燃气热水器防过热防空烧的设计分析_技术研究

摘要

摘要：分析了在家用燃气快速热水器的防过热、防空烧保护设计时应注意的影响因素，提出温控器的动作温度(换热器换热管的中端温度)宜设定为85～100℃。关键词：家用燃气快速热水器；安

摘要：分析了在家用燃气快速热水器的防过热、防空烧保护设计时应注意的影响因素，提出温控器的动作温度(换热器换热管的中端温度)宜设定为85～100℃。

关键词：家用燃气快速热水器；安全保护装置；防过热；防空烧；动作温度

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

对于家用燃气快速热水器(以下简称热水器)，安全问题一直受到非常关注，许多技术专家对此作了各方面的研究^[1、2]。通常设置了一些安全保护装置，其中为了防止在使用时产生异常，使出水温度过高而引起烫伤事故，我国的家用燃气快速热水器标准GB 6932—2001规定^[3]，一旦出水温度超过了110℃(快速加热在换热器内产生瞬间的过热沸腾时会出现超过100℃的现象)，必须立即切断燃气通路，终止燃烧。为此我们在热水器上通常设定了防过热的安全装置。为了保护热水器在不使用时发生燃烧引起的安全问题，通常还设置防空烧安全装置。在实际中我们一般将这两种安全保护合并设置为一个安全装置。该装置一般设立在换热器上的某一部位，并且一般采用温度传感器程控或通过感应温度的温控器来控制，当达到设定动作温度时切断燃气通路。在我们设计时，不能简单地注重将温控器设定在某一位置并设定动作温度，使出水温度超过规定温度时燃烧自动停止即可。由于在设计时的设定不当，会引起热水器不能正常运转。本文就设计时必须考虑的各方面影响因素进行讨论。

2 温控器设定的影响因素分析

2.1 温控器设置位置

一般温控器的设置位置从水路系统上考虑总是在换热器换热管的中端、换热器换热管末端、热水器出水处(见图1)。该3处温度(以下简称中端t₁、末端t₂和出水t₃)之间存在着关联性。

无论设置在何处，具体的动作温度如何设定，我们的评价总是从以下3方面进行的：防过热保护的有效性和及时性；防空烧保护的有效性和及时性；对热水器的运行带来不稳定的影响，该影响可分为2种状况考虑：正常使用温度范围对设置温控器动作温度的影响；在换热器内部产生过热沸腾而引起压力反向冲击现象，导致热水器工作不稳定。

对温控器的设置位置评价如下：

① 中端位置

a. 由于检测的温度为换热器的中端水温，可监视换热器的工作状态。一旦发生空烧现象(即无水流通过时发生的燃烧)，能最有效反映换热器的状态温度，及时快速启动安全装置，对防空烧最为有效。

b. 距进水侧最近，此处的温度控制能及时启动安全装置，避免换热器过热沸腾后产生的压力反向冲击引起的对热水器启动控制装置的干扰。

c. 在防过热保护上也能起到作用，但由于体现的温度是加热过程中的中端位置的温度，只能间接而不能直观反映出所需保护的出水温度。

② 末端位置

a. 在换热器出口，为加热过程中的最末端位置，此处的温度也为在使用过程中的最高温度，对防过热最为灵敏。

b. 由于是加热过程中的末端温度点，在水不流动时，不能及时体现换热器所处的状态，对防空烧不能作出有效及时的反应。

c. 距热水器的启动控制装置较远，当发生过热沸腾引起的压力反向冲击对热水器启动控制装置干扰时，该点的温度反应较为滞后。

③ 出水位置

a. 能够直接反映出水温度，该处温度的控制对于防止过热的保护最为及时和有效。

b. 由于不能完全直接反映换热器的换热状态，对于防空烧不能起到有效的作用。

c. 由于远离热水器启动控制装置，还受到其他影响，不能有效监控换热器过热沸腾状态，当因换热器内过热沸腾引起的压力反向冲击干扰热水器正常工作时，不能及早有效地启动安全装置。

④ 评价结果

温控器各设置位置对安全保护的作用见表1。

表1 温控器各设置位置对安全保护的作用

位置	防过热保护	防空烧保护	防压力反向冲击对正常工作的影响
中端	较好	好	好
末端	好	较好	较好
出水	好	差	差

2.2 各点设定温度对过热沸腾控制的影响

图2为某一热水器换热器各点温度之间的关联关系(进水温度为15℃时)。图2仅反映了某一热水器的各点温度之间的大致关系，不同热水器有一定差异，特别是t₃还受到具体旁通水量的影响。图2的测试条件为最大热负荷时，进水温度为15℃，将水流量渐渐减小，获得t₁与t₂、t₃之间的关系。随着t₁的不断升高，达到108℃左右时，换热器内的热水由于过热沸腾后产生压力反向冲击，迫使热水器启动控制装置关闭，引起热水器停止运转，而后又重新启动，使热水器运转产生反复开、关的周期现象。这一现象干扰热水器的正常运转。为了防止这一干扰热水器正常使用现象的出现，t₁、t₂、t₃必须低于过热沸腾引起压力反向冲击现象出现时的温度，并且出水温度满足GB 6932—2001的要求，在低于110℃时，就使安全保护装置动作。根据图2的实验数据，得出各点的控制温度为：t₁＜108℃，t₂＜124℃，t₃＜91.9℃。

2.3 热水器正常使用对温度设定的要求

一般热水器分为比例恒温式和非比例恒温式。在设定温控器的动作温度时，我们必须考察在正常使用中各点温度的变化范围，以便温控器设定的动作温度能避开(高于)正常工作的范围。

以比例恒温式的额定出热水能力为16L/min的热水器作为研究对象。根据使用要求和产品的可设定范围，通常出水温度控制在最高温度(本文设定为75℃)，我们设定旁通比率(通过旁通管水流量与热水器进水流量的比率)为20%，热负荷设定为1.1倍额定值时，出水流量调整到热水器的启动流量或者使热水器工作的实际负荷低于额定负荷，此条件将会使热水器各点的水温处于最高状态，如此来考察热水器在使用时的各点最高温度。各点的温度计算方法如下：

式中t_max——热水器的最高设定出水温度，℃

t_i——热水器的进水温度，℃

q_m——热水器的出水流量，kg/min

q_m,th——热水器的额定出热水能力，kg/min

t₂——热水器换热器末端温度，℃

B——热水器的水流旁通比率

t₃——热水器的出水温度，℃

热水器的额定出热水能力为16L/min，出水流量调节到最低水流量(热水器最低启动水流量，3L/min)，根据热水器温度设定范围，出水温度设定在最高值(75℃)，进水温度t_i、换热器末端温度t₂、出水温度t₃的计算分析数据见图3。

依据上述的计算公式对各状态(如出水流量变化)分析可得出正常使用的温度范围为t₂＜92.5℃，t₃＜75℃。再依据图2可推算出t₁＜75.5℃。

进一步分析非比例恒温式热水器，以额定出热水能力10L/min的热水器作为研究对象。设定旁通比率为20%，热负荷为1.1倍额定值，出水流量从热水器启动流量开始调节，并考虑不同进水温度的影响，如此来考察热水器在正常使用时的各点最高温度。各点的温度计算方法如下：

若

否则，将发生过热沸腾现象，使得t₂≥100℃，t₃随t₂升高依照式(8)升高。并在t₂达到100℃时同样发生过热沸腾和超过100℃的现象，但t₃达到100℃后式(8)已不适用。

额定出热水能力为10L/min的非比例恒温式热水器，按上述条件，在进水温度分别为5℃和25℃的2种条件下，将出水流量从最小量3.5kg/min开始调节，具体出水流量q_m和换热器末端温度t₂、出水温度t₃的计算分析数据见图4(t₂、t₃在低于100℃的条件下)。

由图4分析可得出：在正常使用时，各点的最高温度分别为t₂＜100℃，t₃＜96℃。在实际测试中，出水温度t₃也会产生超出100℃的夹带蒸汽的出水，原因就是在实际加热时，由于换热器中间局部产生瞬时高温，而瞬时高温产生蒸汽促使水流量降低，由于是瞬间状态，故热水器水路启动控制装置无法在如此短的时间作出判断而导致继续燃烧。如此累积产生的结果使出水温度t₃异常变高，使得出水温度超过100℃，此时出水温度t₃不易控制，时而出现非常高的温度(甚至超过100℃)，此温度已不属于正常使用范围。从这一点看，控制换热器内部产生局部过热是关键。从图2可以发现，换热器中端温度t₁控制在80℃以内，换热器内部一般不会有过热现象出现，而t₁在80℃以上时，则由于上述的原因使整个热水器内和出水温度变得不稳定和不易控制，此时的温度不属于正常使用范围。由此可推出，在正常使用时，t₁应低于80℃。

经过上述比例式和非比例式热水器使用情况的分析，我们可以确定既符合国家标准规定，又能使热水器工作正常的温控器的动作温度。如果以换热器中端温度t₁进行设定，为避开正常使用温度，t₁的设定值应不低于80℃。

2.4 停水温升对设定温度的影响

在热水器正常工作时，还有一种状态将影响热水器的各点温度，即在热水关闭后，燃烧熄火的滞后。由于熄火滞后将燃烧热量积存在换热器内，使水温上升，各点温度提高。这种停水温升引起的各点温度的变化，按照控制方法会有所不同，必须在设定温控器动作温度时引起注意。

2.5 温控器敏感性的影响

一般设定温控器的动作温度，总是比要求的温度要低3～5℃。这是考虑换热器向温控器的传热速度的影响。

3 建议

① 国家标准GB 6932—2001要求，安全装置中防过热安全装置的动作温度应使出水温度不大于110℃，一旦超过此温度，即关闭通向燃烧器的燃气通路且不应自动开启。在实际使用时，应考虑到实际使用水温的变化范围，温控器的设定动作温度应在热水器正常工作温度范围的最大值以上，以保证热水器正常工作。

② 对温控器动作温度的设定必须注意，在出水温度不超出产品规定(低于110℃)的前提下，还应避免由于设定温度过高，使热水器局部过热沸腾引起压力反向冲击，导致热水器不正常反复周期性启动的现象。

③ 要适当考虑温度信号传递到温控器的滞后现象的补偿。

④ 如果将温控器设定在换热器中端(温度为t₁位置)，为了避开热水器正常使用的温度范围，并且避免出水温度t₃超过110℃，还要避免t₁超过108℃，从而避免热水器局部过热沸腾引起压力反向冲击而导致热水器不正常反复周期性启动现象，建议温控器的动作温度t₁宜设定为85～100℃。

参考文献：

[1] 周玉林.机内燃气微漏对燃气热水器性能影响的研究[J].煤气与热力，2007，27(12)：22-25.

[2] 王启.自然排气烟道式燃气热水器的安全使用[J].煤气与热力，2005，25(2)：63-65.

[3] GB 6932—2001，家用燃气快速热水器[S].

(本文作者：张坤东能率(中国)投资有限公司上海 201405)