关于影响燃气灶重要指标测试的因素及原因分析

 随着《家用燃气灶具》、《家庭用燃气燃烧器具的试验方法》及《城市燃气分类》标准的制定，家用燃气用具各项指标的测试方法有了依据，但笔者经过近几年所从事的燃气用具检测工作，对燃气用具若干重要指标的测试和判定存在着一定的看法，最近通过一系列的实验，觉得有必要将这些看法提出，供有关同行参考。
　　一、使用配制气体与实际气体对燃具热负荷影响
　　1、问题的提出
　　《城市燃气分类》标准编制说明(报批稿)这样写到："代表热流量的华白指数W。燃气的华白指数不变，说明供应的热量不变，用气设备的热负荷也不变。华白指数是国内外公认的控制设备热负荷衡定的指标。)"(类似提法在其它有关资料中也可看到)，并给出公式：W=Qg/
式中　W—华白指数MJ/m³

　　　Qg—燃气高热值MJ/m³

　　　d—燃气相对密度

　　对于同一燃具来讲，其喷嘴流量按计算公式(见《燃气燃烧与应用》)
　　
　　(注：低压状态不考虑气体的可压缩性)
式中　Lg—圆形喷嘴流量(m³/h)
　　　μ—喷嘴流量系数
　　　D—圆形喷嘴直径(mm)
　　　H—燃气压力(mmH₂O)
　　　d—燃气的相对比重
则热负荷I=Lg·Qd(MJ/h)
　　　Qd—燃气低热值MJ/m³

由于对同一燃具μ，D，H均相同，则
　　
　　显然可见，在其它条件不变情况下，燃气热负荷I只与Qd/有关，令W_s=Qd/,W_s姑且称之为低热值华白数，比较W与W_s发现，区别在于分母Qg与Qd，可初步得出低热值华白数W_s相同，燃具热负荷才能不变，因为我国对燃具热负荷的计算、测定和表达是以燃气低热值为前提的。这样试验室采用单一气体配气按W=Qg/，检测结果给出的热负荷按配制气体低热值计算，导致燃具使用实际气体的热负荷与使用配制气的热负荷产生一定偏差。
　　2、配制气成分的计算
　　在有条件配制人工气的检测单位，使用单一气体主要为CH₄、H₂及N₂，而除H₂及N₂外，使用C₃H₆、C₃H₈、C₄H₁₀单一气源进行配气的很少，原因在于难以达到规定的纯度。使用液化气配气由于各地成分不同，并且成分随使用过程及温度会产生变化，给配气带来一定误差。本文针对用CH₄、H₂及N₂配制的试验气及实际气体在燃气用具热负荷上进行比较，根据《燃气分类标准》，通过对华白数与燃烧势指标的控制和利用CH₄、H₂及N₂配制各类燃气的试验气给定实际应用的燃气成分后，可按以下公式计算该实际燃气的华白数指W_O与燃烧势Cp_O值。

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

　　　　Cp—燃烧势

　　　　H₂—燃气中氢含量(体积％)

　　　　C_mH_n—燃气中除甲烷外碳氢化合物含量(体积％)

　　　　CH₄—燃气中甲烷含量(体积％)

　　　　CO—燃气中一氧化碳含量(体积％)

　　　　K—燃气中氧含量修正系数K=1+0.0054O²₂(O₂-燃气中氧含量％)

　　这样，W_O与Cp_O为已知，使用CH₄、H₂、N₂进行配气配制华白数

　　

式中：　V_CH4—配制气中甲烷含量(体积％)

　　　　V_H2—配制气中氢气含量(体积％)

　　　　V_N2—配制气中氮气含量(体积％)其中：V_N2=100-V_CH4-V_H2

经简化：
　　

同样推得配制气燃烧势：

　　

因为W^,=W_OCp^,=Cp_O则列方程组
　　
　　
　　

经计算可得出V_CH4，V_H2进而可得出V_N2。

　　3、配制气与实际燃气热负荷偏差
　　按以上所述计算方法，在《煤气设计手册》上选出的主要几种人工煤气以及最近检测中心检测燃气用具时委托单位提供的有代表性的燃气成分，从而计算出配制气成分，分别算出所选人工气的Ws与相应配制气的Ws，进而可推算出使用种类人工气与其对应配制气的计算热负荷偏差△(％)。结果见表1

表1

　　　　　　　　　　　　〔△=100(Ws^,-Ws)/Ws〕

　　4、几点看法
　　(1)采用试验配气与实际使用燃气的同一燃具计算热负荷有偏差，从焦炉气到发生炉气误差范围在甲-1.11～8.83％之间，显然可见，使用华白数高的实际燃气与其相应配制气体的同一燃具计算热负荷偏差较小，而使用华白数低的实际燃气与相应配制气体的燃具计算热负荷偏差较大，也即人工气热值越低，其偏差越大。
　　(2)《家用燃气灶具》标准(报批稿)、部颁CJ4-83《家用煤气灶》标准以及GB6932-86《家用燃气快速热水器》等燃气用具标准均规定用具热负荷偏差不得超过±10％，由于使用配制气体，在一定程度上影响此指标的判定，即所测热负荷不能代表该燃具使用实际燃气的热负荷，尤其对低华白指数燃气。造成后果是①使用配制气与使用实际燃气的检测部门之间热负荷测试结果有差异，有可能影响对燃具热负荷及其偏差的判定(有些燃具对其热负荷低限有一定要求，如灶具)。②对华白指数低的燃气来讲，由于使用配制气燃具的热负荷较低，对其它性能指标会产生一定影响，难以提高检测的准确性。
　　3、解决方法：
　　笔者在此大胆提出二条，望同行指正。
　　(1)在不违反现行有关标准、文件基础上，对检测配制气问题做些补充规定，即按照低热值华白数相等原则，进行Ws^,=Ws、Cp^,=Cp这样可避免出现此误差。因为无法用高热值进行统一(如燃具热负荷、热效率用高热值来计算等)。
　　(2)在(1)不成立的情况下，对使用配制气测得的燃具热负荷进行修正，其修正系数可近似按
　　f=Ws/Ws^,计算，即I=I^,Ws/Ws^,
　　式中，I—使用实际燃气的热负荷(W)，I^,—使用配制气的实测热负荷(W)
　　Ws，Ws^,—分别为实际燃气与配制气的低热值华白数(MJ/m³)
　　二、影响灶具烟气中一氧化碳含量测试和判定的几个因素
　　(一)问题的提出：
　　烟气中一氧化碳含量是灶具的重要性能指标，进行灶具烟气中一氧化碳含量测试时，标准中首先没有规定所用检测用锅的加水重量，其次，在此灶具火眼热负荷与规定选用锅的热负荷不同时(前后两种锅之间)，也没有规定选取前后哪种检测用锅(不同于热效率项目检测，按前后两种直径的锅分别进行检睑，并按插入法进行折算)进行测试，在实验中我们发现，以上两点对灶具烟气中CO含量测试和判定有不容忽视的影响。
　　(二)试验结果
　　A."宇宙"牌JZY2-821型燃气灶左眼燃烧器
　　该火眼热负荷为3466W，测试一氧化碳含量分别用中φ28和φ30检测用锅加不同水量进行试验，结果见表2
表2

　　B."美鹿"牌JZY2-894型右眼燃烧器
　　该火眼热负荷为2857W,分别用φ24和φ26锅加不同水量对比测试其烟气中CO含量，结果见表3
表3

　　(三)结果分析及建议
　　1.相同锅径不同水量影响烟气中CO含量
　　从表2可见，使用φ28检测用锅，加入水量分别为2kg和8kg时，烟气中CO含量相对误差达25.9％〔即(0.0253-0.0201)/0.0201×100％〕；使用φ30检测用锅加入水量分别为2kg和10kg时，CO_α=1相对误差达22.6％。
　　从表3可见，使用φ24检测用锅，加水量为2kg与5kg时，CO_α=1相对误差达69.8％；使用φ26检测用锅，加水量为2kg与6kg时，CO_α=1相对误差达36.3％;
　　由此可见相同锅径所加水量不同对烟气中CO含量影响较大，分析原因主要为燃气灶挠度所致，加入水量不同后，支架承重不同，下移位置不同，使锅底与燃烧器距离不同，显然水量越大，距离越近，而导致其CO含量增加。
　　2、用不同检测用锅取样影响烟气中CO含量
　　表2：针对燃烧器热负荷I=3466W，而检测用锅φ28与φ30相应的热负荷为3360W和3860W介于二者之间，对两种锅加相同水量对比测试从表2中可见，加2kg水时CO_α=1相对误差达89.6％，即(0.0253-0.0201)/0.0201/×100％)；加8kg水时CO_α=1相对误差达101％。
　　表3：针对燃烧器热负荷I=2857W，而检测用锅φ28与φ30相应的热负荷为2480W和2910W，介于二者之间，对两种锅加相同水量对比测试。从表2中可见，加2kg水时CO_α=1相对误差达89.6％，加5kg水时CO_α=1相对误差高达187％。
　　显然选用不同测试用锅取样，对灶具烟气中CO含量影响非常尢误差如此大的原因，我们进行了初步分析，认为采用不同直径检测用锅测试，由于锅底直径不同，烟气行程不同，在高温烟气沿锅底向锅边再往上的运行过程中，不断与周围空气结合，特别在锅底部高温区，热烟气中尚存的一氧化碳仍在与氧反应，所以锅径越大，烟气在锅底高温区行程越长，烟气中CO与空气中O₂反应量增加，造成取样时，CO_α=1下降，我们在对"宇宙"牌J2Y2-821型灶右眼烟气测试时，按图1测试锅底拐角处(即A点)温度。结果如下：

　　φ28锅：　　　A点在两支架中间　　　t=760℃
　　　　　　　　　A点靠近一支架　　　　t=830℃
　　φ30锅：　　　A点在两支架中间　　　t=710℃
　　　　　　　　　A点靠近一支架　　　　t=780℃

　　

　　查有关资料，在以上温度下，特别是在有水蒸汽存在时，烟气中尚存的微量一氧化碳与氧能反应。
　　3、解决方法
　　如上所述，选锅不同或加水量不同给灶具烟气中CO含量测试带来较大误差，而此指标为燃气灶中关键指标，产品质量评比，许可证发放质量监督抽查都对此项指标提出等级范围，对此指标的判定，无论对生产企业和用户都是非常重要的。为了能够比较准确地测出烟气中CO含量，建议：
　　(1)测试时，测试锅内所放水量固定应参照相应锅做热效率所取水量，将水从室温加热到沸腾时测试烟气中CO含量，此时也能满足标准规定的稳定燃烧15分钟要求。
　　(2)热负荷与规定选用锅不对应时，应取前两种锅分别测试，并按插入法进行折算，以确定烟气中CO含量。
　　三、新旧检测用锅对灶具热效率的影响
　　(一)测试结果
　　经过反复对比试验，我们发现在测试燃气灶具热效率时，所采用检测用锅的新旧程度对其数据影响较大，以下为笔者对此项目试验的两组数据。检测时，准备相同尺寸新旧测试锅各一套，所谓旧锅，无标准可讲，只是测试用锅被使用一段时间，锅底有黑斑但无积碳，采用同一搅拌器、温度计和锅盖。热效率测试时新旧锅交替进行，测试过程中我们多次计算气体状态修正系数，发现基本不变，结果如下：

A:"美鹿"牌JZY2-894型右眼，使用液化石油气，该眼热负荷为2857W，采用φ26新旧锅试验：

　　

B:"美鹿"牌J2T2-911型右眼使用天然气，该眼热负荷为2898N，采用φ26新旧锅试验:

　　

C:"宇宙"牌JZY2-821型右眼红外线灶，用液化气，该眼热负荷为2968W，采用φ26新旧锅试验：

　　

　　(二).结论及结果分析
　　由以上测试数据，可得出以下结论：
　　1.锅的新旧程度对灶具热效率有较大影响，对锅重大体相同测试用锅来讲，锅越旧，其热效率越高，而新锅测出的热效率较低；
　　2.用新旧程度不同的锅测试热效率，其结果对红外线灶具影响最大(在我们进行的试验中，曾测出热效率提高率达14.6％和14.8％的两组数据)。
　　分析旧锅热效率较高的原因，归纳主要有两条：
　　1.新锅底部光滑，旧锅底部粗糙，根据传热学原理，在高温烟气与锅底对流放热过程中，锅底粗糙度越大，其换热效果越好，因而吸热量增加，导致热效率增加；
　　2.燃气火焰的辐射起作用，锅底受热面的黑度决定了其辐射传热量，黑度越大，其吸收的辐射热越多，显然旧锅的辐射换热量高于新锅，导致热效率较高，这在红外线辐射燃烧器上表现得更加明显。

　　结束语

　　众所周知，热负荷及偏差，烟气中一氧化碳含量及灶具的热效率是评定家用燃气用具的主要性能指标，在进行行业产品质量评比以及未来的生产许可证发放，国家质量监督抽查等工作中，不可避免地要对这些指标进行测试和判定，而这些指标的好坏对于生产厂家至关重要，甚至影响其生存和发展，所以作为检测部门来讲，必须科学地、准确地对这些指标进行测试。这是本文的目的所在。