基于蒸汽噴入鍋體的蒸汽電飯煲能效測(cè)試方法的研究

楊 帆 顧佳琪 陸林峰

（嘉興威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 嘉興 314000）

引言

電飯鍋的能效指標(biāo)是產(chǎn)品的一個(gè)重要指標(biāo)，目前主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 12021.6-2017對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。筆者在日常檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)一種新型的蒸汽電飯煲，如果還是依照現(xiàn)行的熱效率試驗(yàn)方法進(jìn)行檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)一些試驗(yàn)布點(diǎn)困難，結(jié)果復(fù)現(xiàn)性差的問題。本文從該蒸汽電飯煲的結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，對(duì)其熱效率測(cè)試方法進(jìn)行了研究。

1 新型蒸汽電飯煲介紹分析

目前市面上出現(xiàn)一種新型的蒸汽電飯煲，產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，器具工作時(shí)將水箱內(nèi)的水通過鍋爐加熱為水蒸氣，同時(shí)通過電子控制器控制閥門將高溫蒸汽噴入鍋膽內(nèi)的米和水中，利用高溫的水蒸氣來進(jìn)行加熱烹飪。

圖1 一款蒸汽電飯煲的主要結(jié)構(gòu)圖

這種產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和工作原理與傳統(tǒng)的電飯鍋有比較顯著的差異，傳統(tǒng)的電飯鍋一般是將盛有米和水的鍋膽放在電熱元件上加熱或以電磁感應(yīng)加熱的方式直接加熱，進(jìn)而將熱量通過鍋膽傳遞至內(nèi)部，從而達(dá)到蒸煮米飯的目的，是使用固體作為導(dǎo)熱介質(zhì)（見圖2）；而蒸汽電飯煲是利用鍋爐加熱后的蒸汽直接對(duì)米和水進(jìn)行加熱，是使用氣體作為導(dǎo)熱介質(zhì)（見圖3），鍋膽僅起到容器和保溫作用。由于兩者導(dǎo)熱過程的不同和介質(zhì)不同，導(dǎo)致加熱過程中產(chǎn)生的熱損耗途徑完全不同。

圖2 傳統(tǒng)電飯鍋加熱方式

圖3 蒸汽電飯煲加熱方式

2 蒸汽電飯煲熱效率試驗(yàn)可能存在的問題

在電飯鍋能效標(biāo)準(zhǔn)中熱效率的計(jì)算公式為：

式中，分母中的E為電飯鍋在熱效率試驗(yàn)中總的耗電量，即輸入能量；分子中的1.16×λ×G×(t2-t1)這一值應(yīng)當(dāng)是電飯鍋在工作中產(chǎn)生的有用功耗，即電飯鍋的有效輸出能量。

根據(jù)熱量計(jì)算公式：

M為水的質(zhì)量，可以近似于熱效率計(jì)算公式中的G，水的比熱容C根據(jù)單位的換算就可以得到熱效率計(jì)算公式中的常數(shù)1.16。

雖然傳統(tǒng)電飯鍋和新型蒸汽電飯煲兩者導(dǎo)熱過程的不同以及產(chǎn)生的熱損耗不同，但是產(chǎn)品整體的輸入能量以及有效輸出能量仍還是同一個(gè)概念的能量，所以新型蒸汽電飯煲要計(jì)算熱效率時(shí)仍然可以套用原先的公式格式，但是有效輸出能量的計(jì)算公式需要重新設(shè)定。

然而由于這款新型蒸汽電飯煲的工作原理不同，我們可以簡(jiǎn)單地發(fā)現(xiàn)如果使用傳統(tǒng)電飯鍋的試驗(yàn)方法會(huì)存在以下幾點(diǎn)問題：

①在計(jì)算鍋體內(nèi)水熱量時(shí)，是通過距鍋底“10±5 mm”、在內(nèi)鍋中心“Φ50 mm”圓柱體內(nèi)的測(cè)試點(diǎn)水溫作為特征點(diǎn)計(jì)算的，然而結(jié)合蒸汽電飯煲的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，這就又產(chǎn)生了一個(gè)問題，如圖4所示框線區(qū)域，這一區(qū)域與蒸汽電飯煲內(nèi)部能量棒的位置重疊，在工作過程中會(huì)直接有高溫的水蒸氣從蒸汽口中噴出，這是否會(huì)對(duì)測(cè)試水溫造成干擾無法估計(jì)。

圖4 蒸汽電飯煲鍋體空間結(jié)構(gòu)

②與問題①類似，由于傳統(tǒng)布點(diǎn)位置與蒸汽口距離太近，原先的布點(diǎn)方法是否還能在蒸汽電飯煲中使用還不能確定，因此是否需要更換布點(diǎn)位置或者鍋體內(nèi)部的溫度分布也是一個(gè)待研究的問題。

③由于試驗(yàn)在水溫達(dá)到90 ℃時(shí)結(jié)束，傳統(tǒng)電飯鍋試驗(yàn)過程中自然蒸發(fā)的水蒸氣可以忽略不計(jì)，而結(jié)束時(shí)內(nèi)膽中的水量是一定的，即大致等于試驗(yàn)前的水量G；但是蒸汽電飯煲是通過鍋爐內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣來傳遞熱量，在蒸汽噴入鍋體后與鍋體中的水產(chǎn)生熱交換后，一部分水蒸氣會(huì)凝結(jié)為液態(tài)留在鍋體中，其他水蒸氣則會(huì)逸散到外界空氣中，因此試驗(yàn)結(jié)束時(shí)鍋體中的水量會(huì)大于試驗(yàn)前的水量G，電飯煲工作時(shí)有用功應(yīng)當(dāng)考慮這一部分凝結(jié)的水所含的熱量。因此額定容積80 %以及熱效率計(jì)算公式如何統(tǒng)一是亟須解決的問題。

3 對(duì)影響因素的研究

3.1 試驗(yàn)水量的研究

由于試驗(yàn)后蒸汽電飯煲內(nèi)的水是試驗(yàn)前所加入鍋體的水M1和通過蒸汽爐加熱成蒸汽并在鍋體中凝結(jié)的水M2組成，因此根據(jù)熱量計(jì)算公式：

由于t21=t22=t2，而t1也可以通過控制試驗(yàn)前的水溫統(tǒng)一，因此該公式可以簡(jiǎn)化為：

只需要找到試驗(yàn)后水量M和試驗(yàn)前水量G的關(guān)系即可找到與傳統(tǒng)電飯鍋熱效率公式的聯(lián)系。

選擇一款額定容積為3 L的蒸汽電飯煲，分別在鍋體中通過稱重法加入額定容積40 %、50 %、60 %、70 %、75 %和80 %的水進(jìn)行模擬試驗(yàn)，并且在蒸汽爐的水箱中加入與鍋體相同溫度的水。

試驗(yàn)在鍋體內(nèi)水溫達(dá)到90 ℃時(shí)停止，并且稱量試驗(yàn)結(jié)束后的水量，結(jié)果如表1。

表1 試驗(yàn)水量比對(duì)結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)結(jié)束水量和初始水量的比值大致相同，如果定義該比值為λ′，熱量的公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

如果帶入熱效率計(jì)算公式：

因此只要重新定義蒸汽電飯煲的修正系數(shù)即可將蒸汽電飯煲的熱效率公式與傳統(tǒng)電飯鍋的熱效率公式統(tǒng)一。

筆者之后也對(duì)另外幾款型號(hào)的蒸汽電飯煲進(jìn)行了測(cè)試，該比值也都在1.12～1.15的范圍內(nèi)，因此筆者認(rèn)為可以在這個(gè)區(qū)間選擇一個(gè)合適的值作為蒸汽電飯煲的修正系數(shù)。

3.2 蒸汽是否會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響的研究

選擇兩款蒸汽電飯煲，仍然按照標(biāo)準(zhǔn)距鍋底“10 ±5 mm”、在內(nèi)鍋中心“Φ50 mm”圓柱體內(nèi)隨機(jī)布置5個(gè)點(diǎn)，并監(jiān)測(cè)產(chǎn)品工作過程中的溫度，得到了圖5中樣品1的曲線和圖6中樣品2的曲線。

圖5 樣品1的升溫曲線

圖6 樣品2的升溫曲線

根據(jù)曲線可以看到，明顯有幾個(gè)點(diǎn)在升溫過程有較大幅度的震蕩，而且同時(shí)有幾個(gè)點(diǎn)的升溫情況出現(xiàn)異常。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種情況的原因：一是因?yàn)闇y(cè)試的布點(diǎn)位置就正對(duì)電飯煲內(nèi)部能量棒的蒸汽出口，蒸汽直接噴到了感溫?zé)犭娕紡亩鴮?dǎo)致較大幅度的震蕩，例如圖5中的曲線2和圖6中的曲線4；二是布點(diǎn)位置距離能量棒太近或者直接接觸就會(huì)使該點(diǎn)位置在前期就迅速升溫出現(xiàn)異常，例如圖5中的曲線1和圖6中的曲線3。

由于在熱效率的測(cè)試計(jì)算中，需要待內(nèi)鍋水溫達(dá)到90 ℃時(shí)切斷電源并且讀取斷電1 min之后的最高溫度值t2，因此水溫如果出現(xiàn)明顯波動(dòng)和異常那都有可能影響到最終的熱效率結(jié)果。為了研究這一問題，筆者選取了其中一臺(tái)蒸汽電飯煲進(jìn)行了5次熱效率的試驗(yàn)，在“距鍋底10±5 mm、在內(nèi)鍋中心Φ50 mm圓柱體內(nèi)”不同位置選點(diǎn)作為水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖7所示），并未刻意避開能量棒或蒸汽的出口，按照現(xiàn)有熱效率方法試驗(yàn)前加入額定容積80 %水，記錄斷電1 min的最高溫度t2，暫時(shí)定義λ′=1.15并計(jì)算參考熱效率η，結(jié)果如表2。

圖7 水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布點(diǎn)位置示意圖

表2 布點(diǎn)位置比對(duì)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)5次試驗(yàn)的溫升曲線比較發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)3的布點(diǎn)屬于溫升曲線有較大幅度震蕩的情況，的確試驗(yàn)過程中蒸汽直接噴射到該布點(diǎn)的熱電偶上。而試驗(yàn)4的布點(diǎn)是由于固定的位置離能量棒金屬外殼較近，從而導(dǎo)致了溫升過程的異常。而由數(shù)據(jù)也可以看到，由于最高溫度值t2是在斷電1 min之后讀取的，在試驗(yàn)3和4中實(shí)際只是受到蒸汽或能量棒的影響而顯示超過90 ℃，實(shí)際該處水溫并未真正到達(dá)90 ℃，從而對(duì)最終熱效率造成了一定的影響。

因此在熱效率測(cè)試中應(yīng)注意在判斷水溫是否達(dá)到90 ℃時(shí)需要避免蒸汽或能量棒的干擾。

3.3 鍋體內(nèi)部溫度分布的研究

那么傳統(tǒng)電飯鍋熱效率測(cè)試中要求固定在“距鍋底10±5 mm、在內(nèi)鍋中心Φ50 mm圓柱體內(nèi)”的測(cè)試點(diǎn)位置是否還適用這種蒸汽電飯煲呢？

根據(jù)原理來看，傳統(tǒng)電飯鍋是通過加熱內(nèi)鍋從而將熱量傳導(dǎo)至水中，熱源一般設(shè)置在內(nèi)膽的下方，因此熱量的傳播方向可以認(rèn)為是從下向上的，選擇距鍋底10±5 mm的高度應(yīng)當(dāng)是避免距離熱源太近，可能會(huì)導(dǎo)致類似于試驗(yàn)3和試驗(yàn)4的問題，而筆者認(rèn)為平面上水溫的分布應(yīng)當(dāng)是大致相同的，選取內(nèi)鍋中心Φ50 mm范圍內(nèi)主要是為了便于統(tǒng)一位置并且選擇幾何中心也便于固定。

對(duì)于蒸汽電飯煲來說，由于是通過從能量棒底部的開口噴射出蒸汽與水發(fā)生熱交換，因此整體的熱量傳導(dǎo)方向可能更類似于從中心向四周發(fā)散，為了驗(yàn)證距離中心的距離是否對(duì)熱效率有比較顯著的影響，筆者選取了3款蒸汽電飯煲進(jìn)行了試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)在距離底部10 mm高度且距離水平中心分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、50 mm的位置布置水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖8所示）并進(jìn)行試驗(yàn)，按照現(xiàn)有熱效率方法試驗(yàn)前加入額定容積80 %水，記錄斷電1min的最高溫度t2，定義λ′=1.15并計(jì)算參考熱效率η，同時(shí)記錄斷電瞬間開始的最高溫度t2′作為參考，結(jié)果如表3。

圖8 水溫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布點(diǎn)位置示意圖

表3 內(nèi)部溫度分布比對(duì)結(jié)果

傳統(tǒng)電飯鍋是由于發(fā)熱盤的熱容量及滯后原因，內(nèi)鍋水溫在斷電后還可能會(huì)上升，同時(shí)為了避免局部高溫使得t2值虛高，所以需要讀取斷電1 min之后出現(xiàn)的最高水溫。蒸汽電飯煲在斷電后并不會(huì)繼續(xù)向內(nèi)鍋輸出蒸汽，因此宏觀上在斷電后水溫應(yīng)不會(huì)繼續(xù)上升。

但是根據(jù)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，在斷電之后水溫仍有微小的上升空間，而一些布點(diǎn)例如11和12雖然受蒸汽或能量棒的影響，但是因?yàn)槭歉鶕?jù)正常的點(diǎn)13、14、15來判斷斷電時(shí)間，斷電1 min之后鍋體里各處的水溫已經(jīng)由于分子熱運(yùn)動(dòng)充分發(fā)生了熱交換，并達(dá)到大致平均的程度。

因此布點(diǎn)位置距離中心的遠(yuǎn)近實(shí)際并未對(duì)最終熱效率的結(jié)果有較為顯著的影響。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)比的分析實(shí)驗(yàn)，得到以下初步的結(jié)論：

1）測(cè)溫點(diǎn)的位置并不會(huì)對(duì)最終熱效率的結(jié)果造成顯著的影響，可以按照GB 12021.6中要求的位置布點(diǎn)，但是在判斷水溫是否達(dá)到90 ℃時(shí)需要避免蒸汽或能量棒的干擾。

2）只需要重新定義一個(gè)新型蒸汽電飯煲的修正系數(shù)，蒸汽電飯煲的熱效率測(cè)試就可以參考現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的試驗(yàn)方法和計(jì)算公式進(jìn)行。

隨著科技的發(fā)展和人民需求的提升，肯定也會(huì)有更為新型的電飯鍋問世，如何統(tǒng)一高效地做好能效測(cè)試是我們檢測(cè)人員一直以來的目標(biāo)和前進(jìn)方向。