燃氣蒸箱熱效率測試與計算方法的研究

上海酒店設備工程成套有限公司 張健

燃氣蒸箱熱效率測試與計算方法的研究

上海酒店設備工程成套有限公司 張健

文章主要介紹了燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法，并就不同的熱效率測試與計算方法進行相關分析與探討，結合分析探討內容以及燃氣蒸箱的實際使用情況對熱效率的測試與計算方法提出相關建議。

燃氣蒸箱 測試 加熱效率 蒸發(fā)效率 綜合效率 能效要求

燃氣器具產品的熱效率指標——作為評價是否節(jié)能的指標已得到廣泛關注，但關于燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法在以前卻沒有到足夠的重視。對燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法的研究，對于準確判定目前燃氣蒸箱的能效水平、提出能效指標和推廣節(jié)能產品有著至關重要的作用。

1 燃氣蒸箱熱效率測試與計算方法

1.1 行業(yè)標準《燃氣蒸箱》(CJ/T 187—2003)(簡稱燃氣蒸箱標準)

目前使用的燃氣蒸箱標準對燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法有如下表述：

(1)實驗室環(huán)境要求：實驗室溫度為20±15 ℃，在每次實驗過程中室溫波動應小于±5 ℃。

(2)實驗用水量要求：檢驗用鍋即蒸箱箱體鍋，往鍋里加滿水(溢流管下)，取出25%的水量，所剩水量即為實驗用水量。

(3)實驗測試與計算方法要求：在供給額定燃氣壓力的標準氣條件下點燃燃燒器，溫度計由鍋中心插入水深1/2處，水初溫取室溫加5 ℃，水終溫取初溫加45 ℃，按下式計算熱效率。

其中：η—蒸箱的熱效率，%；

G—加熱的水量，kg；

C—水的比熱容，0.0042MJ/(kg·℃)；

V—實測燃氣流量，m3；

Q—燃氣低熱值，MJ/m3；

tg—通過燃氣流量計的燃氣溫度，℃；

Pamb—試驗時的大氣壓力，kPa；

Pg—灶前燃氣壓力，kPa；

Pv—飽和水蒸氣壓力，kPa。

(4)對于熱效率要求：熱效率應大于等于40%。

1.2 浙江省地方標準《商用燃氣灶具能效等級》(DB33/T 777—2010)(簡稱浙江燃具等級標準)

2010年3月5日實施的浙江燃具等級標準中關于燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法有如下描述：

(1)實驗室環(huán)境要求：實驗室溫度為20±15 ℃，在每次實驗過程中室溫波動應小于±5 ℃。

(2)實驗用水量要求：檢驗用鍋即蒸箱箱體鍋，往鍋里加入實驗用鍋體積的 75%的水量作為實驗用水量。

(3)實驗測試與計算方法要求：在供給額定燃氣壓力的標準氣條件下點燃燃燒器，將箱門關閉緊鎖，水初溫取水溫，從蒸箱液位儀或蒸汽管處放入溫度計探頭至水深1/2處，水終溫取初溫加45 ℃，到終溫時將水排入特制保溫桶內，攪拌后測試水溫作為實際終溫，同時秤重排出水量。按公式(2)計算熱效率。

其中：m—加熱的水量，kg；

t2—水的終溫，℃；

t1—水的初溫，℃。

(4)對于熱效率要求：該標準對熱效率的要求進行了能效等級分級，主要分為3級要求，見表1：

表1 浙江省地方標準對燃氣蒸箱熱效率分級表

1.3 上海廚房設備評定標準討論稿

上海廚房設備評定標準討論稿，其中關于燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法有如下的描述：

(1)實驗室環(huán)境要求：實驗室溫度應為20±5℃，在每次實驗過程中室溫波動應小于±2℃。

(2)實驗裝置準備；按圖1所示整箱左方連接在額定燃氣壓力下燃氣流量表裝置，右方是由電子秤顯示的直讀補水裝置。

①盛水容器(容積約20 L)鋁桶或鋁鍋；

②數字顯示式電子秤(≥20 kg)，盛水容器置于電子秤上(去皮后)，使容積加水到90 %的水量(約18 kg 左右)；

③增壓泵(220 V/AC、額定揚程為8.5 m、流量10 L/min)，增壓泵的吸水管騰空插在容器冷水內(離容器底部約1 cm)。

圖1 該討論稿中燃氣蒸箱熱效率測試裝置

(3)實驗測試與計算方法要求：蒸箱產生蒸汽后，關閉進水閥1，同時打開補水閥2和開啟增壓泵電源，穩(wěn)定運行15 min左右，至蒸箱穩(wěn)定產生蒸汽，并且各部件處于熱平衡狀態(tài)，并觀察電子秤讀數呈均勻下降；

①再次對盛水容器補水到90%水量，穩(wěn)定5 min后，用秒表對燃氣流量消耗和水量消耗同步計時，并記錄燃氣流量表V1與電子秤G1的初讀數；

其中：G1—熱效率測試前的電子秤初讀數，kg；

G2—熱效率測試前的電子秤終讀數，kg；

t—冷水的溫度，℃；

2.26 —水的蒸發(fā)潛熱，MJ/kg；

V2-V1—燃氣耗量(標準狀態(tài))，m3；

Q—測試燃氣低熱值(標準狀態(tài))，MJ/m3。(4)對于熱效率要求：該討論稿對熱效率的要求同樣進行了能效等級分級，根據熱負荷的不同進行了不同的能效等級要求，具體見下表：

表2 討論稿對燃氣蒸箱熱效率能效等級分級

2 蒸箱熱效率測試與計算方法的分析

2.1 燃氣蒸箱標準

燃氣蒸箱標準中對于熱效率測試與計算方法和其他燃氣具標準對熱效率測試與計算方法相同，主要是通過對一定水量的加熱實現(xiàn)水溫的上升而計算加熱效率，加熱效率的高低可以反映出燃氣蒸箱加熱溫升速度的快慢。對于靜止的燃氣蒸箱水箱箱體內的水量，從位于水箱箱體底部的燃燒器燃燒加熱水量，使水溫逐漸上升，但由于水箱箱體內的水無法攪拌，以達到均勻水箱箱體內水量的水溫的目的，位于水深1/2處的溫度計所測試到得水溫僅是該區(qū)域的水溫，而水箱箱體內的水溫一般是上面水溫較高，下面水溫較低，兩者相差比較大，對于溫升的判斷容易產生較大的誤差，從而對熱效率的測試與計算產生不確定性，測試得到的熱效率值會很難直觀反映出燃氣整箱的真實熱效率情況。另一方面，目前燃氣蒸箱的熱效率指標在行業(yè)標準中尚屬于B類指標，不是強制性指標，而且對于效率的要求僅為大于40%，顯然是缺少實際調查分析的。

2.2 浙江燃具等級標準

浙江燃具等級標準中對于燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法與國家行業(yè)標準燃氣蒸箱標準中對于燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法相似，只是對于加熱水量水終溫的確定有所不同，其將實際終溫的確定為水量加熱并排入特制保溫桶內攪拌后的水溫，雖然攪拌后的水溫能達到一定的均勻性，可以減少水終溫確定所產生的誤差性，但存在著如下的問題：首先，燃氣蒸箱水箱箱體的排水口一般設置在水箱箱體的底部便于在實際使用過程中排水，只有將特制保溫桶的水入口設置的比燃氣蒸箱水箱箱體的排水口低，才能將水箱箱體內的水排入特制保溫桶，而若特制保溫桶的水入口設置過低，當排入的水浸沒水入口時，水箱箱體的排水速度將減慢，因此，對于特制保溫桶的水入口合理設置是需要解決的問題，其直接關系到如何將燃氣蒸箱水箱箱體內的水排盡至特制保溫桶；其次在沒有輔助設備(如增壓泵)的情況下，要將燃氣蒸箱水箱箱體內的水快速排到特制保溫桶內是不可能實現(xiàn)的，由于水量在排入過程中存在著散熱損失，排水時間越長損失越大；最后，在整個攪拌過程中尚還存在著攪拌過程熱量損失。以上這些問題都會對水終溫的確定產生影響，進而直接影響到燃氣蒸箱加熱效率的計算，對加熱效率的判斷產生誤差性。

2.3 上海廚房設備評定標準討論稿

上海廚房設備評定標準討論稿中對于燃氣蒸箱熱效率的測試與計算方法有了較大的改變：

(1)對于實驗室環(huán)境溫度要求更為嚴格，減少了實驗室環(huán)境溫度的波動對燃氣蒸箱熱效率測試所帶來的誤差。

(2)燃氣蒸箱熱效率的測試方法更為詳細，更為符合用戶的實際使用情況。

(3)燃氣蒸箱熱效率的計算方法考慮更為全面，更能客觀合理地反應燃氣蒸箱的實際熱效率情況。

但三個標準中均僅對實驗室環(huán)境溫度作出了規(guī)定，均未對實驗供給冷水溫度作出要求，而熱效率計算公式中卻涉及到冷水溫度，而冷水溫度的高低(主要是冬天和夏天的冷水溫度相差很大)會對熱效率的計算將產生一定的影響。假設在其他測試數據不變的情況下，計算冷水溫度分別為5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃和 35 ℃情況下的熱效率值，變化情況如下表所示：

表3 冷水溫度變化對熱效率計算的影響

從表3分析可知，冷水溫度不同對熱效率的計算有著較大的影響，因此，建議對實驗供水溫度要求同樣作出相關規(guī)定，可以參照《家用燃氣快速熱水器和燃氣采暖熱水爐能效限定值及能效等級》(GB 20665—2006)中進水口冷水溫度要求：20±2 ℃。減少由冷水溫度變化對熱效率計算帶來的影響，特別是夏天和冬天的情況下，兩者之間由于冷水溫度的變化會使熱效率產生3%左右的變化。

目前由于蒸箱熱效率測試方法的不同，造成對熱效率的計算公式尚存在不同的意見，主要分為加熱效率和蒸發(fā)效率，如燃氣蒸箱標準中燃氣蒸箱的熱效率測試方法與計算公式(1)和浙江燃具等級標準中燃氣蒸箱的熱效率測試方法與計算公式(2)測試計算所得到的熱效率值均為加熱效率；上海廚房設備評定標準討論稿中燃氣蒸箱的熱效率測試方法與計算公式(3)測試計算所得到的熱效率值為蒸發(fā)效率。加熱效率的高低反映出的是燃氣蒸箱加熱溫升速度的快慢，蒸發(fā)效率的高低則反映出的是燃氣蒸箱蒸煮食物速度的快慢，從蒸箱其本身的作用來說蒸發(fā)效率比加熱效率更符合對燃氣蒸箱熱效率的評價。

3 實驗測試分析燃氣蒸箱熱效率

按照上海廚房設備評定標準討論稿中圖1所示連接燃氣蒸箱進行熱效率測試與計算，在實驗測試過程中，發(fā)現(xiàn)在相同測試狀態(tài)下數次測試計算燃氣蒸箱的熱效率值有所誤差，而且有時會出現(xiàn)連續(xù)數次熱效率的偏差在平均值的5%以上，根據燃氣具產品熱效率的測試方法的要求，如《家用燃氣灶具》(GB 16410—2007)中關于熱效率測試的要求：同一條件下作兩次以上試驗，連續(xù)兩次熱效率的差在兩次平均值的5%以下時，取平均值作為實測熱效率，否則應重新試驗，直到合格為止。因此，有時數次測試得到的燃氣蒸箱熱效率值的平均值將很難客觀反映燃氣蒸箱的實際熱效率，則有必要對燃氣蒸箱熱效率的測試過程進行分析。按圖1所示連接一臺以天然氣為氣源的燃氣蒸箱進行單位時間內的補水量測試，在燃氣蒸箱產生蒸汽后測試單位時間內的補水量，如圖2所示；

從圖2分析可知：燃氣蒸箱在產生蒸汽后繼續(xù)燃燒，前十幾分鐘內單位時間內的補水量逐漸上升，到后十幾分鐘單位時間內的補水量則相對穩(wěn)定，但波動幅度相對較大。這是由于雖然測試起始階段在燃氣蒸箱產生蒸汽后，但蒸箱水箱箱體內的冷水尚未全部燒開，蒸汽是由蒸箱水箱箱體內的上部分水燒沸后所產生的，此時蒸箱水箱箱體內的水溫由于不能攪拌，水溫是不均勻的，蒸箱水箱箱體內的下部分水仍處在較低的溫度，即整個水箱尚未達到基本熱平衡狀態(tài)，水溫是上高下低，到整個水箱箱體內的水全部燒開并達到基本熱平衡尚需一段時間，所以前期燃燒所產生的熱量不僅要加熱產生蒸汽，而且還需要加熱水箱箱體下部的冷水，所以前期單位時間的補水量相對較少，這段時間的補水量不能作為燃氣蒸箱蒸發(fā)熱效率計算的一部分。而隨著水箱箱體內下部水溫的逐漸上升，燃燒所產生的熱量更多的用于產生蒸汽，所以單位時間內的補水量呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。

由于燃氣蒸箱燃燒補水整個過程都是通過增壓泵完成的，雖然標準中對增壓泵的規(guī)格作出了要求，但對供水壓力沒有任何規(guī)定，通過增壓泵供水會出現(xiàn)兩個問題：

(1)增壓泵補水壓力的變化會對補水量的多少產生極大的影響，造成補水量波動幅度較大，如圖2所示后十幾分鐘單位時間內補水量的趨勢，而造成增壓泵補水壓力變化的因素也很多，如短時間電壓波動會使增壓泵供水壓力變化造成補水量波動等；

(2)通過增壓泵補水是否會對冷水在通過增壓泵后的水溫產生一定的影響，即是否會使增壓泵前后的冷水溫度有所不同。

鑒于此，建議在增壓泵出口處安裝水流量穩(wěn)壓閥、水壓力表和水銀溫度計，三者的安裝可以解決上述出現(xiàn)的問題：

(1)水流量穩(wěn)壓閥的安裝有利于穩(wěn)定供水壓力，這樣可以避免補水壓力的波動對補水量產生較大的波動；

(2)水壓力表的安裝有利于監(jiān)測整個補水過程中的水壓情況，并且可以通過水流量穩(wěn)壓閥的調節(jié)將測試時的補水水壓進行統(tǒng)一，使測試數據更具可比性；

(3)水銀溫度計的安裝可以監(jiān)測整個補水過程中冷水溫度的情況，并且將增壓泵出口的水溫作為整個測試過程中的冷水溫度，可以避免增壓泵使用前后對供水溫度產生的影響。

在燃氣蒸箱上安裝水流量穩(wěn)壓閥、水壓力表和水銀溫度計后重新測試該臺以天然氣為氣源的燃氣蒸箱單位時間內的補水量，在燃氣蒸箱產生蒸汽后測試單位時間內的補水量變化趨勢見圖3。

由圖2與圖3對比可知：在增壓泵后安裝水流量穩(wěn)壓閥，可以減少在達到基本熱平衡后單位時間內補水量的波動性，而且可以通過水壓力表監(jiān)測整個實驗過程中進水壓力是否發(fā)生變化，進水壓力的變化對于補水量的多少將會產生較大的影響，進而影響到燃氣蒸箱熱效率的正常測試。

眾所周知，燃氣蒸箱的燃燒使用過程可分為如下幾個階段：第一階段為燃氣蒸箱冷態(tài)開始燃燒至冒出少量蒸汽(需耗時10～15 min)，即加熱水箱箱體內水的過程；第二階段為在燃氣蒸箱產生少量蒸汽的同時，開始緩慢補水至產生大量蒸汽并進入相對較大補水量狀態(tài)(需耗時10～15 min)，即使水箱箱體內水達到熱平衡狀態(tài)的過程；第三階段為剛開始的相對較大補水量在單位時間內尚未穩(wěn)定，還存在波動性且需要持續(xù)一段時間(需耗時 10～15 min)才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，即蒸發(fā)穩(wěn)定狀態(tài)；第四階段為穩(wěn)定產生大量蒸汽，且單位時間內的補水量變化很小，近似于達到恒定狀態(tài)。下面通過圖4來分析下第三階段和第四階段的熱效率測試實驗情況：

圖4 燃氣蒸箱燃燒時間與熱效率變化趨勢

從圖4分析可知：

(1)第三階段由于單位時間內補水量的波動造成這階段的熱效率值也在隨著發(fā)生波動，不能達到較為穩(wěn)定的狀態(tài)；

(2)第四階段前期單位時間內補水量較為穩(wěn)定，使單位時間內的熱效率值較為穩(wěn)定；

(3)第四階段中期由于在測試過程中對盛水容器進行注水，造成單位時間內補水量發(fā)生波動，而且波動持續(xù)一端時間后趨于穩(wěn)定，造成該段時間內的熱效率值相對偏低，因此，在實驗過程中應避免對盛水容器進行注水，這樣會使測試得到的最終蒸發(fā)效率值相對偏低。

(4)第四階段中后期由于在實驗過程中將燃氣蒸箱的門打開，造成蒸箱背壓下降，同時大量蒸汽散失，補水量瞬時大量增加，造成熱效率的波動，而且關門后單位時間內補水量的穩(wěn)定同樣也需要一段時間，造成該段時間內的熱效率值相對偏高，因此，在實驗過程中應避免對燃氣蒸箱門的開啟，這樣會使測試得到的最終蒸發(fā)效率值偏高。

4 燃氣蒸箱熱效率測試與計算方法的建議

結合燃氣蒸箱的主要用途及實驗測試分析影響燃氣蒸箱熱效率的各因素，選擇蒸發(fā)效率作為評價燃氣蒸箱熱效率的主要指標，為盡量減少并避免各測試因素對燃氣蒸箱熱效率的影響，建議：

(1)實驗室環(huán)境要求：實驗室溫度應為20±5℃，在每次實驗過程中室溫波動應小于±2℃。

(2)實驗用冷水要求：實驗室用冷水溫度應為20±2℃。

(3)實驗裝置準備；按圖5所示蒸箱左方連接在額定燃氣壓力下燃氣流量表裝置，右方是由電子秤顯示的直讀補水裝置。

圖5 燃氣蒸箱熱效率測試裝置(建議)

其中：

①盛水容器(容積約40 L)鋁桶或鋁鍋；

②數字顯示式電子秤(≥50 kg，精度達20 g)，盛水容器置于電子秤上(去皮后)，使容積加水到90%的水量(約36 kg)；

③增壓泵(220 V/AC、額定揚程為8.5 m、流量10 L/min)，增壓泵的吸水管騰空插在容器冷水內(離容器底部約1 cm)。

(4)整個實驗過程中不得開啟燃氣蒸箱的箱門。

(5)熱效率的測試與計算方法：

①打開進水閥和開啟增壓泵進行補水，補水壓力為0.2 MPa，補水完成后打開燃燒器燃燒，待蒸箱中的冷水燒沸后即剛開始產生蒸汽，穩(wěn)定運行30 min左右，至蒸箱達到水箱每分鐘所對應冷水補水量(誤差為±10%內)基本趨向較均勻范圍時，即觀察到電子秤上補水的讀數呈均勻下降，則可認為蒸箱達到了基本熱平衡狀態(tài)，此階段所產生的蒸汽在蒸箱中各部件都處于熱平衡狀態(tài)；

②再次對盛水容器補水到 90%的水量，穩(wěn)定10min后，用秒表對燃氣流量消耗和水量消耗同步計時，并記錄燃氣流量表V1與電子秤G1的初讀數；

③記錄增壓泵后的水銀溫度計的溫度作為冷水溫度t；

④穩(wěn)定運行20 min后，同步關閉燃氣總閥和增壓泵電源并記錄燃氣表V2和電子秤G2的終讀數。按公式(4)計算熱效率。

(6)同一條件做兩次以上熱效率測試實驗，連續(xù)兩次熱效率的差在平均值的5%以下時，取平均值作為實測熱效率，否則應重新實驗，直到合格為止。

5 小結

(1)燃氣蒸箱的熱效率可以分為：加熱效率、蒸發(fā)效率。加熱效率反映的是(前期)燃氣蒸箱水箱箱體內冷水加熱速度的快慢；蒸發(fā)效率反映的是(后期)燃氣蒸箱產生蒸汽蒸煮食物速度的快慢。

(2)從燃氣蒸箱主要作用考慮出發(fā)，相對于加熱效率，蒸發(fā)效率更能體現(xiàn)燃氣蒸箱的效率指標。

(3)燃氣蒸箱蒸發(fā)效率的測試裝置中應增加水流量穩(wěn)壓閥、水壓力表和水銀溫度計，減少供水壓力波動對蒸發(fā)效率測試的影響。

(4)影響燃氣蒸箱蒸發(fā)效率測試的因素有很多：燃氣蒸箱箱體是否達到熱平衡；增壓泵供水壓力的大小；實驗過程中對盛水容器進行注水使補水量發(fā)生波動；實驗過程中開啟燃氣蒸箱門造成補水量增加等，在實驗測試時都需要加以注意。

(5)建議行業(yè)標準盡快統(tǒng)一燃氣蒸箱的熱效率測試與計算方法，測試與計算方法不統(tǒng)一將對各地區(qū)燃氣蒸箱熱效率值的對比產生較大的誤差，而且不具可比性。

(6)目前行業(yè)標準中的熱效率指標僅為 B類指標，建議在統(tǒng)一熱效率測試與計算方法的同時，將熱效率指標作為強制性考核指標，并對熱效率指標進行能效等級劃分，低于最低能效熱效率值的燃氣蒸箱不允許上市銷售，以淘汰高能效產品，推廣節(jié)能產品，節(jié)約燃氣能源。

②運行15 min，同步關閉燃氣總閥和增壓泵電源并記錄燃氣表V2和電子秤G2的終讀數。按下式中任意一個計算熱效率。

Thermal efficiency test and calculation method of gas steamer oven

Shanghai Catering Equipment Co., Ltd. Zhang Jian

In this paper, the industry standard CJ/T187-2003 "Gas steaming oven"; Zhejiang local standard DB33/T777-2010"Energy efficiency grades for commercial gas stoves" and Shanghai local standard "Commercial gas kitchen energy efficiency and environmental quality evaluation standard" (draft) in the gas steam tank heat efficiency of the test and calculation methods and different thermal efficiency of the test and calculation methods related to analysis and discussion, combined with analysis of content and gas steaming oven actual situation on the thermal efficiency of the test and calculation of relevant recommendations.

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