淺談商用燃?xì)庹粝渚C合能源技術(shù)利用率

張國(guó)亮

（浙江九龍廚具集團(tuán)有限公司 ，浙江 杭州 311261）

0 引言

中餐文化已經(jīng)成為世界范圍最受歡迎的烹飪之一，其中“蒸”是其具代表性的加工手法，大量蒸汽快速加熱和準(zhǔn)確的蒸制時(shí)間控制是中餐“蒸”的要點(diǎn)?！罢簟笨梢员３质澄镌?，減少營(yíng)養(yǎng)成分流失，是“健康飲食”的加工手法。中餐商用燃?xì)庹粝涫浅Ｓ玫某赫糁圃O(shè)備，以下名稱(chēng)用蒸箱。

傳統(tǒng)蒸箱一般分為上下箱2個(gè)部分，下箱部分作用是產(chǎn)生蒸汽：主要包括水膽、控制系統(tǒng)、燃燒系統(tǒng)、入水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)等；上箱部分主要作用是利用蒸汽蒸制食物：主要包括蒸腔內(nèi)膽、外框、蒸箱門(mén)、蒸汽控制開(kāi)關(guān)和安全放散口等。所以蒸箱整體功能應(yīng)該分2個(gè)部分：蒸汽產(chǎn)生部分和蒸汽利用部分。水膽式燃?xì)庹粝涞木C合能源利用率應(yīng)該是蒸腔食物吸收熱量與燃?xì)饪傁牡臒崮艿谋戎?。因此只用測(cè)試水膽的蒸發(fā)量與燃?xì)庀牡臒崃勘戎底鳛檎粝涞臒嵝适遣蝗娴腫1]。

1 定義及蒸箱熱效率測(cè)試方法分析

1.1 燃?xì)庹粝?/h3>

燃?xì)庹粝涫且匀細(xì)鉃槿剂稀⒗眉訜崴频玫奈猴柡驼羝糁剖称返娜季?，主要由燃?xì)庀到y(tǒng)、供水系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、水膽（蒸汽發(fā)生器）以及蒸腔等部分組成[2]。

1.2 水膽式蒸箱

水膽中的水以敞開(kāi)的方式被加熱至沸騰并為蒸箱的烹飪隔間提供蒸汽，蒸汽經(jīng)過(guò)烹飪隔間或放散管直接排放至大氣中，工作時(shí)水膽及腔體內(nèi)蒸汽壓力不大于500 Pa[2]。

1.3 蒸汽發(fā)生式蒸箱

蒸箱的蒸汽由蒸汽發(fā)生器或類(lèi)似結(jié)構(gòu)的蒸汽產(chǎn)生單元提供；區(qū)別在于蒸汽發(fā)生器可蓄壓，類(lèi)似結(jié)構(gòu)的蒸汽產(chǎn)生單元不可蓄壓。

1.4 蒸箱熱效率

蒸箱熱效率是蒸箱在穩(wěn)定狀態(tài)下單位時(shí)間氣化蒸汽所需要的熱量與相同時(shí)間內(nèi)所消耗燃?xì)獾臒崮艿谋戎怠?/p>

1.5 蒸箱的熱效率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

CJ/T 187—2003 測(cè)試蒸箱的熱效率為測(cè)試水膽加熱水溫差測(cè)試法；測(cè)試過(guò)程中無(wú)法設(shè)置溫度測(cè)試點(diǎn)，可操作性差[3]。CJ/T 187—2013測(cè)試蒸箱熱效率為測(cè)試水膽蒸發(fā)量來(lái)計(jì)算蒸箱熱效率；測(cè)試中取1個(gè)進(jìn)水溫度點(diǎn)，計(jì)算熱效率為飽和水蒸氣比焓減去進(jìn)水量0 ℃到進(jìn)水溫度的溫差的熱量[3]。GB 35848—2018測(cè)試蒸箱熱效率為測(cè)試水膽蒸發(fā)量來(lái)計(jì)算蒸箱熱效率；測(cè)試中取進(jìn)水溫度、水蒸汽溫度，計(jì)算熱效率為進(jìn)水溫度到100 ℃溫差熱量與水的氣化潛熱總和。更接近于實(shí)際真實(shí)數(shù)據(jù)，目前為最新的測(cè)試蒸箱熱效率的方法。

按照測(cè)試要求，蒸箱水膽與蒸腔為一體結(jié)構(gòu)時(shí)，效率測(cè)試時(shí)應(yīng)防止蒸汽被冷凝后回流至水膽和未汽化的水被蒸汽帶出水膽，根據(jù)需要，在測(cè)試熱效率時(shí)應(yīng)在蒸箱水膽上方開(kāi)口位置設(shè)置一隔離水膽和蒸腔空間的頂蓋，頂蓋面積為100 cm3，中間留出1個(gè)蒸汽孔，蒸汽應(yīng)該自由地進(jìn)入蒸腔空間，冷凝水不應(yīng)流回至水膽同時(shí)水沸騰時(shí)不應(yīng)濺出水膽。蒸箱熱效率的測(cè)試方法中都只測(cè)試了蒸箱水膽產(chǎn)生蒸汽的效率，用水量作為蒸發(fā)量，未考慮蒸汽含水量，熱效率實(shí)測(cè)值大于熱效率實(shí)際值；對(duì)于蒸腔部分蒸汽利用并未測(cè)試。不能測(cè)試蒸腔的容積大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等與蒸箱熱效率之間的關(guān)系。

2 有效熱負(fù)荷容積比

2.1 蒸腔有效容積

蒸腔能放進(jìn)的最大長(zhǎng)方體容積總和，單位為L(zhǎng)。

2.2 有效熱負(fù)荷容積比

蒸箱有效熱負(fù)荷與蒸腔有效容積總和的比值，用字母R表示，單位為W/L，對(duì)照表數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 有效熱負(fù)荷容積比對(duì)照表

2.3 有效熱負(fù)荷容積比測(cè)算方法

在測(cè)試熱效率的試驗(yàn)情況下取值η，蒸箱的容積取值為能放進(jìn)蒸腔的最大長(zhǎng)方體容積總和，如公式（1）所示。

式中：R為有效熱負(fù)荷容積比，W/L；Vi為蒸箱的腔體容積，L；η為蒸箱的熱效率，%；Q為蒸箱的實(shí)測(cè)熱負(fù)荷，W。

表1根據(jù)不同燃?xì)庹粝涞囊?guī)格、實(shí)測(cè)熱負(fù)荷及熱效率、腔體有效容積，測(cè)試出有效熱負(fù)荷容積比；根據(jù)比較，實(shí)測(cè)有效熱負(fù)荷容積比比國(guó)家一級(jí)能效的數(shù)值略低，比國(guó)家最低能效的數(shù)值要高[4]。

3 蒸箱蒸汽利用率及蒸箱綜合能源利用率

3.1 蒸箱蒸汽利用率

蒸箱在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，蒸腔測(cè)試介質(zhì)（水）吸收的熱量占蒸箱出蒸汽的汽化熱量的百分比。

3.2 蒸箱蒸汽利用率試驗(yàn)方法

3.2.1 試驗(yàn)用盆

采用能放置于層架上的最大尺寸水盆，投影大小為蒸箱層架面積的85%以上，高度尺寸為60 mm；材料為不銹鋼304，厚度為（1.0±0.1） mm。

3.2.2 試驗(yàn)加水

加水量為水盆水深度的40 mm左右，取整數(shù)質(zhì)量的水量。

3.2.3 試驗(yàn)方法

使用“0-2”氣試驗(yàn)，在燃?xì)獾念~定壓力下點(diǎn)燃燃燒器，先加熱至有蒸汽排出，蒸箱達(dá)到熱平衡狀態(tài)；水溫的測(cè)試點(diǎn)應(yīng)在水盆中心水深1/2的位置，試驗(yàn)水初溫應(yīng)取室溫加5 ℃（放入水盆水應(yīng)該控制在0 ℃液態(tài)水，將加水時(shí)間控制在2 min以?xún)?nèi)。）將水稱(chēng)量后放入水盆內(nèi)，關(guān)閉蒸箱門(mén)，待最先達(dá)到室溫加5 ℃的水盆溫度開(kāi)始測(cè)試；記錄水膽的蒸發(fā)量初始值；記錄燃?xì)獬踝x數(shù)；記錄水最先達(dá)到溫升45 ℃的水盆（最高水溫≤90 ℃）水膽蒸發(fā)量終止值；記錄此時(shí)燃?xì)庀牡慕K讀數(shù)，其他水盆水溫取實(shí)際測(cè)試水溫為終溫值，如公式（2）所示。

式中：η1為蒸箱蒸汽利用率，%；g為水盆加入水量，kg；C為水的比熱，0.0042 MJ/kg·℃；G為蒸箱蒸發(fā)量，kg；ΔC為水的汽化熱值，2.258 MJ/kg；t2為水盆水的終溫，℃；t1為水盆水的初溫，℃。

以上測(cè)試蒸汽利用率同時(shí)按照GB 35848—2018驗(yàn)證熱效率是否準(zhǔn)確。在相同條件下蒸汽利用率檢驗(yàn)應(yīng)該進(jìn)行2次，取其平均值。當(dāng)（大值-小值）/平均值﹥0.05時(shí)，應(yīng)再重復(fù)檢驗(yàn)，直至合格為止。蒸箱蒸汽利用率測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

3.3 蒸箱綜合能源利用率

蒸箱在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，蒸腔測(cè)試介質(zhì)（水）吸收的熱量占相同時(shí)間燃?xì)庀牡臒崃康陌俜直取?/p>

3.4 蒸箱綜合能源利用率測(cè)試方法

蒸箱綜合能源利用率計(jì)算如公式（3）所示。

式中：η為蒸箱綜合能源利用率，%；gi為水盆加入水量，kg；C為水的比熱，0.0042MJ/kg·℃；t2為水盆水的終溫，℃；t1為水盆水的初溫，℃；V1為燃?xì)饬髁砍踝x數(shù)，m3；V2為燃?xì)饬髁拷K讀數(shù)，m3；Hi為15 ℃、101.3 kPa狀態(tài)下燃?xì)獾牡蜔嶂?，MJ/m3；f為將燃?xì)夂牧空鬯愕?5 ℃、101.3 kPa狀態(tài)下的修正系數(shù)。相同條件下蒸箱能源綜合利用率檢驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行2次，取其平均值。當(dāng)（大值-小值）/平均值﹥0.05時(shí)，應(yīng)再重復(fù)檢驗(yàn)，直至合格為止[5]。蒸箱綜合能源利用率測(cè)試數(shù)據(jù)，表3。表2根據(jù)實(shí)測(cè)熱負(fù)荷及偏差和熱效率、腔體有效容積，測(cè)試出有效熱負(fù)荷容積比；根據(jù)水溫、水量、燃?xì)庀牧考八諢崃坑?jì)算出蒸汽利用率和綜合能源利用率，比較所得，綜合能源利用率低于蒸汽利用率[6]。

4 蒸箱蒸汽利用率及蒸箱綜合能源利用率測(cè)試方法的分析

根據(jù)蒸汽利用率測(cè)試對(duì)比數(shù)據(jù)可以研究蒸腔加熱速度和蒸腔溫度均勻性。由于測(cè)試熱效率沒(méi)有考慮蒸汽含水量的因素，因此實(shí)際測(cè)試值與實(shí)際值存在一定的偏差。綜合能源利用率測(cè)試中因蒸汽冷凝水滴落到測(cè)試水盆中，在實(shí)際測(cè)試中會(huì)有一定的偏差。

綜上所述，蒸箱熱效率的測(cè)試方法中都只測(cè)試蒸箱水膽產(chǎn)生蒸汽的效率，用水量作為蒸發(fā)量，沒(méi)有考慮蒸汽含水量，對(duì)于蒸腔部分蒸汽利用并未測(cè)試。不能測(cè)試蒸腔的容積大小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等與蒸箱熱效率之間的關(guān)系。而根據(jù)表2的測(cè)試分析有了蒸汽利用率和綜合能源利用率不同的詳細(xì)數(shù)值。

表2 蒸箱蒸汽利用率

表3 蒸箱綜合能源利用率測(cè)試數(shù)據(jù)

因?yàn)闇貓?chǎng)是食物烹飪過(guò)程的直接環(huán)境，溫場(chǎng)的變化過(guò)程和食物的烹飪過(guò)程是同步的，所以要對(duì)食物的烹飪進(jìn)行控制，就必須對(duì)溫場(chǎng)進(jìn)行控制。其中溫場(chǎng)的中心點(diǎn)溫度和溫場(chǎng)的均勻性是衡量溫場(chǎng)的2個(gè)重要指標(biāo)。加熱主要分為2個(gè)階段，即預(yù)熱階段和工作階段，由于在預(yù)熱階段因?yàn)榍惑w內(nèi)沒(méi)有食物，因此控制燃燒器的熱負(fù)荷使蒸箱腔體在最短時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定的溫度和濕度即可。在達(dá)到工作階段的初始條件后即可放入食物轉(zhuǎn)為工作階段，由上箱蒸汽循環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行分層控制，對(duì)不同的食品采取不同的蒸汽量、烹飪時(shí)間和蒸汽冷凝因素，根據(jù)燃?xì)鉄嶝?fù)荷加熱水量，產(chǎn)生蒸汽，對(duì)不同蒸腔面積內(nèi)的菜品采取不同的烹飪模式達(dá)到所需要的蒸腔溫場(chǎng)、濕度環(huán)境和工作時(shí)間等，進(jìn)一步對(duì)溫場(chǎng)進(jìn)行控制，從而提高綜合能源的利用率[7]。

水膽式蒸箱在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)試時(shí)還應(yīng)該注意以下6點(diǎn)：1） 非冷凝水膽式蒸箱排煙溫度應(yīng)﹥110 ℃。2） 應(yīng)該設(shè)置自動(dòng)補(bǔ)水和水過(guò)量保護(hù)裝置。3） 應(yīng)該在最上層蒸腔的合適位置設(shè)置蒸汽壓力測(cè)壓接口，出廠時(shí)應(yīng)進(jìn)行密封處理。4） 尾蒸汽排氣孔應(yīng)為防堵塞結(jié)構(gòu)，并且不應(yīng)排放到一級(jí)煙道中。5） 尾蒸汽排空管當(dāng)量外徑不應(yīng)<38 mm。6） 蒸箱腔體應(yīng)該設(shè)置超壓放散裝置。

5 商用燃?xì)庹粝涞墓?jié)能措施

近年來(lái)，生產(chǎn)企業(yè)和專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員做了大量商業(yè)蒸箱的節(jié)能工作，并取得了一定的成效，分為燃燒節(jié)能、結(jié)構(gòu)節(jié)能、使用過(guò)程節(jié)能和余熱回收節(jié)能。

5.1 燃燒節(jié)能

燃燒節(jié)能包括使用節(jié)能火排爐頭，使燃?xì)庠跁r(shí)間較短和距離較短時(shí)完全燃燒；采取燃?xì)夂涂諝忸A(yù)混的方式，加強(qiáng)火焰的旋轉(zhuǎn)和煙氣回流，在煙氣排放過(guò)程中增加小型鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)排，燃燒配風(fēng)通過(guò)煙氣預(yù)加熱以及風(fēng)氣聯(lián)動(dòng)裝置以保證合理的燃?xì)夂涂諝獗取?/p>

5.2 結(jié)構(gòu)節(jié)能

設(shè)計(jì)合理的熱吸收水循環(huán)箱體及煙氣流道，延長(zhǎng)箱體內(nèi)熱吸收的滯留時(shí)間和排煙管道內(nèi)煙氣的合理滯留時(shí)間，避免出現(xiàn)高溫火焰短路直接排除的情況；箱體內(nèi)增加水循環(huán)的熱量吸收；合理的吊火高度使火焰和水循環(huán)箱體的接觸處于中心高溫區(qū)，同時(shí)不削弱燃?xì)獾耐耆紵?；增加有效水循環(huán)箱體的接觸面積并增加傳熱面積；另外加強(qiáng)水循環(huán)箱體的保溫絕熱也會(huì)改善蒸箱效率。

5.3 使用過(guò)程節(jié)能

在使用過(guò)程中蒸箱是分層使用的，忙的時(shí)候全部開(kāi)啟，空的時(shí)候開(kāi)啟一門(mén)或二門(mén)，在出菜時(shí)可以熄火節(jié)能或局部關(guān)閉火排以減少燃燒量，操作人員在使用過(guò)程中基本不會(huì)離開(kāi)蒸箱，所以在使用蒸箱時(shí)需要保持良好的節(jié)能習(xí)慣，如風(fēng)氣聯(lián)動(dòng)同步調(diào)整風(fēng)量和燃?xì)饬?、保證合理的燃燒狀態(tài)，蒸箱不用時(shí)及時(shí)調(diào)小或采取關(guān)閉燃?xì)忾y門(mén)等措施。

5.4 余熱回收節(jié)能

在采取了上述幾種措施的情況下，蒸箱的節(jié)能有了明顯的改變，目前市場(chǎng)中較好的幾款水膽式燃?xì)庹粝錈嵝士梢赃_(dá)到90%以上，達(dá)到國(guó)家一級(jí)能效的規(guī)定。即使是上述節(jié)能蒸箱，對(duì)排煙出口的溫度測(cè)試說(shuō)明了排煙口的溫度約為300 ℃，炒菜灶的排煙溫度還要高很多，達(dá)到600 ℃左右。因此，采用節(jié)能爐頭、改進(jìn)燃?xì)馀滹L(fēng)、加大有效箱體水循環(huán)、箱體保溫絕熱等措施并不能改善商用燃?xì)庹粝溥^(guò)多效率的情況下，將蒸箱煙氣尾氣的熱能進(jìn)行回收利用是非常好的節(jié)能措施。余熱利用不影響原有蒸箱的使用效果，即煙氣余熱回收只是蒸箱排放煙氣熱能的有效利用，不對(duì)蒸箱的使用性能產(chǎn)生影響；不需要對(duì)蒸箱現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行大的改動(dòng)，不增加蒸箱的外形尺寸，也不需要提高鼓風(fēng)機(jī)功率等；余熱利用形式多樣化，如制備熱水、開(kāi)水，滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的需要；余熱利用只需要加裝余熱回收裝置、熱水箱、管道及供水、控制系統(tǒng)。當(dāng)出水口溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，電磁閥自動(dòng)打開(kāi)上水，將熱水從熱能回收裝置內(nèi)頂出，每個(gè)換熱裝置熱水出口匯合到1根總管后送往保溫水箱儲(chǔ)存，一旦出水溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉，儲(chǔ)熱水箱再通過(guò)水箱與用水點(diǎn)的高差或水泵送往各個(gè)熱水使用點(diǎn)。

綜上所述，商用蒸箱煙氣余熱回收，造價(jià)低、節(jié)能效果好、見(jiàn)效快，不僅提高了能源利用效率、解決了炊事或其他場(chǎng)合的熱水需求，同時(shí)由于排煙溫度的降低改善了炊事場(chǎng)所的工作環(huán)境、消除了火災(zāi)隱患、降低了食堂排煙系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，是一項(xiàng)具有社會(huì)及經(jīng)濟(jì)雙重效益的技術(shù)，例如全國(guó)存量燃?xì)庹粝淙坎捎迷摷夹g(shù)，至少可以提高燃?xì)饽茉蠢寐?%～9%，創(chuàng)造節(jié)能效益近百億，具有良好的市場(chǎng)前景。

6 結(jié)語(yǔ)

商用燃?xì)庹粝鋺?yīng)設(shè)計(jì)合理的有效熱負(fù)荷容積比，綜合能源利用率測(cè)試是最接近實(shí)際使用狀態(tài)的測(cè)試方法，因此綜合能源利用率作為蒸箱的熱效率更為合理。

該文通過(guò)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和大量的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，針對(duì)商用燃?xì)馑懯秸粝錈嵝矢拍?、測(cè)試方法及要求進(jìn)行總結(jié)，并參照不同標(biāo)準(zhǔn)的熱效率測(cè)試方法，提出商用燃?xì)庹粝湔羝寐实母拍睿ㄟ^(guò)商用燃?xì)庹粝浜侠碓O(shè)計(jì)有效熱負(fù)荷容積比及采取一系列燃燒節(jié)能措施，逐步改進(jìn)熱效率的測(cè)試方法，提高效率，更接近實(shí)際工作的使用狀態(tài)，并有效利用煙氣余熱回收技術(shù)，提升能源綜合技術(shù)利用率，從而達(dá)到行業(yè)節(jié)能降耗的目標(biāo)。但是綜合能源利用率作為蒸箱的熱效率測(cè)試依據(jù)與現(xiàn)行的實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)還有不同之處，需要考慮不同產(chǎn)品的有效腔體容積、蒸腔部分的蒸汽利用、生產(chǎn)工藝及測(cè)試方法等問(wèn)題，還需要繼續(xù)深入探討。