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                提升燃气采暖热水炉洗浴舒适度的技术研究

                万家乐热能科技有限公司 龙开文 王克军 谌厚榕



                摘  要 本文解析了热水增流及分段燃烧两种技术在燃气采暖热水炉的应用对洗浴舒适度的影响,解决用户在洗浴模式下夏季水温过高,冬季水温过低的痛点。

                关键词 分段燃烧;热水增流;舒适洗浴


                1 燃气采暖热水炉洗浴舒适性痛点

                随着人们生活水平的逐渐升高,追求舒适生活的需求愈加迫切,燃气采暖热水炉作为一种供暖及供热水的两用炉,愈加受到用户的青睐。

                然而其洗浴性能难以满足用户对洗浴舒适性的要求,夏季进水温度高时,生活热水水温过高,容易烫伤。冬季进水温度低时,无法达到卫浴的温度需求,全身哆嗦。

                目前行业内燃气采暖热水炉的热水额定负荷与供暖额定负荷共用参数设定,以26kW样机为例,其供暖与热水额定热负荷均为26kW,额定最小热负荷为11.2kW,10L限流(根据国标《GB 25034-2015》的要求,在水压0.1MPa、0.1MPa、0.3MPa、0.6MPa下,洗浴水温应达到50℃~80℃之间)。

                1.1 不同水压下水流量的变化

                10L限流下,不同水压力的水流量变化见表1。


                1.2 采暖炉洗浴温升的计算

                根据Q=cmΔt推导出温升的计算公式:

                    (1)

                式中:η——热效率,二级能效η取85;

                   Q——洗浴热负荷,单位:kW·h;

                   C——水比热容,c=4.2×103J/(kg·℃);

                   q——洗浴最大水流量,单位:L/m。

                表2为不同水压力下,水流量以及相应最低温升的变化。

                通过表2及式(1)的计算得出不同压力下的水流量及最低温升变化如下:

                (1)26kW燃气采暖热水炉的生活热水流量在水压0.1MPa下能达到的最大水流量仅为8.1L/min,不能满足大流量舒适洗浴需求。

                (2)在最大水流量的条件下,26kW燃气采暖热水炉的生活热水在最低温升0.1MPa的进水压力下达到16.8℃。当夏季进水温度较高时,容易造成水温过高的现象。

                2 热水增流技术及分段燃烧技术的应用

                本文旨在通过热水增流及分段燃烧两种技术的综合应用,解决燃气采暖热水炉夏天洗浴热水过热及冬季洗浴热水过冷的问题,提升燃气采暖热水炉在的热水性能,满足用户对热水舒适性的需求。

                2.1 分段燃烧技术的应用

                分段燃烧技术是通过比例阀分流及燃烧器分段的特点,使燃气采暖热水炉在较小的洗浴热需求时切换至部分火排燃烧,以达到更小负荷的目的。

                (1)分段燃烧技术对小负荷最低温升的影响

                在夏季洗浴热负荷需求低于燃气采暖热水炉最小热输出时,导致洗浴出水偏高,影响洗浴舒适度。

                以26kW燃气采暖热水炉样机为例:

                26kW样机采用12排火,通过分段燃烧技术,使燃烧满足6排火燃烧及12排火模式的模式。当生活热水热需求较大时,全排燃烧,其负荷范围为QPL~QPH(即11.2kW~30kW);当生活热火热需求较小时,切换至6排火燃烧,其负荷范围为,此时生活热水符合范围5.6kW~30kW。

                (2)分段燃烧技术防断档计算验证

                为在技术上避免全排火与半排火切换时不出现负荷断档,致使水温波动影响洗浴舒适度,因此必须满足:半排最大负荷>全排最小负荷。

                比例阀输出最大开度与最小开度调节比为a:b,也就是说比例阀可调节最大耗气量与最小耗气量的比值为a:b。

                燃气采暖热水分段燃烧采用的x排火,半排火燃烧时为y排。

                则ya>xb     (x,y∈整数)

                举例说明:某26kW燃气采暖热水炉样机采用的比例阀输出最大与最小开度调节比为3:1,燃烧器12排火。

                ,取整,y可选4,5,6……11。

                2.2 热水增流技术的应用

                (1)热水增流对洗浴水温升的影响

                热水增流技术在满足供暖需求的前提下,洗浴额定热负荷的设置从供暖洗浴额定负荷共用PH模式中分离出来,互不干扰。单独控制提高洗浴热负荷,通过增大洗浴热负荷及洗浴限流量,增大大流量的舒适洗浴需求。

                同样以供暖负荷需求26kW的机型为例,应用热水增流对控制程序的调节,供暖热负荷参数分离后,单独将洗浴额定热负荷的参数PH值增大,至额定负荷达到30kW,满足在温升25K时产热水能力为15L/min。根据国标GB 25034-2010中的水温控制要求,限流流量可增大至13L/min。

                (2)热水增流技术在产品结构上的调整

                热水负荷与供暖负荷在程序上分开,但零部件共用,为了保证洗浴负荷增大后产品性能满足标准要求,需进行以下调整。

                1)满足换热效率:增加翅片数,从而增加换热面积,确保能效满足《GB 25034-2015》标准要求; 

                2)满足二次压要求:选取合适的喷嘴孔径大小,根据国标对二次压要求的标准,确定洗浴额定热负荷的上限。

                喷嘴孔径与二次压的关系式如下:

                                          

                式中:Vd——喷嘴燃气流量;

                Lg——最高耗气量(,Hl:燃气热值);

                S ——燃气对空气相对密度;

                μ——喷嘴流量系数,与喷嘴的结构形式、尺寸和燃气压力有关,一般d=1mm~2.5mm时,喷嘴的μ=0.7~0.8;

                H——燃气压力。

                3 结果分析对比

                应用分段燃烧及热水增流技术后,不同水压下水流的变化及相应最低温升的变化情况如表3。

                 图1为不同水压力下水流量对比,图2为不同水压力下对应的最低温升变化曲线。

                温度域对比:采用分段燃烧及热水增流技术的燃气采暖热水炉温度流量域更广,增加了最低温度域及最大流量域和温度域(Ⅲ区)。更能满足用户的差异化的舒适性需求(见图3)。


                4 结论

                热水增流技术增加了洗浴额定负荷和卫浴流量,夏季模式下,扩大了卫浴流量,降低了最低温升,解决夏季进水温度过高所致的热水过热。同时,大流量洗浴,提高了用户洗浴舒适度。分段燃烧技术降低了洗浴额定最低热负荷,大幅度降低了最低温升,进一步预防夏季温度过高的所致的烫伤风险。同时,小负荷需求时的能耗更低,更经济节能。


                参考文献:

                [1]GB 25034-2010,《燃气采暖热水炉》[S].

                [2]杨世铭,陶文铨 主编.《传热学》第四版. 


                主编点评:

                燃气采暖热水炉生活热水部分的舒适性是用户体验的重要指标。

                论文作者将分段燃烧与热水增流技术综合应用,解决了燃气热水采暖炉生活热水功能出现的“夏季过热冬季不热”的问题。同时也是一个将原燃气热水器成熟技术应用于燃气采暖热水炉的范例。

                该研究选题切合实际,研究路线正确,结构清晰,表述清楚。 同时也表示,我国燃气采暖热水炉生产厂家大多具有长时间燃气热水器研发经历,并积累了丰富经验。希望能将以往热水器研发过程中积累的经验大胆地应用到燃气采暖热水炉中。

                 
                 


                  
                 
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