汪 昕

(重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院， 重慶 400045)

1 概述

GB 30720—2014《家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃墶?以下簡稱GB 30720—2014)將燃?xì)庠罹叩哪苄У燃壏譃?級，大氣式灶具能效等級見表1。規(guī)定能效限定值為表1中能效等級的3級，節(jié)能評價(jià)值為能效等級的2級。其中，能效限定值為國家強(qiáng)制性指標(biāo)，即效率低于能效等級3級的燃?xì)庠罹卟辉试S生產(chǎn)銷售。由于能效等級分類中各等級熱效率差距并不大，環(huán)境參數(shù)若對熱效率的測試和計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生影響，將直接影響到是否能正確判斷一臺灶具的能效等級，以及是否能上市銷售，這對灶具廠家和質(zhì)量監(jiān)管單位來說是十分重要的。因此有必要研究灶具熱效率測試中環(huán)境因素的影響。

表1 大氣式灶具能效等級

2 規(guī)范要求

GB 30720—2014對試驗(yàn)條件作了如下要求。

① 室溫為(20±5)℃，在每次試驗(yàn)過程中室溫的波動應(yīng)小于5 ℃。

② 室溫的確定方法：在距灶具正左方、正右方、正前方各1 m處，將溫度計(jì)感溫部分固定在與灶具上端等高位置，測量上述3點(diǎn)的溫度，取其平均值。

③ 通風(fēng)換氣良好，室內(nèi)空氣中一氧化碳含量應(yīng)小于0.002%，二氧化碳含量應(yīng)小于0.2%，試驗(yàn)灶具周圍1 m處空氣水平流動速度不大于0.1 m/s。

④ 試驗(yàn)用燃?xì)猓涸囼?yàn)燃?xì)獍碐B/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴返囊?guī)定，使用0-2氣。試驗(yàn)燃?xì)獾牡蜔嶂怠⑷A白數(shù)相對于標(biāo)準(zhǔn)值的偏差應(yīng)在2%以內(nèi)；試驗(yàn)過程中低熱值、華白數(shù)變化范圍應(yīng)在0.5%以內(nèi)，灶具停止運(yùn)行時(shí)的靜壓力應(yīng)小于或等于運(yùn)行時(shí)燃?xì)夤鈮毫Φ?.25倍。

⑤ 試驗(yàn)灶邊緣至墻壁等遮擋物距離應(yīng)大于150 mm。

⑥ 燃燒器燃燒所需的空氣量，應(yīng)使用0-2氣調(diào)節(jié)到燃燒火焰最佳狀態(tài)，然后將風(fēng)門固定，試驗(yàn)時(shí)不得再調(diào)風(fēng)門。

⑦ 水溫的測定，精密溫度計(jì)應(yīng)放置在一半水深處的中心位置；攪拌器應(yīng)放置在不接觸溫度計(jì)感溫探頭的位置；灶具前壓力測點(diǎn)距離進(jìn)氣口不大于100 mm。

⑧ 燃燒過程水均勻攪拌，且頻率不小于30 次/min。

3 理論分析

① 灶具熱平衡及熱效率

水從溫度t1加熱到溫度t2，整個(gè)過程的灶具熱平衡及熱效率計(jì)算式如下：

Qr1+Qr2+Qr3=Qc1+Qc2+Qc3+Qc4+Qc5

(1)

(2)

式中Qr1——燃?xì)鈳氲幕瘜W(xué)熱量,kJ

Qr2——燃?xì)鈳氲奈锢頍崃?kJ

Qr3——空氣帶入的物理熱量,kJ

Qc1——水和鍋吸收的熱量,kJ

Qc2——燃料不完全燃燒引起的熱量損失,kJ

Qc3——高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量,kJ

Qc4——煙氣帶走的物理熱量,kJ

Qc5——釋放到環(huán)境(鍋架、灶具壁面、空氣)的熱量,kJ

η——灶具熱效率

② 環(huán)境因素對水和鍋吸收的熱量的影響

水和鍋吸收的熱量為：

Qc1=cm(t2-t1)

(3)

m=m1+0.213m2

(4)

式中c——水的比熱容，kJ/(kg·K)，取4.19 kJ/(kg·K)

m——實(shí)際加水量與鋁鍋換算為當(dāng)量加水量之和，kg

t2——水終溫，℃

t1——水初溫，℃

m1——鋁鍋中水的質(zhì)量,kg

m2——鋁鍋質(zhì)量，kg

規(guī)范要求水初溫為室溫加5 ℃，水終溫為室溫加55 ℃，因而(t2-t1)不變；熱效率測試過程中采用相同的鍋和相同加水量，m也保持不變；水的比熱容可以近似按定值處理，故而可以認(rèn)為環(huán)境因素對水和鍋吸收的熱量無影響。

③ 環(huán)境因素對燃?xì)饣瘜W(xué)熱量、燃?xì)鈳氲奈锢頍帷⒖諝鈳氲奈锢頍岬挠绊?/p>

燃?xì)鉁囟?、燃?xì)饬髁坑?jì)處燃?xì)鈮毫θ細(xì)饣瘜W(xué)熱量是有影響的，應(yīng)該根據(jù)氣體狀態(tài)方程對其加以修正。

(5)

式中V0——濕式流量計(jì)實(shí)測燃?xì)庀牧?工作狀態(tài)下)，m3

Hi——溫度為15 ℃，壓力為101.3 kPa狀態(tài)下燃?xì)獾牡蜔嶂?，kJ/m3，本文所用燃?xì)馊?3 223 kJ/m3

tg——燃?xì)鉁囟?，?/p>

pa——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa

pj——實(shí)測燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)鈮毫?，kPa

pb——溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力，kPa

本文標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)指溫度為15 ℃，壓力為101.3 kPa。當(dāng)采用濕式流量計(jì)計(jì)量時(shí)，燃?xì)庵兴魵獗厝皇秋柡蜖顟B(tài)，(pa+pj-pb)即是濕式流量計(jì)處水蒸氣和燃?xì)饣旌衔镏懈扇細(xì)獾慕^對壓力。

燃?xì)鈳氲奈锢頍崃縌r2、空氣帶入的物理熱量Qr3的計(jì)算式如下[1]：

Qr2=(cg+1.266cHdg)tgV1

(6)

Qr3=αVa(ca+1.266cHda)taV1

(7)

式中cg——燃?xì)獾钠骄w積定壓熱容，kJ/(m3·K)，取1.48 kJ/(m3·K)

1.266——水蒸氣的比體積的數(shù)值，相應(yīng)的單位為m3/kg

cH——水蒸氣的平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)

dg——燃?xì)獾暮瑵窳浚琸g/m3

V1——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干燃?xì)庀牧?，m3

α——過剩空氣系數(shù)，取2.3

Va——理論干空氣需要量，m3/m3，取9.275 m3/m3

ca——空氣的平均體積定壓熱容，kJ/(m3·K)，取1.234 6 kJ/(m3·K)

da——空氣的含濕量，kg/m3

ta——環(huán)境溫度，℃

當(dāng)燃?xì)饨M成、灶前壓力、風(fēng)門開度保持不變時(shí)，式中α、Va也將保持不變。由于灶具熱效率試驗(yàn)采用濕式流量計(jì)測量燃?xì)饬髁浚蚨街腥細(xì)獾暮瑵窳縟g為溫度為tg時(shí)飽和燃?xì)獾暮瑵窳?。由于燃?xì)鉁囟?、室溫變化不大，cH、ca、cg可以近似作為定值處理。另外，由于常溫下燃?xì)獾娘柡秃瑵窳亢涂諝獾暮瑵窳慷际?0-2級別，而水、空氣、燃?xì)獾谋葻崛荻际?00數(shù)量級，與前者相比相差兩個(gè)數(shù)量級。所以式(6)、(7)括號內(nèi)加號后的項(xiàng)可以忽略。因此，可以認(rèn)為，影響燃?xì)?、空氣物理熱的影響因素只有燃?xì)鉁囟群铜h(huán)境溫度。

假設(shè)燃?xì)鉁囟扰c環(huán)境溫度相同，且認(rèn)為不同環(huán)境溫度下使水溫升高50 ℃所消耗的總熱量相同(以表2環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)上限鍋試驗(yàn)結(jié)果為基準(zhǔn)),總熱量包括燃?xì)鈳氲幕瘜W(xué)熱和燃?xì)?、空氣帶入的物理熱。根?jù)式(5)、(6)、(7)可以計(jì)算不同環(huán)境溫度下單位體積燃?xì)鈳氲目偀崃?，因此可以?jì)算各個(gè)環(huán)境溫度下的計(jì)算需要燃?xì)饬?，從而得到?jì)算熱效率。環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)上限鍋試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量值及計(jì)算值見表2。各環(huán)境溫度下灶具的計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)上限鍋試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量值及計(jì)算值

表3 各環(huán)境溫度下灶具熱效率的計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，計(jì)算熱效率是增加的。這是因?yàn)樵谟?jì)算熱效率時(shí)不考慮燃?xì)夂涂諝獾奈锢頍幔瑑H考慮有效熱量(水和鍋吸收的熱量)占燃?xì)鈳氲幕瘜W(xué)熱量的比例。隨著溫度升高，單位體積的燃?xì)馊紵細(xì)夂涂諝獾奈锢頍?，尤其是空氣的物理熱逐漸不可忽略，且逐漸增大，但整個(gè)過程鍋和水吸收的熱量不隨環(huán)境溫度變化而變化，因此，熱效率隨環(huán)境溫度升高而增加。

小結(jié)：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，燃?xì)鉁囟纫采?，燃?xì)鈳氲幕瘜W(xué)熱量降低，燃?xì)鈳氲奈锢頍?、空氣帶入的物理熱均變大?/p>

④ 環(huán)境因素對Qc2、Qc3的影響

一般來說，燃燒溫度低于1 800 ℃時(shí)，熱離解反應(yīng)很微弱，多原子氣體離解所吸收的熱量Qc3可以不必考慮[2]。經(jīng)試驗(yàn)測算，不同環(huán)境溫度時(shí)，煙氣中CO的體積分?jǐn)?shù)在0.002%～0.005%范圍內(nèi)。試驗(yàn)燃?xì)饨M成見表4。根據(jù)文獻(xiàn)[2],計(jì)算得出單位體積燃?xì)馊紵a(chǎn)生的實(shí)際煙氣量為22.337 m3/m3。

表4 試驗(yàn)燃?xì)饨M成

燃料不完全燃燒引起的熱量損失：

Qc2=HcoVfφ1V1

(8)

式中Hco——CO的熱值，kJ/m3，取11 986 kJ/m3

Vf——單位體積燃?xì)馊紵a(chǎn)生的實(shí)際煙氣量， m3/m3

φ1——煙氣中的CO體積分?jǐn)?shù)，取0.005%

根據(jù)表2計(jì)算的結(jié)果，環(huán)境溫度為20 ℃、水溫升高50 ℃時(shí)，所需要的總熱量為3 491.96 kJ。燃料不完全燃燒引起的熱量損失Qc2占總熱量的比例僅為0.04%，因此，可以忽略燃料不完全燃燒引起的熱量損失Qc2。

小結(jié)：環(huán)境因素對燃?xì)獠煌耆紵鸬臒崃繐p失及高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量的影響可以忽略不計(jì)。

⑤ 環(huán)境因素對煙氣帶走的物理熱量Qc4的影響

煙氣從鍋底流出后，一部分煙氣水平擴(kuò)散到周圍環(huán)境中，另一部分煙氣豎直擴(kuò)散到鍋的側(cè)面繼續(xù)進(jìn)行對流換熱，直至流至鍋內(nèi)液面處，此時(shí)煙氣仍帶有熱量，忽略熱輻射的作用，這些熱量不再與鍋和水進(jìn)行換熱。由于鍋底出口處的煙氣溫度很高，浮力成為煙氣流動的主要驅(qū)動力，可以忽略前一部分煙氣流動過程。煙氣在豎直擴(kuò)散過程中，一部分熱量被鍋的側(cè)面吸收，為有效熱量；另一部分熱量被環(huán)境吸收，為損失熱量。因此煙氣帶走的熱量包括兩部分：一部分是從鍋底流至液面過程中，煙氣與周圍環(huán)境的熱交換造成的熱量損失；另一部分是煙氣離開液面時(shí)所具有的物理熱。經(jīng)試驗(yàn)測得，不同環(huán)境溫度時(shí)，鍋底出口處煙氣平均溫度約為(270±10)℃，液面出口處平均煙氣的溫度約為(105±10)℃。假設(shè)煙氣豎直擴(kuò)散過程中有效熱量和損失熱量各占一半，因此取鍋底、液面出口煙氣溫度的平均值即188 ℃為煙氣帶走熱量的計(jì)算溫度[3]。煙氣帶走的物理熱量Qc4為：

Qc4=188VfV1cpj

(9)

式中cpj——煙氣在0 ℃至188 ℃的平均體積熱容，kJ/(m3·K) ，取1.378 kJ/(m3·K)

環(huán)境因素對煙氣帶走的物理熱量的影響：

ΔQc4=10VfV1cpj

(10)

式中 ΔQc4——環(huán)境因素影響煙氣帶走的物理熱量的變化量，kJ

可以得出，煙氣帶走的物理熱量占總熱量的17.5%，占總熱損失的46.9%，是熱損失的主要部分。環(huán)境對煙氣帶走的物理熱量影響占總熱量的0.9%。

小結(jié)：環(huán)境因素對煙氣帶走的物理熱量影響較小，可以忽略不計(jì)。

⑥ 環(huán)境因素對釋放到環(huán)境的熱量Qc5的影響

釋放到環(huán)境的熱量包括鍋蓋釋放到環(huán)境的熱量、鍋側(cè)面釋放到環(huán)境的熱量、鍋底面釋放到環(huán)境的熱量以及燃燒器和鍋支架、灶面吸收的熱量。有學(xué)者經(jīng)過熱流密度測試試驗(yàn)得出結(jié)論：通過鍋底和鍋側(cè)面釋放到環(huán)境的熱量占總熱量的4.1%和4.6%，通過鍋頂釋放的熱量以及燃燒器、鍋支架、灶面吸收的熱量占總熱量的5.9%[4]。由于熱損失項(xiàng)很多，難以計(jì)算，很難定量描述環(huán)境對這些熱量的影響。

小結(jié)：環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)與環(huán)境的溫差減小，因此散發(fā)到環(huán)境的熱量Qc5減少；同理，環(huán)境溫度降低，散發(fā)到環(huán)境熱量Qc5增多。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

① 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取一臺固定的嵌入式燃?xì)庠罹哌M(jìn)行熱效率測試，試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)條件嚴(yán)格符合GB 30720—2014和GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺芬??？刂圃钋皦毫? kPa，為了使試驗(yàn)結(jié)果最大程度上反映環(huán)境因素對灶具熱效率的影響，將風(fēng)門開度保持最大，記錄試驗(yàn)時(shí)的燃?xì)鉁囟取h(huán)境溫度、大氣壓力，測試灶具的熱效率。為了使測試結(jié)果更加準(zhǔn)確，同一環(huán)境條件下重復(fù)進(jìn)行3次測試，熱效率取3次測試的平均值，熱效率最大值與最小值差不超過1%，否則重新進(jìn)行試驗(yàn)。

② 試驗(yàn)儀器設(shè)備連接

試驗(yàn)主要儀器儀表選取均符合規(guī)范要求，試驗(yàn)儀器設(shè)備連接見圖1。

③ 試驗(yàn)結(jié)果

符合規(guī)范要求的環(huán)境溫度下，灶具的實(shí)測熱效率與能效等級見表5。

表5 符合規(guī)范要求的環(huán)境溫度下灶具的實(shí)測熱效率與能效等級

圖1 試驗(yàn)儀器設(shè)備連接

由表5可以看出，灶具熱效率隨著環(huán)境溫度升高而升高。由此可知，環(huán)境因素對灶具熱效率試驗(yàn)是非常重要的，將直接影響判斷灶具的能效等級。因此燃具制造廠家和燃具檢測中心非常有必要建立恒溫實(shí)驗(yàn)室來進(jìn)行灶具性能測試。

④ 試驗(yàn)討論

a.與之前理論計(jì)算的熱效率對比，可以發(fā)現(xiàn)實(shí)際上環(huán)境溫度對熱效率的影響要比理論分析的影響要大。這是由于環(huán)境溫度升高，散發(fā)到環(huán)境的熱量減小，使水溫升高50 ℃所消耗的總熱量應(yīng)該減少，并且計(jì)算的時(shí)候做了一些近似計(jì)算，這些都導(dǎo)致了計(jì)算熱效率與試驗(yàn)熱效率存在偏差。但能反映的是，環(huán)境溫度升高時(shí)，灶具熱效率增加。

b.由于試驗(yàn)的人力有限，僅采用一臺嵌入式灶具做驗(yàn)證試驗(yàn)，為了結(jié)論的通用性，應(yīng)采用臺式灶具、多臺灶具驗(yàn)證環(huán)境因素的影響，進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)。

5 結(jié)論

① 依據(jù)灶具熱平衡及熱效率計(jì)算關(guān)系式，分析環(huán)境因素對熱平衡中各部分熱量的影響。

② 水和鍋吸收的熱量與環(huán)境因素?zé)o關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，燃?xì)鉁囟纫采?，燃?xì)鈳氲幕瘜W(xué)熱量降低，燃?xì)鈳氲奈锢頍?、空氣帶入的物理熱均變大。環(huán)境因素對燃?xì)獠煌耆紵鸬臒崃繐p失及高溫下多原子氣體離解所吸收的熱量的影響可以忽略不計(jì)。環(huán)境因素對煙氣帶走的物理熱量影響較小，可以忽略不計(jì)。環(huán)境溫度升高，釋放到環(huán)境的熱量減少。

③ 當(dāng)環(huán)境溫度、燃?xì)鉁囟壬邥r(shí)，灶具的熱效率增加；環(huán)境溫度對灶具熱效率的影響大于燃?xì)鉁囟葘υ罹邿嵝实挠绊憽?/p>

④ 在符合規(guī)范要求的環(huán)境溫度下進(jìn)行熱效率試驗(yàn)，環(huán)境溫度24.83 ℃下與環(huán)境溫度15.30 ℃下的熱效率差達(dá)1.48%，將直接影響判斷灶具的能效等級。