增压技术在燃气灶上的应用研究

范永日、王坚、王恩香

摘要：近些年来，我国社会不断发展与进步。出于对家用燃气器具的安全与可靠性考虑，国家标准规定进入家用燃气器具时的额定压力为：液化石油气（LPG）为2800Pa，天然气（NG）为2000Pa。而在此燃气压力下，一般家用燃气灶的一次空气系数约为0.5，只有调整锅架高度，让二次空气补充，来达到燃烧完全，普遍烟气中CO、NOX含量较高，火焰“软”。部分燃气灶通过强制鼓风来提高一次空气系数，使燃烧充分，降低烟气中CO、NOX含量，但只能做到在设定热负荷点可实现；由于鼓风风机存在风量调节滞后的现象，燃气灶在热负荷调节时，还容易出现燃烧不稳定的情况，甚至会熄火或“冒黑烟”。在燃气灶内部燃气通路上加设燃气增压部件，来提高喷嘴前的燃气压力，进而改善燃气灶的燃烧状态鲜有研究。

关键词：增压技术；燃气灶；应用研究

引言

家用燃气灶具作为日常生活中必不可少的厨房用具，其使用性能和安全性受到了越来越多的关注。而其使用的燃气是十分重要的能源之一，因此家用灶的节能性亦是近年来大家关注的重点。由于涉及燃气和燃烧等大众意识中的重要风险因素，且作为日常生活中使用频率较高的产品，家用燃气灶具的产品质量一直受到监管部门和消费者的强烈关注，特别是2021年全国范围内陆续发生了多起燃气相关的重大事故，虽然事故与家用燃气灶具无关，但很大程度上推升了对于包括家用燃气灶具在内的燃气相关产品质量状况的关注度。随着我国经济和技术水平的不断发展，如今家用燃气灶具既有满足较高要求的智能化、集成化产品，也有满足最基本烹饪需要的台式灶具，形式多样，功能差异大，质量水平同样参差不齐。

1家用燃气灶使用注意事项

燃烧状况的控制：日常使用灶具时，应观察燃烧状况，如出现黄焰及冒黑烟时，可以根据说明书的提示适时地调节灶具风门调节板，直到出现清晰的蓝色火焰为止，这样能够使火力达到最优化，锅也不会熏黑，并有效地保证燃气充分燃烧产生较少的一氧化碳有害气体。

点火或关火：使用灶具时应注意点火或关火，在使用电子点火时，要确认火点着后再离开，以免跑气。如发现点火器的放电频率明显变低（即听到放电时产生的啪啪声很慢时），应该更换电池。

注意清洁和保养：用户可以按照说明书的提示定期清洗燃气灶表面，包括火盖上的火孔及炉头，防止堵塞。清洁火盖时要等火盖冷却后再清洁，避免火盖变形或烫伤自己。

漏气故障：灶具一旦出现漏气故障，应该停止使用，联系灶具厂家进行维修，维修单位及维修人员须有资质。

灶具使用年限：按国家现行标准规定，从售出当日起，家用燃气灶具的判废年限即安全使用年限为8年。

2不合格项目分析

2.1热负荷

热负荷是灶具性能的一项关键性参数，反映灶具火力大小。额定热负荷≤5.23kW的灶具应执行GB16410规定，并且每个燃烧器的实测折算热负荷与额定热负荷的偏差应在±10%以内。热负荷偏差过大会对产品性能和安全产生影响，偏低过多则火力过小影响使用，偏高过多则有可能造成燃烧产物中一氧化碳浓度增加或温升过高，影响使用者安全。部分企业加工精度不高或者品质控制不严，导致不同批次间产品有差异，实际出厂产品和设计值偏差较大。

2.2燃气导管

燃气导管是比较容易被忽视的项目之一，燃气导管的尺寸、形状和安全紧固措施等都应满足GB16410要求。一般嵌入式灶具和台式灶具常用软管接头的形式，其形状、尺寸不合格，容易引起漏气；安全紧固措施是防止软管脱落的必须手段，不合格产品未在产品附件中提供必要的抱箍等配件，在实际使用中可能发生燃气泄漏或燃气软管脱落的情况。

2.3熄火保护装置

熄火保护装置是家用燃气灶具中最重要的一道安全防护装置，其工作原理是在发生意外熄火时，感应装置感应不到火焰而自动切断燃气通路，防止燃气持续泄露，杜绝因燃气大量泄露后引起的爆燃爆炸。家用燃气灶具行业经过多年的发展，加上持续的监管，市场上除极少数质量低劣的产品外，基本都装配了熄火保护装置，但是如果结构设计不合理或者零部件质量不过关，会使熄火保护的时间大大延长，同样存在安全风险，也是不合格的产品。

2.4气密性

气密性也是影响家用燃气灶具安全的一项基础且重要的指标，气密性不合格的产品轻则影响器具的正常使用，重则导致燃气泄露达到一定程度从而引起爆燃等严重的安全事故。除非生产企业制造水平和质量管控能力非常低，或者运输途中受到了严重的影响，否则气密性不合格的情况较少出现。

3产品质量分析

安全性能和使用性能是家用燃气灶质量优劣的核心表现。一方面，家用燃气灶具通过结构升级来优化产品性能，实现节能减排并响应“双碳”目标，另一方面，随着智能家居概念的兴起与普及，家用燃气灶具中引入了科技元素来实现智能控制功能。产品变化主要集中在火力增强、热效率提升、安全性能更加稳定，应用温度检测、传感技术和控制程序来实现家用燃气灶具与各类家电集成化、联动化。

安全性能方面，随着熄火保护装置、玻璃面板、燃气阀体和燃气管路制造工艺的提升，燃气灶在防泄漏、闭阀时间、耐热冲击、耐重力冲击等方面的技术已经成熟，产品性能得到了显著的提升。

使用性能方面，高负荷灶具的占比逐年增加，据不完全统计，截止2021年底额定热负荷在4800W以上的灶具占比高达17.1%；热负荷提高的同时加宽了热负荷调节范围，燃烧器布置更加合理，火焰分布更加均匀，满足了不同烹饪方式对燃气灶火力的需求；随着新型燃烧器结构的研发，通过增压式燃烧、全预混鼓风燃烧等技术创新，优化一次风、二次风供给和热交换途径，开发新型聚能辐射锅支架结构，提升燃烧效率、强化换热效率、降低燃烧污染物排放，有效提高了燃气灶能效2到5个百分点，绝大部分灶具能达到一级能效指标的要求，实现了高效、节能、环保的目的。

在智能化方面，将燃气灶引入智能家居行列，是基于智能触控控制，定时熄火，防干烧保护，油温过热安全装置，烟灶联动等多项技术，实现家庭燃气灶具智能化、集成化。

4试验条件

水流方向和进出水温度是影响试验能否顺利进行和实验结果的重要因素，试验表明，快速测量方法适宜选择的条件为：试验锅采用反接方式连接进出水流方向，进水温度取２０±３℃，出水温升为５０±３℃。当试验锅的侧部上端为入水口，底部中心为出水口时，水流大致从锅侧顶端流向锅底中心，与燃气灶烟气从锅底中心流向锅顶方向相反为反接，反之为正接。若采用正接方式时，锅底持续形成有大量的冷凝水并不断地滴到燃气灶分火器上，影响燃气灶正常燃烧，不利于试验开展。正接时样品所测得烟气体中的一氧化碳明显升高，热效率测量值明显降低，说明此时燃气灶燃烧不充分的情况加剧。在锅底表面当烟气温度低于露点温度时，烟气中水蒸气的压力大于该温度水蒸气的饱和压力，水蒸气将不断冷凝，冷凝率随温度的减小而逐渐增大，同温度下低的过量空气系数有高的冷凝率。通过试验观察，试验时应采用反接方式，此时水锅底和侧表面虽形成有少量冷凝水，但仍可以确保试验顺利进行。冷凝烟气中的水蒸气使其中的汽化潜热得以利用，从而提高热效率，使得快速测量方法与现行标准方法使用黑色涂层的试验锅测量热效率值接近，且冷凝水量可确保试验正常进行。

当进水温度过低时，锅表面容易形成过量的冷凝水，不利于试验开展。当出水温度高于７５℃时，快速测量方法测量热效率值明显低于现行标准方法测量值。有研究表明，用国标法检测时，水的温升越高，检测得到的燃气灶具热效率值越低，这是由于随着检测锅中水温的不断提升，锅中水吸收热量的能力在不断减弱，同时锅表面的与周围空气的温度差增大，散热能力增加。当出水温度过高时，出水流量和出水温度不稳定。当出水温度为９０℃、８０℃、７５℃时的饱和水蒸汽压力查表分别为０．０７０１２１ＭＰａ、０．０４７３７６ＭＰａ和０．０３８５６５ＭＰａ。

水的汽化速度取决于液相的温度，与液相温度成正比。随着温度升高，管内的压力升高和蒸汽量明显增大，当出水温度７５℃或更高温度时，管内压力变大且管内聚集了较多水蒸汽，气体阻断水流的连续性，引起水流量和出水温度波动明显，不利于试验开展。

4热效率测量不确定的评定

4.1不确定度评定原理

JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》指出测量不确定度由若干分量组成。分量可根据一系列测量值的统计分布，按测量不确定度的A类评定进行；分量可根据基于经验或其他信息获得的概率密度函数，按测量不确定度的B类评定进行评定。在试验过程中，没有条件对各分量进行独立的重复测量，并且基于“不遗漏、不重复”原则。可根据以前测量的数据、对有关技术资料和测量仪器特性的了解和经验、生产厂提供的技术说明书、校准证书及检定证书或其他文件提供的数据等信息来源确定。由数据修约、测量仪器最大允许误差或分辨力等导致的不确定度，通常假设为均匀分布。

4.2热效率测定及不确定度计算

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；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。

5总结

（1）气体流量是实测折算热负荷和热效率不确定度的主要分量，燃气压力、当量加水量对不确定度的影响较小。因此，资金有限时，在符合国家标准要求的前提下，可以考虑购买更好的气体流量计，减少在压力（差压）变送器、电子秤上的资金投入。

（2）燃气相对密度是实测折算热负荷不确定度的主要分量，燃气热值是热效率不确定度的主要分量。因此，可以使用高纯度的试验气（如纯度为99.9%以上的甲烷）进行检测，以获得更可靠的试验结果。

（3）水的温升是热效率不确定度的主要分量。铂热电阻温度计的最大允许误差可以看作定值，那么，试验时水的温升越大，温升引入的相对标准不确定度urel(Δt)就越小。因此，新国标GB16410—2020要求试验时水温升到50K，可以有效减小测量不确定度是合理的。

（4）GB16410—2020要求：连续两次热效率测得结果的差值要在1%以下，否则应重新试验。按家用燃气灶热效率的估计值62.63%计算，热效率的扩展不确定度U(η实)=62.63%×2.0%=1.2%（k=2），这和国家标准要求的差值1%近似，结果是合理的。

结语

随着我国经济的不断发展，居民生活水平的不断改善，大众对于家用燃气具质量的要求也在不断提高。在认监委2022年最新的工作规划中，在消费品安全领域，获得CCC认证的产品平均合格率要稳定在90%以上。2021年是家用燃气灶具实施CCC制度且转换过渡期完全结束后的第一年，从国抽结果来看，合格率较为理想，但是省市抽查中不少合格率还达不到目标要求。随着CCC认证制度的深入开展，市场上未施加CCC标识的家用燃气灶具产品会逐渐减少，后续的质量情况值得继续关注。

参考文献

［1］叶勇军．冷凝式燃气锅炉的节能与环保特性研究［Ｄ］．长沙：南华大学，２００５．

［2］刘民科．烟气凝结换热器传热强化与工程应用研究［Ｄ］．北京：北京建筑工程学院，２０１２．

［3］张兆民．对家用燃气灶具热效率检测方法的研究［Ｊ］．家电科技，２０１４（６）：５２．