燃气热水器的流量特性分析

摘 要

摘要：通过实验与理论计算方法，对燃气热水器的流量特性进行研究，得到水流量随供水压力变化的计算公式，将水流量的理论计算值与实测值进行对比。在较高供水压力下，实测值与理论值存
摘要：通过实验与理论计算方法，对燃气热水器的流量特性进行研究，得到水流量随供水压力变化的计算公式，将水流量的理论计算值与实测值进行对比。在较高供水压力下，实测值与理论值存在较大差异。实际上存在极限流量，当实际流量达到极限流量时，水流量不随供水压力的增大而增大，而是趋于稳定。对出水温度控制特性进行研究，虽然通过燃气阀门和水量调节阀可以调节出水温度，但其调节能力有限。
关键词：燃气热水器；极限流量；流量特性；出水温度；供水压力
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
燃气热水器具有无需预热、成本低、体积小、加热快等优点，在人们日常生活中得到了普遍的使用[1～2]。但随着人们生活水平的不断提高，普通燃气热水器已经无法满足要求。因为在其使用过程中，由于供水压力变化造成水流量变化，进而使水温改变，严重时因水过烫或过凉而无法淋浴。虽然可以通过水量调节阀来调节水量，但有时难以维持流量的稳定，因此有必要对燃气热水器流量与压力的关系进行研究。
1 实验研究
    实验用家用燃气快速热水器(参数见表1)的水管路由3段不同管径的水管(进水管、水箱水管、出水管)组成，取进水口和出水口分别为断面1、断面2。实验装置见图1。

表1 实验用家用燃气快速热水器的参数
型号
JSD16-8
燃气种类
天然气
燃气额定压力/kPa
2
适用水压/kPa
25～1000
25℃时的热水产率/(L·min-1)
8
热负荷/kW
16
   普通燃气热水器通过水量调节阀来调节水量，有“大水”与“小水”两个档位，在这两个档位间可以连续调节。为了充分反映流量与压力的变化关系，本实验以水量调节阀在“大水”和“小水”两档下进行。当在“大水”档位时，水量调节阀流通孔径最大，此时水量调节阀的阻力最小，热水器的水流量最大；在“小水”档位时，水量调节阀流通孔径最小，阻力最大，热水器的水流量最小。
   体积流量的测量方法：称空桶质量m1，在一段时间内用该桶接热水器流出的水，再称桶和水的总质量m2，用秒表记录这段时间t，由下式得到水的体积流量。
 
式中q1——水的体积流量，L/min
    m2——桶和水的总质量，kg
    m1——空桶质量，kg
    t——用桶接水的时间，s
2 理论计算
2.1 流量与压力关系的理论分析
流体力学恒定总流能量方程式为：
 
式中h1、h2——断面1、2相对于选定基准面的高程，m
    p1、p2——断面1、2的压力，Pa，因断面2处压力为大气压力，故p2=0Pa
ρ——水的密度，kg/m3
g——重力加速度，m/s2
α1、α2——断面1、2的动能修正系数，取1
v1、v2——断面1、2的平均流速，m/s
h1-2——断面1、2间的阻力，m
 
式中n——断面1、2间的管段数量
    Si——i管段的管路阻抗，s2/m5
    q——水的体积流量，m3/s
 
式中λi——i管段的沿程阻力系数
    li——i管段的长度，m
    di——i管段的管道内直径，m
ζs,i——i管段的局部阻力系数之和
 
式中d1——断面1处的管道内直径，m
    d2——断面2处的管道内直径，m
    由式(1)、(2)、(4)可得：
 
    式(5)是体积流量与供水压力的计算关系式，求解的关键是确定各管段的管长、管道内直径、沿程阻力系数和局部阻力系数之和。
2.2 “大水”与“小水”档位时的理论计算
    “大水”、“小水”档位时的局部阻力系数分别见表2、3，其中水量调节阀不是标准件，局部阻力系数可以通过实验确定。已知实验中的h1-h2=3m，可根据式(3)、(5)分别计算出两个档位时不同供水压力下水的理论体积流量。
表2 “大水”档位时的局部阻力系数
管件
90°弯头
45°弯头
水量调节阀
变径管
每个管件的局部
阻力系数
0.12
0.08
0.22
0.08
进水管管件数量
3
O
0
1
燃烧室水管管件数量
19
2
1
0
出水管管件数量
0
O
0
1
表3 “小水”档位时的局部阻力系数
管件
90°弯头
45°弯头
水量调节阀
变径管
每个管件的局部阻力系数
0.12
0.08
43.22
0.08
进水管管件数量
3
0
O
1
燃烧室水管管件数量
19
2
1
0
出水管管件数量
O
O
O
1
3 实测值与理论计算值的比较及分析
    “大水”与“小水”两个档位下体积流量的实测值与理论计算值的比较见图2。
 

    由图2可知：
    ① 无论在“大水”档位还是“小水”档位，当供水压力较小时，体积流量的理论值与实测值变化趋势相同，但随着供水压力的增大，理论值与实测值有较大差异。这是因为实际上体积流量存在极限流量值(“小水”档位的极限流量值约为3.14L/min，“大水”档位的极限流量值约为6.88L/min)，实际情况中，当体积流量达到极限流量值时，不会再随着供水压力的增大而增大。
    ② 在相同供水压力下，“大水”档位的体积流量较大，主要是因为“大水”档位的局部阻力比“小水”档位的局部阻力小，即水量调节阀是通过调节局部阻力来调节流量的。
    ③ “小水”档位的体积流量实测值与“大水”档位的体积流量实测值之间的区域，是燃气热水器可调的流量范围，超出此范围的体积流量要求是不能满足的。
4 出水温度控制特性
   根据热平衡原理[3]有：
    ηqgQ1=cρq△θ    (6)
式中η——热水器热效率
    qg——燃气的体积流量，m3/s
    Q1——燃气低热值，kJ/m3
    c——水的比热容，kJ/(kg·K)，为4.2kJ/(kg·K)
    △θ——水被加热的温升，℃
    由式(6)可知，供水压力变化导致水流量变化，必然导致出水温度变化。虽然燃气阀门和水量调节阀可以分别控制燃气流量和水流量，但只能在一定范围内进行调节，即：
    qg,min≤qg≤qg,max    (7)
    qmin≤q≤qmax    (8)
式中qg,min——燃气阀门可调节燃气的最小体积流量，m3/s
    qg,max——燃气阀门可调节燃气的最大体积流量，m3/s
    qmin——水量调节阀可调节水的最小体积流量，m3/s
    qmax——水量调节阀可调节水的最大体积流量，m3/s
    根据式(7)、(8)，可得通过燃气阀门和水量调节阀可调节的水温升范围，见式(9)。
 
    由式(9)可知，虽然通过燃气阀门和水量调节阀可以调节出水温度，但其调节能力是有限的。
参考文献：
[1] 夏昭知，伍国福.燃气热水器[M].重庆：重庆大学出版社，2002：1-31.
[2] 蔡莹，秦朝葵.燃气热水器技术进展[J].煤气与热力，2006，26(11)：34-37.
[3] 朱荣明，戴冠中.燃气热水器水温智能控制系统[J].西北工业大学学报，2001，19(1)：69-71.
 
(本文作者：李广超 彭世尼 重庆大学 城市建设与环境工程学院 重庆 400045)