多孔陶瓷板紅外線燃氣灶具燃燒能效特性探究

戴奕藝等

摘 要：本文從紅外線家用燃氣灶的自身結(jié)構(gòu)和燃燒原理出發(fā)，分析多孔陶瓷板紅外線燃氣灶節(jié)能高效的特性，并對影響紅外線燃氣灶熱效率的各種因素進行探討，研究不同灶具標準試驗方法、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；紅外線燃氣灶；熱效率測試；節(jié)能

1 前言

在倡導低碳節(jié)能概念的今天，節(jié)能燃氣灶的普及已成為燃氣灶具行業(yè)發(fā)展的趨勢。紅外線燃氣燃燒技術(shù)是一種較先進的燃燒技術(shù)，使用陶瓷板紅外線燃燒器的燃氣灶具，具有加熱均勻，熱效率高，煙氣中有害成分少的特點[1]。二十世紀八九十年代以來，國內(nèi)一些燃氣灶具企業(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)”更是作為國家重點節(jié)能技術(shù)進行推廣，對節(jié)能技術(shù)的普及應(yīng)用起到重要推動作用。

家用燃氣灶的熱效率是衡量燃氣灶是否節(jié)能的一項重要指標。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氣灶具熱效率，一直是行業(yè)人員研究的熱點[2～5]。另據(jù)行業(yè)信息稱，灶具新國標修訂草案及灶具產(chǎn)品能效標識實施討論方案中，將會對燃氣灶具熱效率的測試方法及性能指標作進一步要求。

本文從陶瓷板紅外線家用燃氣灶的燃燒方式和結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，對影響陶瓷板紅外線家用燃氣灶熱效率的因素進行探索，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 陶瓷板紅外線燃氣灶的結(jié)構(gòu)特性

多孔陶瓷板燃氣紅外輻射器最早可追溯到上世紀四十年代[6]，我國紅外燃燒技術(shù)應(yīng)用于節(jié)能型燃氣灶具已有20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氣灶的燃燒器，由頭部多孔蜂窩陶瓷板和底部空氣預混腔構(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，在預混腔體內(nèi)，燃氣利用引射器預混了燃氣燃燒所需要的全部空氣量（空氣過剩系數(shù)α=1.03～1.06）[7]，燃氣-空氣混合物在陶瓷板的數(shù)千個小孔道溢出進行燃燒，將板面加熱到赤紅狀態(tài)，溫度達到800～900 ℃，此時燃燒接近無焰狀態(tài)，板面和高溫煙氣對炊具進行輻射和對流加熱。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，從而避免因火焰與鍋底的接觸時間短暫，導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。

由于紅外線燃氣灶與大氣式燃氣灶的燃燒和傳熱方式不同，其熱效率也不同。根據(jù)GB16410-2007《家用燃氣灶具》條款6.14表21中熱效率的實驗方法，如圖3所示，將陶瓷板紅外線燃氣灶與大氣式灶具進行實驗對比。

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氣灶熱效率最高可達68%，比普通大氣式嵌入式灶可高出10%左右。

紅外線燃氣灶之所以具有高熱效率主要有以下幾方面原因：首先，燃燒器采用完全預混及無焰催化燃燒技術(shù)，燃氣在燃燒前先與足夠的空氣混合，輻射板上均勻分布的眾多燃燒火孔，使得燃燒更加充分，減少了燃氣“化學能”損失；同時，全預混及無焰催化燃燒，燃氣利用引射擊器預混了燃氣燃燒所需要的全部空氣量（空氣過剩系數(shù)α=1.03～1.06），燃氣-空氣混合物以0.1～0.14 m/s的速度從陶瓷板數(shù)千個小孔道溢出進行燃燒，遠低于大氣式燃燒器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熱系數(shù)小，向下散熱少。

3 影響紅外線燃氣灶熱效率的因素

燃氣灶具的熱效率主要是由其自身的結(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，燃氣灶具在對鍋加熱時，燃氣經(jīng)過預混，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。陶瓷板紅外線燃氣灶對鍋加熱時，除了高溫煙氣的對流和輻射加熱外，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)行家用燃氣灶具國家標準GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃氣條件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴格規(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，都會遇到不同于標準環(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)境溫度和風對熱效率的影響

GB16410-2007標準對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風速在灶具周圍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)通風時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風速都與理想狀態(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（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的有風和無風狀態(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燃氣條件對熱效率的影響

我國城鎮(zhèn)燃氣供氣多元化的特點，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃氣條件包括燃氣種類、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，在16～30 ℃燃氣溫度下進行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃氣溫度的上升，熱效率隨之上升，這是因為燃氣溫度升高帶入的物理熱也會增加燃燒的熱量。

相同熱負荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進行熱效率對比試驗，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，鋼瓶不同部位的燃氣性質(zhì)與測試界限氣的狀況相當。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，即燃氣熱值越高測得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃氣時，消耗的燃氣體積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃氣壓力下的熱效率對比結(jié)果，從中不難看出，當燃氣壓力增大時，熱效率降低，這是因為燃氣流速增加，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，導致熱效率有所降低。

3.2.3試驗用鍋的影響

在家用燃氣灶具的實際使用過程中，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行探討。

（1） 不同直徑試驗鍋熱效率

在GB16410-2007標準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荷時選用的上、下限試驗鍋。

設(shè)定取實測熱負荷為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的國標試驗鋁鍋進行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導致鍋底熱強度值變化，按照GB16410-2007定義：

鍋底熱強度q=實測熱負荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強度單位為W/cm2。

對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強度值列于表4。

通過試驗得到的不同鍋底熱強度對熱效率影響關(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8%。

（3） 不同類型試驗鍋效率

目前，灶具標準中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標準規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標鍋）、歐標EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標鍋）以及新國標草案的蘇泊爾平鍋。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和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導熱性能較差，熱效率較低。

（4） 不同標準體系測試方法的熱效率差異

在不同標準中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異?，F(xiàn)行灶具國標GB16410-2007與1996版本標準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版舊國標的試驗水量基本為2007版國標的兩倍，2007版國標水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標準水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標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歐標熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負荷調(diào)節(jié)至指定的熱負荷，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，不同的標準體系里熱效率計算也存在差異，歐標中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃氣熱值使用高熱值。本節(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，燃氣熱值使用的是高熱值，最終計算出來的效率最低。筆者認為，新國標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氣灶的熱效率特性和影響因素進行研究。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)，不同標準方法測得熱效率結(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、燃氣溫度、熱值呈正比例關(guān)系，與壓力、鍋底熱強度呈反比例關(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，合理使用紅外線燃氣灶，實現(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導意義。

參考文獻

[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].家用燃氣具，2010（4）： 64-67.

[2] 張健.影響家用燃氣灶具熱效率測試的因素的探討[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氣灶具熱效率的方法

[J].能源研究與管理，2010（2）：69.

[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃氣灶熱效率之影響[J].現(xiàn)代家電，

2012（14）：50.

[5] 沈宏輝.從燃氣灶具熱平衡分析探討提高熱效率的方法[J].浙

江燃氣具，2009（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] 嚴銘卿等.燃氣工程設(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].化學工業(yè)出版社，2013.

[9] GB 16410-2007家用燃氣灶具[S].北京：中國標準出版社，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)行家用燃氣灶具國家標準GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃氣條件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴格規(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，都會遇到不同于標準環(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)境溫度和風對熱效率的影響

GB16410-2007標準對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風速在灶具周圍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)通風時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風速都與理想狀態(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（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的有風和無風狀態(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燃氣條件對熱效率的影響

我國城鎮(zhèn)燃氣供氣多元化的特點，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃氣條件包括燃氣種類、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，在16～30 ℃燃氣溫度下進行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃氣溫度的上升，熱效率隨之上升，這是因為燃氣溫度升高帶入的物理熱也會增加燃燒的熱量。

相同熱負荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進行熱效率對比試驗，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，鋼瓶不同部位的燃氣性質(zhì)與測試界限氣的狀況相當。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，即燃氣熱值越高測得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃氣時，消耗的燃氣體積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃氣壓力下的熱效率對比結(jié)果，從中不難看出，當燃氣壓力增大時，熱效率降低，這是因為燃氣流速增加，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，導致熱效率有所降低。

3.2.3試驗用鍋的影響

在家用燃氣灶具的實際使用過程中，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行探討。

（1） 不同直徑試驗鍋熱效率

在GB16410-2007標準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荷時選用的上、下限試驗鍋。

設(shè)定取實測熱負荷為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的國標試驗鋁鍋進行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導致鍋底熱強度值變化，按照GB16410-2007定義：

鍋底熱強度q=實測熱負荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強度單位為W/cm2。

對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強度值列于表4。

通過試驗得到的不同鍋底熱強度對熱效率影響關(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8%。

（3） 不同類型試驗鍋效率

目前，灶具標準中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標準規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標鍋）、歐標EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標鍋）以及新國標草案的蘇泊爾平鍋。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和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導熱性能較差，熱效率較低。

（4） 不同標準體系測試方法的熱效率差異

在不同標準中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異?，F(xiàn)行灶具國標GB16410-2007與1996版本標準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版舊國標的試驗水量基本為2007版國標的兩倍，2007版國標水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標準水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標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歐標熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負荷調(diào)節(jié)至指定的熱負荷，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，不同的標準體系里熱效率計算也存在差異，歐標中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃氣熱值使用高熱值。本節(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，燃氣熱值使用的是高熱值，最終計算出來的效率最低。筆者認為，新國標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氣灶的熱效率特性和影響因素進行研究。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)，不同標準方法測得熱效率結(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、燃氣溫度、熱值呈正比例關(guān)系，與壓力、鍋底熱強度呈反比例關(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，合理使用紅外線燃氣灶，實現(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導意義。

參考文獻

[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].家用燃氣具，2010（4）： 64-67.

[2] 張健.影響家用燃氣灶具熱效率測試的因素的探討[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氣灶具熱效率的方法

[J].能源研究與管理，2010（2）：69.

[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃氣灶熱效率之影響[J].現(xiàn)代家電，

2012（14）：50.

[5] 沈宏輝.從燃氣灶具熱平衡分析探討提高熱效率的方法[J].浙

江燃氣具，2009（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] 嚴銘卿等.燃氣工程設(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].化學工業(yè)出版社，2013.

[9] GB 16410-2007家用燃氣灶具[S].北京：中國標準出版社，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)行家用燃氣灶具國家標準GB16410-2007中對熱效率試驗的環(huán)境條件，燃氣條件、水溫升和試驗用鍋等都作了嚴格規(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，都會遇到不同于標準環(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)境溫度和風對熱效率的影響

GB16410-2007標準對環(huán)境的要求主要有：試驗環(huán)境溫度為20±5 ℃，環(huán)境風速在灶具周圍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)通風時，其室內(nèi)溫度波動和周邊風速都與理想狀態(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（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的有風和無風狀態(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燃氣條件對熱效率的影響

我國城鎮(zhèn)燃氣供氣多元化的特點，決定了紅外線灶具的使用氣源條件多樣化，對熱效率產(chǎn)生影響的燃氣條件包括燃氣種類、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，在16～30 ℃燃氣溫度下進行熱效率測試結(jié)果比對，具體結(jié)果如表1所示。隨著燃氣溫度的上升，熱效率隨之上升，這是因為燃氣溫度升高帶入的物理熱也會增加燃燒的熱量。

相同熱負荷的陶瓷板紅外線灶，分別使用天然氣、石油液化氣進行熱效率對比試驗，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，鋼瓶不同部位的燃氣性質(zhì)與測試界限氣的狀況相當。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，即燃氣熱值越高測得的熱效率越高。從理論上分析，使用熱值高的燃氣時，消耗的燃氣體積少，煙氣帶走的熱量相對少。圖7是不同燃氣壓力下的熱效率對比結(jié)果，從中不難看出，當燃氣壓力增大時，熱效率降低，這是因為燃氣流速增加，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，導致熱效率有所降低。

3.2.3試驗用鍋的影響

在家用燃氣灶具的實際使用過程中，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行探討。

（1） 不同直徑試驗鍋熱效率

在GB16410-2007標準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荷時選用的上、下限試驗鍋。

設(shè)定取實測熱負荷為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的國標試驗鋁鍋進行熱效率測試。試驗中，根據(jù)鍋直徑取相應(yīng)的加熱水量。鍋底直徑變化，直接導致鍋底熱強度值變化，按照GB16410-2007定義：

鍋底熱強度q=實測熱負荷/試驗用鍋在正投影面的面積，鍋底熱強度單位為W/cm2。

對不同直徑試驗鋁鍋求得的鍋底熱強度值列于表4。

通過試驗得到的不同鍋底熱強度對熱效率影響關(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8%。

（3） 不同類型試驗鍋效率

目前，灶具標準中常見的熱效率試驗鍋有：GB16410-2007版本標準規(guī)定的鋁鍋（下簡稱07國標鍋）、歐標EN30的直筒平底圓鍋（簡稱歐標鍋）以及新國標草案的蘇泊爾平鍋。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和蘇泊爾平底鍋熱效率較高，陶瓷瓦鍋由于介質(zhì)導熱性能較差，熱效率較低。

（4） 不同標準體系測試方法的熱效率差異

在不同標準中，灶具熱效率的測試方法存在著明顯差異。現(xiàn)行灶具國標GB16410-2007與1996版本標準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版舊國標的試驗水量基本為2007版國標的兩倍，2007版國標水溫升為30 K，試驗前后階段需攪拌并計算余溫，而96版標準水溫升為50 K，試驗結(jié)束后不計算余溫。最新的國標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歐標熱效率的測試方法中，需要將燃燒器熱負荷調(diào)節(jié)至指定的熱負荷，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，不同的標準體系里熱效率計算也存在差異，歐標中需計算試驗鍋的吸熱，計算時燃氣熱值使用高熱值。本節(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，燃氣熱值使用的是高熱值，最終計算出來的效率最低。筆者認為，新國標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氣灶的熱效率特性和影響因素進行研究。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)，不同標準方法測得熱效率結(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、燃氣溫度、熱值呈正比例關(guān)系，與壓力、鍋底熱強度呈反比例關(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，合理使用紅外線燃氣灶，實現(xiàn)節(jié)能、減少家用炊具耗能有指導意義。

參考文獻

[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].家用燃氣具，2010（4）： 64-67.

[2] 張健.影響家用燃氣灶具熱效率測試的因素的探討[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氣灶具熱效率的方法

[J].能源研究與管理，2010（2）：69.

[4] 張喜杰，吳亭.鍋具對家用燃氣灶熱效率之影響[J].現(xiàn)代家電，

2012（14）：50.

[5] 沈宏輝.從燃氣灶具熱平衡分析探討提高熱效率的方法[J].浙

江燃氣具，2009（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] 嚴銘卿等.燃氣工程設(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].化學工業(yè)出版社，2013.

[9] GB 16410-2007家用燃氣灶具[S].北京：中國標準出版社，2007.endprint