家用燃气灶具热效率不确定度分析

家用燃气灶具热效率不确定度分析

章剑帅 朱杭军

浙江亿田智能厨电股份有限公司 浙江嵊州 312400

摘要：近年来，我国的工业化建设的发展迅速，家用燃气灶具热效率指标是衡量燃气灶具是否节能的一项重要指标。目前《家用燃气灶具》国家标准（GB16410-2007）对热效率的要求：对于台式家用燃气灶具的热效率应大于55%，对于嵌入式家用燃气灶具的热效率应大于50%，低于该标准热效率限定值的家用燃气灶具已明确规定不允许在市场上销售。因此，科学地测试燃气灶具的热效率对于节能灶具的推广有着至关重要的作用。

关键词：家用燃气灶具；热效率；不确定度分析

引言

家用燃气灶具作为日常生活中必不可少的厨房用具，其使用性能和安全性受到了越来越多的关注。而其使用的燃气是十分重要的能源之一，因此家用灶的节能性亦是近年来大家关注的重点。

1重要性

家用燃气灶作为日常生活必需的厨房加热烹饪器具，是消耗燃气能源的主要产品之一。我国政府逐步加大了对环保、节能产品在经济上和政策上的支持力度，随着家用燃气灶具能效限定国家强制标准的出台，各大企业纷纷加紧了对环保节能产品的研发。高效率、低排放的家用燃气灶已经成为市场的主流。红外线家用燃气灶在节能减排方面表现出色，普通的红外线燃气灶都能做到1级能效，热效率在65%以上；然而对于红外线燃气灶来说，其热效率还有很大的提升空间，对充分发挥红外线燃气灶的节能减排优势能力，提升红外线家用燃气灶的热效率尤为重要。

2优化措施分析

2.1检测用锅对热效率检测的影响

国标中所提及的灶具热效率的检测都是使用国标中规定的标准铝锅进行测试。国标中热效率的检测方法是根据灶具本身的热负荷大小来选取规定大小直径的标准铝锅进行检测，其检测数据仅仅能反映该灶具在使用类似标准铝锅时灶具的热效率，也能反映不同种类灶具热效率的高低，但不能反映灶具在使用不同种类的锅具进行烹饪时，其真实的热效率。即在使用不同形状、材质、厚度、锅底颜色的锅具时其热效率与使用标准锅时是不同。根据试验验证各种锅具其形状及材质等的不同，都会影响灶具实际使用过程中的热效率。因此灶具在使用过程中实际的热效率不仅跟灶具本身有关系，还跟进行传热的器具（即锅具）有着密不可分的关系。因此消费者在选用灶具及锅具时往往存在一定误区，没有将灶具及锅具两种产品同时考虑。消费者在选用灶具用锅具时选择任意性较大：选用的锅具形状及材质基本上和国标中的标准铝锅不同。选用锅具直径的大小及形状，未参考国标中热效率的检测方法，根据国标中规定灶具的热负荷来具体选用锅直径的大小。造成灶具与锅具两种产品配合使用后，其实际的灶具热效率偏低，造成了能源的浪费。一般来说，锅具对于燃气灶具热效率检测的影响主要分为以下几个方面：

（1）同一台灶具使用不同类型锅时对实际热效率的影响很大。

（2）对于液化气与天然气灶具使用不同类型锅的热效率变化趋势相同。

（3）以热辐射传热为主（全预混燃气灶具）及以对流传热和热传导为主（大气式燃气灶具）使用不同种类型锅的热效率变化趋势相同。

（4）在一定范围内，锅直径相对较大的，其测试的热效率越高。由于直径加大后锅的吸热面积增大，所以热效率相应提高。根据国标要求，当适当增大热负荷后，会选用直径较大的锅进行其性能测试，因此根据现国标，适当提高热负荷后，相对热效率也随之提高。

（5）锅底的颜色对灶具的热效率影响也很大。黑底锅热效率较高，由于锅底的黑度不同，造成热量吸收及反射的热量程度也不同，造成了灶具热效率的不同。从以上试验数据及分析结果，建议消费者在选用用于燃气灶具的锅具时，在选用平底锅时尽量选用与火焰接触部分颜色较深的锅，在选用尖底锅时（炒锅）尽量选用与火焰接触部分为平底且颜色較深的锅具，类似电磁炉用的炒锅。选用燃气灶应尽量选用热效率高，安全性能好的灶具。

2.2热效率测定及不确定度计算

选用一台额定热负荷为4.5kW，以天然气为气源的嵌入式家用燃气灶具，对其左眼进行热负荷和热效率测算。本文涉及的输入量多由仪器直接测量，不确定度的主要来源为仪器的示值误差或分辨率，按照均匀分布求解。根据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，均匀分布的置信因子k取，涉及的输入量有流量计内燃气压力、实测燃气消耗量；根据检定证书或校准证书提供的扩展不确定度计算区间半宽度时，k=2，涉及的输入量有实测燃气流量、大气压、燃气温度、加水量和铝锅重量、水温；饱和水蒸气压力根据燃气温度计算得到，由于其标准不确定度影响较小，这里选取经验值0.06；燃气低热值由气相色谱仪测定燃气成分，再经计算得到，其标准不确定度主要来源于标准气体的不确定度。当量加水量根据式（2）由水量和铝锅重量进行计算，不确定度来源为电子天平的示值误差，根据本试验设备的检定证书，在（0～12.5）kg时，最大允许误差为±25g，则其标准不确定度由式（7）通过线性相加的方法合成。

2.3减少辐射损失

红外线家用燃气灶加热过程中，以辐射热的交换占了五成以上，因此，减少辐射热的损失显得更为关键。而众所周知，红外线也是一种电磁波，遵循着直线传播的特性，因此，在红外线辐射器的外围增加反射罩聚能环，将散逸的红外线经反射再利用，不仅能减少损失，还能增加烹饪锅具对辐射热的吸收量。

2.4水终温确定的变化对热效率检测的影响

家用燃气灶具热效率检测水终温的确定对热效率值有着重要的影响。GB16410-2007中水终温的确定方法为试验检测水量达到试验温升要求后，关闭燃气继续搅拌水所达到的最高温度。如果燃气灶具本身的结构不发生变化，若将原本燃气灶具的不锈钢锅架替换成蓄热量较大的铸铁厚锅架，在燃气灶具本身结构不变的情况下会对燃气灶具的检测热效率值产生较大的影响。选取B款天然气台式家用燃气灶具，并通过选用相同锅架高度的不锈钢锅架和铸铁厚锅架进行热效率的检测。实验可知：同一台家用燃气灶具采用不锈钢锅架和铸铁厚锅架检测得到的热效率值相差较大，这主要是由于热效率检测时水终温确定的变化所造成的。当水终温变成检测水量达到试验温升要求后，关闭燃气继续搅拌水所达到的最高温度，由于不锈钢锅架在加热后其锅架本身所存储的热量不多，即使关闭燃气继续搅拌水的水温上升有限，而铸铁厚锅架在加热后其锅架本身所存储的热量较多，可以使关闭燃气后继续搅拌水的水温持续不段上升，会使检测得到的热效率值升高。

结语

设计高低起伏的多维空间多孔陶瓷辐射器表面，其截面呈正弦波或方波状，有效增加其表面辐射面，提高辐射热；设置保温仓，使用密封的底壳，迫使灶具内部的空气通过预设通道方可进入灶具内部，再由燃气引射到燃烧器混合腔进行混合，回收利用了燃烧中没有参与热交换部分的损失热，降低燃烧前后混合气体的焓差，有效提高了燃烧温度，从而提高了辐射换热及对流换热的效果，达到提高热效率的目的。

参考文献

[1]严铭卿.燃气工程设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2008：854-858.

[2]同济大学等.燃气燃烧与应用.北京：中国建筑工业出版社,2011：71-78

[3]杨世铭,陶文铨.传热学.北京：高等教育出版社,2006：197-211