余康
佛山市顺德区美的洗涤电器制造有限公司 广东省佛山市528000
摘要：家用燃气灶具是指将城镇燃气作为能源，进行食品烹制的相关灶具产品。受火孔强度、热传导效率、材料保温性能、锅体材质等因素影响，家用燃气灶具能效受到了极大程度的制约[1]。通过调整燃烧器结构，改变火孔强度达到提高产品能效、优化燃烧器性能，对提升行业经济利润空间有着积极的作用[2]。
关键词：家用嵌入式燃气灶；燃烧器；火孔强度；燃烧性能
引言
家用燃气灶是日常生活中必不可少的烹调用具，其性能和使用安全受到越来越多的关注。它使用的天然气是最重要的能源之一，因此近年来家用燃气灶的能效也是一个优先事项[3]。2015年4月1日实施的关于家用燃气灶的能效限制和能效水平的GB30720-2014号文件，将采用大气式燃烧方式的家用嵌入式燃气灶热效率定为最低55%(3级)或更高59%（2级）、63%（1级），2016年6月1日生效的《能效标识管理条例》(取代2004年版)规定，生产商和进口商必须在能源效率标识产品目录中的能源产品上打上能效标识[4]。至此家用嵌入式燃气灶具产品开始在能效上进行军备竞赛，各大厂家开始研究如何通过改善燃烧器结构提升产品性能，火孔面积、火孔间距、火孔角度和火孔强度都成了从业者们悉心研究的方向。
1工作原理
燃气用户烹饪需求较为复杂，既要满足煎、炒的大火需求，又要满足煲、煮等的小火需求。国内家用嵌入式燃气灶的燃烧器基本都有内、外环之分，是一种双通道燃烧器[5]。与国外普遍使用的单通道燃烧器相比，存在气源适应性差、内外环热负荷抢二次空气等问题。为提升双通道燃烧器的综合性能，即提升热效率、降低废气排放，正确的火孔强度设计以及内外环出火孔的火孔强度配比至关重要。本文通过理论分析燃烧器火孔强度的设计，并结合大量的试验对比验证，调整内、外环出火孔的火孔强度配比，分析同一折算热负荷条件下，双通道燃烧器不同火孔的强度以及内外环出火孔不同火孔强度配比对燃烧性能的影响差异。
2火孔强度
双通道燃烧器可根据额定热负荷和外观要求，结合内外环加热负荷比、基准气体和锅台支座高度来设计。12T基准气体用于外环通道内(必须封闭内喷嘴，可使用硅胶堵住)并调整外圈火孔面积，以调整外圈火孔强度。然后通过测试烟气排放和热效率来分析燃烧趋势。关于外环火孔燃烧性能受火孔强度影响的实验结论：
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图1显示保持外环火焰与锅壁距离ι和外环火孔与锅底相对高度h不变，当单独外环燃烧时，只有外面一圈火焰，火焰与锅底接触的地方在外环火盖外周，热气流会随着锅底向锅的边缘流动，只有少量的热气流会流向锅底中心。这样就导致燃烧器的外环到锅边缘的锅底吸收了大量的能量，温度较高，而燃烧器的中心温度很低，A区域冷空气与外面没有形成明显的负压，导致外面的空气难以从二次空气补充孔进入A区域，外环内侧二次空气的补充较为困难，所以二次空气的补充只在B区域，就导致火焰内侧燃烧不充分，烟气较高。按照传热学理论，对流传热量公式如下
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在K、tf、tw不变的情况下，对流传热量Φ是面积A的单值函数。由于在锅底有效利用面积A较小且只有外环燃烧的高温烟气，因而锅底吸收的热量较少，效率会偏低。若火孔强度太大则气流速度也很快，使得燃烧不充分，烟气高。速度过快的高温烟气在锅底停留的时间变短，则(tf－tw)的值会变小，效率仍然会降低。所以此时如果提高火孔强度并不能提升燃烧器的性能，反而会降低燃烧器的性能，使热效率降低。相反将外环火孔减小，减小火孔面积从而降低火孔强度反而会提高燃烧器热效率。参照设计额定热负荷5.0kW，内、外环的热负荷按照3:7的比例取值，即外环热负荷为3.5kW，头部直径设计为116mm，火孔角度为35°，外环火孔至锅底的距离为24mm，外环单独燃烧做试验，外环火孔强度试验数据见表1。
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2.1试验装置的设计
试验容器的尺寸符合现行标准，沿容器表面设计了一条输水管道，允许水沿着容器表面从壶顶流向壶底中心。家用嵌入式燃气灶燃烧的热效率是通过测量水温上升产生的热量与气体消耗产生的热量之间的关系来衡量的。使用快速测量方法，可以同时测量热负荷和热效率。加热荷载使用BG16410-2007和公式2计算。试验检测装置由气体系统和航道系统两部分组成，其气体系统和其他实验室条件符合GB30720和GB16410标准。为保证试验的稳定性和准确性，试验水由恒温恒压供水系统提供给试验罐的进水处[6]。水流可以调节到试验所需的出水量温度。系统稳定后，通过测量进出水温度升高、水质或流量、气体消耗等所需的试验参数来计算热效率值。采用连续五次测量的热负荷和热效率的算术平均值作为测量值。
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在公式中:一次测量温度升高α=(t2-t1)k(i=1，2，3，4，5)时测量的实际热效率；m是测量过程中产生的热水的实际质量，单位：kg；t2是输出水的最终温度，比热容C，采用标准化研究和推广应用入口水初始检测方法，可以大大提高检测效率，缩短检测时间，减少气体消耗，便于自动检测；缩短各种检验和试验周期，加快企业产品的研发、生产和流通；加强完善生产质量控制。这种做法非常重要的。
2.2与现行国标法燃气消耗和检测时间比对
假设燃气灶具使用时的热负荷保持稳定不变，燃气消耗数值将与试验耗时成正比。因此，燃气消耗数值不仅反映了试验的经济性指标，同时也反映了试验耗时情况即工作效率。快速测量法燃气消耗V1和国标法燃气消耗V2分别指燃气灶具在热负荷和热效率测量时的净燃气消耗的总和，不计算其他辅助操作时的消耗。快速测量法消耗占比a=100V1/V2。由表可以看出快速测量法消耗的测量工时不超过国标法的30%，可节约大约70%的燃气消耗。因此，与国标法相比，快速测量法检测燃气灶具的热负荷和热效率在工作效率和经济性的优势是非常明显的。
2.3隔膜式热电偶熄火保护器
它的工作原理与直接关闭式大致相同，唯一不同之处在于直接关闭式是利用电磁阀密封垫来切断气源，而隔膜式是利用塑料隔膜来切断气源。电磁阀吸合时，控制塑料薄膜上方压力的燃气进气口被关闭，出气口同时打开，施加在薄膜上方的压力将慢慢降低，燃气通道被打开[7]。若遇到火焰熄灭，热电偶产生的电流逐渐变小，当小到一定数值时，电磁阀释放，此时控制薄膜上方压力的燃气进气口被打开，出气口被关闭，使施加在薄膜上方的压力不断变大，最后关断燃气通路。热电偶式熄火保护器的优点是电路简单、稳定；缺点是热惰性比较大，点火时要按住按钮几秒钟再松开，使火焰加热热电偶一段时间。否则，将会导致热电偶产生的电流太小，使电磁阀的磁力不能抵消弹簧的弹力，此时阀门关闭，刚刚引燃的火又重新熄灭；它们对火焰意外熄灭的反应较慢，一般熄保时间约为5到10s左右，才能关闭主燃气阀。
3结果分析
3.1 不确定度评定原理
JF1059.1-2012测量和不确定性表示测量不确定性由几个组成部分组成。可根据一系列措施的统计分布情况，对a类不确定性的组成部分进行评估；组件可以根据b类评估进行评估，b类评估根据从实验或其他信息中获得的概率密度测量不确定性。在试验过程中，没有条件对每个部件进行单独和重复的测量，根据不遗漏、不重复的原则，本文件使用b类评估方法。基于概率分布和要求概率的信任系数，即k类情况下的包容系数a根据已经测量的数据、有关技术信息的知识和经验以及测量仪器、生产厂提供的数据表、校准证书、证书或其他文件的特点。数据校正、测量仪器最大允许误差或分辨率等造成的不确定性，通常假定均匀分布。如果一份证书或一份报告提供了很大的不确定性，概率为0.95、0.99，除非另有说明，否则这种不确定性可根据正常分发情况加以评估。内外圈火孔强度匹配试验采用恒定的套管支撑高度调整内外圈火孔强度的不同比，分析烟气排放变化规律和热效率。
3.2 热效率测定及不确定度计算
选用一台额定热负荷为4.5kW，以天然气为气源的嵌入式家用燃气灶具，对其左眼进行热负荷和热效率测算。本文涉及的输入量多由仪器直接测量，不确定度的主要来源为仪器的示值误差或分辨率，按照均匀分布求解。根据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，均匀分布的置信因子k取，涉及的输入量有流量计内燃气压力、实测燃气消耗量；根据检定证书或校准证书提供的扩展不确定度计算区间半宽度时，k=2，涉及的输入量有实测燃气流量、大气压、燃气温度、加水量和铝锅重量、水温；饱和水蒸气压力根据燃气温度计算得到，由于其标准不确定度影响较小，这里选取经验值0.06[8]；燃气低热值由气相色谱仪测定燃气成分，再经计算得到，其标准不确定度主要来源于标准气体的不确定度。当量加水量根据水量和铝锅重量进行计算，不确定度来源为电子天平的示值误差，根据本试验设备的检定证书，在（0～12.5）kg时，最大允许误差为±25g，则其标准不确定度通过线性相加的方法合成。
3.3 b类标准不确定性评估
本文部分输入的b类不确定性信息是通过检查相应测量设备的校准信息得到的。b类试验气体相对密度的不确定性是根据试验气体含量和经验假设计算的。甲烷含量≥99.0%的试验气体成分为氮、甲烷，甲烷相对密度d1=0.5548，氮相对密度d2=0.9671；假设混合成分CH4=99.0%和N2=1.0%时，相对密度为d3=0.5548×0.99+0.9671×0.01=0.5589。当混合元件为CH4=100.0%时，其相对密度为d4=0.5548。试验气体的相对密度介于0.5548至0.5589之间。
4测量方法的不确定度分析
随机选取6#样品的测量数据进行不确定度分析，依据其校准证书给出的扩展不确定度计算热效率测量的不确定度对比如下。（1）快速测量法测量燃气灶热效率测量结果：η=66.10%，U=3.2%，k=2；（2）国标法测量燃气灶热效率测量结果：η=66.79%，U=3.3%，k=2。由此可知两种方法的测试不确定度结果水平相当，国标方法略大于水流方法。水流方法应用于测量燃气灶热效率的测量不确定度是可以接受的，满足快速检测分析的要求。
结束语
按GB30720-2014中规定的热效率测试方法对嵌入式家用燃气灶具进行热效率试验，采用B类不确定度评定方式分析热效率测量不确定度，得到扩展不确定度U=0.84%(k=2)。在各影响因素中，影响最大的为燃气流量（燃气消耗量）和燃气低热值，其余温度、压力等参数所引入的不确定度分量影响较小，其中燃气的消耗量同火孔强度紧密相关，本文着重阐述火孔强度对燃烧性能的影响，如何通过改善火孔面积和火孔角度提高热效率，降低烟气排放，并且通过实验和数据分析来对比各种改善措施的优劣。
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