燃气蒸箱热效率测试与计算方法的研究

上海酒店设备工程成套有限公司 张健

燃气蒸箱热效率测试与计算方法的研究

上海酒店设备工程成套有限公司 张健

文章主要介绍了燃气蒸箱热效率的测试与计算方法，并就不同的热效率测试与计算方法进行相关分析与探讨，结合分析探讨内容以及燃气蒸箱的实际使用情况对热效率的测试与计算方法提出相关建议。

燃气蒸箱 测试 加热效率 蒸发效率 综合效率 能效要求

燃气器具产品的热效率指标——作为评价是否节能的指标已得到广泛关注，但关于燃气蒸箱热效率的测试与计算方法在以前却没有到足够的重视。对燃气蒸箱热效率的测试与计算方法的研究，对于准确判定目前燃气蒸箱的能效水平、提出能效指标和推广节能产品有着至关重要的作用。

1 燃气蒸箱热效率测试与计算方法

1.1 行业标准《燃气蒸箱》(CJ/T 187—2003)(简称燃气蒸箱标准)

目前使用的燃气蒸箱标准对燃气蒸箱热效率的测试与计算方法有如下表述：

(1)实验室环境要求：实验室温度为20±15 ℃，在每次实验过程中室温波动应小于±5 ℃。

(2)实验用水量要求：检验用锅即蒸箱箱体锅，往锅里加满水(溢流管下)，取出25%的水量，所剩水量即为实验用水量。

(3)实验测试与计算方法要求：在供给额定燃气压力的标准气条件下点燃燃烧器，温度计由锅中心插入水深1/2处，水初温取室温加5 ℃，水终温取初温加45 ℃，按下式计算热效率。

其中：η—蒸箱的热效率，%；

G—加热的水量，kg；

C—水的比热容，0.0042MJ/(kg·℃)；

V—实测燃气流量，m3；

Q—燃气低热值，MJ/m3；

tg—通过燃气流量计的燃气温度，℃；

Pamb—试验时的大气压力，kPa；

Pg—灶前燃气压力，kPa；

Pv—饱和水蒸气压力，kPa。

(4)对于热效率要求：热效率应大于等于40%。

1.2 浙江省地方标准《商用燃气灶具能效等级》(DB33/T 777—2010)(简称浙江燃具等级标准)

2010年3月5日实施的浙江燃具等级标准中关于燃气蒸箱热效率的测试与计算方法有如下描述：

(1)实验室环境要求：实验室温度为20±15 ℃，在每次实验过程中室温波动应小于±5 ℃。

(2)实验用水量要求：检验用锅即蒸箱箱体锅，往锅里加入实验用锅体积的 75%的水量作为实验用水量。

(3)实验测试与计算方法要求：在供给额定燃气压力的标准气条件下点燃燃烧器，将箱门关闭紧锁，水初温取水温，从蒸箱液位仪或蒸汽管处放入温度计探头至水深1/2处，水终温取初温加45 ℃，到终温时将水排入特制保温桶内，搅拌后测试水温作为实际终温，同时秤重排出水量。按公式(2)计算热效率。

其中：m—加热的水量，kg；

t2—水的终温，℃；

t1—水的初温，℃。

(4)对于热效率要求：该标准对热效率的要求进行了能效等级分级，主要分为3级要求，见表1：

表1 浙江省地方标准对燃气蒸箱热效率分级表

1.3 上海厨房设备评定标准讨论稿

上海厨房设备评定标准讨论稿，其中关于燃气蒸箱热效率的测试与计算方法有如下的描述：

(1)实验室环境要求：实验室温度应为20±5℃，在每次实验过程中室温波动应小于±2℃。

(2)实验装置准备；按图1所示整箱左方连接在额定燃气压力下燃气流量表装置，右方是由电子秤显示的直读补水装置。

①盛水容器(容积约20 L)铝桶或铝锅；

②数字显示式电子秤(≥20 kg)，盛水容器置于电子秤上(去皮后)，使容积加水到90 %的水量(约18 kg 左右)；

③增压泵(220 V/AC、额定扬程为8.5 m、流量10 L/min)，增压泵的吸水管腾空插在容器冷水内(离容器底部约1 cm)。

图1 该讨论稿中燃气蒸箱热效率测试装置

(3)实验测试与计算方法要求：蒸箱产生蒸汽后，关闭进水阀1，同时打开补水阀2和开启增压泵电源，稳定运行15 min左右，至蒸箱稳定产生蒸汽，并且各部件处于热平衡状态，并观察电子秤读数呈均匀下降；

①再次对盛水容器补水到90%水量，稳定5 min后，用秒表对燃气流量消耗和水量消耗同步计时，并记录燃气流量表V1与电子秤G1的初读数；

其中：G1—热效率测试前的电子秤初读数，kg；

G2—热效率测试前的电子秤终读数，kg；

t—冷水的温度，℃；

2.26 —水的蒸发潜热，MJ/kg；

V2-V1—燃气耗量(标准状态)，m3；

Q—测试燃气低热值(标准状态)，MJ/m3。(4)对于热效率要求：该讨论稿对热效率的要求同样进行了能效等级分级，根据热负荷的不同进行了不同的能效等级要求，具体见下表：

表2 讨论稿对燃气蒸箱热效率能效等级分级

2 蒸箱热效率测试与计算方法的分析

2.1 燃气蒸箱标准

燃气蒸箱标准中对于热效率测试与计算方法和其他燃气具标准对热效率测试与计算方法相同，主要是通过对一定水量的加热实现水温的上升而计算加热效率，加热效率的高低可以反映出燃气蒸箱加热温升速度的快慢。对于静止的燃气蒸箱水箱箱体内的水量，从位于水箱箱体底部的燃烧器燃烧加热水量，使水温逐渐上升，但由于水箱箱体内的水无法搅拌，以达到均匀水箱箱体内水量的水温的目的，位于水深1/2处的温度计所测试到得水温仅是该区域的水温，而水箱箱体内的水温一般是上面水温较高，下面水温较低，两者相差比较大，对于温升的判断容易产生较大的误差，从而对热效率的测试与计算产生不确定性，测试得到的热效率值会很难直观反映出燃气整箱的真实热效率情况。另一方面，目前燃气蒸箱的热效率指标在行业标准中尚属于B类指标，不是强制性指标，而且对于效率的要求仅为大于40%，显然是缺少实际调查分析的。

2.2 浙江燃具等级标准

浙江燃具等级标准中对于燃气蒸箱热效率的测试与计算方法与国家行业标准燃气蒸箱标准中对于燃气蒸箱热效率的测试与计算方法相似，只是对于加热水量水终温的确定有所不同，其将实际终温的确定为水量加热并排入特制保温桶内搅拌后的水温，虽然搅拌后的水温能达到一定的均匀性，可以减少水终温确定所产生的误差性，但存在着如下的问题：首先，燃气蒸箱水箱箱体的排水口一般设置在水箱箱体的底部便于在实际使用过程中排水，只有将特制保温桶的水入口设置的比燃气蒸箱水箱箱体的排水口低，才能将水箱箱体内的水排入特制保温桶，而若特制保温桶的水入口设置过低，当排入的水浸没水入口时，水箱箱体的排水速度将减慢，因此，对于特制保温桶的水入口合理设置是需要解决的问题，其直接关系到如何将燃气蒸箱水箱箱体内的水排尽至特制保温桶；其次在没有辅助设备(如增压泵)的情况下，要将燃气蒸箱水箱箱体内的水快速排到特制保温桶内是不可能实现的，由于水量在排入过程中存在着散热损失，排水时间越长损失越大；最后，在整个搅拌过程中尚还存在着搅拌过程热量损失。以上这些问题都会对水终温的确定产生影响，进而直接影响到燃气蒸箱加热效率的计算，对加热效率的判断产生误差性。

2.3 上海厨房设备评定标准讨论稿

上海厨房设备评定标准讨论稿中对于燃气蒸箱热效率的测试与计算方法有了较大的改变：

(1)对于实验室环境温度要求更为严格，减少了实验室环境温度的波动对燃气蒸箱热效率测试所带来的误差。

(2)燃气蒸箱热效率的测试方法更为详细，更为符合用户的实际使用情况。

(3)燃气蒸箱热效率的计算方法考虑更为全面，更能客观合理地反应燃气蒸箱的实际热效率情况。

但三个标准中均仅对实验室环境温度作出了规定，均未对实验供给冷水温度作出要求，而热效率计算公式中却涉及到冷水温度，而冷水温度的高低(主要是冬天和夏天的冷水温度相差很大)会对热效率的计算将产生一定的影响。假设在其他测试数据不变的情况下，计算冷水温度分别为5 ℃、10 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃和 35 ℃情况下的热效率值，变化情况如下表所示：

表3 冷水温度变化对热效率计算的影响

从表3分析可知，冷水温度不同对热效率的计算有着较大的影响，因此，建议对实验供水温度要求同样作出相关规定，可以参照《家用燃气快速热水器和燃气采暖热水炉能效限定值及能效等级》(GB 20665—2006)中进水口冷水温度要求：20±2 ℃。减少由冷水温度变化对热效率计算带来的影响，特别是夏天和冬天的情况下，两者之间由于冷水温度的变化会使热效率产生3%左右的变化。

目前由于蒸箱热效率测试方法的不同，造成对热效率的计算公式尚存在不同的意见，主要分为加热效率和蒸发效率，如燃气蒸箱标准中燃气蒸箱的热效率测试方法与计算公式(1)和浙江燃具等级标准中燃气蒸箱的热效率测试方法与计算公式(2)测试计算所得到的热效率值均为加热效率；上海厨房设备评定标准讨论稿中燃气蒸箱的热效率测试方法与计算公式(3)测试计算所得到的热效率值为蒸发效率。加热效率的高低反映出的是燃气蒸箱加热温升速度的快慢，蒸发效率的高低则反映出的是燃气蒸箱蒸煮食物速度的快慢，从蒸箱其本身的作用来说蒸发效率比加热效率更符合对燃气蒸箱热效率的评价。

3 实验测试分析燃气蒸箱热效率

按照上海厨房设备评定标准讨论稿中图1所示连接燃气蒸箱进行热效率测试与计算，在实验测试过程中，发现在相同测试状态下数次测试计算燃气蒸箱的热效率值有所误差，而且有时会出现连续数次热效率的偏差在平均值的5%以上，根据燃气具产品热效率的测试方法的要求，如《家用燃气灶具》(GB 16410—2007)中关于热效率测试的要求：同一条件下作两次以上试验，连续两次热效率的差在两次平均值的5%以下时，取平均值作为实测热效率，否则应重新试验，直到合格为止。因此，有时数次测试得到的燃气蒸箱热效率值的平均值将很难客观反映燃气蒸箱的实际热效率，则有必要对燃气蒸箱热效率的测试过程进行分析。按图1所示连接一台以天然气为气源的燃气蒸箱进行单位时间内的补水量测试，在燃气蒸箱产生蒸汽后测试单位时间内的补水量，如图2所示；

从图2分析可知：燃气蒸箱在产生蒸汽后继续燃烧，前十几分钟内单位时间内的补水量逐渐上升，到后十几分钟单位时间内的补水量则相对稳定，但波动幅度相对较大。这是由于虽然测试起始阶段在燃气蒸箱产生蒸汽后，但蒸箱水箱箱体内的冷水尚未全部烧开，蒸汽是由蒸箱水箱箱体内的上部分水烧沸后所产生的，此时蒸箱水箱箱体内的水温由于不能搅拌，水温是不均匀的，蒸箱水箱箱体内的下部分水仍处在较低的温度，即整个水箱尚未达到基本热平衡状态，水温是上高下低，到整个水箱箱体内的水全部烧开并达到基本热平衡尚需一段时间，所以前期燃烧所产生的热量不仅要加热产生蒸汽，而且还需要加热水箱箱体下部的冷水，所以前期单位时间的补水量相对较少，这段时间的补水量不能作为燃气蒸箱蒸发热效率计算的一部分。而随着水箱箱体内下部水温的逐渐上升，燃烧所产生的热量更多的用于产生蒸汽，所以单位时间内的补水量呈现逐渐上升的趋势。

由于燃气蒸箱燃烧补水整个过程都是通过增压泵完成的，虽然标准中对增压泵的规格作出了要求，但对供水压力没有任何规定，通过增压泵供水会出现两个问题：

(1)增压泵补水压力的变化会对补水量的多少产生极大的影响，造成补水量波动幅度较大，如图2所示后十几分钟单位时间内补水量的趋势，而造成增压泵补水压力变化的因素也很多，如短时间电压波动会使增压泵供水压力变化造成补水量波动等；

(2)通过增压泵补水是否会对冷水在通过增压泵后的水温产生一定的影响，即是否会使增压泵前后的冷水温度有所不同。

鉴于此，建议在增压泵出口处安装水流量稳压阀、水压力表和水银温度计，三者的安装可以解决上述出现的问题：

(1)水流量稳压阀的安装有利于稳定供水压力，这样可以避免补水压力的波动对补水量产生较大的波动；

(2)水压力表的安装有利于监测整个补水过程中的水压情况，并且可以通过水流量稳压阀的调节将测试时的补水水压进行统一，使测试数据更具可比性；

(3)水银温度计的安装可以监测整个补水过程中冷水温度的情况，并且将增压泵出口的水温作为整个测试过程中的冷水温度，可以避免增压泵使用前后对供水温度产生的影响。

在燃气蒸箱上安装水流量稳压阀、水压力表和水银温度计后重新测试该台以天然气为气源的燃气蒸箱单位时间内的补水量，在燃气蒸箱产生蒸汽后测试单位时间内的补水量变化趋势见图3。

由图2与图3对比可知：在增压泵后安装水流量稳压阀，可以减少在达到基本热平衡后单位时间内补水量的波动性，而且可以通过水压力表监测整个实验过程中进水压力是否发生变化，进水压力的变化对于补水量的多少将会产生较大的影响，进而影响到燃气蒸箱热效率的正常测试。

众所周知，燃气蒸箱的燃烧使用过程可分为如下几个阶段：第一阶段为燃气蒸箱冷态开始燃烧至冒出少量蒸汽(需耗时10～15 min)，即加热水箱箱体内水的过程；第二阶段为在燃气蒸箱产生少量蒸汽的同时，开始缓慢补水至产生大量蒸汽并进入相对较大补水量状态(需耗时10～15 min)，即使水箱箱体内水达到热平衡状态的过程；第三阶段为刚开始的相对较大补水量在单位时间内尚未稳定，还存在波动性且需要持续一段时间(需耗时 10～15 min)才能达到稳定状态，即蒸发稳定状态；第四阶段为稳定产生大量蒸汽，且单位时间内的补水量变化很小，近似于达到恒定状态。下面通过图4来分析下第三阶段和第四阶段的热效率测试实验情况：

图4 燃气蒸箱燃烧时间与热效率变化趋势

从图4分析可知：

(1)第三阶段由于单位时间内补水量的波动造成这阶段的热效率值也在随着发生波动，不能达到较为稳定的状态；

(2)第四阶段前期单位时间内补水量较为稳定，使单位时间内的热效率值较为稳定；

(3)第四阶段中期由于在测试过程中对盛水容器进行注水，造成单位时间内补水量发生波动，而且波动持续一端时间后趋于稳定，造成该段时间内的热效率值相对偏低，因此，在实验过程中应避免对盛水容器进行注水，这样会使测试得到的最终蒸发效率值相对偏低。

(4)第四阶段中后期由于在实验过程中将燃气蒸箱的门打开，造成蒸箱背压下降，同时大量蒸汽散失，补水量瞬时大量增加，造成热效率的波动，而且关门后单位时间内补水量的稳定同样也需要一段时间，造成该段时间内的热效率值相对偏高，因此，在实验过程中应避免对燃气蒸箱门的开启，这样会使测试得到的最终蒸发效率值偏高。

4 燃气蒸箱热效率测试与计算方法的建议

结合燃气蒸箱的主要用途及实验测试分析影响燃气蒸箱热效率的各因素，选择蒸发效率作为评价燃气蒸箱热效率的主要指标，为尽量减少并避免各测试因素对燃气蒸箱热效率的影响，建议：

(1)实验室环境要求：实验室温度应为20±5℃，在每次实验过程中室温波动应小于±2℃。

(2)实验用冷水要求：实验室用冷水温度应为20±2℃。

(3)实验装置准备；按图5所示蒸箱左方连接在额定燃气压力下燃气流量表装置，右方是由电子秤显示的直读补水装置。

图5 燃气蒸箱热效率测试装置(建议)

其中：

①盛水容器(容积约40 L)铝桶或铝锅；

②数字显示式电子秤(≥50 kg，精度达20 g)，盛水容器置于电子秤上(去皮后)，使容积加水到90%的水量(约36 kg)；

③增压泵(220 V/AC、额定扬程为8.5 m、流量10 L/min)，增压泵的吸水管腾空插在容器冷水内(离容器底部约1 cm)。

(4)整个实验过程中不得开启燃气蒸箱的箱门。

(5)热效率的测试与计算方法：

①打开进水阀和开启增压泵进行补水，补水压力为0.2 MPa，补水完成后打开燃烧器燃烧，待蒸箱中的冷水烧沸后即刚开始产生蒸汽，稳定运行30 min左右，至蒸箱达到水箱每分钟所对应冷水补水量(误差为±10%内)基本趋向较均匀范围时，即观察到电子秤上补水的读数呈均匀下降，则可认为蒸箱达到了基本热平衡状态，此阶段所产生的蒸汽在蒸箱中各部件都处于热平衡状态；

②再次对盛水容器补水到 90%的水量，稳定10min后，用秒表对燃气流量消耗和水量消耗同步计时，并记录燃气流量表V1与电子秤G1的初读数；

③记录增压泵后的水银温度计的温度作为冷水温度t；

④稳定运行20 min后，同步关闭燃气总阀和增压泵电源并记录燃气表V2和电子秤G2的终读数。按公式(4)计算热效率。

(6)同一条件做两次以上热效率测试实验，连续两次热效率的差在平均值的5%以下时，取平均值作为实测热效率，否则应重新实验，直到合格为止。

5 小结

(1)燃气蒸箱的热效率可以分为：加热效率、蒸发效率。加热效率反映的是(前期)燃气蒸箱水箱箱体内冷水加热速度的快慢；蒸发效率反映的是(后期)燃气蒸箱产生蒸汽蒸煮食物速度的快慢。

(2)从燃气蒸箱主要作用考虑出发，相对于加热效率，蒸发效率更能体现燃气蒸箱的效率指标。

(3)燃气蒸箱蒸发效率的测试装置中应增加水流量稳压阀、水压力表和水银温度计，减少供水压力波动对蒸发效率测试的影响。

(4)影响燃气蒸箱蒸发效率测试的因素有很多：燃气蒸箱箱体是否达到热平衡；增压泵供水压力的大小；实验过程中对盛水容器进行注水使补水量发生波动；实验过程中开启燃气蒸箱门造成补水量增加等，在实验测试时都需要加以注意。

(5)建议行业标准尽快统一燃气蒸箱的热效率测试与计算方法，测试与计算方法不统一将对各地区燃气蒸箱热效率值的对比产生较大的误差，而且不具可比性。

(6)目前行业标准中的热效率指标仅为 B类指标，建议在统一热效率测试与计算方法的同时，将热效率指标作为强制性考核指标，并对热效率指标进行能效等级划分，低于最低能效热效率值的燃气蒸箱不允许上市销售，以淘汰高能效产品，推广节能产品，节约燃气能源。

②运行15 min，同步关闭燃气总阀和增压泵电源并记录燃气表V2和电子秤G2的终读数。按下式中任意一个计算热效率。

Thermal efficiency test and calculation method of gas steamer oven

Shanghai Catering Equipment Co., Ltd. Zhang Jian

In this paper, the industry standard CJ/T187-2003 "Gas steaming oven"; Zhejiang local standard DB33/T777-2010"Energy efficiency grades for commercial gas stoves" and Shanghai local standard "Commercial gas kitchen energy efficiency and environmental quality evaluation standard" (draft) in the gas steam tank heat efficiency of the test and calculation methods and different thermal efficiency of the test and calculation methods related to analysis and discussion, combined with analysis of content and gas steaming oven actual situation on the thermal efficiency of the test and calculation of relevant recommendations.

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