燃?xì)鉄崴鞣肋^熱防空燒的設(shè)計(jì)分析

摘 要

摘要：分析了在家用燃?xì)饪焖贌崴鞯姆肋^熱、防空燒保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的影響因素，提出溫控器的動(dòng)作溫度(換熱器換熱管的中端溫度)宜設(shè)定為85～100℃。關(guān)鍵詞：家用燃?xì)饪焖贌崴?；?/p>

摘要：分析了在家用燃?xì)饪焖贌崴鞯姆肋^熱、防空燒保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的影響因素，提出溫控器的動(dòng)作溫度(換熱器換熱管的中端溫度)宜設(shè)定為85～100℃。
關(guān)鍵詞：家用燃?xì)饪焖贌崴?；安全保護(hù)裝置；防過熱；防空燒；動(dòng)作溫度
Design Analysis of Protection from Overheating and Empty Burn for Gas Water Heater
ZHANG Kun-dong
Abstract：The influence factors to which attention should be paid in design of protection from over-heating and empty burn of domestic gas instantaneous water heater are analyzed. It is suggested that the thermostat action temperature(middle temperature of heat exchanger tube)should be set at 85 to 100℃.
Key words：domestic gas instantaneous water heater；safety device；protection from overheating；protection from empty burn；action temperature
1 概述
   對(duì)于家用燃?xì)饪焖贌崴?以下簡(jiǎn)稱熱水器)，安全問題一直受到非常關(guān)注，許多技術(shù)專家對(duì)此作了各方面的研究[1、2]。通常設(shè)置了一些安全保護(hù)裝置，其中為了防止在使用時(shí)產(chǎn)生異常，使出水溫度過高而引起燙傷事故，我國(guó)的家用燃?xì)饪焖贌崴鳂?biāo)準(zhǔn)GB 6932—2001規(guī)定[3]，一旦出水溫度超過了110℃(快速加熱在換熱器內(nèi)產(chǎn)生瞬間的過熱沸騰時(shí)會(huì)出現(xiàn)超過100℃的現(xiàn)象)，必須立即切斷燃?xì)馔?，終止燃燒。為此我們?cè)跓崴魃贤ǔＴO(shè)定了防過熱的安全裝置。為了保護(hù)熱水器在不使用時(shí)發(fā)生燃燒引起的安全問題，通常還設(shè)置防空燒安全裝置。在實(shí)際中我們一般將這兩種安全保護(hù)合并設(shè)置為一個(gè)安全裝置。該裝置一般設(shè)立在換熱器上的某一部位，并且一般采用溫度傳感器程控或通過感應(yīng)溫度的溫控器來控制，當(dāng)達(dá)到設(shè)定動(dòng)作溫度時(shí)切斷燃?xì)馔?。在我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)，不能簡(jiǎn)單地注重將溫控器設(shè)定在某一位置并設(shè)定動(dòng)作溫度，使出水溫度超過規(guī)定溫度時(shí)燃燒自動(dòng)停止即可。由于在設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)定不當(dāng)，會(huì)引起熱水器不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。本文就設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的各方面影響因素進(jìn)行討論。
2 溫控器設(shè)定的影響因素分析
2.1 溫控器設(shè)置位置
    一般溫控器的設(shè)置位置從水路系統(tǒng)上考慮總是在換熱器換熱管的中端、換熱器換熱管末端、熱水器出水處(見圖1)。該3處溫度(以下簡(jiǎn)稱中端t1、末端t2和出水t3)之間存在著關(guān)聯(lián)性。
    無論設(shè)置在何處，具體的動(dòng)作溫度如何設(shè)定，我們的評(píng)價(jià)總是從以下3方面進(jìn)行的：防過熱保護(hù)的有效性和及時(shí)性；防空燒保護(hù)的有效性和及時(shí)性；對(duì)熱水器的運(yùn)行帶來不穩(wěn)定的影響，該影響可分為2種狀況考慮：正常使用溫度范圍對(duì)設(shè)置溫控器動(dòng)作溫度的影響；在換熱器內(nèi)部產(chǎn)生過熱沸騰而引起壓力反向沖擊現(xiàn)象，導(dǎo)致熱水器工作不穩(wěn)定。
   對(duì)溫控器的設(shè)置位置評(píng)價(jià)如下：
   ① 中端位置
   a. 由于檢測(cè)的溫度為換熱器的中端水溫，可監(jiān)視換熱器的工作狀態(tài)。一旦發(fā)生空燒現(xiàn)象(即無水流通過時(shí)發(fā)生的燃燒)，能最有效反映換熱器的狀態(tài)溫度，及時(shí)快速啟動(dòng)安全裝置，對(duì)防空燒最為有效。
    b. 距進(jìn)水側(cè)最近，此處的溫度控制能及時(shí)啟動(dòng)安全裝置，避免換熱器過熱沸騰后產(chǎn)生的壓力反向沖擊引起的對(duì)熱水器啟動(dòng)控制裝置的干擾。
    c. 在防過熱保護(hù)上也能起到作用，但由于體現(xiàn)的溫度是加熱過程中的中端位置的溫度，只能間接而不能直觀反映出所需保護(hù)的出水溫度。
   ② 末端位置
   a. 在換熱器出口，為加熱過程中的最末端位置，此處的溫度也為在使用過程中的最高溫度，對(duì)防過熱最為靈敏。
    b. 由于是加熱過程中的末端溫度點(diǎn)，在水不流動(dòng)時(shí)，不能及時(shí)體現(xiàn)換熱器所處的狀態(tài)，對(duì)防空燒不能作出有效及時(shí)的反應(yīng)。
    c. 距熱水器的啟動(dòng)控制裝置較遠(yuǎn)，當(dāng)發(fā)生過熱沸騰引起的壓力反向沖擊對(duì)熱水器啟動(dòng)控制裝置干擾時(shí)，該點(diǎn)的溫度反應(yīng)較為滯后。
    ③ 出水位置
   a. 能夠直接反映出水溫度，該處溫度的控制對(duì)于防止過熱的保護(hù)最為及時(shí)和有效。
    b. 由于不能完全直接反映換熱器的換熱狀態(tài)，對(duì)于防空燒不能起到有效的作用。
    c. 由于遠(yuǎn)離熱水器啟動(dòng)控制裝置，還受到其他影響，不能有效監(jiān)控?fù)Q熱器過熱沸騰狀態(tài)，當(dāng)因換熱器內(nèi)過熱沸騰引起的壓力反向沖擊干擾熱水器正常工作時(shí)，不能及早有效地啟動(dòng)安全裝置。
   ④ 評(píng)價(jià)結(jié)果
溫控器各設(shè)置位置對(duì)安全保護(hù)的作用見表1。
表1 溫控器各設(shè)置位置對(duì)安全保護(hù)的作用
位置
防過熱保護(hù)
防空燒保護(hù)
防壓力反向沖擊對(duì)正常工作的影響
中端
較好
好
好
末端
好
較好
較好
出水
好
差
差
2.2 各點(diǎn)設(shè)定溫度對(duì)過熱沸騰控制的影響
    圖2為某一熱水器換熱器各點(diǎn)溫度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系(進(jìn)水溫度為15℃時(shí))。圖2僅反映了某一熱水器的各點(diǎn)溫度之間的大致關(guān)系，不同熱水器有一定差異，特別是t3還受到具體旁通水量的影響。圖2的測(cè)試條件為最大熱負(fù)荷時(shí)，進(jìn)水溫度為15℃，將水流量漸漸減小，獲得t1與t2、t3之間的關(guān)系。隨著t1的不斷升高，達(dá)到108℃左右時(shí)，換熱器內(nèi)的熱水由于過熱沸騰后產(chǎn)生壓力反向沖擊，迫使熱水器啟動(dòng)控制裝置關(guān)閉，引起熱水器停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而后又重新啟動(dòng)，使熱水器運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生反復(fù)開、關(guān)的周期現(xiàn)象。這一現(xiàn)象干擾熱水器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了防止這一干擾熱水器正常使用現(xiàn)象的出現(xiàn)，t1、t2、t3必須低于過熱沸騰引起壓力反向沖擊現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)的溫度，并且出水溫度滿足GB 6932—2001的要求，在低于110℃時(shí)，就使安全保護(hù)裝置動(dòng)作。根據(jù)圖2的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出各點(diǎn)的控制溫度為：t1＜108℃，t2＜124℃，t3＜91.9℃。
 
2.3 熱水器正常使用對(duì)溫度設(shè)定的要求
    一般熱水器分為比例恒溫式和非比例恒溫式。在設(shè)定溫控器的動(dòng)作溫度時(shí)，我們必須考察在正常使用中各點(diǎn)溫度的變化范圍，以便溫控器設(shè)定的動(dòng)作溫度能避開(高于)正常工作的范圍。
    以比例恒溫式的額定出熱水能力為16L/min的熱水器作為研究對(duì)象。根據(jù)使用要求和產(chǎn)品的可設(shè)定范圍，通常出水溫度控制在最高溫度(本文設(shè)定為75℃)，我們?cè)O(shè)定旁通比率(通過旁通管水流量與熱水器進(jìn)水流量的比率)為20%，熱負(fù)荷設(shè)定為1.1倍額定值時(shí)，出水流量調(diào)整到熱水器的啟動(dòng)流量或者使熱水器工作的實(shí)際負(fù)荷低于額定負(fù)荷，此條件將會(huì)使熱水器各點(diǎn)的水溫處于最高狀態(tài)，如此來考察熱水器在使用時(shí)的各點(diǎn)最高溫度。各點(diǎn)的溫度計(jì)算方法如下：
 
式中tmax——熱水器的最高設(shè)定出水溫度，℃
    ti——熱水器的進(jìn)水溫度，℃
    qm——熱水器的出水流量，kg/min
    qm,th——熱水器的額定出熱水能力，kg/min
    t2——熱水器換熱器末端溫度，℃
    B——熱水器的水流旁通比率
    t3——熱水器的出水溫度，℃
   熱水器的額定出熱水能力為16L/min，出水流量調(diào)節(jié)到最低水流量(熱水器最低啟動(dòng)水流量，3L/min)，根據(jù)熱水器溫度設(shè)定范圍，出水溫度設(shè)定在最高值(75℃)，進(jìn)水溫度ti、換熱器末端溫度t2、出水溫度t3的計(jì)算分析數(shù)據(jù)見圖3。
   依據(jù)上述的計(jì)算公式對(duì)各狀態(tài)(如出水流量變化)分析可得出正常使用的溫度范圍為t2＜92.5℃，t3＜75℃。再依據(jù)圖2可推算出t1＜75.5℃。
   進(jìn)一步分析非比例恒溫式熱水器，以額定出熱水能力10L/min的熱水器作為研究對(duì)象。設(shè)定旁通比率為20%，熱負(fù)荷為1.1倍額定值，出水流量從熱水器啟動(dòng)流量開始調(diào)節(jié)，并考慮不同進(jìn)水溫度的影響，如此來考察熱水器在正常使用時(shí)的各點(diǎn)最高溫度。各點(diǎn)的溫度計(jì)算方法如下：
若
 
    否則，將發(fā)生過熱沸騰現(xiàn)象，使得t2≥100℃，t3隨t2升高依照式(8)升高。并在t2達(dá)到100℃時(shí)同樣發(fā)生過熱沸騰和超過100℃的現(xiàn)象，但t3達(dá)到100℃后式(8)已不適用。
額定出熱水能力為10L/min的非比例恒溫式熱水器，按上述條件，在進(jìn)水溫度分別為5℃和25℃的2種條件下，將出水流量從最小量3.5kg/min開始調(diào)節(jié)，具體出水流量qm和換熱器末端溫度t2、出水溫度t3的計(jì)算分析數(shù)據(jù)見圖4(t2、t3在低于100℃的條件下)。
 
    由圖4分析可得出：在正常使用時(shí)，各點(diǎn)的最高溫度分別為t2＜100℃，t3＜96℃。在實(shí)際測(cè)試中，出水溫度t3也會(huì)產(chǎn)生超出100℃的夾帶蒸汽的出水，原因就是在實(shí)際加熱時(shí)，由于換熱器中間局部產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，而瞬時(shí)高溫產(chǎn)生蒸汽促使水流量降低，由于是瞬間狀態(tài)，故熱水器水路啟動(dòng)控制裝置無法在如此短的時(shí)間作出判斷而導(dǎo)致繼續(xù)燃燒。如此累積產(chǎn)生的結(jié)果使出水溫度t3異常變高，使得出水溫度超過100℃，此時(shí)出水溫度t3不易控制，時(shí)而出現(xiàn)非常高的溫度(甚至超過100℃)，此溫度已不屬于正常使用范圍。從這一點(diǎn)看，控制換熱器內(nèi)部產(chǎn)生局部過熱是關(guān)鍵。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，換熱器中端溫度t1控制在80℃以內(nèi)，換熱器內(nèi)部一般不會(huì)有過熱現(xiàn)象出現(xiàn)，而t1在80℃以上時(shí)，則由于上述的原因使整個(gè)熱水器內(nèi)和出水溫度變得不穩(wěn)定和不易控制，此時(shí)的溫度不屬于正常使用范圍。由此可推出，在正常使用時(shí)，t1應(yīng)低于80℃。
    經(jīng)過上述比例式和非比例式熱水器使用情況的分析，我們可以確定既符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，又能使熱水器工作正常的溫控器的動(dòng)作溫度。如果以換熱器中端溫度t1進(jìn)行設(shè)定，為避開正常使用溫度，t1的設(shè)定值應(yīng)不低于80℃。
2.4 停水溫升對(duì)設(shè)定溫度的影響
    在熱水器正常工作時(shí)，還有一種狀態(tài)將影響熱水器的各點(diǎn)溫度，即在熱水關(guān)閉后，燃燒熄火的滯后。由于熄火滯后將燃燒熱量積存在換熱器內(nèi)，使水溫上升，各點(diǎn)溫度提高。這種停水溫升引起的各點(diǎn)溫度的變化，按照控制方法會(huì)有所不同，必須在設(shè)定溫控器動(dòng)作溫度時(shí)引起注意。
2.5 溫控器敏感性的影響
    一般設(shè)定溫控器的動(dòng)作溫度，總是比要求的溫度要低3～5℃。這是考慮換熱器向溫控器的傳熱速度的影響。
3 建議
   ① 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 6932—2001要求，安全裝置中防過熱安全裝置的動(dòng)作溫度應(yīng)使出水溫度不大于110℃，一旦超過此溫度，即關(guān)閉通向燃燒器的燃?xì)馔非也粦?yīng)自動(dòng)開啟。在實(shí)際使用時(shí)，應(yīng)考慮到實(shí)際使用水溫的變化范圍，溫控器的設(shè)定動(dòng)作溫度應(yīng)在熱水器正常工作溫度范圍的最大值以上，以保證熱水器正常工作。
    ② 對(duì)溫控器動(dòng)作溫度的設(shè)定必須注意，在出水溫度不超出產(chǎn)品規(guī)定(低于110℃)的前提下，還應(yīng)避免由于設(shè)定溫度過高，使熱水器局部過熱沸騰引起壓力反向沖擊，導(dǎo)致熱水器不正常反復(fù)周期性啟動(dòng)的現(xiàn)象。
    ③ 要適當(dāng)考慮溫度信號(hào)傳遞到溫控器的滯后現(xiàn)象的補(bǔ)償。
    ④ 如果將溫控器設(shè)定在換熱器中端(溫度為t1位置)，為了避開熱水器正常使用的溫度范圍，并且避免出水溫度t3超過110℃，還要避免t1超過108℃，從而避免熱水器局部過熱沸騰引起壓力反向沖擊而導(dǎo)致熱水器不正常反復(fù)周期性啟動(dòng)現(xiàn)象，建議溫控器的動(dòng)作溫度t1宜設(shè)定為85～100℃。
參考文獻(xiàn)：
[1] 周玉林.機(jī)內(nèi)燃?xì)馕⒙?duì)燃?xì)鉄崴餍阅苡绊懙难芯縖J].煤氣與熱力，2007，27(12)：22-25.
[2] 王啟.自然排氣煙道式燃?xì)鉄崴鞯陌踩褂肹J].煤氣與熱力，2005，25(2)：63-65.
[3] GB 6932—2001，家用燃?xì)饪焖贌崴鱗S].
 
(本文作者：張坤東 能率(中國(guó))投資有限公司 上海 201405)