燃氣熱水器換熱效率的影響因素

摘 要

摘要：對燃氣熱水器的換熱器建立單管計算模型，計算分析了工作參數(shù)(煙氣進口溫度、過?？諝庀禂?shù)、煙氣溫度分布、水質(zhì)量流量)、結(jié)構(gòu)參數(shù)(肋片數(shù)量、肋片厚度)和水管順、逆流排布
摘要：對燃氣熱水器的換熱器建立單管計算模型，計算分析了工作參數(shù)(煙氣進口溫度、過?？諝庀禂?shù)、煙氣溫度分布、水質(zhì)量流量)、結(jié)構(gòu)參數(shù)(肋片數(shù)量、肋片厚度)和水管順、逆流排布對換熱器換熱效率的影響。
關(guān)鍵詞：燃氣熱水器；換熱效率；肋片效率；換熱器；煙氣溫度；過?？諝庀禂?shù)
Influencing Factors of Heat Exchange Efficiency of Gas Water Heater
MA Fei，QIN Chaokui，QIAO Yeteng
Abstract：The calculation model for a single pipe in heat exchanger of gas water heater is established.The working parameters including flue gas inlet temperature，excess air coefficient，flue gas temperature distribution，water mass flow，structural parameters including fin number and thickness as well as the effect of cocurrent and countercument arrangement of pipe on heat exchange efficiency of heat exchanger are calculated and analyzed.
Key words：gas water heater；heat exchange efficiency；fin efficiency；heat exchanger；flue gas temperature；excess air coefficient
1 概述
    燃氣熱水器的換熱器(見圖1)結(jié)構(gòu)復雜，空間尺寸變化較大，使用CFD軟件模擬面臨網(wǎng)格多、計算效率低等問題，存在硬件方面的困難。在實際工作中，可以對換熱器進行簡化，建立理論模型，結(jié)合數(shù)值計算來研究影響換熱器換熱效率的因素，為燃氣熱水器的性能改進提供依據(jù)。

2 單管計算模型
    為簡化，將換熱器中嵌布的水管視作末端絕熱的肋片管，水管由若干(5或6)根肋片管依次串聯(lián)而成，肋片視作直管上的等截面環(huán)肋。高溫煙氣橫掠肋片管，將熱量傳遞給水管中流動的冷水。單管簡化模型見圖2。在相同的燃氣耗量和水流量下，水側(cè)溫升較大，則認為換熱效率較高，故可用出口水溫來衡量肋片管的換熱效率。本研究中比定壓熱容均取相應(yīng)溫度范圍內(nèi)的平均值。

穩(wěn)定狀態(tài)下單根肋片管的傳熱方程式與熱平衡方程式分別見式(1)、(2)。
Φh=KAi△tm    (1)
式中Φh——由傳熱方程式計算的傳熱量，W
    K——煙氣與水之間的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)
    Ai——肋片根部的光管表面積，m2
△tm——對數(shù)平均溫差，℃
 
   式(1)、(2)中煙氣的物性參數(shù)隨其溫度劇烈變化，需先假定tw2或tf2，采用逐次逼近法進行試算，計算步驟為：
   ① 假設(shè)出口水溫tw2，根據(jù)式(2)得到傳熱量Φw和煙氣出口溫度tt2。
   ② 已知燃氣組成和過剩空氣系數(shù)α，以煙氣平均溫度為定性溫度，計算煙氣的運動黏度、熱導率、比熱容等物性參數(shù)。因為混合氣體的熱導率經(jīng)驗計算公式在400～1200℃范圍內(nèi)并不適用，煙氣的熱導率λf和普朗特數(shù)Pr采用成分相近的標準煙氣(質(zhì)量分數(shù)w分別為wCO2=0.13，wH2O=0.11，wN2=0.76)的數(shù)據(jù)。
③ 計算煙氣與水之間的傳熱系數(shù)K，計算公式為：
 
式中hw——水側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，采用Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式計算[1]246
    δ——水管壁厚，m
    λ——水管熱導率，W/(m·K)
    η0——肋片總效率
    β——肋化系數(shù)
    hf——煙氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)，采用Churchill-Bernstein公式計算[1]258
    設(shè)肋間平壁部分面積為A1，肋面突出部分面積為A2，則肋側(cè)總表面積A0=A1+A2。肋化系數(shù)β=A0/Ai，肋片總效率η=(A1+ηfA2)/A。，其中ηf為肋片效率。環(huán)肋肋片效率η的計算采用常見肋片的肋片效率計算式。
    ④ 按式(1)計算傳熱量Φh，比較Φh和Φw，若相差較大，則重新假設(shè)一個出口水溫，直至求得的Φh和Φw接近為止，即當兩者相對誤差小于2%時，認為達到精度要求。
3 單管工作參數(shù)對換熱效率的影響
    在燃氣熱水器使用過程中，影響換熱效率的因素有煙氣進口溫度、過?？諝庀禂?shù)、水流量等工作參數(shù)。以某強制排煙型熱水器的換熱器為例進行計算，分析各工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱效率的影響。采用的天然氣組成見表1，天然氣低熱值為37.31MJ/m3，理論空氣需要量為9.86m3/m3。工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。在分析工作參數(shù)對換熱器性能影響的過程中，每次只改變一個工作參數(shù)而保持其他工作參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)不變。
表1 天然氣組成
組分
體積分數(shù)/%
CH4
92.4770
C2H6
4.2825
C3H8
0.8590
C4H8
0.1170
C4H10
0.3288
C5H12
0.0019
N2
1.1412
C02
0.7926
表2 工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)
水管
內(nèi)直徑/mm
12.6
壁厚/mm
0.8
長度/mm
140
熱導率/(W·m-1·K-1)
366
肋片
直徑(包含水管)/mm
32
厚度/mm
0.25
數(shù)量
59
肋片效率
0.974
肋化系數(shù)
15
天然氣
體積流量/(L·s-1)
0.612
低熱值/(MJ·m-3)
37.31
過剩空氣系數(shù)
1.7
煙氣進口溫度/℃
1000
水
質(zhì)量流量/(kg·min-1)
7.8
進口溫度/℃
20
    ① 煙氣進口溫度的影響
    煙氣進口溫度受燃氣燃燒狀況影響，并對傳熱系數(shù)產(chǎn)生影響。保持其他參數(shù)不變，只改變煙氣進口溫度，從100℃上升至1400℃，計算的換熱量見圖3。隨著煙氣進口溫度的升高，傳熱系數(shù)增大，換熱量增加，在燃氣耗量不變的前提下，可有效地提高熱水器的換熱效率。煙氣進口溫度每升高100℃，換熱量可增加10%以上。
 

   ② 過剩空氣系數(shù)的影響
   過?？諝庀禂?shù)改變會影響煙氣進口溫度[2]，也會引起煙氣流量變化，使煙氣側(cè)換熱效果發(fā)生變化[3]。保持其他參數(shù)不變，過剩空氣系數(shù)從1.5增至1.8。根據(jù)燃燒后煙氣總焓不變的原則，計算出不同過?？諝庀禂?shù)下的煙氣溫度和煙氣流量，代入單管模型進行計算，計算的換熱量見圖4。過剩空氣系數(shù)每下降0.1，換熱量可增大20%左右。過?？諝庀禂?shù)增大時，煙氣流量雖然增加，但因燃燒溫度降低使煙氣流速減小，hf減小，使傳熱量減小。故應(yīng)在保證污染物排放不超標的前提下，盡量減小過剩空氣系數(shù)。

   ③ 煙氣溫度分布的影響
若均流板設(shè)計不當，進入各火排的燃氣量或過?？諝饬坎煌瑫斐扇紵覂?nèi)的煙氣溫度分布不均。假設(shè)煙氣溫度tx沿管程水流方向線性遞增，為水管長度石(單位為mm)的函數(shù)：tx=ax+b。為使結(jié)果有可比性，以煙氣溫度為1000℃且均勻分布時煙氣的焓值為基準，保持煙氣的總焓值不變，則有下式：
 
式中l(wèi)——單根水管的長度，mm
    qV,fl——單位長度水管通過的煙氣體積流量，m3/(s·mm)
    cp,l——溫度為0～1000℃范圍內(nèi)煙氣的平均單位體積比定壓熱容，J/(m3·K)
    t0——煙氣均勻分布時的溫度，℃，取1000℃
    cp,2——溫度為0～tx范圍內(nèi)煙氣的平均單位體積比定壓熱容，J/(m3·K)
    tx——煙氣進口溫度，℃
    在所研究的煙氣溫度范圍內(nèi)，平均單位體積比定壓熱容與煙氣溫度近似成線性關(guān)系，當煙氣最低進口溫度為800℃時，根據(jù)式(4)可得煙氣進口溫度tx=2.8759x+800。
    對于長度為dx的微元肋片管段，水的得熱量等于換熱器的換熱量，微元肋片管段串聯(lián)起來就是整個肋片管。出越小，計算結(jié)果越精確。將肋片管等分為5段，則dx=28mm。將計算得到的出口水溫作為下一微元肋片管段的進口水溫，分別以單管計算模型進行計算，結(jié)果見表3。
表3 煙氣溫度分布不均時各管段的計算結(jié)果
微元肋片管段
1
2
3
4
5
煙氣進口溫度/℃
839.4
918.9
998.8
1079.4
1159.9
傳熱系數(shù)/(W·m-2·K-1)
759.1
764.9
769.2
775.7
779.8
煙氣出口溫度/℃
443.4
468.1
482.3
502.0
514.0
出口水溫/℃
20.93
21.93
23.01
24.16
25.38
換熱量/kW
0.5054
0.5434
0.5869
0.6249
0.6629
   與煙氣溫度為1000℃且均勻分布時的結(jié)果相比，換熱量下降近1%。即雖然煙氣的總焓不變，但煙氣溫度分布不均導致?lián)Q熱量減小，換熱器換熱效率下降。
   ④ 水質(zhì)量流量的影響
   水質(zhì)量流量變化會引起水的流速變化，影響水側(cè)的傳熱系數(shù)，也影響水與煙氣的換熱時間[4]。保持其他參數(shù)不變，水質(zhì)量流量從7.6kg/min變化到8.2kg/min，換熱量與出口水溫的變化見圖5。由圖5可知，水質(zhì)量流量增大，雖然出水溫度有所下降，但總的換熱量是增加的，換熱器換熱效率提高。可以考慮調(diào)節(jié)燃氣流量與調(diào)節(jié)水質(zhì)量流量相結(jié)合來進行燃氣熱水器的水溫控制，提升水溫小幅變化時熱水器的換熱效率。
 

4 單管結(jié)構(gòu)參數(shù)對換熱效率的影響
   燃氣熱水器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如肋片數(shù)量、肋片厚度、煙氣的擾流措施等也會影響其換熱效率，且決定了其材料和工藝等成本[5]。
   ① 肋片數(shù)量的影響
   增加肋片數(shù)量對肋側(cè)總表面積有顯著影響。既增大了換熱面積，又影響著煙氣通道的面積，改變煙氣的流動速度，導致?lián)Q熱量發(fā)生變化。保持其他參數(shù)不變，只改變肋片數(shù)量，從55片增加至65片，計算肋側(cè)總表面積A0和肋化系數(shù)β。按單管計算模型中的步驟計算換熱量，結(jié)果見圖6。可知每增加1片肋片，煙氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)將提高1.5%～1.8%，換熱量增加1%左右。

   ② 肋片厚度的影響
   肋片厚度會影響肋片效率，也影響煙氣通道的面積，改變煙氣流速，進而改變換熱量。當肋片厚度增加時，肋片效率ηf增大，從而使煙氣側(cè)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增大，換熱器的換熱效果增強。當肋片厚度從0.2mm變化至0.3m時，換熱量的改變見圖7。肋片厚度增加0.1mm，換熱量增加3%。
5 水管順、逆流排布對換熱效率的影響
    換熱器由多根相同的肋片管串聯(lián)而成，前一根肋片管的出口水溫為后一根肋片管的進口水溫，下層肋片管的煙氣出口溫度為上層肋片管的煙氣進口溫度。當水流方向不同時，各單管的對數(shù)平均溫差會發(fā)生改變，進而改變換熱量。
   ① 水管順流排布
   順流排布是指水先流經(jīng)下層肋片管，與高溫煙氣換熱，然后流經(jīng)上層肋片管，見圖8。保持各參數(shù)不變，依次對各單管進行計算，直至最后一根肋片管，得到最終的出口水溫。6根肋片管順流排布時水溫上升22.37℃。

   ② 水管逆流排布
   逆流排布與順流排布的水流方向相反，水先流經(jīng)上層肋片管，與已經(jīng)與下層肋片管換熱后的煙氣進行換熱，然后流經(jīng)下層肋片管，與高溫煙氣換熱。由于煙氣進、出口溫度和出口水溫均為未知，所以要進行試算。先假設(shè)上層煙氣進口溫度，且認為煙氣溫度均勻分布，計算出口水溫，代入下一根肋片管進行計算。計算到下層肋片管時，檢驗下層煙氣出口溫度和假設(shè)的上層煙氣進口溫度的誤差，如果誤差偏大則重新計算，直至誤差滿足精度要求。
    6根肋片管逆流排布時水溫上升22.5℃。逆流排布時上層的換熱溫差較大，增強了整體的換熱效果，相比順流排布，水流溫升提高了約0.6%。
6 結(jié)論
    通過對單管計算模型的數(shù)值計算，能預(yù)測燃氣熱水器工作參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)及水管順、逆流排布對換熱效率的影響，為熱水器的性能改進提供方向。在保證C0排放不超標的前提下，應(yīng)盡量減小燃氣熱水器的過?？諝庀禂?shù)，提高煙氣溫度。肋片數(shù)量、厚度既影響換熱效率，又決定經(jīng)濟成本，在設(shè)計換熱器形式時，可在達到規(guī)定能效的前提下尋求成本最小化。在控制策略方面，若用戶調(diào)溫幅度為-2～2℃時，可采用調(diào)節(jié)水流量的調(diào)控方法，避免改變?nèi)紵隣顩r，造成換熱效率上下波動。
參考文獻：
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(本文作者：馬飛 秦朝葵 喬業(yè)騰 同濟大學機械工程學院 上海 201804)