家用燃氣灶熱效率快速測量方法

鄭育前，麥瑋琛，李展能，麥超明

（廣東省中山市質量計量監督檢測所，廣東 中山 528403）

0 引言

家用燃氣灶具產品是人們生活當中常用的一種廚房烹飪器具，熱效率性能是產品品質的重要評價指標之一。家用燃氣灶具熱效率檢測的相關的現行標準主要依據GB 30720－2014《家用燃氣灶具能效限定值及能效等級》和GB 16410－2007《家用燃氣灶具》。如圖1所示為GB 30720－2014的試驗裝置連接圖，GB 30720和GB 16410中規定的熱效率試驗方法要求灶具開啟15 min后測得的實測熱負荷選擇實驗的上限大鍋和下限小鍋，分別裝入規定質量的水后，從試驗初溫加熱到終溫，同一規格鍋連續測試兩次，且兩次測試熱效率結果差在1%以下時，否則重新試驗直到合格為止，按公式計算出灶具的理論熱效率值［1－2］。家用燃氣灶熱效率的檢測工作極其繁瑣、耗時長、工作效率低，試驗過程需要頻繁稱量水、換水鍋、攪拌等操作，使得現行標準方法不易實現自動化檢測。近年的國內標準更新內容和研究的方向主要圍繞現行標準方法在試驗用鍋的標準化無光黑底鍋的應用，試驗用水的加熱溫升等試驗條件的選用及對試驗結果的影響，以及專業數字化檢測設備的研制方面。國內外對快速檢測方法的研究鮮有報道。每年第三方檢測機構對大量的燃氣灶具產品進行能效備案檢測和其他常規性能檢測任務需要進行熱效率測量，同時，生產企業各類產品線的品質檢測、出廠檢驗等檢驗任務重、耗時長、效率低、燃氣消耗量大。

圖1 GB 16410－2007家用燃氣灶具檢測試驗裝置連接

為解決上述現行標準試驗方法存在的不利影響和提高檢測效率。本文研究并設計了一種新式試驗用鍋、檢測裝置和快速檢測家用燃氣灶熱效率的方法，通過快速檢測方法標準化研究和應用推廣明顯提高檢測效率、減少檢測耗時和燃氣消耗，易實現自動化檢測；縮短各類檢驗檢測周期，加快企業產品的研發、生產和流通速度；加快企業生產線上、出廠前的樣品質量監控和質量篩查等。該方法具有重大意義。

1 試驗裝置的設計

如圖2所示，試驗鍋的外形尺寸與現行標準一致，沿著鍋的表面設計有水流動管道，可使水流從鍋側頂部進入鍋內，沿鍋表面流至鍋底中心流出。水流在鍋內流動過程與鍋體進行熱交換使流出的水溫升高且流量穩定持續，通過測量水流溫升帶走的熱能與燃氣消耗釋放的熱能之間的關系測算出家用燃氣灶具的燃燒熱效率。采用快速測量方法時，熱負荷和熱效率可同時進行測量。熱負荷計算采用GB 16410－2007的公式（1）和（2）進行計算［1］。

圖2 燃氣灶具熱效率檢測中的連接

試驗檢測裝置包含了燃氣系統和水路系統兩部分，其中的燃氣系統和其他試驗室條件與GB 30720和GB 16410一致。為確保試驗的穩定性和準確性，采用恒溫恒壓供水系統為試驗鍋進水口提供試驗用水。調節供水流量可調節至試驗所需的出水溫度。系統穩定后通過測量進出水流溫升、水質量或水流量、燃氣消耗量等所需的試驗參數按以下公式計算出熱效率值，取連續5次測量的熱負荷和熱效率取算術平均值為測量值。

式中：ηi為單次測量溫升Δt＝（t2－t1）K時的實測熱效率（i＝1，2，3，4，5），%；M為測量時實際生產熱水質量，kg；t2為出口處水的終溫，℃；t1為入口處水的初溫，℃；Q1為15℃、103 kPa狀態下試驗燃氣低熱值，MJ／Nm3；V為實測燃氣流量，m3／min；tg為測定時流量計內的燃氣溫度，℃；Pamb為試驗時的大氣壓力，kPa；Pm為實測燃氣流量計內的燃氣相對靜壓力，kPa；C為水的比熱容，取C＝4.19×10－3MJ／（kg·℃）；S為溫度tg℃時的飽和水蒸氣壓力，kPa；q為水流量，kg／min；T為檢測所需的時間，s；η為熱效率，%。

2 試驗用鍋的設計

如圖3所示，試驗鍋采用牌號為6063的鋁合金制成，在鍋體的內表面和外部管道均包裹保溫材料以減少外界環境給試驗帶來的干擾，提升系統的穩定性。水鍋由鍋側部和底部兩部分組成。水鍋側部加工出豎直螺旋水槽與內芯裝配，水鍋底部加工出水平螺旋水槽與頂蓋裝配后，采用焊接密封和連接，形成半封閉的水流管道。試驗鍋的底部靠外緣的入口與鍋側部靠底處的出口之間通過水管連接，使兩部分的水流管道首尾相連，形成了從鍋頂處入水口至鍋底中心為出水口的半封閉水流管道。

圖3 試驗鍋結構

3 試驗條件

水流方向和進出水溫度是影響試驗能否順利進行和實驗結果的重要因素，試驗表明，快速測量方法適宜選擇的條件為：試驗鍋采用反接方式連接進出水流方向，進水溫度取20±3℃，出水溫升為50±3℃。

當試驗鍋的側部上端為入水口，底部中心為出水口時，水流大致從鍋側頂端流向鍋底中心，與燃氣灶煙氣從鍋底中心流向鍋頂方向相反為反接，反之為正接。若采用正接方式時，鍋底持續形成有大量的冷凝水并不斷地滴到燃氣灶分火器上，影響燃氣灶正常燃燒，不利于試驗開展。正接時樣品所測得煙氣體中的一氧化碳明顯升高，熱效率測量值明顯降低，說明此時燃氣灶燃燒不充分的情況加劇。在鍋底表面當煙氣溫度低于露點溫度時，煙氣中水蒸氣的壓力大于該溫度水蒸氣的飽和壓力，水蒸氣將不斷冷凝，冷凝率隨溫度的減小而逐漸增大，同溫度下低的過量空氣系數有高的冷凝率［3］。通過試驗觀察，試驗時應采用反接方式，此時水鍋底和側表面雖形成有少量冷凝水，但仍可以確保試驗順利進行。冷凝煙氣中的水蒸氣使其中的汽化潛熱得以利用，從而提高熱效率［4］，使得快速測量方法與現行標準方法使用黑色涂層的試驗鍋測量熱效率值接近，且冷凝水量可確保試驗正常進行。

當進水溫度過低時，鍋表面容易形成過量的冷凝水，不利于試驗開展。當出水溫度高于75℃時，快速測量方法測量熱效率值明顯低于現行標準方法測量值。有研究表明，用國標法檢測時，水的溫升越高，檢測得到的燃氣灶具熱效率值越低，這是由于隨著檢測鍋中水溫的不斷提升，鍋中水吸收熱量的能力在不斷減弱［5］，同時鍋表面的與周圍空氣的溫度差增大，散熱能力增加。當出水溫度過高時，出水流量和出水溫度不穩定。當出水溫度為90℃、80℃、75℃時的飽和水蒸汽壓力查表分別為0.070 121 MPa、0.047 376 MPa和0.038 565 MPa［6］。水的汽化速度取決于液相的溫度，與液相溫度成正比。隨著溫度升高，管內的壓力升高和蒸汽量明顯增大，當出水溫度75℃或更高溫度時，管內壓力變大且管內聚集了較多水蒸汽，氣體阻斷水流的連續性，引起水流量和出水溫度波動明顯，不利于試驗開展。

4 與現行國標法測量燃氣灶熱效率結果比對

參考本單位參加2016年和2018年度能效標識檢測實驗室數據一致性核驗的數據結果通知［7－8］，本次研究比對試驗測量結果以國標GB 30720－2014測量值η1為基準參考值，快速測量方法值為η2，Z＝（η1－η2）。當｜Z｜≥3%為結果不滿意結果；2%＜｜Z｜＜3%為結果有懷疑；｜Z｜≤2%為結果滿意。

灶具在使用過程中實際的熱效率不僅跟灶具本身有關系，還跟進行傳熱的器具（即鍋具）有著密不可分的關系［9］。表1所示為快速測量法與國標方法測量熱效率的值，兩種方法使用外形尺寸相同的鍋具、灶具處于相同狀態下進行測量的結果。

表1 熱效率測量比對結果

以國標GB 30720－2014測量值為基準參考值對快速測量法熱效率測量值進行一元線性回歸分析（圖4）和Z值統計分析。

圖4 所有樣品兩種方法一元線性回歸直趨線分析

所有樣品的直線回歸方程為y＝0.987 2x－0.336 8，決定系數R2＝0.972 7，斜率b＝0.987 2。直線回歸分析表明快速測量法與國標方法測量燃氣灶具熱效率存在線性相關關系。快速測量法的測量結果在一定程度上可以反映出國標法測量結果的發展趨勢。

對Z值進行分析，Z值均為正值，快速測量法測量結果均低于國標法。經分析認為這主要是源于快速測量法試驗用鍋外表面為機加工表面，并未進行無光黑色覆蓋表面處理工藝。國標法試驗鍋的表面黑度高，吸熱能力強于快速測量法試驗鍋。從Z值大小看，Z值均小于3的限定值，表明試驗沒有出現不滿意結果。除2＃和8＃樣品的Z值處于2%＜｜Z｜＜3%的懷疑區間范圍內，其余Z值均處于｜Z｜≤2%的結果滿意區間內。表明試驗結果的滿意率達到83%。Z值處于0＜｜Z｜＜1%的區間范圍內的樣品數為7個，占總樣品的比重為58%，且均為大氣式，占大氣式樣品比重為77.8%。

5 與現行國標法燃消耗和檢測時間比對

假設燃氣灶具使用時的熱負荷保持穩定不變，燃氣消耗數值將與試驗耗時成正比。因此，燃氣消耗數值不僅反映了試驗的經濟性指標，同時也反映了試驗耗時情況即工作效率。表2所示為快速測量法與國標方法測量熱效率的燃氣消耗數值。表中的快速測量法燃氣消耗V1和國標法燃氣消耗V2分別指燃氣灶具在熱負荷和熱效率測量時的凈燃氣消耗的總和，不計算其他輔助操作時的消耗。快速測量法消耗占比a＝100V1／V2；快速測量法節約占比b＝100%－a。由表可以看出快速測量法消耗的測量工時不超過國標法的30%，可節約大約70%的燃氣消耗。因此，與國標法相比，快速測量法檢測燃氣灶具的熱負荷和熱效率在工作效率和經濟性的優勢是非常明顯的。

表2 快速測量法與國標法在熱效率測量時的燃氣消耗情況比對

6 測量方法的不確定度分析

隨機選取6＃樣品的測量數據進行不確定度分析，依據其校準證書給出的擴展不確定度計算熱效率測量的不確定度對比如下。

（1）快速測量法測量燃氣灶熱效率測量結果：η＝66.10%，U＝3.2%；k＝2；

（2）國標法測量燃氣灶熱效率測量結果：η＝66.79%，U＝3.3%；k＝2。

由此可知兩種方法的測試不確定度結果水平相當，國標方法略大于水流方法。水流方法應用于測量燃氣灶熱效率的測量不確定度是可以接受的，滿足快速檢測分析的要求。

7 結束語

上述研究表明家用燃氣灶具熱效率快速測量方法，可大致節約70%的燃氣和檢測工時消耗、可明顯提高工作效率、水路系統的設計使得快速檢測方法容易實現自動化測試。在試驗進水溫度為20±3℃，出水溫升為50±3℃的試驗條件下，測量結果與國標方法測量值之間的絕對差值小于3%。家用燃氣灶具熱效率快速測量方法可以作為目前現行標準方法的補充方法進行標準化推廣和應用，具有一定的社會和經濟價值。