燃气热水器换热效率的影响因素

摘 要

摘要：对燃气热水器的换热器建立单管计算模型，计算分析了工作参数(烟气进口温度、过剩空气系数、烟气温度分布、水质量流量)、结构参数(肋片数量、肋片厚度)和水管顺、逆流排布
摘要：对燃气热水器的换热器建立单管计算模型，计算分析了工作参数(烟气进口温度、过剩空气系数、烟气温度分布、水质量流量)、结构参数(肋片数量、肋片厚度)和水管顺、逆流排布对换热器换热效率的影响。
关键词：燃气热水器；换热效率；肋片效率；换热器；烟气温度；过剩空气系数
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
    燃气热水器的换热器(见图1)结构复杂，空间尺寸变化较大，使用CFD软件模拟面临网格多、计算效率低等问题，存在硬件方面的困难。在实际工作中，可以对换热器进行简化，建立理论模型，结合数值计算来研究影响换热器换热效率的因素，为燃气热水器的性能改进提供依据。

2 单管计算模型
    为简化，将换热器中嵌布的水管视作末端绝热的肋片管，水管由若干(5或6)根肋片管依次串联而成，肋片视作直管上的等截面环肋。高温烟气横掠肋片管，将热量传递给水管中流动的冷水。单管简化模型见图2。在相同的燃气耗量和水流量下，水侧温升较大，则认为换热效率较高，故可用出口水温来衡量肋片管的换热效率。本研究中比定压热容均取相应温度范围内的平均值。

稳定状态下单根肋片管的传热方程式与热平衡方程式分别见式(1)、(2)。
Φh=KAi△tm    (1)
式中Φh——由传热方程式计算的传热量，W
    K——烟气与水之间的传热系数，W/(m2·K)
    Ai——肋片根部的光管表面积，m2
△tm——对数平均温差，℃
 
   式(1)、(2)中烟气的物性参数随其温度剧烈变化，需先假定tw2或tf2，采用逐次逼近法进行试算，计算步骤为：
   ① 假设出口水温tw2，根据式(2)得到传热量Φw和烟气出口温度tt2。
   ② 已知燃气组成和过剩空气系数α，以烟气平均温度为定性温度，计算烟气的运动黏度、热导率、比热容等物性参数。因为混合气体的热导率经验计算公式在400～1200℃范围内并不适用，烟气的热导率λf和普朗特数Pr采用成分相近的标准烟气(质量分数w分别为wCO2=0.13，wH2O=0.11，wN2=0.76)的数据。
③ 计算烟气与水之间的传热系数K，计算公式为：
 
式中hw——水侧表面传热系数，W/(m2·K)，采用Dittus-Boelter关联式计算[1]246
    δ——水管壁厚，m
    λ——水管热导率，W/(m·K)
    η0——肋片总效率
    β——肋化系数
    hf——烟气侧表面传热系数，W/(m2·K)，采用Churchill-Bernstein公式计算[1]258
    设肋间平壁部分面积为A1，肋面突出部分面积为A2，则肋侧总表面积A0=A1+A2。肋化系数β=A0/Ai，肋片总效率η=(A1+ηfA2)/A。，其中ηf为肋片效率。环肋肋片效率η的计算采用常见肋片的肋片效率计算式。
    ④ 按式(1)计算传热量Φh，比较Φh和Φw，若相差较大，则重新假设一个出口水温，直至求得的Φh和Φw接近为止，即当两者相对误差小于2%时，认为达到精度要求。
3 单管工作参数对换热效率的影响
    在燃气热水器使用过程中，影响换热效率的因素有烟气进口温度、过剩空气系数、水流量等工作参数。以某强制排烟型热水器的换热器为例进行计算，分析各工作参数及结构参数对换热效率的影响。采用的天然气组成见表1，天然气低热值为37.31MJ/m3，理论空气需要量为9.86m3/m3。工作参数和结构参数见表2。在分析工作参数对换热器性能影响的过程中，每次只改变一个工作参数而保持其他工作参数及结构参数不变。
表1 天然气组成
组分
体积分数/%
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 工作参数和结构参数
水管
内直径/mm
12.6
壁厚/mm
0.8
长度/mm
140
热导率/(W·m-1·K-1)
366
肋片
直径(包含水管)/mm
32
厚度/mm
0.25
数量
59
肋片效率
0.974
肋化系数
15
天然气
体积流量/(L·s-1)
0.612
低热值/(MJ·m-3)
37.31
过剩空气系数
1.7
烟气进口温度/℃
1000
水
质量流量/(kg·min-1)
7.8
进口温度/℃
20
    ① 烟气进口温度的影响
    烟气进口温度受燃气燃烧状况影响，并对传热系数产生影响。保持其他参数不变，只改变烟气进口温度，从100℃上升至1400℃，计算的换热量见图3。随着烟气进口温度的升高，传热系数增大，换热量增加，在燃气耗量不变的前提下，可有效地提高热水器的换热效率。烟气进口温度每升高100℃，换热量可增加10%以上。
 

   ② 过剩空气系数的影响
   过剩空气系数改变会影响烟气进口温度[2]，也会引起烟气流量变化，使烟气侧换热效果发生变化[3]。保持其他参数不变，过剩空气系数从1.5增至1.8。根据燃烧后烟气总焓不变的原则，计算出不同过剩空气系数下的烟气温度和烟气流量，代入单管模型进行计算，计算的换热量见图4。过剩空气系数每下降0.1，换热量可增大20%左右。过剩空气系数增大时，烟气流量虽然增加，但因燃烧温度降低使烟气流速减小，hf减小，使传热量减小。故应在保证污染物排放不超标的前提下，尽量减小过剩空气系数。

   ③ 烟气温度分布的影响
若均流板设计不当，进入各火排的燃气量或过剩空气量不同，会造成燃烧室内的烟气温度分布不均。假设烟气温度tx沿管程水流方向线性递增，为水管长度石(单位为mm)的函数：tx=ax+b。为使结果有可比性，以烟气温度为1000℃且均匀分布时烟气的焓值为基准，保持烟气的总焓值不变，则有下式：
 
式中l——单根水管的长度，mm
    qV,fl——单位长度水管通过的烟气体积流量，m3/(s·mm)
    cp,l——温度为0～1000℃范围内烟气的平均单位体积比定压热容，J/(m3·K)
    t0——烟气均匀分布时的温度，℃，取1000℃
    cp,2——温度为0～tx范围内烟气的平均单位体积比定压热容，J/(m3·K)
    tx——烟气进口温度，℃
    在所研究的烟气温度范围内，平均单位体积比定压热容与烟气温度近似成线性关系，当烟气最低进口温度为800℃时，根据式(4)可得烟气进口温度tx=2.8759x+800。
    对于长度为dx的微元肋片管段，水的得热量等于换热器的换热量，微元肋片管段串联起来就是整个肋片管。出越小，计算结果越精确。将肋片管等分为5段，则dx=28mm。将计算得到的出口水温作为下一微元肋片管段的进口水温，分别以单管计算模型进行计算，结果见表3。
表3 烟气温度分布不均时各管段的计算结果
微元肋片管段
1
2
3
4
5
烟气进口温度/℃
839.4
918.9
998.8
1079.4
1159.9
传热系数/(W·m-2·K-1)
759.1
764.9
769.2
775.7
779.8
烟气出口温度/℃
443.4
468.1
482.3
502.0
514.0
出口水温/℃
20.93
21.93
23.01
24.16
25.38
换热量/kW
0.5054
0.5434
0.5869
0.6249
0.6629
   与烟气温度为1000℃且均匀分布时的结果相比，换热量下降近1%。即虽然烟气的总焓不变，但烟气温度分布不均导致换热量减小，换热器换热效率下降。
   ④ 水质量流量的影响
   水质量流量变化会引起水的流速变化，影响水侧的传热系数，也影响水与烟气的换热时间[4]。保持其他参数不变，水质量流量从7.6kg/min变化到8.2kg/min，换热量与出口水温的变化见图5。由图5可知，水质量流量增大，虽然出水温度有所下降，但总的换热量是增加的，换热器换热效率提高。可以考虑调节燃气流量与调节水质量流量相结合来进行燃气热水器的水温控制，提升水温小幅变化时热水器的换热效率。
 

4 单管结构参数对换热效率的影响
   燃气热水器的结构参数如肋片数量、肋片厚度、烟气的扰流措施等也会影响其换热效率，且决定了其材料和工艺等成本[5]。
   ① 肋片数量的影响
   增加肋片数量对肋侧总表面积有显著影响。既增大了换热面积，又影响着烟气通道的面积，改变烟气的流动速度，导致换热量发生变化。保持其他参数不变，只改变肋片数量，从55片增加至65片，计算肋侧总表面积A0和肋化系数β。按单管计算模型中的步骤计算换热量，结果见图6。可知每增加1片肋片，烟气侧表面传热系数将提高1.5%～1.8%，换热量增加1%左右。

   ② 肋片厚度的影响
   肋片厚度会影响肋片效率，也影响烟气通道的面积，改变烟气流速，进而改变换热量。当肋片厚度增加时，肋片效率ηf增大，从而使烟气侧表面传热系数增大，换热器的换热效果增强。当肋片厚度从0.2mm变化至0.3m时，换热量的改变见图7。肋片厚度增加0.1mm，换热量增加3%。
5 水管顺、逆流排布对换热效率的影响
    换热器由多根相同的肋片管串联而成，前一根肋片管的出口水温为后一根肋片管的进口水温，下层肋片管的烟气出口温度为上层肋片管的烟气进口温度。当水流方向不同时，各单管的对数平均温差会发生改变，进而改变换热量。
   ① 水管顺流排布
   顺流排布是指水先流经下层肋片管，与高温烟气换热，然后流经上层肋片管，见图8。保持各参数不变，依次对各单管进行计算，直至最后一根肋片管，得到最终的出口水温。6根肋片管顺流排布时水温上升22.37℃。

   ② 水管逆流排布
   逆流排布与顺流排布的水流方向相反，水先流经上层肋片管，与已经与下层肋片管换热后的烟气进行换热，然后流经下层肋片管，与高温烟气换热。由于烟气进、出口温度和出口水温均为未知，所以要进行试算。先假设上层烟气进口温度，且认为烟气温度均匀分布，计算出口水温，代入下一根肋片管进行计算。计算到下层肋片管时，检验下层烟气出口温度和假设的上层烟气进口温度的误差，如果误差偏大则重新计算，直至误差满足精度要求。
    6根肋片管逆流排布时水温上升22.5℃。逆流排布时上层的换热温差较大，增强了整体的换热效果，相比顺流排布，水流温升提高了约0.6%。
6 结论
    通过对单管计算模型的数值计算，能预测燃气热水器工作参数、结构参数及水管顺、逆流排布对换热效率的影响，为热水器的性能改进提供方向。在保证C0排放不超标的前提下，应尽量减小燃气热水器的过剩空气系数，提高烟气温度。肋片数量、厚度既影响换热效率，又决定经济成本，在设计换热器形式时，可在达到规定能效的前提下寻求成本最小化。在控制策略方面，若用户调温幅度为-2～2℃时，可采用调节水流量的调控方法，避免改变燃烧状况，造成换热效率上下波动。
参考文献：
[1] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.
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[4] 张健，郄晓敏.温度对燃气热水器热效率测试与计算的影响[J].煤气与热力，2009，29(1)：B25-B28.
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(本文作者：马飞 秦朝葵 乔业腾 同济大学机械工程学院 上海 201804)