關于影響燃氣灶重要指標測試的因素及原因分析

 隨著《家用燃氣灶具》、《家庭用燃氣燃燒器具的試驗方法》及《城市燃氣分類》標準的制定，家用燃氣用具各項指標的測試方法有了依據，但筆者經過近幾年所從事的燃氣用具檢測工作，對燃氣用具若干重要指標的測試和判定存在著一定的看法，最近通過一系列的實驗，覺得有必要將這些看法提出，供有關同行參考。
　　一、使用配制氣體與實際氣體對燃具熱負荷影響
　　1、問題的提出
　　《城市燃氣分類》標準編制說明(報批稿)這樣寫到："代表熱流量的華白指數W。燃氣的華白指數不變，說明供應的熱量不變，用氣設備的熱負荷也不變。華白指數是國內外公認的控制設備熱負荷衡定的指標。)"(類似提法在其它有關資料中也可看到)，并給出公式：W=Qg/
式中　W—華白指數MJ/m³

　　　Qg—燃氣高熱值MJ/m³

　　　d—燃氣相對密度

　　對于同一燃具來講，其噴嘴流量按計算公式(見《燃氣燃燒與應用》)
　　
　　(注：低壓狀態不考慮氣體的可壓縮性)
式中　Lg—圓形噴嘴流量(m³/h)
　　　μ—噴嘴流量系數
　　　D—圓形噴嘴直徑(mm)
　　　H—燃氣壓力(mmH₂O)
　　　d—燃氣的相對比重
則熱負荷I=Lg·Qd(MJ/h)
　　　Qd—燃氣低熱值MJ/m³

由于對同一燃具μ，D，H均相同，則
　　
　　顯然可見，在其它條件不變情況下，燃氣熱負荷I只與Qd/有關，令W_s=Qd/,W_s姑且稱之為低熱值華白數，比較W與W_s發現，區別在于分母Qg與Qd，可初步得出低熱值華白數W_s相同，燃具熱負荷才能不變，因為我國對燃具熱負荷的計算、測定和表達是以燃氣低熱值為前提的。這樣試驗室采用單一氣體配氣按W=Qg/，檢測結果給出的熱負荷按配制氣體低熱值計算，導致燃具使用實際氣體的熱負荷與使用配制氣的熱負荷產生一定偏差。
　　2、配制氣成分的計算
　　在有條件配制人工氣的檢測單位，使用單一氣體主要為CH₄、H₂及N₂，而除H₂及N₂外，使用C₃H₆、C₃H₈、C₄H₁₀單一氣源進行配氣的很少，原因在于難以達到規定的純度。使用液化氣配氣由于各地成分不同，并且成分隨使用過程及溫度會產生變化，給配氣帶來一定誤差。本文針對用CH₄、H₂及N₂配制的試驗氣及實際氣體在燃氣用具熱負荷上進行比較，根據《燃氣分類標準》，通過對華白數與燃燒勢指標的控制和利用CH₄、H₂及N₂配制各類燃氣的試驗氣給定實際應用的燃氣成分后，可按以下公式計算該實際燃氣的華白數指W_O與燃燒勢Cp_O值。

　（1） W_O=Qg/
　（2） Cp_O=K·〔1.0H₂+0.6(C_mH_n+CO)+0.3CH₄〕/

　　　　Cp—燃燒勢

　　　　H₂—燃氣中氫含量(體積％)

　　　　C_mH_n—燃氣中除甲烷外碳氫化合物含量(體積％)

　　　　CH₄—燃氣中甲烷含量(體積％)

　　　　CO—燃氣中一氧化碳含量(體積％)

　　　　K—燃氣中氧含量修正系數K=1+0.0054O²₂(O₂-燃氣中氧含量％)

　　這樣，W_O與Cp_O為已知，使用CH₄、H₂、N₂進行配氣配制華白數

　　

式中：　V_CH4—配制氣中甲烷含量(體積％)

　　　　V_H2—配制氣中氫氣含量(體積％)

　　　　V_N2—配制氣中氮氣含量(體積％)其中：V_N2=100-V_CH4-V_H2

經簡化：
　　

同樣推得配制氣燃燒勢：

　　

因為W^,=W_OCp^,=Cp_O則列方程組
　　
　　
　　

經計算可得出V_CH4，V_H2進而可得出V_N2。

　　3、配制氣與實際燃氣熱負荷偏差
　　按以上所述計算方法，在《煤氣設計手冊》上選出的主要幾種人工煤氣以及最近檢測中心檢測燃氣用具時委托單位提供的有代表性的燃氣成分，從而計算出配制氣成分，分別算出所選人工氣的Ws與相應配制氣的Ws，進而可推算出使用種類人工氣與其對應配制氣的計算熱負荷偏差△(％)。結果見表1

表1

　　　　　　　　　　　　〔△=100(Ws^,-Ws)/Ws〕

　　4、幾點看法
　　(1)采用試驗配氣與實際使用燃氣的同一燃具計算熱負荷有偏差，從焦爐氣到發生爐氣誤差范圍在甲-1.11～8.83％之間，顯然可見，使用華白數高的實際燃氣與其相應配制氣體的同一燃具計算熱負荷偏差較小，而使用華白數低的實際燃氣與相應配制氣體的燃具計算熱負荷偏差較大，也即人工氣熱值越低，其偏差越大。
　　(2)《家用燃氣灶具》標準(報批稿)、部頒CJ4-83《家用煤氣灶》標準以及GB6932-86《家用燃氣快速熱水器》等燃氣用具標準均規定用具熱負荷偏差不得超過±10％，由于使用配制氣體，在一定程度上影響此指標的判定，即所測熱負荷不能代表該燃具使用實際燃氣的熱負荷，尤其對低華白指數燃氣。造成后果是①使用配制氣與使用實際燃氣的檢測部門之間熱負荷測試結果有差異，有可能影響對燃具熱負荷及其偏差的判定(有些燃具對其熱負荷低限有一定要求，如灶具)。②對華白指數低的燃氣來講，由于使用配制氣燃具的熱負荷較低，對其它性能指標會產生一定影響，難以提高檢測的準確性。
　　3、解決方法：
　　筆者在此大膽提出二條，望同行指正。
　　(1)在不違反現行有關標準、文件基礎上，對檢測配制氣問題做些補充規定，即按照低熱值華白數相等原則，進行Ws^,=Ws、Cp^,=Cp這樣可避免出現此誤差。因為無法用高熱值進行統一(如燃具熱負荷、熱效率用高熱值來計算等)。
　　(2)在(1)不成立的情況下，對使用配制氣測得的燃具熱負荷進行修正，其修正系數可近似按
　　f=Ws/Ws^,計算，即I=I^,Ws/Ws^,
　　式中，I—使用實際燃氣的熱負荷(W)，I^,—使用配制氣的實測熱負荷(W)
　　Ws，Ws^,—分別為實際燃氣與配制氣的低熱值華白數(MJ/m³)
　　二、影響灶具煙氣中一氧化碳含量測試和判定的幾個因素
　　(一)問題的提出：
　　煙氣中一氧化碳含量是灶具的重要性能指標，進行灶具煙氣中一氧化碳含量測試時，標準中首先沒有規定所用檢測用鍋的加水重量，其次，在此灶具火眼熱負荷與規定選用鍋的熱負荷不同時(前后兩種鍋之間)，也沒有規定選取前后哪種檢測用鍋(不同于熱效率項目檢測，按前后兩種直徑的鍋分別進行檢瞼，并按插入法進行折算)進行測試，在實驗中我們發現，以上兩點對灶具煙氣中CO含量測試和判定有不容忽視的影響。
　　(二)試驗結果
　　A."宇宙"牌JZY2-821型燃氣灶左眼燃燒器
　　該火眼熱負荷為3466W，測試一氧化碳含量分別用中φ28和φ30檢測用鍋加不同水量進行試驗，結果見表2
表2

　　B."美鹿"牌JZY2-894型右眼燃燒器
　　該火眼熱負荷為2857W,分別用φ24和φ26鍋加不同水量對比測試其煙氣中CO含量，結果見表3
表3

　　(三)結果分析及建議
　　1.相同鍋徑不同水量影響煙氣中CO含量
　　從表2可見，使用φ28檢測用鍋，加入水量分別為2kg和8kg時，煙氣中CO含量相對誤差達25.9％〔即(0.0253-0.0201)/0.0201×100％〕；使用φ30檢測用鍋加入水量分別為2kg和10kg時，CO_α=1相對誤差達22.6％。
　　從表3可見，使用φ24檢測用鍋，加水量為2kg與5kg時，CO_α=1相對誤差達69.8％；使用φ26檢測用鍋，加水量為2kg與6kg時，CO_α=1相對誤差達36.3％;
　　由此可見相同鍋徑所加水量不同對煙氣中CO含量影響較大，分析原因主要為燃氣灶撓度所致，加入水量不同后，支架承重不同，下移位置不同，使鍋底與燃燒器距離不同，顯然水量越大，距離越近，而導致其CO含量增加。
　　2、用不同檢測用鍋取樣影響煙氣中CO含量
　　表2：針對燃燒器熱負荷I=3466W，而檢測用鍋φ28與φ30相應的熱負荷為3360W和3860W介于二者之間，對兩種鍋加相同水量對比測試從表2中可見，加2kg水時CO_α=1相對誤差達89.6％，即(0.0253-0.0201)/0.0201/×100％)；加8kg水時CO_α=1相對誤差達101％。
　　表3：針對燃燒器熱負荷I=2857W，而檢測用鍋φ28與φ30相應的熱負荷為2480W和2910W，介于二者之間，對兩種鍋加相同水量對比測試。從表2中可見，加2kg水時CO_α=1相對誤差達89.6％，加5kg水時CO_α=1相對誤差高達187％。
　　顯然選用不同測試用鍋取樣，對灶具煙氣中CO含量影響非常尢誤差如此大的原因，我們進行了初步分析，認為采用不同直徑檢測用鍋測試，由于鍋底直徑不同，煙氣行程不同，在高溫煙氣沿鍋底向鍋邊再往上的運行過程中，不斷與周圍空氣結合，特別在鍋底部高溫區，熱煙氣中尚存的一氧化碳仍在與氧反應，所以鍋徑越大，煙氣在鍋底高溫區行程越長，煙氣中CO與空氣中O₂反應量增加，造成取樣時，CO_α=1下降，我們在對"宇宙"牌J2Y2-821型灶右眼煙氣測試時，按圖1測試鍋底拐角處(即A點)溫度。結果如下：

　　φ28鍋：　　　A點在兩支架中間　　　t=760℃
　　　　　　　　　A點靠近一支架　　　　t=830℃
　　φ30鍋：　　　A點在兩支架中間　　　t=710℃
　　　　　　　　　A點靠近一支架　　　　t=780℃

　　

　　查有關資料，在以上溫度下，特別是在有水蒸汽存在時，煙氣中尚存的微量一氧化碳與氧能反應。
　　3、解決方法
　　如上所述，選鍋不同或加水量不同給灶具煙氣中CO含量測試帶來較大誤差，而此指標為燃氣灶中關鍵指標，產品質量評比，許可證發放質量監督抽查都對此項指標提出等級范圍，對此指標的判定，無論對生產企業和用戶都是非常重要的。為了能夠比較準確地測出煙氣中CO含量，建議：
　　(1)測試時，測試鍋內所放水量固定應參照相應鍋做熱效率所取水量，將水從室溫加熱到沸騰時測試煙氣中CO含量，此時也能滿足標準規定的穩定燃燒15分鐘要求。
　　(2)熱負荷與規定選用鍋不對應時，應取前兩種鍋分別測試，并按插入法進行折算，以確定煙氣中CO含量。
　　三、新舊檢測用鍋對灶具熱效率的影響
　　(一)測試結果
　　經過反復對比試驗，我們發現在測試燃氣灶具熱效率時，所采用檢測用鍋的新舊程度對其數據影響較大，以下為筆者對此項目試驗的兩組數據。檢測時，準備相同尺寸新舊測試鍋各一套，所謂舊鍋，無標準可講，只是測試用鍋被使用一段時間，鍋底有黑斑但無積碳，采用同一攪拌器、溫度計和鍋蓋。熱效率測試時新舊鍋交替進行，測試過程中我們多次計算氣體狀態修正系數，發現基本不變，結果如下：

A:"美鹿"牌JZY2-894型右眼，使用液化石油氣，該眼熱負荷為2857W，采用φ26新舊鍋試驗：

　　

B:"美鹿"牌J2T2-911型右眼使用天然氣，該眼熱負荷為2898N，采用φ26新舊鍋試驗:

　　

C:"宇宙"牌JZY2-821型右眼紅外線灶，用液化氣，該眼熱負荷為2968W，采用φ26新舊鍋試驗：

　　

　　(二).結論及結果分析
　　由以上測試數據，可得出以下結論：
　　1.鍋的新舊程度對灶具熱效率有較大影響，對鍋重大體相同測試用鍋來講，鍋越舊，其熱效率越高，而新鍋測出的熱效率較低；
　　2.用新舊程度不同的鍋測試熱效率，其結果對紅外線灶具影響最大(在我們進行的試驗中，曾測出熱效率提高率達14.6％和14.8％的兩組數據)。
　　分析舊鍋熱效率較高的原因，歸納主要有兩條：
　　1.新鍋底部光滑，舊鍋底部粗糙，根據傳熱學原理，在高溫煙氣與鍋底對流放熱過程中，鍋底粗糙度越大，其換熱效果越好，因而吸熱量增加，導致熱效率增加；
　　2.燃氣火焰的輻射起作用，鍋底受熱面的黑度決定了其輻射傳熱量，黑度越大，其吸收的輻射熱越多，顯然舊鍋的輻射換熱量高于新鍋，導致熱效率較高，這在紅外線輻射燃燒器上表現得更加明顯。

　　結束語

　　眾所周知，熱負荷及偏差，煙氣中一氧化碳含量及灶具的熱效率是評定家用燃氣用具的主要性能指標，在進行行業產品質量評比以及未來的生產許可證發放，國家質量監督抽查等工作中，不可避免地要對這些指標進行測試和判定，而這些指標的好壞對于生產廠家至關重要，甚至影響其生存和發展，所以作為檢測部門來講，必須科學地、準確地對這些指標進行測試。這是本文的目的所在。