崔 頌，沈文權(quán)，徐德明，王 菲，高乃平，程遠(yuǎn)達(dá)

(1.同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2.寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336；3.浙江省健康智慧廚房系統(tǒng)集成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315336；4.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

天然氣具有熱值高、運(yùn)輸方便、綠色無污染等優(yōu)勢(shì)，在能源的使用中所占的比例越來越重，城市燃?xì)獾钠占奥试黾?，?dǎo)致燃?xì)猱a(chǎn)品更加平民化。燃?xì)鉄崴骶哂薪Y(jié)構(gòu)緊湊、便于安裝、熱效率高、出水快速、水溫穩(wěn)定、可長時(shí)間使用等諸多優(yōu)點(diǎn)，市場(chǎng)巨大[1]。

燃?xì)鉄崴鞯陌l(fā)展由來已久，早在1868年，世界上就誕生了第一臺(tái)燃?xì)鉄崴?，而在中國的發(fā)展則始于1979年由南京玉環(huán)電器公司研制的第一臺(tái)國產(chǎn)燃?xì)鉄崴?。?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前市場(chǎng)上有超過1億臺(tái)燃?xì)鉄崴魍度胧褂?，并且每年的增速達(dá)到800萬臺(tái)。國內(nèi)熱水器市場(chǎng)品牌超過480個(gè)，而生產(chǎn)燃?xì)鉄崴鞯钠放瞥^200個(gè)。其中，主流品牌也不過十幾家，其余大部分為小企業(yè)[2]。而根據(jù)2015年5月15日發(fā)布的編號(hào)為GB 20665-2015的《家用燃?xì)饪焖贌崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t能效限定值及能效等級(jí)》新國標(biāo)，燃?xì)鉄崴鞯哪苄?biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了相應(yīng)的提高，該標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布將進(jìn)一步推進(jìn)我國節(jié)能減排政策的實(shí)施。

燃?xì)鉄崴鞯漠a(chǎn)熱水量是指在國家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試臺(tái)上，燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)出口水溫升為25 ℃情況下，每分鐘所產(chǎn)生熱水的量。目前中國市場(chǎng)上燃?xì)鉄崴鞯某鏊看蠖嘣?～16 L/min范圍內(nèi)，大容量(出水量為32 L/min)的熱水器依然是市場(chǎng)的空白，小容量的熱水器在飯店、賓館等消耗熱水較多的場(chǎng)合并不適用，而大容量型號(hào)可以滿足需求，因此潛在市場(chǎng)巨大。

燃?xì)鉄崴靼ㄈ紵?、熱交換器、水管路、排煙系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)等，在主流廠商研發(fā)過程中，需要對(duì)各個(gè)主要部件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型，并分別進(jìn)行打樣，組合成一個(gè)完整的燃?xì)鉄崴鳎褂脴?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方式進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出滿足各項(xiàng)指標(biāo)且成本最低的產(chǎn)品。反復(fù)的優(yōu)化、打樣、測(cè)試，導(dǎo)致了燃?xì)鉄崴餮邪l(fā)的成本較高，周期較長。而通過計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法，使用模擬仿真軟件，可以有效地降低研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期，對(duì)燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)的發(fā)展起到很好的推動(dòng)作用。

在針對(duì)燃?xì)鉄崴鞯臄?shù)值模擬方面，研究已經(jīng)較多。華中科技大學(xué)付重重[3]利用Fluent軟件對(duì)冷凝式燃?xì)鉄崴鞯膿Q熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果顯示影響其效率的最重要因素為排煙溫度。重慶大學(xué)閆棟[4]采用CFD模擬的方法對(duì)燃?xì)鉄崴鞯娜紵蛽Q熱過程進(jìn)行研究，優(yōu)化燃燒室高度和翅片結(jié)構(gòu)。藍(lán)少健[5]和吳明華[6]也分別采用Fluent軟件對(duì)燃?xì)鉄崴鞯慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)提高熱水器的熱效率提出了一些指導(dǎo)性的建議。

1 樣機(jī)測(cè)試

目前中國市場(chǎng)上尚不存在出水量為32 L/min的燃?xì)饪焖贌崴鳟a(chǎn)品，該產(chǎn)品的研發(fā)不是小容量熱水器的簡(jiǎn)單放大，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)均需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。因此，研發(fā)部門購買日本某廠商生產(chǎn)的32 L燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)和拆機(jī)分析，對(duì)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)和參考。圖1所示為日本樣機(jī)主要部件的結(jié)構(gòu)。該樣機(jī)的火排數(shù)量為15個(gè)，在以最大功率工作時(shí)，15個(gè)火排全部打開，而當(dāng)該熱水器的功率最小時(shí)，工作火排個(gè)數(shù)為3個(gè)。該熱水器共分為5段，每一段的火排數(shù)目分別為15，11，6，4，3，火排數(shù)目與熱水器的功率成正相關(guān)。

圖1 日本樣機(jī)實(shí)物圖Fig.1 Gas water heater images of the Japanese prototype

試驗(yàn)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的試驗(yàn)方案進(jìn)行，對(duì)該燃?xì)鉄崴鞲鞫蜗逻M(jìn)出口溫升、熱水產(chǎn)量、測(cè)試時(shí)間、燃?xì)庀牧俊煔饨M成及溫度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算熱水器的功率、熱水產(chǎn)量、熱效率等。在每一段中，分別調(diào)節(jié)最大燃料供應(yīng)量和最小量，測(cè)量各參數(shù)。各段位的測(cè)試結(jié)果如表1所示。在15個(gè)火排完全打開且燃?xì)夤┙o量最大時(shí)，該熱水器可以達(dá)到最大熱負(fù)荷64.27 kW和最大熱水產(chǎn)量30.57 L/min，而在熱水器滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其熱效率較低，為82.96%，低于新國標(biāo)3級(jí)能效86%的規(guī)定。五段燃?xì)夤┙o量最小時(shí)，熱水器可達(dá)到最大熱效率91.45%，但其產(chǎn)熱水量和熱負(fù)荷遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。

測(cè)試結(jié)果與該熱水器標(biāo)定的32 L/min的產(chǎn)熱水量較為接近，基本滿足需求，而滿負(fù)荷運(yùn)行下的熱效率僅為82.96%，遠(yuǎn)低于新國標(biāo)的規(guī)定。因此，對(duì)于購置的樣機(jī)，其熱負(fù)荷等有一定的參考價(jià)值，同時(shí)也需要進(jìn)一步提高其熱效率，以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求；燃燒室的設(shè)計(jì)有一定的參照意義，而熱交換器部分翅片以及管路的布置可以進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出符合標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。

表1 日本樣機(jī)測(cè)試結(jié)果Table 1 Testing results of the Japanese prototype

2 熱交換器設(shè)計(jì)模型

根據(jù)樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果和小容量燃?xì)鉄崴鞯漠a(chǎn)品特征，結(jié)合熱交換器的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)熱水器的熱交換器部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其三維模型如圖2所示。

圖2 燃?xì)鉄崴鳠峤粨Q器部分三維模型Fig.2 Three-dimension models for heat exchangers of the gas water heater

該模型水管結(jié)構(gòu)為單根串聯(lián)布置，往返管程數(shù)量為7段，水管材質(zhì)為銅管，內(nèi)徑為16.4 mm，管壁厚度為0.8 mm.為強(qiáng)化熱交換器內(nèi)部的對(duì)流傳熱，增加內(nèi)部換熱面積，在與管道垂直方向上布置大量翅片，其數(shù)量為140，單個(gè)翅片厚度為0.3 mm.在熱交換器中，每個(gè)翅片的結(jié)構(gòu)幾乎一致，為增加內(nèi)部高溫?zé)煔獾臄_流，在翅片中間及邊緣位置增加大量翻邊，高度為1.8 mm.增加的翻邊將有效提高換熱器內(nèi)部的傳熱，對(duì)提高整體熱效率有較大幫助。

3 換熱過程理論分析

在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，要對(duì)整個(gè)換熱過程進(jìn)行一定的理論分析，并采用傳熱經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果作為數(shù)值模擬的邊界條件。熱交換器換熱過程主要包括換熱管內(nèi)水側(cè)的對(duì)流換熱、銅管管壁的導(dǎo)熱以及管外側(cè)煙氣橫掠換熱管的對(duì)流換熱。整個(gè)換熱過程的熱流密度q可根據(jù)下式計(jì)算：

(1)

式中：hw為水側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tpi與tpo分別為銅管內(nèi)外兩側(cè)表面溫度，K；tw為管內(nèi)水流溫度，K；λ為銅管管壁導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；δ為銅管管壁厚度，m；ha為煙氣側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；ta為管外煙氣溫度，K.

根據(jù)設(shè)計(jì)要求和管道參數(shù)，計(jì)算試驗(yàn)條件下管道內(nèi)部水側(cè)的傳熱系數(shù)，其計(jì)算方法如式(2)所示。

(2)

式中：h為水的傳熱系數(shù)，λ為水的導(dǎo)熱系數(shù)，取水的定性溫度為30 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)為0.618 W/(m·K)，d為管道內(nèi)徑16.4 mm，Nu為努謝爾數(shù)。管內(nèi)流動(dòng)雷諾數(shù)Re可由下式計(jì)算得到：

(3)

式中：v為管道內(nèi)水的流速，根據(jù)水的體積流量和管道截面積可以計(jì)算出水流速度為2.525 m/s；l為管道的水力直徑，16.4 mm；υ為計(jì)算狀態(tài)下水的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)，查表取值為0.805×10-6m2/s.根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以判定，換熱器管內(nèi)為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)。因此，采用迪圖斯-貝爾特(Dittus-Boelter)公式計(jì)算努謝爾數(shù)：

Nu=0.023×Re0.8×Pr0.4.

(4)

式中：Pr為普朗特?cái)?shù)，在定性溫度30 ℃下，取值為5.42.根據(jù)上述公式計(jì)算可知，在給定的設(shè)計(jì)工況下，管道內(nèi)水的傳熱系數(shù)為10 012 W/(m2·K).由于銅管導(dǎo)熱性能較好，管壁內(nèi)外兩側(cè)的傳熱溫差較小，因此可忽略管壁導(dǎo)熱熱阻，即認(rèn)為管壁內(nèi)外兩側(cè)表面溫度tpi與tpo一致。而根據(jù)公式(2)計(jì)算結(jié)果可知，管內(nèi)水側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)較大，當(dāng)換熱充分時(shí)，可近似認(rèn)為內(nèi)側(cè)管壁溫度等于管內(nèi)層流底層水溫。選取12 T天然氣為燃料，空氣過量系數(shù)為1.8，燃?xì)獬浞秩紵?，根?jù)化學(xué)反應(yīng)的計(jì)算，在滿足熱負(fù)荷的條件下，計(jì)算煙氣的質(zhì)量流量為0.040 3 kg/s.根據(jù)燃?xì)馊紵臒崞胶夥匠淌?，?jīng)過迭代，計(jì)算該條件下的絕熱燃燒溫度為1 311.5 ℃.

4 熱交換器CFD數(shù)值模擬

設(shè)計(jì)的三維模型中，翅片數(shù)量為140，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量計(jì)算資源，需要對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化，模型為周期性對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選取其中3片作為計(jì)算單元，其簡(jiǎn)化的幾何模型如圖3所示。網(wǎng)格劃分采用ICEM四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格質(zhì)量超過0.4，網(wǎng)格總數(shù)量為253萬。采用分塊劃分和局部加密技術(shù)對(duì)影響翅片換熱的壁面區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格的細(xì)化處理，如圖4所示。

圖3 熱交換器模型簡(jiǎn)化及計(jì)算域選取Fig.3 Simplification of the heat exchanger and selection of the computational region

圖4 熱交換器模型網(wǎng)格劃分及局部加密Fig.4 Mesh of the heat exchanger model with local encryption technology

使用ANSYS Fluent對(duì)換熱過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。計(jì)算模型的合理選擇對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生直接的重要影響。大渦模型(LES)能夠較為準(zhǔn)確地模擬湍流流動(dòng)，但其所需計(jì)算資源巨大，通常難以承受。因此，本文采用目前應(yīng)用較為廣泛RNGk-ε湍流模型，以作為對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算資源兩者之間的平衡選擇。同時(shí)，考慮到標(biāo)準(zhǔn)RNGk-ε湍流模型在計(jì)算低雷諾數(shù)流動(dòng)區(qū)域時(shí)，存在計(jì)算失真的現(xiàn)象，本文通過壁面網(wǎng)格加密，在保證壁面y+值小于5的前提下，采用增強(qiáng)型壁面函數(shù)以計(jì)算低雷諾數(shù)流動(dòng)區(qū)域的流動(dòng)換熱?？刂品匠糖蠼獠捎秒p精度的分離隱性算法器，壓力與速度的耦合運(yùn)用SIMPLEC算法，壓力離散格式采用二階離散格式，k方程、ε方程和速度方程的對(duì)流項(xiàng)離散采用二階迎風(fēng)差分，擴(kuò)散項(xiàng)則采用二階中心差分離散格式。本文能量方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-7，其他方程為10-4.

煙氣側(cè)設(shè)置煙氣的流量、溫度和組分，水側(cè)管道設(shè)置為墻體，賦予第三類邊界條件，壁面溫度在水流動(dòng)方向上簡(jiǎn)化為線性分布。當(dāng)殘差低于設(shè)定值，且滿足能量守恒和質(zhì)量守恒時(shí)，可以判定計(jì)算結(jié)果收斂，其中間截面的溫度云圖如圖5所示。

圖5 翅片之間截面溫度云圖Fig.5 Surface temperature contours of the fin heat exchanger

計(jì)算結(jié)果顯示，在軟件中入口溫度設(shè)置為1 160 ℃時(shí)，可以滿足得熱量的需求，入口的熱流量為1 376.67 W，此時(shí)出口煙氣溫度為121.04 ℃，出口熱流量為93.53 W，由此可以計(jì)算出此時(shí)換熱器的熱效率為93.2%，滿足國標(biāo)要求。高溫?zé)煔庠诮?jīng)過翅片和水管后，溫度快速下降，將熱量傳遞給翅片和水管，最終達(dá)到加熱水的目的。同時(shí)，翅片部分(包含翻邊)的平均溫度為94.47 ℃，沒有出現(xiàn)局部溫度過高的溫度，設(shè)計(jì)相對(duì)合理。

5 樣機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

根據(jù)日本樣機(jī)的測(cè)試和熱交換器的CFD模擬，研發(fā)部門設(shè)計(jì)出一款32 L燃?xì)饪焖傩蜔崴?。其整體的幾何模型及樣機(jī)實(shí)物圖如圖6所示。

參考日本樣機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)，本樣機(jī)的設(shè)計(jì)火排總數(shù)為21個(gè)，分為5個(gè)段位，從大到小開啟的火排數(shù)量分別為21，11，7，4，2.對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行熱負(fù)荷和熱效率的試驗(yàn)測(cè)試，其結(jié)果如表2所示。

設(shè)計(jì)樣機(jī)的最大熱負(fù)荷為5段的最大負(fù)荷，其數(shù)值為62.182 kW，滿足該燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)要求(要求其最大熱負(fù)荷為62 kW).而最小負(fù)荷出現(xiàn)在1段的最小負(fù)荷處，為2.996 kW，負(fù)荷跨度較大。隨著段位的增加，燃?xì)鉄崴鞯臒嶝?fù)荷也不斷增加，兩個(gè)相鄰段位之間存在一定熱負(fù)荷的重疊，高段位的最小熱負(fù)荷比低段位的最大熱負(fù)荷高，可以保證在熱水器工作的過程中，能夠?qū)嶝?fù)荷進(jìn)行無斷點(diǎn)的連續(xù)調(diào)節(jié)。

最大產(chǎn)熱水量為31.927 kg/min，基本滿足該燃?xì)鉄崴鞯脑O(shè)計(jì)要求(要求最大產(chǎn)熱水量達(dá)到32 L/min)。隨著負(fù)荷的增大，產(chǎn)熱水量逐漸增大，且在相鄰兩個(gè)段位下的產(chǎn)熱水量存在重合，高段位在低負(fù)荷時(shí)的產(chǎn)熱水量低于相鄰低段位在高負(fù)荷下的產(chǎn)熱水量，因此可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)熱水量的連續(xù)調(diào)節(jié)。

燃?xì)鉄崴鳂訖C(jī)的最小熱效率出現(xiàn)在1段的最大值處，為86.38%，此時(shí)的熱負(fù)荷和產(chǎn)熱水量分別為6.832 kW和3.383 kg/min.而最大熱效率則出現(xiàn)在5段的最小點(diǎn)處，為96.07%，其熱負(fù)荷和產(chǎn)熱水量分別為23.60 kW和12.998 kg/min.

圖6 設(shè)計(jì)樣機(jī)整體幾何模型和實(shí)物圖Fig.6 Schematic and image of the designed gas water heater

段位熱負(fù)荷/kW熱效率/%產(chǎn)熱水量/(kg·min-1)五段Max62.1889.5731.927Min23.6096.0712.998四段Max31.2290.8616.261Min13.2595.097.222三段Max21.3689.5710.967Min9.1693.834.926二段Max12.4988.606.344Min5.5291.332.892一段Max6.8386.383.383Min3.0090.551.555

針對(duì)一個(gè)段位的最大負(fù)荷或最小負(fù)荷時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)隨著段位的增加，熱效率呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。而對(duì)于同一段位來說，最小負(fù)荷點(diǎn)的熱效率高于最大負(fù)荷點(diǎn)。這是由于當(dāng)負(fù)荷較小時(shí)，換熱更加充分，可以使得熱水獲得更多的熱量。

6 結(jié)論

1) 為填補(bǔ)燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)的空白，同濟(jì)大學(xué)研發(fā)部門設(shè)計(jì)了一款產(chǎn)熱水量為32 L/min的家用燃?xì)饪焖贌崴鳎ㄟ^試驗(yàn)、理論計(jì)算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。通過理論分析，計(jì)算在設(shè)計(jì)工況下的絕熱燃燒溫度、水的傳熱系數(shù)等，在數(shù)值模擬過程中，將其作為邊界條件。

2) 對(duì)設(shè)計(jì)出的熱交換器采用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果顯示，該模型滿足熱負(fù)荷和產(chǎn)熱水量的需求，同時(shí)可以達(dá)到93.2%的熱效率，滿足新國標(biāo)的要求。在熱交換器換熱過程中，翅片部分會(huì)存在溫度較高的局部區(qū)域，但在可承受的范圍內(nèi)。

3) 根據(jù)外購樣機(jī)的試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬的相關(guān)結(jié)果，設(shè)計(jì)32 L燃?xì)鉄崴鳂訖C(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果顯示設(shè)計(jì)樣機(jī)的最大熱負(fù)荷為62.182 kW，最大產(chǎn)熱水量為31.927 kg/min，均滿足設(shè)計(jì)的要求。

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