家用燃?xì)庠钣蜏剡^熱控制裝置的影響因素

閆文濤， 劉文博， 陳 程， 劉博嚴(yán)， 周偉業(yè)

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司城市燃?xì)鉄崃ρ芯吭?，天?00384；2.國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，天津300384)

1 概述

隨著人們生活水平、環(huán)保意識、安全意識的提高，對燃?xì)庠罹叩男阅茉O(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)和安全保障等都提出了更高的要求。特別是對安全保障性能要求的提高，使得灶具安全裝置領(lǐng)域成為近年來的熱門研究方向，新的安全保障裝置也越來越多地應(yīng)用到傳統(tǒng)燃?xì)庠罹咧衼?，例如，離鍋熄火灶具、帶防干燒裝置的灶具[1]、帶油溫過熱控制裝置的灶具等，成為消費(fèi)者較為青睞的灶具類型。

離鍋熄火技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用，防干燒裝置判斷邏輯簡單，影響因素較少。油溫過熱控制裝置是在防干燒裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，通過鍋底外表面溫度來間接探測鍋內(nèi)油溫。油溫過熱控制裝置是在灶具小火燃燒器的中間增加一個(gè)可伸縮的溫度傳感器，鍋具坐在鍋支架上后，鍋底壓著溫度傳感器，柱狀溫度傳感器的上底面與鍋底外表面緊密貼合，從而測量鍋底溫度，其判斷邏輯是當(dāng)鍋底外表面溫度升高到某一界限值時(shí)，認(rèn)為鍋內(nèi)油溫達(dá)到過熱溫度。油溫過熱控制裝置影響因素較多，例如，鍋具結(jié)構(gòu)多樣化、鍋底厚度差異、外部涂層薄厚、鍋內(nèi)色拉油的深度等都會加大鍋底外表面溫度與油溫之間的偏差。GB 16410—2007《家用燃?xì)庠罹摺?以下簡稱GB 16410—2007)第5.2.7.3款要求，油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)鍋內(nèi)油溫最高不超過300 ℃，對不同鍋具材質(zhì)之間的動(dòng)作油溫波動(dòng)范圍并未提出限制。動(dòng)作油溫即油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)鍋內(nèi)色拉油的溫度。為此，本文參照GB 16410—2007第6.12節(jié)關(guān)于油溫過熱控制裝置的檢測方法，通過探究鍋底材質(zhì)、鍋底厚度、外表面涂層厚度、鍋內(nèi)色拉油深度等對油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)色拉油溫度的影響，以期為今后的檢測工作積累經(jīng)驗(yàn)，為標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)修訂完善提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)借鑒。

2 試驗(yàn)裝置和方法

2.1 試驗(yàn)裝置

根據(jù) GB 16410—2007第6.1節(jié)關(guān)于試驗(yàn)室條件、第6.2節(jié)關(guān)于試驗(yàn)室用燃?xì)獾囊?guī)定，選用一臺型檢試驗(yàn)合格，額定熱負(fù)荷為3.6 kW的天然氣灶具為試驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)環(huán)境溫度滿足(20±5) ℃，初始油溫為24 ℃，氣源采用12T天然氣，供氣壓力為2.0 kPa,灶具的最大實(shí)測熱負(fù)荷為3 300 W。依照GB 16410—2007表17，選定試驗(yàn)用鍋直徑為260 mm。參照關(guān)建國等人[2]、陳迪龍[3]對鍋具傳熱及溫升影響因素的模擬研究結(jié)果，鍋底豎直投影正對主燃燒器火蓋所在的圓周位置，鍋底溫度最高。本文所選灶具的主燃燒器火蓋直徑為150 mm，鍋底圓心正對主燃燒器火蓋圓心。測溫元件采用K型熱電偶，油溫測溫點(diǎn)布置見圖1。

圖1 油溫測溫點(diǎn)布置

將4組K型熱電偶懸空均勻布置在鍋內(nèi)直徑為150 mm的水平面圓周上，1組懸空布置在該圓的圓心上，圓心正對主燃燒器火蓋圓心。熱電偶油溫測溫點(diǎn)1～5均在距離鍋底6 mm的平面上，且浸沒在油中。

由于測量鍋底外表面溫度時(shí)，如果熱電偶與火焰直接接觸，那么測量結(jié)果波動(dòng)較大，因此，本文通過測量鍋底內(nèi)表面的溫度來分析鍋底溫度與油溫的差異。本文所稱的鍋底溫度均指鍋底內(nèi)表面溫度。參照圖1的油溫測溫點(diǎn)位置，將另外5組K型熱電偶布置在鍋底的相對應(yīng)的位置，熱電偶測溫點(diǎn)緊密粘貼在鍋底內(nèi)表面。

分別對5組測量鍋內(nèi)色拉油溫度的熱電偶和5組測量鍋底溫度的熱電偶所測量的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行四舍五入后，取重復(fù)頻率最高的數(shù)據(jù)為最終測量結(jié)果，以此來減小鍋內(nèi)色拉油溫度及鍋底溫度分布不均勻?qū)υ囼?yàn)結(jié)果的影響。

2.2 試驗(yàn)樣本

GB 16410—2007第6.12節(jié)規(guī)定，油溫過熱控制裝置試驗(yàn)時(shí)鍋內(nèi)色拉油的深度為10 mm。本文在此基礎(chǔ)上制定6個(gè)試驗(yàn)樣本，即試驗(yàn)所選鍋具及相關(guān)參數(shù)，見表1。

為了探究色拉油深度對油溫過熱控制裝置動(dòng)作油溫的影響，首先用型檢試驗(yàn)用鍋在不同色拉油深度時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。然后選用不同的鍋具，在色拉油深度為10 mm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，來分析鍋具材質(zhì)、鍍層厚度、鍋底厚度等因素對油溫過熱控制裝置動(dòng)作油溫的影響。

表1 試驗(yàn)所選鍋具及相關(guān)參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方法

參照GB 16410—2007第6.12節(jié)規(guī)定的油溫過熱控制裝置的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。每組試驗(yàn)中在鍋內(nèi)按照表1所列數(shù)據(jù)倒入一定深度的色拉油，布置熱電偶，并連接數(shù)字溫度計(jì)，將鍋具正中放置在鍋支架中央,不蓋鍋蓋。在燃?xì)庠罹唿c(diǎn)火的同時(shí)用秒表記錄時(shí)間，每60 s記錄1次鍋內(nèi)色拉油溫度以及鍋底溫度。當(dāng)油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)計(jì)時(shí)停止，并記錄此時(shí)的時(shí)間及其相對應(yīng)的色拉油溫度和鍋底溫度。在試驗(yàn)過程中，灶具的熱負(fù)荷保持最大熱負(fù)荷狀態(tài)不變。為了保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每個(gè)試驗(yàn)樣本按照以上試驗(yàn)方法重復(fù)試驗(yàn)3次，取其中間值作為試驗(yàn)的最終結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

首先依照表1中樣本1分析型檢試驗(yàn)用鍋在倒入不同深度色拉油的情況下，油溫過熱控制裝置的動(dòng)作油溫及鍋底溫度的變化情況。在此基礎(chǔ)上按照表1中所列出的其余5種鍋具，分析色拉油深度為10 mm時(shí)，鍋具材質(zhì)、鍋底厚度和鍍層厚度對油溫過熱控制裝置的動(dòng)作油溫和鍋底溫度的影響。

3.1 色拉油深度對動(dòng)作油溫的影響

GB 16410—2007第6.12節(jié)要求，油溫過熱控制裝置的動(dòng)作油溫測試時(shí)只需注入10 mm深的色拉油。而在實(shí)際生活應(yīng)用中，油的用量往往隨著烹飪的種類以及烹飪方式而發(fā)生改變。為此，本節(jié)以表1樣本1中的色拉油深度為試驗(yàn)條件參數(shù)，分析色拉油深度增加后，油溫過熱控制裝置動(dòng)作油溫和鍋底溫度的變化情況。型檢試驗(yàn)用鍋不同色拉油深度時(shí)，色拉油溫度θ1和鍋底溫度θ2隨加熱時(shí)間t的變化情況見表2，型檢試驗(yàn)用鍋10 mm油深時(shí)，色拉油溫度和鍋底溫度隨時(shí)間的變化情況見圖2，型檢試驗(yàn)用鍋油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)，色拉油溫度和鍋底溫度隨色拉油深度的變化情況見圖3。

表2 型檢試驗(yàn)用鍋不同色拉油深度時(shí)色拉油溫度和鍋底溫度隨加熱時(shí)間的變化情況

圖2 型檢試驗(yàn)用鍋10 mm油深時(shí)，色拉油溫度和鍋底溫度隨時(shí)間的變化

圖3 型檢試驗(yàn)用鍋油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)色拉油溫度和鍋底溫度隨色拉油深度的變化情況

可以發(fā)現(xiàn)，油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)鍋底溫度與色拉油溫度間的差值基本上隨著色拉油深度的增加而加大；在同一種色拉油深度時(shí)，基本上呈現(xiàn)出鍋底溫度與色拉油溫度間的差值隨著加熱時(shí)間的延長而逐漸減小的規(guī)律，且加熱時(shí)間相同時(shí)，隨色拉油深度增加，二者溫度差值逐漸增大。

由于燃?xì)庠顭嶝?fù)荷和鍋底受熱面積一定時(shí)，鍋具與鍋內(nèi)色拉油間的傳熱熱流量是一定的，鍋內(nèi)色拉油總量隨色拉油深度的增加而加大，色拉油總量增加后導(dǎo)致鍋內(nèi)色拉油的溫升幅度降低；而鍋底溫度受色拉油總量變化的影響較小，溫升幅度減弱趨勢較弱。因此，呈現(xiàn)出油溫過熱裝置動(dòng)作時(shí)鍋底溫度與色拉油溫度間的差值隨著色拉油深度的增加而加大的變化規(guī)律。

計(jì)時(shí)開始后，鍋具與火焰直接接觸，鍋底溫度比鍋內(nèi)色拉油溫度上升速度快；隨著灶具燃燒過程的進(jìn)行，鍋具溫度與火焰溫度間的差值逐漸減小后，鍋底溫度的上升速率減緩，則呈現(xiàn)出鍋底溫度與色拉油溫度間的差值隨著加熱時(shí)間的延長而逐漸減小的規(guī)律。

對比4種色拉油深度時(shí)油溫過熱控制裝置的動(dòng)作油溫和鍋底溫度可以發(fā)現(xiàn)，隨著色拉油深度的增加，油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)的鍋底溫度和色拉油溫度均在降低。隨著油量的增加，從加熱開始到油溫過熱裝置動(dòng)作所需要的加熱時(shí)間明顯增加。

灶具油溫過熱控制裝置的溫度探頭一般都安裝在內(nèi)圈燃燒器火蓋中間位置，以接觸式來探測鍋底的溫度。溫度探頭的受熱源包括：鍋底的熱傳導(dǎo)、火焰對其的對流傳熱和輻射傳熱。當(dāng)油量增加后，色拉油溫度的上升速率變緩，鍋底溫度與色拉油溫度還未升至預(yù)設(shè)的動(dòng)作溫度時(shí)，灶具油溫過熱控制裝置的溫度探頭所探測的溫度已經(jīng)升高到了動(dòng)作溫度，因此，會出現(xiàn)隨著色拉油深度的增加，油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)鍋底溫度和鍋內(nèi)色拉油溫度逐漸降低的情況。

3.2 鍋具屬性對動(dòng)作油溫的影響

為了探究鍋具材質(zhì)、鍋底厚度和外部鍍層厚度對油溫過熱控制裝置動(dòng)作油溫的影響，本節(jié)依照表1中的樣本2～5來設(shè)置試驗(yàn)條件參數(shù)，色拉油深度均為GB 16410—2007第6.12節(jié)要求的10 mm。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 鍋具種類不同時(shí)，油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)的相關(guān)參數(shù)匯總

由于油溫過熱控制裝置、試驗(yàn)用鍋和鍋內(nèi)色拉油三者組成的傳熱系統(tǒng)特別復(fù)雜，吸熱熱流量(以下簡稱熱流量)受鍋具屬性(傳熱能力)的影響較大，因此，本文引入溫升速率來進(jìn)行分析，即溫度變化值與加熱時(shí)間之比。溫度變化值是指油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)的色拉油溫度減去試驗(yàn)開始時(shí)的色拉油溫度。加熱時(shí)間是從灶具點(diǎn)火到油溫過熱控制裝置動(dòng)作所用的時(shí)間。因?yàn)樵趥鳠徇^程中熱流量與溫升速率成正比，所以可以用溫升速率來間接表示熱流量的變化情況。

由表3可知，型檢試驗(yàn)用鍋、能效試驗(yàn)用鍋、鑄鐵鍋和陶瓷鍋的動(dòng)作油溫大致在263 ℃左右，而溫升速率卻相差明顯。由此可得，在油溫過熱控制裝置、試驗(yàn)用鍋和鍋內(nèi)色拉油三者的傳熱過程中，當(dāng)采用不同的試驗(yàn)鍋具時(shí)熱流量相差很大，而動(dòng)作油溫相差不大，即在用以上4種鍋具測試時(shí)熱流量對油溫過熱控制裝置的動(dòng)作油溫影響不大。而用不銹鋼鍋和帶鍍層不銹鋼鍋?zhàn)鰷y試時(shí)，油溫過熱控制裝置的動(dòng)作油溫與其他4種鍋具相差較大，其中帶鍍層不銹鋼鍋的動(dòng)作油溫高達(dá)278 ℃，不銹鋼鍋的動(dòng)作油溫僅255 ℃，兩者相差23 ℃。

受鍋具材質(zhì)和外部鍍層導(dǎo)熱性能的影響，鑄鐵鍋和陶瓷鍋從灶具點(diǎn)火到油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)所需的時(shí)間分別為420 s、385 s，其余厚度接近的鍋具，從灶具點(diǎn)火到油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)所需的時(shí)間在284～310 s范圍。油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)，帶鍍層不銹鋼鍋的鍋底溫度為286 ℃，不銹鋼鍋的鍋底溫度為260 ℃，其余鍋具的鍋底溫度在272 ℃附近。由于加熱時(shí)間和鍋底溫度的影響因素較多，本文對此不做深入分析，以期試驗(yàn)結(jié)果能為后期的研發(fā)工作提供基礎(chǔ)參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文以帶油溫過熱控制裝置的燃?xì)庠顬樵囼?yàn)樣機(jī)，參照GB 16410—2007第6.12節(jié)的試驗(yàn)方法，測試不同樣本時(shí)鍋底溫度和鍋內(nèi)色拉油溫度的變化情況，分析鍋具材質(zhì)、鍋底厚度、外表面涂層厚度和色拉油深度對油溫過熱控制裝置的動(dòng)作油溫的影響，得出如下結(jié)論：

① 鍋具相同的情況下，若增加色拉油深度，則鍋底溫度與色拉油溫度間的差值增加，油溫過熱控制裝置動(dòng)作時(shí)鍋底溫度和動(dòng)作油溫均降低。

② 當(dāng)色拉油深度為10 mm時(shí)，對于型檢試驗(yàn)用鍋、能效試驗(yàn)用鍋、鑄鐵鍋和陶瓷鍋，鍋具傳熱能力即吸熱熱流量對動(dòng)作油溫的影響不大，其動(dòng)作油溫在263 ℃左右；對于不銹鋼鍋和帶鍍層不銹鋼鍋，其動(dòng)作油溫與其他4種鍋具相差較大，其中帶鍍層不銹鋼鍋的動(dòng)作油溫高達(dá)278 ℃，不銹鋼鍋的動(dòng)作油溫僅255 ℃，兩者相差23 ℃。

③ 建議設(shè)定灶具油溫過熱控制裝置動(dòng)作油溫時(shí)應(yīng)留有油溫波動(dòng)余量，避免鍋具的差異導(dǎo)致油溫過熱控制裝置動(dòng)作油溫超過標(biāo)準(zhǔn)限定值(即300 ℃)。