基于蒸汽喷入锅体的蒸汽电饭煲能效测试方法的研究

2022-04-01顾佳琪陆林峰

日用电器 2022年2期

杨帆顾佳琪陆林峰

（嘉兴威凯检测技术有限公司嘉兴 314000）

引言

电饭锅的能效指标是产品的一个重要指标，目前主要依据标准GB 12021.6-2017对其进行检测。笔者在日常检测过程中发现一种新型的蒸汽电饭煲，如果还是依照现行的热效率试验方法进行检测会出现一些试验布点困难，结果复现性差的问题。本文从该蒸汽电饭煲的结构和原理出发，对其热效率测试方法进行了研究。

1 新型蒸汽电饭煲介绍分析

目前市面上出现一种新型的蒸汽电饭煲，产品主要结构如图1所示，器具工作时将水箱内的水通过锅炉加热为水蒸气，同时通过电子控制器控制阀门将高温蒸汽喷入锅胆内的米和水中，利用高温的水蒸气来进行加热烹饪。

图1 一款蒸汽电饭煲的主要结构图

这种产品的结构和工作原理与传统的电饭锅有比较显著的差异，传统的电饭锅一般是将盛有米和水的锅胆放在电热元件上加热或以电磁感应加热的方式直接加热，进而将热量通过锅胆传递至内部，从而达到蒸煮米饭的目的，是使用固体作为导热介质（见图2）；而蒸汽电饭煲是利用锅炉加热后的蒸汽直接对米和水进行加热，是使用气体作为导热介质（见图3），锅胆仅起到容器和保温作用。由于两者导热过程的不同和介质不同，导致加热过程中产生的热损耗途径完全不同。

图2 传统电饭锅加热方式

图3 蒸汽电饭煲加热方式

2 蒸汽电饭煲热效率试验可能存在的问题

在电饭锅能效标准中热效率的计算公式为：

式中，分母中的E为电饭锅在热效率试验中总的耗电量，即输入能量；分子中的1.16×λ×G×(t2-t1)这一值应当是电饭锅在工作中产生的有用功耗，即电饭锅的有效输出能量。

根据热量计算公式：

M为水的质量，可以近似于热效率计算公式中的G，水的比热容C根据单位的换算就可以得到热效率计算公式中的常数1.16。

虽然传统电饭锅和新型蒸汽电饭煲两者导热过程的不同以及产生的热损耗不同，但是产品整体的输入能量以及有效输出能量仍还是同一个概念的能量，所以新型蒸汽电饭煲要计算热效率时仍然可以套用原先的公式格式，但是有效输出能量的计算公式需要重新设定。

然而由于这款新型蒸汽电饭煲的工作原理不同，我们可以简单地发现如果使用传统电饭锅的试验方法会存在以下几点问题：

①在计算锅体内水热量时，是通过距锅底“10±5 mm”、在内锅中心“Φ50 mm”圆柱体内的测试点水温作为特征点计算的，然而结合蒸汽电饭煲的产品结构，这就又产生了一个问题，如图4所示框线区域，这一区域与蒸汽电饭煲内部能量棒的位置重叠，在工作过程中会直接有高温的水蒸气从蒸汽口中喷出，这是否会对测试水温造成干扰无法估计。

图4 蒸汽电饭煲锅体空间结构

②与问题①类似，由于传统布点位置与蒸汽口距离太近，原先的布点方法是否还能在蒸汽电饭煲中使用还不能确定，因此是否需要更换布点位置或者锅体内部的温度分布也是一个待研究的问题。

③由于试验在水温达到90 ℃时结束，传统电饭锅试验过程中自然蒸发的水蒸气可以忽略不计，而结束时内胆中的水量是一定的，即大致等于试验前的水量G；但是蒸汽电饭煲是通过锅炉内产生的水蒸气来传递热量，在蒸汽喷入锅体后与锅体中的水产生热交换后，一部分水蒸气会凝结为液态留在锅体中，其他水蒸气则会逸散到外界空气中，因此试验结束时锅体中的水量会大于试验前的水量G，电饭煲工作时有用功应当考虑这一部分凝结的水所含的热量。因此额定容积80 %以及热效率计算公式如何统一是亟须解决的问题。

3 对影响因素的研究

3.1 试验水量的研究

由于试验后蒸汽电饭煲内的水是试验前所加入锅体的水M1和通过蒸汽炉加热成蒸汽并在锅体中凝结的水M2组成，因此根据热量计算公式：

由于t21=t22=t2，而t1也可以通过控制试验前的水温统一，因此该公式可以简化为：

只需要找到试验后水量M和试验前水量G的关系即可找到与传统电饭锅热效率公式的联系。

选择一款额定容积为3 L的蒸汽电饭煲，分别在锅体中通过称重法加入额定容积40 %、50 %、60 %、70 %、75 %和80 %的水进行模拟试验，并且在蒸汽炉的水箱中加入与锅体相同温度的水。

试验在锅体内水温达到90 ℃时停止，并且称量试验结束后的水量，结果如表1。

表1 试验水量比对结果

可以发现结束水量和初始水量的比值大致相同，如果定义该比值为λ′，热量的公式进一步简化为：

如果带入热效率计算公式：

因此只要重新定义蒸汽电饭煲的修正系数即可将蒸汽电饭煲的热效率公式与传统电饭锅的热效率公式统一。

笔者之后也对另外几款型号的蒸汽电饭煲进行了测试，该比值也都在1.12～1.15的范围内，因此笔者认为可以在这个区间选择一个合适的值作为蒸汽电饭煲的修正系数。

3.2 蒸汽是否会对结果造成影响的研究

选择两款蒸汽电饭煲，仍然按照标准距锅底“10 ±5 mm”、在内锅中心“Φ50 mm”圆柱体内随机布置5个点，并监测产品工作过程中的温度，得到了图5中样品1的曲线和图6中样品2的曲线。

图5 样品1的升温曲线

图6 样品2的升温曲线

根据曲线可以看到，明显有几个点在升温过程有较大幅度的震荡，而且同时有几个点的升温情况出现异常。

经过分析发现，出现这种情况的原因：一是因为测试的布点位置就正对电饭煲内部能量棒的蒸汽出口，蒸汽直接喷到了感温热电偶从而导致较大幅度的震荡，例如图5中的曲线2和图6中的曲线4；二是布点位置距离能量棒太近或者直接接触就会使该点位置在前期就迅速升温出现异常，例如图5中的曲线1和图6中的曲线3。

由于在热效率的测试计算中，需要待内锅水温达到90 ℃时切断电源并且读取断电1 min之后的最高温度值t2，因此水温如果出现明显波动和异常那都有可能影响到最终的热效率结果。为了研究这一问题，笔者选取了其中一台蒸汽电饭煲进行了5次热效率的试验，在“距锅底10±5 mm、在内锅中心Φ50 mm圆柱体内”不同位置选点作为水温监测点（如图7所示），并未刻意避开能量棒或蒸汽的出口，按照现有热效率方法试验前加入额定容积80 %水，记录断电1 min的最高温度t2，暂时定义λ′=1.15并计算参考热效率η，结果如表2。

图7 水温监测点的布点位置示意图

表2 布点位置比对结果

经过对5次试验的温升曲线比较发现，试验3的布点属于温升曲线有较大幅度震荡的情况，的确试验过程中蒸汽直接喷射到该布点的热电偶上。而试验4的布点是由于固定的位置离能量棒金属外壳较近，从而导致了温升过程的异常。而由数据也可以看到，由于最高温度值t2是在断电1 min之后读取的，在试验3和4中实际只是受到蒸汽或能量棒的影响而显示超过90 ℃，实际该处水温并未真正到达90 ℃，从而对最终热效率造成了一定的影响。

因此在热效率测试中应注意在判断水温是否达到90 ℃时需要避免蒸汽或能量棒的干扰。

3.3 锅体内部温度分布的研究

那么传统电饭锅热效率测试中要求固定在“距锅底10±5 mm、在内锅中心Φ50 mm圆柱体内”的测试点位置是否还适用这种蒸汽电饭煲呢？

根据原理来看，传统电饭锅是通过加热内锅从而将热量传导至水中，热源一般设置在内胆的下方，因此热量的传播方向可以认为是从下向上的，选择距锅底10±5 mm的高度应当是避免距离热源太近，可能会导致类似于试验3和试验4的问题，而笔者认为平面上水温的分布应当是大致相同的，选取内锅中心Φ50 mm范围内主要是为了便于统一位置并且选择几何中心也便于固定。

对于蒸汽电饭煲来说，由于是通过从能量棒底部的开口喷射出蒸汽与水发生热交换，因此整体的热量传导方向可能更类似于从中心向四周发散，为了验证距离中心的距离是否对热效率有比较显著的影响，笔者选取了3款蒸汽电饭煲进行了试验，每次试验时在距离底部10 mm高度且距离水平中心分别为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、50 mm的位置布置水温监测点（如图8所示）并进行试验，按照现有热效率方法试验前加入额定容积80 %水，记录断电1min的最高温度t2，定义λ′=1.15并计算参考热效率η，同时记录断电瞬间开始的最高温度t2′作为参考，结果如表3。