家用燃?xì)庠顭嵝士焖贉y(cè)量方法

鄭育前，麥瑋琛，李展能，麥超明

（廣東省中山市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 中山 528403）

0 引言

家用燃?xì)庠罹弋a(chǎn)品是人們生活當(dāng)中常用的一種廚房烹飪器具，熱效率性能是產(chǎn)品品質(zhì)的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。家用燃?xì)庠罹邿嵝蕶z測(cè)的相關(guān)的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)GB 30720－2014《家用燃?xì)庠罹吣苄薅ㄖ导澳苄У燃?jí)》和GB 16410－2007《家用燃?xì)庠罹摺?。如圖1所示為GB 30720－2014的試驗(yàn)裝置連接圖，GB 30720和GB 16410中規(guī)定的熱效率試驗(yàn)方法要求灶具開(kāi)啟15 min后測(cè)得的實(shí)測(cè)熱負(fù)荷選擇實(shí)驗(yàn)的上限大鍋和下限小鍋，分別裝入規(guī)定質(zhì)量的水后，從試驗(yàn)初溫加熱到終溫，同一規(guī)格鍋連續(xù)測(cè)試兩次，且兩次測(cè)試熱效率結(jié)果差在1%以下時(shí)，否則重新試驗(yàn)直到合格為止，按公式計(jì)算出灶具的理論熱效率值［1－2］。家用燃?xì)庠顭嵝实臋z測(cè)工作極其繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、工作效率低，試驗(yàn)過(guò)程需要頻繁稱量水、換水鍋、攪拌等操作，使得現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法不易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。近年的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)更新內(nèi)容和研究的方向主要圍繞現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法在試驗(yàn)用鍋的標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)光黑底鍋的應(yīng)用，試驗(yàn)用水的加熱溫升等試驗(yàn)條件的選用及對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，以及專業(yè)數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備的研制方面。國(guó)內(nèi)外對(duì)快速檢測(cè)方法的研究鮮有報(bào)道。每年第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)大量的燃?xì)庠罹弋a(chǎn)品進(jìn)行能效備案檢測(cè)和其他常規(guī)性能檢測(cè)任務(wù)需要進(jìn)行熱效率測(cè)量，同時(shí)，生產(chǎn)企業(yè)各類產(chǎn)品線的品質(zhì)檢測(cè)、出廠檢驗(yàn)等檢驗(yàn)任務(wù)重、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、燃?xì)庀牧看蟆?/p>

圖1 GB 16410－2007家用燃?xì)庠罹邫z測(cè)試驗(yàn)裝置連接

為解決上述現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法存在的不利影響和提高檢測(cè)效率。本文研究并設(shè)計(jì)了一種新式試驗(yàn)用鍋、檢測(cè)裝置和快速檢測(cè)家用燃?xì)庠顭嵝实姆椒ǎㄟ^(guò)快速檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)化研究和應(yīng)用推廣明顯提高檢測(cè)效率、減少檢測(cè)耗時(shí)和燃?xì)庀?，易?shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)；縮短各類檢驗(yàn)檢測(cè)周期，加快企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和流通速度；加快企業(yè)生產(chǎn)線上、出廠前的樣品質(zhì)量監(jiān)控和質(zhì)量篩查等。該方法具有重大意義。

1 試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

如圖2所示，試驗(yàn)鍋的外形尺寸與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)一致，沿著鍋的表面設(shè)計(jì)有水流動(dòng)管道，可使水流從鍋側(cè)頂部進(jìn)入鍋內(nèi)，沿鍋表面流至鍋底中心流出。水流在鍋內(nèi)流動(dòng)過(guò)程與鍋體進(jìn)行熱交換使流出的水溫升高且流量穩(wěn)定持續(xù)，通過(guò)測(cè)量水流溫升帶走的熱能與燃?xì)庀尼尫诺臒崮苤g的關(guān)系測(cè)算出家用燃?xì)庠罹叩娜紵裏嵝省２捎每焖贉y(cè)量方法時(shí)，熱負(fù)荷和熱效率可同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。熱負(fù)荷計(jì)算采用GB 16410－2007的公式（1）和（2）進(jìn)行計(jì)算［1］。

圖2 燃?xì)庠罹邿嵝蕶z測(cè)中的連接

試驗(yàn)檢測(cè)裝置包含了燃?xì)庀到y(tǒng)和水路系統(tǒng)兩部分，其中的燃?xì)庀到y(tǒng)和其他試驗(yàn)室條件與GB 30720和GB 16410一致。為確保試驗(yàn)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，采用恒溫恒壓供水系統(tǒng)為試驗(yàn)鍋進(jìn)水口提供試驗(yàn)用水。調(diào)節(jié)供水流量可調(diào)節(jié)至試驗(yàn)所需的出水溫度。系統(tǒng)穩(wěn)定后通過(guò)測(cè)量進(jìn)出水流溫升、水質(zhì)量或水流量、燃?xì)庀牧康人璧脑囼?yàn)參數(shù)按以下公式計(jì)算出熱效率值，取連續(xù)5次測(cè)量的熱負(fù)荷和熱效率取算術(shù)平均值為測(cè)量值。

式中：ηi為單次測(cè)量溫升Δt＝（t2－t1）K時(shí)的實(shí)測(cè)熱效率（i＝1，2，3，4，5），%；M為測(cè)量時(shí)實(shí)際生產(chǎn)熱水質(zhì)量，kg；t2為出口處水的終溫，℃；t1為入口處水的初溫，℃；Q1為15℃、103 kPa狀態(tài)下試驗(yàn)燃?xì)獾蜔嶂?，MJ／Nm3；V為實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁?，m3／min；tg為測(cè)定時(shí)流量計(jì)內(nèi)的燃?xì)鉁囟龋?；Pamb為試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力，kPa；Pm為實(shí)測(cè)燃?xì)饬髁坑?jì)內(nèi)的燃?xì)庀鄬?duì)靜壓力，kPa；C為水的比熱容，取C＝4.19×10－3MJ／（kg·℃）；S為溫度tg℃時(shí)的飽和水蒸氣壓力，kPa；q為水流量，kg／min；T為檢測(cè)所需的時(shí)間，s；η為熱效率，%。

2 試驗(yàn)用鍋的設(shè)計(jì)

如圖3所示，試驗(yàn)鍋采用牌號(hào)為6063的鋁合金制成，在鍋體的內(nèi)表面和外部管道均包裹保溫材料以減少外界環(huán)境給試驗(yàn)帶來(lái)的干擾，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。水鍋由鍋側(cè)部和底部?jī)刹糠纸M成。水鍋側(cè)部加工出豎直螺旋水槽與內(nèi)芯裝配，水鍋底部加工出水平螺旋水槽與頂蓋裝配后，采用焊接密封和連接，形成半封閉的水流管道。試驗(yàn)鍋的底部靠外緣的入口與鍋側(cè)部靠底處的出口之間通過(guò)水管連接，使兩部分的水流管道首尾相連，形成了從鍋?lái)斕幦胨谥铃伒字行臑槌鏊诘陌敕忾]水流管道。

圖3 試驗(yàn)鍋結(jié)構(gòu)

3 試驗(yàn)條件

水流方向和進(jìn)出水溫度是影響試驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要因素，試驗(yàn)表明，快速測(cè)量方法適宜選擇的條件為：試驗(yàn)鍋采用反接方式連接進(jìn)出水流方向，進(jìn)水溫度取20±3℃，出水溫升為50±3℃。

當(dāng)試驗(yàn)鍋的側(cè)部上端為入水口，底部中心為出水口時(shí)，水流大致從鍋側(cè)頂端流向鍋底中心，與燃?xì)庠顭煔鈴腻伒字行牧飨蝈來(lái)敺较蛳喾礊榉唇樱粗疄檎?。若采用正接方式時(shí)，鍋底持續(xù)形成有大量的冷凝水并不斷地滴到燃?xì)庠罘只鹌魃?，影響燃?xì)庠钫Ｈ紵?，不利于試?yàn)開(kāi)展。正接時(shí)樣品所測(cè)得煙氣體中的一氧化碳明顯升高，熱效率測(cè)量值明顯降低，說(shuō)明此時(shí)燃?xì)庠钊紵怀浞值那闆r加劇。在鍋底表面當(dāng)煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，煙氣中水蒸氣的壓力大于該溫度水蒸氣的飽和壓力，水蒸氣將不斷冷凝，冷凝率隨溫度的減小而逐漸增大，同溫度下低的過(guò)量空氣系數(shù)有高的冷凝率［3］。通過(guò)試驗(yàn)觀察，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)采用反接方式，此時(shí)水鍋底和側(cè)表面雖形成有少量冷凝水，但仍可以確保試驗(yàn)順利進(jìn)行。冷凝煙氣中的水蒸氣使其中的汽化潛熱得以利用，從而提高熱效率［4］，使得快速測(cè)量方法與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法使用黑色涂層的試驗(yàn)鍋測(cè)量熱效率值接近，且冷凝水量可確保試驗(yàn)正常進(jìn)行。

當(dāng)進(jìn)水溫度過(guò)低時(shí)，鍋表面容易形成過(guò)量的冷凝水，不利于試驗(yàn)開(kāi)展。當(dāng)出水溫度高于75℃時(shí)，快速測(cè)量方法測(cè)量熱效率值明顯低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量值。有研究表明，用國(guó)標(biāo)法檢測(cè)時(shí)，水的溫升越高，檢測(cè)得到的燃?xì)庠罹邿嵝手翟降?，這是由于隨著檢測(cè)鍋中水溫的不斷提升，鍋中水吸收熱量的能力在不斷減弱［5］，同時(shí)鍋表面的與周圍空氣的溫度差增大，散熱能力增加。當(dāng)出水溫度過(guò)高時(shí)，出水流量和出水溫度不穩(wěn)定。當(dāng)出水溫度為90℃、80℃、75℃時(shí)的飽和水蒸汽壓力查表分別為0.070 121 MPa、0.047 376 MPa和0.038 565 MPa［6］。水的汽化速度取決于液相的溫度，與液相溫度成正比。隨著溫度升高，管內(nèi)的壓力升高和蒸汽量明顯增大，當(dāng)出水溫度75℃或更高溫度時(shí)，管內(nèi)壓力變大且管內(nèi)聚集了較多水蒸汽，氣體阻斷水流的連續(xù)性，引起水流量和出水溫度波動(dòng)明顯，不利于試驗(yàn)開(kāi)展。

4 與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)法測(cè)量燃?xì)庠顭嵝式Y(jié)果比對(duì)

參考本單位參加2016年和2018年度能效標(biāo)識(shí)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)一致性核驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果通知［7－8］，本次研究比對(duì)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以國(guó)標(biāo)GB 30720－2014測(cè)量值η1為基準(zhǔn)參考值，快速測(cè)量方法值為η2，Z＝（η1－η2）。當(dāng)｜Z｜≥3%為結(jié)果不滿意結(jié)果；2%＜｜Z｜＜3%為結(jié)果有懷疑；｜Z｜≤2%為結(jié)果滿意。

灶具在使用過(guò)程中實(shí)際的熱效率不僅跟灶具本身有關(guān)系，還跟進(jìn)行傳熱的器具（即鍋具）有著密不可分的關(guān)系［9］。表1所示為快速測(cè)量法與國(guó)標(biāo)方法測(cè)量熱效率的值，兩種方法使用外形尺寸相同的鍋具、灶具處于相同狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果。

表1 熱效率測(cè)量比對(duì)結(jié)果

以國(guó)標(biāo)GB 30720－2014測(cè)量值為基準(zhǔn)參考值對(duì)快速測(cè)量法熱效率測(cè)量值進(jìn)行一元線性回歸分析（圖4）和Z值統(tǒng)計(jì)分析。

圖4 所有樣品兩種方法一元線性回歸直趨線分析

所有樣品的直線回歸方程為y＝0.987 2x－0.336 8，決定系數(shù)R2＝0.972 7，斜率b＝0.987 2。直線回歸分析表明快速測(cè)量法與國(guó)標(biāo)方法測(cè)量燃?xì)庠罹邿嵝蚀嬖诰€性相關(guān)關(guān)系?？焖贉y(cè)量法的測(cè)量結(jié)果在一定程度上可以反映出國(guó)標(biāo)法測(cè)量結(jié)果的發(fā)展趨勢(shì)。

對(duì)Z值進(jìn)行分析，Z值均為正值，快速測(cè)量法測(cè)量結(jié)果均低于國(guó)標(biāo)法。經(jīng)分析認(rèn)為這主要是源于快速測(cè)量法試驗(yàn)用鍋外表面為機(jī)加工表面，并未進(jìn)行無(wú)光黑色覆蓋表面處理工藝。國(guó)標(biāo)法試驗(yàn)鍋的表面黑度高，吸熱能力強(qiáng)于快速測(cè)量法試驗(yàn)鍋。從Z值大小看，Z值均小于3的限定值，表明試驗(yàn)沒(méi)有出現(xiàn)不滿意結(jié)果。除2＃和8＃樣品的Z值處于2%＜｜Z｜＜3%的懷疑區(qū)間范圍內(nèi)，其余Z值均處于｜Z｜≤2%的結(jié)果滿意區(qū)間內(nèi)。表明試驗(yàn)結(jié)果的滿意率達(dá)到83%。Z值處于0＜｜Z｜＜1%的區(qū)間范圍內(nèi)的樣品數(shù)為7個(gè)，占總樣品的比重為58%，且均為大氣式，占大氣式樣品比重為77.8%。

5 與現(xiàn)行國(guó)標(biāo)法燃消耗和檢測(cè)時(shí)間比對(duì)

假設(shè)燃?xì)庠罹呤褂脮r(shí)的熱負(fù)荷保持穩(wěn)定不變，燃?xì)庀臄?shù)值將與試驗(yàn)耗時(shí)成正比。因此，燃?xì)庀臄?shù)值不僅反映了試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，同時(shí)也反映了試驗(yàn)耗時(shí)情況即工作效率。表2所示為快速測(cè)量法與國(guó)標(biāo)方法測(cè)量熱效率的燃?xì)庀臄?shù)值。表中的快速測(cè)量法燃?xì)庀腣1和國(guó)標(biāo)法燃?xì)庀腣2分別指燃?xì)庠罹咴跓嶝?fù)荷和熱效率測(cè)量時(shí)的凈燃?xì)庀牡目偤?，不?jì)算其他輔助操作時(shí)的消耗?？焖贉y(cè)量法消耗占比a＝100V1／V2；快速測(cè)量法節(jié)約占比b＝100%－a。由表可以看出快速測(cè)量法消耗的測(cè)量工時(shí)不超過(guò)國(guó)標(biāo)法的30%，可節(jié)約大約70%的燃?xì)庀摹Ｒ虼?，與國(guó)標(biāo)法相比，快速測(cè)量法檢測(cè)燃?xì)庠罹叩臒嶝?fù)荷和熱效率在工作效率和經(jīng)濟(jì)性的優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

表2 快速測(cè)量法與國(guó)標(biāo)法在熱效率測(cè)量時(shí)的燃?xì)庀那闆r比對(duì)

6 測(cè)量方法的不確定度分析

隨機(jī)選取6＃樣品的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行不確定度分析，依據(jù)其校準(zhǔn)證書給出的擴(kuò)展不確定度計(jì)算熱效率測(cè)量的不確定度對(duì)比如下。

（1）快速測(cè)量法測(cè)量燃?xì)庠顭嵝蕼y(cè)量結(jié)果：η＝66.10%，U＝3.2%；k＝2；

（2）國(guó)標(biāo)法測(cè)量燃?xì)庠顭嵝蕼y(cè)量結(jié)果：η＝66.79%，U＝3.3%；k＝2。

由此可知兩種方法的測(cè)試不確定度結(jié)果水平相當(dāng)，國(guó)標(biāo)方法略大于水流方法。水流方法應(yīng)用于測(cè)量燃?xì)庠顭嵝实臏y(cè)量不確定度是可以接受的，滿足快速檢測(cè)分析的要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

上述研究表明家用燃?xì)庠罹邿嵝士焖贉y(cè)量方法，可大致節(jié)約70%的燃?xì)夂蜋z測(cè)工時(shí)消耗、可明顯提高工作效率、水路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得快速檢測(cè)方法容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。在試驗(yàn)進(jìn)水溫度為20±3℃，出水溫升為50±3℃的試驗(yàn)條件下，測(cè)量結(jié)果與國(guó)標(biāo)方法測(cè)量值之間的絕對(duì)差值小于3%。家用燃?xì)庠罹邿嵝士焖贉y(cè)量方法可以作為目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法的補(bǔ)充方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化推廣和應(yīng)用，具有一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。