加熱和準確的蒸制時間控制是中餐“蒸”的要點。“蒸”可以保持食物原汁原味，減少營養成分流失，是“健康飲食”的加工手法。中餐商用燃氣蒸箱是常用的常壓蒸制設備，以下名稱用蒸箱。

傳統蒸箱一般分為上下箱2個部分，下箱部分作用是產生蒸汽：主要包括水膽、控制系統、燃燒系統、入水系統、排水系統等；上箱部分主要作用是利用蒸汽蒸制食物：主要包括蒸腔內膽、外框、蒸箱門、蒸汽控制開關和安全放散口等。所以蒸箱整體功能應該分2個部分：蒸汽產生部分和蒸汽利用部分。水膽式燃氣蒸箱的綜合能源利用率應該是蒸腔食物吸收熱量與燃氣總消耗的熱能的比值。因此只用測試水膽的蒸發量與燃氣消耗的熱量比值作為蒸箱的熱效率是不全面的[1]。

1 定義及蒸箱熱效率測試方法分析

1.1 燃氣蒸箱

燃氣蒸箱是以燃氣為燃料、利用加熱水制得的微壓飽和蒸汽蒸制食品的燃具，主要由燃氣系統、供水系統、排煙系統、水膽（蒸汽發生器）以及蒸腔等部分組成[2]。

1.2 水膽式蒸箱

水膽中的水以敞開的方式被加熱至沸騰并為蒸箱的烹飪隔間提供蒸汽，蒸汽經過烹飪隔間或放散管直接排放至大氣中，工作時水膽及腔體內蒸汽壓力不大于500 Pa[2]。

1.3 蒸汽發生式蒸箱

蒸箱的蒸汽由蒸汽發生器或類似結構的蒸汽產生單元提供；區別在于蒸汽發生器可蓄壓，類似結構的蒸汽產生單元不可蓄壓。

1.4 蒸箱熱效率

蒸箱熱效率是蒸箱在穩定狀態下單位時間氣化蒸汽所需要的熱量與相同時間內所消耗燃氣的熱能的比值。

1.5 蒸箱的熱效率測試標準

CJ/T 187—2003 測試蒸箱的熱效率為測試水膽加熱水溫差測試法；測試過程中無法設置溫度測試點，可操作性差[3]。CJ/T 187—2013測試蒸箱熱效率為測試水膽蒸發量來計算蒸箱熱效率；測試中取1個進水溫度點，計算熱效率為飽和水蒸氣比焓減去進水量0 ℃到進水溫度的溫差的熱量[3]。GB 35848—2018測試蒸箱熱效率為測試水膽蒸發量來計算蒸箱熱效率；測試中取進水溫度、水蒸汽溫度，計算熱效率為進水溫度到100 ℃溫差熱量與水的氣化潛熱總和。更接近于實際真實數據，目前為最新的測試蒸箱熱效率的方法。

按照測試要求，蒸箱水膽與蒸腔為一體結構時，效率測試時應防止蒸汽被冷凝后回流至水膽和未汽化的水被蒸汽帶出水膽，根據需要，在測試熱效率時應在蒸箱水膽上方開口位置設置一隔離水膽和蒸腔空間的頂蓋，頂蓋面積為100 cm3，中間留出1個蒸汽孔，蒸汽應該自由地進入蒸腔空間，冷凝水不應流回至水膽同時水沸騰時不應濺出水膽。蒸箱熱效率的測試方法中都只測試了蒸箱水膽產生蒸汽的效率，用水量作為蒸發量，未考慮蒸汽含水量，熱效率實測值大于熱效率實際值；對于蒸腔部分蒸汽利用并未測試。不能測試蒸腔的容積大小、內部結構等與蒸箱熱效率之間的關系。

2 有效熱負荷容積比

2.1 蒸腔有效容積

蒸腔能放進的最大長方體容積總和，單位為L。

2.2 有效熱負荷容積比

蒸箱有效熱負荷與蒸腔有效容積總和的比值，用字母R表示，單位為W/L，對照表數據見表1。

表1 有效熱負荷容積比對照表

2.3 有效熱負荷容積比測算方法

在測試熱效率的試驗情況下取值η，蒸箱的容積取值為能放進蒸腔的最大長方體容積總和，如公式（1）所示。

式中：R為有效熱負荷容積比，W/L；Vi為蒸箱的腔體容積，L；η為蒸箱的熱效率，%；Q為蒸箱的實測熱負荷，W。

表1根據不同燃氣蒸箱的規格、實測熱負荷及熱效率、腔體有效容積，測試出有效熱負荷容積比；根據比較，實測有效熱負荷容積比比國家一級能效的數值略低，比國家最低能效的數值要高[4]。

3 蒸箱蒸汽利用率及蒸箱綜合能源利用率

3.1 蒸箱蒸汽利用率

蒸箱在穩定的工作狀態下，蒸腔測試介質（水）吸收的熱量占蒸箱出蒸汽的汽化熱量的百分比。

3.2 蒸箱蒸汽利用率試驗方法

3.2.1 試驗用盆

采用能放置于層架上的最大尺寸水盆，投影大小為蒸箱層架面積的85%以上，高度尺寸為60 mm；材料為不銹鋼304，厚度為（1.0±0.1） mm。

3.2.2 試驗加水

加水量為水盆水深度的40 mm左右，取整數質量的水量。

3.2.3 試驗方法

使用“0-2”氣試驗，在燃氣的額定壓力下點燃燃燒器，先加熱至有蒸汽排出，蒸箱達到熱平衡狀態；水溫的測試點應在水盆中心水深1/2的位置，試驗水初溫應取室溫加5 ℃（放入水盆水應該控制在0 ℃液態水，將加水時間控制在2 min以內。）將水稱量后放入水盆內，關閉蒸箱門，待最先達到室溫加5 ℃的水盆溫度開始測試；記錄水膽的蒸發量初始值；記錄燃氣初讀數；記錄水最先達到溫升45 ℃的水盆（最高水溫≤90 ℃）水膽蒸發量終止值；記錄此時燃氣消耗的終讀數，其他水盆水溫取實際測試水溫為終溫值，如公式（2）所示。

式中：η1為蒸箱蒸汽利用率，%；g為水盆加入水量，kg；C為水的比熱，0.0042 MJ/kg·℃；G為蒸箱蒸發量，kg；ΔC為水的汽化熱值，2.258 MJ/kg；t2為水盆水的終溫，℃；t1為水盆水的初溫，℃。

以上測試蒸汽利用率同時按照GB 35848—2018驗證熱效率是否準確。在相同條件下蒸汽利用率檢驗應該進行2次，取其平均值。當（大值-小值）/平均值﹥0.05時，應再重復檢驗，直至合格為止。蒸箱蒸汽利用率測試數據見表2。

3.3 蒸箱綜合能源利用率

蒸箱在穩定的工作狀態下，蒸腔測試介質（水）吸收的熱量占相同時間燃氣消耗的熱量的百分比。

3.4 蒸箱綜合能源利用率測試方法

蒸箱綜合能源利用率計算如公式（3）所示。

式中：η為蒸箱綜合能源利用率，%；gi為水盆加入水量，kg；C為水的比熱，0.0042MJ/kg·℃；t2為水盆水的終溫，℃；t1為水盆水的初溫，℃；V1為燃氣流量初讀數，m3；V2為燃氣流量終讀數，m3；Hi為15 ℃、101.3 kPa狀態下燃氣的低熱值，MJ/m3；f為將燃氣耗量折算到15 ℃、101.3 kPa狀態下的修正系數。相同條件下蒸箱能源綜合利用率檢驗應進行2次，取其平均值。當（大值-小值）/平均值﹥0.05時，應再重復檢驗，直至合格為止[5]。蒸箱綜合能源利用率測試數據，表3。表2根據實測熱負荷及偏差和熱效率、腔體有效容積，測試出有效熱負荷容積比；根據水溫、水量、燃氣消耗量及水吸收熱量計算出蒸汽利用率和綜合能源利用率，比較所得，綜合能源利用率低于蒸汽利用率[6]。

4 蒸箱蒸汽利用率及蒸箱綜合能源利用率測試方法的分析

根據蒸汽利用率測試對比數據可以研究蒸腔加熱速度和蒸腔溫度均勻性。由于測試熱效率沒有考慮蒸汽含水量的因素，因此實際測試值與實際值存在一定的偏差。綜合能源利用率測試中因蒸汽冷凝水滴落到測試水盆中，在實際測試中會有一定的偏差。

綜上所述，蒸箱熱效率的測試方法中都只測試蒸箱水膽產生蒸汽的效率，用水量作為蒸發量，沒有考慮蒸汽含水量，對于蒸腔部分蒸汽利用并未測試。不能測試蒸腔的容積大小、內部結構等與蒸箱熱效率之間的關系。而根據表2的測試分析有了蒸汽利用率和綜合能源利用率不同的詳細數值。

表2 蒸箱蒸汽利用率

表3 蒸箱綜合能源利用率測試數據

因為溫場是食物烹飪過程的直接環境，溫場的變化過程和食物的烹飪過程是同步的，所以要對食物的烹飪進行控制，就必須對溫場進行控制。其中溫場的中心點溫度和溫場的均勻性是衡量溫場的2個重要指標。加熱主要分為2個階段，即預熱階段和工作階段，由于在預熱階段因為腔體內沒有食物，因此控制燃燒器的熱負荷使蒸箱腔體在最短時間內達到設定的溫度和濕度即可。在達到工作階段的初始條件后即可放入食物轉為工作階段，由上箱蒸汽循環控制系統進行分層控制，對不同的食品采取不同的蒸汽量、烹飪時間和蒸汽冷凝因素，根據燃氣熱負荷加熱水量，產生蒸汽，對不同蒸腔面積內的菜品采取不同的烹飪模式達到所需要的蒸腔溫場、濕度環境和工作時間等，進一步對溫場進行控制，從而提高綜合能源的利用率[7]。

水膽式蒸箱在結構設計及測試時還應該注意以下6點：1） 非冷凝水膽式蒸箱排煙溫度應﹥110 ℃。2） 應該設置自動補水和水過量保護裝置。3） 應該在最上層蒸腔的合適位置設置蒸汽壓力測壓接口，出廠時應進行密封處理。4） 尾蒸汽排氣孔應為防堵塞結構，并且不應排放到一級煙道中。5） 尾蒸汽排空管當量外徑不應<38 mm。6） 蒸箱腔體應該設置超壓放散裝置。

5 商用燃氣蒸箱的節能措施

近年來，生產企業和專業技術人員做了大量商業蒸箱的節能工作，并取得了一定的成效，分為燃燒節能、結構節能、使用過程節能和余熱回收節能。

5.1 燃燒節能

燃燒節能包括使用節能火排爐頭，使燃氣在時間較短和距離較短時完全燃燒；采取燃氣和空氣預混的方式，加強火焰的旋轉和煙氣回流，在煙氣排放過程中增加小型鼓風機強排，燃燒配風通過煙氣預加熱以及風氣聯動裝置以保證合理的燃氣和空氣比。

5.2 結構節能

設計合理的熱吸收水循環箱體及煙氣流道，延長箱體內熱吸收的滯留時間和排煙管道內煙氣的合理滯留時間，避免出現高溫火焰短路直接排除的情況；箱體內增加水循環的熱量吸收；合理的吊火高度使火焰和水循環箱體的接觸處于中心高溫區，同時不削弱燃氣的完全燃燒；增加有效水循環箱體的接觸面積并增加傳熱面積；另外加強水循環箱體的保溫絕熱也會改善蒸箱效率。

5.3 使用過程節能

在使用過程中蒸箱是分層使用的，忙的時候全部開啟，空的時候開啟一門或二門，在出菜時可以熄火節能或局部關閉火排以減少燃燒量，操作人員在使用過程中基本不會離開蒸箱，所以在使用蒸箱時需要保持良好的節能習慣，如風氣聯動同步調整風量和燃氣量、保證合理的燃燒狀態，蒸箱不用時及時調小或采取關閉燃氣閥門等措施。

5.4 余熱回收節能

在采取了上述幾種措施的情況下，蒸箱的節能有了明顯的改變，目前市場中較好的幾款水膽式燃氣蒸箱熱效率可以達到90%以上，達到國家一級能效的規定。即使是上述節能蒸箱，對排煙出口的溫度測試說明了排煙口的溫度約為300 ℃，炒菜灶的排煙溫度還要高很多，達到600 ℃左右。因此，采用節能爐頭、改進燃氣配風、加大有效箱體水循環、箱體保溫絕熱等措施并不能改善商用燃氣蒸箱過多效率的情況下，將蒸箱煙氣尾氣的熱能進行回收利用是非常好的節能措施。余熱利用不影響原有蒸箱的使用效果，即煙氣余熱回收只是蒸箱排放煙氣熱能的有效利用，不對蒸箱的使用性能產生影響；不需要對蒸箱現有的結構進行大的改動，不增加蒸箱的外形尺寸，也不需要提高鼓風機功率等；余熱利用形式多樣化，如制備熱水、開水，滿足不同場合的需要；余熱利用只需要加裝余熱回收裝置、熱水箱、管道及供水、控制系統。當出水口溫度達到設定溫度時，電磁閥自動打開上水，將熱水從熱能回收裝置內頂出，每個換熱裝置熱水出口匯合到1根總管后送往保溫水箱儲存，一旦出水溫度低于設定溫度時，電磁閥關閉，儲熱水箱再通過水箱與用水點的高差或水泵送往各個熱水使用點。

綜上所述，商用蒸箱煙氣余熱回收，造價低、節能效果好、見效快，不僅提高了能源利用效率、解決了炊事或其他場合的熱水需求，同時由于排煙溫度的降低改善了炊事場所的工作環境、消除了火災隱患、降低了食堂排煙系統的負擔，是一項具有社會及經濟雙重效益的技術，例如全國存量燃氣蒸箱全部采用該技術，至少可以提高燃氣能源利用率7%～9%，創造節能效益近百億，具有良好的市場前景。

6 結語

商用燃氣蒸箱應設計合理的有效熱負荷容積比，綜合能源利用率測試是最接近實際使用狀態的測試方法，因此綜合能源利用率作為蒸箱的熱效率更為合理。

該文通過工作實踐經驗和大量的實驗室數據，針對商用燃氣水膽式蒸箱熱效率概念、測試方法及要求進行總結，并參照不同標準的熱效率測試方法，提出商用燃氣蒸箱蒸汽利用率的概念，通過商用燃氣蒸箱合理設計有效熱負荷容積比及采取一系列燃燒節能措施，逐步改進熱效率的測試方法，提高效率，更接近實際工作的使用狀態，并有效利用煙氣余熱回收技術，提升能源綜合技術利用率，從而達到行業節能降耗的目標。但是綜合能源利用率作為蒸箱的熱效率測試依據與現行的實施標準還有不同之處，需要考慮不同產品的有效腔體容積、蒸腔部分的蒸汽利用、生產工藝及測試方法等問題，還需要繼續深入探討。