家用燃气灶油温过热控制装置的影响因素

闫文涛， 刘文博， 陈 程， 刘博严， 周伟业

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司城市燃气热力研究院，天津300384；2.国家燃气用具质量监督检验中心，天津300384)

1 概述

随着人们生活水平、环保意识、安全意识的提高，对燃气灶具的性能设计、外观设计和安全保障等都提出了更高的要求。特别是对安全保障性能要求的提高，使得灶具安全装置领域成为近年来的热门研究方向，新的安全保障装置也越来越多地应用到传统燃气灶具中来，例如，离锅熄火灶具、带防干烧装置的灶具[1]、带油温过热控制装置的灶具等，成为消费者较为青睐的灶具类型。

离锅熄火技术已经成熟应用，防干烧装置判断逻辑简单，影响因素较少。油温过热控制装置是在防干烧装置的基础上进行升级，通过锅底外表面温度来间接探测锅内油温。油温过热控制装置是在灶具小火燃烧器的中间增加一个可伸缩的温度传感器，锅具坐在锅支架上后，锅底压着温度传感器，柱状温度传感器的上底面与锅底外表面紧密贴合，从而测量锅底温度，其判断逻辑是当锅底外表面温度升高到某一界限值时，认为锅内油温达到过热温度。油温过热控制装置影响因素较多，例如，锅具结构多样化、锅底厚度差异、外部涂层薄厚、锅内色拉油的深度等都会加大锅底外表面温度与油温之间的偏差。GB 16410—2007《家用燃气灶具》(以下简称GB 16410—2007)第5.2.7.3款要求，油温过热控制装置动作时锅内油温最高不超过300 ℃，对不同锅具材质之间的动作油温波动范围并未提出限制。动作油温即油温过热控制装置动作时锅内色拉油的温度。为此，本文参照GB 16410—2007第6.12节关于油温过热控制装置的检测方法，通过探究锅底材质、锅底厚度、外表面涂层厚度、锅内色拉油深度等对油温过热控制装置动作时色拉油温度的影响，以期为今后的检测工作积累经验，为标准的后续修订完善提供试验数据借鉴。

2 试验装置和方法

2.1 试验装置

根据 GB 16410—2007第6.1节关于试验室条件、第6.2节关于试验室用燃气的规定，选用一台型检试验合格，额定热负荷为3.6 kW的天然气灶具为试验样机，试验环境温度满足(20±5) ℃，初始油温为24 ℃，气源采用12T天然气，供气压力为2.0 kPa,灶具的最大实测热负荷为3 300 W。依照GB 16410—2007表17，选定试验用锅直径为260 mm。参照关建国等人[2]、陈迪龙[3]对锅具传热及温升影响因素的模拟研究结果，锅底竖直投影正对主燃烧器火盖所在的圆周位置，锅底温度最高。本文所选灶具的主燃烧器火盖直径为150 mm，锅底圆心正对主燃烧器火盖圆心。测温元件采用K型热电偶，油温测温点布置见图1。

图1 油温测温点布置

将4组K型热电偶悬空均匀布置在锅内直径为150 mm的水平面圆周上，1组悬空布置在该圆的圆心上，圆心正对主燃烧器火盖圆心。热电偶油温测温点1～5均在距离锅底6 mm的平面上，且浸没在油中。

由于测量锅底外表面温度时，如果热电偶与火焰直接接触，那么测量结果波动较大，因此，本文通过测量锅底内表面的温度来分析锅底温度与油温的差异。本文所称的锅底温度均指锅底内表面温度。参照图1的油温测温点位置，将另外5组K型热电偶布置在锅底的相对应的位置，热电偶测温点紧密粘贴在锅底内表面。

分别对5组测量锅内色拉油温度的热电偶和5组测量锅底温度的热电偶所测量的温度数据进行四舍五入后，取重复频率最高的数据为最终测量结果，以此来减小锅内色拉油温度及锅底温度分布不均匀对试验结果的影响。

2.2 试验样本

GB 16410—2007第6.12节规定，油温过热控制装置试验时锅内色拉油的深度为10 mm。本文在此基础上制定6个试验样本，即试验所选锅具及相关参数，见表1。

为了探究色拉油深度对油温过热控制装置动作油温的影响，首先用型检试验用锅在不同色拉油深度时进行试验。然后选用不同的锅具，在色拉油深度为10 mm时进行试验，来分析锅具材质、镀层厚度、锅底厚度等因素对油温过热控制装置动作油温的影响。

表1 试验所选锅具及相关参数

2.3 试验方法

参照GB 16410—2007第6.12节规定的油温过热控制装置的试验方法进行试验。每组试验中在锅内按照表1所列数据倒入一定深度的色拉油，布置热电偶，并连接数字温度计，将锅具正中放置在锅支架中央,不盖锅盖。在燃气灶具点火的同时用秒表记录时间，每60 s记录1次锅内色拉油温度以及锅底温度。当油温过热控制装置动作时计时停止，并记录此时的时间及其相对应的色拉油温度和锅底温度。在试验过程中，灶具的热负荷保持最大热负荷状态不变。为了保证试验结果的可靠性，每个试验样本按照以上试验方法重复试验3次，取其中间值作为试验的最终结果。

3 试验结果与分析

首先依照表1中样本1分析型检试验用锅在倒入不同深度色拉油的情况下，油温过热控制装置的动作油温及锅底温度的变化情况。在此基础上按照表1中所列出的其余5种锅具，分析色拉油深度为10 mm时，锅具材质、锅底厚度和镀层厚度对油温过热控制装置的动作油温和锅底温度的影响。

3.1 色拉油深度对动作油温的影响

GB 16410—2007第6.12节要求，油温过热控制装置的动作油温测试时只需注入10 mm深的色拉油。而在实际生活应用中，油的用量往往随着烹饪的种类以及烹饪方式而发生改变。为此，本节以表1样本1中的色拉油深度为试验条件参数，分析色拉油深度增加后，油温过热控制装置动作油温和锅底温度的变化情况。型检试验用锅不同色拉油深度时，色拉油温度θ1和锅底温度θ2随加热时间t的变化情况见表2，型检试验用锅10 mm油深时，色拉油温度和锅底温度随时间的变化情况见图2，型检试验用锅油温过热控制装置动作时，色拉油温度和锅底温度随色拉油深度的变化情况见图3。

表2 型检试验用锅不同色拉油深度时色拉油温度和锅底温度随加热时间的变化情况

图2 型检试验用锅10 mm油深时，色拉油温度和锅底温度随时间的变化

图3 型检试验用锅油温过热控制装置动作时色拉油温度和锅底温度随色拉油深度的变化情况

可以发现，油温过热控制装置动作时锅底温度与色拉油温度间的差值基本上随着色拉油深度的增加而加大；在同一种色拉油深度时，基本上呈现出锅底温度与色拉油温度间的差值随着加热时间的延长而逐渐减小的规律，且加热时间相同时，随色拉油深度增加，二者温度差值逐渐增大。

由于燃气灶热负荷和锅底受热面积一定时，锅具与锅内色拉油间的传热热流量是一定的，锅内色拉油总量随色拉油深度的增加而加大，色拉油总量增加后导致锅内色拉油的温升幅度降低；而锅底温度受色拉油总量变化的影响较小，温升幅度减弱趋势较弱。因此，呈现出油温过热装置动作时锅底温度与色拉油温度间的差值随着色拉油深度的增加而加大的变化规律。

计时开始后，锅具与火焰直接接触，锅底温度比锅内色拉油温度上升速度快；随着灶具燃烧过程的进行，锅具温度与火焰温度间的差值逐渐减小后，锅底温度的上升速率减缓，则呈现出锅底温度与色拉油温度间的差值随着加热时间的延长而逐渐减小的规律。

对比4种色拉油深度时油温过热控制装置的动作油温和锅底温度可以发现，随着色拉油深度的增加，油温过热控制装置动作时的锅底温度和色拉油温度均在降低。随着油量的增加，从加热开始到油温过热装置动作所需要的加热时间明显增加。

灶具油温过热控制装置的温度探头一般都安装在内圈燃烧器火盖中间位置，以接触式来探测锅底的温度。温度探头的受热源包括：锅底的热传导、火焰对其的对流传热和辐射传热。当油量增加后，色拉油温度的上升速率变缓，锅底温度与色拉油温度还未升至预设的动作温度时，灶具油温过热控制装置的温度探头所探测的温度已经升高到了动作温度，因此，会出现随着色拉油深度的增加，油温过热控制装置动作时锅底温度和锅内色拉油温度逐渐降低的情况。

3.2 锅具属性对动作油温的影响

为了探究锅具材质、锅底厚度和外部镀层厚度对油温过热控制装置动作油温的影响，本节依照表1中的样本2～5来设置试验条件参数，色拉油深度均为GB 16410—2007第6.12节要求的10 mm。试验结果见表3。

表3 锅具种类不同时，油温过热控制装置动作时的相关参数汇总

由于油温过热控制装置、试验用锅和锅内色拉油三者组成的传热系统特别复杂，吸热热流量(以下简称热流量)受锅具属性(传热能力)的影响较大，因此，本文引入温升速率来进行分析，即温度变化值与加热时间之比。温度变化值是指油温过热控制装置动作时的色拉油温度减去试验开始时的色拉油温度。加热时间是从灶具点火到油温过热控制装置动作所用的时间。因为在传热过程中热流量与温升速率成正比，所以可以用温升速率来间接表示热流量的变化情况。

由表3可知，型检试验用锅、能效试验用锅、铸铁锅和陶瓷锅的动作油温大致在263 ℃左右，而温升速率却相差明显。由此可得，在油温过热控制装置、试验用锅和锅内色拉油三者的传热过程中，当采用不同的试验锅具时热流量相差很大，而动作油温相差不大，即在用以上4种锅具测试时热流量对油温过热控制装置的动作油温影响不大。而用不锈钢锅和带镀层不锈钢锅做测试时，油温过热控制装置的动作油温与其他4种锅具相差较大，其中带镀层不锈钢锅的动作油温高达278 ℃，不锈钢锅的动作油温仅255 ℃，两者相差23 ℃。

受锅具材质和外部镀层导热性能的影响，铸铁锅和陶瓷锅从灶具点火到油温过热控制装置动作时所需的时间分别为420 s、385 s，其余厚度接近的锅具，从灶具点火到油温过热控制装置动作时所需的时间在284～310 s范围。油温过热控制装置动作时，带镀层不锈钢锅的锅底温度为286 ℃，不锈钢锅的锅底温度为260 ℃，其余锅具的锅底温度在272 ℃附近。由于加热时间和锅底温度的影响因素较多，本文对此不做深入分析，以期试验结果能为后期的研发工作提供基础参考数据。

4 结论

本文以带油温过热控制装置的燃气灶为试验样机，参照GB 16410—2007第6.12节的试验方法，测试不同样本时锅底温度和锅内色拉油温度的变化情况，分析锅具材质、锅底厚度、外表面涂层厚度和色拉油深度对油温过热控制装置的动作油温的影响，得出如下结论：

① 锅具相同的情况下，若增加色拉油深度，则锅底温度与色拉油温度间的差值增加，油温过热控制装置动作时锅底温度和动作油温均降低。

② 当色拉油深度为10 mm时，对于型检试验用锅、能效试验用锅、铸铁锅和陶瓷锅，锅具传热能力即吸热热流量对动作油温的影响不大，其动作油温在263 ℃左右；对于不锈钢锅和带镀层不锈钢锅，其动作油温与其他4种锅具相差较大，其中带镀层不锈钢锅的动作油温高达278 ℃，不锈钢锅的动作油温仅255 ℃，两者相差23 ℃。

③ 建议设定灶具油温过热控制装置动作油温时应留有油温波动余量，避免锅具的差异导致油温过热控制装置动作油温超过标准限定值(即300 ℃)。