簡(jiǎn)述溫度變化對(duì)熱效率的影響

寧波方太廚具有限公司 浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳鐵鋒 劉曉剛

0 前言

熱效率是《家用燃?xì)庠罹摺?GB l6410—2007)中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱效率的測(cè)試條件和計(jì)算方法進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，各種測(cè)試條件變化，會(huì)直接影響到測(cè)量結(jié)果的變化。

本文著重分析了同一臺(tái)灶具、同一組織測(cè)試人員、同一套測(cè)試鍋，在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行的測(cè)試，通過相關(guān)的計(jì)算，驗(yàn)證了溫度變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

1 環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試熱效率的影響

在實(shí)測(cè)熱負(fù)荷的計(jì)算公式中：

式中：Φ實(shí)——實(shí)測(cè)熱負(fù)荷，kW；

Q——0℃、101.3 kPa狀態(tài)下試驗(yàn)燃?xì)獾牡蜔嶂担琈J/m3；

v——實(shí)測(cè)流量計(jì)內(nèi)的燃?xì)饬髁浚琺3/h；

tg——燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)鉁囟?，℃?/p>

pamb——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa；

pm——實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)庀鄬?duì)靜壓力，kPa；

S——溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力，kPa。(當(dāng)使用干式流量計(jì)測(cè)量時(shí)，S值應(yīng)乘以試驗(yàn)燃?xì)獾南鄬?duì)濕度進(jìn)行修正)。

在計(jì)算公式中得出實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁縱、燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)燃?xì)獾臏囟萾g和溫度為tg時(shí)飽和水蒸氣的分壓力S這三個(gè)參數(shù)是受到環(huán)境溫度的影響；因此實(shí)測(cè)熱負(fù)荷受環(huán)境溫度的影響，而且這三項(xiàng)也出現(xiàn)在實(shí)測(cè)熱效率的計(jì)算公式中，對(duì)熱效率有直接影響。

式中：η實(shí)——實(shí)測(cè)熱效率，%；

M——加熱水量，kg；

C——水的比熱，C=4.19×10-3MJ/kg·℃；

Q——0℃、101.3 kPa狀態(tài)下試驗(yàn)燃?xì)獾牡蜔嶂?，MJ/m3；

t2——水的終溫，℃；

t1——水的初溫，℃；

v——實(shí)測(cè)燃?xì)庀牧?，m3；

pamb——試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa；

pm——實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)庀鄬?duì)靜壓力，kPa；

tg——燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)鉁囟龋妫?/p>

S——溫度為tg時(shí)的飽和水蒸氣壓力，kPa。(當(dāng)使用干式流量計(jì)測(cè)量時(shí)，S值應(yīng)乘以試驗(yàn)燃?xì)獾南鄬?duì)濕度進(jìn)行修正)。

另一方面，從傳熱角度來說，即使實(shí)測(cè)熱負(fù)荷相同，鍋里面水的吸熱量還是會(huì)受到以下因素的影響：

(1)鍋的直徑和高度——影響燃燒效果、火焰形狀、火焰與鍋體的接觸程度以及對(duì)流換熱系數(shù)；

(2)水位的高度——影響鍋體與火焰之間的傳熱。按照《家用燃?xì)庠罹摺罚?80 mm的鍋水高度約6.5 cm，300 mm的鍋水高度約7.1 cm，320 mm的鍋水高度約7.5 cm。實(shí)測(cè)熱負(fù)荷的偏差會(huì)影響鍋的選型，進(jìn)而導(dǎo)致國內(nèi)水位的高度不同；

(3)環(huán)境溫度——影響火焰與周圍環(huán)境的輻射熱以及水的散熱。

在接下來的討論中，我們把環(huán)境溫度對(duì)熱效率的影響分成兩類來討論，一類是環(huán)境溫度影響燃?xì)獾馁|(zhì)量流量進(jìn)而影響實(shí)測(cè)熱負(fù)荷；另一類是環(huán)境溫度影響火焰與鍋底的傳熱速率和排煙、散熱損失，進(jìn)而影響熱效率。

2 選用鍋的影響

環(huán)境溫度不同會(huì)引起實(shí)測(cè)熱負(fù)荷不同，進(jìn)而導(dǎo)致選用鍋的不同，下面分析選用大小不同的鍋時(shí)引起的誤差。

假設(shè)實(shí)測(cè)熱負(fù)荷的真實(shí)值為3.86 kW，由于測(cè)試誤差，一組測(cè)試值為 3.855 kW，則下限鍋D=280mm，上限鍋D=300 mm(根據(jù) GB 16410—2007)，設(shè)為工況一。另一組測(cè)試值為 3.865 kW，則下限鍋D=300 mm，上限鍋D=320 mm(根據(jù)GB 16410—2007)，設(shè)為工況二。

根據(jù)熱效率的計(jì)算公式：

式中：η——熱效率，%；

η下——使用下限鍋時(shí)的實(shí)測(cè)熱效率，%；

η上——使用上限鍋時(shí)的實(shí)測(cè)熱效率，%；

q下——使用下限鍋試驗(yàn)時(shí)的鍋底熱強(qiáng)度，W/cm2；

q上——使用上限鍋試驗(yàn)時(shí)的鍋底熱強(qiáng)度，W/cm2。

注：鍋底熱強(qiáng)度=實(shí)測(cè)熱負(fù)荷(W)/試驗(yàn)用鍋在正投影面的面積(cm2)。

工況一的熱效率為：

式中：η280、η300和η320分別表示直徑為280 mm、300 mm和320 mm時(shí)的熱效率。

假設(shè)η320=η300+Δη1，η280=η300+Δη2，則：

工況一的熱效率為：η工況一=η300-0.017Δη2

工況二的熱效率為：η工況二=η300+0.00151Δη1

η工況一-η工況二=-0.017Δη2-0.00151Δη1

即使Δη1和Δη2取5%的話，兩者的差值也不超過0.1%，可以忽略不計(jì)。因此，由于測(cè)量誤差引起的實(shí)測(cè)熱負(fù)荷在選鍋分界熱負(fù)荷上下波動(dòng)、進(jìn)而選用鍋不同導(dǎo)致的差異是可以不考慮的。

3 環(huán)境溫度不同引起的實(shí)測(cè)熱負(fù)荷差異

通過流量計(jì)的流量可近似按下式計(jì)算：

式中：C——常數(shù)，假設(shè)不同工況時(shí)此常數(shù)值相同；

Δp——流量計(jì)前后的壓差，kPa；

ρ——燃?xì)鈱?duì)空氣的相對(duì)密度。把燃?xì)饨瞥衫硐霘怏w，ρ則有：

代入式(1)則實(shí)測(cè)熱負(fù)荷：

假設(shè)pamb=101.3，pm=2則：

0 ℃時(shí)實(shí)測(cè)熱負(fù)荷為Φ=0.6133A；

14 ℃時(shí)實(shí)測(cè)熱負(fù)荷為Φ=0.5923A；

34 ℃時(shí)實(shí)測(cè)熱負(fù)荷為Φ=0.5595A；

40 ℃時(shí)實(shí)測(cè)熱負(fù)荷為Φ=0.5536A。

理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量均說明溫度越低，實(shí)測(cè)熱負(fù)荷越大。

即使不考慮環(huán)境溫度不同引起的散熱損失差異、采用同樣大小的鍋，需要分析實(shí)測(cè)熱負(fù)荷的變化引起的熱效率的變化。為此，通過調(diào)節(jié)閥前壓力，進(jìn)行了不同實(shí)測(cè)熱負(fù)荷下實(shí)驗(yàn)測(cè)量，熱效率數(shù)據(jù)見表1。

表1 同等環(huán)境溫度下30 cm鍋時(shí)的熱效率變化(樣機(jī)折算熱負(fù)荷4.00 kW)

熱負(fù)荷過小時(shí)，火焰縮短，火焰距離鍋底的距離變長，偏離設(shè)計(jì)工況太大；熱負(fù)荷過大時(shí)，火焰溢出鍋底，同樣偏離設(shè)計(jì)工況過大，因此取上表中3.86 kW至4.10 kW的熱效率分析，實(shí)測(cè)熱負(fù)荷越大，排煙損失和散熱損失增加，熱效率越小，兩者相差可達(dá)1.50%。如比較3.60 kW和4.10 kW時(shí)的熱效率，則可相差2.05%。

圖1 熱效率計(jì)算公式原理

熱效率的計(jì)算公式認(rèn)為隨著鍋底熱流密度的增加，熱效率下降。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，q下和q上兩種熱流密度下熱效率的差異可達(dá)2.0%左右。然而，實(shí)測(cè)熱負(fù)荷越大，采用同等大小的鍋時(shí)的熱效率越低，并不能說明其最終得到的熱效率值越低。如圖2所示，雖然但由于靠5.47 W/cm2比較近，因此，最終的折算熱效率反而是η2＞η1。

圖2 不同實(shí)測(cè)熱負(fù)荷時(shí)熱效率的比較

表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)正是反應(yīng)了這一情況。

表2 環(huán)境溫度相同實(shí)測(cè)熱負(fù)荷不同時(shí)的熱效率對(duì)比

表2中，實(shí)驗(yàn)一的下限鍋熱效率大于實(shí)驗(yàn)二的下限鍋熱效率，實(shí)驗(yàn)一的上限鍋熱效率也大于實(shí)驗(yàn)二的上限鍋熱效率，但實(shí)驗(yàn)一的折算熱效率卻小于實(shí)驗(yàn)二1.2 kW。圖2和表2說明，最終的熱效率不僅與實(shí)測(cè)熱負(fù)荷的大小有關(guān)，還與偏離5.47 W/cm2的程度有關(guān)。因此，在今后的灶具熱效率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中，可以考慮確定鍋底的熱流密度為5.47 W/cm2，在此基礎(chǔ)上比較不同灶具的熱效率差異。

4 環(huán)境溫度對(duì)傳熱的影響

如果忽略鍋體的導(dǎo)熱熱阻，并假設(shè)鍋和水的溫度為t水，貼近鍋底和鍋側(cè)的火焰和煙氣平均溫度為t火，則鍋與水的吸熱過程可表述為：

式中：Q吸——吸熱量，kW；

m——被加熱的水量，kg；

cp——水的比熱容，kJ/kg℃；

t水——鍋和水的溫度，℃；

τ——時(shí)間，s。

火焰和煙氣與鍋底的傳熱速率可表述為：

式中：Q傳——通過鍋傳給水的熱量，kW；

K——總傳熱系數(shù)，kW/m2K；

A——傳熱面積，m2；

t火——煙氣平均溫度，℃。

由上述兩式可得：

式中：t0——水的起始被加熱溫度或環(huán)境溫度，℃。

由式(6)可見，環(huán)境溫度或者水的被加熱起始溫度越低，傳熱的驅(qū)動(dòng)力則越大，鍋和水的吸熱速率則越快，在同等實(shí)測(cè)熱負(fù)荷的條件下，有利于熱效率的提高。

表3的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也說明實(shí)測(cè)熱負(fù)荷接近4.0 kW時(shí)，大氣溫度為 15.5 ℃時(shí)的熱效率比大氣溫度為25.0℃時(shí)的熱效率高1.36%。

表3 相同實(shí)測(cè)熱負(fù)荷不同環(huán)境溫度條件下的熱效率比較

5 結(jié)語

如不考慮火焰與鍋底的傳熱系數(shù)變化和排煙損失、散熱損失等情況：

(1)環(huán)境溫度越低會(huì)導(dǎo)致實(shí)測(cè)熱負(fù)荷越大；實(shí)測(cè)熱負(fù)荷越大會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)某固定尺寸鍋的熱效率越?。坏钦鬯銦嵝饰幢刈冃?，還需要看鍋底熱流密度偏離5.47 W/cm2的程度。

(2)實(shí)測(cè)熱負(fù)荷大小的變化會(huì)引起熱效率變化達(dá)2.0%。

(3)從傳熱角度而言：環(huán)境溫度越低，傳熱驅(qū)動(dòng)力加強(qiáng)，熱效率提高。

最終環(huán)境溫度對(duì)熱效率的影響是上述各種因素的疊加，近似估計(jì)其對(duì)熱效率的影響可達(dá)2.0%。建議今后的家用灶具熱效率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定環(huán)境溫度和鍋底的熱流密度，在此基礎(chǔ)上比較不同灶具熱效率的優(yōu)劣。