燃?xì)鉄崴鞯牧髁刻匦苑治?/h1>

摘 要

摘要：通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算方法，對(duì)燃?xì)鉄崴鞯牧髁刻匦赃M(jìn)行研究，得到水流量隨供水壓力變化的計(jì)算公式，將水流量的理論計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比。在較高供水壓力下，實(shí)測值與理論值存
摘要：通過實(shí)驗(yàn)與理論計(jì)算方法，對(duì)燃?xì)鉄崴鞯牧髁刻匦赃M(jìn)行研究，得到水流量隨供水壓力變化的計(jì)算公式，將水流量的理論計(jì)算值與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比。在較高供水壓力下，實(shí)測值與理論值存在較大差異。實(shí)際上存在極限流量，當(dāng)實(shí)際流量達(dá)到極限流量時(shí)，水流量不隨供水壓力的增大而增大，而是趨于穩(wěn)定。對(duì)出水溫度控制特性進(jìn)行研究，雖然通過燃?xì)忾y門和水量調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)出水溫度，但其調(diào)節(jié)能力有限。
關(guān)鍵詞：燃?xì)鉄崴鳎粯O限流量；流量特性；出水溫度；供水壓力
Analysis of Flow Characteristics of Gas Water Heater
LI Guangchao，PENG Shini
Abstract：The flow characteristics of gas water heater are studied by experimental method and theoretical calculation method.The calculation formula on variation of water flow with water supply pressure is obtained，and the theoretical calculation value and the measured value are compared.There is a big difference between the measured value and theoretical calculation value under high water supply pressure.In fact，the limit flow exists，and the water flow does not increase with increasing of water supply pressure，and it trends to be stable when the actual flow reaches the limit flow.The control characteristics of outflow temperature are also studied.Although the outflow temperature can be regulated by gas valve and water flow regulating valve，but their abilities to regulate is limited.
Key words：gas water heater；limit flow；flow characteristics；outflow temperature；water supply pressure
燃?xì)鉄崴骶哂袩o需預(yù)熱、成本低、體積小、加熱快等優(yōu)點(diǎn)，在人們?nèi)粘Ｉ钪械玫搅似毡榈氖褂?sup>[1～2]。但隨著人們生活水平的不斷提高，普通燃?xì)鉄崴饕呀?jīng)無法滿足要求。因?yàn)樵谄涫褂眠^程中，由于供水壓力變化造成水流量變化，進(jìn)而使水溫改變，嚴(yán)重時(shí)因水過燙或過涼而無法淋浴。雖然可以通過水量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)水量，但有時(shí)難以維持流量的穩(wěn)定，因此有必要對(duì)燃?xì)鉄崴髁髁颗c壓力的關(guān)系進(jìn)行研究。
1 實(shí)驗(yàn)研究
    實(shí)驗(yàn)用家用燃?xì)饪焖贌崴?參數(shù)見表1)的水管路由3段不同管徑的水管(進(jìn)水管、水箱水管、出水管)組成，取進(jìn)水口和出水口分別為斷面1、斷面2。實(shí)驗(yàn)裝置見圖1。

表1 實(shí)驗(yàn)用家用燃?xì)饪焖贌崴鞯膮?shù)
型號(hào)
JSD16-8
燃?xì)夥N類
天然氣
燃?xì)忸~定壓力/kPa
2
適用水壓/kPa
25～1000
25℃時(shí)的熱水產(chǎn)率/(L·min-1)
8
熱負(fù)荷/kW
16
   普通燃?xì)鉄崴魍ㄟ^水量調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)水量，有“大水”與“小水”兩個(gè)檔位，在這兩個(gè)檔位間可以連續(xù)調(diào)節(jié)。為了充分反映流量與壓力的變化關(guān)系，本實(shí)驗(yàn)以水量調(diào)節(jié)閥在“大水”和“小水”兩檔下進(jìn)行。當(dāng)在“大水”檔位時(shí)，水量調(diào)節(jié)閥流通孔徑最大，此時(shí)水量調(diào)節(jié)閥的阻力最小，熱水器的水流量最大；在“小水”檔位時(shí)，水量調(diào)節(jié)閥流通孔徑最小，阻力最大，熱水器的水流量最小。
   體積流量的測量方法：稱空桶質(zhì)量m1，在一段時(shí)間內(nèi)用該桶接熱水器流出的水，再稱桶和水的總質(zhì)量m2，用秒表記錄這段時(shí)間t，由下式得到水的體積流量。
 
式中q1——水的體積流量，L/min
    m2——桶和水的總質(zhì)量，kg
    m1——空桶質(zhì)量，kg
    t——用桶接水的時(shí)間，s
2 理論計(jì)算
2.1 流量與壓力關(guān)系的理論分析
流體力學(xué)恒定總流能量方程式為：
 
式中h1、h2——斷面1、2相對(duì)于選定基準(zhǔn)面的高程，m
    p1、p2——斷面1、2的壓力，Pa，因斷面2處壓力為大氣壓力，故p2=0Pa
ρ——水的密度，kg/m3
g——重力加速度，m/s2
α1、α2——斷面1、2的動(dòng)能修正系數(shù)，取1
v1、v2——斷面1、2的平均流速，m/s
h1-2——斷面1、2間的阻力，m
 
式中n——斷面1、2間的管段數(shù)量
    Si——i管段的管路阻抗，s2/m5
    q——水的體積流量，m3/s
 
式中λi——i管段的沿程阻力系數(shù)
    li——i管段的長度，m
    di——i管段的管道內(nèi)直徑，m
ζs,i——i管段的局部阻力系數(shù)之和
 
式中d1——斷面1處的管道內(nèi)直徑，m
    d2——斷面2處的管道內(nèi)直徑，m
    由式(1)、(2)、(4)可得：
 
    式(5)是體積流量與供水壓力的計(jì)算關(guān)系式，求解的關(guān)鍵是確定各管段的管長、管道內(nèi)直徑、沿程阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)之和。
2.2 “大水”與“小水”檔位時(shí)的理論計(jì)算
    “大水”、“小水”檔位時(shí)的局部阻力系數(shù)分別見表2、3，其中水量調(diào)節(jié)閥不是標(biāo)準(zhǔn)件，局部阻力系數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)確定。已知實(shí)驗(yàn)中的h1-h2=3m，可根據(jù)式(3)、(5)分別計(jì)算出兩個(gè)檔位時(shí)不同供水壓力下水的理論體積流量。
表2 “大水”檔位時(shí)的局部阻力系數(shù)
管件
90°彎頭
45°彎頭
水量調(diào)節(jié)閥
變徑管
每個(gè)管件的局部
阻力系數(shù)
0.12
0.08
0.22
0.08
進(jìn)水管管件數(shù)量
3
O
0
1
燃燒室水管管件數(shù)量
19
2
1
0
出水管管件數(shù)量
0
O
0
1
表3 “小水”檔位時(shí)的局部阻力系數(shù)
管件
90°彎頭
45°彎頭
水量調(diào)節(jié)閥
變徑管
每個(gè)管件的局部阻力系數(shù)
0.12
0.08
43.22
0.08
進(jìn)水管管件數(shù)量
3
0
O
1
燃燒室水管管件數(shù)量
19
2
1
0
出水管管件數(shù)量
O
O
O
1
3 實(shí)測值與理論計(jì)算值的比較及分析
    “大水”與“小水”兩個(gè)檔位下體積流量的實(shí)測值與理論計(jì)算值的比較見圖2。
 

    由圖2可知：
    ① 無論在“大水”檔位還是“小水”檔位，當(dāng)供水壓力較小時(shí)，體積流量的理論值與實(shí)測值變化趨勢相同，但隨著供水壓力的增大，理論值與實(shí)測值有較大差異。這是因?yàn)閷?shí)際上體積流量存在極限流量值(“小水”檔位的極限流量值約為3.14L/min，“大水”檔位的極限流量值約為6.88L/min)，實(shí)際情況中，當(dāng)體積流量達(dá)到極限流量值時(shí)，不會(huì)再隨著供水壓力的增大而增大。
    ② 在相同供水壓力下，“大水”檔位的體積流量較大，主要是因?yàn)?ldquo;大水”檔位的局部阻力比“小水”檔位的局部阻力小，即水量調(diào)節(jié)閥是通過調(diào)節(jié)局部阻力來調(diào)節(jié)流量的。
    ③ “小水”檔位的體積流量實(shí)測值與“大水”檔位的體積流量實(shí)測值之間的區(qū)域，是燃?xì)鉄崴骺烧{(diào)的流量范圍，超出此范圍的體積流量要求是不能滿足的。
4 出水溫度控制特性
   根據(jù)熱平衡原理[3]有：
    ηqgQ1=cρq△θ    (6)
式中η——熱水器熱效率
    qg——燃?xì)獾捏w積流量，m3/s
    Q1——燃?xì)獾蜔嶂?，kJ/m3
    c——水的比熱容，kJ/(kg·K)，為4.2kJ/(kg·K)
    △θ——水被加熱的溫升，℃
    由式(6)可知，供水壓力變化導(dǎo)致水流量變化，必然導(dǎo)致出水溫度變化。雖然燃?xì)忾y門和水量調(diào)節(jié)閥可以分別控制燃?xì)饬髁亢退髁?，但只能在一定范圍?nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，即：
    qg,min≤qg≤qg,max    (7)
    qmin≤q≤qmax    (8)
式中qg,min——燃?xì)忾y門可調(diào)節(jié)燃?xì)獾淖钚◇w積流量，m3/s
    qg,max——燃?xì)忾y門可調(diào)節(jié)燃?xì)獾淖畲篌w積流量，m3/s
    qmin——水量調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)水的最小體積流量，m3/s
    qmax——水量調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)水的最大體積流量，m3/s
    根據(jù)式(7)、(8)，可得通過燃?xì)忾y門和水量調(diào)節(jié)閥可調(diào)節(jié)的水溫升范圍，見式(9)。
 
    由式(9)可知，雖然通過燃?xì)忾y門和水量調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)出水溫度，但其調(diào)節(jié)能力是有限的。
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(本文作者：李廣超 彭世尼 重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045)