多孔陶瓷板紅外線燃?xì)庠罹呷紵苄匦蕴骄?/h1>
2014-06-28 13:22:02戴奕藝等
佛山陶瓷 2014年2期 關(guān)鍵詞：節(jié)能
戴奕藝等
摘 要：本文從紅外線家用燃?xì)庠畹淖陨斫Y(jié)構(gòu)和燃燒原理出發(fā)，分析多孔陶瓷板紅外線燃?xì)庠罟?jié)能高效的特性，并對影響紅外線燃?xì)庠顭嵝实母鞣N因素進(jìn)行探討，研究不同灶具標(biāo)準(zhǔn)試驗方法、不同測試環(huán)境條件，以及使用不同鍋具等，與紅外線灶熱效率的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：多孔陶瓷；紅外線燃?xì)庠睿粺嵝蕼y試；節(jié)能
1 前言
在倡導(dǎo)低碳節(jié)能概念的今天，節(jié)能燃?xì)庠畹钠占耙殉蔀槿細(xì)庠罹咝袠I(yè)發(fā)展的趨勢。紅外線燃?xì)馊紵夹g(shù)是一種較先進(jìn)的燃燒技術(shù)，使用陶瓷板紅外線燃燒器的燃?xì)庠罹?，具有加熱均勻，熱效率高，煙氣中有害成分少的特點(diǎn)[1]。二十世紀(jì)八九十年代以來，國內(nèi)一些燃?xì)庠罹咂髽I(yè)如廣州紅日，開始致力于陶瓷板紅外線燃燒器灶具的生產(chǎn)和研發(fā)，其“高紅外發(fā)射率多孔陶瓷節(jié)能燃燒器技術(shù)”更是作為國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行推廣，對節(jié)能技術(shù)的普及應(yīng)用起到重要推動作用。
家用燃?xì)庠畹臒嵝适呛饬咳細(xì)庠钍欠窆?jié)能的一項重要指標(biāo)。灶具的結(jié)構(gòu)和熱效率試驗條件變化，使得熱效率測試值存在不確定性，通過探索相關(guān)因素的影響作用來提高燃?xì)庠罹邿嵝?，一直是行業(yè)人員研究的熱點(diǎn)[2～5]。另據(jù)行業(yè)信息稱，灶具新國標(biāo)修訂草案及灶具產(chǎn)品能效標(biāo)識實施討論方案中，將會對燃?xì)庠罹邿嵝实臏y試方法及性能指標(biāo)作進(jìn)一步要求。
本文從陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹娜紵绞胶徒Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，對影響陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠顭嵝实囊蛩剡M(jìn)行探索，以便為紅外線灶具的研發(fā)和從事測試灶具熱效率性能的技術(shù)人員提供理論參考。
2 陶瓷板紅外線燃?xì)庠畹慕Y(jié)構(gòu)特性
多孔陶瓷板燃?xì)饧t外輻射器最早可追溯到上世紀(jì)四十年代[6]，我國紅外燃燒技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能型燃?xì)庠罹咭延?0多年歷史，經(jīng)前人努力，該技術(shù)已造福千家萬戶。
家用陶瓷板紅外線燃?xì)庠畹娜紵?，由頭部多孔蜂窩陶瓷板和底部空氣預(yù)混腔構(gòu)成，如圖1所示。燃燒器工作時，所需要的空氣由引射器吸入，在預(yù)混腔體內(nèi)，燃?xì)饫靡淦黝A(yù)混了燃?xì)馊紵枰娜靠諝饬浚諝膺^剩系數(shù)α=1.03～1.06）[7]，燃?xì)?空氣混合物在陶瓷板的數(shù)千個小孔道溢出進(jìn)行燃燒，將板面加熱到赤紅狀態(tài)，溫度達(dá)到800～900 ℃，此時燃燒接近無焰狀態(tài)，板面和高溫?zé)煔鈱Υ毒哌M(jìn)行輻射和對流加熱。如圖2所示，燃燒器和鍋底之間是一種熱波轉(zhuǎn)換的傳熱方式，相比主要靠火焰對流傳熱給鍋底的大氣式灶具，紅外線灶具特有的紅外輻射傳熱，具有傳熱速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而避免因火焰與鍋底的接觸時間短暫，導(dǎo)致大量熱量未被利用就散發(fā)至空間的問題出現(xiàn)，優(yōu)越性顯著。
由于紅外線燃?xì)庠钆c大氣式燃?xì)庠畹娜紵蛡鳠岱绞讲煌?，其熱效率也不同。根?jù)GB16410-2007《家用燃?xì)庠罹摺窏l款6.14表21中熱效率的實驗方法，如圖3所示，將陶瓷板紅外線燃?xì)庠钆c大氣式灶具進(jìn)行實驗對比。
從圖3可以看出，廣州紅日燃具公司的嵌入式陶瓷板紅外線燃?xì)庠顭嵝首罡呖蛇_(dá)68%，比普通大氣式嵌入式灶可高出10%左右。
紅外線燃?xì)庠钪跃哂懈邿嵝手饕幸韵聨追矫嬖颍菏紫?，燃燒器采用完全預(yù)混及無焰催化燃燒技術(shù)，燃?xì)庠谌紵跋扰c足夠的空氣混合，輻射板上均勻分布的眾多燃燒火孔，使得燃燒更加充分，減少了燃?xì)狻盎瘜W(xué)能”損失；同時，全預(yù)混及無焰催化燃燒，燃?xì)饫靡鋼羝黝A(yù)混了燃?xì)馊紵枰娜靠諝饬浚諝膺^剩系數(shù)α=1.03～1.06），燃?xì)?空氣混合物以0.1～0.14 m/s的速度從陶瓷板數(shù)千個小孔道溢出進(jìn)行燃燒，遠(yuǎn)低于大氣式燃燒器1.0～3.5 m/s的速度，而且不需要從周圍獲取二次空氣，因此燃燒產(chǎn)生的廢氣量少，以煙氣對流形式帶走的熱能也較少。其次，在熱交換率方面，對于加熱非反射性的鍋體，紅外線灶具工作時通過輻射傳熱的效率顯著高于對流和熱傳導(dǎo)兩種方式。陶瓷板紅外燃燒器的火孔密集，燃燒時火力集中，向外圍空間輻射和對流散失的熱能相對少。此外，紅外線燃燒器的多孔陶瓷板導(dǎo)熱系數(shù)小，向下散熱少。
3 影響紅外線燃?xì)庠顭嵝实囊蛩?/p>
燃?xì)庠罹叩臒嵝手饕怯善渥陨淼慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和換熱方式?jīng)Q定的，另外也和用戶在使用過程的環(huán)境條件和烹飪習(xí)慣有關(guān)系。
3.1 紅外線灶自身結(jié)構(gòu)對熱效率的影響
從灶具自身結(jié)構(gòu)性能方面來考慮，燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗等都是影響熱效率的關(guān)鍵因素。
從紅外輻射理論和計算來分析，燃?xì)庠罹咴趯﹀伡訜釙r，燃?xì)饨?jīng)過預(yù)混，在瓷片上部燃燒，使得瓷片表層熾熱發(fā)射紅外線，燃燒器與鍋底之間形成一個熱平衡的區(qū)域。陶瓷板紅外線燃?xì)庠顚﹀伡訜釙r，除了高溫?zé)煔獾膶α骱洼椛浼訜嵬?，陶瓷板的輻射加熱要占很大的一部分。相對于對流傳熱，紅外輻射傳熱的效率更高，因此提高紅外輻射的比例，有利于提高灶具的總熱效率。根據(jù)紅外燃燒理論[8]輻射傳遞經(jīng)驗公式可寫為：
式中：Фf—輻射傳熱強(qiáng)度-（功率），單位kW
A—陶瓷板有效輻射板面積，單位m2
ε1、ε2—瓷片和鍋底灰度
￠12—輻射角系數(shù)
C0—黑體輻射常數(shù)（5.67 W/m2·K4）
T1、T2—瓷片和鍋底表面平均溫度
從（1）式中可看出，紅外熱輻射正比于輻射面大小、輻射體和吸收體灰度、輻射角系數(shù)以及輻射體溫度。因此，在燃燒器熱負(fù)荷一定的條件下，提高紅外熱輻射量采取以下措施：
（1） 增大燃燒器輻射面積A，可通過增加瓷片表面形狀凹凸度來實現(xiàn)。
（2） 增加瓷片和鍋具灰度。在瓷片表面噴涂紅外高輻射率的黑色涂層，同時選擇表面深色的鍋具，有利于增加紅外輻射吸收。
（3） 增大角系數(shù)￠12，因為角系數(shù)反比于瓷片與鍋底之間的距離，可通過降低鍋支架高度來實現(xiàn)。
（4） 提高瓷片溫度，選用更耐高溫的瓷片。
在降低熱損耗方面，通過增加防紅外輻射外散罩具，可減少燃燒器對周圍空間的輻射熱損耗。使用導(dǎo)熱系數(shù)低的材質(zhì)，減少燃燒器自身向下散失的熱量。增加鍋體表面的粗糙度，延長對流形式的熱流和煙氣與鍋具的接觸時間，減少燃燒煙氣帶走熱量。設(shè)計鍋支架的適宜形狀，充分利用鍋支架的余熱，這些措施均有利于熱效率的提升。endprint
3.2 紅外線灶具在不同測試條件和試驗方法下的效率差異
現(xiàn)行家用燃?xì)庠罹邍覙?biāo)準(zhǔn)GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃?xì)鈼l件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴(yán)格規(guī)定[9]，但是在紅外線灶具的測試研究過程中，或者產(chǎn)品用戶的實際使用中，都會遇到不同于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試條件的情況，因此需探討紅外線灶具在不同使用條件下的熱效率測量情況。
3.2.1環(huán)境溫度和風(fēng)對熱效率的影響
GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風(fēng)速在灶具周圍1 m處不大于0.3 m/s，但是實際的灶具使用的環(huán)境條件，特別是寒冬酷暑以及室內(nèi)通風(fēng)時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風(fēng)速都與理想狀態(tài)存在差異。
對比不同室內(nèi)環(huán)境溫度下紅外線灶具樣機(jī)（天然氣12 T，左右爐額定功率3.51 kW）的數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可見，熱效率與環(huán)境溫度近似呈正比例關(guān)系，即環(huán)境溫度越低，因灶具燃燒器本身和被加熱鍋體對外圍冷環(huán)境傳遞的損失熱量越大，煙氣流加熱冷空氣帶走更多熱能，熱效率也更低。環(huán)境溫度高的時候，燃燒器預(yù)混燃燒時空氣帶入的熱量相對較高，同時灶具、鍋體對外環(huán)境散失的熱量減少，從而使熱效率有所上升。另一方面，從圖5的有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)對比來看，燃燒器周邊的空氣流動會顯著地降低熱效率。
3.2.2燃?xì)鈼l件對熱效率的影響
我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤舛嘣奶攸c(diǎn)，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃?xì)鈼l件包括燃?xì)夥N類、溫度、壓力、熱值等。
通過對一臺以天然氣12 T為氣源的紅外線灶樣機(jī)，在16～30 ℃燃?xì)鉁囟认逻M(jìn)行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃?xì)鉁囟鹊纳仙?，熱效率隨之上升，這是因為燃?xì)鉁囟壬邘氲奈锢頍嵋矔黾尤紵臒崃俊?/p>
相同熱負(fù)荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進(jìn)行熱效率對比試驗，結(jié)果如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，在相同熱負(fù)荷時，使用液化氣時紅外線灶測得的熱效率比使用天然氣時的高。
在使用罐裝液化石油氣的時候，鋼瓶不同部位的燃?xì)庑再|(zhì)與測試界限氣的狀況相當(dāng)。圖6是使用液化石油氣的紅外線灶在使用其界限氣時的熱效率對比圖。表3給出了試驗中各氣源的熱值數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖6和表3來看，使用黃焰界限氣丁烷時熱效率較高，即燃?xì)鉄嶂翟礁邷y得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃?xì)鈺r，消耗的燃?xì)怏w積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃?xì)鈮毫ο碌臒嵝蕦Ρ冉Y(jié)果，從中不難看出，當(dāng)燃?xì)鈮毫υ龃髸r，熱效率降低，這是因為燃?xì)饬魉僭黾樱瑫敫喽慰諝?，同時燃燒器產(chǎn)生的熱流與鍋底接觸熱交換時間變短，導(dǎo)致熱效率有所降低。
3.2.3試驗用鍋的影響
在家用燃?xì)庠罹叩膶嶋H使用過程中，用戶往往使用到不同大小或類型的烹飪?nèi)萜?，因此，需對不同試驗鍋紅外灶具的效率情況進(jìn)行探討。
（1） 不同直徑試驗鍋熱效率
在GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)的熱效率試驗方法中，規(guī)定了試驗用鍋的形狀大小等參數(shù)，同時，也指定了不同實測熱負(fù)荷時選用的上、下限試驗鍋。
設(shè)定取實測熱負(fù)荷為2.99 kW的紅外線燃燒器，分別對直徑為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm、32 cm的國標(biāo)試驗鋁鍋進(jìn)行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導(dǎo)致鍋底熱強(qiáng)度值變化，按照GB16410-2007定義：
鍋底熱強(qiáng)度q=實測熱負(fù)荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強(qiáng)度單位為W/cm2。
對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強(qiáng)度值列于表4。
通過試驗得到的不同鍋底熱強(qiáng)度對熱效率影響關(guān)系如圖8所示，熱效率反比于鍋底熱強(qiáng)度，即鍋直徑越大，測得熱效率越高。
（2） 鍋底灰度
試驗用鍋對紅外線灶具的熱效率影響還體現(xiàn)在鍋底的灰度上，對幾組使用表面光亮的新鋁鍋和表面氧化無光澤灰鍋進(jìn)行熱效率對比，具體結(jié)果如表5所示。結(jié)合表5來看，在有金屬亮光的新鍋上測得的熱效率與無光澤灰鍋的熱效率相差達(dá)8%。
（3） 不同類型試驗鍋效率
目前，灶具標(biāo)準(zhǔn)中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標(biāo)鍋）、歐標(biāo)EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標(biāo)鍋）以及新國標(biāo)草案的蘇泊爾平鍋。此外，用戶在日常生活中還常使用到黑底炒鍋、陶瓷瓦鍋等。同按現(xiàn)行國標(biāo)GB16410-2007規(guī)定的試驗方法，得到各種類型鍋的熱效率結(jié)果如圖9所示。從圖9看出，對于紅外線灶具，使用黑底炒鍋和類似歐標(biāo)和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較差，熱效率較低。
（4） 不同標(biāo)準(zhǔn)體系測試方法的熱效率差異
在不同標(biāo)準(zhǔn)中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異。現(xiàn)行灶具國標(biāo)GB16410-2007與1996版本標(biāo)準(zhǔn)的差異主要在于加熱水量、水溫升、攪拌和試驗結(jié)束余溫的計算等方面。1996版舊國標(biāo)的試驗水量基本為2007版國標(biāo)的兩倍，2007版國標(biāo)水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標(biāo)準(zhǔn)水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標(biāo)草案提出了使用蘇泊爾定制試驗鍋、50 K溫升的試驗方法，目前其試驗效果正在論證中。另一方面，EN30歐標(biāo)熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)至指定的熱負(fù)荷，并按要求加入水量，水溫升為70 K，起始溫度為20±1 ℃，試驗中不攪拌并計算余溫。此外，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系里熱效率計算也存在差異，歐標(biāo)中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃?xì)鉄嶂凳褂酶邿嶂?。本?jié)的熱效率比對試驗中，為了便于比較，統(tǒng)一選取26 cm的試驗鍋進(jìn)行試驗，結(jié)果如表6所示。
從表6來看，GB16410-2007方法采用鋁鍋試驗時，加熱水的溫升比GB16410-1996的小，因而鍋和水的總平均溫度也相對低，有益于測得高效率，同時由于計算了余熱溫升，測得的熱效率高出1～2%。在歐標(biāo)的效率測試中，顯然由于試驗溫升最高，同時結(jié)果計算還涵括了鋁鍋的吸熱，燃?xì)鉄嶂凳褂玫氖歉邿嶂?，最終計算出來的效率最低。筆者認(rèn)為，新國標(biāo)草案中使用的試驗鍋本身就是灰色的平底圓鍋，因而比2007的鋁鍋測試得到的熱效率結(jié)果高出約2%。
4 結(jié)語
本文對陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝侍匦院陀绊懸蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明紅外線灶的自身效率與燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗有關(guān)，不同標(biāo)準(zhǔn)方法測得熱效率結(jié)果存在較大差異，紅外線灶熱效率測試結(jié)果與環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟?、熱值呈正比例關(guān)系，與壓力、鍋底熱強(qiáng)度呈反比例關(guān)系。試驗鍋的灰度對紅外線灶的熱效率影響效果明顯。本研究對設(shè)計提高紅外線灶的熱效率，合理使用紅外線燃?xì)庠睿瑢崿F(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳世志，劉艷春，曾令可等.家用紅外線節(jié)能灶具用多孔介質(zhì)性
能分析[J].家用燃?xì)饩撸?010（4）： 64-67.
[2] 張健.影響家用燃?xì)庠罹邿嵝蕼y試的因素的探討[J].能源技
術(shù)，2007，28（5）：294-299.
[3] 羅從杰等.研究探討提高大氣式家用燃?xì)庠罹邿嵝实姆椒?/p>
[J].能源研究與管理，2010（2）：69.
[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃?xì)庠顭嵝手绊慬J].現(xiàn)代家電，
2012（14）：50.
[5] 沈宏輝.從燃?xì)庠罹邿崞胶夥治鎏接懱岣邿嵝实姆椒╗J].浙
江燃?xì)饩撸?009（3）
[6] Hanamura K，Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous
medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1993
（36）：3201-3209.
[7] 嚴(yán)銘卿等.燃?xì)夤こ淘O(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[8] 程樂鳴.多孔介質(zhì)燃燒理論與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.
[9] GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹遊S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.endprint
3.2 紅外線灶具在不同測試條件和試驗方法下的效率差異
現(xiàn)行家用燃?xì)庠罹邍覙?biāo)準(zhǔn)GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃?xì)鈼l件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴(yán)格規(guī)定[9]，但是在紅外線灶具的測試研究過程中，或者產(chǎn)品用戶的實際使用中，都會遇到不同于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試條件的情況，因此需探討紅外線灶具在不同使用條件下的熱效率測量情況。
3.2.1環(huán)境溫度和風(fēng)對熱效率的影響
GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風(fēng)速在灶具周圍1 m處不大于0.3 m/s，但是實際的灶具使用的環(huán)境條件，特別是寒冬酷暑以及室內(nèi)通風(fēng)時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風(fēng)速都與理想狀態(tài)存在差異。
對比不同室內(nèi)環(huán)境溫度下紅外線灶具樣機(jī)（天然氣12 T，左右爐額定功率3.51 kW）的數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可見，熱效率與環(huán)境溫度近似呈正比例關(guān)系，即環(huán)境溫度越低，因灶具燃燒器本身和被加熱鍋體對外圍冷環(huán)境傳遞的損失熱量越大，煙氣流加熱冷空氣帶走更多熱能，熱效率也更低。環(huán)境溫度高的時候，燃燒器預(yù)混燃燒時空氣帶入的熱量相對較高，同時灶具、鍋體對外環(huán)境散失的熱量減少，從而使熱效率有所上升。另一方面，從圖5的有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)對比來看，燃燒器周邊的空氣流動會顯著地降低熱效率。
3.2.2燃?xì)鈼l件對熱效率的影響
我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤舛嘣奶攸c(diǎn)，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃?xì)鈼l件包括燃?xì)夥N類、溫度、壓力、熱值等。
通過對一臺以天然氣12 T為氣源的紅外線灶樣機(jī)，在16～30 ℃燃?xì)鉁囟认逻M(jìn)行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃?xì)鉁囟鹊纳仙?，熱效率隨之上升，這是因為燃?xì)鉁囟壬邘氲奈锢頍嵋矔黾尤紵臒崃俊?/p>
相同熱負(fù)荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進(jìn)行熱效率對比試驗，結(jié)果如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，在相同熱負(fù)荷時，使用液化氣時紅外線灶測得的熱效率比使用天然氣時的高。
在使用罐裝液化石油氣的時候，鋼瓶不同部位的燃?xì)庑再|(zhì)與測試界限氣的狀況相當(dāng)。圖6是使用液化石油氣的紅外線灶在使用其界限氣時的熱效率對比圖。表3給出了試驗中各氣源的熱值數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖6和表3來看，使用黃焰界限氣丁烷時熱效率較高，即燃?xì)鉄嶂翟礁邷y得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃?xì)鈺r，消耗的燃?xì)怏w積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃?xì)鈮毫ο碌臒嵝蕦Ρ冉Y(jié)果，從中不難看出，當(dāng)燃?xì)鈮毫υ龃髸r，熱效率降低，這是因為燃?xì)饬魉僭黾樱瑫敫喽慰諝?，同時燃燒器產(chǎn)生的熱流與鍋底接觸熱交換時間變短，導(dǎo)致熱效率有所降低。
3.2.3試驗用鍋的影響
在家用燃?xì)庠罹叩膶嶋H使用過程中，用戶往往使用到不同大小或類型的烹飪?nèi)萜?，因此，需對不同試驗鍋紅外灶具的效率情況進(jìn)行探討。
（1） 不同直徑試驗鍋熱效率
在GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)的熱效率試驗方法中，規(guī)定了試驗用鍋的形狀大小等參數(shù)，同時，也指定了不同實測熱負(fù)荷時選用的上、下限試驗鍋。
設(shè)定取實測熱負(fù)荷為2.99 kW的紅外線燃燒器，分別對直徑為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm、32 cm的國標(biāo)試驗鋁鍋進(jìn)行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導(dǎo)致鍋底熱強(qiáng)度值變化，按照GB16410-2007定義：
鍋底熱強(qiáng)度q=實測熱負(fù)荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強(qiáng)度單位為W/cm2。
對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強(qiáng)度值列于表4。
通過試驗得到的不同鍋底熱強(qiáng)度對熱效率影響關(guān)系如圖8所示，熱效率反比于鍋底熱強(qiáng)度，即鍋直徑越大，測得熱效率越高。
（2） 鍋底灰度
試驗用鍋對紅外線灶具的熱效率影響還體現(xiàn)在鍋底的灰度上，對幾組使用表面光亮的新鋁鍋和表面氧化無光澤灰鍋進(jìn)行熱效率對比，具體結(jié)果如表5所示。結(jié)合表5來看，在有金屬亮光的新鍋上測得的熱效率與無光澤灰鍋的熱效率相差達(dá)8%。
（3） 不同類型試驗鍋效率
目前，灶具標(biāo)準(zhǔn)中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標(biāo)鍋）、歐標(biāo)EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標(biāo)鍋）以及新國標(biāo)草案的蘇泊爾平鍋。此外，用戶在日常生活中還常使用到黑底炒鍋、陶瓷瓦鍋等。同按現(xiàn)行國標(biāo)GB16410-2007規(guī)定的試驗方法，得到各種類型鍋的熱效率結(jié)果如圖9所示。從圖9看出，對于紅外線灶具，使用黑底炒鍋和類似歐標(biāo)和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較差，熱效率較低。
（4） 不同標(biāo)準(zhǔn)體系測試方法的熱效率差異
在不同標(biāo)準(zhǔn)中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異?，F(xiàn)行灶具國標(biāo)GB16410-2007與1996版本標(biāo)準(zhǔn)的差異主要在于加熱水量、水溫升、攪拌和試驗結(jié)束余溫的計算等方面。1996版舊國標(biāo)的試驗水量基本為2007版國標(biāo)的兩倍，2007版國標(biāo)水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標(biāo)準(zhǔn)水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標(biāo)草案提出了使用蘇泊爾定制試驗鍋、50 K溫升的試驗方法，目前其試驗效果正在論證中。另一方面，EN30歐標(biāo)熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)至指定的熱負(fù)荷，并按要求加入水量，水溫升為70 K，起始溫度為20±1 ℃，試驗中不攪拌并計算余溫。此外，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系里熱效率計算也存在差異，歐標(biāo)中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃?xì)鉄嶂凳褂酶邿嶂怠１竟?jié)的熱效率比對試驗中，為了便于比較，統(tǒng)一選取26 cm的試驗鍋進(jìn)行試驗，結(jié)果如表6所示。
從表6來看，GB16410-2007方法采用鋁鍋試驗時，加熱水的溫升比GB16410-1996的小，因而鍋和水的總平均溫度也相對低，有益于測得高效率，同時由于計算了余熱溫升，測得的熱效率高出1～2%。在歐標(biāo)的效率測試中，顯然由于試驗溫升最高，同時結(jié)果計算還涵括了鋁鍋的吸熱，燃?xì)鉄嶂凳褂玫氖歉邿嶂?，最終計算出來的效率最低。筆者認(rèn)為，新國標(biāo)草案中使用的試驗鍋本身就是灰色的平底圓鍋，因而比2007的鋁鍋測試得到的熱效率結(jié)果高出約2%。
4 結(jié)語
本文對陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝侍匦院陀绊懸蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明紅外線灶的自身效率與燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗有關(guān)，不同標(biāo)準(zhǔn)方法測得熱效率結(jié)果存在較大差異，紅外線灶熱效率測試結(jié)果與環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟取嶂党收壤P(guān)系，與壓力、鍋底熱強(qiáng)度呈反比例關(guān)系。試驗鍋的灰度對紅外線灶的熱效率影響效果明顯。本研究對設(shè)計提高紅外線灶的熱效率，合理使用紅外線燃?xì)庠?，實現(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳世志，劉艷春，曾令可等.家用紅外線節(jié)能灶具用多孔介質(zhì)性
能分析[J].家用燃?xì)饩撸?010（4）： 64-67.
[2] 張健.影響家用燃?xì)庠罹邿嵝蕼y試的因素的探討[J].能源技
術(shù)，2007，28（5）：294-299.
[3] 羅從杰等.研究探討提高大氣式家用燃?xì)庠罹邿嵝实姆椒?/p>
[J].能源研究與管理，2010（2）：69.
[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃?xì)庠顭嵝手绊慬J].現(xiàn)代家電，
2012（14）：50.
[5] 沈宏輝.從燃?xì)庠罹邿崞胶夥治鎏接懱岣邿嵝实姆椒╗J].浙
江燃?xì)饩撸?009（3）
[6] Hanamura K，Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous
medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1993
（36）：3201-3209.
[7] 嚴(yán)銘卿等.燃?xì)夤こ淘O(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[8] 程樂鳴.多孔介質(zhì)燃燒理論與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.
[9] GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹遊S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.endprint
3.2 紅外線灶具在不同測試條件和試驗方法下的效率差異
現(xiàn)行家用燃?xì)庠罹邍覙?biāo)準(zhǔn)GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃?xì)鈼l件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴(yán)格規(guī)定[9]，但是在紅外線灶具的測試研究過程中，或者產(chǎn)品用戶的實際使用中，都會遇到不同于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試條件的情況，因此需探討紅外線灶具在不同使用條件下的熱效率測量情況。
3.2.1環(huán)境溫度和風(fēng)對熱效率的影響
GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風(fēng)速在灶具周圍1 m處不大于0.3 m/s，但是實際的灶具使用的環(huán)境條件，特別是寒冬酷暑以及室內(nèi)通風(fēng)時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風(fēng)速都與理想狀態(tài)存在差異。
對比不同室內(nèi)環(huán)境溫度下紅外線灶具樣機(jī)（天然氣12 T，左右爐額定功率3.51 kW）的數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可見，熱效率與環(huán)境溫度近似呈正比例關(guān)系，即環(huán)境溫度越低，因灶具燃燒器本身和被加熱鍋體對外圍冷環(huán)境傳遞的損失熱量越大，煙氣流加熱冷空氣帶走更多熱能，熱效率也更低。環(huán)境溫度高的時候，燃燒器預(yù)混燃燒時空氣帶入的熱量相對較高，同時灶具、鍋體對外環(huán)境散失的熱量減少，從而使熱效率有所上升。另一方面，從圖5的有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)對比來看，燃燒器周邊的空氣流動會顯著地降低熱效率。
3.2.2燃?xì)鈼l件對熱效率的影響
我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤舛嘣奶攸c(diǎn)，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃?xì)鈼l件包括燃?xì)夥N類、溫度、壓力、熱值等。
通過對一臺以天然氣12 T為氣源的紅外線灶樣機(jī)，在16～30 ℃燃?xì)鉁囟认逻M(jìn)行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃?xì)鉁囟鹊纳仙?，熱效率隨之上升，這是因為燃?xì)鉁囟壬邘氲奈锢頍嵋矔黾尤紵臒崃俊?/p>
相同熱負(fù)荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進(jìn)行熱效率對比試驗，結(jié)果如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，在相同熱負(fù)荷時，使用液化氣時紅外線灶測得的熱效率比使用天然氣時的高。
在使用罐裝液化石油氣的時候，鋼瓶不同部位的燃?xì)庑再|(zhì)與測試界限氣的狀況相當(dāng)。圖6是使用液化石油氣的紅外線灶在使用其界限氣時的熱效率對比圖。表3給出了試驗中各氣源的熱值數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖6和表3來看，使用黃焰界限氣丁烷時熱效率較高，即燃?xì)鉄嶂翟礁邷y得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃?xì)鈺r，消耗的燃?xì)怏w積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃?xì)鈮毫ο碌臒嵝蕦Ρ冉Y(jié)果，從中不難看出，當(dāng)燃?xì)鈮毫υ龃髸r，熱效率降低，這是因為燃?xì)饬魉僭黾?，會吸入更多二次空氣，同時燃燒器產(chǎn)生的熱流與鍋底接觸熱交換時間變短，導(dǎo)致熱效率有所降低。
3.2.3試驗用鍋的影響
在家用燃?xì)庠罹叩膶嶋H使用過程中，用戶往往使用到不同大小或類型的烹飪?nèi)萜?，因此，需對不同試驗鍋紅外灶具的效率情況進(jìn)行探討。
（1） 不同直徑試驗鍋熱效率
在GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)的熱效率試驗方法中，規(guī)定了試驗用鍋的形狀大小等參數(shù)，同時，也指定了不同實測熱負(fù)荷時選用的上、下限試驗鍋。
設(shè)定取實測熱負(fù)荷為2.99 kW的紅外線燃燒器，分別對直徑為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm、32 cm的國標(biāo)試驗鋁鍋進(jìn)行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導(dǎo)致鍋底熱強(qiáng)度值變化，按照GB16410-2007定義：
鍋底熱強(qiáng)度q=實測熱負(fù)荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強(qiáng)度單位為W/cm2。
對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強(qiáng)度值列于表4。
通過試驗得到的不同鍋底熱強(qiáng)度對熱效率影響關(guān)系如圖8所示，熱效率反比于鍋底熱強(qiáng)度，即鍋直徑越大，測得熱效率越高。
（2） 鍋底灰度
試驗用鍋對紅外線灶具的熱效率影響還體現(xiàn)在鍋底的灰度上，對幾組使用表面光亮的新鋁鍋和表面氧化無光澤灰鍋進(jìn)行熱效率對比，具體結(jié)果如表5所示。結(jié)合表5來看，在有金屬亮光的新鍋上測得的熱效率與無光澤灰鍋的熱效率相差達(dá)8%。
（3） 不同類型試驗鍋效率
目前，灶具標(biāo)準(zhǔn)中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標(biāo)鍋）、歐標(biāo)EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標(biāo)鍋）以及新國標(biāo)草案的蘇泊爾平鍋。此外，用戶在日常生活中還常使用到黑底炒鍋、陶瓷瓦鍋等。同按現(xiàn)行國標(biāo)GB16410-2007規(guī)定的試驗方法，得到各種類型鍋的熱效率結(jié)果如圖9所示。從圖9看出，對于紅外線灶具，使用黑底炒鍋和類似歐標(biāo)和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較差，熱效率較低。
（4） 不同標(biāo)準(zhǔn)體系測試方法的熱效率差異
在不同標(biāo)準(zhǔn)中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異?，F(xiàn)行灶具國標(biāo)GB16410-2007與1996版本標(biāo)準(zhǔn)的差異主要在于加熱水量、水溫升、攪拌和試驗結(jié)束余溫的計算等方面。1996版舊國標(biāo)的試驗水量基本為2007版國標(biāo)的兩倍，2007版國標(biāo)水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標(biāo)準(zhǔn)水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標(biāo)草案提出了使用蘇泊爾定制試驗鍋、50 K溫升的試驗方法，目前其試驗效果正在論證中。另一方面，EN30歐標(biāo)熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)至指定的熱負(fù)荷，并按要求加入水量，水溫升為70 K，起始溫度為20±1 ℃，試驗中不攪拌并計算余溫。此外，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系里熱效率計算也存在差異，歐標(biāo)中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃?xì)鉄嶂凳褂酶邿嶂?。本?jié)的熱效率比對試驗中，為了便于比較，統(tǒng)一選取26 cm的試驗鍋進(jìn)行試驗，結(jié)果如表6所示。
從表6來看，GB16410-2007方法采用鋁鍋試驗時，加熱水的溫升比GB16410-1996的小，因而鍋和水的總平均溫度也相對低，有益于測得高效率，同時由于計算了余熱溫升，測得的熱效率高出1～2%。在歐標(biāo)的效率測試中，顯然由于試驗溫升最高，同時結(jié)果計算還涵括了鋁鍋的吸熱，燃?xì)鉄嶂凳褂玫氖歉邿嶂担罱K計算出來的效率最低。筆者認(rèn)為，新國標(biāo)草案中使用的試驗鍋本身就是灰色的平底圓鍋，因而比2007的鋁鍋測試得到的熱效率結(jié)果高出約2%。
4 結(jié)語
本文對陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝侍匦院陀绊懸蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明紅外線灶的自身效率與燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗有關(guān)，不同標(biāo)準(zhǔn)方法測得熱效率結(jié)果存在較大差異，紅外線灶熱效率測試結(jié)果與環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟?、熱值呈正比例關(guān)系，與壓力、鍋底熱強(qiáng)度呈反比例關(guān)系。試驗鍋的灰度對紅外線灶的熱效率影響效果明顯。本研究對設(shè)計提高紅外線灶的熱效率，合理使用紅外線燃?xì)庠?，實現(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳世志，劉艷春，曾令可等.家用紅外線節(jié)能灶具用多孔介質(zhì)性
能分析[J].家用燃?xì)饩撸?010（4）： 64-67.
[2] 張健.影響家用燃?xì)庠罹邿嵝蕼y試的因素的探討[J].能源技
術(shù)，2007，28（5）：294-299.
[3] 羅從杰等.研究探討提高大氣式家用燃?xì)庠罹邿嵝实姆椒?/p>
[J].能源研究與管理，2010（2）：69.
[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃?xì)庠顭嵝手绊慬J].現(xiàn)代家電，
2012（14）：50.
[5] 沈宏輝.從燃?xì)庠罹邿崞胶夥治鎏接懱岣邿嵝实姆椒╗J].浙
江燃?xì)饩撸?009（3）
[6] Hanamura K，Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous
medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1993
（36）：3201-3209.
[7] 嚴(yán)銘卿等.燃?xì)夤こ淘O(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[8] 程樂鳴.多孔介質(zhì)燃燒理論與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.
[9] GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹遊S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.endprint
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戴奕藝等
摘 要：本文從紅外線家用燃?xì)庠畹淖陨斫Y(jié)構(gòu)和燃燒原理出發(fā)，分析多孔陶瓷板紅外線燃?xì)庠罟?jié)能高效的特性，并對影響紅外線燃?xì)庠顭嵝实母鞣N因素進(jìn)行探討，研究不同灶具標(biāo)準(zhǔn)試驗方法、不同測試環(huán)境條件，以及使用不同鍋具等，與紅外線灶熱效率的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：多孔陶瓷；紅外線燃?xì)庠睿粺嵝蕼y試；節(jié)能
1 前言
在倡導(dǎo)低碳節(jié)能概念的今天，節(jié)能燃?xì)庠畹钠占耙殉蔀槿細(xì)庠罹咝袠I(yè)發(fā)展的趨勢。紅外線燃?xì)馊紵夹g(shù)是一種較先進(jìn)的燃燒技術(shù)，使用陶瓷板紅外線燃燒器的燃?xì)庠罹?，具有加熱均勻，熱效率高，煙氣中有害成分少的特點(diǎn)[1]。二十世紀(jì)八九十年代以來，國內(nèi)一些燃?xì)庠罹咂髽I(yè)如廣州紅日，開始致力于陶瓷板紅外線燃燒器灶具的生產(chǎn)和研發(fā)，其“高紅外發(fā)射率多孔陶瓷節(jié)能燃燒器技術(shù)”更是作為國家重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行推廣，對節(jié)能技術(shù)的普及應(yīng)用起到重要推動作用。
家用燃?xì)庠畹臒嵝适呛饬咳細(xì)庠钍欠窆?jié)能的一項重要指標(biāo)。灶具的結(jié)構(gòu)和熱效率試驗條件變化，使得熱效率測試值存在不確定性，通過探索相關(guān)因素的影響作用來提高燃?xì)庠罹邿嵝?，一直是行業(yè)人員研究的熱點(diǎn)[2～5]。另據(jù)行業(yè)信息稱，灶具新國標(biāo)修訂草案及灶具產(chǎn)品能效標(biāo)識實施討論方案中，將會對燃?xì)庠罹邿嵝实臏y試方法及性能指標(biāo)作進(jìn)一步要求。
本文從陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹娜紵绞胶徒Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，對影響陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠顭嵝实囊蛩剡M(jìn)行探索，以便為紅外線灶具的研發(fā)和從事測試灶具熱效率性能的技術(shù)人員提供理論參考。
2 陶瓷板紅外線燃?xì)庠畹慕Y(jié)構(gòu)特性
多孔陶瓷板燃?xì)饧t外輻射器最早可追溯到上世紀(jì)四十年代[6]，我國紅外燃燒技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能型燃?xì)庠罹咭延?0多年歷史，經(jīng)前人努力，該技術(shù)已造福千家萬戶。
家用陶瓷板紅外線燃?xì)庠畹娜紵?，由頭部多孔蜂窩陶瓷板和底部空氣預(yù)混腔構(gòu)成，如圖1所示。燃燒器工作時，所需要的空氣由引射器吸入，在預(yù)混腔體內(nèi)，燃?xì)饫靡淦黝A(yù)混了燃?xì)馊紵枰娜靠諝饬浚諝膺^剩系數(shù)α=1.03～1.06）[7]，燃?xì)?空氣混合物在陶瓷板的數(shù)千個小孔道溢出進(jìn)行燃燒，將板面加熱到赤紅狀態(tài)，溫度達(dá)到800～900 ℃，此時燃燒接近無焰狀態(tài)，板面和高溫?zé)煔鈱Υ毒哌M(jìn)行輻射和對流加熱。如圖2所示，燃燒器和鍋底之間是一種熱波轉(zhuǎn)換的傳熱方式，相比主要靠火焰對流傳熱給鍋底的大氣式灶具，紅外線灶具特有的紅外輻射傳熱，具有傳熱速度快的優(yōu)點(diǎn)，從而避免因火焰與鍋底的接觸時間短暫，導(dǎo)致大量熱量未被利用就散發(fā)至空間的問題出現(xiàn)，優(yōu)越性顯著。
由于紅外線燃?xì)庠钆c大氣式燃?xì)庠畹娜紵蛡鳠岱绞讲煌?，其熱效率也不同。根?jù)GB16410-2007《家用燃?xì)庠罹摺窏l款6.14表21中熱效率的實驗方法，如圖3所示，將陶瓷板紅外線燃?xì)庠钆c大氣式灶具進(jìn)行實驗對比。
從圖3可以看出，廣州紅日燃具公司的嵌入式陶瓷板紅外線燃?xì)庠顭嵝首罡呖蛇_(dá)68%，比普通大氣式嵌入式灶可高出10%左右。
紅外線燃?xì)庠钪跃哂懈邿嵝手饕幸韵聨追矫嬖颍菏紫?，燃燒器采用完全預(yù)混及無焰催化燃燒技術(shù)，燃?xì)庠谌紵跋扰c足夠的空氣混合，輻射板上均勻分布的眾多燃燒火孔，使得燃燒更加充分，減少了燃?xì)狻盎瘜W(xué)能”損失；同時，全預(yù)混及無焰催化燃燒，燃?xì)饫靡鋼羝黝A(yù)混了燃?xì)馊紵枰娜靠諝饬浚諝膺^剩系數(shù)α=1.03～1.06），燃?xì)?空氣混合物以0.1～0.14 m/s的速度從陶瓷板數(shù)千個小孔道溢出進(jìn)行燃燒，遠(yuǎn)低于大氣式燃燒器1.0～3.5 m/s的速度，而且不需要從周圍獲取二次空氣，因此燃燒產(chǎn)生的廢氣量少，以煙氣對流形式帶走的熱能也較少。其次，在熱交換率方面，對于加熱非反射性的鍋體，紅外線灶具工作時通過輻射傳熱的效率顯著高于對流和熱傳導(dǎo)兩種方式。陶瓷板紅外燃燒器的火孔密集，燃燒時火力集中，向外圍空間輻射和對流散失的熱能相對少。此外，紅外線燃燒器的多孔陶瓷板導(dǎo)熱系數(shù)小，向下散熱少。
3 影響紅外線燃?xì)庠顭嵝实囊蛩?/p>
燃?xì)庠罹叩臒嵝手饕怯善渥陨淼慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計和換熱方式?jīng)Q定的，另外也和用戶在使用過程的環(huán)境條件和烹飪習(xí)慣有關(guān)系。
3.1 紅外線灶自身結(jié)構(gòu)對熱效率的影響
從灶具自身結(jié)構(gòu)性能方面來考慮，燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗等都是影響熱效率的關(guān)鍵因素。
從紅外輻射理論和計算來分析，燃?xì)庠罹咴趯﹀伡訜釙r，燃?xì)饨?jīng)過預(yù)混，在瓷片上部燃燒，使得瓷片表層熾熱發(fā)射紅外線，燃燒器與鍋底之間形成一個熱平衡的區(qū)域。陶瓷板紅外線燃?xì)庠顚﹀伡訜釙r，除了高溫?zé)煔獾膶α骱洼椛浼訜嵬?，陶瓷板的輻射加熱要占很大的一部分。相對于對流傳熱，紅外輻射傳熱的效率更高，因此提高紅外輻射的比例，有利于提高灶具的總熱效率。根據(jù)紅外燃燒理論[8]輻射傳遞經(jīng)驗公式可寫為：
式中：Фf—輻射傳熱強(qiáng)度-（功率），單位kW
A—陶瓷板有效輻射板面積，單位m2
ε1、ε2—瓷片和鍋底灰度
￠12—輻射角系數(shù)
C0—黑體輻射常數(shù)（5.67 W/m2·K4）
T1、T2—瓷片和鍋底表面平均溫度
從（1）式中可看出，紅外熱輻射正比于輻射面大小、輻射體和吸收體灰度、輻射角系數(shù)以及輻射體溫度。因此，在燃燒器熱負(fù)荷一定的條件下，提高紅外熱輻射量采取以下措施：
（1） 增大燃燒器輻射面積A，可通過增加瓷片表面形狀凹凸度來實現(xiàn)。
（2） 增加瓷片和鍋具灰度。在瓷片表面噴涂紅外高輻射率的黑色涂層，同時選擇表面深色的鍋具，有利于增加紅外輻射吸收。
（3） 增大角系數(shù)￠12，因為角系數(shù)反比于瓷片與鍋底之間的距離，可通過降低鍋支架高度來實現(xiàn)。
（4） 提高瓷片溫度，選用更耐高溫的瓷片。
在降低熱損耗方面，通過增加防紅外輻射外散罩具，可減少燃燒器對周圍空間的輻射熱損耗。使用導(dǎo)熱系數(shù)低的材質(zhì)，減少燃燒器自身向下散失的熱量。增加鍋體表面的粗糙度，延長對流形式的熱流和煙氣與鍋具的接觸時間，減少燃燒煙氣帶走熱量。設(shè)計鍋支架的適宜形狀，充分利用鍋支架的余熱，這些措施均有利于熱效率的提升。endprint
3.2 紅外線灶具在不同測試條件和試驗方法下的效率差異
現(xiàn)行家用燃?xì)庠罹邍覙?biāo)準(zhǔn)GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃?xì)鈼l件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴(yán)格規(guī)定[9]，但是在紅外線灶具的測試研究過程中，或者產(chǎn)品用戶的實際使用中，都會遇到不同于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試條件的情況，因此需探討紅外線灶具在不同使用條件下的熱效率測量情況。
3.2.1環(huán)境溫度和風(fēng)對熱效率的影響
GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風(fēng)速在灶具周圍1 m處不大于0.3 m/s，但是實際的灶具使用的環(huán)境條件，特別是寒冬酷暑以及室內(nèi)通風(fēng)時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風(fēng)速都與理想狀態(tài)存在差異。
對比不同室內(nèi)環(huán)境溫度下紅外線灶具樣機(jī)（天然氣12 T，左右爐額定功率3.51 kW）的數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可見，熱效率與環(huán)境溫度近似呈正比例關(guān)系，即環(huán)境溫度越低，因灶具燃燒器本身和被加熱鍋體對外圍冷環(huán)境傳遞的損失熱量越大，煙氣流加熱冷空氣帶走更多熱能，熱效率也更低。環(huán)境溫度高的時候，燃燒器預(yù)混燃燒時空氣帶入的熱量相對較高，同時灶具、鍋體對外環(huán)境散失的熱量減少，從而使熱效率有所上升。另一方面，從圖5的有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)對比來看，燃燒器周邊的空氣流動會顯著地降低熱效率。
3.2.2燃?xì)鈼l件對熱效率的影響
我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤舛嘣奶攸c(diǎn)，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃?xì)鈼l件包括燃?xì)夥N類、溫度、壓力、熱值等。
通過對一臺以天然氣12 T為氣源的紅外線灶樣機(jī)，在16～30 ℃燃?xì)鉁囟认逻M(jìn)行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃?xì)鉁囟鹊纳仙?，熱效率隨之上升，這是因為燃?xì)鉁囟壬邘氲奈锢頍嵋矔黾尤紵臒崃俊?/p>
相同熱負(fù)荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進(jìn)行熱效率對比試驗，結(jié)果如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，在相同熱負(fù)荷時，使用液化氣時紅外線灶測得的熱效率比使用天然氣時的高。
在使用罐裝液化石油氣的時候，鋼瓶不同部位的燃?xì)庑再|(zhì)與測試界限氣的狀況相當(dāng)。圖6是使用液化石油氣的紅外線灶在使用其界限氣時的熱效率對比圖。表3給出了試驗中各氣源的熱值數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖6和表3來看，使用黃焰界限氣丁烷時熱效率較高，即燃?xì)鉄嶂翟礁邷y得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃?xì)鈺r，消耗的燃?xì)怏w積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃?xì)鈮毫ο碌臒嵝蕦Ρ冉Y(jié)果，從中不難看出，當(dāng)燃?xì)鈮毫υ龃髸r，熱效率降低，這是因為燃?xì)饬魉僭黾樱瑫敫喽慰諝?，同時燃燒器產(chǎn)生的熱流與鍋底接觸熱交換時間變短，導(dǎo)致熱效率有所降低。
3.2.3試驗用鍋的影響
在家用燃?xì)庠罹叩膶嶋H使用過程中，用戶往往使用到不同大小或類型的烹飪?nèi)萜?，因此，需對不同試驗鍋紅外灶具的效率情況進(jìn)行探討。
（1） 不同直徑試驗鍋熱效率
在GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)的熱效率試驗方法中，規(guī)定了試驗用鍋的形狀大小等參數(shù)，同時，也指定了不同實測熱負(fù)荷時選用的上、下限試驗鍋。
設(shè)定取實測熱負(fù)荷為2.99 kW的紅外線燃燒器，分別對直徑為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm、32 cm的國標(biāo)試驗鋁鍋進(jìn)行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導(dǎo)致鍋底熱強(qiáng)度值變化，按照GB16410-2007定義：
鍋底熱強(qiáng)度q=實測熱負(fù)荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強(qiáng)度單位為W/cm2。
對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強(qiáng)度值列于表4。
通過試驗得到的不同鍋底熱強(qiáng)度對熱效率影響關(guān)系如圖8所示，熱效率反比于鍋底熱強(qiáng)度，即鍋直徑越大，測得熱效率越高。
（2） 鍋底灰度
試驗用鍋對紅外線灶具的熱效率影響還體現(xiàn)在鍋底的灰度上，對幾組使用表面光亮的新鋁鍋和表面氧化無光澤灰鍋進(jìn)行熱效率對比，具體結(jié)果如表5所示。結(jié)合表5來看，在有金屬亮光的新鍋上測得的熱效率與無光澤灰鍋的熱效率相差達(dá)8%。
（3） 不同類型試驗鍋效率
目前，灶具標(biāo)準(zhǔn)中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標(biāo)鍋）、歐標(biāo)EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標(biāo)鍋）以及新國標(biāo)草案的蘇泊爾平鍋。此外，用戶在日常生活中還常使用到黑底炒鍋、陶瓷瓦鍋等。同按現(xiàn)行國標(biāo)GB16410-2007規(guī)定的試驗方法，得到各種類型鍋的熱效率結(jié)果如圖9所示。從圖9看出，對于紅外線灶具，使用黑底炒鍋和類似歐標(biāo)和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較差，熱效率較低。
（4） 不同標(biāo)準(zhǔn)體系測試方法的熱效率差異
在不同標(biāo)準(zhǔn)中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異。現(xiàn)行灶具國標(biāo)GB16410-2007與1996版本標(biāo)準(zhǔn)的差異主要在于加熱水量、水溫升、攪拌和試驗結(jié)束余溫的計算等方面。1996版舊國標(biāo)的試驗水量基本為2007版國標(biāo)的兩倍，2007版國標(biāo)水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標(biāo)準(zhǔn)水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標(biāo)草案提出了使用蘇泊爾定制試驗鍋、50 K溫升的試驗方法，目前其試驗效果正在論證中。另一方面，EN30歐標(biāo)熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)至指定的熱負(fù)荷，并按要求加入水量，水溫升為70 K，起始溫度為20±1 ℃，試驗中不攪拌并計算余溫。此外，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系里熱效率計算也存在差異，歐標(biāo)中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃?xì)鉄嶂凳褂酶邿嶂?。本?jié)的熱效率比對試驗中，為了便于比較，統(tǒng)一選取26 cm的試驗鍋進(jìn)行試驗，結(jié)果如表6所示。
從表6來看，GB16410-2007方法采用鋁鍋試驗時，加熱水的溫升比GB16410-1996的小，因而鍋和水的總平均溫度也相對低，有益于測得高效率，同時由于計算了余熱溫升，測得的熱效率高出1～2%。在歐標(biāo)的效率測試中，顯然由于試驗溫升最高，同時結(jié)果計算還涵括了鋁鍋的吸熱，燃?xì)鉄嶂凳褂玫氖歉邿嶂?，最終計算出來的效率最低。筆者認(rèn)為，新國標(biāo)草案中使用的試驗鍋本身就是灰色的平底圓鍋，因而比2007的鋁鍋測試得到的熱效率結(jié)果高出約2%。
4 結(jié)語
本文對陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝侍匦院陀绊懸蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明紅外線灶的自身效率與燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗有關(guān)，不同標(biāo)準(zhǔn)方法測得熱效率結(jié)果存在較大差異，紅外線灶熱效率測試結(jié)果與環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟?、熱值呈正比例關(guān)系，與壓力、鍋底熱強(qiáng)度呈反比例關(guān)系。試驗鍋的灰度對紅外線灶的熱效率影響效果明顯。本研究對設(shè)計提高紅外線灶的熱效率，合理使用紅外線燃?xì)庠睿瑢崿F(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳世志，劉艷春，曾令可等.家用紅外線節(jié)能灶具用多孔介質(zhì)性
能分析[J].家用燃?xì)饩撸?010（4）： 64-67.
[2] 張健.影響家用燃?xì)庠罹邿嵝蕼y試的因素的探討[J].能源技
術(shù)，2007，28（5）：294-299.
[3] 羅從杰等.研究探討提高大氣式家用燃?xì)庠罹邿嵝实姆椒?/p>
[J].能源研究與管理，2010（2）：69.
[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃?xì)庠顭嵝手绊慬J].現(xiàn)代家電，
2012（14）：50.
[5] 沈宏輝.從燃?xì)庠罹邿崞胶夥治鎏接懱岣邿嵝实姆椒╗J].浙
江燃?xì)饩撸?009（3）
[6] Hanamura K，Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous
medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1993
（36）：3201-3209.
[7] 嚴(yán)銘卿等.燃?xì)夤こ淘O(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[8] 程樂鳴.多孔介質(zhì)燃燒理論與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.
[9] GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹遊S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.endprint
3.2 紅外線灶具在不同測試條件和試驗方法下的效率差異
現(xiàn)行家用燃?xì)庠罹邍覙?biāo)準(zhǔn)GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃?xì)鈼l件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴(yán)格規(guī)定[9]，但是在紅外線灶具的測試研究過程中，或者產(chǎn)品用戶的實際使用中，都會遇到不同于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試條件的情況，因此需探討紅外線灶具在不同使用條件下的熱效率測量情況。
3.2.1環(huán)境溫度和風(fēng)對熱效率的影響
GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風(fēng)速在灶具周圍1 m處不大于0.3 m/s，但是實際的灶具使用的環(huán)境條件，特別是寒冬酷暑以及室內(nèi)通風(fēng)時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風(fēng)速都與理想狀態(tài)存在差異。
對比不同室內(nèi)環(huán)境溫度下紅外線灶具樣機(jī)（天然氣12 T，左右爐額定功率3.51 kW）的數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可見，熱效率與環(huán)境溫度近似呈正比例關(guān)系，即環(huán)境溫度越低，因灶具燃燒器本身和被加熱鍋體對外圍冷環(huán)境傳遞的損失熱量越大，煙氣流加熱冷空氣帶走更多熱能，熱效率也更低。環(huán)境溫度高的時候，燃燒器預(yù)混燃燒時空氣帶入的熱量相對較高，同時灶具、鍋體對外環(huán)境散失的熱量減少，從而使熱效率有所上升。另一方面，從圖5的有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)對比來看，燃燒器周邊的空氣流動會顯著地降低熱效率。
3.2.2燃?xì)鈼l件對熱效率的影響
我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤舛嘣奶攸c(diǎn)，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃?xì)鈼l件包括燃?xì)夥N類、溫度、壓力、熱值等。
通過對一臺以天然氣12 T為氣源的紅外線灶樣機(jī)，在16～30 ℃燃?xì)鉁囟认逻M(jìn)行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃?xì)鉁囟鹊纳仙?，熱效率隨之上升，這是因為燃?xì)鉁囟壬邘氲奈锢頍嵋矔黾尤紵臒崃俊?/p>
相同熱負(fù)荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進(jìn)行熱效率對比試驗，結(jié)果如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，在相同熱負(fù)荷時，使用液化氣時紅外線灶測得的熱效率比使用天然氣時的高。
在使用罐裝液化石油氣的時候，鋼瓶不同部位的燃?xì)庑再|(zhì)與測試界限氣的狀況相當(dāng)。圖6是使用液化石油氣的紅外線灶在使用其界限氣時的熱效率對比圖。表3給出了試驗中各氣源的熱值數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖6和表3來看，使用黃焰界限氣丁烷時熱效率較高，即燃?xì)鉄嶂翟礁邷y得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃?xì)鈺r，消耗的燃?xì)怏w積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃?xì)鈮毫ο碌臒嵝蕦Ρ冉Y(jié)果，從中不難看出，當(dāng)燃?xì)鈮毫υ龃髸r，熱效率降低，這是因為燃?xì)饬魉僭黾樱瑫敫喽慰諝?，同時燃燒器產(chǎn)生的熱流與鍋底接觸熱交換時間變短，導(dǎo)致熱效率有所降低。
3.2.3試驗用鍋的影響
在家用燃?xì)庠罹叩膶嶋H使用過程中，用戶往往使用到不同大小或類型的烹飪?nèi)萜?，因此，需對不同試驗鍋紅外灶具的效率情況進(jìn)行探討。
（1） 不同直徑試驗鍋熱效率
在GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)的熱效率試驗方法中，規(guī)定了試驗用鍋的形狀大小等參數(shù)，同時，也指定了不同實測熱負(fù)荷時選用的上、下限試驗鍋。
設(shè)定取實測熱負(fù)荷為2.99 kW的紅外線燃燒器，分別對直徑為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm、32 cm的國標(biāo)試驗鋁鍋進(jìn)行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導(dǎo)致鍋底熱強(qiáng)度值變化，按照GB16410-2007定義：
鍋底熱強(qiáng)度q=實測熱負(fù)荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強(qiáng)度單位為W/cm2。
對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強(qiáng)度值列于表4。
通過試驗得到的不同鍋底熱強(qiáng)度對熱效率影響關(guān)系如圖8所示，熱效率反比于鍋底熱強(qiáng)度，即鍋直徑越大，測得熱效率越高。
（2） 鍋底灰度
試驗用鍋對紅外線灶具的熱效率影響還體現(xiàn)在鍋底的灰度上，對幾組使用表面光亮的新鋁鍋和表面氧化無光澤灰鍋進(jìn)行熱效率對比，具體結(jié)果如表5所示。結(jié)合表5來看，在有金屬亮光的新鍋上測得的熱效率與無光澤灰鍋的熱效率相差達(dá)8%。
（3） 不同類型試驗鍋效率
目前，灶具標(biāo)準(zhǔn)中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標(biāo)鍋）、歐標(biāo)EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標(biāo)鍋）以及新國標(biāo)草案的蘇泊爾平鍋。此外，用戶在日常生活中還常使用到黑底炒鍋、陶瓷瓦鍋等。同按現(xiàn)行國標(biāo)GB16410-2007規(guī)定的試驗方法，得到各種類型鍋的熱效率結(jié)果如圖9所示。從圖9看出，對于紅外線灶具，使用黑底炒鍋和類似歐標(biāo)和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較差，熱效率較低。
（4） 不同標(biāo)準(zhǔn)體系測試方法的熱效率差異
在不同標(biāo)準(zhǔn)中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異?，F(xiàn)行灶具國標(biāo)GB16410-2007與1996版本標(biāo)準(zhǔn)的差異主要在于加熱水量、水溫升、攪拌和試驗結(jié)束余溫的計算等方面。1996版舊國標(biāo)的試驗水量基本為2007版國標(biāo)的兩倍，2007版國標(biāo)水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標(biāo)準(zhǔn)水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標(biāo)草案提出了使用蘇泊爾定制試驗鍋、50 K溫升的試驗方法，目前其試驗效果正在論證中。另一方面，EN30歐標(biāo)熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)至指定的熱負(fù)荷，并按要求加入水量，水溫升為70 K，起始溫度為20±1 ℃，試驗中不攪拌并計算余溫。此外，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系里熱效率計算也存在差異，歐標(biāo)中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃?xì)鉄嶂凳褂酶邿嶂怠１竟?jié)的熱效率比對試驗中，為了便于比較，統(tǒng)一選取26 cm的試驗鍋進(jìn)行試驗，結(jié)果如表6所示。
從表6來看，GB16410-2007方法采用鋁鍋試驗時，加熱水的溫升比GB16410-1996的小，因而鍋和水的總平均溫度也相對低，有益于測得高效率，同時由于計算了余熱溫升，測得的熱效率高出1～2%。在歐標(biāo)的效率測試中，顯然由于試驗溫升最高，同時結(jié)果計算還涵括了鋁鍋的吸熱，燃?xì)鉄嶂凳褂玫氖歉邿嶂?，最終計算出來的效率最低。筆者認(rèn)為，新國標(biāo)草案中使用的試驗鍋本身就是灰色的平底圓鍋，因而比2007的鋁鍋測試得到的熱效率結(jié)果高出約2%。
4 結(jié)語
本文對陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝侍匦院陀绊懸蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明紅外線灶的自身效率與燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗有關(guān)，不同標(biāo)準(zhǔn)方法測得熱效率結(jié)果存在較大差異，紅外線灶熱效率測試結(jié)果與環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟取嶂党收壤P(guān)系，與壓力、鍋底熱強(qiáng)度呈反比例關(guān)系。試驗鍋的灰度對紅外線灶的熱效率影響效果明顯。本研究對設(shè)計提高紅外線灶的熱效率，合理使用紅外線燃?xì)庠?，實現(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳世志，劉艷春，曾令可等.家用紅外線節(jié)能灶具用多孔介質(zhì)性
能分析[J].家用燃?xì)饩撸?010（4）： 64-67.
[2] 張健.影響家用燃?xì)庠罹邿嵝蕼y試的因素的探討[J].能源技
術(shù)，2007，28（5）：294-299.
[3] 羅從杰等.研究探討提高大氣式家用燃?xì)庠罹邿嵝实姆椒?/p>
[J].能源研究與管理，2010（2）：69.
[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃?xì)庠顭嵝手绊慬J].現(xiàn)代家電，
2012（14）：50.
[5] 沈宏輝.從燃?xì)庠罹邿崞胶夥治鎏接懱岣邿嵝实姆椒╗J].浙
江燃?xì)饩撸?009（3）
[6] Hanamura K，Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous
medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1993
（36）：3201-3209.
[7] 嚴(yán)銘卿等.燃?xì)夤こ淘O(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[8] 程樂鳴.多孔介質(zhì)燃燒理論與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.
[9] GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹遊S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.endprint
3.2 紅外線灶具在不同測試條件和試驗方法下的效率差異
現(xiàn)行家用燃?xì)庠罹邍覙?biāo)準(zhǔn)GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃?xì)鈼l件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴(yán)格規(guī)定[9]，但是在紅外線灶具的測試研究過程中，或者產(chǎn)品用戶的實際使用中，都會遇到不同于標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境和測試條件的情況，因此需探討紅外線灶具在不同使用條件下的熱效率測量情況。
3.2.1環(huán)境溫度和風(fēng)對熱效率的影響
GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風(fēng)速在灶具周圍1 m處不大于0.3 m/s，但是實際的灶具使用的環(huán)境條件，特別是寒冬酷暑以及室內(nèi)通風(fēng)時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風(fēng)速都與理想狀態(tài)存在差異。
對比不同室內(nèi)環(huán)境溫度下紅外線灶具樣機(jī)（天然氣12 T，左右爐額定功率3.51 kW）的數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可見，熱效率與環(huán)境溫度近似呈正比例關(guān)系，即環(huán)境溫度越低，因灶具燃燒器本身和被加熱鍋體對外圍冷環(huán)境傳遞的損失熱量越大，煙氣流加熱冷空氣帶走更多熱能，熱效率也更低。環(huán)境溫度高的時候，燃燒器預(yù)混燃燒時空氣帶入的熱量相對較高，同時灶具、鍋體對外環(huán)境散失的熱量減少，從而使熱效率有所上升。另一方面，從圖5的有風(fēng)和無風(fēng)狀態(tài)對比來看，燃燒器周邊的空氣流動會顯著地降低熱效率。
3.2.2燃?xì)鈼l件對熱效率的影響
我國城鎮(zhèn)燃?xì)夤舛嘣奶攸c(diǎn)，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃?xì)鈼l件包括燃?xì)夥N類、溫度、壓力、熱值等。
通過對一臺以天然氣12 T為氣源的紅外線灶樣機(jī)，在16～30 ℃燃?xì)鉁囟认逻M(jìn)行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃?xì)鉁囟鹊纳仙?，熱效率隨之上升，這是因為燃?xì)鉁囟壬邘氲奈锢頍嵋矔黾尤紵臒崃俊?/p>
相同熱負(fù)荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進(jìn)行熱效率對比試驗，結(jié)果如表2所示。不難發(fā)現(xiàn)，在相同熱負(fù)荷時，使用液化氣時紅外線灶測得的熱效率比使用天然氣時的高。
在使用罐裝液化石油氣的時候，鋼瓶不同部位的燃?xì)庑再|(zhì)與測試界限氣的狀況相當(dāng)。圖6是使用液化石油氣的紅外線灶在使用其界限氣時的熱效率對比圖。表3給出了試驗中各氣源的熱值數(shù)據(jù)。
結(jié)合圖6和表3來看，使用黃焰界限氣丁烷時熱效率較高，即燃?xì)鉄嶂翟礁邷y得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃?xì)鈺r，消耗的燃?xì)怏w積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃?xì)鈮毫ο碌臒嵝蕦Ρ冉Y(jié)果，從中不難看出，當(dāng)燃?xì)鈮毫υ龃髸r，熱效率降低，這是因為燃?xì)饬魉僭黾?，會吸入更多二次空氣，同時燃燒器產(chǎn)生的熱流與鍋底接觸熱交換時間變短，導(dǎo)致熱效率有所降低。
3.2.3試驗用鍋的影響
在家用燃?xì)庠罹叩膶嶋H使用過程中，用戶往往使用到不同大小或類型的烹飪?nèi)萜?，因此，需對不同試驗鍋紅外灶具的效率情況進(jìn)行探討。
（1） 不同直徑試驗鍋熱效率
在GB16410-2007標(biāo)準(zhǔn)的熱效率試驗方法中，規(guī)定了試驗用鍋的形狀大小等參數(shù)，同時，也指定了不同實測熱負(fù)荷時選用的上、下限試驗鍋。
設(shè)定取實測熱負(fù)荷為2.99 kW的紅外線燃燒器，分別對直徑為20 cm、22 cm、24 cm、26 cm、28 cm、30 cm、32 cm的國標(biāo)試驗鋁鍋進(jìn)行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導(dǎo)致鍋底熱強(qiáng)度值變化，按照GB16410-2007定義：
鍋底熱強(qiáng)度q=實測熱負(fù)荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強(qiáng)度單位為W/cm2。
對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強(qiáng)度值列于表4。
通過試驗得到的不同鍋底熱強(qiáng)度對熱效率影響關(guān)系如圖8所示，熱效率反比于鍋底熱強(qiáng)度，即鍋直徑越大，測得熱效率越高。
（2） 鍋底灰度
試驗用鍋對紅外線灶具的熱效率影響還體現(xiàn)在鍋底的灰度上，對幾組使用表面光亮的新鋁鍋和表面氧化無光澤灰鍋進(jìn)行熱效率對比，具體結(jié)果如表5所示。結(jié)合表5來看，在有金屬亮光的新鍋上測得的熱效率與無光澤灰鍋的熱效率相差達(dá)8%。
（3） 不同類型試驗鍋效率
目前，灶具標(biāo)準(zhǔn)中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標(biāo)鍋）、歐標(biāo)EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標(biāo)鍋）以及新國標(biāo)草案的蘇泊爾平鍋。此外，用戶在日常生活中還常使用到黑底炒鍋、陶瓷瓦鍋等。同按現(xiàn)行國標(biāo)GB16410-2007規(guī)定的試驗方法，得到各種類型鍋的熱效率結(jié)果如圖9所示。從圖9看出，對于紅外線灶具，使用黑底炒鍋和類似歐標(biāo)和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導(dǎo)熱性能較差，熱效率較低。
（4） 不同標(biāo)準(zhǔn)體系測試方法的熱效率差異
在不同標(biāo)準(zhǔn)中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異?，F(xiàn)行灶具國標(biāo)GB16410-2007與1996版本標(biāo)準(zhǔn)的差異主要在于加熱水量、水溫升、攪拌和試驗結(jié)束余溫的計算等方面。1996版舊國標(biāo)的試驗水量基本為2007版國標(biāo)的兩倍，2007版國標(biāo)水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標(biāo)準(zhǔn)水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標(biāo)草案提出了使用蘇泊爾定制試驗鍋、50 K溫升的試驗方法，目前其試驗效果正在論證中。另一方面，EN30歐標(biāo)熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負(fù)荷調(diào)節(jié)至指定的熱負(fù)荷，并按要求加入水量，水溫升為70 K，起始溫度為20±1 ℃，試驗中不攪拌并計算余溫。此外，不同的標(biāo)準(zhǔn)體系里熱效率計算也存在差異，歐標(biāo)中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃?xì)鉄嶂凳褂酶邿嶂?。本?jié)的熱效率比對試驗中，為了便于比較，統(tǒng)一選取26 cm的試驗鍋進(jìn)行試驗，結(jié)果如表6所示。
從表6來看，GB16410-2007方法采用鋁鍋試驗時，加熱水的溫升比GB16410-1996的小，因而鍋和水的總平均溫度也相對低，有益于測得高效率，同時由于計算了余熱溫升，測得的熱效率高出1～2%。在歐標(biāo)的效率測試中，顯然由于試驗溫升最高，同時結(jié)果計算還涵括了鋁鍋的吸熱，燃?xì)鉄嶂凳褂玫氖歉邿嶂担罱K計算出來的效率最低。筆者認(rèn)為，新國標(biāo)草案中使用的試驗鍋本身就是灰色的平底圓鍋，因而比2007的鋁鍋測試得到的熱效率結(jié)果高出約2%。
4 結(jié)語
本文對陶瓷板紅外線家用燃?xì)庠畹臒嵝侍匦院陀绊懸蛩剡M(jìn)行研究。結(jié)果表明紅外線灶的自身效率與燃燒器燃燒性能、與鍋之間的熱交換率以及熱損耗有關(guān)，不同標(biāo)準(zhǔn)方法測得熱效率結(jié)果存在較大差異，紅外線灶熱效率測試結(jié)果與環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟?、熱值呈正比例關(guān)系，與壓力、鍋底熱強(qiáng)度呈反比例關(guān)系。試驗鍋的灰度對紅外線灶的熱效率影響效果明顯。本研究對設(shè)計提高紅外線灶的熱效率，合理使用紅外線燃?xì)庠?，實現(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
[1] 陳世志，劉艷春，曾令可等.家用紅外線節(jié)能灶具用多孔介質(zhì)性
能分析[J].家用燃?xì)饩撸?010（4）： 64-67.
[2] 張健.影響家用燃?xì)庠罹邿嵝蕼y試的因素的探討[J].能源技
術(shù)，2007，28（5）：294-299.
[3] 羅從杰等.研究探討提高大氣式家用燃?xì)庠罹邿嵝实姆椒?/p>
[J].能源研究與管理，2010（2）：69.
[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃?xì)庠顭嵝手绊慬J].現(xiàn)代家電，
2012（14）：50.
[5] 沈宏輝.從燃?xì)庠罹邿崞胶夥治鎏接懱岣邿嵝实姆椒╗J].浙
江燃?xì)饩撸?009（3）
[6] Hanamura K，Echigo R.Superadiaiabatic combustion in a porous
medium[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，1993
（36）：3201-3209.
[7] 嚴(yán)銘卿等.燃?xì)夤こ淘O(shè)計手冊[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.
[8] 程樂鳴.多孔介質(zhì)燃燒理論與技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2013.
[9] GB 16410-2007家用燃?xì)庠罹遊S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.endprint
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